Германиевые пластиныиспользуются в инфракрасной оптике, детекторах излучения, высокоэффективных солнечных элементах, фотонных устройствах и специализированных полупроводниковых структурах. Хотя германий p-типа и n-типа имеют одинаковую основную кристаллическую структуру, их электрические и оптические характеристики могут значительно отличаться.

Выбор правильного типа проводимости требует большего, чем просто указание «p-тип» или «n-тип». Вид легирующей примеси, концентрация носителей, удельное сопротивление, подвижность, ориентация кристалла, качество поверхности и рабочая температура — все это должно соответствовать применению.

В данном руководстве объясняются основные различия между германиевыми пластинами p-типа и n-типа и представлена практическая основа для выбора материала.

Что делает германий p-типа или n-типа?

Чистый германий — это элементный полупроводник с кристаллической структурой алмазного типа. При комнатной температуре термически генерируемые электроны и дырки способствуют его собственной проводимости.

Контролируемые количества легирующих примесей вводятся во время роста кристалла или изготовления устройства для изменения доминирующего типа носителей.

• Германий p-типа: дырки являются основными носителями.
• Германий n-типа: электроны являются основными носителями.
• Собственный или высокочистый германий: ни донорные, ни акцепторные примеси не доминируют сильно.

Тип проводимости определяется балансом между электрически активными донорами и акцепторами — а не просто наличием одной примеси.

Если концентрация доноров превышает концентрацию акцепторов, материал ведет себя как n-тип. Если концентрация акцепторов выше, он ведет себя как p-тип. Эта зависимость известна как компенсация.

Общие легирующие примеси для германиевых пластин

Легирующие примеси для германия p-типа

Германий p-типа обычно получают с использованием акцепторных элементов III группы.

Типичные акцепторные легирующие примеси включают:

• Бор;
• Галлий;
• Индий.

Эти легирующие примеси имеют на один валентный электрон меньше, чем германий. При включении в решетку они создают акцепторные состояния и увеличивают концентрацию дырок.

Галлий часто используется в объемных германиевых кристаллах, поскольку его сегрегация и электрическое поведение могут контролироваться во время роста кристалла. Бор также может использоваться, особенно в процессах изготовления полупроводников и формирования переходов.

Легирующие примеси для германия n-типа

В германии n-типа обычно используются донорные элементы V группы.

Типичные донорные легирующие примеси включают:

• Фосфор;
• Мышьяк;
• Сурьма.

Эти элементы имеют на один валентный электрон больше, чем германий, и вносят электроны в систему проводимости.

Достижение очень высокого легирования n-типа в германии может быть более сложным, чем получение сопоставимого материала p-типа. Диффузия доноров, активация и растворимость должны тщательно контролироваться во время обработки устройства. Исследования легирования германия выявляют чрезмерную диффузию легирующих примесей n-типа как важную проблему при создании четко определенных легированных областей. Обзор диффузии и активации легирующих примесей в германии

Германий p-типа против n-типа в обзоре

Значения, необходимые для конкретной пластины, должны определяться измерением, а не только по названию легирующей примеси.

Удельное сопротивление и концентрация носителей

Удельное сопротивление является одним из наиболее важных параметров при покупке германиевых пластин. Оно косвенно указывает на концентрацию электрически активных носителей и подвижность.

Для материала, в котором доминирует один тип носителей, удельное сопротивление можно аппроксимировать как:

для материала n-типа, или:

для материала p-типа, где:

• ρ\rho — удельное сопротивление;
• qq — элементарный заряд;
• nn — концентрация электронов;
• pp — концентрация дырок;
• μn\mu_n — подвижность электронов;
• μp\mu_p — подвижность дырок.

Эта зависимость показывает, почему одно и то же удельное сопротивление не обязательно соответствует одной и той же концентрации легирующей примеси в германии p-типа и n-типа. Электроны и дырки имеют разную подвижность.

Германий с низким удельным сопротивлением

Пластины с низким удельным сопротивлением содержат относительно высокую концентрацию электрически активных носителей. Они могут быть выбраны, когда:

• Требуется низкое электрическое сопротивление;
• Важно формирование омического контакта;
• Пластина является частью проводящей структуры устройства;
• Высокая плотность носителей необходима для проектирования переходов или контактов.

Однако увеличение концентрации свободных носителей может увеличить инфракрасное поглощение. Поэтому пластина с низким удельным сопротивлением может быть непригодна для пропускающего инфракрасного оптического компонента.

Германий с высоким удельным сопротивлением

Материал с высоким удельным сопротивлением содержит меньше свободных носителей и может предлагать меньшее поглощение свободными носителями. Это может быть выгодно для:

• Инфракрасная трансмиссионная оптика;
• Изготовление детекторов излучения;
• Структуры с низким током утечки;
• Применения, требующие контролируемой концентрации носителей.

Одно лишь высокое значение удельного сопротивления не гарантирует детекторного или оптического качества. Также важны дефекты кристалла, остаточные примеси, время жизни носителей и пространственная однородность.

Подвижность носителей в германии

Германий известен высокой подвижностью носителей. При комнатной температуре максимальная подвижность электронов при низком поле в слабо легированном германии может достигать примерно:

• Подвижность электронов: до примерно 3900 см²/В·с;
• Подвижность дырок: до примерно 1900 см²/В·с.

Эти справочные значения уменьшаются с ростом концентрации легирования, поскольку увеличение рассеяния на примесях ограничивает движение носителей. Подвижность также сильно изменяется с температурой. Данные об электрических свойствах германия Института Иоффе

Поскольку электроны, как правило, движутся в решетке германия легче, чем дырки, материал n-типа может обеспечивать более высокую проводимость, чем материал p-типа, при одинаковой концентрации носителей.

Однако выбор пластины не должен основываться только на максимальных значениях подвижности. Фактическая подвижность зависит от:

• Концентрация легирующей примеси;
• Коэффициент компенсации;
• Дефекты кристалла;
• Дислокации;
• Температура;
• Напряженность электрического поля;
• Состояние поверхности;
• История обработки.

Для пластин, пригодных для изготовления устройств, измерения Холла обычно используются для определения типа проводимости, концентрации носителей и подвижности.

Почему легирование влияет на инфракрасные характеристики

Германий широко используется для инфракрасной оптики благодаря его широкой способности пропускания в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне, высокому показателю преломления и хорошим механическим свойствам.

Типичная германиевая оптика используется примерно в диапазоне 2–14 мкм, хотя практический диапазон пропускания зависит от чистоты материала, толщины, температуры, качества поверхности и конструкции покрытия.

Германий не прозрачен в видимом спектре. Готовое германиевое окно обычно выглядит темным или металлическим для человеческого глаза, при этом пропускает выбранные инфракрасные длины волн.

Поглощение свободными носителями

Свободные электроны и дырки могут поглощать инфракрасное излучение. С увеличением концентрации носителей поглощение свободными носителями, как правило, становится более значительным.

Уровень поглощения зависит от:

• Тип носителя;
• Концентрация носителей;
• Подвижность;
• Длина волны;
• Температура;
• Длина оптического пути.

Это означает, что пластины p-типа и n-типа с одинаковым номинальным удельным сопротивлением могут не иметь идентичного инфракрасного пропускания.

В обзоре германиевых монокристаллов для фотоники отмечается, что легирование и рабочая температура могут значительно влиять на инфракрасное поглощение. Поэтому оптический германий должен специфицироваться с использованием как электрических, так и оптических требований. Германиевые монокристаллы для фотоники

Удельное сопротивление для инфракрасной оптики

Компоненты инфракрасной оптики часто используют германий с контролируемым удельным сопротивлением для ограничения поглощения свободными носителями. Однако ни один диапазон удельного сопротивления не является универсально правильным для каждой оптической системы.

Требуемое значение зависит от:

• Рабочая длина волны;
• Толщина компонента;
• Целевой показатель пропускания;
• Диапазон температур;
• Покрыт ли оптический элемент;
• Допустимое поглощение и тепловая нагрузка.

Для требовательных применений покупатель должен указывать кривую пропускания или коэффициент поглощения вместо того, чтобы полагаться только на минимальное значение удельного сопротивления.

Германий p-типа для инфракрасной оптики

Германий p-типа обычно рассматривается для инфракрасных окон, линз и других пропускающих компонентов. Правильно контролируемый материал p-типа может обеспечить подходящие инфракрасные характеристики, особенно когда концентрация носителей находится в требуемом диапазоне.

Потенциальные преимущества включают:

• Доступность в оптическом кристалле;
• Контролируемое акцепторное легирование;
• Совместимость с распространенными процессами изготовления германиевой оптики;
• Пригодность для окон, линз и компонентов тепловизионной техники.

Тем не менее, чрезмерная концентрация акцепторов увеличивает поглощение свободными дырками. Правильное удельное сопротивление должно быть выбрано для длины оптического пути и диапазона длин волн.

Германий n-типа для инфракрасной оптики

Германий n-типа также может использоваться для инфракрасных применений, но поглощение свободными электронами должно быть тщательно оценено. Поскольку электроны имеют более высокую подвижность, чем дырки, зависимость между удельным сопротивлением, плотностью носителей и оптическим поглощением отличается от материала p-типа.

Материал n-типа может быть выбран, когда:

• Требуется определенная электронная функция;
• Оптический компонент интегрирован с полупроводниковой структурой;
• Материал с донорным легированием требуется конструкцией детектора или устройства;
• Необходимо объединить электрические и оптические функции.

Для чисто пропускающей оптики тип проводимости следует рассматривать как часть спецификации оптического материала, а не предполагать его взаимозаменяемость.

Германиевые пластины для инфракрасных детекторов

Германий исторически играл важную роль в инфракрасных и радиационных детекторах. Его относительно малая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность носителей способствуют эффективной генерации и сбору заряда.

Применения детекторов включают:

• Фотодетекторы ближнего инфракрасного диапазона;
• Гамма-спектроскопия;
• Детектирование рентгеновского излучения;
• Криогенные детекторы излучения;
• Фотопроводящие устройства исследовательского класса.

Детекторы из высокочистого германия требуют концентрации примесей значительно ниже, чем в обычных электронных пластинах. Материал детекторного класса должен обладать превосходной однородностью по объему, долгим временем жизни носителей и строго контролируемыми электрически активными дефектами.

Для этих применений термины «p-тип» и «n-тип» могут описывать чистую проводимость после того, как очень малые концентрации доноров и акцепторов компенсируют друг друга.

Германиевые пластины в многопереходных солнечных элементах

Германиевые пластины широко используются в качестве подложек для высокоэффективных III-V многопереходных солнечных элементов. Германиевая подложка обеспечивает механическую поддержку и также может функционировать как нижний фотоэлектрический переход.

Важные параметры включают:

• Тип проводимости;
• Концентрация легирующей примеси;
• Ориентация кристалла;
• Угол отклонения от оси;
• Подготовка поверхности;
• Эпитаксиальная совместимость;
• Плотность дислокаций;
• Толщина пластины;
• Изгиб и коробление.

Подложки из германия p-типа часто используются в многопереходных солнечных элементах, но точная спецификация зависит от эпитаксиальной конструкции и конфигурации перехода.

Германий для фотоники и высокоскоростных устройств

Германий совместим с рядом кремниевых фотонных и электронных технологий. Применения включают:

• Фотодетекторы для оптической связи;
• Кремниевая фотоника;
• Высокоскоростные транзисторы;
• Структуры Ge-on-Si;
• Платформы Ge-on-insulator;
• Инфракрасные волноводы;
• Оптические модуляторы.

Высокая подвижность электронов и дырок в германии может обеспечивать высокоскоростной транспорт носителей. Его оптический отклик в ближнем инфракрасном диапазоне также делает его полезным для фотодетектирования вблизи телекоммуникационных длин волн.

В этих применениях легирование должно быть оптимизировано совместно с дизайном перехода, напряжением, толщиной слоя и сопротивлением контакта.

Ориентация кристалла и варианты поверхности

Тип проводимости — лишь одна часть спецификации германиевой пластины.

Общие ориентации

Германиевые пластины часто поставляются в ориентациях:

• (100);
• (110);
• (111).

Соответствующая ориентация зависит от эпитаксиального процесса, конструкции устройства, поведения при раскалывании и оптических или механических требований.

Качество поверхности

Доступные состояния поверхности могут включать:

• После резки;
• Шлифованная;
• Травленая;
• Полированная с одной стороны;
• Полированная с обеих сторон;
• Полированная для эпитаксии.

Для эпитаксиального роста и обработки полупроводников требуется тщательный контроль шероховатости поверхности, подповерхностных повреждений, чистоты и состояния естественного оксида.

Оптические пластины для инфракрасной области могут использовать различные спецификации поверхности в зависимости от того, будут ли они обработаны в линзы, окна, фильтры или покрытые оптические компоненты.

Как специфицировать германиевую пластину

Полный запрос на коммерческое предложение должен включать следующую информацию.

Материальные и электрические свойства

• Тип проводимости: p-тип, n-тип или высокочистый;
• Вид легирующей примеси;
• Диапазон удельного сопротивления;
• Концентрация носителей, если требуется;
• Требование к подвижности;
• Требование к измерению Холла;
• Радиальное изменение удельного сопротивления.

Размеры и геометрия

• Диаметр или длина и ширина;
• Толщина и допуск;
• Ориентация кристалла;
• Допуск ориентации;
• Требования к основной и вторичной плоским граням;
• Профиль края;
• Общее изменение толщины;
• Изгиб и коробление.

Требования к поверхности

• Полировка с одной или двух сторон;
• Шероховатость поверхности;
• Спецификация царапин и вмятин для оптического использования;
• Требование к поверхности, готовой для эпитаксии;
• Исключение края;
• Пределы частиц и загрязнений.

Оптические требования

• Диапазон рабочих длин волн;
• Минимальное пропускание;
• Максимальный коэффициент поглощения;
• Требование к показателю преломления;
• Требования к покрытию;
• Рабочая температура;
• Чистая апертура.

Документация по качеству

• Сертификат анализа;
• Подтверждение типа проводимости;
• Карта удельного сопротивления;
• Данные испытаний Холла;
• Отчет об ориентации кристалла;
• Отчет об инспекции поверхности;
• Информация об отслеживаемости.

Руководство по выбору

Распространенные ошибки при покупке

Указание только p-типа или n-типа

Тип проводимости не определяет удельное сопротивление, концентрацию носителей или подвижность. Эти значения должны быть указаны отдельно.

Предположение, что одинаковое удельное сопротивление дает одинаковые оптические характеристики

Германий p-типа и n-типа может иметь разное поглощение свободными носителями, поскольку электроны и дырки имеют разную подвижность и оптический отклик.

Использование номинальной концентрации легирующей примеси вместо активной концентрации носителей

Не каждый атом легирующей примеси вносит активный носитель. Необходимо учитывать компенсацию и активацию.

Игнорирование рабочей температуры

Концентрация носителей, подвижность, показатель преломления и инфракрасное поглощение изменяются с температурой. Это особенно важно в системах тепловизионной техники при высоких температурах и криогенных детекторах.