Полупроводниковый карбид кремния с полуизолирующими свойствами является важным подложкой для высокочастотных и мощных ВЧ-устройств, поскольку он сочетает в себе высокое электрическое сопротивление с высокой теплопроводностью.

В отличие от проводящих подложек из карбида кремния n-типа, используемых в основном для вертикальных силовых устройств, полуизолирующий карбид кремния разработан для подавления паразитной электрической проводимости через подложку. Это делает его особенно подходящим для ВЧ, СВЧ и высокочастотных структур устройств, где потери в подложке могут напрямую влиять на усиление, эффективность и частотные характеристики.

Среди полуизолирующих материалов из карбида кремния исторически использовались два подхода:

• Высокочистый полуизолирующий карбид кремния, или HPSI
• Полуизолирующий карбид кремния, легированный ванадием

Хотя оба могут обеспечивать очень высокое удельное сопротивление, механизм, используемый для достижения полуизолирующего поведения, различается.

Для инженеров ВЧ-устройств и покупателей пластин это различие может влиять на:

• Электрическая стабильность
• ВЧ-потери
• Тепловое поведение
• Глубокие ловушки
• Эффекты обратного смещения
• Совместимость с эпитаксией
• Надежность устройства

По этой причине выбор подложки не должен основываться только на удельном сопротивлении.

Почему ВЧ-устройствам нужен полуизолирующий карбид кремния

ВЧ-устройство, работающее на микроволновых или миллиметровых частотах, должно минимизировать нежелательный поток тока через подложку.

Если подложка электрически проводящая, паразитная емкость и пути тока могут увеличить ВЧ-потери.

Полуизолирующий карбид кремния одновременно обеспечивает две важные характеристики:

Высокое электрическое сопротивление

Неравномерность покрытия

Оба подхода могут создавать подложки с высоким удельным сопротивлением, но их физика дефектов и электрическое поведение различны.

Эта комбинация особенно привлекательна для мощных ВЧ-приложений.

Исследования полуизолирующего карбида кремния давно определили микроволновые и высокочастотные электронику как ключевые области применения, поскольку материал может обеспечить как сопротивление, необходимое для низких потерь, так и достаточную теплопроводность для рассеивания тепла устройства.

Типичные области применения включают:

• ВЧ-усилители мощности
• Микроволновые устройства
• Радиолокационная электроника
• Спутниковая связь
• Телекоммуникационная инфраструктура
• Высокочастотные переключатели
• ВЧ-модули фронтальной части
• Высокомощные структуры HEMT
• Высокотемпературная ВЧ-электроника

Для этих применений качество подложки влияет не только на обработку пластин, но и на электрическую среду под активным устройством.

1. Что такое HPSI 4H-SiC?

HPSI означает:

Высокочистый полуизолирующий карбид кремния

В отличие от специально легированного ванадием карбида кремния, материал HPSI обычно производится с использованием высокой чистоты материала и собственных дефектов глубокого уровня для компенсации остаточных мелких примесей.

Текущие коммерческие продукты HPSI из 4H-SiC конкретно идентифицируют материал как не легированный ванадием.По оси или указаннаяК распространенным остаточным примесям относятся:АзотБор

Другие следовые примеси

Собственные дефекты могут вводить глубокие электронные уровни, которые компенсируют эти остаточные мелкие легирующие примеси.

• Исследования HPSI 4H-SiC выявили дефекты, связанные с вакансиями, дивакансии и комплексы вакансий углерода-антисайтов углерода среди дефектов, которые могут способствовать полуизолирующему поведению.
• Этот механизм компенсации позволяет достичь высокого удельного сопротивления без использования преднамеренного легирования тяжелыми металлами.
• 2. Что такое полуизолирующий карбид кремния, легированный ванадием?

Второй подход заключается в преднамеренном введении ванадия в карбид кремния.

Ванадий создает глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне карбида кремния.

Эти глубокие уровни могут компенсировать электрически активные мелкие доноры и акцепторы, уменьшая количество свободных носителей заряда.

Упрощенная концепция такова:

Остаточные примеси доноров/акцепторов → компенсируются глубокими уровнями ванадия → низкая концентрация носителей → высокое удельное сопротивление

Компенсация ванадием используется уже много лет для производства полуизолирующего карбида кремния.

Исследования выявили глубокие акцепторные уровни, связанные с ванадием, примерно на 1 эВ ниже области зоны проводимости, хотя точное электрическое поведение зависит от концентрации ванадия и других собственных дефектов.

Важно различать:

Легированный ванадием

от

4H-SiC

поскольку эти термины описывают две разные характеристики.

Ванадий описывает метод компенсации/легирования.

4H описывает политип кристаллической решетки карбида кремния.

По оси или указанная

Поэтому запрос предложения (RFQ) всегда должен указывать оба параметра:

Политип: 4H-SiC

и

Метод полуизоляции / требование к удельному сопротивлению

а не просто запрашивать «полуизолирующий карбид кремния».

3. HPSI против карбида кремния, легированного ванадием

Неравномерность покрытия

Параметр

HPSI 4H-SiC

Карбид кремния, легированный ванадием

Механизм компенсации

Правильное сравнение должно учитывать:

Структура устройства

ВЧ-частота

Рабочая температура

Плотность мощности

• Эпитаксиальная структура
• Распределение ловушек
• Стабильность удельного сопротивления
• Качество материала поставщика
• 4. Удельное сопротивление: один из самых важных ВЧ-параметров
• Для полуизолирующего карбида кремния удельное сопротивление является основным параметром при покупке.
• Его назначение — ограничить нежелательный ток, протекающий через подложку.
• Текущие спецификации коммерческого HPSI 4H-SiC могут достигать значений в диапазоне от 10^6–10^8 Ом·см или выше, в зависимости от поставщика, класса и условий измерения. Одна из текущих коммерческих семейств продуктов HPSI указывает ≥10^8 Ом·см для выбранного производственного материала.

Полуизолирующие продукты, легированные ванадием, также могут демонстрировать чрезвычайно высокое удельное сопротивление.

Например, сообщалось о коммерческих полуизолирующих материалах из карбида кремния, легированных ванадием, с удельным сопротивлением выше 10^9 Ом·см, в зависимости от политипа и спецификации продукта.

Однако сравнение двух пластин только по утверждению:

Удельное сопротивление >10^8 Ом·см

недостаточно.

Покупатель также должен спросить:

При какой температуре измерялось удельное сопротивление?

Какой метод измерения использовался?

Является ли значение минимальным, типичным или средним?

Равномерно ли удельное сопротивление по всей пластине?

• Насколько стабильно удельное сопротивление после высокотемпературной обработки?
• Содержит ли пластина электрически активные глубокие ловушки?
• Для ВЧ-устройств стабильность удельного сопротивления может быть столь же важна, как и абсолютное значение при комнатной температуре.
• 5. Почему важны дефекты глубокого уровня
• Полупроводниковая пластина может иметь высокое измеренное удельное сопротивление и при этом содержать электрически активные дефекты.
• Полуизолирующий карбид кремния полагается на глубокие электронные уровни для подавления свободных носителей.

Однако глубокие уровни также могут действовать как ловушки.В зависимости от архитектуры устройства ловушки могут захватывать или высвобождать носители во время:ВЧ-работы

Работы при высоком поле

Нагрева

Охлаждения

Переключения смещения

Длительной работы

• Потенциальные эффекты включают:
• Коллапс тока
• Динамические изменения сопротивления
• Сдвиг порогового напряжения
• Обратное смещение
• Дисперсия ВЧ-сигнала

Нестабильность устройства

• Вот почему выбор между HPSI и легированным ванадием нельзя свести к простому вопросу о том, какая пластина имеет более высокое сопротивление.
• Высококачественная ВЧ-подложка должна сочетать в себе:
• высокое удельное сопротивление + электрическая стабильность + контролируемые дефекты + хорошие тепловые свойства
• 6. Кристаллические дефекты в полуизолирующем 4H-SiC
• Качество ВЧ-подложки также зависит от кристаллографических дефектов.
• Важные категории дефектов включают:

Микротрубки

Проникающие винтовые дислокации

Проникающие краевые дислокации

Дислокации базисной плоскости

Дефекты упаковки

Включения политипов

• Метод инспекции
• Поверхностные ямки
• Подповерхностные повреждения
• Микротрубки
• Микротрубки — это дефекты с полым ядром, связанные с винтовыми дислокациями с большим вектором Бюргерса.
• Хотя современный рост кристаллов карбида кремния значительно снизил плотность микротрубок, они остаются важным историческим и покупательским параметром.
• Для подложек ВЧ-класса покупатели должны определить:
• Максимальная плотность микротрубок
• Является ли значение гарантированным или типичным

Метод инспекции

Область картирования

Проникающие дислокации

Проникающие винтовые и краевые дислокации могут распространяться в последующие эпитаксиальные слои.

• Их эффект зависит от окончательной конструкции устройства.
• Вместо того чтобы указывать только:
• Низкая плотность дислокаций
• RFQ должен определять требуемые категории дефектов и уровни приемки.

7. TTV важен даже для ВЧ-подложек

Электрические свойства часто привлекают наибольшее внимание к полуизолирующему карбиду кремния, но геометрия пластины одинаково важна во время изготовления устройства.

TTV означает:

Общий перепад толщины

Он представляет собой разницу между максимальной и минимальной толщиной пластины в пределах указанной области измерения.

Высокий TTV может создавать проблемы во время:

Литографии

Эпитаксии

Зажима пластины

Обработки тыльной стороны

Склейки пластин

Утончения

• Метрологии
• Автоматизированной обработки
• Спецификации коммерческих подложек HPSI демонстрируют, что значения, такие как TTV ≤10 мкм, технически достижимы для выбранных классов и размеров пластин, хотя требуемое значение всегда должно быть согласовано между покупателем и поставщиком.
• Работа по стандартизации пластин SiC SEMI также определяет толщину, допуск, плоскостность, ориентацию и дефекты как фундаментальные физические характеристики подложки.
• 8. Прогиб и коробление
• TTV описывает перепад толщины, но не описывает полную форму пластины.
• Важны два дополнительных параметра:
• Прогиб

иКороблениеПластина может иметь приемлемый TTV, но при этом демонстрировать чрезмерную глобальную деформацию.

Это становится все более важным с увеличением диаметра пластины.

Чрезмерное коробление может вызвать:

Ошибки при работе робота

Проблемы с зажимом

Плотность микротрубок

Неравномерность покрытия

Плотность дислокаций

Ошибки инспекции

Поэтому серьезная спецификация ВЧ-пластины обычно должна содержать:

TTV + Прогиб + Коробление

• а не только TTV.
• 9. Шероховатость поверхности и качество CMP
• Кремниевая сторона полуизолирующей подложки из карбида кремния обычно подготавливается для последующего эпитаксиального роста.
• Поверхность должна иметь очень низкую шероховатость и минимальные повреждения от полировки.
• Коммерческие полуизолирующие подложки из карбида кремния, ориентированные на ВЧ, могут достигать шероховатости поверхности менее нанометра; текущие примеры указывают шероховатость ниже примерно 5 Å для выбранных продуктов.
• Однако только Ra не полностью описывает поверхность, готовую к эпитаксии.

Покупатель также должен проверить:

Царапины

Ямки

Мутность

Следы полировки

Частицы

Загрязнение

Повреждение поверхности

Ступенчатое скопление

• Дефекты края
• Пластина может иметь очень низкое измеренное значение Ra, но при этом содержать отдельные дефекты, влияющие на эпитаксиальный рост.
• 10. CMP кремниевой стороны и финишная обработка тыльной стороны
• Для применений ВЧ-эпитаксии передняя поверхность обычно является кремниевой стороной.
• Упаковка
• Кремниевая сторона: CMP, готова к эпитаксии
• Углеродная сторона: оптическая полировка или указанная финишная обработка тыльной стороны
• Точная подготовка поверхности всегда должна быть включена в RFQ.
• Например:

Передняя сторона: кремниевая сторона CMP, готова к эпитаксии

Тыльная сторона: оптически полированная

Простое указание:

Двусторонняя полировка

может не предоставить достаточной информации о фактическом качестве CMP, необходимом для эпитаксии.

11. Ориентация: по оси против вне оси

Еще одно важное отличие между полуизолирующими ВЧ-подложками и подложками для силовых устройств заключается в ориентации.

Проводящие подложки из 4H-SiC для силовых устройств обычно поставляются с преднамеренной внеосевой ориентацией для гомоэпитаксиального роста.

ВЧ-полуизолирующие подложки, особенно предназначенные в качестве иностранных подложек для эпитаксии нитридов, часто поставляются поосевыми.
Текущие коммерческие продукты HPSI 4H-SiC для ВЧ-применений используют поосевые ориентации для определенных классов подложек.

Поэтому RFQ должен четко указывать:

Политип

Плоскость поверхности

По оси или вне оси

Допуск ориентации

Кремниевая или углеродная сторона

12. Выбор диаметра

Полуизолирующий карбид кремния исторически был доступен в меньших диаметрах, чем основные проводящие подложки из карбида кремния для силовых устройств.

Распространенные диаметры ВЧ-подложек включают:

• Ориентация
• 76,2 мм
• 100 мм
• 150 мм
• Разработка больших диаметров продолжается, но доступность сильно зависит от:

Политип

Метод компенсации

Класс

• Поставщик
• Спецификация дефектов
• Покупатели не должны предполагать, что каждая спецификация 200-мм SiC n-типа автоматически доступна в виде 200-мм пластины HPSI.
• Например, информация о текущих коммерческих продуктах показывает предложения 4H HPSI диаметром 100 мм и 150 мм, в то время как доступность 200 мм может быть связана с другими семействами продуктов SiC.

По этой причине доступность диаметра следует подтвердить перед окончательным утверждением процесса изготовления устройства.

• Ориентация
• Профессиональный RFQ должен содержать больше, чем просто диаметр и удельное сопротивление.
• Параметр
• Рекомендуемая информация RFQ
• Материал

Монокристаллический SiC

Политип

4H-SiC

Электрический тип

Полуизолирующий

Является ли пластина поосевой?

Каковы пределы TTV, прогиба и коробления?

1. Каковы спецификации микротрубок и дислокаций?
2. Готова ли кремниевая сторона CMP к эпитаксии?
3. Какая шероховатость поверхности гарантируется?
4. Доступны ли карты частиц и царапин?
5. Предоставляется ли прослеживаемость на уровне пластины?
6. Может ли быть предоставлен сертификат инспекции?
7. Могут ли быть поддержаны индивидуальные спецификации ВЧ-подложек?
8. Эти вопросы облегчают сравнение предложений от разных поставщиков подложек.
9. 15. HPSI или легированный ванадием: что выбрать?
10. Не существует единой спецификации, подходящей для каждого ВЧ-устройства.
11. Однако для современных применений ВЧ-подложек из 4H-SiC HPSI особенно привлекателен, поскольку он может обеспечить очень высокое удельное сопротивление без преднамеренного легирования ванадием.
12. Это устраняет один источник преднамеренно введенных примесей глубокого уровня и помогло HPSI стать важной материальной платформой для передовых ВЧ-структур.
13. Карбид кремния, легированный ванадием, по-прежнему может обеспечивать превосходное удельное сопротивление и остается технически актуальным, особенно для устоявшихся платформ устройств и конкретных комбинаций подложек/политипов.
14. Правильная оценка должна поэтому включать:
15. удельное сопротивление

плюс

стабильность глубоких уровней

плюс

кристаллическое качество

плюс

геометрия

плюс

подготовка поверхности

Высокая теплопроводность

Заключение

Высокая теплопроводность

Для ВЧ и СВЧ-устройств подложка должна обеспечивать сочетание:

Высокая теплопроводность

Стабильное электрическое поведение

Высокая теплопроводность

Низкая плотность кристаллических дефектов

Контролируемые TTV, прогиб и коробление

Низкая шероховатость поверхности

Качество CMP, готовое к эпитаксии

Надежная инспекция на уровне пластины

• HPSI 4H-SiC достигает полуизолирующего поведения в основном за счет высокой чистоты материала и собственной компенсации глубоких уровней, а не преднамеренного легирования ванадием.
• Легированный ванадием карбид кремния использует преднамеренно введенные глубокие уровни для компенсации остаточных носителей.
• Оба подхода могут создавать подложки с высоким удельным сопротивлением, но их физика дефектов и электрическое поведение различны.
• Для закупки ВЧ-подложек наиболее полезной спецификацией является поэтому не просто:
• Полуизолирующий 4H-SiC, высокое удельное сопротивление
• а полная комбинация:
• Политип + Метод компенсации + Удельное сопротивление + Плотность дефектов + TTV + Прогиб/Коробление + Шероховатость поверхности + Качество CMP + Критерии инспекции.
• Это предоставляет как поставщику, так и производителю ВЧ-устройств четкую техническую основу для квалификации пластин.

FAQ

Что означает HPSI в пластинах из карбида кремния?

HPSI означает High-Purity Semi-Insulating (высокочистый полуизолирующий). В современных подложках из 4H-SiC высокое удельное сопротивление может быть достигнуто за счет контролируемой чистоты материала и собственной компенсации глубоких уровней без преднамеренного легирования кристалла ванадием.

Является ли HPSI тем же самым, что и карбид кремния, легированный ванадием?

Нет. Оба материала могут быть полуизолирующими, но механизмы компенсации различны. HPSI обычно полагается на собственные дефекты глубокого уровня и высокую чистоту, в то время как материал, легированный ванадием, преднамеренно вводит глубокие уровни, связанные с ванадием.

Какое удельное сопротивление требуется для полуизолирующего карбида кремния?

Требуемое значение зависит от ВЧ-устройства и условий измерения. Коммерческие полуизолирующие продукты из карбида кремния могут указывать удельное сопротивление от примерно 10^6–10^8 Ом·см или значительно выше, в зависимости от типа материала, класса и поставщика. Покупатели должны указывать как минимальное удельное сопротивление, так и условия измерения.

Всегда ли 4H-SiC лучше 6H-SiC для ВЧ?

Не автоматически. Выбор политипа зависит от архитектуры устройства, эпитаксиального процесса и устоявшейся производственной платформы. Однако 4H-SiC стал важной коммерческой платформой для высокочистых полуизолирующих ВЧ-подложек.