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Qu'est-ce que l'InGaAs ?

L’InGaAs, ou arséniure d'indium gallium, est un alliage d'arséniure de gallium et d'arséniure d'indium. Plus généralement, il appartient au système quaternaire InGaAsP, constitué d'alliages d'arséniure d'indium (InAs), d'arséniure de gallium (GaAs), de phosphure d'indium (InP) et de phosphure de gallium (GaP). Comme le gallium et l'indium appartiennent au groupe III du tableau périodique des éléments, tandis que l'arsenic et le phosphore appartiennent au groupe V, ces matériaux binaires et leurs alliages sont tous des semi-conducteurs composés III-V.

 

Les propriétés électriques et optiques d'un semi-conducteur dépendent de sa bande interdite d'énergie et du fait que la bande interdite soit "directe" ou "indirecte". Les bandes interdites d’énergie des 4 membres binaires du système quaternaire InGaAsP vont de 0,33 eV (InAs) à 2,25 eV (GaP), InP (1,29 eV) et GaAs (1,43 eV) se situent entre les deux. Un semi-conducteur ne détectera que la lumière dont l'énergie des photons est supérieure à la bande interdite, ou autrement dit, dont la longueur d'onde est inférieure à la longueur d'onde de coupure associée à la bande interdite. Cette "longueur d’onde de coupure" est de 3,75 µm pour l’InAs et de 0,55 µm pour le GaP avec InP à 0,96 µm et GaAs à 0,87 µm.


En mélangeant deux ou plusieurs des composés binaires, les propriétés des semi-conducteurs ternaires et quaternaires résultants peuvent être ajustées à des valeurs intermédiaires. Le défi est que non seulement la largeur de bande interdite d’énergie dépend de la composition de l’alliage, mais également de la constante de réseau résultante. Ainsi, les constantes de réseau vont de 5,4505 Å (GaP) à 6,0585 Å (InAs) avec GaAs à 5,6534 Å et InP à 5,8688 Å. La relation entre la constante de réseau et la valeur de coupure de la longue longueur d'onde des 4 alliages ternaires de la famille InGaAsP est illustrée sur la figure ci-dessous.

 

Revenons à l'InGaAs...

L’alliage InAs/GaAs est appelé InxGa1-xAs, où x est la proportion d’InAs et 1-x est la proportion de GaAs. Les constantes de réseau et les valeurs de coupure dans les grandes longueurs d’onde de ces alliages sont représentées par les lignes rouges sur la figure 1. Le défi est qu’il est possible de réaliser des films minces de InxGa1-xAs par un certain nombre de techniques, mais qu’un substrat est nécessaire pour soutenir le film mince. Si le film mince et le substrat ne présentent pas la même constante de réseau, les propriétés du film mince seront gravement dégradées.


Pour de nombreuses raisons, le substrat le plus pratique pour InxGa1-xAs est InP. Les substrats InP de haute qualité sont disponibles avec des diamètres allant jusqu'à 100 mm. InxGa1-xAs à 53% InAs est souvent appelé "InGaAs standard" sans se soucier de noter les valeurs de "x" ou "1-x" car il a la même constante de réseau qu'InP et par conséquent la combinaison conduit à des couches minces de très haute qualité.


L’InGaAs standard a une longueur de coupure de 1,68 µm. Ce qui signifie qu’il est sensible aux longueurs d’onde de la lumière qui subissent le moins de dispersion du signal et transmettent le plus loin dans une fibre de verre (1,3 µm et 1,55 µm), détectant ainsi les lasers «eye--safe» (longueurs d’onde supérieures à 1,4 µm). C'est la bande de longueur d'onde optimale pour détecter la lueur naturelle du ciel nocturne.


Alors, qu'est-ce que l’InGaAs à "longueur d'onde étendue" et pourquoi s'en préoccuper ?

L’InGaAs standard a une longueur de coupure de 1,68 µm. De nombreuses applications nécessitent la détection de la lumière avec des longueurs d'onde plus longues. Un exemple important est la capacité de mesurer la teneur en humidité des produits agricoles en mesurant l'absorption d'eau à 1,9 µm. Un autre exemple est le "LIDAR" (détection de la lumière et télémétrie), utilisé dans les avions pour détecter la turbulence de l'air clair. Les systèmes LIDAR utilisent souvent des lasers émettant de la lumière d’une longueur d’onde de 2,05 µm. L’InxGa1-xAs avec une longueur d’onde de coupure plus longue s'appelle "InGaAs à longueur d'onde étendue".


Il semble que tout ce qu’il faudrait faire, c’est ajouter un peu plus d’InAs au mélange, mais ce n’est pas si facile. Cela augmente la constante de réseau du film mince, ce qui entraîne un désaccord avec le substrat et réduit la qualité du film mince…

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