Кристаллы германия (Ge) и подложки

Подложки и пластины для выращивания полупроводниковых пленок.

Предлагаются пластины Si, Ge, GaAs, InP, InAs, SiC и GaSb, готовые к EPI.

Кристаллы германия (Ge) и подложки.

• Высокая чистота и хорошая шероховатость поверхности (Ra) ≤ 5Å (5 мкм × 5 мкм)
• Высокая химическая стабильность и хорошие фотоэлектрические характеристики
• Для эпитаксиального роста или переноса слоев соединений AIIIBV.
•  Доступны германиевые линзы  и германиевые окна  для инфракрасного применения
• Различные варианты легирования: Без легирования (R>35 Ом·см) или с легированием Sb (R=0,05 Ом·см) или с легированием Ga (R0,05~0,1 Ом·см) 

Описание:

Германий является редким металлом и обладает многими уникальными свойствами и достоинствами, германий является полупроводником. Наши разработанные методы привели к производству кристаллического германия для полупроводников с чрезвычайно низким содержанием примесей. Достоинства германия включают сильную коррозионную стойкость, высокую химическую стабильность, простоту обработки, высокий и равномерный коэффициент пропускания, высокий показатель преломления, высокую радиационную стойкость и хорошие фотоэлектрические характеристики. Подложки из германия или Ge представляют собой интересные альтернативы для эпитаксиального роста или переноса слоев соединений III-V, поскольку из-за точного соответствия тепловых и аналогичных постоянных решетки германиевые подложки можно использовать для изготовления солнечных элементов из арсенида галлия.

 Германий менее дорог и более механически прочен, чем арсенид галлия (GaAs). Следовательно, Ge-подложки могут быть тоньше, а ячейки могут быть увеличены, что снижает вес и стоимость космических массивов. Подложки из германия всегда можно использовать для изготовления полупроводниковых приборов, инфракрасной оптики и подложек для солнечных элементов.  

Характеристики:

Основные свойства:

Руководство по изучению уникальных электрических свойств германиевой пластины

Если вы в основном работали с кремнием, то германиевая пластина может показаться вам «универсальным материалом»: более быстрый перенос носителей заряда, высокая эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне и предсказуемое поведение устройства даже при незначительном легировании или изменении температуры. В этом и заключается ее преимущество, а также причина, по которой технические характеристики важнее, чем общее описание «германиевой пластины».

Тем не менее понимание электрических свойств германия и того, что их отличает, крайне важно для максимально эффективного использования этих свойств при разработке реальных устройств.

Что делает германий «уникальным» с точки зрения электропроводимости

Электропроводность германия обусловлена особым сочетанием фундаментальных свойств:

Германий имеет узкую запрещенную зону (~0,661 эВ при 300 К). Это облегчает генерацию носителей заряда и повышает чувствительность к температуре.

Германий обладает очень высокой подвижностью носителей заряда (электронов — до ~3900 см²/В·с, дырок — до ~1900 см²/В·с). Это приводит к более высокому скоростному потенциалу и меньшему сопротивлению канала при заданном поле.

Высокая собственная концентрация носителей заряда в германии (~2,0×10¹³ см⁻³ при 300 К) обеспечивает ему превосходную чувствительность в некоторых режимах измерения, но при комнатной температуре он сильнее подвержен влиянию механизмов утечки/шума.

высокая диэлектрическая проницаемостьГерманий имеет (~16,2), что приводит к усилению электростатических и емкостных эффектов.

Германий имеет более низкое поле пробоя (порядка ~10⁵ В/см).

Учитывая эти факторы, германий часто используется в высокоскоростной электронике и фотонике ближнего инфракрасного диапазона. Однако это также объясняет, почему этот материал может оказаться капризным, если не соблюсти требования к качеству пластины. Так как же оптимизировать электрические свойства германия?

1) Ширина запрещённой зоны: почему германий легко «включается»

Ширина запрещённой зоны германия при комнатной температуре составляет ~0,661 эВ. Благодаря этой узкой запрещённой зоне германий может быть привлекательным материалом для оптоэлектроники и высокоскоростной передачи данных, но это также означает:

Больше носителей заряда, образующихся при термическом воздействии, при комнатной температуре

Повышенная вероятность возникновения утечек (особенно в агрессивных средах или при использовании герметичных соединений)

Если для вас показатель успеха — низкий темновой ток или низкое энергопотребление в выключенном состоянии, то, как правило, к утечке тока нужно подходить как к первостепенному конструктивному ограничению (а не как к проблеме на поздней стадии разработки, которую можно решить с помощью «мы ее доработаем»).

2) Подвижность носителей заряда: заголовок «Скорость»

Для высокочистого/слаболегированного германия в справочниках обычно указывается подвижность электронов до ~3900 см²/В·с и подвижность дырок до ~1900 см²/В·с при температуре 300 К.

Таким образом, при заданной геометрии часто можно добиться более высокой крутизны или более быстрого отклика, чем можно было бы ожидать при использовании кремния.

Тем не менее подвижность носителей заряда в германии зависит от легирования: если использовать очень сильное легирование для достижения сверхнизкого удельного сопротивления, подвижность снизится, и ваше преимущество в «скорости» уменьшится.

3) Собственная концентрация носителей заряда и удельное сопротивление: почему важна температура

Германий обладает собственной концентрацией носителей заряда ~2,0×10¹³ см⁻³ и удельным сопротивлением ~46 Ом·см.

По этой причине устройства Ge могут быть более чувствительны к температурному дрейфу утечки/шума.

По этой же причине германий высокой чистоты используется в детекторах излучения, но в таких системах часто применяется охлаждение для подавления тепловых носителей заряда, поскольку ширина запрещенной зоны германия относительно невелика.

4) Диэлектрическая проницаемость: емкость, связь и паразитные параметры

Диэлектрическая проницаемость германия, ~16,2 (при 300 К), значительно выше, чем у кремния. Проще говоря, поля «видят» германий иначе.

В высокоскоростных схемах емкость перехода и паразитные параметры устройства могут быть больше, чем можно предположить, исходя из интуитивных представлений о кремнии. Это может повлиять на пропускную способность, если не уделить должного внимания геометрии.

5) Поведение при пробои: управление полем — это не опция, а необходимость

Обычно для германия приводится значение порядка величины поля пробоя ≈10⁵ В/см. Это не значит, что «германий легко пробивается» в любой структуре — это значит, что при компоновке и легировании необходимо учитывать плотность поля, особенно вблизи краев и границ раздела.

Если вы создаете высокоскоростные соединения, то удельное сопротивление и выбор легирующей примеси влияют на ширину обедненного слоя, последовательное сопротивление и емкость.

Если вы выполняете работы с MBE / epi, вас обычно волнуют ориентация, чистота поверхности и окно удельного сопротивления, потому что они влияют на динамику роста и однородность устройства.

6) Теплопроводность: незаметный партнер электрических характеристик

Несмотря на то, что это руководство посвящено электрическим характеристикам, перенос тепла влияет на электрические показатели за счет подвижности, утечек и эффектов, связанных со сроком службы. Теплопроводность германия составляет 0,58 Вт·см⁻¹·°C⁻¹ (≈58 Вт/м·К).

Если ваше устройство имеет высокую удельную мощность или большой коэффициент заполнения, заранее продумайте его тепловое проектирование, особенно с учетом того, что из-за узкой запрещенной зоны германия электрический дрейф, связанный с температурой, становится более выраженным.

Где эти свойства дают реальное преимущество

В целом важно понимать электрические свойства материала до того, как вы начнете его использовать, но в этих областях это становится критически важным для успеха:

Германий в кремниевой фотонике

Германий широко используется для создания фотодетекторов в диапазонах оптической связи (1,3 мкм и 1,55 мкм), особенно при интеграции в кремниевые платформы. Дело в том, что зонная структура германия обеспечивает сильное поглощение в этом диапазоне, что позволяет использовать его для обнаружения сигнала на кристалле.

Роль буфера/подложки и соответствие кристаллических решеток

Постоянная решетки германия обычно составляет ~5,658 Å. Это очень близко к значению для арсенида галлия (GaAs), который часто используется в качестве материала для интеграции III–V групп, и исследователи отмечают, что германий может служить буферным слоем при выращивании III–V групп.

Германиевые пластины «лучше кремниевых» с точки зрения электрических характеристик?

Не всегда. У германия гораздо выше подвижность электронов, но более узкая запрещенная зона и большее количество собственных носителей заряда могут повысить чувствительность к утечкам. «Лучше» — зависит от того, чего вы пытаетесь достичь.

Почему устройства GEчасто сильнее подвержены утечкам при комнатной температуре?

Более узкая запрещенная зона (~0,661 эВ) и высокая концентрация собственных носителей заряда (~2,0×10¹³ см⁻³) увеличивают тепловыделение и могут усиливать механизмы утечек при высоком напряжении.

Как выбрать подходящую германиевую пластину

Часто лучший способ оптимизировать процессы закупок (и тем самым обеспечить их успешность) — это четкая коммуникация. Если вы хотите, чтобы вам не приходилось постоянно переписываться по электронной почте и чтобы вас не удивляли «не те пластины», мы рекомендуем при запросе указать и описать следующие 6 факторов:

Приложение + тип устройства: Вы производите фотодетектор, тестовый образец транзистора, ИК-компонент, эпитаксиальную подложку и т. д.?

Целевой диапазон удельного сопротивления: не одно конкретное значение, если в вашем процессе есть допуски.

Тип допинга: Или «без допинга/собственный», если вам нужно именно это.

Ориентация: ((100),(111) или (110)).

Обработка поверхности: односторонняя полировка, двусторонняя полировка или нанесение любого специального эпитаксиального слоя.

Толщина, диаметр и количество: эти параметры необходимы для того, чтобы специалисты могли точно рассчитать время производства.

Процесс отжига германиевых пластин

При изготовлении устройств из германиевых пластин особое внимание следует уделить подготовке поверхности. При отжиге кремниевых пластин можно использовать несколько методов, в том числе кварцевые лампы, индукционный нагрев и резистивное покрытие, но германиевые пластины обладают уникальными свойствами и требуют дополнительной подготовки поверхности.

Давайте рассмотрим характеристики германиевых подложек и выясним, почему важно использовать подходящий режим отжига для конкретного применения.

Что такое отжиг полупроводниковых пластин?

Отжиг полупроводниковых пластин — это процесс устранения дефектов на атомном уровне, возникших в результате таких этапов, как ионная имплантация. Этот процесс крайне важен для обеспечения качества и работоспособности полупроводниковых материалов.

Как отжигать германиевые пластины?

К германиевым пластинам предъявляются особые требования, поэтому список эффективных методов отжига германиевых пластин ограничен:

Отжиг после металлизации: хороший результат дает отжиг после металлизации в азоте при температуре 400 °C. Ширина на полувысоте пика на рентгенограмме уменьшается с увеличением концентрации Ge. Кроме того, наличие атомов Ge способствует возникновению напряжений.

Отжиг при 580 °C: после 30 минут отжига при температуре 580 °C слой Ge частично агломерируется. На сплошном слое Ge образуются мелкие частицы, а в узком канале — крупные. Даже более длительный отжиг при этой температуре не приводит к полной агломерации.

Отжиг при 600 °C: частицы Ge имеют сравнительно небольшой средний размер и при температуре 600 °C образуют равномерно распределенную поверхность.

Лазерный отжиг: еще один вариант высокомолекулярного BCP — лазерный отжиг. Этот метод позволяет лучше контролировать время и пространство, чем при традиционном отжиге в печи.