リン化インジウム

リン化インジウム：光通信と高速電子デバイスを支える材料

[リン]]化インジウム]は、[インジウム]と[リン]からなるIII-V族化合物半導体です。閃亜鉛鉱型構造という安定した[[結晶構造を有し、銀色の金属光沢を持つ固体です。その融点は1062℃、比重は4.81と、比較的高い密度です。

InPの大きな特徴は、そのバンドギャップが1.35eVである点です。この値は、赤外光領域における光デバイスへの応用を可能にします。また、電子移動度が高く(最大0.54m²/Vs)、特に高電界下ではシリコンやヒ化ガリウム(GaAs)を上回ります。この高い電子移動度が、高速電子デバイス実現の鍵となります。ホール移動度は0.02m²/Vsと、電子移動度と比べて低い値を示します。

InPは単結晶基板として使用されます。GaAsやリン化ガリウム(GaP)と比べて格子定数が大きいため、InGaAs、AlInAs、InGaAsP、AlGaInAsといった材料との格子整合性が高いという利点があります。この特性を活かし、これらの材料をInP基板上にエピタキシャル成長させることで、様々なデバイスを作製できます。

InP基板がデバイス製造において重要となるのは、以下の理由からです。

高品質な単結晶: 結晶欠陥が少ない高品質な単結晶が得られるため、デバイスの性能向上に貢献します。
導電特性の制御: 不純物を添加することで、n型、p型、あるいは高抵抗の半絶縁性基板を得ることができ、デバイスの設計自由度を高めます。
赤外光に対する透明性: 光デバイスにおいて、目的とする赤外光を透過するため、デバイスの効率向上に役立ちます。

InP基板上に作製されたヘテロ構造では、ナノオーダーでの制御により、量子効果、結晶歪効果、トンネル効果、量子ホール効果といった興味深い物理現象を観測することも可能です。

InPを用いた代表的なデバイスとして、以下のものが挙げられます。

光通信デバイス: 半導体レーザー、光変調器、光増幅器、光導波路、発光ダイオード、受光素子など。特に、1.3μm帯(波長分散最小)や1.5μm帯(伝送損失最小)の光ファイバー通信に最適です。
高速電子デバイス: HEMT(高電子移動度トランジスタ)、HBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)など。InPよりも電子移動度が高いInGaAsをチャネル層として用いることで、超高速動作を実現します。
ガンダイオード: 伝導帯の異なる谷間の電子移動度の違いを利用したミリ波発振デバイスです。
* 各種センサー: 水分センサー、分光器、輻射温度計など、赤外光を用いたセンシング用途にも用いられます。

InPの単結晶成長には、LEC法、VCZ法、HB法、VGF法などが用いられます。しかし、GaAsと比べて熱伝導率が低く、積層欠陥エネルギーも小さいため、高品質な単結晶の育成は容易ではありません。

安全性については、InP自体の毒性に関する情報は必ずしも十分ではありません。しかし、他のインジウム化合物では、粉塵吸入による健康被害が報告されているため、取り扱いには注意が必要です。

近年、Si上のCMOSやSiGe系HBTの高性能化が進み、InP系デバイスは耐圧、消費電力、動作速度、帯域では優位性を持つものの、回路設計や製造コストの面で不利なため、特殊用途に限定されています。しかし、光通信分野では、デバイスの信頼性が高く、インフラ整備も進んでいることから、データコム分野やデジタル家電への応用拡大が期待されています。

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