Para os dispositivos de RF, microondas e ondas milimétricas, o substrato não é simplesmente um suporte mecânico.comportamento térmico e condição da superfície podem influenciar diretamente o vazamento do dispositivo, perda de RF, comportamento de decomposição e rendimento epitaxial.

Os Wafers de GaN semi-isolantes são projetados para suprimir a condução elétrica indesejada através do substrato.Sistemas de comunicação por satélite e outros dispositivos de alta frequência que exijam forte isolamento e efeitos parasitários controlados.

No entanto, a aquisição de uma bolacha descrita apenas como GaN semi-isolante é arriscada.Requisitos em matéria de geometria e inspecção das placas.

Este guia explica os parâmetros mais importantes e fornece uma lista de verificação prática de RFQ para a aquisição de semi-isolantesWafers de GaN.

O que é uma bolacha GaN semi-isolante?

Uma bolacha de GaN semi-isolante é um substrato de nitruro de gálio com muito alta resistividade elétrica em comparação com o GaN condutor de tipo N.

O GaN tende naturalmente a mostrar condutividade residual de tipo N devido a impurezas e defeitos nativos.Estes transportadores gratuitos devem ser compensados por aceitadores de nível profundo ou outros mecanismos de defeito controlados..

As abordagens comuns de compensação incluem:

• GaN dopado com ferro, geralmente escrito como Fe
• GaN compensado por carbono
• GaN dopado com manganês em aplicações especializadas ou de investigação
• GaN cuidadosamente controlado, dopado não intencionalmente ou de alta resistência

Essas abordagens não são electricamente idênticas. A concentração e distribuição do dopante podem influenciar a resistividade, a captura do portador, a estabilidade de temperatura e o comportamento dinâmico do dispositivo.Pesquisas que comparam aOs substratos HVPE GaN dopados com C e Mn encontraram níveis de aceitores e características de condução diferentes, confirmando que os compradores não devem tratar todas as wafers semi-isolantes como equivalentes.

Por que os dispositivos de RF exigem um substrato semi-isolante

1Melhoria do isolamento do dispositivo

Dispositivos integrados de RF podem conter múltiplos transistores, componentes passivos e estruturas de transmissão na mesma wafer.Um substrato condutor pode criar caminhos elétricos não intencionais entre componentes.

Um substrato semi-isolante ajuda a isolar dispositivos vizinhos e reduz o vazamento relacionado ao substrato.

2Redução da perda de substrato de RF

Em altas frequências, os caminhos condutores dentro do substrato podem absorver energia de RF e reduzir a eficiência do dispositivo.

No entanto, a resistividade não é o único fator que controla a perda de RF. O tampão epitaxial, a qualidade da interface, a distribuição da armadilha, as propriedades dielétricas e o layout do dispositivo também devem ser considerados.

3Melhor controlo fora de estado.

Uma plataforma de isolamento elétrico suporta um desligamento mais estável do dispositivo e ajuda a reduzir a corrente indesejada que flui através do tampão ou do substrato durante a operação no estado desligado.

Isto é especialmente importante para os HEMT AlGaN/GaN que operam a alta tensão ou alta densidade de potência de RF.

4Homoepitaxia GaN-on-GaN

Um substrato GaN independente permite que as camadas epitaxiais de GaN sejam cultivadas em um cristal GaN nativo em vez de um substrato estranho, como safira, silício ou SiC.

O crescimento de GaN-on-GaN pode reduzir o estresse relacionado ao desajuste da rede e fornecer uma plataforma de menor defeito.

Resistividade: o primeiro parâmetro elétrico a confirmar

A resistência indica a resistência da bolacha à corrente elétrica.

Óm·cm

Uma opção de GaN semi-isolante independente de 2 polegadas atual pode especificar a resistividade acima106 Ω·cm a 300 K. Este deve ser tratado como um exemplo específico do produto, em vez de um padrão da indústria de RF universal.

Ao solicitar dados de resistividade, os compradores devem confirmar:

• Valor mínimo de resistividade
• Temperatura de medição
• Método de medição
• Número e localização dos pontos de medição
• Uniformidade de centro a borda
• Variação de lote para lote
• Comportamento em temperatura elevada
• Dopante ou mecanismo de compensação

Por que um único número de resistividade não é suficiente

Um fornecedor pode comunicar apenas o valor de resistividade mais elevado ou central, mas não indica se a área útil completa satisfaz as especificações eléctricas exigidas.

Para a produção de RF, um mapa de resistividade de wafer completo ou relatório de medição em vários pontos é mais útil do que um resultado de um único ponto central.

Os compradores também devem evitar assumir que a maior resistividade possível produz automaticamente o melhor dispositivo.A dopagem excessiva ou mal controlada pode introduzir a captura de portadores e afetar o desempenho dinâmico do dispositivo..

O que é TDD em uma bolacha de GaN?

TDD significadensidade de deslocamento do rosqueamentoDescreve o número de deslocamentos de roscas que passam por uma área definida do cristal de GaN e é comumente relatado em:

cm−2

Dislocações de roscas podem ser classificadas como:

• Dislocações da borda
• Dislocações de parafusos
• Dislocações mistas

Um TDD mais baixo geralmente fornece uma melhor plataforma para o crescimento epitaxial e pode suportar uma melhor uniformidade da wafer, redução do vazamento e maior confiabilidade do dispositivo.O TDD deve ser avaliado em conjunto com os defeitos de superfície, macrodefeitos, uniformidade do doping e qualidade da estrutura epitaxial subsequente.

Os Wafers GaN independentes geralmente oferecem um TDD menor do que as camadas de GaN cultivadas diretamente em substratos estranhos altamente desajustados.Pesquisas publicadas sobre GaN semi-isolante independente também relatam valores de TDD em torno do nível de 106 cm−2, embora o resultado real dependa da tecnologia de crescimento e da qualidade da bolacha.

Como deve ser medido o TDD?

Os diferentes métodos de inspecção podem produzir resultados diferentes e, por conseguinte, a RFQ deve indicar tanto o limite TDD como o método de medição exigido.

Os métodos comuns incluem:

• Imagem de catodoluminescência
• Medição da densidade do fosso de gravação
• Microscopia eletrônica de transmissão para análise localizada
• Medições da curva de balanço da difração de raios-X
• Mapeamento óptico ou automatizado de defeitos

O XRD FWHM pode fornecer informações úteis sobre a qualidade dos cristais, mas não deve ser automaticamente tratado como um substituto direto da medição TDD.

Pedir ao fornecedor que identifique:

• Método de medição
• Área inspeccionada
• Exclusão da borda
• Padrão de amostragem
• Valores médios e máximos
• Se o resultado é a nível da bolacha ou do lote

Resistividade e TDD devem ser avaliados em conjunto

Uma bolacha pode ter alta resistividade, mas uma densidade de deslocamento inaceitável.

Para aplicações de RF, a seguinte combinação é geralmente mais significativa do que qualquer especificação individual:

GaN independente, modelo de GaN ou Wafer epitaxial de GaN?

Estes produtos são frequentemente confundidos durante a compra.

Substrato de GaN semi-isolante independente

A bolacha mecânica completa é feita principalmente de GaN. Normalmente é produzida usando tecnologias como HVPE e, em seguida, separada da plataforma de crescimento original.

É adequado quando o comprador deseja um substrato nativo de GaN para crescimento homoepitaxial personalizado.

Modelo de GaN semi-isolante

Uma amostra de GaN consiste normalmente numa camada de GaN cultivada em safira, silício ou outro substrato portador.

Os modelos podem ser mais econômicos, mas seu TDD, propriedades térmicas, estresse e comportamento elétrico diferem dos GaN independentes.

GaN RF Wafer Epitaxial

Uma bolacha epitaxial inclui a estrutura da camada do dispositivo, como camadas de nucleação, camadas tampão, canais de GaN, intercamadas de AlN, barreiras de AlGaN e camadas de tampa.

Quando se encomenda uma bolacha epitaxial de RF, deve especificar-se a estrutura da camada completa, para além do substrato.

Especificações principais para uma RF GaN Wafer RFQ

Exemplo de RFQ para um Wafer GaN semi-isolante de 2 polegadas

O seguinte exemplo pode ser enviado a um fornecedor e ajustado de acordo com o processo do dispositivo:

Produto:Substrato de GaN semi-isolante independente
Aplicação:AlGaN/GaN RF HEMT crescimento epitaxial
Diâmetro:50.8 mm.
Orientação:C-plano (0001)
Polaridade da superfície:Cara de Ga-face
Espessura:330 ± 25 μm
Condutividade:Outros aparelhos de ar condicionado
Resistividade:De dimensões superiores a 106 Ω·cm a 300 K
TDD:De peso superior a 20 g/m2, mas não superior a 30 g/m2
TTV:Máximo de 15 μm
Arco:Máximo de 20 μm
Superfície da frente:Polido para epinefrina
Superfície rugosa:Ra inferior a 0,2 nm
Superfície traseira:Finamente moído ou polido
Área utilizável:Mais de 90%
Inspecção:Resistência, TDD, TTV, arco, AFM e relatório de defeito óptico
Quantidade:5 peças para qualificação, seguidas de produção piloto
Embalagem:Container individual de wafer de sala limpa sob nitrogénio

Os valores acima são um exemplo de configuração de aquisição, devendo os limites de aceitação finais ser confirmados de acordo com o reator epitaxial, a estrutura do dispositivo de RF e a qualidade de wafer disponível.

Erros comuns ao comprar

Ordenamento de GaN semisolador sem definir a forma do produto

Um modelo, um substrato independente e uma bolacha de epi acabada são produtos diferentes.

Especificação da resistência sem temperatura

As propriedades elétricas podem mudar com a temperatura. A RFQ deve definir a temperatura de medição, normalmente a partir de 300 K.

Aceitar a TDD sem um método de medição

Dois fornecedores podem utilizar métodos de inspecção diferentes e apresentar resultados não directamente comparáveis.

Ignorar o dopante e o tipo de compensação

Os materiais GaN dopados com Fe, compensados com carbono e outros materiais semi-isolantes podem mostrar diferentes comportamentos de captura e dependência de temperatura.

Concentrar-se apenas na qualidade cristalina

Uma bolacha de baixo TDD ainda pode causar problemas de processamento se sua TTV, arco, rugosidade da superfície ou qualidade da borda não for adequada para o equipamento do cliente.

Salto da qualificação da amostra

Os compradores de RF devem normalmente testar um pequeno lote de qualificação antes de aprovar uma encomenda de produção.

Perguntas Frequentes

Qual a resistividade necessária para um substrato de RF GaN?

Não existe um valor único adequado para todos os dispositivos de RF. Uma especificação superior a 106 Ω·cm a 300 K pode ser utilizada como ponto de partida para determinados produtos GaN autônomos,Mas o requisito final deve ser determinado pela estrutura do dispositivo, frequência, tensão e isolamento.

Uma TDD mais baixa é sempre melhor?

O TDD mais baixo é geralmente desejável, mas não é o único indicador de qualidade.A geometria da bolacha e o processo epitaxial também influenciam o desempenho do dispositivo final.

Qual é a diferença entre o GaN semi-isolante dopado e não dopado?

O GaN dopado com Fe usa níveis de aceitores profundos relacionados ao ferro para compensar os transportadores residuais.Os compradores devem solicitar o método de compensação real e a caracterização elétrica em vez de depender apenas do nome do produto.

O GaN semi-isolante pode ser usado para dispositivos de energia?

Sim, pode ser usado para dispositivos de energia lateral e RF que requerem isolamento do substrato.O GaN condutor de tipo N é geralmente mais adequado para estruturas de dispositivos verticais onde a corrente deve passar através do substrato.

Estão disponíveis bolinhas de GaN semi-isolantes de 4 polegadas?

Os produtos de 2 e 4 polegadas estão disponíveis em fornecedores selecionados, mas a disponibilidade de 4 polegadas, a qualidade, o tempo de entrega e as especificações da área utilizável devem ser confirmadas antes de finalizar o projeto do dispositivo.

A superfície frontal deve ser SSP ou DSP?

Uma superfície polida de lado único preparada para epi é suficiente para muitos processos epitaxial.inspecção óptica ou processamento de dispositivos especializados.

Conclusão

As bolhas de GaN semi-isolantes podem fornecer uma valiosa plataforma de substrato nativo para HEMT de RF, dispositivos de microondas e pesquisa de alta frequência.A aquisição bem-sucedida requer mais do que solicitar uma bolacha de GaN de alta resistência.

Os compradores devem definir na RFQ a forma do produto, a resistividade, o método de compensação, o TDD, a orientação da superfície, a geometria da bolacha, a condição de polimento e o método de inspeção.

Para a cotação e avaliação técnica, fornecer:

• Aplicação e frequência prevista
• Requisito de substrato, modelo ou epi-wafer em pé livre
• Diâmetro e espessura
• Orientação e desvio
• Resistividade mínima
• TDD máximo
• Requisitos de superfície e geometria
• Relatórios de inspecção
• Quantidades de qualificação e de produção

A complete specification allows the supplier to recommend a realistic wafer grade and reduces the risk of receiving material that meets a basic datasheet but does not perform correctly in the RF process.