Арсенид галлия-индия

Арсенид галлия-индия (GaInAs): свойства, получение и применение

Арсенид галлия-индия (InGaAs, GaInAs) — тройное полупроводниковое соединение мышьяка с галлием и индием переменного состава. Химическая формула записывается как Ga_xIn_1-xAs, где параметр x определяет соотношение атомов галлия и индия и принимает значения от 0 до 1. При x = 0 соединение соответствует арсениду индия (InAs), при x = 1 — арсениду галлия (GaAs). Возможность плавно изменять состав позволяет регулировать электрофизические и оптические характеристики материала в широких пределах.

Кристаллическая структура и физические свойства GaInAs

Арсенид галлия-индия кристаллизуется в кубической сингонии типа сфалерита (цинковой обманки). Пространственная группа симметрии — T_d²-F4̄3m. Внешне материал представляет собой серые или почти чёрные кристаллы с характерным металлическим блеском.

Зависимость свойств от состава

Физические параметры GaInAs определяются соотношением галлия и индия. Постоянная кристаллической решётки L изменяется в зависимости от параметра x по эмпирической формуле: L = 0,606 − 0,041x (нм). Температура плавления также зависит от состава:

Ширина запрещённой зоны E_g при 300 К описывается эмпирической зависимостью: E_g = 0,354 + 0,63x + 0,43x² (эВ). Это позволяет настраивать спектральную чувствительность материала для работы в требуемом диапазоне длин волн.

Полупроводниковые характеристики

Соединение Ga_0,47In_0,53As является наиболее изученным составом благодаря согласованию параметров решётки с фосфидом индия (InP), который используется в качестве подложки. Данный состав отличается высокой подвижностью носителей заряда — существенно выше, чем у кремния и арсенида галлия. Граница оптического поглощения Ga_0,47In_0,53As находится в ИК-диапазоне на длине волны 1,68 мкм. Увеличение концентрации индия сдвигает эту границу до 2,6 мкм.

Методы получения плёнок арсенида галлия-индия

Для получения эпитаксиальных плёнок GaInAs применяют два основных метода.

МОС-гидридная эпитаксия (MOCVD)

Метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). В качестве источников используют триметилгаллий (TMGa), триметилиндий (TMIn) и арсин (AsH₃). Соотношение компонентов x регулируется изменением концентрации прекурсоров в газовой смеси. Процесс проводится при давлении от 2 до 101 кПа и температурах 400–700 °С. Преимущества метода — высокая скорость роста и хорошая однородность слоёв.

Молекулярно-пучковая эпитаксия (MBE)

Метод молекулярно-пучковой (молекулярно-лучевой) эпитаксии предполагает осаждение атомов галлия, индия и мышьяка на подложку в условиях сверхвысокого вакуума (около 10⁻⁸ Па). В качестве подложки обычно используют монокристаллический фосфид индия (InP). Метод обеспечивает прецизионный контроль толщины слоёв на уровне атомных монослоёв, однако отличается относительно низкой скоростью роста — менее 1000 нм/ч.

Химические свойства и реакционная способность

GaInAs является относительно химически инертным соединением. Материал стабилен на воздухе при обычных условиях. При взаимодействии с водой и кислотами протекает реакция с образованием арсина (AsH₃) и соответствующих гидроксидов или солей металлов. Окисление кислородом при повышенных температурах приводит к образованию оксидов галлия (Ga₂O₃), индия (In₂O₃) и мышьяка (As₂O₃) или элементарного мышьяка в зависимости от условий.

Требования безопасности при работе с GaInAs

Арсенид галлия-индия содержит мышьяк, что определяет его токсикологические свойства. При механической обработке образуется пыль, раздражающая слизистые оболочки глаз, дыхательных путей и кожные покровы. Реакция материала с водой или кислотами сопровождается выделением арсина (AsH₃) — высокотоксичного газа, блокирующего транспорт кислорода в крови.

На производстве обязательны следующие меры безопасности:

• Использование средств индивидуальной защиты органов дыхания
• Работа в вытяжных шкафах или при наличии местной вентиляции
• Применение систем мониторинга концентрации AsH₃ в воздухе рабочей зоны
• Исключение контакта материала с водой и кислотами в неконтролируемых условиях

Области применения арсенида галлия-индия

Благодаря высокой подвижности носителей заряда и возможности настройки спектральных характеристик GaInAs находит применение в спецобластях.

Инфракрасная фотоника

Фотоприёмники на основе Ga_0,47In_0,53As работают в спектральном диапазоне 0,9–1,7 мкм и широко используются в волоконно-оптических системах связи на длинах волн 1300 и 1550 нм. Лавинные фотодиоды на базе GaInAs отличаются меньшим лавинным шумом по сравнению с германиевыми аналогами.

СВЧ-электроника

Высокая подвижность электронов позволяет создавать транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и другие СВЧ-приборы с рабочими частотами до нескольких сотен гигагерц.

Полупроводниковые лазеры

GaInAs используется в качестве активной среды лазерных диодов, работающих на длинах волн 905, 980, 1060 и 1300 нм. Квантовые точки из GaInAs в матрице GaAs исследуются для создания лазеров с улучшенными характеристиками.

Формы поставки материала

Компания RusskijMetall.ru осуществляет поставки арсенида галлия-индия в следующих формах:

• Эпитаксиальные структуры на подложках InP и GaAs
• Порошок и гранулы высокой чистоты для исследовательских целей
• Монокристаллические пластины заданного состава

Параметры материала (соотношение Ga/In, толщина слоёв, тип легирования) согласуются индивидуально в соответствии с техническими требованиями заказчика. Для уточнения условий поставки свяжитесь с менеджерами компании.