ゲルマニウム・ウェーフ赤外線光学,放射線検出器,高効率の太陽電池,光子装置,特殊な半導体構造に使用される.p型とn型のゲルマニアムは 基本的な結晶構造が同じですが電気的および光学的な性能が大きく異なることがあります.

正確な伝導性のタイプを選択するには,p型またはn型を指定する以上のことが必要です.表面の仕上げと動作温度は,すべてアプリケーションに一致する必要があります..

このガイドでは,p型とn型ゲルマニウムウエフルの主な違いを説明し,材料選択のための実践的な枠組みを提供します.

ゲルマニウムがP型か N型になるのは?

純粋なゲルマニウムは,ダイヤモンド-立方体結晶構造を持つ基本的な半導体である.室温では,熱生成された電子と穴がその内在的伝導性に貢献する.

制御された量のドーパントが結晶の成長や装置の製造中に導入され,支配的なキャリアタイプを変更する.

• P型ゲルマニアム:穴はほとんどの媒介体です
• N型ゲルマニウム:電子は大半のキャリアです
• 固有または高純度ゲルマニアム:ドナーも受容体も 強い影響を受けません

導電性の種類は,ただ一つの不純物の存在によってではなく,電気的に活性なドナーと受容体のバランスによって決定されます.

ドナー濃度が受容体濃度を超えると,物質はn型として振る舞う.受容体濃度が高くなった場合,それはp型として振る舞う.この関係は補償として知られる.

ゲルミウム・ウェーフのための一般的な補給剤

P型ゲルミウムドーパンツ

P型ゲルマニウムは通常,グループIIIの受容元素を用いて生成される.

典型的な受容体ドーパントには,以下が含まれます.

• ボロン
• ガリウム
• インディウム

これらのドーパントは,ゲルマニウムよりも1つのバレンスの電子が少ない.格子に組み込まれると,受容体状態を作り出し,穴の濃度を増加させる.

ガリウムは,結晶の成長中に分離と電気的振る舞いを制御できるため,大量ゲルマニウム結晶に頻繁に使用される.特に半導体加工や接点形成において.

N型ゲルマニウムドーパント

N型ゲルマニウムは通常,グループVドナー元素を使用する.

典型的なドナードーパンツには以下の種類があります.

• リンゴ
• アルセン;
• アンチモニー

これらの元素は,ゲルマニウムよりも1つのバレンスの電子を多く持っており,伝導システムに電子を寄与します.

ゲルマニウムにおける非常に高いn型ドーピングを達成することは, p型物質を生産するよりも困難である.装置の処理中に活性化と溶解性が注意深く制御されなければならない.ゲルマニウムドーピングに関する研究では,鋭く定義されたドーピング領域を作成する際の重要な課題として,n型ドーピング剤の過剰な拡散を特定しています.ゲルマニウムにおける拡散とドーパント活性化に関するレビュー

P型とN型ゲルマニウムの一見

特定のウエファーに必要な値は,ドーパント名だけで推測するのではなく,測定によって定義されるべきである.

耐性とキャリア濃度

抵抗性は,ゲルマニウムウエフルの最も重要な購入パラメータの1つです.それは電気的に活性なキャリアの濃度と移動性を間接的に示しています.

1つのキャリアタイプが支配する材料では,抵抗性は以下のように近似することができる.

n型材料の場合,または

p型材料については,次のとおり:

• について抵抗力
• qq基本電荷である.
• nn電子濃度
• pp穴の濃度
• 変数 変数電子の移動性
• 微分数について穴の移動性です

この関係により,同じ抵抗力は p型と n型ゲルマニウムのドーパント濃度に必ずしも一致しないことがわかる.電子と穴の移動性は異なる.

低抵抗性ゲルミニウム

低抵抗性ウエフルは,電気活性媒体の濃度が比較的高い.

• 電気抵抗が低い場合
• オーム接触形成が重要だ
• ワイファーは伝導装置の構造の一部である.
• 交差点や接触工程には高いキャリア密度が必要である.

しかし,フリーキャリア濃度が上昇すると赤外線吸収が増加する可能性がある.低抵抗性のウエファーは,伝達可能な赤外線光学部品に適さない可能性がある.

高耐性ゲルマニウム

高耐性材料は自由キャリアが少なく,自由キャリア吸収が低くなる可能性がある.

• 紫外線伝送光学
• 放射線検出器の製造
• 漏れが少ない構造物
• 制御されたキャリア濃度を必要とするアプリケーション

高抵抗値だけでは検出器級または光学級の性能を保証するものではありません.結晶の欠陥,残留不純物,キャリア寿命,空間的均一性も重要です.

ゲルマニアムのキャリア・モビリティ

ゲルマニウムは高いキャリア移動性で知られています.室温では,軽くドーピングされたゲルマニウムの電子の最大低場移動性は約:

• 電子移動性約3900cm2/V·sまで
• 穴の移動性約1,900cm2/V·sまで

これらの基準値は,多剤濃度が上昇するにつれて減少する.原因は,不純物の分散が増加することで,キャリアの移動が制限されるためである.移動性は温度によって強く変化する.Ioffe研究所 ゲルマニアムの電気特性データ

電子は一般的にゲルマニウム格子を通り抜けると穴よりも容易であるため,n型材料は p型材料よりも同じキャリア濃度でより高い伝導性を提供することができる.

しかし,ウエフルの選択は,最大移動性値のみに基づいてはならない.実際の移動性は,次のことに依存する.

• ドーパント濃度
• 補償比
• 結晶の欠陥
• 変身
• 温度
• 電場強度
• 表面状態
• 処理履歴

装置級のウエフルの場合,ホール効果測定は,電導性の種類,キャリア濃度,移動性を決定するために一般的に使用されます.

ドーピング が 赤外線 性能 に 影響 する 理由

ゲルマニウムは,中波と長波の赤外線伝達能力,高い屈折率,良質な機械特性により赤外線光学に広く使用されています.

典型的なゲルマニウム光学は,約2−14μm領域内で使用されますが,実用的な伝達範囲は,材料の純度,厚さ,温度,表面仕上げとコーティング設計.

ゲルマニウムは可視スペクトルでは透明ではない.完成したゲルマニウムの窓は,選択された赤外線波長を送信する際に,通常人間の目には暗くまたは金属のように見える.

フリーキャリア吸収

自由電子と穴は赤外線を吸収することができる. キャリア濃度が増加するにつれて,自由キャリア吸収は一般的により顕著になる.

吸収レベルは次のことに依存します.

• キャリアタイプ
• キャリア濃度
• 移動性
• 波長
• 温度
• 光路の長さ

これは,同じ名値抵抗を持つ p型と n型ウエーファーが同一の赤外線伝達性を有していないことを意味します.

フォトニクス用ゲルマニアム単結晶のレビューでは,ドーピングと動作温度が赤外線吸収に大きく影響することが指摘されている.したがって,光学ゲルマニウムは,電気的および光学的要件の両方を用いて指定されなければならない.フォトニクス用ゲルミウム単結晶

赤外線光学に対する抵抗性

赤外線光学コンポーネントは,フリーキャリア吸収を制限するために,制御抵抗性のあるゲルマニウムを使用することが多い.しかし,すべての光学システムに普遍的に正しい単一の抵抗範囲はありません.

必要な値は以下の値に依存します.

• 動作波長
• 部品の厚さ
• トランスミッション目標
• 温度範囲
• 光学がコーティングされているかどうか.
• 許容される吸収と熱負荷

要求の高いアプリケーションでは,購入者は最小抵抗値だけに頼るのではなく,伝送曲線または吸収係数を指定する必要があります.

紅外光学用P型ゲルマニウム

P型ゲルマニウムは赤外線窓,レンズ,その他の伝達性のあるコンポーネントに使用される.適切に制御された p型材料は,適切な赤外線性能を提供することができる.特にキャリア濃度が要求範囲内にとどまる場合.

潜在的利点は以下の通りです.

• 光学級の結晶で利用可能.
• 制御可能な受容ドーピング
• 一般的なゲルマニウム光学製造プロセスとの互換性.
• 窓,レンズ,熱画像部品に適していること.

しかし,過剰な受容体濃度は自由穴吸収を増加させる.光路長と波長帯域に適切な抵抗性を選択する必要があります.

赤外線光学用 N型ゲルマニウム

N型ゲルマニウムは赤外線用途にも使用できますが,自由電子吸収は慎重に評価する必要があります.電子は穴よりも高い移動性があるため,抵抗力との関係p型材料とは異なる.

N型材料は次の場合選択することができる.

• 特殊な電子機能が必要です.
• オプティカルコンポーネントは半導体構造に統合されている.
• 検知器や装置の設計によりドーピングされたドナー材料が必要である.
• 電気機能と光機能を組み合わせなければならない.

純粋な伝導光学では,伝導性のタイプは,交換可能であると仮定するのではなく,光学材料仕様の一部として扱われるべきである.

赤外線検出器用ゲルミウムウエーファー

ゲルマニウムは歴史的に赤外線と放射線検出において重要な役割を果たしてきた.その比較的小さな帯域ギャップと高いキャリア移動性は効率的な電荷生成と収集をサポートしている.

検出器の用途には以下のものがある.

• 接近赤外線光検出器
• ガンマ線スペクトロスコピー
• X線検出
• クリオジェニック放射線検出器
• 研究用光伝導装置

高純度ゲルマニウム検出器には,普通の電子ウエフで使用されるよりはるかに低い不純度濃度が必要である.検出器グレードの材料は優れた散布均一性を持つ必要があります.長持ち寿命と厳格に制御された電動的な欠陥.

これらの用途では,非常に小さなドナーと受容体濃度が互いを補正した後,p型とn型という用語が,純伝導性を記述することができる.

マルチジャンクション太陽電池におけるゲルマニウム・ウェーファー

ゲルマニウムウエファーは,高効率III-Vマルチジャンクション太陽電池の基板として広く使用されています.ゲルマニウム基板は機械的サポートを提供し,底部光伏の接続として機能することもできます.

重要なパラメータは以下の通りです.

• 導電性タイプ
• ドーパント濃度
• 結晶の向き
• 切断角
• 表面の準備
• エピタキシアル互換性
• 変位密度
• ワッフルの厚さ
• 弓とワープ

P型ゲルマニウム基質は,多合同太陽電池構造に頻繁に使用されるが,正確な仕様は表軸設計と合同配置に依存する.

フォトニクスと高速装置用ゲルミニウム

ゲルマニウムは,様々なシリコンベースの光子および電子技術と互換性がある.応用には以下のものがある:

• 光通信用の光検出器
• シリコンフォトニクス
• 高速トランジスタ
• ジオオンシ構造物
• 隔離装置の地球上のプラットフォーム;
• 紅外線波導体
• 光学調節器

ゲルマニウムの高い電子と穴の移動性は高速キャリア輸送をサポートすることができます.近赤外線における光学応答により,通信波長近くの光検出にも役立ちます..

これらのアプリケーションでは,ドーピングと接点設計,ストレッチ,層厚さ,接触抵抗を最適化する必要があります.

結晶の向きと表面のオプション

導電性タイプは,ゲルマニウムウエファー仕様の1つに過ぎません.

共同指向

ゲルマニウムウエフルは,以下のようによく提供されています.

• (100)
• (第110条)
• (第11回)

適切な向きは,表軸性プロセス,装置設計,割裂動作,光学または機械的要件に依存する.

表面塗装

利用可能な表面条件には以下の条件が含まれます.

• 切断されたもの
• ラップされた
• 刻印された
• 片面から磨き上げられたもの
• 双面に磨いたもの
• エピタキシー準備が整った

エピタキシアル成長と半導体加工では,表面の荒さ,地下損傷,清潔さ,天然酸化状態は注意深く管理する必要があります.

赤外線光学ウエファは,レンズ,窓,フィルター,またはコーティングされた光学部品に加工されるかどうかによって異なる表面仕様を使用することができる.

ゲルマニウム・ウェーバーの指定方法

完ぺきなオプション要求には,次の情報が含まれます.

材料と電気特性

• 導電性タイプ:p型,n型,または高純度
• ドーパント種
• 抵抗範囲
• 必要な場合,キャリア濃度
• 移動能力の要件
• ホール測定の要件
• 放射線抵抗の変化

寸法 と 幾何学

• 直径または長さと幅
• 厚さと容量
• 結晶の向き
• オリエンテーション・トレランス
• 主要および次要のフラット要件
• エッジプロフィール
• 総厚さの変化
• 弓とワープ

表面要求

• 片面または双面の磨き
• 表面の荒さ
• 光学用途のためのスクラッチ掘削仕様
• エピタキシー準備面の要件
• 縁の排除
• 粒子と汚染の制限値

オプティカル要件

• 動作波長範囲
• 最小の伝達量
• 最大吸収係数
• 屈折率の要件
• コーティング要件
• 動作温度
• 透明だ

品質に関する文書

• 分析証明書
• 伝導性の型検証
• 耐性マップ
• ハール効果試験データ
• クリスタル・オリエンテーション報告
• 表面検査報告
• 追跡可能な情報

選択ガイド

買い物 に 関する 一般 的 な 間違い

P型またはN型のみを指定する

導電性型は,抵抗性,キャリア濃度,移動性を定義しない.これらの値は別々に記載されるべきである.

同じ抵抗を仮定すると,同じ光学性能が得られる.

P型とn型ゲルマニウムは,電子と穴が異なる移動性と光学反応を持っているため,異なる自由キャリア吸収を持つことができる.

活性キャリア濃度ではなく名目ドーパント濃度を使用する

すべてのドーパント原子が活性キャリアを寄与するものではありません.補償と活性化も考慮する必要があります.

動作温度を無視する

キャリアの濃度,移動性,屈折率,赤外線吸収は温度によって変化する.これは高温熱画像システムや冷凍検出器において特に重要である.

オプティカルと半導体ウエファを同一とみなす

光学用空白とエピタキシー用半導体ウエファーには,表面の準備,清潔度,検査基準が非常に異なることがあります.

結論

p型とn型ゲルマニウムウエフルの主な違いは,支配的な電荷キャリアである.p型材料の穴とn型材料の電子である.この区別は抵抗性に影響を与える.移動性接触行動と赤外線吸収

P型ゲルマニウムは一般的にボロン,ガリウム,またはインディウム受容体を使用し,n型ゲルマニウムはリン,アルセン,またはアンチモンのドナーを使用する.電子の移動性は一般的に穴の移動性よりも高いため,耐性をキャリア濃度と装置性能に変換する際には,伝導性の種類を考慮しなければならない.

波長,伝達目標,ウェーファー厚さ,波長,波長,波長,動作温度と許容されるフリーキャリア吸収したがって,信頼性の高い仕様では,導電性タイプと補給剤,抵抗性,光学伝達,方向性,幾何学,表面品質の要件を組み合わせなければならない.