Il fosfuro di indio (InP) è un importante composto III-Vsubstrato semiconduttoreutilizzato nelle comunicazioni ottiche, nei circuiti integrati fotonici, nell'elettronica ad alta velocità, nella rilevazione a infrarossi, nei laser, nei fotorilevatori e nei sistemi di rilevamento avanzati. I substrati commerciali di InP sono disponibili in diverse configurazioni elettriche, tra cui materiale semi-isolante e wafer intenzionalmente drogati di tipo N o P. I portafogli di prodotti commerciali attuali includono comunemente substrati di InP drogati con zolfo, stagno, zinco e semi-isolanti.

Per ingegneri e team di acquisto, la selezione del corretto wafer di InP non è semplicemente una questione di scegliere un diametro e un orientamento cristallino. Il drogante influenza fortemente la concentrazione dei portatori, la resistività, l'isolamento elettrico, la progettazione dei contatti, la compatibilità epitassiale e, in definitiva, l'architettura del dispositivo.

Questa guida confronta l'InP semi-isolante drogato con Fe, l'InP di tipo N drogato con S, l'InP di tipo N drogato con Sn e l'InP di tipo P drogato con Zn, con particolare attenzione a come ciascun materiale debba essere selezionato per applicazioni semiconduttrici e fotoniche.

Perché l'InP viene drogato?

I cristalli semiconduttori puri raramente si comportano come materiali intrinseci ideali nella produzione pratica. Impurità residue e difetti nativi introducono portatori elettrici, mentre il drogaggio intenzionale consente ai produttori di controllare la conduttività in modo prevedibile.

Per un substrato di InP, il drogaggio può essere utilizzato per raggiungere tre obiettivi fondamentalmente diversi.

Il primo è creare un substrato semi-isolante ad alta resistività, dove la conduzione elettrica attraverso il wafer di massa dovrebbe essere minimizzata.

Il secondo è creare un substrato conduttivo di tipo N, dove gli elettroni sono i portatori maggioritari.

Il terzo è creare un substrato conduttivo di tipo P, dove le lacune sono i portatori maggioritari.

Fe, S, Sn e Zn, quindi, non rappresentano semplicemente diversi additivi chimici. Creano diverse funzioni elettriche all'interno del cristallo di InP.

Confronto dei droganti per InP

La concentrazione effettiva dei portatori e la resistività dovrebbero sempre essere confermate dalle specifiche del fornitore poiché variano con il metodo di crescita cristallina, la concentrazione del drogante e il grado del wafer di destinazione.

1. InP Semi-isolante Drogato con Fe

L'InP drogato con Fe è fondamentalmente diverso dai wafer convenzionali di tipo N e P.

Il ferro viene introdotto principalmente per creare InP semi-isolante, piuttosto che per produrre un semiconduttore normalmente conduttivo.

Nei tipici cristalli di InP, le impurità donatrici superficiali residue possono rendere il materiale elettricamente conduttivo. Il Fe introduce un livello accettore profondo che può compensare questi donatori residui intrappolando elettroni. Una volta che la compensazione è sufficiente, la concentrazione di portatori liberi diventa molto bassa e il materiale di massa raggiunge un'elevata resistività elettrica. Questo meccanismo di compensazione a livello profondo è la base dell'InP semi-isolante convenzionale drogato con Fe.

Pertanto, è più accurato descrivere l'InP drogato con Fe come materiale semi-isolante compensato piuttosto che trattarlo come un normale substrato di tipo N o P.

Perché usare InP semi-isolante?

Il principale vantaggio dell'InP semi-isolante è l'isolamento elettrico.

In molti dispositivi ad alta frequenza e fotonici, la corrente indesiderata che scorre attraverso il substrato può aumentare l'accoppiamento parassita, le perdite di dispositivo e le perdite elettriche. Un substrato ad alta resistività aiuta a isolare le regioni attive del dispositivo l'una dall'altra.

Ciò rende l'InP semi-isolante drogato con Fe attraente per applicazioni in cui il substrato fornisce principalmente supporto meccanico, adattamento reticolare e isolamento elettrico piuttosto che agire come percorso di corrente a bassa resistenza.

Le applicazioni tipiche possono includere dispositivi ad alta frequenza, circuiti integrati fotonici, strutture di rivelatori e altri dispositivi basati su InP che richiedono un forte isolamento del substrato.

La concentrazione di Fe non è uguale alla concentrazione di portatori liberi

Un importante punto di acquisto è che la concentrazione di Fe non dovrebbe essere interpretata allo stesso modo della concentrazione dei portatori nei materiali drogati con S, Sn o Zn.

Nei wafer conduttivi, la concentrazione dei portatori descrive direttamente il comportamento elettrico del substrato.

Nei wafer semi-isolanti drogati con Fe, i parametri chiave sono più comunemente la resistività, il comportamento di compensazione e l'uniformità elettrica.

La relazione tra la concentrazione di Fe e la resistività dipende anche dall'attivazione del Fe e dalla concentrazione delle impurità residue. Il lavoro sull'InP drogato con Fe di grande diametro ha dimostrato che il controllo della concentrazione e dell'attivazione del Fe è importante per ottenere una resistività elettrica uniforme su tutto il wafer.

Quando si dovrebbe selezionare l'InP drogato con Fe?

Il materiale drogato con Fe dovrebbe generalmente essere considerato quando il dispositivo richiede un substrato con conduzione elettrica di massa molto bassa.

È particolarmente rilevante quando i progettisti di dispositivi desiderano minimizzare le perdite del substrato o isolare elettricamente le strutture attive adiacenti.

Tuttavia, gli acquirenti dovrebbero anche considerare la storia termica dei successivi processi epitassiali e di dispositivo, poiché il comportamento e la ridistribuzione del Fe possono essere importanti in strutture ad alta temperatura esigenti.

Per questo motivo, una specifica di acquisto per InP semi-isolante dovrebbe definire non solo il drogante, ma anche la resistività richiesta e i limiti di qualità del materiale pertinenti.

2. InP di tipo N drogato con S

L'InP drogato con zolfo è una forma comunemente disponibile di substrato di InP di tipo N.

A differenza del Fe, lo zolfo viene utilizzato per fornire intenzionalmente elettroni liberi. Questi elettroni aumentano la conduttività elettrica e rendono il substrato adatto per strutture in cui è desiderabile la conduzione di corrente attraverso il wafer.

Le specifiche commerciali di InP collocano comunemente il materiale drogato con S in intervalli di concentrazione di portatori di tipo N relativamente elevati. Ad esempio, una specifica commerciale di InP elenca il materiale drogato con S nell'intervallo approssimativo di 10¹⁸ cm⁻³, sebbene il valore esatto dipenda dal fornitore del wafer e dal grado del prodotto.

Perché usare InP drogato con S?

I substrati drogati con S sono utili quando la bassa resistenza del substrato e una forte conduttività di tipo N sono importanti.

Ciò può essere prezioso in strutture di dispositivo in cui il substrato fa parte del percorso della corrente elettrica o dove è richiesto un contatto elettrico di tipo N sul retro.

L'InP drogato con S è quindi comunemente associato a strutture optoelettroniche e semiconduttrici cresciute su substrati conduttivi di tipo N.

Un esempio di struttura di fotorilevatore basata su InP pubblicata da Sumitomo Electric utilizza un substrato di InP drogato con S come fondazione di tipo N del dispositivo.

InP drogato con S e alta concentrazione di portatori

Una ragione per cui lo zolfo è attraente è la sua capacità di produrre concentrazioni di elettroni relativamente elevate.

Una maggiore concentrazione di portatori generalmente riduce la resistività, il che può essere utile per i contatti sul retro e i dispositivi a iniezione di corrente.

Tuttavia, un drogaggio più elevato non è automaticamente migliore.

Una concentrazione eccessiva di portatori può influenzare le proprietà elettriche, l'assorbimento ottico, la progettazione epitassiale e il comportamento dei contatti. Il valore corretto dovrebbe quindi essere scelto in base alla struttura del dispositivo piuttosto che specificare semplicemente la concentrazione più alta disponibile.

3. InP di tipo N drogato con Sn

L'InP drogato con stagno è un altro substrato di InP di tipo N commercialmente importante.

Come il drogaggio con zolfo, il drogaggio con Sn fornisce conduttività elettronica, ma i wafer commerciali drogati con Sn sono spesso forniti in finestre di concentrazione dei portatori diverse.

Una specifica commerciale rappresentativa elenca l'InP drogato con Sn con concentrazioni di portatori che vanno dalla regione superiore di 10¹⁷ cm⁻³ all'intervallo di 10¹⁸ cm⁻³, mentre il materiale drogato con S dello stesso fornitore si estende ulteriormente nell'intervallo di 10¹⁸ cm⁻³ elevato. Questi valori sono specifici del fornitore ma illustrano che il drogaggio con S e Sn non sono necessariamente specifiche intercambiabili.

Perché scegliere Sn invece di S?

La scelta tra Sn e S dovrebbe normalmente basarsi sulla concentrazione dei portatori richiesta, sulla resistività, sul processo epitassiale e sull'architettura del dispositivo.

Il materiale drogato con Sn può essere attraente quando gli ingegneri richiedono un substrato di InP conduttivo di tipo N ma desiderano un intervallo di concentrazione dei portatori diverso da quello normalmente offerto con materiale pesantemente drogato con S.

Lo stagno è un'impurità donatrice nell'InP, che gli consente di supportare la conduttività di tipo N.

Da una prospettiva di approvvigionamento, è quindi meglio specificare la concentrazione dei portatori o la resistività richiesta piuttosto che chiedere semplicemente se si preferisce S o Sn.

La selezione finale del drogante può quindi essere abbinata ai requisiti elettrici del dispositivo.

4. InP drogato con S rispetto a InP drogato con Sn

Poiché sia lo zolfo che lo stagno producono InP di tipo N, gli acquirenti a volte li considerano equivalenti.

Non dovrebbero essere considerati automaticamente intercambiabili.

Per molti progetti, la prima domanda dovrebbe essere:

Quale concentrazione di elettroni e resistività richiede il dispositivo?

Se è richiesta una concentrazione di portatori di tipo N relativamente elevata, l'InP drogato con S può essere un'opzione adatta.

Se il progetto richiede una finestra di drogaggio di tipo N diversa o più moderata, si può considerare l'InP drogato con Sn.

Il fornitore del substrato dovrebbe anche confermare la compatibilità con il processo epitassiale previsto.

Per dispositivi di alto valore come laser, fotorilevatori e circuiti integrati fotonici, la selezione del substrato dovrebbe idealmente essere coordinata con il fornitore di epitassia piuttosto che essere determinata solo dal reparto acquisti dei wafer.

5. InP di tipo P drogato con Zn

Lo zinco è un drogante standard utilizzato per produrre InP di tipo P.

Invece di aumentare la concentrazione di elettroni della banda di conduzione, lo Zn crea un comportamento accettore e aumenta la concentrazione di lacune.

Le specifiche commerciali offrono comunemente InP drogato con Zn nell'intervallo di concentrazione dei portatori approssimativamente da 10¹⁷ a 10¹⁸ cm⁻³, sebbene gli intervalli effettivi disponibili dipendano fortemente dal produttore e dal grado del wafer.

Perché usare substrati di InP di tipo P?

È necessario un substrato di tipo P nei progetti di dispositivi in cui il wafer sottostante deve far parte di una struttura semiconduttrice di tipo P.

Ciò può essere rilevante in dispositivi fotonici, optoelettronici ed elettronici specializzati in cui la polarità della giunzione o la configurazione del contatto sul retro richiedono materiale di tipo P.

Lo Zn è ampiamente riconosciuto come un'impurità di tipo P nei sistemi semiconduttori basati su InP.

Dovrebbe essere considerato il trattamento termico

Anche il comportamento termico dello Zn è importante.

Lo Zn può ridistribuirsi in condizioni di trattamento termico e il comportamento di diffusione può essere importante in strutture semiconduttrici esposte a temperature elevate.

Per un substrato finito, ciò non crea automaticamente un problema. Tuttavia, se il wafer subirà una crescita epitassiale, diffusione o ricottura impegnative, l'intero processo termico dovrebbe essere considerato quando si determina la concentrazione accettabile di Zn.

6. InP drogato con Fe rispetto a InP di tipo N e P: La Differenza Fondamentale

La distinzione più importante può essere riassunta molto semplicemente.

L'InP semi-isolante drogato con Fe viene selezionato quando si desidera sopprimere la conduzione elettrica attraverso il substrato.

L'InP di tipo N drogato con S o Sn viene selezionato quando si desidera che il substrato conduca elettroni.

L'InP di tipo P drogato con Zn viene selezionato quando il substrato deve fornire conduzione di lacune.

Questa distinzione dovrebbe essere determinata dall'architettura elettrica del dispositivo prima che vengano finalizzati altri parametri del wafer.

La selezione del tipo di conduttività errato può rendere un wafer altrimenti di alta qualità completamente inadatto per uno specifico processo di dispositivo.

7. Concentrazione dei portatori rispetto alla Resistività

La concentrazione dei portatori e la resistività sono strettamente correlate ma non dovrebbero essere trattate come specifiche identiche.

Per i wafer conduttivi di tipo N e P, la concentrazione dei portatori è spesso uno dei parametri di acquisto elettrici più importanti.

Ad esempio, un acquirente può specificare:

InP drogato con S di tipo N con un intervallo di concentrazione di elettroni target.

Oppure:

InP drogato con Zn di tipo P con un intervallo di concentrazione di lacune definito.

Per l'InP semi-isolante, tuttavia, la specifica più rilevante è tipicamente la resistività di massa poiché l'obiettivo è sopprimere la conduzione dei portatori liberi.

Una chiara richiesta di offerta (RFQ) dovrebbe quindi utilizzare il parametro elettrico che meglio si adatta al tipo di materiale piuttosto che applicare lo stesso formato di specifica a ogni wafer di InP.

8. Selezione del drogante e crescita epitassiale

La maggior parte dei substrati di InP non viene utilizzata come wafer nudi nel dispositivo finale.

Invece, servono come substrati di crescita per strutture epitassiali come InGaAs, InGaAsP, InAlAs o altri materiali III-V adattati reticolare.

Il drogaggio del substrato può influenzare il modo in cui viene progettato il dispositivo epitassiale completo.

Ad esempio, i substrati conduttivi di tipo N possono semplificare il contatto elettrico sul retro in alcune strutture di dispositivo, mentre i substrati semi-isolanti possono fornire isolamento elettrico per dispositivi integrati lateralmente.

I substrati di tipo P possono essere selezionati quando la polarità del dispositivo richiesta o la sequenza degli strati epitassiali li rendono vantaggiosi.

Per questo motivo, il drogaggio del substrato dovrebbe essere determinato insieme alla progettazione degli strati epitassiali.

9. Non selezionare un wafer di InP solo per il drogante

Anche dopo aver selezionato il corretto tipo di drogaggio, devono essere definiti diversi parametri aggiuntivi del wafer.

Una richiesta di offerta di produzione dovrebbe normalmente specificare diametro, spessore, orientamento cristallino, tipo di conduttività, drogante, concentrazione dei portatori o resistività, condizione della superficie, configurazione di lucidatura, TTV, bow, warp, requisiti di difetti e quantità.

I substrati commerciali di InP sono disponibili in più diametri e i fornitori attuali offrono prodotti da piccoli wafer di ricerca a formati di produzione più grandi. AXT, ad esempio, elenca attualmente diametri di substrati di InP da 2 pollici a 6 pollici e offre opzioni di drogaggio con zolfo, stagno, zinco e semi-isolante.

Lo sviluppo di grandi diametri è particolarmente importante perché la geometria del wafer, l'uniformità della resistività e il controllo dei difetti cristallini diventano sempre più difficili all'aumentare del diametro del substrato.

10. Finitura superficiale: SSP vs DSP

Il drogaggio elettrico è solo una parte della specifica del substrato.

I wafer di InP possono anche essere forniti con diverse condizioni superficiali.

SSP, o wafer lucidati su un lato, hanno una superficie principale lucidata.

DSP, o wafer lucidati su entrambi i lati, hanno entrambe le superfici lucidate.

I wafer lucidati pronti per l'epitassia richiedono una preparazione superficiale attentamente controllata perché la qualità della superficie del substrato influisce direttamente sulla successiva crescita epitassiale.

I fornitori commerciali di InP utilizzano tecniche di metrologia ottica e superficiale per controllare la qualità dei wafer lucidati prima dell'imballaggio.

La corretta configurazione di lucidatura dipende dal flusso di processo, dai requisiti di ispezione e se è necessaria una lavorazione ottica o litografica sul retro.

11. Come scegliere il corretto drogante per InP

Per la maggior parte dei progetti, la selezione del drogante può essere affrontata attraverso la funzione elettrica del substrato.

Se il substrato deve fornire un forte isolamento elettrico, l'InP semi-isolante drogato con Fe è solitamente il punto di partenza logico.

Se il substrato deve fornire conduzione di tipo N, confrontare il materiale drogato con S e Sn in base alla concentrazione dei portatori, alla resistività e ai requisiti epitassiali.

Se la struttura richiede un substrato di tipo P, l'InP drogato con Zn è la scelta convenzionale.

La decisione dovrebbe quindi essere affinata in base al diametro del wafer, all'orientamento cristallino, alla finitura superficiale, alle tolleranze meccaniche e ai requisiti della struttura epitassiale.

12. Esempio di informazioni per una richiesta di offerta di wafer di InP

Un'indagine tecnicamente completa sui wafer di InP potrebbe essere la seguente:

Materiale: Fosfuro di indio
Diametro: 2", 3", 4" o diametro richiesto
Orientamento: (100) o orientamento specificato
Conduttività: Semi-isolante / Tipo N / Tipo P
Drogante: Fe / S / Sn / Zn
Concentrazione dei portatori: Intervallo richiesto per wafer conduttivi
Resistività: Valore richiesto per wafer semi-isolanti
Spessore: Valore nominale e tolleranza richiesti
Superficie: SSP / DSP / Epi-ready
TTV / Bow / Warp: Limiti richiesti
Quantità: Numero di wafer
Applicazione: Laser / rivelatore / PIC / RF / ricerca / altro dispositivo

Fornire l'applicazione è particolarmente utile perché consente al fornitore di identificare potenziali conflitti tra il livello di drogaggio, la geometria del wafer e la lavorazione a valle.

13. Errori comuni di selezione

Un errore comune è richiedere semplicemente un "wafer di InP" senza definire il tipo di conduttività.

Un altro è specificare solo di tipo N senza indicare se il drogaggio con zolfo o stagno è accettabile.

Per i wafer semi-isolanti, richiedere solo "drogato con Fe" senza definire la resistività elettrica richiesta può anche portare ad ambiguità.

Allo stesso modo, specificare materiale drogato con Zn senza definire la concentrazione di lacune desiderata può lasciare troppa variazione nelle caratteristiche elettriche.

L'approccio di acquisto più sicuro è quindi definire prima i requisiti del dispositivo e poi la chimica del drogante.

Conclusione

Fe, zolfo, stagno e zinco conferiscono ai substrati di InP caratteristiche elettriche fondamentalmente diverse.

L'InP drogato con Fe utilizza la compensazione a livello profondo per creare un substrato semi-isolante ad alta resistività ed è adatto per dispositivi in cui l'isolamento elettrico è importante.

L'InP drogato con S fornisce conduttività di tipo N ed è comunemente selezionato quando sono richiesti concentrazione di elettroni relativamente elevata e un substrato conduttivo.

L'InP drogato con Sn fornisce anch'esso conduttività di tipo N e offre un'altra finestra di concentrazione dei portatori per strutture di dispositivo che richiedono conduzione di elettroni controllata.

L'InP drogato con Zn crea conduttività di tipo P ed è utilizzato quando l'architettura del dispositivo richiede un substrato conduttore di lacune.

Pertanto, non esiste un drogante per InP universalmente "migliore".

Il substrato corretto è determinato dalla funzione elettrica richiesta, dalla concentrazione dei portatori o dalla resistività, dalla struttura epitassiale, dal processo termico e dall'architettura del dispositivo.

Per l'approvvigionamento, l'approccio più affidabile è specificare contemporaneamente il tipo di conduttività, il drogante, la concentrazione dei portatori o la resistività, l'orientamento cristallino, il diametro, lo spessore e la condizione di lucidatura. Ciò garantisce che il substrato di InP selezionato sia compatibile sia con il processo epitassiale che con il dispositivo semiconduttore finale.