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インジウムガリウムヒ素（InGaAs、別名ガリウムインジウムヒ素、GaInAs ）は、ヒ素インジウム（InAs）とヒ素ガリウム（GaAs）の三元合金（化合物） です。インジウムとガリウムは周期表の第III族元素であり、ヒ素は第V族元素です。これらの元素からなる合金は「III-V」化合物と呼ばれます。InGaAsはGaAsとInAsの中間の特性を持ちます。InGaAsは室温半導体であり、エレクトロニクスやフォトニクスに応用されています。
GaInAsの主な重要性は、光ファイバー通信における高速・高感度光検出器としての応用にある。[ 1 ]
インジウムガリウムヒ素（InGaAs）とガリウムインジウムヒ素（GaInAs）は同義語として使われる。IUPACの標準[ 2 ]によれば、この合金の好ましい命名法はGa x In 1-x Asであり、関連する合金系Al x Ga 1-x Asと同様に、第III族元素は原子番号の増加順に現れる。技術的および商業的な観点から最も重要な合金組成はGa 0.47 In 0.53 Asであり、これはリン化インジウム（InP）上に単結晶として堆積させることができる。
GaInAsは天然に存在する材料ではありません。電子デバイスやフォトニックデバイス用途には単結晶材料が必要です。ピアソールらは、(111)配向[ 3 ]および(100)配向[ 4 ]のInP基板上にIn 0.53 Ga 0.47 Asの単結晶エピタキシャル成長を初めて報告しました。薄膜状の単結晶材料は、液相エピタキシー(LPE)、気相エピタキシー(VPE)、分子線エピタキシー(MBE)、および有機金属化学気相成長法(MO-CVD)によって成長させることができます。[ 5 ] 現在、市販のデバイスのほとんどはMO-CVDまたはMBEによって製造されています。
InGaAsの光学的および機械的特性は、InAsとGaAsの比率を変えることによって変化させることができる。1-xガx As。 [ 6 ]ほとんどのInGaAsデバイスは、リン化インジウム（InP）基板上に成長されます。InPの格子定数に合わせ、機械的歪みを避けるために、In0.53 Ga0.47そのまま使用。この組成物は、0.75 eVに吸収端295Kカットオフ波長λ=1.68μm
GaAsに対するInAsのモル分率をさらに増加させることで、カットオフ波長を約λ=2.6μmまで延長することが可能です。その場合、格子定数 の違いによる機械的歪みを避けるための特別な対策を講じる必要があります。
GaAsはゲルマニウム（Ge）と0.08%の格子不整合がある。合金に1.5%のInAsを添加すると、In 0.015 Ga 0.985 AsはGe基板と格子整合し、その後のGaAsの成膜時の応力が軽減される。
InGaAs の格子定数は、合金中の InAs の濃度に比例して直線的に増加します。[ 7 ]液相-固相図[ 3 ]によると、GaAs と InAs を含む溶液からの凝固中、GaAs は InAs よりもはるかに高い速度で取り込まれ、溶液中の GaAs が枯渇します。溶液からの成長中、最初に凝固する材料の組成は GaAs に富み、最後に凝固する材料は InAs に富みます。この特性を利用して、インゴットの長さに沿って組成が傾斜した InGaAsインゴットが製造されています。しかし、格子定数の変化によって生じる歪みにより、インゴットは多結晶となり、これらのサンプルでは連続的な組成傾斜のため、バンドギャップや格子定数などの少数のパラメータに特性評価が制限され、不確実性が生じます。
GaInAs単結晶エピタキシャル膜は、合成する特定のガリウムインジウムヒ素合金の格子定数に近い格子定数を持つIII-V族半導体の単結晶基板上に成膜することができる。使用可能な基板は、GaAs、InAs、InPの3種類である。単結晶特性を維持するには、膜と基板の格子定数が良好に一致している必要があり、この制約により、組成の変動は数パーセント程度に抑えられる。したがって、GaAs上に成長させたGaInAs合金のエピタキシャル膜の特性はGaAsの特性と非常によく似ており、InAs上に成長させたGaInAs合金のエピタキシャル膜の特性はInAsの特性と非常によく似ている。これは、格子不整合による歪みが、一般的に純粋な二元系基板からの組成の大きなずれを許容しないためである。
ガ0.47インチ0.53は、295 K で InP の格子定数と一致する合金です。InP に格子整合した GaInAs は、GaAs、InAs、または InP とは全く異なる特性を持つ半導体です。室温でのエネルギーバンドギャップは 0.75 eV、電子有効質量は 0.041、電子移動度は 10,000 cm2·V−1·s−1、これらはすべて GaAs、InP、さらには Si と比較して、多くの電子デバイスやフォトニックデバイスの用途に有利です。 [ 1 ]単結晶 GaInAs のバンドギャップと電子移動度 の測定は、武田らによって初めて発表されました。 [ 9 ]
ほとんどの材料と同様に、GaInAsの格子定数は温度の関数である。測定された熱膨張係数[ 13 ]は5.66 × 10 −6 K −1。これは、InP の係数よりもかなり大きい。4.56 × 10 −6 K −1。室温でInPと完全に格子整合する膜は、通常650 °Cで成長され、格子不整合は+ です。6.5 × 10 −4。このような膜の GaAs のモル分率は 0.47 です。成長温度で格子整合を得るには、GaAs のモル分率を 0.48 に増やす必要があります。
GaInAsのバンドギャップエネルギーは、全不純物および欠陥濃度が以下であれば、フォトルミネッセンススペクトルのピークから決定できます。5 × 10 16 cm −3。バンドギャップエネルギーは温度に依存し、温度が低下するにつれて増加します。これは、n型およびp型サンプルの両方について図3で確認できます。標準的なInGaAs/InP（53% InAs、47% GaAs）の室温でのバンドギャップエネルギーは0.75 eVで、GeとSiのバンドギャップエネルギーの間にあります。偶然にも、GaInAsのバンドギャップは、光ファイバー通信の長波長伝送ウィンドウ（CバンドとLバンド）の光検出器およびレーザー アプリケーションに最適な位置にあります。
GaInAsの電子有効質量m * / m °=0.041 [ 10 ]は、エネルギーバンドギャップが0.5eVを超える半導体材料の中で最小値です 。有効質量は、エネルギーと運動量の関係の曲率から決定されます。曲率が強いほど有効質量は小さくなり、非局在化の半径が大きくなります。実際には、有効質量が小さいほどキャリア移動度が高くなり、輸送速度と電流容量が高くなります。また、キャリア有効質量が小さいほどトンネル電流が増加し、これは非局在化の直接的な結果です。
価電子帯には、軽い正孔（m * /m° = 0.051 [ 11 ]）と重い正孔（m * /m° = 0.2 [ 14 ]）の 2 種類の電荷キャリアが存在する。 価電子帯の電気的および光学的特性は、重い正孔によって支配される。これは、これらの状態の密度が軽い正孔の密度よりもはるかに大きいためである。これは、295 K における正孔の移動度にも反映されており 、電子の移動度よりも 40 分の 1 低い値となっている。
電子移動度と正孔移動度は、電子デバイスの設計と性能にとって重要なパラメータです。武田らは、InP基板上のInGaAsエピタキシャル膜における電子移動度を初めて測定しました。[ 9 ] 電子と正孔の測定されたキャリア移動度を図4に示します。
Gaにおけるキャリアの移動度0.47インチ0.53 2つの点で異例である。
比較的純粋なGaサンプルの室温電子移動度0.47インチ0.53に近づくにつれて10 × 10 3 cm 2 ·V −1 ·s −1であり、これは技術的に重要な半導体の中では最大ですが、グラフェンのそれよりはかなり小さいです。
移動度はキャリア伝導率に比例します。移動度が増加すると、トランジスタの電流容量も増加します。移動度が高いほど、光検出器の応答時間が短縮されます。移動度が大きいほど直列抵抗が小さくなり、デバイスの効率が向上し、ノイズと消費電力が低減されます。
少数キャリア拡散定数はキャリア移動度に正比例する。室温における電子の拡散定数は250 cm 2 ·s −1は Si、GaAs、Ge、InP のそれよりもかなり大きく、 Gaの超高速応答を決定づける。0.47インチ0.53光検出器として。
電子と正孔の移動度の比率は、現在使用されている半導体の中で最大である。
GaInAsの主な用途は赤外線検出器です。GaInAsフォトダイオードのスペクトル応答を図5に示します。GaInAsフォトダイオードは、1.1 μm < λ < 1.7 μmの波長範囲で好ましい選択肢です。たとえば、 Geで作られたフォトダイオードと比較して、GaInAsフォトダイオードは同じセンサー面積で、より速い時間応答、より高い量子効率、およびより低い暗電流を備えています。[ 16 ] GaInAsフォトダイオードは1977年にPearsallによって発明されました。[ 17 ]
アバランシェフォトダイオードは、応答時間を犠牲にする代わりに、ゲインを増やすという利点があります。これらのデバイスは、応答時間が重要ではない量子鍵配送などのアプリケーションで単一光子を検出するのに特に役立ちます。アバランシェフォトディテクタは、トンネル効果による逆方向の漏れ電流を低減するために特別な構造を必要とします。最初の実用的なアバランシェフォトダイオードは1979年に設計され、実証されました。[ 18 ]
1980年、ピアソールは、GaInAs中の高移動度電子の極めて短い拡散時間を利用したフォトダイオード設計を開発し、超高速応答時間を実現した。[ 19 ] [ 20 ] この構造はさらに開発され、その後UTC、すなわち単一移動キャリアフォトダイオードと名付けられた。[ 21 ] 1989年、ウェイらは[ 22 ] 、5μm ×5μmの検出器表面に対して5ピコ秒未満の応答時間を持つピンGaInAs/InPフォトダイオードを設計し、実証した 。
その他の重要なイノベーションとしては、集積型フォトダイオード-FETレシーバー[ 23 ]やGaInAs焦点面アレイのエンジニアリング[ 24 ]などが挙げられる。
半導体レーザーは、光検出器に次いで GaInAs の重要な応用分野です。GaInAs はレーザー媒質として使用できます。905 nm、980 nm、1060 nm、および 1300 nm の波長で動作するデバイスが構築されています。GaAs 上のInGaAs 量子ドットもレーザーとして研究されています。[ 25 ] GaInAs/ InAlAs量子井戸レーザーは、光ファイバー通信用の低損失、低分散ウィンドウλ = 1500 nm で動作するように調整できます。[ 26 ] 1994 年、Jérôme Faist と共同研究者らは GaInAs/ AlInAs量子井戸を使用し、量子井戸内のサブバンド間で光遷移を行う電子による光子放出に基づく新しいタイプの半導体レーザーを発明し、実証しました。 [ 27 ]彼らは、光子放出領域を直列にカスケード接続して量子カスケードレーザー(QCL)を作成できることを示しました。光子放出のエネルギーはバンドギャップエネルギーの分数である。例えば、GaInAs/ AlInAs QCLは室温で3μm < λ < 8μmの波長範囲で動作する。波長はGaInAs量子井戸の幅を変更することで変更できる。[ 28 ]これらのレーザーは化学センシングや汚染制御に広く使用されている。
GaInAsは三重接合型太陽電池や熱光起電力発電にも使用されている。[ 29 ]
で0.015 Ga0.985 Asは、Geと完全に格子整合する多接合型太陽電池において、中間バンドギャップ接合として使用できる。Geとの完全な格子整合は欠陥密度を低減し、セル効率を向上させる。
InGaAsチャネルを使用したHEMTデバイスは、最も高速なタイプのトランジスタの1つです[ 30 ]。
2012年、MITの研究者らは、シリコン以外の材料で作られた史上最小のトランジスタを発表した。[ 31 ]金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）の長さは22ナノメートルである。これは有望な成果だが、サイズ縮小によってシリコンやGaAsベースのトランジスタと比較して電子性能が向上することを示すには、さらなる研究が必要である。
2014年、ペンシルベニア州立大学の研究者らは、InGaAsなどの化合物半導体で作られたナノワイヤをテストするために設計された新しいデバイスのプロトタイプを開発しました。[ 32 ]このデバイスの目的は、化合物材料がFinFETデバイス構成でナノスケール寸法でも優れた移動度を維持できるかどうかを確認することでした。このテストの結果は、同じ研究チームによるInGaAsで作られたトランジスタに関するさらなる研究を促し、より低い電源電圧でのオン電流に関して、InGaAsは既存のシリコンデバイスと比較して非常に優れた性能を発揮することが示されました。
2015年2月、インテルは2017年に7ナノメートルCMOSプロセスにInGaAsを使用する可能性があることを示唆した。[ 33 ]
GaInAsの合成は、GaAsの合成と同様に、多くの場合、アルシン（AsH）の使用を伴う。3）極めて毒性の強いガスである。InPの合成も同様に、ホスフィン（PH）3 ) これらのガスを吸入すると、血流による酸素吸収が阻害され、毒性量を超えると数分以内に死に至る可能性があります。安全な取り扱いには、高感度の有毒ガス検知システムと自給式呼吸器の使用が必要です。 [ 34 ]
GaInAsは基板上に薄膜として堆積されると、基本的に不活性であり、摩耗、昇華、または水、アルコール、アセトンなどの一般的な溶媒による溶解に対して耐性があります。デバイス形態では、GaInAsの体積は通常100%未満です。1000 μm 3 であり、支持基板である InP または GaAs の体積に比べれば無視できる。
国立衛生研究所はこれらの材料を調査し、次のことを発見しました。[ 35 ]
世界保健機関の国際がん研究機関によるNIHの毒性試験のレビューでは、次のように結論付けられました。[ 36 ]
REACH（化学物質の登録、評価、認可および制限）は、製造工程で使用される、または製造される（廃棄物として発生するものも含む）物質を分類および規制するための欧州の取り組みです。REACHでは、発がん性、生殖毒性、変異原性の3つの毒性クラスを考慮しています。
REACH分類手順は、2つの基本的な段階から構成されます。第1段階では、職場や消費者が材料をどのように使用または遭遇するかを考慮せずに、材料固有の危険性が決定されます。第2段階では、有害な曝露のリスクと、曝露を軽減できる手順が検討されます。GaAsとInPはどちらも第1段階の評価対象です。主な曝露リスクは、基板の準備中に発生し、研削と研磨によってGaAsとInPのミクロンサイズの粒子が生成されます。同様の懸念は、個々のデバイスを作成するためのウェーハダイシングにも当てはまります。この粒子粉塵は、呼吸または摂取によって吸収される可能性があります。このような粒子は表面積と体積の比率が増加するため、化学反応性が高まります。
毒性試験はラットとマウスを用いた実験に基づいている。液体スラリー状のGaAsまたはInP粉塵を摂取した場合の影響を検証した同等の研究は存在しない。
REACH 手続きは、予防原則に基づいており、「発がん性に関する不十分な証拠」を「発がん性の可能性」と解釈しています。その結果、欧州化学物質庁は2010 年に InP を発がん性物質および生殖毒性物質に分類しました。[ 37 ]
また、欧州化学物質庁（ECHA）は2010年にGaAsを発がん性物質および生殖毒性物質に分類した。
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