mit einer Breite von nicht mehr als 20 mmsind in Infrarotoptik, Strahlungsdetektoren, hocheffizienten Solarzellen, fotonischen Geräten und spezialisierten Halbleiterstrukturen eingesetzt.Obwohl P- und N-Germanium die gleiche Grundkristallstruktur haben, können ihre elektrischen und optischen Leistungen erheblich abweichen.

Die Auswahl des richtigen Leitungstyps erfordert mehr als nur die Angabe von “p-type” oder “n-type”.Oberflächenveredelung und Betriebstemperatur müssen alle der Anwendung entsprechen.

Dieser Leitfaden erläutert die Hauptunterschiede zwischen P- und N-Typ-Germaniumwafern und bietet einen praktischen Rahmen für die Materialauswahl.

Was macht Germanium zu P- oder N-Typ?

Reines Germanium ist ein elementares Halbleiter mit einer Diamant-Kubik-Kristallstruktur.

Während des Kristallwachstums oder bei der Herstellung von Geräten werden kontrollierte Mengen von Dopanten eingeführt, um den dominanten Trägertyp zu ändern.

• P-Germanium:Löcher sind die meisten Träger.
• N-Typ-Germanium:Elektronen sind die meisten Träger.
• mit einer Breite von mehr als 20 mm,weder Spender- noch Akzeptorverunreinigungen dominieren stark.

Der Leitfähigkeitstyp wird durch das Gleichgewicht zwischen elektrisch aktiven Spendern und Akzeptoren bestimmt, nicht einfach durch das Vorhandensein einer Verunreinigung.

Wenn die Spenderkonzentration die Akzeptorkonzentration übersteigt, verhält sich das Material wie n-Typ. Wenn die Akzeptorkonzentration höher ist, verhält es sich wie p-Typ. Diese Beziehung wird als Kompensation bezeichnet.

Gemeinsame Dopantien für Germaniumwaffen

P-Germanium-Dopantien

P-Typ-Germanium wird üblicherweise mit Akzeptorelementen der Gruppe III hergestellt.

Zu den typischen Akzeptor-Dopanten gehören:

• mit einem Gehalt an Kohlenwasserstoffen von mehr als 10 GHT
• Gallium;
• Das ist Indium.

Diese Dopantien haben ein Valence-Elektron weniger als Germanium.

Gallium wird häufig in Massengermaniumkristallen verwendet, da seine Trennung und sein elektrisches Verhalten während des Kristallwachstums kontrolliert werden können.vor allem bei der Verarbeitung von Halbleitern und bei der Verbindung von Verbindungen.

N-Typ Germanium-Dopantien

N-Typ-Germanium verwendet üblicherweise Spenderelemente der Gruppe V.

Zu den typischen Spenderdopanten gehören:

• Phosphor
• Arsen;
• Antimon.

Diese Elemente haben ein Valence-Elektron mehr als Germanium und tragen Elektronen zum Leitsystem bei.

Eine sehr hohe N-Doppierung im Germanium kann schwieriger sein als die Herstellung eines vergleichbaren p-Typ-Materials.Aktivierung und Löslichkeit müssen während der Behandlung sorgfältig kontrolliert werden.Untersuchungen über Germanium-Doping zeigen, daß eine übermäßige Diffusion von N-Typ-Dopanten eine wichtige Herausforderung bei der Schaffung von klar definierten Dopingregionen darstellt.Überprüfung der Diffusions- und Dopantaktivierung in Germanium

P-Typ gegen N-Typ-Germanium auf einen Blick

Die für eine bestimmte Wafer benötigten Werte sollten durch Messung definiert werden und nicht nur aus dem Namen des Dopants abgeleitet werden.

Resistivität und Trägerkonzentration

Der Widerstand ist einer der wichtigsten Einkaufsmesswerte für Germaniumwaffen, der indirekt die Konzentration und Mobilität des elektrisch aktiven Trägers anzeigt.

Für ein Material, das von einem Trägertyp dominiert wird, kann die Resistivität wie folgt geschätzt werden:

für Material des Typs n oder

für Material des Typs p:

• Derist die Widerstandsfähigkeit;
• QQist die Grundladung;
• nnist die Elektronenkonzentration;
• ppist die Lochkonzentration;
• Einheitlichist die Elektronenmobilität;
• Mist die Lochmobilität.

Diese Beziehung zeigt, warum der gleiche Widerstand nicht unbedingt der gleichen Dopantkonzentration in p- und n-Typ-Germanium entspricht.

Germanium mit geringer Resistenz

Wafer mit niedrigem Widerstand enthalten eine relativ hohe Konzentration an elektrisch aktiven Trägern.

• Es ist ein geringer elektrischer Widerstand erforderlich.
• Ohm-Kontaktbildung ist wichtig;
• Die Wafer ist Bestandteil einer Leitungseinrichtung;
• Eine hohe Trägerdichte ist für die Verbindung oder Kontakttechnik erforderlich.

Eine Wafer mit geringer Widerstandsfähigkeit kann daher für eine transmisive Infrarotoptik nicht geeignet sein.

Germanium mit hoher Resistenz

Material mit hoher Resistivität enthält weniger freie Träger und kann eine geringere Absorption von freien Trägern bieten.

• Infrarot-Übertragungsoptik;
• Herstellung von Strahlendetektoren;
• Strukturen mit geringer Leckage;
• Anwendungen, bei denen eine kontrollierte Trägerkonzentration erforderlich ist.

Ein hoher Widerstandswert allein garantiert nicht eine Leistung von Detektor- oder optischer Qualität.

Trägermobilität im Germanium

Bei Raumtemperatur kann sich die maximale Niedrigfeldmobilität von Elektronen in leicht doppiertem Germanium ungefähr auf:

• Elektronenmobilität:bis zu etwa 3,900 cm2/V·s;
• Mobilität der Löcher:bis zu etwa 1.900 cm2/V·s.

Diese Referenzwerte sinken mit zunehmender Dopingkonzentration, da die verstärkte Verstreuung der Verunreinigungen die Bewegung des Trägers einschränkt.Daten über die elektrischen Eigenschaften von Germanium des Ioffe-Instituts

Da sich Elektronen im Allgemeinen leichter durch das Germaniumgitter als durch Löcher bewegen, kann n-Typ-Material bei der gleichen Trägerkonzentration eine höhere Leitfähigkeit als p-Typ-Material bieten.

Die Wahl der Wafer sollte jedoch nicht allein auf den maximalen Mobilitätswerten beruhen.

• Dopingmittelkonzentration;
• Ausgleichsquote;
• Kristallfehler;
• Ausrutschungen;
• Temperatur;
• Elektrische Feldstärke;
• Oberflächenzustand;
• Verarbeitungsgeschichte.

Für Wafer der Geräteklasse werden Hall-Effektmessungen üblicherweise zur Bestimmung von Leitfähigkeit, Trägerkonzentration und Mobilität verwendet.

Warum Doping die Infrarotleistung beeinträchtigt

Germanium wird wegen seiner breiten Infrarot-Übertragungskapazität in der mittleren und langen Welle, seinem hohen Brechungsindex und seinen guten mechanischen Eigenschaften weit verbreitet in der Infrarotoptik eingesetzt.

Typische Germaniumoptiken werden ungefähr im Bereich von 2 ‰ 14 μm verwendet, obwohl der praktische Übertragungsbereich von Materialreinheit, Dicke, Temperatur,Oberflächenveredelung und Beschichtung.

Ein fertiges Germaniumfenster erscheint dem menschlichen Auge normalerweise dunkel oder metallisch, während ausgewählte Infrarotwellenlängen übertragen werden.

Absorption des freien Trägers

Freie Elektronen und Löcher können Infrarotstrahlung absorbieren.

Der Absorptionsgrad hängt von

• Typ des Trägers;
• Trägerkonzentration;
• Mobilität;
• Wellenlänge;
• Temperatur;
• Längen des optischen Weges.

Dies bedeutet, dass Wafer des Typs p und des Typs n mit demselben Nennwiderstand möglicherweise keine identische Infrarotübertragung aufweisen.

Eine Überprüfung von Germanium-Einzelkristallen für die Photonik stellt fest, dass Doping und Betriebstemperatur die Infrarotabsorption erheblich beeinflussen können.Daher muss das optische Germanium sowohl anhand elektrischer als auch optischer Anforderungen spezifiziert werden.. Germanium Einzelkristalle für die Photonik

Widerstandsfähigkeit für Infrarotoptik

Infrarot-optische Komponenten verwenden häufig Germanium mit kontrollierter Resistivität, um die Absorption von freien Trägern zu begrenzen.

Der erforderliche Wert hängt davon ab:

• Betriebswellenlänge;
• Bauteilstärke;
• Übertragungsziel;
• Temperaturbereich;
• ob die Optik beschichtet ist;
• Zulässige Absorption und Wärmebelastung.

Für anspruchsvolle Anwendungen sollte der Käufer eine Übertragungskurve oder einen Absorptionskoeffizienten angeben, anstatt sich nur auf einen Mindestwiderstandswert zu verlassen.

P-Typ-Germanium für Infrarotoptik

P-Typ-Germanium wird üblicherweise für Infrarotfenster, Linsen und andere übertragbare Komponenten verwendet.vor allem, wenn die Trägerkonzentration im erforderlichen Bereich gehalten wird.

Zu den möglichen Vorteilen gehören:

• Verfügbarkeit in optischen Kristallen;
• Kontrollierbares Akzeptor-Doping;
• Kompatibilität mit gängigen optischen Herstellungsprozessen aus Germanium;
• Eignung für Fenster, Linsen und Wärmebildkomponenten.

Eine übermäßige Akzeptorkonzentration erhöht jedoch die Absorption durch das Freie Loch.

N-Typ-Germanium für die Infrarotoptik

N-Typ-Germanium kann auch für Infrarot-Anwendungen verwendet werden, aber die Absorption freier Elektronen muss sorgfältig bewertet werden.die Beziehung zwischen der Widerstandsfähigkeit, Trägerdichte und optische Absorption unterscheiden sich von p-Typ-Material.

Material des Typs N kann ausgewählt werden, wenn

• Eine spezifische elektronische Funktion ist erforderlich;
• Die optische Komponente ist in eine Halbleiterstruktur integriert.
• Der Detektor oder das Gerätdesign erfordert Spender-Dopingmaterial.
• Elektrische und optische Funktionen müssen kombiniert werden.

Für rein übertragbare Optik sollte der Leitfähigkeitstyp eher als Teil der Spezifikation des optischen Materials behandelt werden als als austauschbar angesehen werden.

Germanium-Wafer für Infrarotdetektoren

Germanium spielte historisch eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Infrarot- und Strahlungsspiegeln.

Zu den Anwendungen von Detektoren gehören:

• mit einer Leistung von mehr als 20 W und einer Leistung von mehr als 20 W;
• Gammastrahlenspektroskopie;
• Röntgenerkennung;
• Kryogene Strahlungsdetektoren;
• Fotoleitende Geräte für Forschungszwecke.

Bei hochreinen Germaniumdetektoren sind Verunreinigungskonzentrationen wesentlich niedriger als bei gewöhnlichen elektronischen Wafern erforderlich.lange Lebensdauer des Trägers und streng kontrollierte elektrisch aktive Defekte.

Für diese Anwendungen können die Begriffe “p-Typ” und “n-Typ” die Nettoleitfähigkeit beschreiben, nachdem sich sehr geringe Spender- und Akzeptorkonzentrationen gegenseitig kompensiert haben.

Germanium-Wafer in Mehrfachsolarzellen

Germaniumwafer werden häufig als Substrate für hocheffiziente III-V-Multijunction-Solarzellen verwendet.Das Germaniumsubstrat bietet eine mechanische Unterstützung und kann auch als fotovoltaische Bodenverbindung dienen..

Zu den wichtigen Parametern gehören:

• Leitungstyp;
• Dopingmittelkonzentration;
• Kristallorientierung;
• Abschnittwinkel;
• Oberflächenvorbereitung;
• Epitaxialkompatibilität
• Verlagerungsdichte;
• Waferdicke;
• Bogen und Warp.

P-Typ-Germaniumsubstrate werden häufig in Multijunction-Solarzellen-Strukturen verwendet, aber die genaue Spezifikation hängt vom epitaxialen Design und der Verbindungskonfiguration ab.

Germanium für Photonik und Hochgeschwindigkeitsgeräte

Germanium ist kompatibel mit einer Reihe von fotonischen und elektronischen Technologien auf Siliziumbasis.

• mit einer Leistung von mehr als 10 W und einer Leistung von mehr als 10 W;
• Siliziumphotonik;
• Schnelltransistoren;
• Geon-Si-Strukturen;
• Geo-on-Isolator-Plattformen;
• Infrarot-Wellenleitungen;
• Optische Modulatoren.

Die hohe Elektronen- und Lochmobilität von Germanium kann den Hochgeschwindigkeitstransport unterstützen.Seine optische Reaktion im nahen Infrarot macht ihn auch für die Photodetektion in der Nähe von Telekommunikationswellenlängen nützlich..

Bei diesen Anwendungen müssen die Doping-Einstellungen sowie die Verbindungskonstruktion, die Dehnung, die Schichtdicke und die Kontaktfestigkeit optimiert werden.

Kristallorientierung und Oberflächenoptionen

Der Leitfähigkeitstyp ist nur ein Teil der Spezifikation einer Germaniumwafer.

Gemeinsame Leitlinien

Germaniumwafer werden häufig in folgenden Formen geliefert:

• (100)
• (110);
• (S. 111)

Die geeignete Ausrichtung hängt vom epitaxialen Prozess, der Konstruktion des Geräts, dem Spaltverhalten und den optischen oder mechanischen Anforderungen ab.

Oberflächenbearbeitung

Zu den verfügbaren Oberflächenbedingungen gehören:

• als Schnitt;
• Lapped;
• mit einem Durchmesser von mehr als 20 mm
• Einseitig poliert;
• mit einer Breite von mehr als 10 mm,
• Epitaxy-bereit poliert.

Bei dem epitaxialen Wachstum und der Halbleiterverarbeitung sind die Oberflächenrauheit, Untergrundschäden, Sauberkeit und natürliche Oxidzustände sorgfältig zu kontrollieren.

Infrarot-optische Wafer können unterschiedliche Oberflächenspezifikationen verwenden, je nachdem, ob sie zu Linsen, Fenstern, Filtern oder beschichteten optischen Komponenten verarbeitet werden.

Wie man eine Germanium-Wafer spezifiziert

Ein vollständiger Angebotsanfrage sollte folgende Angaben enthalten:

Material- und elektrische Eigenschaften

• Leitfähigkeitstyp: p-Typ, n-Typ oder hochreiner;
• Dopant-Arten;
• Widerstandsbereich;
• erforderlichenfalls die Trägerkonzentration;
• Mobilitätsanforderung;
• Anforderung der Hallenmessung;
• Radialwiderstandsveränderung.

Abmessungen und Geometrie

• Durchmesser oder Länge und Breite;
• Stärke und Toleranz;
• Kristallorientierung;
• Ausrichtungstoleranz;
• Primäre und sekundäre Flachanforderungen;
• Randprofil;
• Gesamtdickenvariation;
• Bogen und Warp.

Anforderungen an die Oberfläche

• Einseitiges oder doppelseitiges Polieren;
• Oberflächenrauheit;
• Spezifikationen für die optische Nutzung von Scratch-Dig;
• Anforderungen an die Epitaxy-fähige Oberfläche;
• Grenze ausgeschlossen;
• Partikel- und Kontaminationsgrenzwerte.

Optische Anforderungen

• Betriebswellenlängenbereich;
• Mindestübertragung;
• Maximaler Absorptionskoeffizient;
• Anforderungen an den Brechungsindex;
• Anforderungen an die Beschichtung;
• Betriebstemperatur;
• Klarer Schnitt.

Qualitätsdokumentation

• Analysebescheinigung;
• Prüfungen der Leitfähigkeit
• Widerstandskarte
• Daten der Hall-Effektprüfung;
• Bericht über die Orientierung der Kristalle;
• Bericht über die Oberflächeninspektion;
• Informationen zur Rückverfolgbarkeit.

Auswahlführer

Häufige Kauffehler

Bestimmung nur des P- oder N-Types

Der Leitungstyp definiert weder Widerstand, Trägerkonzentration noch Mobilität.

Unter der Annahme, dass der gleiche Widerstand die gleiche optische Leistung liefert

P-Typ und n-Typ Germanium können unterschiedliche freie Trägerabsorption haben, da Elektronen und Löcher unterschiedliche Beweglichkeiten und optische Reaktionen haben.

Anstelle der aktiven Trägerkonzentration wird eine nominale Dopantkonzentration verwendet.

Nicht jedes Dopantatom trägt einen aktiven Träger bei.

Die Betriebstemperatur wird ignoriert

Die Trägerkonzentration, Beweglichkeit, Brechungsindex und Infrarotabsorption variieren mit der Temperatur.

Gleichstellung optischer und Halbleiterwafer

Eine optische Blindplatte und eine epitaxy-fähige Halbleiterwafer können sehr unterschiedliche Oberflächenvorbereitungs-, Reinheits- und Inspektionsstandards erfordern.

Schlussfolgerung

Der Hauptunterschied zwischen P-Typ- und N-Typ-Germanium-Wafern ist der dominierende Ladungsträger: Löcher im P-Typ-Material und Elektronen im N-Typ-Material.Mobilität, Kontaktverhalten und Infrarotabsorption.

P-Typ-Germanium verwendet üblicherweise Bor-, Gallium- oder Indium-Akzeptoren, während N-Typ-Germanium Phosphor-, Arsen- oder Antimon-Spender verwendet.,Bei der Umwandlung des Widerstands in Trägerkonzentration und Leistung des Geräts ist der Leitungstyp zu berücksichtigen.

Für Infrarot-Anwendungen ist weder der p-Typ noch der n-Typ automatisch überlegen.Betriebstemperatur und zulässige Absorption des freien TrägersEine zuverlässige Spezifikation sollte daher Konduktivitätstyp mit Dopant, Widerstand, optische Übertragung, Ausrichtung, Geometrie und Oberflächenqualität vereinbaren.