D'une teneur en aluminium inférieure ou égale à 50%sont utilisés dans l'optique infrarouge, les détecteurs de rayonnement, les cellules solaires à haut rendement, les appareils photoniques et les structures de semi-conducteurs spécialisés.Bien que le germanium de type p et de type n aient la même structure cristalline de base, leurs performances électriques et optiques peuvent différer sensiblement.

La sélection du type de conductivité approprié ne se limite pas à spécifier le type p ou le type n.La finition de la surface et la température de fonctionnement doivent être adaptées à l'application.

Ce guide explique les principales différences entre les plaquettes de germanium de type p et de type n et fournit un cadre pratique pour la sélection des matériaux.

Qu'est-ce qui rend le germanium de type P ou de type N?

Le germanium pur est un semi-conducteur élémentaire avec une structure cristalline diamant-cube.

Des quantités contrôlées de dopants sont introduites lors de la croissance des cristaux ou de la fabrication des dispositifs pour modifier le type de support dominant.

• D'une teneur en magnésium supérieure ou égale à:Les trous sont les principaux porteurs.
• D'une teneur en magnésium supérieure ou égale à:Les électrons sont les porteurs majoritaires.
• d'une teneur en germanium intrinsèque ou en germanium de haute pureté:ni les impuretés donneuses ni les impuretés accepteurs ne dominent fortement.

Le type de conductivité est déterminé par l'équilibre entre les donneurs et les accepteurs électriquement actifs, et non pas simplement par la présence d'une seule impureté.

Si la concentration donneuse dépasse la concentration accepteur, le matériau se comporte comme n-type. Si la concentration accepteur est plus élevée, il se comporte comme p-type. Cette relation est connue sous le nom de compensation.

Doppelants communs pour les plaquettes de germanium

Dopants à base de germanium de type P

Le germanium de type P est généralement produit à l'aide d'éléments accepteurs du groupe III.

Les dopants accepteurs typiques comprennent:

• boron;
• d'une teneur en calcium de moins de 0,9 g/cm3
• Je vous en prie.

Ces dopants ont un électron de valence en moins que le germanium. Lorsqu'ils sont incorporés dans le réseau, ils créent des états accepteurs et augmentent la concentration du trou.

Le gallium est fréquemment utilisé dans les cristaux de germanium en vrac car sa séparation et son comportement électrique peuvent être contrôlés pendant la croissance du cristal.en particulier dans le traitement des semi-conducteurs et la formation de jonctions.

Les dopants germaniums de type N

Le germanium de type N utilise généralement des éléments donneurs du groupe V.

Les dopants donneurs typiques sont:

• Période de fabrication
• Arsenic;
• L'antimoine.

Ces éléments ont un électron de valence de plus que le germanium et apportent des électrons au système de conduction.

La diffusion du donneur, qui est la plus courante dans les tissus, est la suivante:l' activation et la solubilité doivent être soigneusement contrôlées pendant le traitement du dispositif.Les recherches sur le dopage au germanium identifient une diffusion excessive de dopants de type n comme un défi important pour créer des régions dopées bien définies.Examen de la diffusion et de l'activation du dopant dans le germanium

Le germanium de type P par rapport au germanium de type N à première vue

Les valeurs requises pour une plaquette spécifique doivent être définies par mesure plutôt que déduites uniquement du nom du dopant.

Résistivité et concentration du support

La résistivité est l'un des paramètres d'achat les plus importants pour les plaquettes de germanium, elle fournit une indication indirecte de la concentration et de la mobilité du support électriquement actif.

Pour un matériau dominé par un type de support, la résistivité peut être approximative:

pour les matériaux de type n, ou:

pour les matières de type p, lorsque:

• Rest la résistivité;
• QQest la charge élémentaire;
• nest la concentration d'électrons;
• ppest la concentration du trou;
• Les résultats de l'enquêteest la mobilité des électrons;
• Les résultats de l'analyseest la mobilité des trous.

Cette relation montre pourquoi la même résistivité ne correspond pas nécessairement à la même concentration de dopant dans le germanium de type p et de type n. Les électrons et les trous ont des mobilités différentes.

Germanium à faible résistance

Les plaquettes à faible résistance contiennent une concentration relativement élevée de porteurs électriquement actifs.

• Une faible résistance électrique est requise;
• La formation du contact ohmique est importante;
• La plaque fait partie d'une structure de dispositif conducteur;
• Une forte densité de porteuse est nécessaire pour l'ingénierie des jonctions ou des contacts.

Cependant, une concentration accrue de porteurs libres peut augmenter l'absorption infrarouge. Une plaque de faible résistivité peut donc ne pas convenir à un composant optique infrarouge transmissif.

Germanium à haute résistivité

Le matériau à haute résistivité contient moins de porteurs libres et peut offrir une absorption plus faible des porteurs libres.

• Optique de transmission infrarouge;
• Fabrication de détecteurs de rayonnement;
• les structures à faible fuite;
• Applications nécessitant une concentration contrôlée du support.

Une résistivité élevée à elle seule ne garantit pas des performances de niveau détecteur ou optique.

Mobilité du transporteur dans le germanium

À température ambiante, la mobilité maximale des électrons dans le germanium légèrement dopé peut approcher approximativement:

• Mobilité des électrons:jusqu'à environ 3 900 cm2/V·s;
• Mobilité des trous:jusqu'à environ 1 900 cm2/V·s.

Ces valeurs de référence diminuent à mesure que la concentration de dopage augmente, car une dispersion accrue des impuretés restreint le mouvement du porteur.Données sur les propriétés électriques du germanium de l'Institut Ioffe

Étant donné que les électrons se déplacent généralement plus facilement à travers le réseau de germanium que les trous, le matériau de type n peut fournir une conductivité plus élevée que le matériau de type p à la même concentration de support.

Cependant, la sélection des plaquettes ne doit pas se fonder uniquement sur les valeurs de mobilité maximale.

• la concentration du dopant;
• Le ratio de compensation;
• les défauts de cristal;
• Des délocalisations;
• température;
• la résistance au champ électrique;
• l'état de la surface;
• Je traite l'historique.

Pour les plaquettes de qualité de dispositif, les mesures de l'effet Hall sont couramment utilisées pour déterminer le type de conductivité, la concentration du support et la mobilité.

Pourquoi le dopage affecte les performances infrarouges

Le germanium est largement utilisé pour l'optique infrarouge en raison de sa large capacité de transmission infrarouge à ondes moyennes et longues, de son indice de réfraction élevé et de ses bonnes propriétés mécaniques.

L'optique typique du germanium est utilisée dans la région de 2 ‰ 14 μm, bien que la portée pratique de transmission dépende de la pureté du matériau, de son épaisseur, de sa température,conception de la finition de surface et du revêtement.

Une fenêtre de germanium finie apparaît normalement sombre ou métallique à l'œil humain tout en transmettant des longueurs d'onde infrarouges sélectionnées.

Absorption par le transporteur libre

Les électrons libres et les trous peuvent absorber le rayonnement infrarouge.

Le niveau d'absorption dépend de:

• type de support;
• la concentration du transporteur;
• La mobilité
• longueur d'onde;
• température;
• Longueur du chemin optique.

Cela signifie que les plaquettes de type p et de type n ayant la même résistivité nominale peuvent ne pas avoir une transmission infrarouge identique.

Une revue des cristaux simples de germanium pour la photonique note que le dopage et la température de fonctionnement peuvent affecter de manière significative l'absorption infrarouge.Le germanium optique doit donc être spécifié en fonction des exigences électriques et optiques.. cristaux simples de germanium pour la photonique

Résistance à l'optique infrarouge

Les composants optiques infrarouges utilisent souvent du germanium avec une résistivité contrôlée pour limiter l'absorption des porteurs libres.

La valeur requise dépend de:

• longueur d'onde de fonctionnement;
• épaisseur du composant;
• cible de transmission;
• la plage de température;
• si la lampe optique est revêtue;
• Absorption et charge thermique admissibles.

Pour les applications exigeantes, l'acheteur doit spécifier une courbe de transmission ou un coefficient d'absorption au lieu de se fier uniquement à une valeur minimale de résistivité.

Germanium de type P pour l'optique infrarouge

Le germanium de type P est couramment utilisé pour les fenêtres infrarouges, les lentilles et autres composants transmissifs.en particulier lorsque la concentration du transporteur est maintenue dans la fourchette requise.

Les avantages potentiels sont les suivants:

• Disponibilité en cristal de qualité optique;
• Dopage accepteur contrôlable;
• Compatibilité avec les procédés de fabrication optique du germanium courants;
• Convient aux fenêtres, lentilles et composants d'imagerie thermique.

Néanmoins, une concentration excessive de l'accepteur augmente l'absorption par trou libre.

Germanium de type N pour l'optique infrarouge

Le germanium de type N peut également être utilisé pour des applications infrarouges, mais l'absorption des électrons libres doit être évaluée avec soin.la relation entre la résistivité, la densité du support et l'absorption optique diffèrent du matériau de type p.

Le matériau de type N peut être choisi lorsque:

• Une fonction électronique spécifique est requise;
• Les composants optiques sont intégrés à une structure à semi-conducteurs;
• Le détecteur ou la conception du dispositif exige du matériel dopé par le donneur;
• Les fonctions électriques et optiques doivent être combinées.

Pour l'optique purement transmissive, le type de conductivité doit être traité comme faisant partie de la spécification du matériau optique plutôt que d'être considéré comme interchangeable.

Plaquettes de germanium pour détecteurs infrarouges

Le germanium a toujours joué un rôle important dans la détection des infrarouges et des rayonnements.

Les applications des détecteurs comprennent:

• Les appareils suivants sont utilisés:
• Spéctroscopie par rayons gamma;
• détection par rayons X;
• détecteurs de rayonnement cryogénique;
• Dispositifs photoconducteurs de recherche.

Les détecteurs de germanium de haute pureté nécessitent des concentrations d'impuretés bien inférieures à celles utilisées dans les plaquettes électroniques ordinaires.longue durée de vie du support et défauts électriquement actifs strictement contrôlés.

Pour ces applications, les termes “p-type” et “n-type” peuvent décrire la conductivité nette après que des concentrations très faibles de donneur et d'accepteur se soient compensées.

Plaquettes de germanium dans des cellules solaires à plusieurs jonctions

Les plaquettes de germanium sont largement utilisées comme substrats pour les cellules solaires à multijonction III-V à haut rendement.Le substrat germanium fournit un support mécanique et peut également servir de jonction photovoltaïque inférieure..

Les paramètres importants sont les suivants:

• type de conductivité;
• la concentration du dopant;
• l'orientation des cristaux;
• l'angle de coupure;
• préparation de la surface;
• Compatibilité épitaxienne;
• la densité de dislocation;
• épaisseur de la gaufre;
• En arc et en distorsion.

Les substrats de germanium de type P sont fréquemment utilisés dans les structures de cellules solaires à plusieurs jonctions, mais la spécification exacte dépend de la conception épitaxielle et de la configuration de jonction.

Germanium pour la photonique et les appareils à grande vitesse

Le germanium est compatible avec une gamme de technologies photoniques et électroniques à base de silicium.

• Les appareils utilisés pour la fabrication de l'électronique sont les suivants:
• une puissance de sortie de sortie supérieure à 50 W;
• Transistors à grande vitesse;
• les structures géo-sur-si;
• les plates-formes géo-isolatrices;
• les conducteurs d'ondes infrarouges;
• Modulateurs optiques.

La mobilité élevée de l'électron et du trou du germanium peut prendre en charge le transport de porteuse à grande vitesse.Sa réponse optique dans le proche infrarouge le rend également utile pour la photodétection près des longueurs d'onde des télécommunications.

Dans ces applications, le dopage doit être optimisé, ainsi que la conception des jonctions, la déformation, l'épaisseur de la couche et la résistance au contact.

Orientation des cristaux et options de surface

Le type de conductivité n'est qu'une partie de la spécification d'une plaque de germanium.

Les orientations communes

Les plaquettes de germanium sont souvent fournies dans:

• (100)
• Le nombre de personnes concernées:
• Il y a eu un problème.

L'orientation appropriée dépend du processus épitaxial, de la conception du dispositif, du comportement de clivage et des exigences optiques ou mécaniques.

Finition de surface

Les conditions de surface disponibles peuvent inclure:

• comme coupé;
• Lappé;
• à l'aide d'un dispositif de détection
• d'une épaisseur n'excédant pas 1 mm
• d'une épaisseur n'excédant pas 10 mm
• Il est poli pour l'épitaxie.

Pour la croissance épitaxienne et le traitement des semi-conducteurs, la rugosité de la surface, les dommages sous-terrestres, la propreté et l'état des oxydes natifs nécessitent un contrôle minutieux.

Les plaquettes optiques infrarouges peuvent utiliser des spécifications de surface différentes selon qu'elles seront transformées en lentilles, fenêtres, filtres ou composants optiques revêtus.

Comment spécifier une gaufre en germanium

Une demande complète de devis doit comporter les informations suivantes.

Propriétés matérielles et électriques

• Type de conductivité: p-type, n-type ou haute pureté;
• espèces de dopants;
• la plage de résistance;
• la concentration du transporteur, le cas échéant;
• l'exigence de mobilité;
• Exigence de mesure des halls;
• Variation de la résistivité radiale.

Dimensions et géométrie

• diamètre ou longueur et largeur;
• épaisseur et tolérance;
• l'orientation des cristaux;
• Tolérance à l'orientation
• les exigences de forfait primaire et secondaire;
• Profil du bord;
• Variation de l'épaisseur totale;
• En arc et en distorsion.

Exigences en matière de surface

• un polissage à une ou deux faces;
• la rugosité de la surface;
• spécifications de creusement à partir de rayures pour une utilisation optique;
• Exigence de surface prête à l'épitaxie;
• l'exclusion des bords;
• Limites de particules et de contamination.

Exigences optiques

• la gamme de longueurs d'onde de fonctionnement;
• transmission minimale;
• coefficient d'absorption maximal;
• l'exigence d'un indice de réfraction;
• les exigences en matière de revêtement;
• température de fonctionnement;
• L'ouverture est libre.

Documentation de qualité

• certificat d'analyse;
• vérification du type de conductivité;
• carte de résistance;
• les données des essais à effet Hall;
• Rapport sur l'orientation des cristaux;
• le rapport d'inspection de surface;
• Informations sur la traçabilité.

Guide de sélection

Erreurs courantes lors d'achats

Spécifier uniquement le type P ou le type N

Le type de conductivité ne définit pas la résistivité, la concentration ou la mobilité du porteur.

En supposant la même résistivité donne la même performance optique

Le germanium de type P et le germanium de type n peuvent avoir une absorption différente du porteur libre parce que les électrons et les trous ont des mobilités et des réponses optiques différentes.

Utilisation d'une concentration nominale de dopant au lieu d'une concentration de support actif

Tous les atomes de dopant ne contribuent pas à un transporteur actif.

Ne pas tenir compte de la température de fonctionnement

La concentration, la mobilité, l'indice de réfraction et l'absorption infrarouge des porteurs varient avec la température, ce qui est particulièrement important dans les systèmes d'imagerie thermique à haute température et les détecteurs cryogéniques.

Traiter les plaquettes optiques et les plaquettes semi-conducteurs comme identiques

Une plaque blanche optique et une plaque semi-conducteur prête à l'épitaxie peuvent nécessiter des normes de préparation de surface, de propreté et d'inspection très différentes.

Conclusion

La principale différence entre les plaquettes de germanium de type p et de type n est le porteur de charge dominant: trous dans le matériau de type p et électrons dans le matériau de type n. Cette distinction affecte la résistivité,la mobilité, comportement de contact et absorption infrarouge.

Le germanium de type P utilise généralement des accepteurs de bore, de gallium ou d'indium, tandis que le germanium de type n utilise des donneurs de phosphore, d'arsenic ou d'antimoine.,le type de conductivité doit être pris en considération lors de la conversion de la résistivité en concentration de support et en performance du dispositif.

Pour les applications infrarouges, ni le type p ni le type n ne sont automatiquement supérieurs.température de fonctionnement et absorption autorisée du support libreUne spécification fiable devrait donc combiner le type de conductivité avec les exigences en matière de dopant, de résistivité, de transmission optique, d'orientation, de géométrie et de qualité de surface.