Arseniuro de indio y galio
Aleación

El arseniuro de indio y galio (InGaAs) (también conocido como 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. El 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, de elección para telecomunicaciones por fibra óptica. [1]

Nomenclatura

El arseniuro de indio y galio (InGaAs) y el arseniuro de galio e indio (GaInAs) se utilizan indistintamente. Según las normas de la 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 se puede depositar en forma de monocristal sobre fosfuro de indio (InP).

Síntesis de materiales

El GaInAs no es un material de origen natural. El material monocristalino es necesario para aplicaciones en 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 sobre 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), la fase vapor (VPE), mediante epitaxia de haz molecular (MBE) y mediante deposición química en fase vapor metalorgánica (MO-CVD). [5] Hoy en día, la mayoría de los dispositivos comerciales se producen mediante MO-CVD o mediante MBE.

Las propiedades ópticas y mecánicas de InGaAs se pueden variar cambiando la proporción de InAs y GaAs, In
1-xGeorgia
incógnitaComo . [6] La mayoría de los dispositivos InGaAs se cultivan en sustratos de fosfuro de indio (InP). Para que coincida con la constante de red de InP y evitar la tensión mecánica, In
0,53Georgia
0,47Tal como se utiliza. 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.

Si se aumenta 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 la tensión mecánica causada por las diferencias en las constantes de red .

El GaAs presenta un desajuste reticular con el germanio (Ge) del 0,08 %. Con la adición de un 1,5 % de InAs a la aleación, In 0,015 Ga 0,985 As se adapta reticularmente al sustrato de Ge, lo que reduce la tensión en la posterior deposición de GaAs.

Propiedades electronicas y opticas

Fig.1 Brecha energética versus composición de galio para GaInAs

El parámetro de red del InGaAs aumenta linealmente con la concentración de InAs en la aleación. [7] El diagrama de fase líquido-sólido [3] muestra que durante la solidificación a partir de una solución que contiene GaAs e InAs, el GaAs se absorbe a una velocidad mucho mayor que el InAs, lo que agota el GaAs de la solución. 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 de la longitud del lingote. Sin embargo, la deformación 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 graduación compositiva continua en estas muestras.

Fig. 2 Parámetros de red de GaInAs frente al contenido de aleación de GaAs
Fig.3 Fotoluminiscencia de GaInAs tipo n y tipo p [8]

Propiedades del monocristal GaInAs

Cristal único GaInAs

Las películas epitaxiales monocristalinas de GaInAs se pueden depositar sobre un sustrato monocristalino de semiconductor III-V que tenga un parámetro de red cercano al de la aleación de arseniuro de indio y galio específica que se va a sintetizar. Se pueden utilizar tres sustratos: GaAs, InAs e InP. Se requiere una buena correspondencia 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 unos pocos porcentajes. Por lo tanto, las propiedades de las películas epitaxiales de aleaciones de GaInAs cultivadas sobre GaAs son muy similares a las de GaAs y las cultivadas sobre InAs son muy similares a las de InAs, porque la deformación por desajuste de red generalmente no permite una desviación significativa de la composición con respecto al sustrato binario puro.

Georgia
0,47En
0,53Como es la aleación cuyo parámetro de red coincide con el de InP a 295 K. GaInAs emparejado en red con 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 electrónica efectiva de 0,041 y una movilidad electrónica cercana a 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] Las mediciones de la banda prohibida y la movilidad electrónica de GaInAs monocristalino fueron publicadas por primera vez por Takeda y colaboradores. [9]

PropiedadValor a 295 KReferencia
Parámetro de red5.869 Å[4]
Banda prohibida0,75 eV[9]
Masa efectiva del electrón0,041[10]
Masa efectiva del agujero de luz0,051[11]
Movilidad electrónica10.000 cm2 · V −1 ·s −1[12]
Movilidad del agujero250 cm2 · V −1 ·s −1[12]

Parámetro de red de la FCC

Como ocurre con la mayoría de los materiales, el parámetro reticular de GaInAs es una función de la temperatura. El coeficiente de expansión térmica medido [13] es5,66 × 10 −6  K −1 . Este valor es significativamente mayor que el coeficiente de InP, que es4,56 × 10 −6  K −1 . Una película que tiene una red exactamente coincidente con InP a temperatura ambiente normalmente se cultiva a 650 °C con un desajuste de red de +6,5 × 10 −4 . Una película de este tipo tiene una fracción molar de GaAs = 0,47. Para obtener la correspondencia reticular a la temperatura de crecimiento, es necesario aumentar la fracción molar de GaAs a 0,48.

Energía de banda prohibida

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 las muestras de tipo n y tipo p. La energía de la banda prohibida a temperatura ambiente para InGaAs/InP estándar (53% InAs, 47% GaAs), es 0,75 eV y se encuentra entre la de Ge y 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 (la banda C y la banda L) para comunicaciones de fibra óptica .

Masa efectiva

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 mayor que 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 de portadores, lo que favorece una mayor velocidad de transporte y capacidad de transporte de corriente. Una masa efectiva de portador menor también favorece una mayor corriente de tunelización, un resultado directo de la deslocalización.

La banda de valencia tiene dos tipos de portadores de carga: huecos ligeros: m * /m° = 0,051 [11] y huecos pesados: m * /m° = 0,2. [14] Las propiedades eléctricas y ópticas de la banda de valencia están dominadas por los huecos pesados, porque la densidad de estos estados es mucho mayor que la de los huecos 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.

Fig.4 Movilidades de electrones y huecos de GaInAs en función de la concentración de impurezas a 295 K. [12]

Movilidad de electrones y huecos

La movilidad de los electrones y de los huecos son parámetros clave para el diseño y el rendimiento de los 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 de los portadores medidas para los electrones y los huecos se muestran en la Figura 4.

La movilidad de los transportistas en Ga
0,47En
0,53Lo cual es inusual en dos aspectos:

  • El altísimo valor de la movilidad de los electrones
  • La relación inusualmente grande entre la movilidad de los electrones y los huecos.

La movilidad electrónica 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 lo hace 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 los electrones en250 cm 2 ·s −1 es significativamente mayor que el de Si, GaAs, Ge o InP, y determina la respuesta ultrarrápida de Ga
0,47En
0,53Como fotodetectores.

La relación entre la movilidad de los electrones y los huecos es la mayor entre los semiconductores utilizados actualmente.

Aplicaciones

Fig.5 Arriba: Fotodiodo Ge Abajo: Fotodiodo GaInAs en el rango de longitud de onda de 1 μm a 2 μm. [15]

Fotodetectores

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 hechos de Ge, los fotodiodos de GaInAs tienen una respuesta temporal más rápida, una mayor eficiencia cuántica y una corriente oscura más baja para la misma área del sensor. [16] Los fotodiodos de 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 avalancha requieren una estructura especial para reducir la corriente de fuga inversa debido al efecto túnel. Los primeros fotodiodos de avalancha prácticos se diseñaron y demostraron en 1979. [18]

En 1980, Pearsall desarrolló un diseño de fotodiodo que explota el tiempo de difusión excepcionalmente corto de la alta movilidad de los electrones en GaInAs, lo que conduce a un tiempo de respuesta ultrarrápido. [19] [20] Esta estructura se desarrolló aún más y posteriormente se denominó UTC, o fotodiodo portador uni-travelling. [21] En 1989, Wey y sus colaboradores [22] diseñaron y demostraron un fotodiodo pin GaInAs/InP con un tiempo de respuesta inferior a 5 picosegundos para una superficie de detector que mide 5 μm x 5 μm.

Otras innovaciones importantes incluyen el receptor FET-fotodiodo integrado [23] y la ingeniería de matrices de plano focal GaInAs. [24]

Láseres

Los láseres semiconductores son una aplicación importante para GaInAs, después de los fotodetectores. GaInAs se puede utilizar como un medio láser. Se han construido dispositivos que operan en 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 pozo cuántico GaInAs/ InAlAs se pueden ajustar para operar en la ventana de baja pérdida y baja dispersión λ = 1500 nm para telecomunicaciones de fibra óptica [26] En 1994, los pozos cuánticos GaInAs/ AlInAs fueron utilizados por Jérôme Faist y colaboradores [27] quienes inventaron y demostraron un nuevo tipo de láser semiconductor basado en la emisión de fotones por un electrón que hace una transición óptica entre subbandas en el pozo cuántico. Demostraron que las regiones de emisión de fotones se pueden colocar en cascada en serie, creando el láser de cascada cuántica (QCL). La energía de emisión de fotones es una fracción de la energía de la banda prohibida. Por ejemplo, el láser QCL GaInAs/ AlInAs opera 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 GaInAs. [28] Estos láseres se utilizan ampliamente para la detección química y el control de la contaminación.

Fotovoltaica y transistores

El GaInAs se utiliza en energía fotovoltaica de triple unión y también para la generación de energía termofotovoltaica . [29]

En
0,015Georgia
0,985El As se puede utilizar como unión intermedia de banda prohibida en celdas fotovoltaicas de múltiples uniones con una perfecta adaptación reticular al Ge. La perfecta adaptación reticular al Ge reduce la densidad de defectos, mejorando la eficiencia de la celda. [ cita requerida ]

Los dispositivos HEMT que utilizan canales InGaAs son uno de los tipos de transistores más rápidos [30] [ cita requerida ]

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 de semiconductor de óxido metálico ( MOSFET ) tiene 22 nanómetros de longitud. Se trata de un logro prometedor, pero se necesita más investigación 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 Estatal de Pensilvania desarrollaron un nuevo prototipo de dispositivo diseñado para probar nanocables hechos de semiconductores compuestos como InGaAs. [32] El objetivo de este dispositivo era ver si un material compuesto conservaría su movilidad superior en dimensiones de nanoescala en una configuración de dispositivo FinFET. Los resultados de esta prueba impulsaron más investigaciones, por parte del mismo equipo de investigación, sobre transistores hechos de InGaAs que mostraron que en términos de corriente de encendido a un voltaje de suministro más bajo, InGaAs funcionó 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]

Seguridad y toxicidad

La síntesis de GaInAs, al igual que la de GaAs, implica con mayor frecuencia el uso de arsina ( AsH
3), un gas extremadamente tóxico. La síntesis de InP también suele implicar fosfina ( PH
3). La inhalación de estos gases neutraliza la absorción de oxígeno por el torrente sanguíneo y puede ser mortal en pocos minutos si se superan los niveles de dosis tóxicas. Para su manipulación segura se utiliza un sistema sensible de detección de gases tóxicos y un aparato de respiración autónomo. [34]

Una vez que el GaInAs se deposita como una película delgada sobre un sustrato, es básicamente inerte y resistente a la abrasión, sublimación o disolución por solventes comunes como agua, alcoholes o acetonas . En forma de dispositivo, el volumen del GaInAs es generalmente menor que1000  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]

  • No hay evidencia de actividad cancerígena del arseniuro de galio en ratas macho F344/N expuestas a 0,01, 0,1 o1,0 mg/ m3
  • Actividad carcinogénica en ratas hembra F344/N
  • No hay evidencia de actividad cancerígena en ratones B6C3F1 machos o hembras expuestos a 0,1, 0,5 o1,0 mg/ m3 .

La revisión del estudio toxicológico del NIH realizada por la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer de la Organización Mundial de la Salud concluyó: [36]

  • No existe evidencia suficiente en humanos sobre la carcinogenicidad del arseniuro de galio.
  • Existe evidencia limitada en animales de experimentación sobre la carcinogenicidad del arseniuro de galio.
  • La fracción galio puede ser responsable de los cánceres de pulmón observados en ratas hembras

REACH ( Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas ) es una iniciativa europea para clasificar y regular los materiales que se utilizan o producen (incluso como residuos) en la industria. REACH considera tres clases de sustancias tóxicas: carcinógenas, reproductivas y mutagénicas.

El procedimiento de clasificación REACH consta de dos fases básicas. En la primera se determinan los peligros intrínsecos del material, sin tener en cuenta cómo se puede utilizar o encontrar el material en el lugar de trabajo o por parte de un consumidor. En la segunda fase se considera el riesgo de exposición nociva junto con los procedimientos que pueden mitigar la exposición. Tanto el GaAs como el 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 pulido generan partículas de tamaño micrométrico de GaAs e InP. Se aplican preocupaciones similares al troceado de obleas para fabricar dispositivos individuales. Este polvo de partículas se puede absorber por la respiración o la ingestión. La mayor relación entre el área de superficie y el volumen de dichas partículas aumenta su reactividad química.

Los estudios toxicológicos se basan en experimentos con ratas y ratones. No hay estudios comparables que prueben los efectos de la ingestión de polvo de GaAs o InP en suspensión líquida.

El procedimiento REACH, actuando bajo el principio de precaución , interpreta la “evidencia insuficiente de carcinogenicidad” como “posible carcinógeno”. Como resultado, la Agencia Europea de Sustancias y Mezclas Químicas clasificó el InP en 2010 como carcinógeno y toxina reproductiva: [37]

  • Clasificación y etiquetado de conformidad con la Directiva 67/548/CEE
  • Clasificación: Carc. Gato. 2; R45
  • Repr. Cat. 3; R62

Y la ECHA clasificó el GaAs en 2010 como carcinógeno y toxina reproductiva:

  • Clasificación y etiquetado según la Directiva 67/548/CEE:
  • Clasificación3: Carc. Gato. 1; R45
  • Reproducción Cat. 2; R60

Véase también

Referencias

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