Для ВЧ, СВЧ и миллиметровых устройств подложка — это не просто механическая опора. Ее электрическая изоляция, качество кристалла, тепловое поведение и состояние поверхности могут напрямую влиять на утечку тока устройства, ВЧ-потери, пробой и выход годных эпитаксиальных слоев.

Полуизолирующие подложки из GaN разработаны для подавления нежелательной электрической проводимости через подложку. Они все чаще рассматриваются для GaN HEMT, ВЧ-усилителей мощности, радиолокационных модулей, спутниковых систем связи и других высокочастотных устройств, требующих сильной изоляции и контролируемых паразитных эффектов.

Однако покупка подложки, описанной только как «полуизолирующий GaN», рискованна. Покупатели также должны определить удельное сопротивление, плотность дислокаций прорастания, метод компенсации, ориентацию поверхности, геометрию подложки и требования к инспекции.

Данное руководство объясняет наиболее важные параметры и предоставляет практический контрольный список для запроса коммерческого предложения (RFQ) на поставку полуизолирующих подложек из GaN.Что такое полуизолирующая подложка из GaN?Полуизолирующая подложка из GaN — это подложка из нитрида галлия с очень высоким удельным электрическим сопротивлением по сравнению с проводящим GaN N-типа.

GaN естественным образом имеет остаточную проводимость N-типа из-за примесей и собственных дефектов. Для достижения полуизолирующего поведения эти свободные носители должны быть скомпенсированы глубокими акцепторными уровнями или другими контролируемыми механизмами дефектов.

Общие подходы к компенсации включают:

GaN, легированный железом, обычно обозначаемый как Fe

GaN, компенсированный углеродом

• GaN, легированный марганцем, в специализированных или исследовательских приложениях
• Тщательно контролируемый непреднамеренно легированный GaN или GaN с высоким удельным сопротивлением
• Эти подходы не являются электрически идентичными. Концентрация и распределение легирующей примеси могут влиять на удельное сопротивление, захват носителей, температурную стабильность и динамическое поведение устройства. Исследования, сравнивающие подложки HVPE GaN, легированные Fe, C и Mn, выявили различные акцепторные уровни и характеристики проводимости, подтверждая, что покупатели не должны рассматривать каждую полуизолирующую подложку как эквивалентную.
• Почему ВЧ-устройства требуют полуизолирующей подложки

1. Улучшенная изоляция устройства

Интегрированные ВЧ-устройства могут содержать несколько транзисторов, пассивных компонентов и линий передачи на одной подложке. Проводящая подложка может создавать непреднамеренные электрические пути между компонентами.

Полуизолирующая подложка помогает изолировать соседние устройства и снижает утечку, связанную с подложкой.

2. Снижение ВЧ-потерь в подложке

На высоких частотах проводящие пути внутри подложки могут поглощать ВЧ-энергию и снижать эффективность устройства. Высокое объемное удельное сопротивление помогает подавлять эти паразитные токи.

Однако удельное сопротивление — не единственный фактор, контролирующий ВЧ-потери. Также необходимо учитывать эпитаксиальный буфер, качество интерфейса, распределение ловушек, диэлектрические свойства и топологию устройства.

3. Лучший контроль в выключенном состоянии

Электрически изолирующая платформа обеспечивает более стабильное отсечение транзистора и помогает уменьшить нежелательный ток, протекающий через буфер или подложку во время работы в выключенном состоянии.

Это особенно важно для AlGaN/GaN HEMT, работающих при высоком напряжении или высокой плотности ВЧ-мощности.

4. Гомоэпитаксия GaN на GaN

Свободностоящая подложка из GaN позволяет выращивать эпитаксиальные слои GaN на родном кристалле GaN вместо чужеродной подложки, такой как сапфир, кремний или SiC.

Выращивание GaN на GaN может снизить напряжение, связанное с несоответствием решеток, и обеспечить платформу с меньшим количеством дефектов. Окончательное преимущество по-прежнему зависит от качества подложки, конструкции эпитаксиального слоя и условий обработки.

Удельное сопротивление: первый электрический параметр для подтверждения

Удельное сопротивление показывает, насколько сильно подложка сопротивляется электрическому току. Обычно оно выражается в ом-сантиметрах:

Ω·cm

Один 2-дюймовый свободностоящий полуизолирующий GaN может иметь удельное сопротивление выше

10⁶ Ω·cm при 300 K

. Это следует рассматривать как пример для конкретного продукта, а не как универсальный стандарт ВЧ-индустрии. Различные ВЧ-конструкции могут требовать разных минимальных значений. При запросе данных об удельном сопротивлении покупатели должны подтвердить:Минимальное значение удельного сопротивления

Температуру измерения

• Метод измерения
• Количество и расположение точек измерения
• Исключение края
• Разброс от партии к партии
• Поведение при повышенной температуре
• Легирующую примесь или механизм компенсации
• Почему одного значения удельного сопротивления недостаточно
• Поставщик может указать только самое высокое или центральное значение удельного сопротивления. Это не показывает, удовлетворяет ли вся полезная площадь требуемым электрическим характеристикам.

Для ВЧ-производства карта удельного сопротивления всей подложки или отчет о многоточечных измерениях более полезны, чем результат одного измерения в центре.

Покупателям также следует избегать предположения, что максимально возможное удельное сопротивление автоматически дает лучший результат. Чрезмерное или плохо контролируемое легирование глубокими уровнями может привести к захвату носителей и повлиять на динамическое поведение устройства.

Что такое TDD в подложке GaN?

TDD означает

плотность дислокаций прорастания

. Она описывает количество дислокаций прорастания, проходящих через определенную площадь кристалла GaN, и обычно сообщается в:cm⁻²Дислокации прорастания могут быть классифицированы как:

Краевые дислокации

Винтовые дислокации

• Смешанные дислокации
• Более низкое значение TDD обычно обеспечивает лучшую платформу для эпитаксиального роста и может способствовать улучшению однородности подложки, снижению утечки и повышению надежности устройства. Тем не менее, TDD необходимо оценивать совместно с поверхностными дефектами, макродефектами, однородностью легирования и качеством последующей эпитаксиальной структуры.
• Свободностоящие подложки из GaN обычно имеют более низкое TDD, чем слои GaN, выращенные непосредственно на сильно несогласованных чужеродных подложках. Опубликованные исследования свободностоящего полуизолирующего GaN также сообщают о значениях TDD около 10⁶ см⁻², хотя фактический результат зависит от технологии роста и класса подложки.

Как следует измерять TDD?

Различные методы инспекции могут давать разные результаты. Поэтому в RFQ следует указывать как предел TDD, так и требуемый метод измерения.

Общие методы включают:

Катодолюминесцентная визуализация

Измерение плотности травильных ямок

• Просвечивающая электронная микроскопия для локального анализа
• Измерение качающихся кривых рентгеновской дифракции
• Оптическое или автоматизированное картирование дефектов
• Ширина на полувысоте (FWHM) по данным XRD может предоставить полезную информацию о качестве кристалла, но ее не следует автоматически рассматривать как прямую замену измерению TDD.
• Попросите поставщика указать:

Метод измерения

Исследуемая область

• Исключение края
• Шаблон выборки
• Средние и максимальные значения
• Является ли результат на уровне подложки или на уровне партии
• Удельное сопротивление и TDD должны оцениваться совместно
• Подложка может иметь высокое удельное сопротивление, но недопустимую плотность дислокаций. Она также может иметь низкое TDD, но недостаточную электрическую изоляцию.

Для ВЧ-применений следующая комбинация обычно более значима, чем любое отдельное спецификационное требование:

Параметр

Что он контролирует

Свободностоящая полуизолирующая подложка из GaN

Полная механическая подложка состоит в основном из GaN. Обычно она производится с использованием таких технологий, как HVPE, а затем отделяется от исходной платформы роста.

Она подходит, когда покупатель хочет родную подложку из GaN для индивидуального гомоэпитаксиального роста.

Полуизолирующий GaN-шаблон

GaN-шаблон обычно состоит из слоя GaN, выращенного на сапфире, кремнии или другой подложке-носителе.

Шаблоны могут быть более экономичными, но их TDD, тепловые свойства, напряжение и электрическое поведение отличаются от таковых у свободностоящего GaN.

GaN ВЧ эпитаксиальная подложка

Эпитаксиальная подложка включает структуру слоя устройства, такую как нуклеационные слои, буферные слои, каналы GaN, интерслои AlN, барьеры AlGaN и capping-слои.

При заказе ВЧ эпитаксиальной подложки, в дополнение к подложке, должна быть указана полная структура слоя.

Ключевые спецификации для RF GaN подложки RFQ

Пункт RFQ

Информация для указания

Продукт:

Свободностоящая полуизолирующая подложка из GaN

Применение: Эпитаксиальный рост AlGaN/GaN RF HEMT
Диаметр: 50,8 мм
Ориентация: C-плоскость (0001)
Полярность поверхности: Ga-грань
Толщина: 330 ± 25 µm
Проводимость: Полуизолирующая
Удельное сопротивление: Более 10⁶ Ω·cm при 300 K
TDD: Менее 5 × 10⁶ см⁻²
TTV: Максимум 15 µm
Коробление: Максимум 20 µm
Передняя поверхность: Полированная, готовая к эпитаксии
Шероховатость поверхности: Ra ниже 0,2 нм
Задняя поверхность: Мелко шлифованная или полированная
Полезная площадь: Более 90%
Инспекция: Отчет об удельном сопротивлении, TDD, TTV, коробление, AFM и оптических дефектах
Количество: 5 штук для квалификации, затем пилотное производство
Упаковка: Индивидуальный контейнер для подложки в чистом помещении под азотом
Приведенные выше значения являются примером конфигурации закупки. Окончательные пределы приемки должны быть подтверждены в соответствии с эпитаксиальным реактором, структурой ВЧ-устройства и доступным классом подложки.Распространенные ошибки при покупке

Заказ «полуизолирующего GaN» без определения формы продукта

Шаблон, свободностоящая подложка и готовая эпитаксиальная подложка — это разные продукты. Всегда указывайте, какой из них требуется.

Указание удельного сопротивления без температуры

Электрические свойства могут изменяться с температурой. RFQ должен определять температуру измерения, обычно начиная с 300 K.

Принятие TDD без метода измерения

Два поставщика могут использовать разные методы инспекции и сообщать результаты, которые не являются напрямую сопоставимыми.

Игнорирование типа легирующей примеси и компенсации

Легированный Fe, компенсированный углеродом и другие полуизолирующие материалы GaN могут демонстрировать различное поведение захвата и зависимость от температуры.

Фокусировка только на качестве кристалла

Подложка с низким TDD все еще может вызывать проблемы при обработке, если ее TTV, коробление, шероховатость поверхности или качество края не подходят для оборудования заказчика.

Пропуск квалификации образцов

RF-покупатели обычно должны тестировать небольшую квалификационную партию перед утверждением производственного заказа. Приемка подложки должна основываться как на входном контроле, так и на фактических результатах эпитаксии или устройства.

Часто задаваемые вопросы

Какое удельное сопротивление требуется для RF GaN подложки?

Не существует единого значения, подходящего для каждого ВЧ-устройства. Спецификация выше 10⁶ Ω·cm при 300 K может использоваться в качестве отправной точки для некоторых свободностоящих продуктов GaN, но окончательное требование должно определяться структурой устройства, частотой, напряжением и целевым уровнем изоляции.

Всегда ли более низкое TDD лучше?

Более низкое TDD обычно желательно, но это не единственный показатель качества. Поверхностные дефекты, однородность удельного сопротивления, макродефекты, геометрия подложки и процесс эпитаксии также влияют на конечную производительность устройства.

В чем разница между полуизолирующим GaN, легированным железом, и нелегированным полуизолирующим GaN?

В легированном железом GaN используются глубокие акцепторные уровни, связанные с железом, для компенсации остаточных носителей. Материал, описанный как нелегированный или UID, может использовать другие механизмы компенсации. Покупатели должны запрашивать фактический метод компенсации и электрическую характеристику вместо того, чтобы полагаться только на название продукта.

Можно ли использовать полуизолирующий GaN для силовых устройств?

Да. Он может использоваться для латеральных силовых и ВЧ-устройств, требующих изоляции подложки. Проводящий GaN N-типа обычно более подходит для вертикальных структур устройств, где ток должен проходить через подложку.

Доступны ли 4-дюймовые полуизолирующие подложки GaN?

Продукты как на 2, так и на 4 дюйма доступны у выбранных поставщиков, но доступность 4-дюймовых подложек, их класс, сроки поставки и спецификации полезной площади должны быть подтверждены до окончательного утверждения конструкции устройства.

Должна ли передняя поверхность быть SSP или DSP?

Односторонне полированная поверхность, готовая к эпитаксии, достаточна для многих эпитаксиальных процессов. Двусторонняя полировка может потребоваться для склейки, выравнивания с обратной стороны, оптической инспекции или специализированной обработки устройства.

Заключение

Полуизолирующие подложки GaN могут обеспечить ценную родную платформу для RF HEMT, СВЧ-устройств и высокочастотных исследований. Успешная покупка требует большего, чем просто запрос подложки GaN с высоким удельным сопротивлением.

Покупатели должны определить форму продукта, удельное сопротивление, метод компенсации, TDD, ориентацию поверхности, геометрию подложки, состояние полировки и метод инспекции в RFQ.

Для коммерческого предложения и технической оценки предоставьте:

Применение и предполагаемая частота

Требование к свободностоящей подложке, шаблону или эпитаксиальной подложке

• Диаметр и толщина
• Ориентация и угол отклонения
• Минимальное удельное сопротивление
• Максимальное TDD
• Требования к поверхности и геометрии
• Отчеты об инспекции
• Квалификационные и производственные объемы
• Полная спецификация позволяет поставщику рекомендовать реалистичный класс подложки и снижает риск получения материала, который соответствует базовому техническому описанию, но не работает должным образом в ВЧ-процессе.