El arseniuro de indio y galio (InGaAs) (alternativamente, arseniuro de galio e indio, GaInAs) es una aleación ternaria ( compuesto químico ) de arseniuro de indio (InAs) y arseniuro de galio (GaAs). El indio y el galio son elementos del grupo III de la tabla periódica, mientras que el arsénico es un elemento del grupo V. Las aleaciones formadas por estos grupos químicos se denominan compuestos "III-V" . El InGaAs tiene propiedades intermedias entre las del GaAs y el InAs. InGaAs es un semiconductor a temperatura ambiente con aplicaciones en electrónica y fotónica .
La principal importancia de GaInAs es su aplicación como fotodetector de alta velocidad y alta sensibilidad elegido para telecomunicaciones de fibra óptica. [1]
El arseniuro de indio y galio (InGaAs) y el arseniuro de galio-indio (GaInAs) se utilizan indistintamente. Según las normas IUPAC [2], la nomenclatura preferida para la aleación es Ga x In 1-x As, donde los elementos del grupo III aparecen en orden de número atómico creciente, como en el sistema de aleación relacionado Al x Ga 1-x As. Con diferencia, la composición de aleación más importante desde el punto de vista tecnológico y comercial es Ga 0,47 In 0,53 As, que puede depositarse en forma monocristalina sobre fosfuro de indio (InP).
GaInAs no es un material natural. Se requiere material monocristalino para aplicaciones de dispositivos electrónicos y fotónicos. Pearsall y sus colaboradores fueron los primeros en describir el crecimiento epitaxial monocristalino de In 0,53 Ga 0,47 As en sustratos de InP orientados a (111) [3] y orientados a (100) [4] . El material monocristalino en forma de película delgada se puede cultivar mediante epitaxia desde la fase líquida (LPE), fase de vapor (VPE), mediante epitaxia de haz molecular (MBE) y mediante deposición química de vapor metalorgánico (MO-CVD). [5] Hoy en día, la mayoría de los dispositivos comerciales son producidos por MO-CVD o MBE.
Las propiedades ópticas y mecánicas del InGaAs se pueden variar cambiando la proporción de InAs y GaAs, In
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XComo . [6] La mayoría de los dispositivos de InGaAs se cultivan sobre sustratos de fosfuro de indio (InP). Para igualar la constante de red de InP y evitar la tensión mecánica, In
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0,47Tal cual se usa. Esta composición tiene un borde de absorción óptica a 0,75 eV, correspondiente a una longitud de onda de corte de λ=1,68 μm a 295 K.
Al aumentar aún más la fracción molar de InAs en comparación con GaAs, es posible extender la longitud de onda de corte hasta aproximadamente λ=2,6 μm. En ese caso, se deben tomar medidas especiales para evitar tensiones mecánicas debidas a diferencias en las constantes de la red .
El GaAs no coincide en red con el germanio (Ge) en un 0,08%. Con la adición de 1,5% de InAs a la aleación, In 0,015 Ga 0,985 As se adapta en red al sustrato de Ge, lo que reduce la tensión en la deposición posterior de GaAs.
InGaAs tiene un parámetro de red que aumenta linealmente con la concentración de InAs en la aleación. [7] El diagrama de fase líquido-sólido [3] muestra que durante la solidificación de una solución que contiene GaAs e InAs, el GaAs se absorbe a una velocidad mucho mayor que el InAs, agotando la solución de GaAs. Durante el crecimiento a partir de la solución, la composición del primer material en solidificarse es rica en GaAs, mientras que el último material en solidificarse es más rico en InAs. Esta característica se ha aprovechado para producir lingotes de InGaAs con una composición graduada a lo largo del lingote. Sin embargo, la tensión introducida por la constante de red cambiante hace que el lingote sea policristalino y limita la caracterización a unos pocos parámetros, como la banda prohibida y la constante de red con incertidumbre debido a la clasificación continua de la composición en estas muestras.
Las películas epitaxiales monocristalinas de GaInAs se pueden depositar sobre un sustrato monocristalino de semiconductor III-V que tiene un parámetro de red cercano al de la aleación específica de arseniuro de galio e indio que se va a sintetizar. Se pueden utilizar tres sustratos: GaAs, InAs e InP. Se requiere una buena coincidencia entre las constantes de red de la película y el sustrato para mantener las propiedades del monocristal y esta limitación permite pequeñas variaciones en la composición del orden de un pequeño porcentaje. Por lo tanto, las propiedades de las películas epitaxiales de aleaciones de GaInAs cultivadas en GaAs son muy similares a las de GaAs y las cultivadas en InAs son muy similares a las de InAs, porque la tensión de desajuste de la red generalmente no permite una desviación significativa de la composición del sustrato binario puro.
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0,47En
0,53Al igual que la aleación cuyo parámetro de red coincide con el de InP a 295 K. La red de GaInAs adaptada a InP es un semiconductor con propiedades bastante diferentes de GaAs, InAs o InP. Tiene una banda prohibida de energía de 0,75 eV, una masa efectiva de electrones de 0,041 y una movilidad de electrones cercana a los 10.000 cm 2 ·V −1 ·s −1 a temperatura ambiente, todo lo cual es más favorable para muchas aplicaciones de dispositivos electrónicos y fotónicos. en comparación con GaAs, InP o incluso Si. [1] Takeda y sus colaboradores publicaron por primera vez las mediciones de la banda prohibida y la movilidad de los electrones de GaInA monocristalinos. [9]
Como la mayoría de los materiales, el parámetro reticular de GaInAs es función de la temperatura. El coeficiente medido de expansión térmica [13] es5,66 × 10 −6 K −1 . Esto es significativamente mayor que el coeficiente para InP que es4,56 × 10 −6 K −1 . Una película cuya red coincide exactamente con InP a temperatura ambiente generalmente se cultiva a 650 °C con una discrepancia de red de +6,5 × 10-4 . Una película de este tipo tiene una fracción molar de GaAs = 0,47. Para obtener una adaptación reticular a la temperatura de crecimiento, es necesario aumentar la fracción molar de GaAs a 0,48.
La energía de banda prohibida de GaInAs se puede determinar a partir del pico en el espectro de fotoluminiscencia , siempre que la concentración total de impurezas y defectos sea menor que5 × 10 16 cm −3 . La energía de la banda prohibida depende de la temperatura y aumenta a medida que la temperatura disminuye, como se puede ver en la Fig. 3 para muestras de tipo n y de tipo p. La energía de banda prohibida a temperatura ambiente para InGaAs/InP estándar (53% InAs, 47% GaAs) es de 0,75 eV y se encuentra entre la del Ge y el Si. Por coincidencia, la banda prohibida de GaInAs está perfectamente ubicada para aplicaciones de fotodetectores y láser para la ventana de transmisión de longitud de onda larga (banda C y banda L) para comunicaciones de fibra óptica .
La masa efectiva del electrón de GaInAs m * /m° = 0,041 [10] es la más pequeña para cualquier material semiconductor con una banda prohibida de energía superior a 0,5 eV. La masa efectiva se determina a partir de la curvatura de la relación energía-momento: una curvatura más fuerte se traduce en una masa efectiva menor y un radio de deslocalización mayor. En términos prácticos, una masa efectiva baja conduce directamente a una alta movilidad del transportista, favoreciendo una mayor velocidad de transporte y capacidad de carga actual. Una masa efectiva menor del portador también favorece una mayor corriente de túnel, un resultado directo de la deslocalización.
La banda de valencia tiene dos tipos de portadores de carga: agujeros ligeros: m * /m° = 0,051 [11] y agujeros pesados: m * /m° = 0,2. [14] Las propiedades eléctricas y ópticas de la banda de valencia están dominadas por los agujeros pesados, porque la densidad de estos estados es mucho mayor que la de los agujeros ligeros. Esto también se refleja en la movilidad de los huecos a 295 K, que es un factor 40 menor que la de los electrones.
La movilidad de los electrones y la movilidad de los huecos son parámetros clave para el diseño y el rendimiento de dispositivos electrónicos. Takeda y sus colaboradores fueron los primeros en medir la movilidad de los electrones en películas epitaxiales de InGaAs sobre sustratos de InP. [9] Las movilidades medidas de los portadores para electrones y huecos se muestran en la Figura 4.
La movilidad de los transportistas en Ga
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0,53Como es inusual en dos aspectos:
La movilidad de electrones a temperatura ambiente para muestras razonablemente puras de Ga
0,47En
0,53A medida que se acerca10 × 10 3 cm 2 ·V −1 ·s −1 , que es el mayor de todos los semiconductores tecnológicamente importantes, aunque significativamente menor que el del grafeno .
La movilidad es proporcional a la conductividad del portador. A medida que aumenta la movilidad, también aumenta la capacidad de transporte de corriente de los transistores. Una mayor movilidad acorta el tiempo de respuesta de los fotodetectores . Una mayor movilidad reduce la resistencia en serie, lo que mejora la eficiencia del dispositivo y reduce el ruido y el consumo de energía.
La constante de difusión de los portadores minoritarios es directamente proporcional a la movilidad de los portadores. La constante de difusión a temperatura ambiente para electrones en250 cm 2 ·s −1 es significativamente mayor que el de Si, GaAs, Ge o InP, y determina la respuesta ultrarrápida del Ga
0,47En
0,53Como fotodetectores.
La relación entre la movilidad de los electrones y los huecos es la mayor de los semiconductores utilizados actualmente.
La principal aplicación de GaInAs es como detector de infrarrojos . La respuesta espectral de un fotodiodo de GaInAs se muestra en la Figura 5. Los fotodiodos de GaInAs son la opción preferida en el rango de longitud de onda de 1,1 μm < λ < 1,7 μm. Por ejemplo, en comparación con los fotodiodos fabricados con Ge, los fotodiodos de GaInAs tienen una respuesta temporal más rápida, una mayor eficiencia cuántica y una menor corriente oscura para la misma área del sensor. [16] Los fotodiodos GaInAs fueron inventados en 1977 por Pearsall. [17]
Los fotodiodos de avalancha ofrecen la ventaja de una ganancia adicional a expensas del tiempo de respuesta. Estos dispositivos son especialmente útiles para la detección de fotones individuales en aplicaciones como la distribución de claves cuánticas donde el tiempo de respuesta no es crítico. Los fotodetectores de avalanchas requieren una estructura especial para reducir la corriente de fuga inversa debida a la tunelización. Los primeros fotodiodos de avalancha prácticos se diseñaron y demostraron en 1979. [18]
En 1980, Pearsall desarrolló un diseño de fotodiodo que aprovecha el tiempo de difusión excepcionalmente corto de la alta movilidad de los electrones en GaInAs, lo que genera un tiempo de respuesta ultrarrápido. [19] [20] Esta estructura se desarrolló aún más y posteriormente se denominó UTC, o fotodiodo portador uni-viajero. [21] En 1989, Wey y sus colaboradores [22] diseñaron y demostraron fotodiodos pin GaInAs/InP con un tiempo de respuesta inferior a 5 picosegundos para una superficie de detector que medía 5 μm x 5 μm.
Otras innovaciones importantes incluyen el fotodiodo integrado – receptor FET [23] y la ingeniería de conjuntos de plano focal GaInAs. [24]
Los láseres semiconductores son una aplicación importante para GaInAs, después de los fotodetectores. GaInAs se puede utilizar como medio láser. Se han construido dispositivos que funcionan a longitudes de onda de 905 nm, 980 nm, 1060 nm y 1300 nm. Los puntos cuánticos de InGaAs sobre GaAs también se han estudiado como láseres. [25] Los láseres de pozos cuánticos GaInAs/ InAlAs pueden sintonizarse para operar en la ventana de baja pérdida y dispersión λ = 1500 nm para telecomunicaciones de fibra óptica. [26] En 1994, Jérôme Faist y Jérôme Faist utilizaron pozos cuánticos GaInAs/ AlInAs. compañeros de trabajo [27] que inventaron y demostraron un nuevo tipo de láser semiconductor basado en la emisión de fotones por un electrón que realiza una transición óptica entre subbandas en el pozo cuántico. Demostraron que las regiones de emisión de fotones pueden conectarse en cascada en serie, creando el láser de cascada cuántica (QCL). La energía de emisión de fotones es una fracción de la energía de banda prohibida. Por ejemplo, GaInAs/ AlInAs QCL funciona a temperatura ambiente en el rango de longitud de onda 3 μm < λ < 8 μm. La longitud de onda se puede cambiar modificando el ancho del pozo cuántico de GaInAs. [28] Estos láseres se utilizan ampliamente para la detección química y el control de la contaminación.
GaInAs se utiliza en energía fotovoltaica de triple unión y también para la generación de energía termofotovoltaica . [29]
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0.985As se puede utilizar como unión de banda prohibida intermedia en células fotovoltaicas de uniones múltiples con una red que coincide perfectamente con Ge. La combinación perfecta de la red con Ge reduce la densidad de defectos, mejorando la eficiencia de la celda. [ cita necesaria ]
Los dispositivos HEMT que utilizan canales de InGaAs son uno de los tipos de transistores más rápidos [30] [ cita necesaria ]
En 2012, los investigadores del MIT anunciaron el transistor más pequeño jamás construido a partir de un material distinto del silicio. [31] El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ( MOSFET ) tiene una longitud de 22 nanómetros. Este es un logro prometedor, pero se necesita más trabajo para demostrar que el tamaño reducido da como resultado un rendimiento electrónico mejorado en relación con el de los transistores basados en silicio o GaAs.
En 2014, investigadores de la Universidad Penn State desarrollaron un novedoso prototipo de dispositivo diseñado para probar nanocables fabricados a partir de semiconductores compuestos como el InGaAs. [32] El objetivo de este dispositivo era ver si un material compuesto conservaría su movilidad superior en dimensiones a nanoescala en una configuración de dispositivo FinFET. Los resultados de esta prueba provocaron más investigaciones, por parte del mismo equipo de investigación, sobre transistores hechos de InGaAs, que mostraron que en términos de corriente a un voltaje de suministro más bajo, los InGaAs funcionaron muy bien en comparación con los dispositivos de silicio existentes.
En febrero de 2015, Intel indicó que podría utilizar InGaAs para su proceso CMOS de 7 nanómetros en 2017. [33]
La síntesis de GaInAs, como la de GaAs, implica con mayor frecuencia el uso de arsina ( AsH
3), un gas extremadamente tóxico. La síntesis de InP también implica con mayor frecuencia fosfina ( PH
3). La inhalación de estos gases neutraliza la absorción de oxígeno por el torrente sanguíneo y puede ser fatal en unos pocos minutos si se exceden los niveles de dosis tóxicas. La manipulación segura implica el uso de un sistema sensible de detección de gases tóxicos y un aparato respiratorio autónomo. [34]
Una vez que GaInAs se deposita como una película delgada sobre un sustrato, es básicamente inerte y resistente a la abrasión, la sublimación o la disolución por solventes comunes como agua, alcoholes o acetonas . En forma de dispositivo, el volumen de GaInAs suele ser inferior a1000 μm 3 , y puede despreciarse en comparación con el volumen del sustrato de soporte, InP o GaAs.
Los Institutos Nacionales de Salud estudiaron estos materiales y encontraron: [35]
La revisión del estudio toxicológico de los NIH realizada por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer de la Organización Mundial de la Salud concluyó: [36]
REACH ( Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Productos Químicos ) es una iniciativa europea para clasificar y regular los materiales que se utilizan o se producen (incluso como residuos) en la fabricación. REACH considera tres clases de tóxicos: cancerígenos, reproductivos y mutagénicos.
El procedimiento de clasificación REACH consta de dos fases básicas. En la fase uno se determinan los peligros intrínsecos del material, sin ninguna consideración de cómo el material podría ser utilizado o encontrado en el lugar de trabajo o por un consumidor. En la fase dos, se considera el riesgo de exposición nociva junto con los procedimientos que pueden mitigar la exposición. Tanto GaAs como InP se encuentran en la fase 1 de evaluación. El principal riesgo de exposición se produce durante la preparación del sustrato, donde el esmerilado y el pulido generan partículas de GaAs e InP del tamaño de una micra. Se aplican preocupaciones similares al corte de obleas para fabricar dispositivos individuales. Estas partículas de polvo pueden absorberse mediante la respiración o la ingestión. La mayor relación entre el área de superficie y el volumen de tales partículas aumenta su reactividad química.
Los estudios de toxicología se basan en experimentos con ratas y ratones. Ningún estudio comparable prueba los efectos de la ingestión de polvo de GaAs o InP en una suspensión líquida.
El procedimiento REACH, que actúa según el principio de precaución , interpreta "pruebas inadecuadas de carcenogenicidad" como "posible carcinógeno". Como resultado, la Agencia Europea de Sustancias Químicas clasificó el InP en 2010 como carcinógeno y toxina reproductiva: [37]
y la ECHA clasificó el GaAs en 2010 como carcinógeno y toxina reproductiva:
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