Yarı yalıtkan silisyum karbür, yüksek frekanslı ve yüksek güçlü RF cihazları için önemli bir alt tabaka malzemesidir çünkü yüksek elektrik direncini yüksek termal iletkenlikle birleştirir.

Esas olarak dikey güç cihazları için kullanılan iletken n-tipi SiC alt tabakalarının aksine, yarı yalıtkan SiC, alt tabaka boyunca parazitik elektrik iletimini bastırmak için tasarlanmıştır. Bu, onu özellikle substrat kaybının kazancı, verimliliği ve frekans performansını doğrudan etkileyebildiği RF, mikrodalga ve yüksek frekanslı cihaz yapıları için uygun hale getirir.

Yarı yalıtımlı SiC malzemeleri arasında tarihsel olarak iki yaklaşım kullanılmıştır:

• Yüksek Saflıkta Yarı Yalıtımlı SiC veya HPSI
• Vanadyum katkılı yarı yalıtımlı SiC

Her ikisi de çok yüksek direnç sağlayabilse de yarı yalıtım davranışını elde etmek için kullanılan mekanizma farklıdır.

RF cihazı mühendisleri ve levha alıcıları için bu fark şunları etkileyebilir:

• Elektriksel kararlılık
• RF kaybı
• Termal davranış
• Derin seviyeli tuzaklar
• Arkadan geçiş efektleri
• Epitaksiyel uyumluluk
• Cihaz güvenilirliği

Bu nedenle substrat seçimi yalnızca dirence göre yapılmamalıdır.

RF Cihazlarının Neden Yarı Yalıtımlı SiC'ye İhtiyacı Var?

Mikrodalga veya milimetre dalga frekanslarında çalışan bir RF cihazı, alt tabakadan istenmeyen akım akışını en aza indirmelidir.

Alt tabaka elektriksel olarak iletkense parazitik kapasitans ve akım yolları RF kayıplarını artırabilir.

Yarı yalıtımlı SiC aynı anda iki önemli özelliği sağlar:

Yüksek elektriksel direnç

Ve

Yüksek termal iletkenlik

Bu kombinasyon özellikle yüksek güçlü RF uygulamaları için caziptir.

Yarı yalıtkan SiC üzerine yapılan araştırmalar, uzun süredir mikrodalga ve yüksek frekanslı elektronikleri temel uygulamalar olarak tanımlamaktadır çünkü malzeme hem düşük kayıplı çalışma için gereken direnci hem de cihaz ısısını dağıtmak için yeterli termal iletkenliği sağlayabilir.

Tipik uygulamalar şunları içerir:

• RF güç amplifikatörleri
• Mikrodalga cihazları
• Radar elektroniği
• Uydu iletişimi
• Telekom altyapısı
• Yüksek frekanslı anahtarlar
• RF ön uç modülleri
• Yüksek güçlü HEMT yapıları
• Yüksek sıcaklık RF elektroniği

Bu uygulamalar için alt tabaka kalitesi yalnızca levha işlemeyi değil aynı zamanda aktif cihazın altındaki elektriksel ortamı da etkiler.

1. HPSI 4H-SiC Nedir?

HPSI şu anlama gelir:

Yüksek Saflıkta Yarı Yalıtımlı Silisyum Karbür

Kasıtlı olarak vanadyum katkılı SiC'nin aksine, HPSI malzemesi genellikle yüksek malzeme saflığı ve kalan sığ safsızlıkları telafi etmek için içsel derin seviye kusurları kullanılarak üretilir.

Güncel ticari4H-SiCHPSI ürünleri, malzemeyi özellikle şu şekilde tanımlar:vanadyum katkılı değil.

Temel amaç, serbest taşıyıcı konsantrasyonunu son derece düşük tutmak, böylece toplu substrat direncinin yüksek kalmasını sağlamaktır.

Yaygın olarak dahil olan kalıntı safsızlıklar şunları içerir:

• Azot
• Bor
• Diğer eser safsızlıklar

İçsel kusurlar, bu artık sığ katkı maddelerini telafi eden derin elektronik seviyeleri ortaya çıkarabilir.

HPSI 4H-SiC üzerine yapılan araştırma, yarı yalıtım davranışına katkıda bulunabilecek kusurlar arasında boşlukla ilgili kusurları, boşlukları ve karbon boşluğu-karbon antisit komplekslerini tanımladı.

Bu dengeleme mekanizması, kasıtlı ağır metal katkısına dayanmadan yüksek dirence izin verir.

2. Vanadyum Katkılı Yarı Yalıtım SiC Nedir?

İkinci yaklaşım, vanadyumun SiC'ye kasıtlı olarak dahil edilmesidir.

Vanadyum, SiC bant aralığının içinde derin enerji seviyeleri üretir.

Bu derin seviyeler elektriksel olarak aktif sığ vericileri ve alıcıları telafi ederek serbest yük taşıyıcılarının sayısını azaltabilir.

Basitleştirilmiş kavram şudur:

Artık donör/alıcı safsızlıkları → derin vanadyum seviyeleri ile telafi edilir → düşük taşıyıcı konsantrasyonu → yüksek direnç

Vanadyum kompanzasyonu uzun yıllardan beri yarı yalıtımlı SiC üretiminde kullanılmaktadır.

Araştırma, vanadyumla ilgili derin alıcı seviyelerini iletim bandı bölgesinin yaklaşık 1 eV altında tanımlamıştır, ancak tam elektriksel davranış vanadyum konsantrasyonuna ve diğer içsel kusurlara bağlıdır.

Ayırt etmek önemlidir:

Vanadyum katkılı

itibaren

4H-SiC

çünkü bunlar iki farklı özelliği tanımlıyor.

Vanadyum telafi/doping yöntemini açıklar.

4H, SiC kristal politipini tanımlar.

Vanadyum katkılı yarı yalıtım malzemesi tarihsel olarak çeşitli SiC politiplerinde mevcuttu. Mevcut bazı ticari yarı yalıtımlı vanadyum katkılı substratlar, örneğin 4H-SiC yerine 6H-SiC olarak sunulmaktadır.

Bu nedenle, bir RFQ her zaman aşağıdaki ikisini de belirtmelidir:

Politip: 4H-SiC

Ve

Yarı izolasyon yöntemi / direnç gereksinimi

sadece "yarı yalıtımlı SiC" istemek yerine.

3. HPSI ve Vanadyum Katkılı SiC

Temel fark, yarı yalıtkan elektriksel davranışın nasıl yaratıldığıdır.

HPSI teknolojisi, kısmen vanadyumun ek derin seviye merkezleri ortaya çıkarması nedeniyle giderek daha önemli hale geldi.

Bu tuzak durumları, özellikle yüksek elektrik alanı veya yüksek sıcaklık koşulları altında cihazın çalışmasıyla etkileşime girebilir.

Araştırma, vanadyum tarafından hapsedilen elektronların termal olarak salınabileceğini ve alan etkili cihaz yapılarında eşik voltajı kayması veya arka geçit gibi etkilere katkıda bulunabileceğini bildirmiştir. Bu, içsel kusura dayalı HPSI malzemesinin giderek daha çekici hale gelmesinin bir nedenidir.

Ancak bu, her vanadyum katkılı alt tabakanın RF kullanımına uygun olmadığı anlamına gelmez.

Doğru karşılaştırma şunları dikkate almalıdır:

• Cihaz yapısı
• RF frekansı
• Çalışma sıcaklığı
• Güç yoğunluğu
• Epitaksiyel yapı
• Tuzak dağıtımı
• Direnç kararlılığı
• Tedarikçi malzeme kalitesi

4. Direnç: En Önemli RF Parametrelerinden Biri

Yarı yalıtımlı SiC için direnç birincil satın alma parametresidir.

Amacı, alt tabakadan akan istenmeyen akımı sınırlamaktır.

Mevcut ticari HPSI 4H-SiC spesifikasyonları tedarikçiye, kaliteye ve ölçüm koşuluna bağlı olarak en az 10⁶–10⁸ Ω·cm aralığında veya daha yüksek değerlere ulaşabilir. Mevcut bir ticari HPSI ürün ailesi, seçilen üretim malzemesi için ≥10⁸ Ω·cm'yi belirtir.

Vanadyum katkılı yarı yalıtım ürünleri de son derece yüksek direnç sergileyebilir.

Örneğin, ticari vanadyum katkılı yarı yalıtımlı SiC malzemelerinin, politip ve ürün spesifikasyonuna bağlı olarak 10⁹ Ω·cm'nin üzerinde dirençli olduğu rapor edilmiştir.

Ancak, iki gofreti yalnızca şu ifadeyle karşılaştırıyoruz:

Direnç >10⁸ Ω·cm

yeterli değildir.

Alıcı ayrıca şunları da sormalıdır:

• Direnç hangi sıcaklıkta ölçüldü?
• Hangi ölçüm yöntemi kullanıldı?
• Değer minimum mu, tipik mi yoksa ortalama mı?
• Direnç levha boyunca aynı mı?
• Yüksek sıcaklıkta işlemden sonra direnç ne kadar kararlıdır?
• Plaka elektriksel olarak aktif derin tuzaklar içeriyor mu?

RF cihazları için,direnç kararlılığıoda sıcaklığının mutlak değeri kadar önemli olabilir.

5. Derin Düzeydeki Kusurlar Neden Önemlidir

Yarı iletken bir levha yüksek ölçülen dirence sahip olabilir ve yine de elektriksel olarak aktif kusurlar içerebilir.

Yarı yalıtımlı SiC, serbest taşıyıcıları bastırmak için derin elektronik seviyelere dayanır.

Ancak derin seviyeler aynı zamanda tuzak görevi de görebilir.

Cihaz mimarisine bağlı olarak tuzaklar aşağıdaki durumlarda taşıyıcıları yakalayabilir veya serbest bırakabilir:

• RF işlemi
• Yüksek alan çalışması
• Isıtma
• Soğutma
• Önyargı değiştirme
• Uzun süreli çalışma

Potansiyel etkiler şunları içerir:

• Mevcut çöküş
• Dinamik direnç değişiklikleri
• Eşik voltajı kayması
• Arka geçit
• RF dağılımı
• Cihaz kararsızlığı

Bu nedenle HPSI ve vanadyum katkılı seçim, hangi levhanın daha yüksek dirence sahip olduğu basit bir soruya indirgenemez.

Yüksek kaliteli bir RF alt katmanının şunları birleştirmesi gerekir:

yüksek direnç + elektriksel stabilite + kontrollü kusurlar + iyi termal özellikler

6. Yarı Yalıtımlı 4H-SiC'deki Kristal Kusurları

RF substrat kalitesi aynı zamanda kristalografik kusurlardan da etkilenir.

Önemli kusur kategorileri şunları içerir:

• Mikro borular
• Diş açma vidası çıkıkları
• Diş kenarı çıkıkları
• Bazal düzlem çıkıkları
• İstifleme hataları
• Politip kapanımlar
• Karbon kalıntıları
• Yüzey çukurları
• Yer altı hasarı

Mikro borular

Mikro borular, büyük Burgers-vektör vida dislokasyonlarıyla ilişkili içi boş çekirdek kusurlarıdır.

Modern SiC kristal büyümesi mikropipe yoğunluğunu önemli ölçüde azaltmış olsa da, bunlar önemli bir tarihsel ve satın alma parametresi olmaya devam ediyor.

RF sınıfı alt tabakalar için alıcıların şunları belirlemesi gerekir:

• Maksimum mikropipe yoğunluğu
• Değerin garantili mi yoksa tipik mi olduğu
• Muayene yöntemi
• Haritalama alanı

Diş Açma Dislokasyonları

Diş açma vidası çıkıkları ve diş açma kenarı çıkıkları sonraki epitaksiyel katmanlara yayılabilir.

Etkileri nihai cihaz tasarımına bağlıdır.

Yalnızca belirtmek yerine:

Düşük dislokasyon yoğunluğu

RFQ, gerekli kusur kategorilerini ve kabul seviyelerini tanımlamalıdır.

7. TTV, RF Yüzeyleri İçin Bile Önemlidir

Yarı yalıtkan SiC'nin elektriksel özellikleri sıklıkla en fazla dikkati çeker, ancak levha geometrisi cihaz imalatı sırasında aynı derecede önemlidir.

TTV'nin anlamı:

Toplam Kalınlık Değişimi

Belirtilen ölçüm alanı içindeki maksimum ve minimum levha kalınlığı arasındaki farkı temsil eder.

Yüksek TTV şu durumlarda sorun yaratabilir:

• Litografi
• Epitaksi
• Gofret kırma
• Arka taraf işleme
• Gofret yapıştırma
• İnceltme
• Metroloji
• Otomatik kullanım

Ticari HPSI alt tabaka spesifikasyonları, aşağıdaki gibi değerlerin olduğunu göstermektedir:TTV ≤10 µmseçilen kaliteler ve levha boyutları için teknik olarak ulaşılabilir olmasına rağmen gerekli değerin her zaman alıcı ve tedarikçi arasında kararlaştırılması gerekir.

SEMI'nin SiC levha standardizasyon çalışması aynı zamanda kalınlığı, toleransı, düzlüğü, yönelimi ve kusurları temel fiziksel alt tabaka özellikleri olarak tanımlar.

8. Yay ve Çözgü

TTV kalınlık değişimini tanımlar ancak levha şeklinin tamamını tanımlamaz.

İki ek parametre önemlidir:

Yay

Ve

Çözgü

Bir levha, hala aşırı küresel deformasyon sergilerken kabul edilebilir bir TTV'ye sahip olabilir.

Bu, levha çapı arttıkça giderek daha önemli hale gelir.

Aşırı çarpıtma aşağıdakilere neden olabilir:

• Robot işleme hataları
• Chucking sorunları
• Odaklanma sorunları
• Kaplamanın düzgün olmaması
• Epitaksiyel düzensizlik
• Denetim hataları

Bu nedenle ciddi bir RF yonga plakası spesifikasyonu normalde şunları içermelidir:

TTV + Yay + Çözgü

tek başına TTV yerine.

9. Yüzey Pürüzlülüğü ve CMP Kalitesi

Yarı yalıtkan bir SiC substratının Si-yüzü normalde sonraki epitaksiyel büyüme için hazırlanır.

Bu nedenle yüzeyin çok düşük pürüzlülüğe ve minimum cila hasarına sahip olması gerekir.

Ticari RF odaklı yarı yalıtımlı SiC substratları, nanometrenin altındaki yüzey pürüzlülüğüne ulaşabilir; mevcut örnekler, seçilen ürünler için pürüzlülüğün yaklaşık 5 Å'nin altında olduğunu belirtmektedir.

Ancak Ra tek başına epi-hazır bir yüzeyi tam olarak tanımlamaz.

Alıcı ayrıca şunları da incelemelidir:

• çizikler
• Çukurlar
• Pus
• Parlatma işaretleri
• Parçacıklar
• Kirlenme
• Yüzey hasarı
• Adım gruplama
• Kenar kusurları

Bir levha, epitaksiyel büyümeyi etkileyen izole edilmiş kusurları içermesine rağmen çok düşük ölçülen Ra'ya sahip olabilir.

10. Si-Face CMP ve Arka Yüzey Kaplaması

RF epitaksi uygulamaları için ön yüzey genellikle silikon yüzdür.

Tipik bir alt tabaka konfigürasyonu şöyle olabilir:

Si-face: CMP, epi-hazır

C yüzü: optik cila veya belirtilen arka yüzey

Kesin yüzey hazırlığı her zaman RFQ'ya dahil edilmelidir.

Örneğin:

Ön: Si-face CMP, epi-hazır
Geri: optik cilalı

Basitçe rica ediyorum:

Çift taraflı cilalı

epitaksi için gereken gerçek CMP kalitesi hakkında yeterli bilgi sağlayamayabilir.

11. Yönelim: Eksen Üstü ve Eksen Dışı

RF yarı yalıtımlı alt tabakalar ile güç cihazı alt tabakaları arasındaki bir diğer önemli fark yönelimdir.

İletken 4H-SiC güç alt katmanları genellikle homoepitaksiyel büyüme için kasıtlı bir eksen dışı yönlendirmeyle sağlanır.

RF yarı yalıtımlı substratlar, özellikle nitrür epitaksi için yabancı substratlar olarak tasarlananlar sıklıkla eksen üzerinde tedarik edilir.

Mevcut ticari HPSI 4H-SiC RF ürünleri, belirli alt tabaka kaliteleri için eksen üstü yönlendirmeleri kullanır.

Bu nedenle RFQ'da aşağıdakiler açıkça belirtilmelidir:

• Politip
• Yüzey düzlemi
• Eksen üstü veya eksen dışı
• Yön toleransı
• Si-yüzü veya C-yüzü

12. Çap Seçimi

Yarı yalıtkan SiC, tarihsel olarak ana akım iletken SiC güç alt katmanlarından daha küçük çaplarda mevcuttu.

Yaygın RF alt tabaka çapları şunları içerir:

• 50,8 mm
• 76,2 mm
• 100 mm
• 150mm

Büyük çaplı geliştirme devam ediyor ancak kullanılabilirlik büyük ölçüde aşağıdakilere bağlı:

• Politip
• Tazminat yöntemi
• Seviye
• Tedarikçi
• Kusur spesifikasyonu

Alıcılar, her n tipi 200 mm SiC spesifikasyonunun otomatik olarak 200 mm HPSI levha olarak mevcut olduğunu varsaymamalıdır.

Örneğin, mevcut ticari ürün bilgileri 100 mm ve 150 mm'lik 4H HPSI tekliflerini gösterirken 200 mm'lik kullanılabilirlik diğer SiC ürün aileleriyle ilişkilendirilebilir.

Bu nedenle cihaz işlemi sonlandırılmadan önce çap bulunabilirliği teyit edilmelidir.

13. Yarı Yalıtımlı 4H-SiC için Tipik RFQ Parametreleri

Profesyonel bir RFQ, çap ve dirençten fazlasını içermelidir.

14. Tedarikçiye Sorulacak Sorular

RF uygulamaları için yarı yalıtımlı SiC sipariş etmeden önce alıcılar şunları sormalıdır:

1. Malzeme HPSI mi yoksa kasıtlı olarak vanadyum katkılı mı?
2. Politip 4H mi yoksa 6H mı?
3. Minimum garanti edilen direnç nedir?
4. Direnç nasıl ölçülür?
5. Direnç sadece oda sıcaklığında mı ölçülür?
6. Gofret çapı nedir?
7. Gofret eksen üzerinde mi?
8. TTV, yay ve çözgü limitleri nelerdir?
9. Mikro boru ve dislokasyon özellikleri nelerdir?
10. Si-face CMP epi-hazır mı?
11. Hangi yüzey pürüzlülüğü garanti edilir?
12. Parçacık ve çizik haritaları mevcut mu?
13. Plaka düzeyinde izlenebilirlik sağlanıyor mu?
14. Muayene sertifikası verilebilir mi?
15. Özelleştirilmiş RF alt tabaka özellikleri desteklenebilir mi?

Bu sorular, farklı alt tabaka tedarikçilerinin tekliflerini karşılaştırmayı kolaylaştırır.

15. HPSI veya Vanadyum Katkılı: Hangisi Seçilmeli?

Her RF cihazı için uygun tek bir özellik yoktur.

Bununla birlikte, modern 4H-SiC RF alt tabaka uygulamaları için HPSI özellikle çekicidir çünkü kasıtlı vanadyum katkısı olmadan çok yüksek direnç sağlayabilir.

Bu, kasıtlı olarak ortaya çıkan derin seviyedeki kirliliğin bir kaynağını ortadan kaldırır ve HPSI'nin gelişmiş RF yapıları için önemli bir maddi platform haline gelmesine yardımcı olur.

Vanadyum katkılı SiC hala mükemmel direnç sağlayabilir ve özellikle yerleşik cihaz platformları ve spesifik alt tabaka/politip kombinasyonları için teknik olarak uygun kalır.

Bu nedenle doğru değerlendirme şunları içermelidir:

direnç

artı

derin düzeyde kararlılık

artı

kristal kalitesi

artı

geometri

artı

yüzey hazırlığı

tek bir sayıya göre bir gofret seçmek yerine.

Çözüm

Yarı yalıtımlı SiC, yalnızca "yüksek dirençli SiC"den daha fazlasıdır.

RF ve mikrodalga cihazları için alt tabaka aşağıdakilerin bir kombinasyonunu sağlamalıdır:

• Yüksek toplu direnç
• Kararlı elektriksel davranış
• Yüksek termal iletkenlik
• Düşük kristal kusur yoğunluğu
• Kontrollü TTV, yay ve çözgü
• Düşük yüzey pürüzlülüğü
• Epi'ye hazır CMP kalitesi
• Güvenilir levha seviyesi denetimi

HPSI 4H-SiC, kasıtlı vanadyum katkısı yerine öncelikle yüksek malzeme saflığı ve içsel derin seviye telafisi yoluyla yarı yalıtım davranışı elde eder.

Vanadyum katkılı SiC, artık taşıyıcıları telafi etmek için kasıtlı olarak derin seviyeler kullanır.

Her iki yaklaşım da yüksek dirençli alt tabakalar oluşturabilir, ancak bunların kusur fiziği ve elektriksel davranışları farklıdır.

RF alt tabaka tedariki için en kullanışlı spesifikasyon bu nedenle basit bir şekilde değildir:

Yarı yalıtımlı 4H-SiC, yüksek direnç

ancak aşağıdakilerin tam bir kombinasyonu:

Politip + Kompanzasyon Yöntemi + Direnç + Kusur Yoğunluğu + TTV + Yay/Çözgü + Yüzey Pürüzlülüğü + CMP Kalitesi + Muayene Kriterleri.

Bu, hem tedarikçiye hem de RF cihazı üreticisine levha kalifikasyonu için net bir teknik temel sağlar.

SSS

SiC levhalarda HPSI ne anlama geliyor?

HPSI, Yüksek Saflıkta Yarı Yalıtım anlamına gelir. Modern 4H-SiC alt katmanlarda, kontrollü malzeme saflığı ve kristale kasıtlı olarak vanadyum ilavesi yapılmadan içsel derin seviye telafisi yoluyla yüksek direnç elde edilebilir.

HPSI vanadyum katkılı SiC ile aynı mıdır?

Hayır. Her iki malzeme de yarı yalıtkan olabilir ancak dengeleme mekanizmaları farklıdır. HPSI genellikle içsel derin seviye kusurlarına ve yüksek saflığa dayanırken, vanadyum katkılı malzeme kasıtlı olarak vanadyumla ilgili derin seviyeleri ortaya çıkarır.

Yarı yalıtkan SiC için hangi direnç gereklidir?

Gerekli değer RF cihazına ve ölçüm koşullarına bağlıdır. Ticari yarı yalıtımlı SiC ürünleri, malzeme türüne, derecesine ve tedarikçiye bağlı olarak yaklaşık 10⁶–10⁸ Ω·cm veya önemli ölçüde daha yüksek direnç belirtebilir. Alıcılar hem minimum direnci hem de ölçüm koşullarını belirtmelidir.

RF için 4H-SiC her zaman 6H-SiC'den daha mı iyidir?

Otomatik olarak değil. Çoklu tip seçimi cihaz mimarisine, epitaksiyel prosese ve kurulu üretim platformuna bağlıdır. Ancak 4H-SiC, yüksek saflıkta yarı yalıtımlı RF substratları için önemli bir ticari platform haline geldi.