Orifícios de germâniosão utilizados em óptica infravermelha, detectores de radiação, células solares de alta eficiência, dispositivos fotónicos e estruturas de semicondutores especializadas.Embora o germânio do tipo p e do tipo n tenham a mesma estrutura cristalina básica, o seu desempenho elétrico e óptico pode diferir significativamente.

A selecção do tipo de condutividade correto requer mais do que especificar “tipo-p” ou “tipo-n”.O acabamento da superfície e a temperatura de funcionamento devem corresponder à aplicação.

Este guia explica as principais diferenças entre as wafers de germânio de tipo p e n e fornece um quadro prático para a selecção de materiais.

O que faz o germânio do tipo P ou do tipo N?

O germânio puro é um semicondutor elementar com uma estrutura cristalina de diamante-cúbico.

As quantidades controladas de dopantes são introduzidas durante o crescimento do cristal ou a fabricação do dispositivo para alterar o tipo dominante do portador.

• Germânio de tipo P:Os buracos são os principais portadores.
• Germânio de tipo N:Os elétrons são os principais portadores.
• Germânio intrínseco ou de alta pureza:Nem as impurezas doadoras nem as do receptor dominam fortemente.

O tipo de condutividade é determinado pelo equilíbrio entre doadores e aceitadores eletricamente ativos, não simplesmente pela presença de uma impureza.

Se a concentração do doador exceder a concentração do aceitador, o material se comporta como tipo n. Se a concentração do aceitador for maior, ele se comporta como tipo p. Esta relação é conhecida como compensação.

Suplementos comuns para wafers de germânio

Dopantes de germânio do tipo P

O germânio de tipo P é comumente produzido usando elementos aceitadores do Grupo III.

Os dopantes aceitadores típicos incluem:

• Boro;
• Gállio;
• Índio.

Estes dopantes têm um elétron de valência a menos do que o germânio.

O gálio é frequentemente usado em cristais de germânio a granel, porque sua segregação e comportamento elétrico podem ser controlados durante o crescimento do cristal.especialmente no processamento de semicondutores e na formação de junções.

Dopantes de germânio do tipo N

O germânio de tipo N usa comumente elementos doadores do Grupo V.

Os dopantes doadores típicos incluem:

• Fósforo;
• Arsénio;
• Antimônio.

Estes elementos têm um elétron de valência a mais do que o germânio e contribuem com elétrons para o sistema de condução.

A obtenção de dopagem de tipo n muito elevada no germânio pode ser mais difícil do que a produção de material de tipo p comparável.A ativação e a solubilidade devem ser cuidadosamente controladas durante o processamento do dispositivo.A investigação sobre dopagem por germânio identifica a difusão excessiva de dopantes do tipo n como um desafio importante para a criação de regiões dopadas claramente definidas.Revisão da difusão e ativação do dopante no germânio

Germânio de tipo P versus germânio de tipo N

Os valores necessários para uma wafer específica devem ser definidos por medição, em vez de inferidos apenas a partir do nome do dopante.

Resistividade e concentração do portador

A resistividade é um dos parâmetros de aquisição mais importantes para as wafers de germânio, fornecendo uma indicação indirecta da concentração e mobilidade do portador eletricamente ativo.

Para um material dominado por um tipo de suporte, a resistividade pode ser aproximada como:

Para o material do tipo n, ou:

Para o material do tipo p, quando:

• R\rhoé a resistividade;
• QQé a carga elementar;
• N.N.é a concentração de elétrons;
• ppé a concentração do buraco;
• - Não, não.é a mobilidade dos elétrons;
• P\mu_pé a mobilidade do buraco.

Esta relação mostra por que a mesma resistividade não corresponde necessariamente à mesma concentração de dopante no germânio de tipo p e n. Os elétrons e os buracos têm diferentes mobilidades.

Germânio de baixa resistência

Os wafers de baixa resistividade contêm uma concentração relativamente elevada de transportadores eletricamente ativos.

• É necessária uma baixa resistência elétrica;
• A formação de contacto ohmico é importante;
• A bolacha é parte de uma estrutura de dispositivo condutor;
• É necessária uma alta densidade de portadores para a engenharia de junção ou contato.

No entanto, o aumento da concentração de transportador livre pode aumentar a absorção infravermelha.

Germânio de alta resistência

Material de alta resistividade contém menos transportadores livres e pode oferecer menor absorção de transportadores livres.

• Óptica de transmissão infravermelha;
• Fabricação de detectores de radiação;
• Estruturas de baixa fuga de água;
• Aplicações que exijam uma concentração controlada do transportador.

Um elevado valor de resistividade por si só não garante um desempenho de nível de detector ou óptico.

Mobilidade de portadores no germânio

O germânio é conhecido pela alta mobilidade do portador.

• Mobilidade dos elétrons:até cerca de 3,900 cm2/V·s;
• Mobilidade dos buracos:até cerca de 1.900 cm2/V·s.

Estes valores de referência diminuem à medida que a concentração de doping aumenta porque o aumento da dispersão das impurezas restringe o movimento do portador.Dados do Instituto Ioffe sobre propriedades elétricas do germânio

Como os elétrons geralmente se movem mais facilmente através da rede de germânio do que por buracos, o material de tipo n pode fornecer maior condutividade do que o material de tipo p na mesma concentração do portador.

No entanto, a selecção das placas não deve basear-se apenas nos valores máximos de mobilidade.

• Concentração de dopante;
• Relatório de compensação;
• Defeitos de cristal;
• Dislocações;
• Temperatura;
• Força do campo elétrico;
• Condição da superfície;
• Histórico de processamento.

Para wafers de nível de dispositivo, as medições do efeito Hall são comumente usadas para determinar o tipo de condutividade, a concentração do portador e a mobilidade.

Por que o doping afeta o desempenho infravermelho

O germânio é amplamente utilizado para a óptica infravermelha devido à sua ampla capacidade de transmissão infravermelha de ondas médias e longas, alto índice de refração e boas propriedades mecânicas.

A ótica de germânio típica é usada aproximadamente na região de 2 ‰ 14 μm, embora a faixa de transmissão prática dependa da pureza do material, espessura, temperatura,Projeto de acabamento e revestimento da superfície.

Uma janela de germânio fina normalmente aparece escura ou metálica ao olho humano enquanto transmite comprimentos de onda infravermelhos selecionados.

Absorção de transportador livre

Os elétrons livres e os buracos podem absorver a radiação infravermelha.

O nível de absorção depende de:

• Tipo de transportador;
• concentração do transportador;
• Mobilidade;
• comprimento de onda;
• Temperatura;
• Comprimento do caminho óptico.

Isto significa que as placas do tipo p e do tipo n com a mesma resistividade nominal podem não ter a mesma transmissão infravermelha.

Uma revisão dos cristais únicos de germânio para fotônica observa que o doping e a temperatura de funcionamento podem afetar significativamente a absorção infravermelha.O germânio óptico deve, por conseguinte, ser especificado com base nos requisitos eléctricos e ópticos.. Cristal único de germânio para fotônica

Resistividade para óptica infravermelha

Os componentes ópticos infravermelhos geralmente usam germânio com resistividade controlada para limitar a absorção de portadores livres.

O valor exigido depende de:

• comprimento de onda de operação;
• espessura do componente;
• Objetivo de transmissão;
• Intervalo de temperatura;
• Se a óptica está revestida;
• Absorção e carga térmica admissíveis.

Para aplicações exigentes, o comprador deve especificar uma curva de transmissão ou um coeficiente de absorção em vez de basear-se apenas num valor mínimo de resistividade.

Germânio de tipo P para óptica infravermelha

O germânio do tipo P é geralmente considerado para janelas infravermelhas, lentes e outros componentes transmissores.especialmente quando a concentração do transportador é mantida dentro do intervalo exigido.

As vantagens potenciais incluem:

• Disponibilidade em cristal óptico;
• Dopagem de aceitadores controlada;
• Compatibilidade com os processos comuns de fabrico óptico de germânio;
• Adequação para janelas, lentes e componentes de imagem térmica.

No entanto, a concentração excessiva do aceitador aumenta a absorção do buraco livre. A resistência correta deve ser selecionada para o comprimento do caminho óptico e a faixa de comprimento de onda.

Germânio de tipo N para óptica infravermelha

O germânio de tipo N também pode ser usado para aplicações infravermelhas, mas a absorção de elétrons livres deve ser avaliada cuidadosamente.a relação entre a resistividade, a densidade do portador e a absorção óptica diferem do material do tipo p.

O material do tipo N pode ser selecionado quando:

• É necessária uma função electrónica específica;
• O componente óptico está integrado numa estrutura de semicondutores;
• O material dopado por doador é exigido pelo desenho do detector ou do dispositivo;
• As funções eléctricas e ópticas devem ser combinadas.

Para a óptica puramente transmissível, o tipo de condutividade deve ser tratado como parte da especificação do material óptico, em vez de ser considerado intercambiável.

Wafers de germânio para detectores infravermelhos

Germânio tem historicamente desempenhado um papel importante na detecção de infravermelho e radiação.

As aplicações dos detectores incluem:

• Fotovoltaicos de alta tensão, de potência superior a 100 W;
• Espectroscopia de raios gama;
• Detecção por raios-X;
• Detectores de radiação criogénica;
• Dispositivos fotocondutores de nível de investigação.

Os detectores de germânio de alta pureza exigem concentrações de impurezas muito inferiores às utilizadas em wafers eletrónicos comuns.longa vida útil do portador e defeitos eletricamente ativos rigorosamente controlados.

Para estas aplicações, os termos “tipo-p” e “tipo-n” podem descrever a condutividade líquida após concentrações de doador e de aceitador muito pequenas se compensarem.

Wafers de germânio em células solares multijunção

As wafers de germânio são amplamente utilizadas como substratos para células solares de multijunção III-V de alta eficiência.O substrato de germânio fornece suporte mecânico e também pode funcionar como junção fotovoltaica inferior.

Os parâmetros importantes incluem:

• Tipo de condutividade;
• Concentração de dopante;
• Orientação dos cristais;
• ângulo de corte;
• Preparação da superfície;
• Compatibilidade epitaxial;
• Densidade de deslocamento;
• espessura da wafer;
• Arco e warp.

Os substratos de germânio de tipo P são frequentemente utilizados em estruturas de células solares de junção múltipla, mas a especificação exata depende do design epitaxial e da configuração da junção.

Germânio para fotônica e dispositivos de alta velocidade

O germânio é compatível com uma série de tecnologias fotônicas e eletrônicas baseadas em silício.

• Fotodetectores para comunicações ópticas;
• Fotonics de silício;
• Transistores de alta velocidade;
• Estruturas Ge-on-Si;
• Plataformas de isolamento geométrico;
• Guia de ondas infravermelhos;
• Moduladores ópticos.

A alta mobilidade de elétrons e buracos do germânio pode suportar o transporte de portadores de alta velocidade.A sua resposta óptica no infravermelho próximo também o torna útil para fotodetecção perto de comprimentos de onda de telecomunicações.

Nestas aplicações, a dopagem deve ser otimizada, juntamente com a concepção da junção, a deformação, a espessura da camada e a resistência ao contacto.

Orientação dos cristais e opções de superfície

O tipo de condutividade é apenas uma parte da especificação de uma bolacha de germânio.

Orientações comuns

As bolhas de germânio são frequentemente fornecidas em:

• (100);
• (110);
• (111).

A orientação adequada depende do processo epitaxial, do desenho do dispositivo, do comportamento da clivagem e dos requisitos ópticos ou mecânicos.

Revestimento de superfície

As condições de superfície disponíveis podem incluir:

• As-cut;
• Lapped;
• Gravados;
• Polido de um só lado;
• Polido de duas faces;
• Pronto para epitaxia.

Para o crescimento epitaxial e o processamento de semicondutores, a rugosidade da superfície, os danos subterrâneos, a limpeza e a condição do óxido nativo exigem um controlo cuidadoso.

Os wafers ópticos infravermelhos podem utilizar diferentes especificações de superfície, dependendo se serão transformados em lentes, janelas, filtros ou componentes ópticos revestidos.

Como especificar uma bolacha de germânio

Um pedido completo de orçamento deve incluir as seguintes informações.

Propriedades materiais e elétricas

• Tipo de condutividade: tipo p, tipo n ou de alta pureza;
• Espécies de dopantes;
• Intervalo de resistência;
• Concentração do transportador, se necessário;
• Requisito de mobilidade;
• Requisito de medição do corredor;
• Variação da resistência radial.

Dimensões e Geometria

• Diâmetro ou comprimento e largura;
• Espessura e tolerância;
• Orientação dos cristais;
• Tolerância de orientação;
• Requisitos planos primários e secundários;
• Perfil da borda;
• Variação da espessura total;
• Arco e warp.

Requisitos de superfície

• Poluição de um ou dois lados;
• A rugosidade da superfície;
• Especificações de excavação por arranhão para utilização óptica;
• Requisito de superfície pronta para epitaxia;
• Exclusão da borda;
• Limites de partículas e de contaminação.

Requisitos ópticos

• Faixa de comprimento de onda de funcionamento;
• Transmissão mínima;
• Coeficiente máximo de absorção;
• Requisito de índice de refração;
• Requisitos de revestimento;
• Temperatura de funcionamento;
• Abertura limpa.

Documentação de qualidade

• Certificado de análise;
• Verificação do tipo de condutividade;
• Mapa da resistência;
• Dados dos ensaios de efeito Hall;
• Relatório de orientação do cristal;
• Relatório de inspecção de superfície;
• Informações de rastreabilidade.

Guia de selecção

Erros comuns ao comprar

Especificar apenas o tipo P ou o tipo N

O tipo de condutividade não define a resistividade, a concentração de portadores ou a mobilidade. Estes valores devem ser indicados separadamente.

Supondo a mesma resistência dá o mesmo desempenho óptico

O germânio de tipo P e de tipo n pode ter absorção de portador livre diferente porque os elétrons e os buracos têm diferentes mobilidades e respostas ópticas.

Usando a concentração nominal de dopante em vez da concentração do portador ativo

Não todos os átomos de dopante contribuem com um portador ativo.

Ignorar a temperatura de funcionamento

A concentração, a mobilidade, o índice de refração e a absorção do infravermelho dos portadores variam com a temperatura, o que é particularmente importante em sistemas de imagem térmica de alta temperatura e detectores criogénicos.

Tratamento de wafers ópticas e semicondutores como idênticos

Um branco óptico e uma bolacha de semicondutores preparada para epitaxia podem exigir padrões de preparação, limpeza e inspeção de superfície muito diferentes.

Conclusão

A principal diferença entre as wafers de germânio de tipo p e n é o portador de carga dominante: buracos no material de tipo p e elétrons no material de tipo n. Esta distinção afeta a resistividade,mobilidade, comportamento de contacto e absorção infravermelha.

O germânio de tipo P geralmente usa aceitadores de boro, gálio ou ínio, enquanto o germânio de tipo n usa doadores de fósforo, arsênico ou antimônio.,O tipo de condutividade deve ser tido em consideração quando se traduz a resistividade na concentração do portador e no desempenho do dispositivo.

Para aplicações infravermelhas, nem o tipo p nem o tipo n são automaticamente superiores.temperatura de funcionamento e absorção do suporte livre permitidaUma especificação fiável deve, portanto, combinar o tipo de condutividade com os requisitos de dopante, resistividade, transmissão óptica, orientação, geometria e qualidade da superfície.