Για συσκευές RF, μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων, το υπόστρωμα δεν είναι απλώς μια μηχανική υποστήριξη. Η ηλεκτρική του μόνωση, η κρυσταλλική ποιότητα, η θερμική συμπεριφορά και η κατάσταση της επιφάνειας μπορούν να επηρεάσουν άμεσα τη διαρροή της συσκευής, τις απώλειες RF, τη συμπεριφορά διάσπασης και την απόδοση της επιταξιακής ανάπτυξης.

Οι ημιαγώγιμες γκοφρέτες GaN έχουν σχεδιαστεί για να καταστέλλουν την ανεπιθύμητη ηλεκτρική αγωγιμότητα μέσω του υποστρώματος. Θεωρούνται όλο και περισσότερο για GaN HEMTs, ενισχυτές ισχύος RF, μονάδες ραντάρ, συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών και άλλες συσκευές υψηλής συχνότητας που απαιτούν ισχυρή μόνωση και ελεγχόμενα παρασιτικά φαινόμενα.

Ωστόσο, η αγορά μιας γκοφρέτας που περιγράφεται μόνο ως «ημιαγώγιμο GaN» είναι επικίνδυνη. Οι αγοραστές πρέπει επίσης να ορίσουν την ειδική αντίσταση, την πυκνότητα των νηματωδών ατελειών, τη μέθοδο αντιστάθμισης, τον προσανατολισμό της επιφάνειας, τη γεωμετρία της γκοφρέτας και τις απαιτήσεις επιθεώρησης.

Αυτός ο οδηγός εξηγεί τις πιο σημαντικές παραμέτρους και παρέχει μια πρακτική λίστα ελέγχου RFQ για την προμήθεια ημιαγώγιμωνγκοφρετών GaN.

Τι είναι μια ημιαγώγιμη γκοφρέτα GaN;

Μια ημιαγώγιμη γκοφρέτα GaN είναι ένα υπόστρωμα νιτριδίου του γαλλίου με πολύ υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση σε σύγκριση με το αγώγιμο GaN τύπου Ν.

Το GaN τείνει φυσικά να εμφανίζει υπολειμματική αγωγιμότητα τύπου Ν λόγω ακαθαρσιών και εγγενών ελαττωμάτων. Για να επιτευχθεί ημιαγώγιμη συμπεριφορά, αυτοί οι ελεύθεροι φορείς πρέπει να αντισταθμιστούν από αποδέκτες βαθιών επιπέδων ή άλλους ελεγχόμενους μηχανισμούς ελαττωμάτων.

Οι κοινές προσεγγίσεις αντιστάθμισης περιλαμβάνουν:

• GaN με πρόσμιξη σιδήρου, συνήθως γραμμένο ως Fe
• GaN με αντιστάθμιση άνθρακα
• GaN με πρόσμιξη μαγγανίου σε εξειδικευμένες ή ερευνητικές εφαρμογές
• Προσεκτικά ελεγχόμενο μη σκόπιμα προσμίξεων ή GaN υψηλής ειδικής αντίστασης

Αυτές οι προσεγγίσεις δεν είναι ηλεκτρικά ισοδύναμες. Η συγκέντρωση και η κατανομή των προσμίξεων μπορούν να επηρεάσουν την ειδική αντίσταση, την παγίδευση φορέων, τη σταθερότητα της θερμοκρασίας και τη δυναμική συμπεριφορά της συσκευής. Έρευνα που συγκρίνει υποστρώματα HVPE GaN με πρόσμιξη Fe, C και Mn βρήκε διαφορετικά επίπεδα αποδεκτών και χαρακτηριστικά αγωγιμότητας, επιβεβαιώνοντας ότι οι αγοραστές δεν πρέπει να αντιμετωπίζουν κάθε ημιαγώγιμη γκοφρέτα ως ισοδύναμη.

Γιατί οι συσκευές RF απαιτούν ημιαγώγιμο υπόστρωμα

1. Βελτιωμένη μόνωση συσκευής

Οι ολοκληρωμένες συσκευές RF μπορεί να περιέχουν πολλαπλά τρανζίστορ, παθητικά εξαρτήματα και δομές μετάδοσης στην ίδια γκοφρέτα. Ένα αγώγιμο υπόστρωμα μπορεί να δημιουργήσει ακούσιες ηλεκτρικές διαδρομές μεταξύ των εξαρτημάτων.

Ένα ημιαγώγιμο υπόστρωμα βοηθά στη μόνωση των γειτονικών συσκευών και μειώνει τη διαρροή που σχετίζεται με το υπόστρωμα.

2. Μειωμένες απώλειες υποστρώματος RF

Σε υψηλές συχνότητες, οι αγώγιμες διαδρομές εντός του υποστρώματος μπορεί να απορροφήσουν ενέργεια RF και να μειώσουν την απόδοση της συσκευής. Η υψηλή ειδική αντίσταση όγκου βοηθά στην καταστολή αυτών των παρασιτικών ρευμάτων.

Ωστόσο, η ειδική αντίσταση δεν είναι ο μόνος παράγοντας που ελέγχει τις απώλειες RF. Η επιταξιακή στρώση προστασίας, η ποιότητα της διεπιφάνειας, η κατανομή των παγίδων, οι διηλεκτρικές ιδιότητες και η διάταξη της συσκευής πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη.

3. Καλύτερος έλεγχος OFF-State

Μια ηλεκτρικά μονωτική πλατφόρμα υποστηρίζει πιο σταθερό πινάρισμα της συσκευής και βοηθά στη μείωση του ανεπιθύμητου ρεύματος που ρέει μέσω της στρώσης προστασίας ή του υποστρώματος κατά τη λειτουργία OFF-State.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για AlGaN/GaN HEMTs που λειτουργούν σε υψηλή τάση ή υψηλή πυκνότητα ισχύος RF.

4. Ομοεπιταξία GaN-σε-GaN

Ένα αυτόνομο υπόστρωμα GaN επιτρέπει την ανάπτυξη επιταξιακών στρώσεων GaN σε ένα εγγενές κρύσταλλο GaN αντί για ένα ξένο υπόστρωμα όπως ζαφείρι, πυρίτιο ή SiC.

Η ανάπτυξη GaN-σε-GaN μπορεί να μειώσει την τάση που σχετίζεται με την ασυμφωνία πλέγματος και να παρέχει μια πλατφόρμα με λιγότερα ελαττώματα. Το τελικό πλεονέκτημα εξακολουθεί να εξαρτάται από την ποιότητα του υποστρώματος, τον επιταξιακό σχεδιασμό και τις συνθήκες επεξεργασίας.

Ειδική αντίσταση: Η πρώτη ηλεκτρική παράμετρος προς επιβεβαίωση

Η ειδική αντίσταση υποδεικνύει πόσο ισχυρά αντιστέκεται η γκοφρέτα στο ηλεκτρικό ρεύμα. Συνήθως εκφράζεται σε ωμ-εκατοστά:

Ω·cm

Μια τρέχουσα αυτόνομη ημιαγώγιμη γκοφρέτα GaN 2 ιντσών μπορεί να έχει ειδική αντίσταση άνω των10⁶ Ω·cm στους 300 K. Αυτό πρέπει να αντιμετωπίζεται ως παράδειγμα ειδικό για το προϊόν και όχι ως καθολικό πρότυπο της βιομηχανίας RF. Διαφορετικοί σχεδιασμοί RF μπορεί να απαιτούν διαφορετικές ελάχιστες τιμές. 

Κατά την αίτηση δεδομένων ειδικής αντίστασης, οι αγοραστές πρέπει να επιβεβαιώσουν:

• Ελάχιστη τιμή ειδικής αντίστασης
• Θερμοκρασία μέτρησης
• Μέθοδος μέτρησης
• Αριθμός και θέση σημείων μέτρησης
• Ομοιομορφία από το κέντρο προς την άκρη
• Διακύμανση παρτίδας προς παρτίδα
• Συμπεριφορά σε αυξημένη θερμοκρασία
• Ντόπας αντιστάθμισης ή μηχανισμός

Γιατί ένας μόνο αριθμός ειδικής αντίστασης δεν αρκεί

Ένας προμηθευτής μπορεί να αναφέρει μόνο την υψηλότερη ή την κεντρική τιμή ειδικής αντίστασης. Αυτό δεν δείχνει αν η πλήρης χρησιμοποιήσιμη περιοχή πληροί την απαιτούμενη ηλεκτρική προδιαγραφή.

Για παραγωγή RF, ένας χάρτης ειδικής αντίστασης ολόκληρης της γκοφρέτας ή μια αναφορά μέτρησης πολλαπλών σημείων είναι πιο χρήσιμη από ένα μόνο αποτέλεσμα κεντρικού σημείου.

Οι αγοραστές πρέπει επίσης να αποφεύγουν την υπόθεση ότι η υψηλότερη δυνατή ειδική αντίσταση παράγει αυτόματα την καλύτερη συσκευή. Η υπερβολική ή ανεπαρκώς ελεγχόμενη πρόσμιξη βαθιών επιπέδων μπορεί να εισάγει παγίδευση φορέων και να επηρεάσει τη δυναμική απόδοση της συσκευής.

Τι είναι το TDD σε μια γκοφρέτα GaN;

Το TDD σημαίνειπυκνότητα νηματωδών ατελειών. Περιγράφει τον αριθμό των νηματωδών ατελειών που διέρχονται από μια καθορισμένη περιοχή του κρυστάλλου GaN και αναφέρεται συνήθως σε:

cm⁻²

Οι νηματώδεις ατέλειες μπορούν να ταξινομηθούν ως:

• Ατέλειες ακμής
• Βιδωτές ατέλειες
• Μικτές ατέλειες

Ένα χαμηλότερο TDD γενικά παρέχει μια καλύτερη πλατφόρμα για επιταξιακή ανάπτυξη και μπορεί να υποστηρίξει βελτιωμένη ομοιομορφία γκοφρέτας, μειωμένη διαρροή και υψηλότερη αξιοπιστία συσκευής. Ωστόσο, το TDD πρέπει να αξιολογείται μαζί με τα ελαττώματα επιφάνειας, τα μακροσκοπικά ελαττώματα, την ομοιομορφία πρόσμιξης και την ποιότητα της επακόλουθης επιταξιακής δομής.

Οι αυτόνομες γκοφρέτες GaN προσφέρουν συνήθως χαμηλότερο TDD από τις στρώσεις GaN που αναπτύσσονται απευθείας σε ξένα υποστρώματα με υψηλή ασυμφωνία. Δημοσιευμένη έρευνα για αυτόνομο ημιαγώγιμο GaN αναφέρει επίσης τιμές TDD γύρω στο επίπεδο 10⁶ cm⁻², αν και το πραγματικό αποτέλεσμα εξαρτάται από την τεχνολογία ανάπτυξης και την ποιότητα της γκοφρέτας.

Πώς πρέπει να μετράται το TDD;

Διαφορετικές μέθοδοι επιθεώρησης μπορεί να παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα. Το RFQ πρέπει επομένως να δηλώνει τόσο το όριο TDD όσο και την απαιτούμενη μέθοδο μέτρησης.

Κοινές μέθοδοι περιλαμβάνουν:

• Απεικόνιση καθοδικής φωταύγειας
• Μέτρηση πυκνότητας σημείων χάραξης
• Ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης για τοπική ανάλυση
• Μετρήσεις καμπύλης ταλάντωσης περίθλασης ακτίνων Χ
• Οπτική ή αυτοματοποιημένη χαρτογράφηση ελαττωμάτων

Το FWHM του XRD μπορεί να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την κρυσταλλική ποιότητα, αλλά δεν πρέπει να αντιμετωπίζεται αυτόματα ως άμεση αντικατάσταση της μέτρησης TDD.

Ζητήστε από τον προμηθευτή να προσδιορίσει:

• Μέθοδος μέτρησης
• Επιθεωρηθείσα περιοχή
• Αποκλεισμός άκρων
• Μοτίβο δειγματοληψίας
• Μέσες και μέγιστες τιμές
• Εάν το αποτέλεσμα είναι σε επίπεδο γκοφρέτας ή σε επίπεδο παρτίδας

Η ειδική αντίσταση και το TDD πρέπει να αξιολογούνται μαζί

Μια γκοφρέτα μπορεί να έχει υψηλή ειδική αντίσταση αλλά απαράδεκτη πυκνότητα ατελειών. Μπορεί επίσης να έχει χαμηλό TDD αλλά ανεπαρκή ηλεκτρική μόνωση.

Για εφαρμογές RF, ο ακόλουθος συνδυασμός είναι γενικά πιο ουσιαστικός από οποιαδήποτε μεμονωμένη προδιαγραφή:

Αυτόνομο GaN, πρότυπο GaN ή επιταξιακή γκοφρέτα GaN;

Αυτά τα προϊόντα συχνά συγχέονται κατά την αγορά.

Αυτόνομο ημιαγώγιμο υπόστρωμα GaN

Η πλήρης μηχανική γκοφρέτα αποτελείται κυρίως από GaN. Παράγεται συνήθως χρησιμοποιώντας τεχνολογίες όπως το HVPE και στη συνέχεια διαχωρίζεται από την αρχική πλατφόρμα ανάπτυξης.

Είναι κατάλληλο όταν ο αγοραστής θέλει ένα εγγενές υπόστρωμα GaN για προσαρμοσμένη ομοεπιταξιακή ανάπτυξη.

Πρότυπο ημιαγώγιμου GaN

Ένα πρότυπο GaN συνήθως αποτελείται από μια στρώση GaN που αναπτύσσεται σε ζαφείρι, πυρίτιο ή άλλο υπόστρωμα φορέα.

Τα πρότυπα μπορεί να είναι πιο οικονομικά, αλλά το TDD, οι θερμικές ιδιότητες, η τάση και η ηλεκτρική συμπεριφορά τους διαφέρουν από αυτά του αυτόνομου GaN.

Επιταξιακή γκοφρέτα RF GaN

Μια επιταξιακή γκοφρέτα περιλαμβάνει τη δομή της στρώσης συσκευής, όπως στρώσεις πυρήνα, στρώσεις προστασίας, κανάλια GaN, ενδιάμεσες στρώσεις AlN, φράγματα AlGaN και στρώσεις κάλυψης.

Κατά την παραγγελία μιας επιταξιακής γκοφρέτας RF, η πλήρης δομή στρώσεων πρέπει να καθορίζεται εκτός από το υπόστρωμα.

Βασικές προδιαγραφές για RF GaN Wafer RFQ

Παράδειγμα RFQ για ημιαγώγιμη γκοφρέτα GaN 2 ιντσών

Το ακόλουθο παράδειγμα μπορεί να σταλεί σε έναν προμηθευτή και να προσαρμοστεί ανάλογα με τη διαδικασία της συσκευής:

Προϊόν: Αυτόνομο ημιαγώγιμο υπόστρωμα GaN
Εφαρμογή: Επιταξιακή ανάπτυξη AlGaN/GaN RF HEMT
Διάμετρος: 50,8 mm
Προσανατολισμός: Επίπεδο C (0001)
Πολικότητα επιφάνειας: Όψη Ga
Πάχος: 330 ± 25 µm
Αγωγιμότητα: Ημιαγώγιμο
Ειδική αντίσταση: Μεγαλύτερη από 10⁶ Ω·cm στους 300 K
TDD: Λιγότερο από 5 × 10⁶ cm⁻²
TTV: Μέγιστο 15 µm
Τόξο: Μέγιστο 20 µm
Μπροστινή επιφάνεια: Έτοιμο για επιταξιακή ανάπτυξη, γυαλισμένο
Τραχύτητα επιφάνειας: Ra κάτω από 0,2 nm
Πίσω επιφάνεια: Λεπτό τριμμένο ή γυαλισμένο
Χρησιμοποιήσιμη περιοχή: Μεγαλύτερη από 90%
Επιθεώρηση: Αναφορά ειδικής αντίστασης, TDD, TTV, τόξου, AFM και οπτικών ελαττωμάτων
Ποσότητα: 5 τεμάχια για πιστοποίηση, ακολουθούμενη από πιλοτική παραγωγή
Συσκευασία: Ατομικό δοχείο γκοφρέτας σε καθαρό χώρο υπό άζωτο

Οι παραπάνω τιμές αποτελούν παράδειγμα διαμόρφωσης προμήθειας. Τα τελικά όρια αποδοχής πρέπει να επιβεβαιωθούν σύμφωνα με τον επιταξιακό αντιδραστήρα, τη δομή της συσκευής RF και την διαθέσιμη ποιότητα γκοφρέτας.

Συνήθη λάθη αγοράς

Παραγγελία «Ημιαγώγιμο GaN» χωρίς καθορισμό της μορφής του προϊόντος

Ένα πρότυπο, ένα αυτόνομο υπόστρωμα και μια τελική επιταξιακή γκοφρέτα είναι διαφορετικά προϊόντα. Πάντα να δηλώνετε ποιο απαιτείται.

Προσδιορισμός ειδικής αντίστασης χωρίς θερμοκρασία

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες μπορούν να αλλάξουν με τη θερμοκρασία. Το RFQ πρέπει να ορίζει τη θερμοκρασία μέτρησης, συνήθως ξεκινώντας από τους 300 K.

Αποδοχή TDD χωρίς μέθοδο μέτρησης

Δύο προμηθευτές μπορεί να χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους επιθεώρησης και να αναφέρουν αποτελέσματα που δεν είναι άμεσα συγκρίσιμα.

Παράβλεψη τύπου πρόσμιξης και αντιστάθμισης

Υλικά όπως το GaN με πρόσμιξη Fe, το GaN με αντιστάθμιση άνθρακα και άλλα ημιαγώγιμα υλικά GaN μπορούν να εμφανίζουν διαφορετική συμπεριφορά παγίδευσης και συμπεριφορά εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία.

Εστίαση μόνο στην κρυσταλλική ποιότητα

Μια γκοφρέτα με χαμηλό TDD μπορεί ακόμα να προκαλέσει προβλήματα επεξεργασίας εάν το TTV, το τόξο, η τραχύτητα επιφάνειας ή η ποιότητα των άκρων της είναι ακατάλληλα για τον εξοπλισμό του πελάτη.

Παράλειψη πιστοποίησης δειγμάτων

Οι αγοραστές RF πρέπει κανονικά να δοκιμάζουν μια μικρή παρτίδα πιστοποίησης πριν εγκρίνουν μια παραγγελία παραγωγής. Η αποδοχή της γκοφρέτας πρέπει να βασίζεται τόσο στην εισερχόμενη επιθεώρηση όσο και στα πραγματικά αποτελέσματα επιταξιακής ανάπτυξης ή συσκευής.

Συχνές ερωτήσεις

Τι ειδική αντίσταση απαιτείται για ένα υπόστρωμα RF GaN;

Δεν υπάρχει ενιαία τιμή κατάλληλη για κάθε συσκευή RF. Μια προδιαγραφή άνω των 10⁶ Ω·cm στους 300 K μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σημείο εκκίνησης για ορισμένα αυτόνομα προϊόντα GaN, αλλά η τελική απαίτηση πρέπει να καθορίζεται από τη δομή της συσκευής, τη συχνότητα, την τάση και τον στόχο απομόνωσης.

Είναι πάντα καλύτερο ένα χαμηλότερο TDD;

Το χαμηλότερο TDD είναι γενικά επιθυμητό, αλλά δεν είναι ο μόνος δείκτης ποιότητας. Τα ελαττώματα επιφάνειας, η ομοιομορφία ειδικής αντίστασης, τα μακροσκοπικά ελαττώματα, η γεωμετρία της γκοφρέτας και η επιταξιακή διαδικασία επηρεάζουν επίσης την τελική απόδοση της συσκευής.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ημιαγώγιμου GaN με πρόσμιξη Fe και μη προσμίξεων;

Το GaN με πρόσμιξη Fe χρησιμοποιεί αποδέκτες βαθιών επιπέδων που σχετίζονται με τον σίδηρο για να αντισταθμίσει τους υπολειμματικούς φορείς. Το υλικό που περιγράφεται ως μη προσμίξεων ή UID μπορεί να χρησιμοποιεί άλλους μηχανισμούς αντιστάθμισης. Οι αγοραστές πρέπει να ζητούν την πραγματική μέθοδο αντιστάθμισης και την ηλεκτρική χαρακτηρισμό αντί να βασίζονται μόνο στο όνομα του προϊόντος.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ημιαγώγιμο GaN για συσκευές ισχύος;

Ναι. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πλευρικές συσκευές ισχύος και RF που απαιτούν μόνωση υποστρώματος. Το αγώγιμο GaN τύπου Ν είναι γενικά πιο κατάλληλο για κάθετες δομές συσκευών όπου το ρεύμα πρέπει να διέρχεται μέσω του υποστρώματος.

Είναι διαθέσιμες ημιαγώγιμες γκοφρέτες GaN 4 ιντσών;

Τόσο προϊόντα 2 ιντσών όσο και 4 ιντσών είναι διαθέσιμα από επιλεγμένους προμηθευτές, αλλά η διαθεσιμότητα 4 ιντσών, η ποιότητα, ο χρόνος παράδοσης και οι προδιαγραφές χρησιμοποιήσιμης περιοχής πρέπει να επιβεβαιωθούν πριν οριστικοποιηθεί ο σχεδιασμός της συσκευής.

Πρέπει η μπροστινή επιφάνεια να είναι SSP ή DSP;

Μια επιφάνεια γυαλισμένη μονής όψης, έτοιμη για επιταξιακή ανάπτυξη, είναι επαρκής για πολλές επιταξιακές διαδικασίες. Η διπλή όψη γυαλίσματος μπορεί να απαιτείται για συγκόλληση, ευθυγράμμιση πίσω όψης, οπτική επιθεώρηση ή εξειδικευμένη επεξεργασία συσκευής.

Συμπέρασμα

Οι ημιαγώγιμες γκοφρέτες GaN μπορούν να παρέχουν μια πολύτιμη εγγενή πλατφόρμα υποστρώματος για RF HEMTs, συσκευές μικροκυμάτων και έρευνα υψηλής συχνότητας. Η επιτυχής αγορά απαιτεί περισσότερα από την αίτηση για γκοφρέτα GaN υψηλής ειδικής αντίστασης.

Οι αγοραστές πρέπει να ορίσουν τη μορφή του προϊόντος, την ειδική αντίσταση, τη μέθοδο αντιστάθμισης, το TDD, τον προσανατολισμό της επιφάνειας, τη γεωμετρία της γκοφρέτας, την κατάσταση γυαλίσματος και τη μέθοδο επιθεώρησης στο RFQ.

Για προσφορά και τεχνική αξιολόγηση, παρέχετε:

• Εφαρμογή και προοριζόμενη συχνότητα
• Απαίτηση για αυτόνομο υπόστρωμα, πρότυπο ή επιταξιακή γκοφρέτα
• Διάμετρος και πάχος
• Προσανατολισμός και αποκοπή
• Ελάχιστη ειδική αντίσταση
• Μέγιστο TDD
• Απαιτήσεις επιφάνειας και γεωμετρίας
• Εκθέσεις επιθεώρησης
• Ποσότητες πιστοποίησης και παραγωγής

Μια πλήρης προδιαγραφή επιτρέπει στον προμηθευτή να προτείνει μια ρεαλιστική ποιότητα γκοφρέτας και μειώνει τον κίνδυνο λήψης υλικού που πληροί ένα βασικό φύλλο δεδομένων αλλά δεν αποδίδει σωστά στη διαδικασία RF.