Qu'est-ce que InP (phosphure d'indium) ?
Semi-conducteur composé d'indium et de phosphore. Utilisé comme substrat pour la croissance en accord de maille d'InGaAs, etc., pour les lasers et photodétecteurs des télécommunications par fibre optique et les transistors rapides.
Nom japonais: InP(リン化インジウム)
« InP (phosphure d'indium) » apparaît dans 13 questions d'entraînement réparties sur 4 thèmes, dont Semi-conducteurs composés, Physique des semi-conducteurs, Photonique sur silicium.
Domaine: Semi-conducteurs composés
Notions de base sur le matériau
Le phosphure d'indium est un semi-conducteur composé III-V de structure cristalline blende, avec une bande interdite directe d'environ 1,34 eV à température ambiante et un paramètre de maille d'environ 0,587 nm. Sa conductivité thermique, d'environ 68 W/(m·K), est inférieure à la moitié de celle du silicium : l'évacuation de la chaleur demande donc du soin dans les composants de puissance. Il est difficile de faire croître de grands cristaux peu défectueux tout en empêchant l'évaporation du phosphore : les plaquettes d'InP ont donc généralement un diamètre de 100 à 150 mm, bien inférieur aux 300 mm du silicium. Cela maintient un coût par puce élevé et des équipements spécialisés.
Pourquoi l'InP domine les communications par fibre optique
La fibre optique présente sa dispersion la plus faible vers 1,3 µm et ses pertes les plus faibles, environ 0,2 dB/km, vers 1,55 µm. Le silicium ne peut pas émettre efficacement, car sa bande interdite est indirecte, et il n'absorbe quasiment plus au-delà d'environ 1,1 µm. Les alliages élaborés en accord de maille sur InP comblent ce manque : l'In0,53Ga0,47As, avec une bande interdite d'environ 0,75 eV, absorbe jusqu'à environ 1,7 µm pour les photodiodes, et les compositions d'InGaAsP fixent la longueur d'onde de fonctionnement des lasers et des modulateurs. La loi de Vegard donne la composition qui correspond au paramètre de maille de l'InP, évitant les dislocations même dans les couches épaisses.
InP et GaAs
Tous deux sont des substrats III-V à bande interdite directe, mais ils occupent des niches différentes. Le GaAs est en accord de maille avec l'AlGaAs et l'InGaP, émet à des longueurs d'onde du proche infrarouge plus courtes, vers 850 nm, utilisées dans les liaisons courte portée, et ses HBT InGaP/GaAs dominent les amplificateurs de puissance des smartphones. L'InP couvre les bandes télécoms de 1,3 et 1,55 µm et des transistors plus rapides : les canaux InGaAs sur InP atteignent une mobilité électronique d'environ 10 000 cm²/V·s pour les HEMT, et les HBT InP atteignent des fréquences de transition de plusieurs centaines de GHz, ce qui permet des liaisons optiques au-delà de 100 Gb/s ainsi que des circuits millimétriques et térahertz.
L'InP rencontre la photonique silicium
La photonique silicium fabrique des guides d'onde, des modulateurs et des photodétecteurs en germanium dans des fabs de type CMOS, mais elle a toujours besoin d'une source de lumière. La croissance directe d'InP sur silicium souffre d'un désaccord de maille d'environ 8 %, si bien que l'InP est intégré autrement. En intégration hétérogène, des couches épitaxiales à base d'InP sont collées sur une plaquette SOI, le substrat d'InP est retiré et les lasers sont définis par une lithographie alignée sur les guides d'onde en silicium, la lumière étant couplée par des transitions effilées (tapers). En alternative, des puces laser InP finies sont reportées séparément. Comme l'indium et le phosphore posent des problèmes de contamination, ces étapes sont tenues à l'écart des lignes CMOS principales.
Questions fréquentes
Pourquoi utilise-t-on l'InP pour les lasers et détecteurs à 1 550 nm ?
Les alliages comme l'InGaAsP et l'InGaAs élaborés en accord de maille sur InP ont des bandes interdites correspondant aux fenêtres de la fibre à 1,3 µm et 1,55 µm, et ce sont des bandes interdites directes qui émettent efficacement de la lumière. Le silicium ne peut pas émettre efficacement et n'absorbe pas à ces longueurs d'onde.
L'InP est-il un semi-conducteur à bande interdite directe ?
Oui. L'InP possède une bande interdite directe d'environ 1,34 eV à température ambiante : électrons et trous peuvent donc se recombiner de façon radiative sans avoir besoin d'un phonon.
Quelle différence entre InP et GaAs ?
Le GaAs est le substrat des émetteurs de plus courte longueur d'onde, vers 850 nm, et des HBT des amplificateurs de puissance de smartphones, tandis que l'InP couvre les longueurs d'onde télécoms de 1,3 à 1,55 µm et les transistors III-V les plus rapides. Les plaquettes d'InP sont généralement plus petites et plus chères.