Para los dispositivos de RF, microondas y ondas milimétricas, el sustrato no es simplemente un soporte mecánico.El comportamiento térmico y la condición de la superficie pueden influir directamente en la fuga del dispositivo, pérdida de RF, comportamiento de descomposición y rendimiento epitaxial.

Las obleas de GaN semi-isolantes están diseñadas para suprimir la conducción eléctrica no deseada a través del sustrato.Sistemas de comunicación por satélite y otros dispositivos de alta frecuencia que requieren un aislamiento fuerte y efectos parasitarios controlados.

Sin embargo, la compra de una oblea descrita solo como “semi-isolante GaN” es arriesgada.Requisitos de geometría e inspección de las obleas.

Esta guía explica los parámetros más importantes y proporciona una lista de verificación práctica de RFQ para el abastecimiento de semi-aislantesOfras de GaN.

¿Qué es una oblea de GaN semi-isolante?

Una oblea de GaN semi-isolante es un sustrato de nitruro de galio con una muy alta resistividad eléctrica en comparación con el GaN conductor de tipo N.

GaN tiende naturalmente a mostrar conductividad residual de tipo N debido a impurezas y defectos nativos.Estos portadores libres deben compensarse mediante aceptores de nivel profundo u otros mecanismos de defecto controlados..

Los enfoques comunes de compensación incluyen:

• GaN dopado con hierro, comúnmente escrito como Fe
• GaN compensado por carbono
• GaN dopado con manganeso en aplicaciones especializadas o de investigación
• GaN de alta resistividad o dopado involuntariamente, cuidadosamente controlado

Estos enfoques no son eléctricamente idénticos. La concentración y distribución del dopante pueden influir en la resistividad, la captura de portadores, la estabilidad de temperatura y el comportamiento dinámico del dispositivo.Investigación que compara laLos substratos de HVPE GaN dopados con C y Mn encontraron diferentes niveles de aceptor y características de conducción, lo que confirma que los compradores no deben tratar todas las obleas semisolantes como equivalentes.

Por qué los dispositivos de RF requieren un sustrato semi-aislante

1Mejor aislamiento del dispositivo.

Los dispositivos integrados de RF pueden contener múltiples transistores, componentes pasivos y estructuras de transmisión en la misma oblea.Un sustrato conductor puede crear caminos eléctricos no deseados entre componentes.

Un sustrato semi-aislante ayuda a aislar los dispositivos vecinos y reduce las fugas relacionadas con el sustrato.

2Reducción de la pérdida de sustrato de RF

A altas frecuencias, las vías conductoras dentro del sustrato pueden absorber energía de RF y reducir la eficiencia del dispositivo.

Sin embargo, la resistividad no es el único factor que controla la pérdida de RF. El búfer epitaxial, la calidad de la interfaz, la distribución de trampas, las propiedades dieléctricas y la disposición del dispositivo también deben considerarse.

3Mejor control fuera de estado

Una plataforma eléctricamente aislante admite un cierre más estable del dispositivo y ayuda a reducir la corriente no deseada que fluye a través del amortiguador o sustrato durante el funcionamiento en estado OFF.

Esto es especialmente importante para los HEMT AlGaN/GaN que operan a alto voltaje o alta densidad de potencia de RF.

4. Homoepitaxia GaN-sobre-GaN

Un sustrato GaN independiente permite que las capas epitaxiales de GaN se cultiven en un cristal GaN nativo en lugar de un sustrato extraño como zafiro, silicio o SiC.

El crecimiento de GaN sobre GaN puede reducir el estrés relacionado con el desajuste de la rejilla y proporcionar una plataforma con menos defectos.

Resistencia: el primer parámetro eléctrico a confirmar

La resistividad indica la resistencia de la oblea a la corriente eléctrica.

O · cm

Una opción actual de GaN semisolador independiente de 2 pulgadas puede especificar la resistividad por encima de106 Ω·cm a 300 KEsto debe tratarse como un ejemplo específico del producto en lugar de un estándar de la industria de RF universal.

Al solicitar datos de resistividad, los compradores deben confirmar:

• Valor mínimo de la resistividad
• Temperatura de medición
• Método de medición
• Número y ubicación de los puntos de medición
• Uniformidad de centro a borde
• Variación de lote a lote
• Comportamiento a temperatura elevada
• Dopante o mecanismo de compensación

Por qué no basta con un solo número de resistividad

El proveedor podrá indicar únicamente el valor de resistividad más alto o central, pero no indica si la superficie utilizable completa cumple las especificaciones eléctricas requeridas.

Para la producción de RF, un mapa de resistividad de wafer completo o un informe de medición de múltiples puntos es más útil que un solo resultado de punto central.

Los compradores también deben evitar asumir que la resistividad más alta posible produce automáticamente el mejor dispositivo.El uso excesivo o mal controlado de doping a nivel profundo puede introducir la captura de portadores y afectar el rendimiento dinámico del dispositivo..

¿Qué es TDD en una oblea de GaN?

TDD es la abreviatura dedensidad de dislocación del roscadoDescribe el número de dislocaciones de rosca que pasan a través de un área definida del cristal de GaN y se informa comúnmente en:

Cm−2

Las dislocaciones de rosca pueden clasificarse como:

• Dislocaciones de los bordes
• Dislocaciones de los tornillos
• Dislocación mixta

Un TDD más bajo generalmente proporciona una mejor plataforma para el crecimiento epitaxial y puede apoyar una mejor uniformidad de la oblea, una menor fuga y una mayor confiabilidad del dispositivo.El TDD debe evaluarse junto con los defectos de superficie., los macrodefectos, la uniformidad del dopaje y la calidad de la estructura epitaxial posterior.

Las obleas de GaN independientes generalmente ofrecen un TDD más bajo que las capas de GaN cultivadas directamente en sustratos extranjeros altamente incompatibles.Las investigaciones publicadas sobre GaN semi-aislante independiente también informan valores de TDD alrededor del nivel de 106 cm−2, aunque el resultado real depende de la tecnología de crecimiento y de la calidad de la oblea.

¿Cómo se debe medir la TDD?

Los diferentes métodos de inspección pueden producir resultados diferentes, por lo que la RFQ debe indicar tanto el límite de TDD como el método de medición requerido.

Los métodos comunes incluyen:

• Imagen de catodoluminiscencia
• Medición de la densidad del pozo de grabado
• Microscopía electrónica de transmisión para análisis localizado
• Medidas de la curva de oscilación de la difracción de rayos X
• Mapeo óptico o automatizado de defectos

El XRD FWHM puede proporcionar información útil sobre la calidad del cristal, pero no debe considerarse automáticamente un reemplazo directo de la medición del TDD.

Pida al proveedor que identifique:

• Método de medición
• Área inspeccionada
• Exclusión de los bordes
• Modelo de muestreo
• Valores medios y máximos
• Si el resultado es a nivel de obleas o a nivel de lotes

La resistividad y el TDD deben evaluarse juntos

Una oblea puede tener una alta resistividad pero una densidad de dislocación inaceptable. También puede tener un bajo TDD pero insuficiente aislamiento eléctrico.

Para las aplicaciones de RF, la siguiente combinación es generalmente más significativa que cualquier especificación individual:

¿GaN independiente, plantilla de GaN o oblea epitaxial de GaN?

Estos productos a menudo se confunden durante la compra.

Substrato de GaN semi-aislante independiente

La oblea mecánica completa está hecha principalmente de GaN. Normalmente se produce utilizando tecnologías como HVPE y luego se separa de la plataforma de crecimiento original.

Es adecuado cuando el comprador desea un sustrato GaN nativo para el crecimiento homoepitaxial personalizado.

Modelo de GaN semisolante

Una plantilla de GaN consiste normalmente en una capa de GaN cultivada en zafiro, silicio u otro sustrato portador.

Las plantillas pueden ser más económicas, pero su TDD, propiedades térmicas, tensión y comportamiento eléctrico difieren de las de GaN independiente.

GaN RF Wafer epitaxial

Una oblea epitaxial incluye la estructura de la capa del dispositivo, como capas de nucleación, capas de amortiguador, canales de GaN, intercapas de AlN, barreras de AlGaN y capas de tapa.

Cuando se solicite una oblea epitaxial de RF, se debe especificar la estructura completa de la capa además del sustrato.

Especificaciones clave para una RF GaN Wafer RFQ

Ejemplo de RFQ para una oblea de GaN semi-aislante de 2 pulgadas

El siguiente ejemplo puede enviarse a un proveedor y ajustarse de acuerdo con el proceso del dispositivo:

Producto:Substrato de GaN semisolador independiente
Aplicación:Crecimiento epitaxial de HEMT de AlGaN/GaN RF
Diámetro:50.8 mm
Orientación:Planos C (0001)
Polaridad de la superficie:La cara de Ga.
El espesor:330 ± 25 μm
Conductividad:Las demás:
Resistencia:Más de 106 Ω·cm a 300 K
TDD: el tiempo de espera.Más de 5 × 106 cm−2
TTV: ¿ Qué es esto?Máximo 15 μm
Arco:Máximo 20 μm
Superficie delantera:Polido y preparado para epi
Roughness de la superficie:Ra por debajo de 0,2 nm
Superficie trasera:Las demás partidas
Área de uso:Más del 90%
Inspección:Resistencia, TDD, TTV, arco, AFM y informe de defectos ópticos
Cuantidad:5 piezas para la calificación, seguida de la producción piloto
Embalaje:Contenedor de obleas de sala limpia individual bajo nitrógeno

Los valores anteriores son un ejemplo de configuración de adquisición. Los límites de aceptación finales deben confirmarse de acuerdo con el reactor epitaxial, la estructura del dispositivo de RF y el grado de obleas disponible.

Errores comunes al comprar

Ordenar GaN semisolante sin definir la forma del producto

Una plantilla, un sustrato independiente y una oblea de epi terminada son productos diferentes. Siempre indique cuál se requiere.

Especificación de la resistividad sin temperatura

Las propiedades eléctricas pueden cambiar con la temperatura. La RFQ debe definir la temperatura de medición, normalmente a partir de 300 K.

Aceptar el TDD sin un método de medición

Dos proveedores pueden utilizar métodos de inspección diferentes y comunicar resultados que no sean directamente comparables.

Ignorar el dopaje y el tipo de compensación

Los materiales GaN con dopado de Fe, compensados por carbono y otros materiales semi-aislantes pueden mostrar un comportamiento diferente de captura y dependiente de la temperatura.

Centrarse únicamente en la calidad cristalina

Una oblea de bajo TDD puede causar problemas de procesamiento si su TTV, arco, rugosidad de la superficie o calidad de borde no es adecuada para el equipo del cliente.

Salto de la calificación de la muestra

Los compradores de RF deben normalmente probar un pequeño lote de calificación antes de aprobar un pedido de producción.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la resistividad requerida para un sustrato de RF GaN?

No existe un valor único adecuado para todos los dispositivos de RF. Una especificación superior a 106 Ω·cm a 300 K puede utilizarse como punto de partida para ciertos productos GaN independientes,pero el requisito final debe determinarse por la estructura del dispositivo, frecuencia, voltaje y objetivo de aislamiento.

¿Es siempre mejor un TDD más bajo?

En general, es deseable un TDD más bajo, pero no es el único indicador de calidad: defectos de superficie, uniformidad de resistividad, macrodefectos,La geometría de la oblea y el proceso epitaxial también influyen en el rendimiento del dispositivo final.

¿Cuál es la diferencia entre el GaN semisolatorio con Fe y el sin Fe?

El GaN dopado con Fe utiliza niveles de aceptor profundo relacionados con el hierro para compensar los portadores residuales.Los compradores deben solicitar el método de compensación real y la caracterización eléctrica en lugar de confiar sólo en el nombre del producto.

¿Se puede utilizar GaN semisolante para dispositivos de energía?

Sí, puede usarse para dispositivos de energía lateral y RF que requieren aislamiento de sustrato.El GaN conductor de tipo N es generalmente más adecuado para estructuras de dispositivos verticales donde la corriente debe pasar a través del sustrato.

¿Están disponibles las obleas GaN de 4 pulgadas?

Tanto los productos de 2 pulgadas como los de 4 pulgadas están disponibles en proveedores seleccionados, pero la disponibilidad de 4 pulgadas, el grado, el tiempo de entrega y las especificaciones de área utilizable deben confirmarse antes de finalizar el diseño del dispositivo.

¿Debería la superficie frontal ser SSP o DSP?

Para muchos procesos epitaxiales es suficiente con una superficie pulida de un solo lado, preparada para epi, y puede ser necesario un pulido de doble lado para la unión, la alineación posterior,inspección óptica o procesamiento de dispositivos especializados.

Conclusión

Las obleas de GaN semi-aislantes pueden proporcionar una valiosa plataforma de sustrato nativo para HEMT de RF, dispositivos de microondas y investigación de alta frecuencia.La compra exitosa requiere más que solicitar una oblea de GaN de alta resistividad.

Los compradores deben definir en la RFQ la forma del producto, la resistividad, el método de compensación, el TDD, la orientación de la superficie, la geometría de la oblea, el estado de pulido y el método de inspección.

Para las cotizaciones y la evaluación técnica, proporcionar:

• Aplicación y frecuencia prevista
• Requisito de substrato, plantilla o epiwafer en pie independiente
• Diámetro y grosor
• Orientación y corte
• Resistencia mínima
• TDD máximo
• Requisitos de superficie y geometría
• Informes de inspección
• Cantidades de cualificación y producción

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.