Per i dispositivi RF, a microonde e a onde millimetriche, il substrato non è semplicemente un supporto meccanico. L'isolamento elettrico, la qualità dei cristalli, il comportamento termico e le condizioni della superficie possono influenzare direttamente le perdite del dispositivo, la perdita RF, il comportamento ai guasti e la resa epitassiale.

I wafer GaN semiisolanti sono progettati per sopprimere la conduzione elettrica indesiderata attraverso il substrato. Sono sempre più presi in considerazione per HEMT GaN, amplificatori di potenza RF, moduli radar, sistemi di comunicazione satellitare e altri dispositivi ad alta frequenza che richiedono un forte isolamento ed effetti parassiti controllati.

Tuttavia, l’acquisto di un wafer descritto solo come “GaN semi-isolante” è rischioso. Gli acquirenti devono inoltre definire la resistività, la densità di dislocazione della filettatura, il metodo di compensazione, l'orientamento della superficie, la geometria del wafer e i requisiti di ispezione.

Questa guida spiega i parametri più importanti e fornisce una pratica lista di controllo RFQ per l'approvvigionamento di semiisolantiWafer GaN.

Cos'è un wafer GaN semiisolante?

Un wafer GaN semiisolante è un substrato di nitruro di gallio con resistività elettrica molto elevata rispetto al GaN conduttivo di tipo N.

Il GaN tende naturalmente a mostrare una conduttività residua di tipo N a causa di impurità e difetti nativi. Per ottenere un comportamento semi-isolante, questi portatori liberi devono essere compensati da accettori di livello profondo o altri meccanismi di difetto controllati.

Gli approcci retributivi comuni includono:

• GaN drogato con ferro, comunemente scritto come Fe
• GaN compensato con carbonio
• GaN drogato con manganese in applicazioni specializzate o di ricerca
• GaN drogato involontariamente o ad alta resistività attentamente controllato

Questi approcci non sono elettricamente identici. La concentrazione e la distribuzione del drogante possono influenzare la resistività, l'intrappolamento dei portatori, la stabilità della temperatura e il comportamento dinamico del dispositivo. La ricerca che ha confrontato i substrati GaN HVPE drogati con Fe, C e Mn ha rilevato diversi livelli di accettore e caratteristiche di conduzione, confermando che gli acquirenti non dovrebbero trattare ogni wafer semiisolante come equivalente.

Perché i dispositivi RF richiedono un substrato semiisolante

1. Migliore isolamento del dispositivo

I dispositivi integrati RF possono contenere più transistor, componenti passivi e strutture di trasmissione sullo stesso wafer. Un substrato conduttivo può creare percorsi elettrici indesiderati tra i componenti.

Un substrato semi-isolante aiuta a isolare i dispositivi vicini e riduce le perdite legate al substrato.

2. Ridotta perdita di substrato RF

Alle alte frequenze, i percorsi conduttivi all'interno del substrato possono assorbire energia RF e ridurre l'efficienza del dispositivo. L'elevata resistività di massa aiuta a sopprimere queste correnti parassite.

Tuttavia, la resistività non è l’unico fattore che controlla la perdita RF. Devono essere considerati anche il buffer epitassiale, la qualità dell'interfaccia, la distribuzione delle trappole, le proprietà dielettriche e la disposizione del dispositivo.

3. Migliore controllo dello stato OFF

Una piattaforma elettricamente isolante supporta un pinch-off del dispositivo più stabile e aiuta a ridurre il flusso di corrente indesiderata attraverso il buffer o il substrato durante il funzionamento in stato OFF.

Ciò è particolarmente importante per gli HEMT AlGaN/GaN che funzionano ad alta tensione o ad alta densità di potenza RF.

4. Omoepitassia GaN-su-GaN

Un substrato GaN indipendente consente la crescita di strati epitassiali di GaN su un cristallo GaN nativo anziché su un substrato estraneo come zaffiro, silicio o SiC.

La crescita GaN-on-GaN può ridurre lo stress correlato al disadattamento del reticolo e fornire una piattaforma con meno difetti. Il vantaggio finale dipende ancora dalla qualità del substrato, dalla progettazione epitassiale e dalle condizioni di lavorazione.

Resistività: il primo parametro elettrico da confermare

La resistività indica la forza con cui il wafer resiste alla corrente elettrica. Normalmente è espresso in ohm-centimetri:

Ω·cm

Un'attuale opzione GaN semiisolante indipendente da 2 pollici può specificare la resistività di cui sopra10⁶ Ω·cm a 300 K. Questo dovrebbe essere trattato come un esempio specifico del prodotto piuttosto che come uno standard universale del settore RF. Diversi progetti RF possono richiedere valori minimi diversi.

Quando richiedono dati sulla resistività, gli acquirenti devono confermare:

• Valore minimo di resistività
• Misurazione della temperatura
• Metodo di misurazione
• Numero e posizione dei punti di misurazione
• Uniformità da centro a bordo
• Variazione da lotto a lotto
• Comportamento a temperatura elevata
• Dopante o meccanismo di compensazione

Perché un singolo numero di resistività non è sufficiente

Un fornitore può riportare solo il valore di resistività più alto o centrale. Ciò non dimostra se l'intera area utilizzabile soddisfa le specifiche elettriche richieste.

Per la produzione RF, una mappa di resistività dell'intero wafer o un report di misurazione multipunto è più utile di un singolo risultato del punto centrale.

Gli acquirenti dovrebbero anche evitare di dare per scontato che la resistività più elevata possibile produca automaticamente il dispositivo migliore. Un doping profondo eccessivo o scarsamente controllato può introdurre l’intrappolamento del portatore e influenzare le prestazioni dinamiche del dispositivo.

Cos'è il TDD in un wafer GaN?

TDD sta perdensità di dislocazione della filettatura. Descrive il numero di dislocazioni della filettatura che passano attraverso un'area definita del cristallo GaN ed è comunemente riportato in:

cm⁻²

Le dislocazioni della filettatura possono essere classificate come:

• Dislocazioni dei bordi
• Lussazioni delle viti
• Lussazioni miste

Un TDD inferiore generalmente fornisce una piattaforma migliore per la crescita epitassiale e può supportare una migliore uniformità del wafer, perdite ridotte e una maggiore affidabilità del dispositivo. Tuttavia, il TDD deve essere valutato insieme ai difetti superficiali, ai macrodifetti, all'uniformità del drogaggio e alla qualità della successiva struttura epitassiale.

I wafer GaN indipendenti offrono comunemente un TDD inferiore rispetto agli strati GaN cresciuti direttamente su substrati estranei altamente disallineati. La ricerca pubblicata sul GaN semiisolante indipendente riporta anche valori TDD intorno al livello di 10⁶ cm⁻², sebbene il risultato effettivo dipenda dalla tecnologia di crescita e dalla qualità del wafer.

Come dovrebbe essere misurato il TDD?

Metodi di ispezione diversi possono produrre risultati diversi. La RFQ dovrebbe pertanto indicare sia il limite TDD che il metodo di misurazione richiesto.

I metodi comuni includono:

• Imaging a catodoluminescenza
• Misurazione della densità dell'attacco
• Microscopia elettronica a trasmissione per analisi localizzate
• Misurazioni della curva di oscillazione della diffrazione dei raggi X
• Mappatura dei difetti ottica o automatizzata

XRD FWHM può fornire informazioni utili sulla qualità dei cristalli, ma non dovrebbe essere trattato automaticamente come un sostituto diretto della misurazione TDD.

Chiedere al fornitore di identificare:

• Metodo di misurazione
• Zona ispezionata
• Esclusione dei bordi
• Modello di campionamento
• Valori medi e massimi
• Se il risultato è a livello di wafer o di lotto

Resistività e TDD devono essere valutati insieme

Un wafer può avere un'elevata resistività ma una densità di dislocazioni inaccettabile. Può anche avere un TDD basso ma un isolamento elettrico insufficiente.

Per le applicazioni RF, la seguente combinazione è generalmente più significativa di qualsiasi singola specifica:

GaN indipendente, modello GaN o wafer epitassiale GaN?

Questi prodotti vengono spesso confusi in fase di acquisto.

Substrato GaN semiisolante autoportante

Il wafer meccanico completo è costituito principalmente da GaN. Normalmente viene prodotto utilizzando tecnologie come HVPE e quindi separato dalla piattaforma di crescita originale.

È adatto quando l'acquirente desidera un substrato GaN nativo per una crescita omoepitassiale personalizzata.

Modello GaN semiisolante

Un modello GaN è normalmente costituito da uno strato GaN cresciuto su zaffiro, silicio o un altro substrato portante.

I modelli possono essere più economici, ma il loro TDD, le proprietà termiche, lo stress e il comportamento elettrico differiscono da quelli del GaN indipendente.

Wafer epitassiale GaN RF

Un wafer epitassiale include la struttura degli strati del dispositivo, come strati di nucleazione, strati buffer, canali GaN, interstrati AlN, barriere AlGaN e strati cap.

Quando si ordina un wafer epitassiale RF, oltre al substrato è necessario specificare anche la struttura a strati completa.

Specifiche chiave per una richiesta di offerta di wafer GaN RF

Esempio di richiesta di offerta per un wafer GaN semiisolante da 2 pollici

Il seguente esempio può essere inviato a un fornitore e adattato in base al processo del dispositivo:

Prodotto:Substrato GaN semiisolante indipendente
Applicazione:Crescita epitassiale AlGaN/GaN RF HEMT
Diametro:50,8 mm
Orientamento:Piano C (0001)
Polarità della superficie:Ga-faccia
Spessore:330 ± 25 µm
Conduttività:Semiisolante
Resistività:Maggiore di 10⁶ Ω·cm a 300 K
TDD:Meno di 5 × 10⁶ cm⁻²
TTV:Massimo 15 µm
Arco:Massimo 20 µm
Superficie anteriore:Lucidato Epi-ready
Rugosità superficiale:Ra inferiore a 0,2 nm
Superficie posteriore:Macinato fine o lucidato
Area utilizzabile:Maggiore del 90%
Ispezione:Report di resistività, TDD, TTV, bow, AFM e difetti ottici
Quantità:5 pezzi per la qualificazione, seguita dalla produzione pilota
Confezione:Contenitore singolo per wafer per camera bianca sotto azoto

I valori sopra riportati sono un esempio di configurazione di approvvigionamento. I limiti finali di accettabilità devono essere confermati in base al reattore epitassiale, alla struttura del dispositivo RF e alla qualità del wafer disponibile.

Errori comuni negli acquisti

Ordinare il “GaN semiisolante” senza definire la forma del prodotto

Un modello, un substrato indipendente e un wafer epi finito sono prodotti diversi. Indicare sempre quale è richiesto.

Specificare la resistività senza temperatura

Le proprietà elettriche possono cambiare con la temperatura. La richiesta di offerta dovrebbe definire la temperatura di misurazione, normalmente iniziando con 300 K.

Accettare il TDD senza un metodo di misurazione

Due fornitori possono utilizzare metodi di ispezione diversi e riportare risultati che non sono direttamente comparabili.

Ignorando il drogante e il tipo di compensazione

I materiali GaN drogati con Fe, compensati con carbonio e altri materiali semiisolanti possono mostrare diversi comportamenti di intrappolamento e dipendenti dalla temperatura.

Concentrandosi solo sulla qualità del cristallo

Un wafer a basso TDD può comunque causare problemi di lavorazione se il suo TTV, la curvatura, la ruvidità superficiale o la qualità dei bordi non sono adatti all'apparecchiatura del cliente.

Saltare la qualificazione del campione

Gli acquirenti RF normalmente dovrebbero testare un piccolo lotto di qualificazione prima di approvare un ordine di produzione. L'accettazione dei wafer dovrebbe basarsi sia sull'ispezione in entrata che sui risultati effettivi dell'epitassiale o del dispositivo.

Domande frequenti

Quale resistività è richiesta per un substrato RF GaN?

Non esiste un singolo valore adatto a ogni dispositivo RF. Una specifica superiore a 10⁶ Ω·cm a 300 K può essere utilizzata come punto di partenza per alcuni prodotti GaN indipendenti, ma il requisito finale dovrebbe essere determinato dalla struttura del dispositivo, dalla frequenza, dalla tensione e dal target di isolamento.

Un TDD più basso è sempre meglio?

Un TDD inferiore è generalmente auspicabile, ma non è l’unico indicatore di qualità. Anche i difetti superficiali, l'uniformità della resistività, i macrodifetti, la geometria del wafer e il processo epitassiale influenzano le prestazioni del dispositivo finale.

Qual è la differenza tra GaN semiisolante drogato con Fe e non drogato?

Il GaN drogato con Fe utilizza livelli profondi di accettore correlati al ferro per compensare i portatori residui. Il materiale descritto come non drogato o UID può utilizzare altri meccanismi di compensazione. Gli acquirenti dovrebbero richiedere il metodo di compensazione e la caratterizzazione elettrica effettivi invece di fare affidamento solo sul nome del prodotto.

È possibile utilizzare il GaN semiisolante per i dispositivi di potenza?

SÌ. Può essere utilizzato per dispositivi di alimentazione laterale e RF che richiedono l'isolamento del substrato. Il GaN conduttivo di tipo N è generalmente più appropriato per strutture di dispositivi verticali in cui la corrente deve passare attraverso il substrato.

Sono disponibili wafer GaN semiisolanti da 4 pollici?

Sia i prodotti da 2 pollici che quelli da 4 pollici sono disponibili presso fornitori selezionati, ma la disponibilità, la qualità, i tempi di consegna e le specifiche dell'area utilizzabile da 4 pollici devono essere confermati prima che la progettazione del dispositivo sia finalizzata.

La superficie anteriore dovrebbe essere SSP o DSP?

Per molti processi epitassiali è sufficiente una superficie epi-ready lucidata su un solo lato. Potrebbe essere necessaria la lucidatura su entrambi i lati per l'incollaggio, l'allineamento del retro, l'ispezione ottica o la lavorazione di dispositivi specializzati.

Conclusione

I wafer GaN semiisolanti possono fornire una preziosa piattaforma di substrato nativo per HEMT RF, dispositivi a microonde e ricerca ad alta frequenza. Per acquistare con successo non basta semplicemente richiedere un wafer GaN ad alta resistività.

Gli acquirenti devono definire nella richiesta di offerta la forma del prodotto, la resistività, il metodo di compensazione, il TDD, l'orientamento della superficie, la geometria del wafer, le condizioni di lucidatura e il metodo di ispezione.

Per preventivi e valutazioni tecniche fornire:

• Applicazione e frequenza prevista
• Requisiti di substrato indipendente, modello o epi-wafer
• Diametro e spessore
• Orientamento e ritaglio
• Resistività minima
• TDD massimo
• Requisiti di superficie e geometria
• Rapporti di ispezione
• Qualificazione e quantità di produzione

Una specifica completa consente al fornitore di consigliare un grado di wafer realistico e riduce il rischio di ricevere materiale che soddisfa una scheda tecnica di base ma non funziona correttamente nel processo RF.