유전체의 비저항(resistivity)과 유전적 손실(dielectric loss)에서 기인하는 tan δ(loss tangent)는 고성능 고주파 소자의 제작 시 고려되어야 하는 중요한 물리량이다. 고비저항(high-resistivity) Si 및 Ge을 이용한 큐비트(qubit)를 제작할 경우, tan δ가 decoherence의 직접적인 원인이 된다는 것은 잘 알려진 바 있고[13], 또한 고비저항 Ge을 이용하여 만드는 방사능 검출기(radiation detector)의 경우 tan δ는 전자-양공 쌍(electron-hole pair)을 낮은 에너지 준위에서 발생하게 하여 잡음(noise)을 발생시키는 것으로 알려져 있다.[10, 11]
본 논문에서는 고비저항 Si의 고주파 특성 측정에 사용된 방법[50, 51]을 이용하여 고비저항 Ge의 고주파 특성을 측정하고 고비저항 Si의 고주파 특성과 비교하였다. 이 과정에서 국제전기기술위원회(IEC)의 국제표준[49]으로 등재된 ‘변형된 유전체 공진기법’[17, 52]을 활용하였다. 6 - 11 K의 극저온 영역에서 고비저항 n-type Ge의 tan δ가 9 × 10-5 정도임을 측정하였으며 고비저항 Ge의 경우 유전적 손실(dielectric loss)이 매우 작은 고비저항 Si의 경우와 유전적 손실이 전도성 손실(conductive loss)과 비교될 만한 크기를 지닌다는 것을 확인할 수 있었다. Si와 동일한 4 족 원소이면서 Si 보다 원자량이 큰 Ge의 유전적 손실이 Si 보다 월등히 크게 관측된 것에 대한 이유는 아직 이해되고 있지 않은 바, 향후 추가 연구를 통해 이러한 원인 규명이 시도될 예정이다.
또한 고비저항 Si 및 Ge의 전기적 특성과 이들 시편들이 열처리(annealing)된 후 지니는 특성을 측정하여 고비저항 Si 및 Ge 단결정에 대한 열처리 효과(annealing effect)를 연구하였다. 고비저항 Si와 Ge의 경우 모두 열처리 후에 carrier형 변환(carrier type-conversion)이 발생함을 확인하였으나, Si와 Ge 간에 carrier형 변환의 경향성이 상이한 것으로 나타났다. 고비저항 n-type Ge에 대한 열처리 효과는 열처리 온도와 무관하게 285 K 이하의 온도에서 p-type으로 carrier형 변환이 발생하였으며, 285 K 이상의 온도에서는 다시 n-type으로 돌아가는 carrier형 변환이 발생하였다. 650 ℃로 열처리된 pristine Ge 단결정의 경우 dislocation density의 증가로 인해 280 K 근처에서 carrier형 변환현상이 관측된 것[36]과 같이, 각각 516 ℃와 825 ℃에서 열처리된 Ge 단결정에서도 유사한 현상이 관측되었다. 또한 650 ℃ 열처리 결과[43]와 비교했을 때, 516 ℃와 825 ℃ 열처리에서도 유사한 효과를 가질 수 있는 것을 확인하였다.
한편 고비저항 n-type Si는 825 ℃ 열처리 이후 p-type으로 carrier형 변환이 발생하였다. 또한 carrier 농도의 절댓값이 1000 배 이상 증가하면서 비저항 역시 1/30 이하로 감소하게 됨을 확인하였다. 이러한 결과는 Pt를 분산(diffusion)시키거나[37, 48] 중성자 조사(neutron irradiation)[30, 31]를 실시하지 않고 열처리만 하여도 고비저항 Si에서 carrier형 변환이 발생하게 됨을 보여 주는데, 이 경우 carrier 농도는 증가하는 것으로 관측되었다.

The resistivity and the loss tangent(tan δ) of dielectric materials are important physical parameters that need to be taken into account for fabricating microwave devices of high performances. The tan δ of dielectric material has been known as the main source for the decoherence of qubit signals[13] and, for radiation detectors made of high-resistivity Ge, the tan δ is known to generate noise by creating a lower level energy electron-hole pair[10, 11].
In this thesis, the microwave properties of high-resistivity Ge crystals were measured by using the modified dielectric resonator method, which were compared with those of high-resistivity Si crystals[50, 51]. An international standard, which enables us to measure the intrinsic surface impedance of high-temperature superconductor films such as YBa2Cu3O7-δ, was used throughout this study[49]. It appeared that the tan δ of high-resistivity Ge crystals measured at 6 K was as low as 9 × 10-5and that, unlike Si crystals, contribution of the dielectric loss to the tan δ of Ge appeared to be significant. Considering that both Ge and Si are group 4 elements with the atomic mass of Ge being greater than that of Si, the reason for the significantly high dielectric loss compared to Si cannot be addressed at the moment. Further studies are needed to understand the related mechanism.
The electrical properties of high-resistivity Si and Ge were also measured by using the Hall-effect measurement system from 80 K to 350 K. After the annealing process, both high-resistivity Si and high-resistivity Ge showed conversions of the carrier type. However, conversions of the carrier type appeared to be different between n-type Si and n-type Ge: The main carrier type for the annealed high-resistivity Ge became p-type at temperatures below 285 K, which, then, switched to the n-type at temperatures higher than 285 K. At 285 K, drastic variations in the mobility and carrier concentration were also observed for the Ge crystals. The conversion of the major carrier type has been reported for high-resistivity Ge annealed at 650 ℃, which was attributed to increase of the dislocation density[36]. Similar carrier-type conversion was observed for our Ge crystals annealed at 516 ℃ and 825 ℃. This is in contrast with another report[43], where the type conversion did not appear for the 500 ℃ annealing process. Meanwhile, the major carrier type of the high-resistivity Si changed from the n-type to the p-type after the specimens were annealed at 825 ℃. Furthermore, the resistivity of Si became 30 times lower after the annealing process due to an increase of the carrier concentration by more than 1000 times. Our results show that conversion of the major carrier type could be realized for annealed high-resistivity Si even without diffusion of Pt or being irradiated with neutrons. Increase of the carrier concentration was also observed for the annealed high-resistivity Si.