arseniuro de indio y galio

Se pueden depositar películas epitaxiales monocristalinas de GaInAs sobre un sustrato monocristalino de semiconductor III-V con 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 monocristalinas , y esta limitación permite pequeñas variaciones en la composición del orden de unos pocos por ciento. Por lo tanto, las propiedades de las películas epitaxiales de aleaciones de GaInAs cultivadas sobre GaAs son muy similares a las del GaAs puro, y las cultivadas sobre InAs son muy similares a las del InAs puro, ya que la deformación por desajuste de red generalmente no permite una desviación significativa de la composición con respecto al sustrato binario puro.

Georgia_0,47 En_0,53 Comoes la aleación cuyo parámetro de red coincide con el de InP a 295 K. El GaInAs con red coincidente con InP es un semiconductor con propiedades bastante diferentes a las del 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 10 000^cm² ·V⁻¹^·s⁻¹^atemperatura ambiente, todas las cuales son más favorables para muchas aplicaciones de dispositivos electrónicos y fotónicos en comparación con GaAs, InP o incluso Si. ^{[ 1 ]} Las mediciones de labanda prohibidayla movilidad de electronesdel GaInAs monocristalino fueron publicadas por primera vez por Takeda y colaboradores. ^{[ 9 ]}

Como la mayoría de los materiales, el parámetro de red del GaInAs es función de la temperatura. El coeficiente de expansión térmica medido ^{[ 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 que coincide exactamente con la red cristalina del InP a temperatura ambiente se cultiva típicamente a 650  °C con un desajuste de red de +6,5 × 10 ⁻⁴ . Dicha película tiene una fracción molar de GaAs = 0,47. Para obtener un ajuste de red a la temperatura de crecimiento, es necesario aumentar la fracción molar de GaAs a 0,48.

La energía de banda prohibida del 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 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 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 de Ge y Si. Por coincidencia, la banda prohibida de GaInAs está perfectamente ubicada para aplicaciones de fotodetectores y láseres para la ventana de transmisión de longitud de onda larga (la banda C y la banda L) para comunicaciones por fibra óptica .

La masa efectiva del electrón en GaInAs m ^* /m° = 0,041 ^{[ 10 ]} es la más pequeña para cualquier material semiconductor con una banda prohibida de energía mayor de 0,5  eV. La masa efectiva se determina a partir de la curvatura de la relación energía-momento: una curvatura más pronunciada 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 conducción de corriente. Una masa efectiva de portadores menor también favorece una mayor corriente de tunelización, 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 40 veces menor que la de los electrones.

La movilidad de electrones y huecos son parámetros clave para el diseño y el rendimiento de los dispositivos electrónicos. Takeda y colaboradores fueron los primeros en medir la movilidad de electrones en películas epitaxiales de InGaAs sobre sustratos de InP. ^{[ 9 ]} Las movilidades de portadores medidas para electrones y huecos se muestran en la Figura 4.

La movilidad de los portadores en Ga_0,47 En_0,53 Comoes inusual en dos aspectos:

• El valor muy alto de la movilidad de los electrones
• La relación inusualmente alta entre la movilidad de los electrones y la de los huecos.

La movilidad electrónica a temperatura ambiente para muestras razonablemente puras de Ga_0,47 En_0,53 A medida quese acerca10 × 10 ³  cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ , que es la mayor de cualquier semiconductor tecnológicamente importante, aunque significativamente menor que la del grafeno .

La movilidad es proporcional a la conductividad de los portadores de carga. A medida que aumenta la movilidad, también lo hace la capacidad de conducción de corriente de los transistores. Una mayor movilidad reduce el tiempo de respuesta de los fotodetectores . Una mayor movilidad disminuye 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 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_0,47 En_0,53 Comofotodetectores.

La relación entre la movilidad de los electrones y la de los huecos es la mayor de todos los semiconductores que se utilizan actualmente.

La principal aplicación del GaInAs es como detector infrarrojo . 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 de 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 de GaInAs fueron inventados en 1977 por Pearsall. ^{[ 17 ]}

Los fotodiodos de avalancha ofrecen la ventaja de una ganancia adicional a costa de un mayor 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 debida 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 aprovecha el tiempo de difusión excepcionalmente corto de la alta movilidad de los electrones en GaInAs, lo que da como resultado un tiempo de respuesta ultrarrápido. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Esta estructura se desarrolló aún más y posteriormente se denominó UTC, o fotodiodo de portador de un solo viaje. ^{[ 21 ]} En 1989, Wey y colaboradores ^{[ 22 ]} diseñaron y demostraron un fotodiodo pin GaInAs/InP con un tiempo de respuesta inferior a 5 picosegundos para una superficie de detector de 5  μm x 5  μm.

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

Los láseres semiconductores son una aplicación importante para GaInAs, después de los fotodetectores. GaInAs puede usarse como 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 de GaInAs/ InAlAs pueden sintonizarse para operar en la  ventana de baja pérdida y baja dispersión de λ = 1500 nm para telecomunicaciones de fibra óptica ^{[ 26 ]} En 1994, Jérôme Faist y sus colaboradores ^{[ 27 ]} utilizaron pozos cuánticos de GaInAs/ AlInAs , inventando y demostrando 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 la emisión de fotones es una fracción de la energía de la banda prohibida. Por ejemplo, el QCL de GaInAs/ AlInAs opera a temperatura ambiente en el rango de longitud de onda de 3 μm < λ < 8 μm. La longitud de onda puede modificarse cambiando el ancho del pozo cuántico de GaInAs. ^{[ 28 ]} Estos láseres se utilizan ampliamente para la detección química y el control de la contaminación.  

El GaInAs se utiliza en células fotovoltaicas de triple unión y también para la generación de energía termofotovoltaica . ^{[ 29 ]}

En_0,015 Ga_{El 0,985} Aspuede utilizarse como unión de banda prohibida intermedia en células fotovoltaicas multijunción con una perfecta coincidencia de red con el Ge. Esta perfecta coincidencia de red con el Ge reduce la densidad de defectos, mejorando así la eficiencia de la célula.

Los dispositivos HEMT que utilizan canales de InGaAs son uno de los tipos de transistores más rápidos ^{[ 30 ].}

En 2012, investigadores del MIT anunciaron el transistor más pequeño jamás construido con un material distinto al silicio. ^{[ 31 ]} El transistor de efecto de campo de óxido metálico semiconductor ( MOSFET ) tiene 22 nanómetros de longitud. Este es un logro prometedor, pero se necesita más trabajo para demostrar que la reducción de tamaño se traduce en un mejor rendimiento electrónico en comparación con el de los transistores basados ​​en silicio o GaAs.

En 2014, investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania desarrollaron un prototipo de dispositivo innovador diseñado para probar nanocables hechos de semiconductores compuestos como InGaAs. ^{[ 32 ]} El objetivo de este dispositivo era comprobar si un material compuesto conservaría su movilidad superior a escala nanométrica en una configuración de dispositivo FinFET. Los resultados de esta prueba impulsaron nuevas investigaciones, por parte del mismo equipo, sobre transistores hechos de InGaAs, las cuales demostraron que, en términos de corriente de encendido a menor voltaje de alimentación, el InGaAs tuvo un rendimiento muy superior al de 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 ]}