O fosfeto de ínio (InP) é um importante composto III-VSubstrato de semicondutoresutilizadas em comunicações ópticas, circuitos integrados fotónicos, eletrónica de alta velocidade, detecção de infravermelhos, lasers, fotodetectores e sistemas avançados de detecção.Os substratos InP comerciais estão disponíveis em várias configurações elétricas.Os portfólios de produtos comerciais actuais incluem geralmente os produtos dopados com enxofre, os produtos dopados com estanho, os produtos dopados com zinco, os produtos dopados com zinco e os produtos dopados com zinco.Substratos InP com dopagem de zinco e semi-isolantes.

Para os engenheiros e equipas de aquisição, a selecção da wafer InP correta não é simplesmente uma questão de escolha de diâmetro e orientação cristalina.resistência, isolamento elétrico, design de contato, compatibilidade epitaxial e, em última análise, a arquitetura do dispositivo.

Este guia compara o InP semi-isolante dopado com Fe, o InP de tipo N dopado com S, o InP de tipo N dopado com Sn e o InP de tipo P dopado com Zn,com especial atenção à forma como cada material deve ser selecionado para aplicações de semicondutores e fotônicos.

Por que o InP é dopado?

Os cristais de semicondutores puros raramente se comportam como materiais intrínsecos ideais na produção prática.enquanto a dopagem intencional permite aos fabricantes controlar a condutividade de forma previsível.

Para um substrato InP, o doping pode ser utilizado para atingir três objectivos fundamentalmente diferentes.

O primeiro é criar um substrato semi-isolante de alta resistividade, onde a condução elétrica através da bolacha em massa deve ser minimizada.

O segundo é criar um substrato condutor de tipo N, onde os elétrons são os portadores majoritários.

O terceiro é criar um substrato condutor do tipo P, onde os furos são os principais transportadores.

Fe, S, Sn e Zn, portanto, não representam simplesmente diferentes aditivos químicos. Eles criam diferentes funções elétricas dentro do cristal InP.

Comparação dos dopantes

A concentração e a resistividade reais do transportador devem sempre ser confirmadas a partir das especificações do fornecedor, uma vez que variam consoante o método de crescimento do cristal, a concentração do dopante e a qualidade da bolacha-alvo.

1. InP semisolador Fe-doped

O InP dopado com Fe é fundamentalmente diferente das wafers convencionais do tipo N e do tipo P.

O ferro é introduzido principalmente para criar InP semi-isolante, em vez de produzir um semicondutor normalmente condutor.

Em cristais InP típicos, impurezas doadoras superficiais residuais podem tornar o material eletricamente condutor.Fe introduz um nível de aceitador profundo que pode compensar estes doadores residuais por eletrões de capturaUma vez que a compensação é suficiente, a concentração de transportadores livres torna-se muito baixa e o material a granel atinge uma elevada resistividade elétrica.Este mecanismo de compensação de nível profundo é a base do InP semi-isolante convencional dopado com Fe..

Por conseguinte, é mais preciso descrever o InP dopado com Fe como um material semi-isolante compensado, em vez de tratá-lo como um substrato normal de tipo N ou tipo P.

Por que usar o INP semi-isolante?

A principal vantagem do InP semi-isolante é o isolamento elétrico.

Em muitos dispositivos de alta frequência e fotônicos, a corrente indesejada que flui através do substrato pode aumentar o acoplamento parasitário, o vazamento do dispositivo e a perda elétrica.Um substrato de alta resistividade ajuda a isolar as regiões do dispositivo ativo umas das outras.

Isto torna o InP semi-isolante dopado com Fe atraente para aplicações em que o substrato fornece principalmente suporte mecânico,correspondência de rede e isolamento elétrico em vez de agir como um caminho de corrente de baixa resistência.

Aplicações típicas podem incluir dispositivos de alta frequência, circuitos fotônicos integrados, estruturas de detectores e outros dispositivos baseados em InP que exigem forte isolamento do substrato.

A concentração de Fe não é a mesma da concentração de transportador livre

Um ponto de compra importante é que a concentração de Fe não deve ser interpretada da mesma forma que a concentração de transportador em material dopado com S, Sn ou Zn.

Em wafers condutores, a concentração do portador ajuda diretamente a descrever o comportamento elétrico do substrato.

Em wafers semi-isolantes dopados com Fe, os parâmetros-chave são mais comumente a resistividade, o comportamento de compensação e a uniformidade elétrica.

A relação entre a concentração de Fe e a resistividade também depende da ativação de Fe e da concentração de impurezas residuais.Os trabalhos sobre o InP dopado com Fe de grande diâmetro mostraram que o controlo da concentração e ativação de Fe é importante para alcançar uma resistência elétrica uniforme em toda a bolacha.

Quando se deve escolher o InP com dopagem de Fe?

O material dotado de Fe deve geralmente ser considerado quando o dispositivo requer um substrato com condução elétrica muito baixa.

É especialmente relevante quando os designers de dispositivos querem minimizar o vazamento do substrato ou isolar eletricamente estruturas ativas vizinhas.

No entanto, os compradores também devem considerar a história térmica do processamento epitaxial e do dispositivo subsequente porque o comportamento e a redistribuição do Fe podem ser importantes em estruturas de alta temperatura exigentes.

Por esse motivo, uma especificação de aquisição de material de isolamento semidiferente deve definir não só o dopante, mas também a resistividade necessária e os limites de qualidade do material.

2. S-Dopado N-tipo InP

O InP dopado com enxofre é uma forma comumente disponível de substrato InP de tipo N.

Ao contrário do Fe, o enxofre é usado para fornecer eletrões livres intencionalmente.Estes elétrons aumentam a condutividade elétrica e tornam o substrato adequado para estruturas onde a condução de corrente através da wafer é desejável.

As especificações comerciais do InP colocam geralmente o material dopado com S em faixas de concentração relativamente elevadas do portador do tipo N.Uma especificação comercial do InP lista o material dopado com S na faixa aproximada de 1018 cm−3, embora o valor exacto dependa do fornecedor da bolacha e da qualidade do produto.

Por que usar InP S-Dopado?

Os substratos dopados em S são úteis quando a baixa resistência do substrato e a forte condutividade do tipo N são importantes.

Isto pode ser valioso em estruturas de dispositivos onde o substrato faz parte do caminho de corrente elétrica ou onde é necessário um contato elétrico de tipo N traseiro.

O InP dopado por S é, portanto, comumente associado a estruturas optoeletrônicas e semicondutoras cultivadas em substratos condutores de tipo N.

Um exemplo de uma estrutura de fotodetector baseada em InP publicado pela Sumitomo Electric usa um substrato InP dopado com S como a base de tipo N do dispositivo.

InP S-dopado e alta concentração de transportador

Um dos motivos pelo qual o enxofre é atraente é a sua capacidade de produzir concentrações relativamente elevadas de elétrons.

A maior concentração do portador geralmente reduz a resistividade, o que pode ser útil para contatos traseiros e dispositivos de injeção de corrente.

No entanto, um doping mais elevado não é automaticamente melhor.

A concentração excessiva de portadores pode influenciar as propriedades elétricas, a absorção óptica, o desenho epitaxial e o comportamento de contacto.O valor correto deve, por conseguinte, ser escolhido em função da estrutura do dispositivo, em vez de simplesmente especificar a concentração mais elevada disponível..

3. Sn-Doped N-Type InP

O InP dopado com estanho é outro substrato InP de tipo N comercialmente importante.

Como o doping de enxofre, o doping de Sn fornece condutividade eletrônica, mas as bolhas comerciais dopadas com Sn são frequentemente fornecidas em diferentes janelas de concentração de portadores.

Uma especificação comercial representativa enumera o InP dopado com Sn com concentrações de portadores que variam da região superior de 1017 cm−3 para a faixa de 1018 cm−3,enquanto o material dopado com S do mesmo fornecedor se estende ainda mais para a gama alta de 1018 cm−3Estes valores são específicos dos fornecedores, mas ilustram que a dopagem S e Sn não são necessariamente especificações intercambiáveis.

Por que escolher Sn em vez de S?

A escolha entre Sn e S deve basear-se normalmente na concentração do transportador, na resistividade, no processo epitaxial e na arquitetura do dispositivo necessários.

O material dopado por Sn pode ser atraente quando os engenheiros necessitam de um substrato InP condutor de tipo N, mas desejam uma faixa de concentração de transportador diferente daquela normalmente oferecida com material fortemente dopado por S.

O estanho é uma impureza doadora no InP, permitindo que ele suporte a condutividade do tipo N.

Do ponto de vista da aquisição, é, portanto, melhor especificar a concentração ou a resistividade do transportador necessária em vez de simplesmente perguntar se S ou Sn é preferido.

A selecção final do dopante pode então ser adaptada às necessidades eléctricas do dispositivo.

4. S-Dopado vs Sn-Dopado InP

Como tanto o enxofre como o estanho produzem InP tipo N, os compradores às vezes os tratam como equivalentes.

Não devem ser consideradas automaticamente intercambiáveis.

Para muitos projectos, a primeira pergunta deve ser:

Que concentração de elétrons e resistividade o dispositivo requer?

Se for necessária uma concentração relativamente elevada de transportadores do tipo N, pode ser adequada a utilização de InP dopado com S.

Se o projeto exigir uma janela de dopagem de tipo N diferente ou mais moderada, pode considerar-se o InP dopado com Sn.

O fornecedor do substrato deve igualmente confirmar a compatibilidade com o processo epitaxial previsto.

Para dispositivos de alto valor, tais como lasers, fotodetectores e circuitos integrados fotónicos,A seleção do substrato deve ser idealmente coordenada com o fornecedor de epitaxia, em vez de ser determinada apenas pelo departamento de aquisição de wafers..

5. Zn-Doped P-Type InP

O zinco é um dopante padrão utilizado para produzir InP tipo-P.

Em vez de aumentar a concentração de elétrons da banda de condução, Zn cria comportamento do aceitador e aumenta a concentração do buraco.

As especificações comerciais oferecem geralmente InP dopado com Zn aproximadamente na faixa de concentração de portador de 1017 a 1018 cm−3,Embora as faixas disponíveis reais dependam fortemente do fabricante e da qualidade da bolacha.

Por que utilizar substratos InP tipo P?

Um substrato de tipo P é exigido nos projetos de dispositivos em que a wafer subjacente deve fazer parte de uma estrutura de semicondutores de tipo P.

Isto pode ser relevante em dispositivos fotónicos, optoeletrônicos e eletrónicos especializados onde a polaridade da junção ou a configuração de contato traseiro exigem material do tipo P.

O Zn é amplamente reconhecido como uma impureza de tipo P em sistemas de semicondutores baseados em InP.

Deve considerar-se o processamento térmico

O comportamento térmico do Zn também é importante.

Zn pode redistribuir sob condições de processamento térmico, e o comportamento de difusão pode ser importante em estruturas de semicondutores expostas a temperaturas elevadas.

Para um substrato acabado, isto não cria automaticamente um problema.O processo térmico completo deve ser considerado ao determinar a concentração aceitável de Zn.

6. Fe-Doped vs. N-Type vs. P-Type InP: A diferença fundamental

A distinção mais importante pode ser resumida de forma muito simples.

O InP semi-isolante dopado com Fe é selecionado quando se deseja suprimir a condução elétrica através do substrato.

O InP de tipo N dopado por S ou Sn é selecionado quando se deseja que o substrato conduza elétrons.

O InP de tipo P dopado com Zn é selecionado quando o substrato deve fornecer condução por buraco.

Esta distinção deve ser determinada pela arquitetura elétrica do dispositivo antes de serem finalizados outros parâmetros da bolacha.

Selecionar o tipo de condutividade errado pode tornar uma bolacha de alta qualidade completamente inadequada para um processo específico do dispositivo.

7Concentração do transportador versus resistência

A concentração do transportador e a resistividade estão estreitamente relacionadas, mas não devem ser tratadas como especificações idênticas.

Para as placas condutivas do tipo N e do tipo P, a concentração do portador é frequentemente um dos parâmetros de aquisição elétrica mais importantes.

Por exemplo, um comprador pode especificar:

InP dopado tipo N-S com um intervalo de concentração de elétrons alvo.

Ou:

InP dopado com Zn de tipo P com um intervalo de concentração definido.

No entanto, para o InP semi-isolante, a especificação mais relevante é tipicamente a resistividade a granel, porque o objetivo é suprimir a condução do transportador livre.

Uma RFQ clara deve, portanto, utilizar o parâmetro elétrico que melhor corresponde ao tipo de material, em vez de aplicar o mesmo formato de especificação a cada wafer InP.

8Selecção de dopantes e crescimento epitaxial

A maioria dos substratos InP não são utilizados como wafers nuas no dispositivo final.

Em vez disso, eles servem como substratos de crescimento para estruturas epitaxiais como InGaAs, InGaAsP, InAlAs ou outros materiais III-V combinados com rede.

A dopagem do substrato pode influenciar a forma como o dispositivo epitaxial completo é concebido.

Por exemplo, substratos condutores do tipo N podem simplificar o contato elétrico por trás em algumas estruturas de dispositivos,enquanto os substratos semi-isolantes podem fornecer isolamento elétrico para dispositivos integrados lateralmente.

Os substratos do tipo P podem ser selecionados quando a polaridade do dispositivo ou a sequência da camada epitaxial exigida os tornam vantajosos.

Por esta razão, a dopagem do substrato deve ser determinada juntamente com o desenho da camada epitaxial.

9. Não selecione uma bolacha InP por dopante sozinho

Mesmo após a selecção do tipo de dopagem correto, devem ser definidos vários parâmetros adicionais da bolacha.

Uma RFQ de produção deve normalmente especificar o diâmetro, espessura, orientação cristalina, tipo de condutividade, dopante, concentração ou resistividade do transportador, condição da superfície, configuração de polimento, TTV,arco, warp, defeitos e quantidade.

Os substratos InP comerciais estão disponíveis em vários diâmetros e os fornecedores actuais oferecem produtos a partir de pequenas placas de investigação através de formatos de produção maiores.Atualmente lista diâmetros de substrato InP de 2 polegadas a 6 polegadas e oferece enxofre, estanho, zinco e opções de dopagem semi-isolantes.

O desenvolvimento de diâmetro grande é especialmente importante porque a geometria da wafer, a uniformidade de resistividade e o controle de defeitos de cristal tornam-se cada vez mais difíceis à medida que o diâmetro do substrato aumenta.

10- Superfície de acabamento: SSP vs DSP

A dopagem elétrica é apenas uma parte da especificação do substrato.

As placas InP podem também ser fornecidas com diferentes condições de superfície.

SSP, ou wafers polidas de lado único, têm uma superfície polida primária.

DSP, ou wafers polidas de dois lados, têm ambas as superfícies polidas.

As bolinhas polidas prontas para epitaxia requerem uma preparação superficial cuidadosamente controlada, porque a qualidade da superfície do substrato afeta diretamente o crescimento epitaxial subsequente.

Os fornecedores comerciais de InP utilizam técnicas ópticas e de metrologia de superfície para controlar a qualidade das placas polidas antes da embalagem.

A configuração correta de polimento depende do fluxo do processo, dos requisitos de inspecção e da necessidade de um processamento óptico ou litográfico posterior.

11. Como escolher o dopante InP correto

Para a maioria dos projetos, a selecção de dopantes pode ser abordada através da função elétrica do substrato.

Se o substrato deve fornecer um forte isolamento elétrico, o semi-isolador InP dopado com Fe é geralmente o ponto de partida lógico.

Se o substrato tiver de fornecer condução de tipo N, comparar material dopado com S e material dopado com Sn em função da concentração do transportador, da resistividade e dos requisitos epitaxial.

Se a estrutura requer um substrato de tipo P, o InP dopado com Zn é a escolha convencional.

A decisão deve então ser refinada de acordo com o diâmetro da bolacha, a orientação do cristal, o acabamento da superfície, as tolerâncias mecânicas e os requisitos da estrutura epitaxial.

12. Exemplo InP Wafer RFQ Informações

Um inquérito tecnicamente completo de wafer InP pode parecer assim:

Material: Fosfeto de ínio
Diâmetro: 2", 3", 4" ou diâmetro necessário
Orientação: (100) ou orientação especificada
Conductividade: semi-isolação / tipo N / tipo P
Dopante: Fe / S / Sn / Zn
Concentração de portador: Intervalo exigido para as placas condutoras
Resistividade: Valor exigido para as placas semi-isolantes
Espessura: Valor nominal e tolerância exigidos
Superfície: SSP / DSP / Epi-ready
TTV / Arco / Warp: Limites exigidos
Quantidade: Número de wafers
Aplicação: Laser / detector / PIC / RF / pesquisa / outro dispositivo

O fornecimento da aplicação é particularmente útil porque permite ao fornecedor identificar potenciais conflitos entre o nível de dopante, a geometria da bolacha e o processamento a jusante.

13. Erros de selecção comuns

Um erro comum é solicitar simplesmente uma "wafer InP" sem definir o tipo de condutividade.

Outra é especificar apenas o tipo N, sem indicar se é aceitável a dopagem com enxofre ou estanho.

Para as wafers semi-isolantes, solicitar apenas "Fe-doped" sem definir a resistência elétrica necessária também pode levar a ambiguidade.

Da mesma forma, especificar o material dopado com Zn sem definir a concentração de buraco desejada pode deixar muita variação nas características elétricas.

A abordagem de aquisição mais segura consiste, por conseguinte, em definir primeiro os requisitos dos dispositivos e, em segundo lugar, a química dos dopantes.

Conclusão

Fe, enxofre, estanho e zinco conferem aos substratos InP características eléctricas fundamentalmente diferentes.

O InP dopado com Fe utiliza compensação de nível profundo para criar um substrato semi-isolante de alta resistividade e é adequado para dispositivos onde o isolamento elétrico é importante.

O InP dopado em S fornece condutividade de tipo N e é comumente selecionado quando são necessárias uma concentração relativamente elevada de elétrons e um substrato condutor.

O InP Sn-dopado também fornece condutividade de tipo N e oferece outra janela de concentração de portadores para estruturas de dispositivos que requerem condução de elétrons controlada.

O InP dopado com Zn cria condutividade de tipo P e é usado quando a arquitetura do dispositivo requer um substrato condutor de buracos.

Por conseguinte, não existe um dopante InP universalmente "melhor".

O substrato correto é determinado pela função elétrica necessária, concentração ou resistividade do portador, estrutura epitaxial, processo térmico e arquitetura do dispositivo.

Para a aquisição, a abordagem mais fiável consiste em especificar conjuntamente o tipo de condutividade, o dopante, a concentração ou resistividade do transportador, a orientação cristalina, o diâmetro, a espessura e a condição de polimento.Isto garante que o substrato InP selecionado seja compatível com o processo epitaxial e o dispositivo semicondutor final.