Oferta de germaniose utilizan en óptica infrarroja, detectores de radiación, células solares de alta eficiencia, dispositivos fotónicos y estructuras especializadas de semiconductores.Aunque el germanio tipo p y el germanio tipo n tienen la misma estructura cristalina básica, sus prestaciones eléctricas y ópticas pueden diferir significativamente.

La selección del tipo de conductividad correcto requiere algo más que especificar el tipo p o el tipo n.el acabado de la superficie y la temperatura de funcionamiento deben ajustarse a la aplicación.

Esta guía explica las principales diferencias entre las obleas de germanio de tipo p y de tipo n y proporciona un marco práctico para la selección de materiales.

¿Qué hace al germanio tipo P o tipo N?

El germanio puro es un semiconductor elemental con una estructura cristalina de diamante cúbico.

Se introducen cantidades controladas de dopantes durante el crecimiento del cristal o la fabricación del dispositivo para cambiar el tipo de portador dominante.

• El germanio de tipo P:Los agujeros son los principales portadores.
• El germanio de tipo N:Los electrones son los principales portadores.
• El germanio intrínseco o de alta pureza:Ni las impurezas donantes ni las aceptantes dominan fuertemente.

El tipo de conductividad está determinado por el equilibrio entre donantes y aceptadores eléctricamente activos, no simplemente por la presencia de una impureza.

Si la concentración del donante excede la concentración del aceptador, el material se comporta como tipo n. Si la concentración del aceptador es mayor, se comporta como tipo p. Esta relación se conoce como compensación.

Aglomerantes comunes para las obleas de germanio

Dopantes de germanio de tipo P

El germanio de tipo P se produce comúnmente utilizando elementos aceptores del Grupo III.

Los dopantes aceptores típicos incluyen:

• El bor;
• con un contenido de potasio superior a 0,9 g/cm3
• ¿Qué es esto?

Estos dopantes tienen un electrón de valencia menos que el germanio.

El galio se utiliza con frecuencia en cristales de germanio a granel porque su segregación y comportamiento eléctrico se pueden controlar durante el crecimiento del cristal.especialmente en el procesamiento de semiconductores y la formación de uniones.

Dopantes de germanio de tipo N

El germanio de tipo N utiliza comúnmente elementos donantes del Grupo V.

Los dopantes donantes típicos incluyen:

• El fósforo;
• Arsénico;
• El antimonio.

Estos elementos tienen un electrón de valencia más que el germanio y contribuyen con electrones al sistema de conducción.

La difusión del donante, que es el resultado de una serie de experimentaciones realizadas en el laboratorio, es una de las principales razones por las que se ha desarrollado este método.La activación y la solubilidad deben controlarse cuidadosamente durante el procesamiento del dispositivo.Las investigaciones sobre el dopado con germanio identifican la difusión excesiva de los dopantes de tipo n como un desafío importante a la hora de crear regiones dopadas bien definidas.Revisión de la difusión y la activación de los dopantes en el germanio

El tipo P vs. el tipo N de germanio a simple vista

Los valores necesarios para una oblea específica deben definirse mediante mediciones en lugar de deducirse únicamente del nombre del dopante.

Resistividad y concentración del portador

La resistividad es uno de los parámetros de compra más importantes para las obleas de germanio y proporciona una indicación indirecta de la concentración y movilidad del portador eléctricamente activo.

Para un material dominado por un tipo de portador, la resistividad se puede aproximar como:

para el material de tipo n, o bien:

para el material del tipo p, cuando:

• No se puedees la resistividad;
• ¿Cuál es el problema?es la carga elemental;
• Noes la concentración de electrones;
• P.p.es la concentración del agujero;
• ¿Qué es esto?es la movilidad de los electrones;
• P y mes la movilidad del agujero.

Esta relación muestra por qué la misma resistividad no corresponde necesariamente a la misma concentración de dopante en el germanio de tipo p y n. Los electrones y los agujeros tienen movilidades diferentes.

El germanio de baja resistividad

Las obleas de baja resistividad contienen una concentración relativamente alta de portadores eléctricamente activos.

• Se requiere una baja resistencia eléctrica.
• La formación de contacto ómico es importante;
• La oblea es parte de una estructura de dispositivo conductor;
• Se necesita una alta densidad de portadores para la ingeniería de uniones o de contacto.

Sin embargo, una mayor concentración de portadores libres puede aumentar la absorción infrarroja.

El germanio de alta resistencia

El material de alta resistividad contiene menos portadores libres y puede ofrecer una menor absorción de portadores libres.

• Optica de transmisión por infrarrojos;
• Fabricación de detectores de radiación;
• Construcciones de baja fuga;
• Aplicaciones que requieren una concentración controlada del portador.

Un alto valor de resistividad por sí solo no garantiza un rendimiento de grado detector o óptico.

Movilidad del portador en el germanio

El germanio es conocido por su alta movilidad de portadores. A temperatura ambiente, la movilidad máxima de electrones en campo bajo en el germanio ligeramente dopado puede aproximarse aproximadamente a:

• Movilidad de los electrones:hasta unos 3,900 cm2/V·s;
• Movilidad del agujero:hasta unos 1.900 cm2/V·s.

Estos valores de referencia disminuyen a medida que aumenta la concentración de dopaje porque el aumento de la dispersión de impurezas restringe el movimiento del portador.Datos de las propiedades eléctricas del germanio del Instituto Ioffe

Debido a que los electrones generalmente se mueven más fácilmente a través de la red de germanio que los agujeros, el material de tipo n puede proporcionar una conductividad más alta que el material de tipo p a la misma concentración de portador.

Sin embargo, la selección de las obleas no debe basarse únicamente en los valores máximos de movilidad.

• Concentración del dopante;
• el índice de compensación;
• Las características de los sistemas de control de velocidad son:
• Dislocaciones
• La temperatura;
• intensidad del campo eléctrico;
• Condición de la superficie;
• Procesando el historial.

Para las obleas de grado de dispositivo, las mediciones del efecto Hall se utilizan comúnmente para determinar el tipo de conductividad, la concentración del portador y la movilidad.

Por qué el dopaje afecta el rendimiento infrarrojo

El germanio se utiliza ampliamente para la óptica infrarroja debido a su amplia capacidad de transmisión infrarroja de onda media y onda larga, alto índice de refracción y buenas propiedades mecánicas.

Las ópticas típicas de germanio se utilizan aproximadamente dentro de la región de 2 ¢ 14 μm, aunque el rango de transmisión práctico depende de la pureza del material, el grosor, la temperatura,Diseño de acabados y revestimiento de la superficie.

El germanio no es transparente en el espectro visible. Una ventana de germanio terminada normalmente aparece oscura o metálica al ojo humano mientras transmite longitudes de onda infrarrojas seleccionadas.

Absorción por transportador libre

Los electrones libres y los agujeros pueden absorber la radiación infrarroja.

El nivel de absorción depende de:

• Tipo de portador;
• concentración del portador;
• movilidad;
• longitud de onda;
• La temperatura;
• longitud del camino óptico.

Esto significa que las obleas de tipo p y tipo n con la misma resistividad nominal pueden no tener una transmisión infrarroja idéntica.

Una revisión de los cristales individuales de germanio para fotónica señala que el dopaje y la temperatura de funcionamiento pueden afectar significativamente la absorción infrarroja.Por consiguiente, el germanio óptico debe especificarse basándose tanto en requisitos eléctricos como ópticos.Cristales simples de germanio para fotónica

Resistencia para la óptica infrarroja

Los componentes ópticos infrarrojos a menudo utilizan germanio con resistividad controlada para limitar la absorción del portador libre.

El valor requerido depende de:

• longitud de onda de funcionamiento;
• espesor del componente;
• objetivo de transmisión;
• el rango de temperatura;
• Si la óptica está recubierta;
• Absorción y carga térmica permitidas.

Para aplicaciones exigentes, el comprador debe especificar una curva de transmisión o un coeficiente de absorción en lugar de basarse únicamente en un valor mínimo de resistividad.

El germanio de tipo P para la óptica infrarroja

El germanio de tipo P se considera comúnmente para ventanas infrarrojas, lentes y otros componentes transmisivos.especialmente cuando la concentración del portador se mantiene dentro del rango requerido.

Las ventajas potenciales incluyen:

• Disponibilidad en cristal óptico;
• Dopaje de aceptación controlado;
• Compatibilidad con procesos de fabricación óptica de germanio comunes;
• Adecuación para ventanas, lentes y componentes de imágenes térmicas.

Sin embargo, una concentración excesiva del aceptador aumenta la absorción del orificio libre.

El germanio de tipo N para la óptica infrarroja

El germanio de tipo N también se puede utilizar para aplicaciones infrarrojas, pero la absorción de electrones libres debe evaluarse cuidadosamente.la relación entre la resistividad, la densidad del portador y la absorción óptica difieren del material de tipo p.

El material del tipo N podrá seleccionarse cuando:

• Se requiere una función electrónica específica.
• El componente óptico está integrado con una estructura de semiconductores;
• El material de donante dopado es requerido por el diseño del detector o del dispositivo;
• Las funciones eléctricas y ópticas deben combinarse.

Para la óptica puramente transmisora, el tipo de conductividad debe tratarse como parte de la especificación del material óptico en lugar de considerarse intercambiable.

Wafers de germanio para detectores de infrarrojos

El germanio ha desempeñado históricamente un papel importante en la detección de infrarrojos y radiación.

Las aplicaciones del detector incluyen:

• Los demás aparatos y aparatos para la fabricación de la siguiente clase:
• Espectroscopia de rayos gamma;
• Detección por rayos X;
• Detectores de radiación criogénica;
• Dispositivos fotoconductores para investigación.

Los detectores de germanio de alta pureza requieren concentraciones de impurezas muy inferiores a las utilizadas en las obleas electrónicas ordinarias.larga vida útil del portador y defectos eléctricamente activos estrictamente controlados.

Para estas aplicaciones, los términos “tipo p” y “tipo n” pueden describir la conductividad neta después de que las concentraciones muy pequeñas de donante y de aceptante se compensen entre sí.

Wafers de germanio en células solares de múltiples uniones

Las obleas de germanio se utilizan ampliamente como sustratos para células solares de alta eficiencia III-V multijunción.El sustrato de germanio proporciona un soporte mecánico y también puede funcionar como unión fotovoltaica inferior.

Los parámetros importantes incluyen:

• Tipo de conductividad;
• Concentración del dopante;
• Orientación de los cristales;
• el ángulo de corte;
• preparación de la superficie;
• compatibilidad epitaxial;
• densidad de dislocación;
• espesor de la oblea;
• Arco y curvatura.

Los sustratos de germanio de tipo P se utilizan con frecuencia en estructuras de células solares de múltiples uniones, pero la especificación exacta depende del diseño epitaxial y la configuración de la unión.

El germanio para fotónica y dispositivos de alta velocidad

El germanio es compatible con una gama de tecnologías fotónicas y electrónicas basadas en silicio.

• Los demás aparatos y aparatos para la fabricación de la siguiente partida:
• La fotónica de silicio;
• Transistores de alta velocidad;
• Las estructuras Geo-on-Si;
• Plataformas de aislamiento geométrico;
• Guías de ondas de infrarrojos;
• Moduladores ópticos.

La alta movilidad de electrones y agujeros del germanium puede soportar el transporte de portadores de alta velocidad.Su respuesta óptica en el infrarrojo cercano también lo hace útil para la fotodetección cerca de longitudes de onda de telecomunicaciones.

En estas aplicaciones, el dopaje debe optimizarse junto con el diseño de las uniones, la deformación, el grosor de la capa y la resistencia al contacto.

Orientación de cristal y opciones de superficie

El tipo de conductividad es solo una parte de una especificación de oblea de germanio.

Orientaciones comunes

Las obleas de germanio se suministran con frecuencia en:

• (100)
• el número de unidades de producción
• No obstante, la Comisión

La orientación adecuada depende del proceso epitaxial, el diseño del dispositivo, el comportamiento de escisión y los requisitos ópticos o mecánicos.

Finalización de la superficie

Las condiciones de superficie disponibles pueden incluir:

• Las demás:
• Lapeado;
• Las demás:
• con una longitud de más de 20 mm,
• con una longitud de la longitud de la longitud de la longitud de la longitud de la longitud de la longitud de la longitud de la longitud;
• Está listo para la epitaxia.

Para el crecimiento epitaxial y el procesamiento de semiconductores, la rugosidad de la superficie, el daño subterráneo, la limpieza y la condición de óxido nativo requieren un control cuidadoso.

Las obleas ópticas infrarrojas pueden utilizar diferentes especificaciones de superficie dependiendo de si se procesarán en lentes, ventanas, filtros o componentes ópticos recubiertos.

Cómo especificar una oblea de germanio

Una solicitud completa de cotización debe incluir la siguiente información.

Propiedades materiales y eléctricas

• Tipo de conductividad: tipo p, tipo n o de alta pureza.
• las especies de dopantes;
• Rango de resistencia
• la concentración del portador, si es necesario;
• Requisito de movilidad
• Requisito de medición en el pasillo;
• Variación de la resistividad radial.

Las dimensiones y la geometría

• Diámetro o longitud y anchura;
• espesor y tolerancia;
• Orientación de los cristales;
• tolerancia de orientación;
• requisitos planos primarios y secundarios;
• Profile de los bordes
• Variación del grosor total;
• Arco y curvatura.

Requisitos para la superficie

• Polishing de una sola o dos caras;
• La rugosidad de la superficie;
• Especificación de excavación por rascado para uso óptico;
• Requisito de superficie lista para la epitaxia;
• exclusión de los bordes;
• Límites de partículas y contaminación.

Requisitos ópticos

• el rango de longitud de onda de operación;
• Transmisión mínima;
• Coeficiente máximo de absorción
• el requisito del índice de refracción;
• requisitos de revestimiento;
• temperatura de funcionamiento;
• Apertura libre.

Documentación de calidad

• Certificado de análisis
• Verificación del tipo de conductividad.
• Mapa de la resistencia;
• datos de ensayo del efecto Hall;
• Informe de orientación de los cristales;
• informe de inspección de la superficie;
• Información sobre la trazabilidad.

Guía de selección

Errores comunes al comprar

Especificar únicamente el tipo P o el tipo N

El tipo de conductividad no define la resistividad, la concentración o la movilidad de los portadores.

Suponiendo la misma resistividad da el mismo rendimiento óptico

El germanio de tipo P y el germanio de tipo n pueden tener diferentes absorciones de portadores libres porque los electrones y los agujeros tienen diferentes movilidades y respuestas ópticas.

Usando una concentración de dopante nominal en lugar de una concentración de portador activo

No todos los átomos de dopante aportan un portador activo.

Ignorar la temperatura de funcionamiento

La concentración, la movilidad, el índice de refracción y la absorción infrarroja de los portadores varían con la temperatura, lo que es particularmente importante en los sistemas de imágenes térmicas de alta temperatura y los detectores criogénicos.

Tratamiento de las obleas ópticas y semiconductoras como idénticas

Una oblea óptica y una oblea de semiconductores preparada para la epitaxia pueden requerir estándares de preparación de la superficie, limpieza e inspección muy diferentes.

Conclusión

La principal diferencia entre las obleas de germanio de tipo p y de tipo n es el portador de carga dominante: agujeros en el material de tipo p y electrones en el material de tipo n. Esta distinción afecta a la resistividad,movilidad, comportamiento de contacto y absorción infrarroja.

El germanio de tipo P utiliza comúnmente aceptores de boro, galio o indio, mientras que el germanio de tipo n utiliza donantes de fósforo, arsénico o antimonio.,el tipo de conductividad debe tenerse en cuenta al traducir la resistividad en concentración de portador y rendimiento del dispositivo.

Para las aplicaciones infrarrojas, ni el tipo p ni el tipo n son automáticamente superiores.temperatura de funcionamiento y absorción del portador libre permitidaPor consiguiente, una especificación fiable debe combinar el tipo de conductividad con los requisitos de dopante, resistividad, transmisión óptica, orientación, geometría y calidad de superficie.