Le phosphure d'indium (InP) est un composé III-V importantsous-produit de semi-conducteursutilisés dans les communications optiques, les circuits intégrés photoniques, l'électronique à grande vitesse, la détection infrarouge, les lasers, les photodétecteurs et les systèmes de détection avancés.Les substrats InP commerciaux sont disponibles dans plusieurs configurations électriques, y compris les matériaux semi-isolateurs et les plaquettes de type N ou de type P intentionnellement dopées.Substrats InP dopés au zinc et semi-isolants.

Pour les ingénieurs et les équipes d'achat, le choix de la bonne plaque InP n'est pas simplement une question de choix du diamètre et de l'orientation cristalline.résistance, l'isolation électrique, la conception des contacts, la compatibilité épitaxielle et finalement l'architecture du dispositif.

Ce guide compare l'InP semi-isolateur dopé Fe, l'InP de type N dopé S, l'InP de type N dopé Sn et l'InP de type P dopé Zn,avec une attention particulière à la manière dont chaque matériau doit être sélectionné pour les applications de semi-conducteurs et photoniques.

Pourquoi l'InP est-elle dopée?

Les cristaux semi-conducteurs purs se comportent rarement comme des matériaux intrinsèques idéaux dans la production pratique.alors que le dopage intentionnel permet aux fabricants de contrôler la conductivité de manière prévisible.

Pour un substrat InP, le dopage peut être utilisé pour atteindre trois objectifs fondamentalement différents.

La première consiste à créer un substrat semi-isolateur à haute résistivité, où la conduction électrique à travers la plaquette en vrac doit être minimisée.

La seconde consiste à créer un substrat conducteur de type N, où les électrons sont les porteurs majoritaires.

Le troisième est de créer un substrat conducteur de type P, où les trous sont les principaux porteurs.

Fe, S, Sn et Zn ne représentent donc pas simplement des additifs chimiques différents.

Comparaison des substances dopantes

La concentration et la résistivité réelles du porteur doivent toujours être confirmées dans les spécifications du fournisseur, car elles varient selon la méthode de croissance du cristal, la concentration de dopant et la qualité cible de la gaufre.

1. InP semi-isolant à base de féthylène

L'InP dopé en Fe est fondamentalement différent des plaquettes conventionnelles de type N et de type P.

Le fer est introduit principalement pour créer un InP semi-isolateur, plutôt que pour produire un semi-conducteur normalement conductrice.

Dans les cristaux InP typiques, les impuretés donatrices résiduelles peu profondes peuvent rendre le matériau électriquement conducteur.Le Fe introduit un niveau d'accepteur profond qui peut compenser ces donneurs résiduels en piégeant des électronsUne fois que la compensation est suffisante, la concentration des transporteurs libres devient très faible et le matériau en vrac obtient une résistivité électrique élevée.Ce mécanisme de compensation à niveau profond est à la base des semi-isolants InP conventionnels dopés en Fe..

Par conséquent, il est plus exact de décrire l'InP dopé en Fe comme un semi-isolant compensé plutôt que de le traiter comme un substrat ordinaire de type N ou de type P.

Pourquoi utiliser l'INP semi-isolant?

Le principal avantage de l'InP semi-isolateur est l'isolation électrique.

Dans de nombreux appareils à haute fréquence et photoniques, le courant indésirable circulant à travers le substrat peut augmenter l'accouplement parasitaire, la fuite du dispositif et la perte électrique.Un substrat à haute résistivité aide à isoler les régions actives du dispositif les unes des autres.

Cela rend l'InP semi-isolant dopé en Fe attrayant pour les applications où le substrat fournit principalement un support mécanique,correspondance de réseau et isolation électrique plutôt que d'agir comme une trajectoire de courant à faible résistance.

Les applications typiques peuvent inclure des dispositifs à haute fréquence, des circuits intégrés photoniques, des structures de détecteurs et d'autres dispositifs basés sur InP nécessitant une forte isolation du substrat.

La concentration de Fe n'est pas la même que la concentration du transporteur libre

Un point d'achat important est que la concentration de Fe ne doit pas être interprétée de la même manière que la concentration de support dans le matériau dopé S, Sn ou Zn.

Dans les plaquettes conductrices, la concentration du porteur aide directement à décrire le comportement électrique du substrat.

Dans les plaquettes semi-isolantes dopées en Fe, les paramètres clés sont le plus souvent la résistivité, le comportement de compensation et l'uniformité électrique.

La relation entre la concentration de Fe et la résistivité dépend également de l'activation du Fe et de la concentration des impuretés résiduelles.Les travaux sur les InP dopés de Fe de grand diamètre ont montré que le contrôle de la concentration et de l'activation de Fe est important pour obtenir une résistivité électrique uniforme à travers la plaque.

Quand choisir une injection de Fe-dopage?

Le matériel dopé en Fe doit généralement être considéré lorsque le dispositif nécessite un substrat à très faible conductivité électrique en vrac.

Il est particulièrement pertinent lorsque les concepteurs de dispositifs souhaitent minimiser les fuites de substrat ou isoler électriquement les structures actives voisines.

Cependant, les acheteurs devraient également prendre en compte l'historique thermique du traitement épitaxial et du dispositif ultérieur, car le comportement et la redistribution du Fe peuvent être importants dans les structures à haute température exigeantes.

Pour cette raison, une spécification d'achat de semi-isolants InP devrait définir non seulement le dopant, mais aussi la résistivité requise et les limites de qualité des matériaux.

2. S-dopé InP de type N

L'InP dopé au soufre est une forme couramment disponible de substrat InP de type N.

Contrairement au Fe, le soufre est utilisé pour fournir intentionnellement des électrons libres.Ces électrons augmentent la conductivité électrique et rendent le substrat approprié pour les structures où la conduction du courant à travers la gaufre est souhaitable.

Les spécifications commerciales de l'INP placent généralement le matériau dopé en S dans des plages de concentration de transporteurs de type N relativement élevées.une spécification commerciale InP énumère le matériau dopé S dans une plage approximative de 1018 cm−3, bien que la valeur exacte dépende du fournisseur et de la qualité du produit.

Pourquoi utiliser de l' INP S-Dopé?

Les substrats dopés en S sont utiles lorsque la faible résistance du substrat et la forte conductivité de type N sont importantes.

Cela peut être utile dans les structures de dispositifs où le substrat fait partie du chemin du courant électrique ou où un contact électrique arrière de type N est requis.

L'InP S-dopé est donc généralement associé à des structures optoélectroniques et semi-conducteurs cultivées sur des substrats conducteurs de type N.

Un exemple d'une structure de photodétecteur basée sur InP publié par Sumitomo Electric utilise un substrat InP dopé S comme fondement de type N de l'appareil.

InP S-dopé et forte concentration de porteur

L'une des raisons pour lesquelles le soufre est attrayant est sa capacité à produire des concentrations d'électrons relativement élevées.

Une concentration plus élevée de support réduit généralement la résistivité, ce qui peut être utile pour les contacts arrière et les dispositifs d'injection de courant.

Cependant, un dopage plus élevé n'est pas automatiquement meilleur.

Une concentration excessive de support peut influencer les propriétés électriques, l'absorption optique, la conception épitaxielle et le comportement de contact.La valeur correcte doit donc être choisie en fonction de la structure du dispositif plutôt que de simplement spécifier la concentration la plus élevée disponible..

3. Sn-dopé type N

L'InP dopé à l'étain est un autre substrat InP de type N d'importance commerciale.

Comme le dopage au soufre, le dopage au Sn fournit une conductivité électronique, mais les plaquettes commerciales dopées au Sn sont souvent fournies sur différentes fenêtres de concentration de porteurs.

Une spécification commerciale représentative énumère l'InP dopé Sn avec des concentrations de porteurs allant de la région supérieure de 1017 cm-3 à la plage de 1018 cm-3,tandis que le matériau S-dopé du même fournisseur s'étend plus loin dans la gamme élevée de 1018 cm−3Ces valeurs sont propres à chaque fournisseur, mais montrent que le dopage S et Sn ne sont pas nécessairement des spécifications interchangeables.

Pourquoi choisir Sn au lieu de S?

Le choix entre Sn et S devrait normalement être basé sur la concentration de support requise, la résistivité, le processus épitaxial et l'architecture du dispositif.

Le matériau dopé Sn peut être attrayant lorsque les ingénieurs ont besoin d'un substrat InP conducteur de type N, mais souhaitent une plage de concentration de support différente de celle normalement offerte avec un matériau fortement dopé S.

L'étain est une impureté donneuse dans InP, lui permettant de soutenir la conductivité de type N.

D'un point de vue de l'approvisionnement, il est donc préférable de préciser la concentration ou la résistivité de support requise plutôt que de se contenter de demander si S ou Sn est préférable.

La sélection finale du dopant peut ensuite être adaptée aux exigences électriques du dispositif.

4. S-dopé contre Sn-dopé InP

Comme le soufre et l'étain produisent tous deux de l'INP de type N, les acheteurs les traitent parfois comme équivalents.

Elles ne devraient pas être automatiquement considérées comme interchangeables.

Pour de nombreux projets, la première question devrait être:

Quelle concentration d'électrons et quelle résistivité l'appareil nécessite?

Si une concentration relativement élevée de porteurs de type N est requise, l'inp dopé en S peut être une option appropriée.

Si la conception exige une fenêtre de dopage de type N différente ou plus modérée, l'InP dopé Sn peut être envisagé.

Le fournisseur de substrat doit également confirmer la compatibilité avec le procédé épitaxial prévu.

Pour les appareils de grande valeur tels que les lasers, les photodétecteurs et les circuits intégrés photoniques,La sélection du substrat devrait idéalement être coordonnée avec le fournisseur d'épitaxie plutôt que d'être déterminée uniquement par le service d'achat des plaquettes..

5. Zn-dopé P-type InP

Le zinc est un dopant standard utilisé pour produire de l'InP de type P.

Au lieu d'augmenter la concentration des électrons de bande de conduction, Zn crée un comportement d'acceptateur et augmente la concentration du trou.

Les spécifications commerciales proposent généralement des concentrations d'InP en Zn dopé dans la plage de 1017 à 1018 cm−3,bien que les plages disponibles réelles dépendent fortement du fabricant et de la qualité des plaquettes.

Pourquoi utiliser des substrats InP de type P?

Un substrat de type P est requis dans les conceptions de dispositifs où la plaque sous-jacente doit faire partie d'une structure de semi-conducteurs de type P.

Cela peut être pertinent dans les appareils photoniques, optoélectroniques et électroniques spécialisés où la polarité de jonction ou la configuration de contact arrière nécessitent un matériau de type P.

Le Zn est largement reconnu comme une impureté de type P dans les systèmes semi-conducteurs à base d'InP.

Le traitement thermique doit être envisagé

Le comportement thermique du Zn est également important.

Le Zn peut se redistribuer dans des conditions de traitement thermique, et le comportement de diffusion peut être important dans les structures de semi-conducteurs exposées à des températures élevées.

Pour un substrat fini, cela ne pose pas automatiquement de problème.le processus thermique complet doit être pris en considération pour déterminer la concentration acceptable de Zn.

6. Fe-Dopé contre N-Type contre P-Type InP: la différence fondamentale

La distinction la plus importante peut être résumée très simplement.

L'InP semi-isolant dopé en Fe est sélectionné lorsque vous souhaitez supprimer la conduction électrique à travers le substrat.

L'InP de type N dopé S ou Sn est sélectionné lorsque vous voulez que le substrat conduise des électrons.

L'InP de type P dopé au Zn est sélectionné lorsque le substrat doit fournir une conduction de trou.

Cette distinction doit être déterminée par l'architecture électrique du dispositif avant que d'autres paramètres de la gaufre ne soient définis.

La sélection du mauvais type de conductivité peut rendre une gaufre de qualité supérieure complètement inappropriée pour un processus de dispositif spécifique.

7. Concentration du transporteur contre résistivité

La concentration et la résistivité des porteurs sont étroitement liées, mais ne doivent pas être considérées comme des spécifications identiques.

Pour les plaquettes conductrices de type N et de type P, la concentration du support est souvent l'un des paramètres d'achat électrique les plus importants.

Par exemple, un acheteur peut spécifier:

InP dopé S de type N avec une plage de concentration d'électrons cible.

Ou bien:

InP dopé Zn de type P avec une plage de concentration de trou définie.

Pour l'InP semi-isolateur, cependant, la spécification la plus pertinente est généralement la résistivité en vrac car l'objectif est de supprimer la conduction du porteur libre.

Une RFQ claire devrait donc utiliser le paramètre électrique qui correspond le mieux au type de matériau plutôt que d'appliquer le même format de spécification à chaque plaquette InP.

8Sélection des dopants et croissance épitaxienne

La plupart des substrats InP ne sont pas utilisés comme plaquettes nues dans le dispositif final.

Au lieu de cela, ils servent de substrats de croissance pour des structures épitaxielles telles que les InGaAs, InGaAsP, InAlAs ou d'autres matériaux III-V assortis de réseau.

Le dopage du substrat peut influencer la conception du dispositif épitaxial complet.

Par exemple, les substrats conducteurs de type N peuvent simplifier le contact électrique arrière dans certaines structures de dispositifs,tandis que les substrats semi-isolateurs peuvent fournir une isolation électrique pour les dispositifs intégrés latéralement.

Les substrats de type P peuvent être sélectionnés lorsque la polarité du dispositif ou la séquence de couche épitaxienne requise les rendent avantageux.

Pour cette raison, le dopage du substrat doit être déterminé en même temps que la conception de la couche épitaxienne.

9. Ne sélectionnez pas une galette InP par dopant seul

Même après la sélection du type de dopage correct, plusieurs paramètres supplémentaires de la gaufre doivent être définis.

Une demande de production doit normalement spécifier le diamètre, l'épaisseur, l'orientation cristalline, le type de conductivité, le dopant, la concentration ou la résistivité du support, l'état de la surface, la configuration de polissage, le TTV,l'arche, les besoins en matière de défectuosité et de quantité.

Les substrats InP commerciaux sont disponibles dans de multiples diamètres et les fournisseurs actuels proposent des produits allant de petites plaquettes de recherche à des formats de production plus grands.présente actuellement des listes de diamètres de substrat InP de 2 pouces à 6 pouces et offre du soufre, l'étain, le zinc et les options de dopage semi-isolateur.

Le développement du grand diamètre est particulièrement important car la géométrie des plaquettes, l'uniformité de la résistivité et le contrôle des défauts de cristal deviennent de plus en plus difficiles à mesure que le diamètre du substrat augmente.

10Finition de surface: SSP contre DSP

Le dopage électrique n'est qu'une partie des spécifications du substrat.

Les plaquettes InP peuvent également être fournies avec différentes conditions de surface.

Les SSP, ou plaquettes polies à une face, ont une surface primitive polie.

Les plaquettes DSP, ou plaquettes polies à double face, ont les deux surfaces polies.

Les plaquettes polies prêtes à l'épitaxie nécessitent une préparation de surface soigneusement contrôlée car la qualité de la surface du substrat affecte directement la croissance épitaxienne ultérieure.

Les fournisseurs commerciaux d'INP utilisent des techniques optiques et de métrologie de surface pour contrôler la qualité des plaquettes polies avant leur emballage.

La configuration correcte du polissage dépend du flux de processus, des exigences d'inspection et de la nécessité d'un traitement optique ou lithographique.

11Comment choisir le bon dopant InP

Pour la plupart des projets, la sélection du dopant peut être abordée par la fonction électrique du substrat.

Si le substrat doit fournir une solide isolation électrique, l'InP semi-isolateur dopé en Fe est généralement le point de départ logique.

Si le substrat doit fournir une conductivité de type N, comparer le matériau dopé S et le matériau dopé Sn en fonction de la concentration du support, de la résistivité et des exigences en matière d'épitaxie.

Si la structure nécessite un substrat de type P, l'InP dopé au Zn est le choix conventionnel.

La décision doit ensuite être affinée en fonction du diamètre de la gaufre, de l'orientation cristalline, de la finition de la surface, des tolérances mécaniques et des exigences de la structure épitaxielle.

12. Exemple InP Wafer RFQ Informations

Une enquête technique complète sur les plaquettes InP pourrait ressembler à ceci:

Matériau: phosphure d'indium
Diamètre: 2", 3", 4" ou diamètre requis
Orientation: (100) ou orientation spécifiée
Conductivité: semi-isolant / type N / type P
Le dopant: Fe / S / Sn / Zn
Concentration de support: plage requise pour les plaquettes conductrices
Résistance: valeur requise pour les plaquettes semi-isolantes
Épaisseur: valeur nominale et tolérance requises
Surface: SSP / DSP / prête à l' épi
TTV / arc / distorsion: limites requises
Quantité: Nombre de galettes
Application: Laser / détecteur / PIC / RF / recherche / autre dispositif

La fourniture de l'application est particulièrement utile car elle permet au fournisseur d'identifier les conflits potentiels entre le niveau de dopant, la géométrie des plaquettes et le traitement en aval.

13. Erreurs de sélection courantes

Une erreur courante est de demander simplement une "plaque InP" sans définir le type de conductivité.

Une autre spécifie uniquement le type N sans indiquer si le dopage au soufre ou à l'étain est acceptable.

Pour les plaquettes semi-isolantes, demander uniquement "Fe-dopé" sans définir la résistivité électrique requise peut également entraîner une ambiguïté.

De même, spécifier un matériau dopé au Zn sans définir la concentration de trou souhaitée peut laisser trop de variation dans les caractéristiques électriques.

L'approche d'achat la plus sûre consiste donc à définir d'abord les exigences du dispositif et ensuite la chimie du dopant.

Conclusion

Le Fe, le soufre, l'étain et le zinc confèrent aux substrats InP des caractéristiques électriques fondamentalement différentes.

L'InP dopé au Fe utilise une compensation de niveau profond pour créer un substrat semi-isolant à haute résistivité et convient aux appareils où l'isolation électrique est importante.

L'InP S-dopé fournit une conductivité de type N et est généralement sélectionné lorsque des concentrations d'électrons relativement élevées et un substrat conducteur sont nécessaires.

L'InP sn-dopé fournit également une conductivité de type N et offre une autre fenêtre de concentration de porteur pour les structures de dispositifs nécessitant une conduction électronique contrôlée.

L'InP dopé au Zn crée une conductivité de type P et est utilisé lorsque l'architecture du dispositif nécessite un substrat conducteur de trou.

Il n'existe donc pas de dopant InP universellement "meilleur".

Le substrat correct est déterminé par la fonction électrique requise, la concentration ou la résistivité du support, la structure épitaxielle, le procédé thermique et l'architecture du dispositif.

Pour l'approvisionnement, l'approche la plus fiable consiste à spécifier ensemble le type de conductivité, le dopant, la concentration ou la résistivité du support, l'orientation cristalline, le diamètre, l'épaisseur et l'état de polissage.Cela garantit que le substrat InP sélectionné est compatible à la fois avec le processus épitaxial et le dispositif semi-conducteur final.