Indiumgalliumarsenid

Indiumgalliumarsenid (InGaAs), auch als Galliumindiumarsenid bezeichnet, ist ein Halbleiterwerkstoff und Bezeichnung für eine Gruppe von Legierungen aus den beiden Grundstoffen Indiumarsenid (InAs) und Galliumarsenid (GaAs). Die Legierung zählt zu den III-V-Verbindungshalbleitern und findet als direkter Halbleiter im Bereich der Optoelektronik Anwendung.

Allgemeines

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Verlauf Bandlücke als Funktion des Mischungsverhältnisses X von Indium- und Galliumarsenid

Je nach Mischungsverhältnis der beiden Ausgangssubstanzen, es wird dafür eine Schreibweise der Form In_1−XGa_XAs verwendet, wobei X das Mischungsverhältnis angibt, lassen sich im Rahmen der Produktion des Werkstoffes die optischen Eigenschaften über die Veränderung der Bandlücke verändern, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Mit dem Wert X=0,47 ist Indiumgalliumarsenid unter der CAS-Nummer Vorlage:CASRN handelsüblich, es lassen sich aber beliebige andere Mischungsverhältnisse herstellen. Mit X=0 ist es reines Indiumarsenid mit einem Bandabstand von 0,34 eV bei 300 K bis X=1 für reines Galliumarsenid mit einem Bandabstand von 1,42 eV.<ref name="tomp1" />

Handelsübliches Indiumgalliumarsenid mit einem Mischungsverhältnis von X=0,47 wird mittels Kristallzüchtung auf einem Substrat von Indiumphosphid (InP) als Einkristall gezüchtet. Das Verhältnis ergibt sich aus dem Umstand, dass bei diesem die Gitterkonstante der Indiumgalliumarsenidlegierung mit der von Indiumphosphid übereinstimmt. Die Bandlücke von In_0,53Ga_0,47As beträgt 0,75 eV; die Legierung besitzt eine hohe Elektronenmobilität von fast 10.000 cm²·V⁻¹·s⁻¹.<ref name="Pearsall" />

Anwendungen

Primärer Anwendungsbereich sind Infrarotdetektoren wie beispielsweise Fotodioden, mit maximaler Empfindlichkeit als Funktion der Wellenlänge im Bereich von 1,1 µm bis 1,7 µm.<ref name="Pearsall" /> Im Gegensatz zu ähnlichen Halbleitermaterialien wie Germanium, welches auch eine hohe Empfindlichkeit im Infrarotbereich aufweist, weist Indiumgalliumarsenid bei gleicher Detektorgröße einen kleineren Dunkelstrom und eine schnellere Reaktionszeit auf.<ref name="pear1" /> Erste Fotodioden auf Basis von Indiumgalliumarsenid wurden 1977 von T. P. Pearsall und R. W. Hopson an der Cornell University, New York, entwickelt.<ref name="pear2" />

Weitere Anwendungen des Werkstoffes liegen aufgrund der hohen Elektronenbeweglichkeit bei sogenannten High-electron-mobility Transistoren (HEMT). Transistoren aus Indiumgalliumarsenid zählen mit einer Transitfrequenz von über 600 GHz zu den schnellsten Transistoren mit Anwendungen im Bereich der Terahertzstrahlung.<ref name="frau1" />

Einzelnachweise

<references> <ref name="tomp1"> John C. Woolley, Mathew B. Thomas, Alan G. Thompson: Optical energy gap variation in Ga_xIn_1−xAs alloys. In: Canadian Journal of Physics. 46, Nr. 2, 1968, S. 157–159, doi:10.1139/p68-023 </ref> <ref name="Pearsall"> T.P. Pearsall: Ga_0.47In_0.53As: A ternary semiconductor for photodetector applications. In: IEEE Journal of Quantum Electronics. Band 16, Nummer 7, 1980, S. 709–720, doi:10.1109/JQE.1980.1070557 </ref> <ref name="pear1"> T. P. Pearsall, M. A. Pollack: Chapter 2 - Compound Semiconductor Photodiodes. In: W. T. Tsang (Hrsg.): Semiconductors and Semimetals. Band 22D, Academic Press, New York 1985, ISBN 0-12-752153-4, S. 174–241. </ref> <ref name="pear2"> T. P. Pearsall, R. W. Hopson Jr.: Growth and characterization of lattice-matched epitaxial films of Ga_xIn_1−xAs/InP by liquid-phase epitaxy. In Journal of Electronical Materials. 7, Nr. 1, 1978, S. 133–146, doi:10.1007/BF02656025. </ref> <ref name="frau1"> Arnulf Leuther: Towards Terahertz Circuits – Auf dem Weg zur Terahertz-Schaltung. In: Jahresbericht Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik. 2010 (fraunhofer.de [PDF; abgerufen am 8. Oktober 2013]).  </ref> </references>