Ofrelle di germaniosono utilizzati nell'ottica a infrarossi, nei rilevatori di radiazioni, nelle celle solari ad alta efficienza, nei dispositivi fotonici e nelle strutture specializzate di semiconduttori.Sebbene il germanio di tipo p e di tipo n abbiano la stessa struttura cristallina di base, le loro prestazioni elettriche e ottiche possono differire significativamente.

La selezione del corretto tipo di conducibilità richiede più di una specifica del tipo p o n.La finitura della superficie e la temperatura di funzionamento devono essere tutte corrispondenti all'applicazione.

La presente guida illustra le principali differenze tra le onde di germanio di tipo p e di tipo n e fornisce un quadro pratico per la selezione dei materiali.

Cosa rende il germanio di tipo P o N?

Il germanio puro è un semiconduttore elementare con una struttura cristallina di diamante-cubo.

Durante la crescita dei cristalli o la fabbricazione dei dispositivi vengono introdotte quantità controllate di dopanti per modificare il tipo di vettore dominante.

• germanio di tipo P:I buchi sono i portatori maggiori.
• Germanio di tipo N:Gli elettroni sono i portatori maggiori.
• Altri materiali di cui al capitolo 9né le impurità donatrici né quelle accettatrici dominano fortemente.

Il tipo di conduttività è determinato dall'equilibrio tra donatori e accettori elettricamente attivi, non semplicemente dalla presenza di un'impurità.

Se la concentrazione del donatore supera la concentrazione dell'accettatore, il materiale si comporta come n-tipo. Se la concentrazione dell'accettatore è superiore, si comporta come p-tipo. Questa relazione è nota come compensazione.

Dopanti comuni per wafer di germanio

Dopanti di germanio di tipo P

Il germanio di tipo P è generalmente prodotto utilizzando elementi accettori del gruppo III.

I dopanti accettatori tipici sono:

• Borone;
• Gallio;
• Indium.

Questi dopanti hanno un elettrone di valenza in meno rispetto al germanio.

Il gallio è spesso utilizzato nei cristalli di germanio in grandi quantità perché la sua segregazione e il suo comportamento elettrico possono essere controllati durante la crescita del cristallo.in particolare nella lavorazione dei semiconduttori e nella formazione di giunzioni.

Dopanti di germanio di tipo N

Il germanio di tipo N utilizza comunemente elementi donatori del gruppo V.

I dopanti donatori tipici sono:

• Fosforo;
• Arsenico;
• Antimonio.

Questi elementi hanno un elettrone di valenza in più del germanio e contribuiscono con elettroni al sistema di conduzione.

Il doping di tipo n molto elevato nel germanio può essere più difficile che produrre materiale di tipo p comparabile.L'attivazione e la solubilità devono essere controllate con attenzione durante il trattamento del dispositivo.La ricerca sul doping del germanio identifica l'eccessiva diffusione di dopanti di tipo n come una sfida importante per la creazione di regioni dopate ben definite.Esame della diffusione e dell'attivazione dei dopanti nel germanio

P-Type vs. N-Type Germanium a colpo d'occhio

I valori necessari per una wafer specifica dovrebbero essere definiti mediante misurazione piuttosto che dedotti solo dal nome del dopante.

Resistenza e concentrazione del vettore

La resistività è uno dei parametri di acquisto più importanti per le onde di germanio e fornisce un'indicazione indiretta della concentrazione e della mobilità del vettore elettricamente attivo.

Per un materiale dominato da un tipo di vettore, la resistività può essere approssimativa come:

per il materiale di tipo n, oppure:

per il materiale di tipo p, dove:

• R\rhoè la resistività;
• QQè la carica elementare;
• nnè la concentrazione di elettroni;
• ppè la concentrazione del foro;
• - Sì, certo.è la mobilità elettronica;
• P\mu_pè la mobilità del foro.

Questa relazione mostra perché la stessa resistività non corrisponde necessariamente alla stessa concentrazione di dopante nel germanio di tipo p e n. Gli elettroni e i fori hanno mobilità diverse.

Germanio a bassa resistenza

I wafer a bassa resistività contengono una concentrazione relativamente elevata di vettori elettricamente attivi.

• Si richiede una bassa resistenza elettrica;
• La formazione del contatto ohmico è importante;
• b. "tecnologia" per l'elaborazione, la produzione e la distribuzione di dati;
• Per l'ingegneria delle giunzioni o dei contatti è necessaria un'alta densità di vettori.

Tuttavia, una maggiore concentrazione di vettore libero può aumentare l'assorbimento infrarosso.

Germanio ad alta resistenza

Il materiale ad alta resistività contiene meno vettori liberi e può offrire un minore assorbimento dei vettori liberi.

• a. un'ampiezza superiore o uguale a 50 mm;
• fabbricazione di rilevatori di radiazioni;
• strutture a bassa perdita;
• Applicazioni che richiedono una concentrazione controllata del vettore.

Un valore elevato di resistività da solo non garantisce prestazioni di grado rilevatore o ottico.

Mobilità dei vettori nel germanio

Il germanio è noto per la sua elevata mobilità di vettore.

• Mobilità elettronica:fino a circa 3.900 cm2/V·s;
• Mobilità del foro:fino a circa 1.900 cm2/V·s.

Questi valori di riferimento diminuiscono con l'aumentare della concentrazione di doping perché l'aumento della dispersione delle impurità limita il movimento del vettore.Dati relativi alle proprietà elettriche del germanio dell'Ioffe Institute

Poiché gli elettroni si muovono generalmente più facilmente attraverso il reticolo di germanio rispetto ai fori, il materiale di tipo n può fornire una conducibilità superiore rispetto al materiale di tipo p alla stessa concentrazione del vettore.

Tuttavia, la selezione dei wafer non dovrebbe basarsi solo sui valori massimi di mobilità.

• concentrazione di dopanti;
• rapporto di compensazione;
• difetti di cristallo;
• Dislocazioni;
• Temperatura;
• tensione del campo elettrico;
• condizione della superficie;
• La cronologia di elaborazione.

Per i wafer di livello di dispositivo, le misurazioni dell'effetto Hall sono comunemente utilizzate per determinare il tipo di conducibilità, la concentrazione del vettore e la mobilità.

Perché il doping influenza le prestazioni a infrarossi

Il germanio è ampiamente utilizzato per l'ottica a infrarossi a causa della sua ampia capacità di trasmissione a infrarossi a onde medie e lunghe, dell'alto indice di rifrazione e delle buone proprietà meccaniche.

L'ottica tipica del germanio viene utilizzata approssimativamente nella regione di 2 ‰ 14 μm, sebbene il range di trasmissione pratico dipenda dalla purezza del materiale, dallo spessore, dalla temperatura,Disegno della finitura superficiale e del rivestimento.

Il germanio non è trasparente nello spettro visibile. Una finestra di germanio finita appare normalmente scura o metallica all'occhio umano mentre trasmette lunghezze d'onda infrarosse selezionate.

Assorbimento dei vettori liberi

Gli elettroni liberi e i fori possono assorbire radiazioni infrarosse.

Il livello di assorbimento dipende da:

• tipo di vettore;
• concentrazione del vettore;
• Mobilità;
• lunghezza d'onda;
• Temperatura;
• Lunghezza del percorso ottico.

Ciò significa che i wafer di tipo p e di tipo n con la stessa resistività nominale potrebbero non avere la stessa trasmissione a infrarossi.

Una revisione dei singoli cristalli di germanio per la fotonica rileva che il doping e la temperatura di funzionamento possono influenzare significativamente l'assorbimento dell'infrarosso.Il germanio ottico deve pertanto essere specificato utilizzando sia i requisiti elettrici che quelli ottici.. cristalli singoli di germanio per fotonica

Resistenza per l'ottica a infrarossi

I componenti ottici a infrarossi spesso utilizzano germanio con resistività controllata per limitare l'assorbimento dei vettori liberi.

Il valore richiesto dipende da:

• lunghezza d'onda di funzionamento;
• spessore dei componenti;
• Obiettivo di trasmissione;
• Intervallo di temperatura;
• se l'ottica è rivestita;
• Assorbimento e carico termico ammissibili.

Per le applicazioni più impegnative, l'acquirente dovrebbe specificare una curva di trasmissione o un coefficiente di assorbimento invece di basarsi solo su un valore minimo di resistività.

Germanio di tipo P per l'ottica a infrarossi

Il germanio di tipo P è comunemente considerato per finestre a infrarossi, lenti e altri componenti trasmissivi.specialmente quando la concentrazione del vettore è mantenuta entro il range richiesto.

I potenziali vantaggi includono:

• Disponibilità in cristalli di grado ottico;
• Doping da accettare controllabile;
• b. "tecnologia" per la "produzione" di "tecnologie" per la "produzione" di "tecnologie" per la "produzione" di "tecnologie" per la "produzione" di "tecnologie" per la "produzione" di "tecnologie".
• Idoneità per finestre, lenti e componenti di imaging termico.

Tuttavia, una concentrazione eccessiva dell'accettore aumenta l'assorbimento del foro libero, e si deve selezionare la corretta resistività per la lunghezza del percorso ottico e la banda di lunghezza d'onda.

Germanio di tipo N per l'ottica a infrarossi

Il germanio di tipo N può essere utilizzato anche per applicazioni a infrarossi, ma l'assorbimento degli elettroni liberi deve essere valutato con attenzione.la relazione tra la resistività, la densità del vettore e l'assorbimento ottico differiscono dal materiale di tipo p.

Il materiale di tipo N può essere selezionato quando:

• è richiesta una funzione elettronica specifica;
• b. un'ampiezza superiore o uguale a 1 mm;
• il materiale dopato dal donatore è richiesto dal progetto del rivelatore o del dispositivo;
• Le funzioni elettriche e ottiche devono essere combinate.

Per l'ottica puramente trasmissibile, il tipo di conducibilità dovrebbe essere considerato parte della specifica del materiale ottico piuttosto che essere considerato intercambiabile.

Wafer di germanio per rivelatori a infrarossi

Il germanio ha storicamente svolto un ruolo importante nel rilevamento dei raggi infrarossi e delle radiazioni.

Le applicazioni dei rilevatori includono:

• b. apparecchiature per il controllo delle radiazioni radiotelevisive;
• Spettroscopia a raggi gamma;
• rilevamento a raggi X;
• Detettori di radiazioni criogeniche;
• Dispositivi fotoconduttori per la ricerca.

I rilevatori di germanio di alta purezza richiedono concentrazioni di impurità molto inferiori a quelle utilizzate nei normali wafer elettronici.lunga durata del vettore e difetti elettricamente attivi strettamente controllati.

Per queste applicazioni, i termini “p-tipo” e “n-tipo” possono descrivere la conducibilità netta dopo che concentrazioni molto basse di donatore e di accettore si compensano a vicenda.

Wafer di germanio in celle solari a congiunzione multipla

I wafer di germanio sono ampiamente utilizzati come substrati per celle solari a multiunione ad alta efficienza III-V.Il substrato di germanio fornisce un supporto meccanico e può anche funzionare come giunzione fotovoltaica inferiore.

Tra i parametri importanti figurano:

• tipo di conduttività;
• concentrazione di dopanti;
• Orientazione cristallina;
• angolo di taglio;
• preparazione della superficie;
• Compatibilità epitaxiale;
• densità di dislocazione;
• spessore della wafer;
• Arco e curvatura.

I substrati di germanio di tipo P sono spesso utilizzati nelle strutture di celle solari a giunzione multipla, ma la specifica esatta dipende dalla progettazione epitassiale e dalla configurazione della giunzione.

Germanio per fotonica e dispositivi ad alta velocità

Il germanio è compatibile con una serie di tecnologie fotoniche ed elettroniche a base di silicio.

• con un'ampiezza superiore o uguale a 5 mm;
• fotonica del silicio;
• Transistor ad alta velocità;
• strutture Ge-on-Si;
• piattaforme geolocalizzate con isolante;
• Guida d'onda a infrarossi;
• Modulatori ottici.

L'elevata mobilità degli elettroni e dei fori del germanium può supportare il trasporto dei vettori ad alta velocità.La sua risposta ottica nell'infrarosso vicino la rende utile anche per il fotodetettore vicino alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni.

In queste applicazioni, il doping deve essere ottimizzato insieme alla progettazione delle giunzioni, alla deformazione, allo spessore dello strato e alla resistenza al contatto.

Orientazione dei cristalli e opzioni di superficie

Il tipo di conducibilità è solo una parte della specifica di un wafer di germanio.

Orientazioni comuni

I wafer di germanio sono spesso forniti in:

• (100);
• (110);
• 111).

L'orientamento appropriato dipende dal processo epitassiale, dalla progettazione del dispositivo, dal comportamento della scissione e dai requisiti ottici o meccanici.

Finitura superficiale

Le condizioni di superficie disponibili possono includere:

• come tagliato;
• Lapped;
• incisi;
• con una lunghezza massima di 20 mm o più
• con una lunghezza massima di 20 mm o più ma non superiore a 50 mm
• Epitaxy-ready lucidato.

Per la crescita epitassale e la lavorazione dei semiconduttori, la rugosità della superficie, il danno subterraneo, la pulizia e la condizione degli ossidi nativi richiedono un attento controllo.

I wafer ottici a infrarossi possono utilizzare specifiche di superficie diverse a seconda che vengano trasformati in lenti, finestre, filtri o componenti ottici rivestiti.

Come specificare un wafer di germanio

Una richiesta completa di preventivo deve contenere le seguenti informazioni.

Proprietà materiali ed elettriche

• Tipo di conducibilità: tipo p, tipo n o di alta purezza;
• specie di dopanti;
• Intervallo di resistenza;
• concentrazione del vettore, se necessario;
• Requisito di mobilità;
• Requisito di misurazione della hall;
• Variazione della resistività radiale.

Dimensioni e geometria

• diametro o lunghezza e larghezza;
• spessore e tolleranza;
• Orientazione cristallina;
• Tolleranza di orientamento;
• requisiti di piattaforma primaria e secondaria;
• profilo del bordo;
• variazione dello spessore totale;
• Arco e curvatura.

Requisiti di superficie

• Polizione a un lato o a due lati;
• la rugosità superficiale;
• Specifica di scavo da graffi per uso ottico;
• requisiti di superficie pronta all'epitaxia;
• esclusione dei bordi;
• Limiti di particelle e contaminazione.

Requisiti ottici

• gamma di lunghezza d'onda operativa;
• Trasmissione minima;
• coefficiente di assorbimento massimo;
• Requisito di indice di rifrazione;
• requisiti di rivestimento;
• temperatura di funzionamento;
• Apertura chiara.

Documentazione di qualità

• certificato di analisi;
• verifica del tipo di conduttività;
• Mappa della resistenza;
• i dati di prova dell'effetto Hall;
• Rapporto sull'orientamento dei cristalli;
• Rapporto di ispezione di superficie;
• Informazioni sulla tracciabilità.

Guida alla selezione

Errori di acquisto comuni

Indicare solo il tipo P o il tipo N

Il tipo di conduttività non definisce la resistività, la concentrazione o la mobilità del vettore.

Assumendo la stessa resistenza si ottiche la stessa prestazione ottica

Il germanio di tipo P e di tipo n può avere assorbimento di vettore libero diverso perché gli elettroni e i fori hanno diverse mobilità e risposte ottiche.

Utilizzare la concentrazione nominale di dopante al posto della concentrazione del vettore attivo

Non tutti gli atomi di dopante contribuiscono ad un vettore attivo.

Ignorare la temperatura di funzionamento

La concentrazione del vettore, la mobilità, l'indice di rifrazione e l'assorbimento infrarosso variano con la temperatura, cosa particolarmente importante nei sistemi di imaging termico ad alta temperatura e nei rilevatori criogenici.

Trattamento delle wafer ottiche e dei wafer semiconduttori come identici

Un bianco ottico e un wafer semiconduttore pronto per l'epitaxia possono richiedere livelli di preparazione, pulizia e ispezione della superficie molto diversi.

Conclusioni

La principale differenza tra le onde di germanio di tipo p e di tipo n è il vettore di carica dominante: fori nel materiale di tipo p e elettroni nel materiale di tipo n.mobilità, comportamento di contatto e assorbimento a infrarossi.

Il germanio di tipo P utilizza comunemente accettori di boro, gallio o indio, mentre il germanio di tipo n utilizza donatori di fosforo, arsenico o antimonio.,il tipo di conducibilità deve essere preso in considerazione quando si traduce la resistività in concentrazione del vettore e prestazioni del dispositivo.

Per le applicazioni a infrarossi, né il tipo p né il tipo n sono automaticamente superiori.temperatura di funzionamento e assorbimento autorizzato del vettore liberoUna specifica affidabile dovrebbe quindi combinare il tipo di conduttività con i requisiti di dopante, resistività, trasmissione ottica, orientamento, geometria e qualità superficiale.