Semikonduktor celah pita lebar (WBG) yang diwakili oleh silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) telah mendapat perhatian luas. Orang-orang memiliki harapan tinggi untuk prospek aplikasi silikon karbida dalam kendaraan listrik dan jaringan listrik, serta prospek aplikasi galium nitrida dalam pengisian cepat. Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian tentang material Ga2O3, AlN dan berlian telah membuat kemajuan yang signifikan, menjadikan material semikonduktor celah pita ultra-lebar menjadi fokus perhatian. Di antara mereka, galium oksida (Ga2O3) adalah material semikonduktor celah pita ultra-lebar yang sedang berkembang dengan celah pita 4,8 eV, kekuatan medan tembus kritis teoritis sekitar 8 MV cm-1, kecepatan saturasi sekitar 2E7cm s-1, dan faktor kualitas Baliga yang tinggi sebesar 3000, yang mendapat perhatian luas di bidang elektronika daya tegangan tinggi dan frekuensi tinggi.
1. Karakteristik material galium oksida
Ga2O3 memiliki celah pita yang besar (4,8 eV), diharapkan dapat mencapai tegangan tahan tinggi dan kemampuan daya tinggi, dan dapat memiliki potensi untuk adaptasi tegangan tinggi pada resistansi yang relatif rendah, menjadikannya fokus penelitian saat ini. Selain itu, Ga2O3 tidak hanya memiliki sifat material yang sangat baik, tetapi juga menyediakan berbagai teknologi doping tipe-n yang mudah disesuaikan, serta teknologi pertumbuhan substrat dan epitaksi berbiaya rendah. Sejauh ini, lima fase kristal yang berbeda telah ditemukan di Ga2O3, termasuk fase korundum (α), monoklinik (β), spinel cacat (γ), kubik (δ) dan ortorombik (ɛ). Stabilitas termodinamika, secara berurutan, adalah γ, δ, α, ɛ, dan β. Perlu dicatat bahwa β-Ga2O3 monoklinik adalah yang paling stabil, terutama pada suhu tinggi, sementara fase lain bersifat metastabil di atas suhu ruangan dan cenderung berubah menjadi fase β dalam kondisi termal tertentu. Oleh karena itu, pengembangan perangkat berbasis β-Ga2O3 telah menjadi fokus utama dalam bidang elektronika daya dalam beberapa tahun terakhir.
Tabel 1 Perbandingan beberapa parameter material semikonduktor
Struktur kristal monoklinikβ-Ga2O3 ditunjukkan pada Tabel 1. Parameter kisi-kisinya meliputi a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, dan β = 103,8°. Sel satuan terdiri dari atom-atom Ga(I) dengan koordinasi tetrahedral terpilin dan atom-atom Ga(II) dengan koordinasi oktahedral. Ada tiga susunan atom oksigen yang berbeda dalam susunan "kubik terpilin", termasuk dua atom O(I) dan O(II) yang terkoordinasi secara segitiga dan satu atom O(III) yang terkoordinasi secara tetrahedral. Kombinasi kedua jenis koordinasi atom ini menghasilkan anisotropi β-Ga2O3 dengan sifat-sifat khusus dalam fisika, korosi kimia, optik, dan elektronika.
Gambar 1 Diagram struktur skema kristal monoklinik β-Ga2O3
Dari perspektif teori pita energi, nilai minimum pita konduksi β-Ga2O3 diturunkan dari keadaan energi yang sesuai dengan orbit hibrida 4s0 dari atom Ga. Perbedaan energi antara nilai minimum pita konduksi dan tingkat energi vakum (energi afinitas elektron) diukur. adalah 4 eV. Massa elektron efektif β-Ga2O3 diukur sebagai 0,28–0,33 me dan konduktivitas elektroniknya menguntungkan. Namun, pita valensi maksimum menunjukkan kurva Ek yang dangkal dengan kelengkungan yang sangat rendah dan orbital O2p yang sangat terlokalisasi, yang menunjukkan bahwa lubang terlokalisasi dalam. Karakteristik ini menimbulkan tantangan besar untuk mencapai doping tipe-p dalam β-Ga2O3. Bahkan jika doping tipe-P dapat dicapai, lubang μ tetap pada tingkat yang sangat rendah. 2. Pertumbuhan kristal tunggal galium oksida massal Sejauh ini, metode pertumbuhan substrat kristal tunggal massal β-Ga2O3 terutama adalah metode penarikan kristal, seperti Czochralski (CZ), metode pengumpanan film tipis yang ditentukan tepi (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman horizontal atau horizontal, HB atau VB) dan teknologi zona mengambang (floating zone, FZ). Di antara semua metode, metode Czochralski dan metode pengumpanan film tipis yang ditentukan tepi diharapkan menjadi jalan yang paling menjanjikan untuk produksi massal wafer β-Ga2O3 di masa mendatang, karena keduanya dapat secara bersamaan mencapai volume besar dan kepadatan cacat rendah. Hingga saat ini, Teknologi Kristal Baru Jepang telah mewujudkan matriks komersial untuk pertumbuhan lelehan β-Ga2O3.
1.1 Metode Czochralski
Prinsip metode Czochralski adalah lapisan benih ditutup terlebih dahulu, kemudian kristal tunggal ditarik keluar dari lelehan secara perlahan. Metode Czochralski semakin penting untuk β-Ga2O3 karena efektivitas biaya, kemampuan ukuran besar, dan pertumbuhan substrat kristal berkualitas tinggi. Namun, karena tekanan termal selama pertumbuhan Ga2O3 pada suhu tinggi, penguapan kristal tunggal, material lelehan, dan kerusakan pada wadah Ir akan terjadi. Hal ini disebabkan oleh kesulitan dalam mencapai doping tipe-n yang rendah pada Ga2O3. Memasukkan jumlah oksigen yang tepat ke dalam atmosfer pertumbuhan adalah salah satu cara untuk mengatasi masalah ini. Melalui pengoptimalan, β-Ga2O3 2 inci berkualitas tinggi dengan rentang konsentrasi elektron bebas 10^16~10^19 cm-3 dan kerapatan elektron maksimum 160 cm2/Vs telah berhasil ditumbuhkan dengan metode Czochralski.
Gambar 2 Kristal tunggal β-Ga2O3 yang tumbuh dengan metode Czochralski
1.2 Metode pengumpanan film yang ditentukan tepinya
Metode pengumpanan film tipis yang ditentukan tepi dianggap sebagai pesaing utama untuk produksi komersial bahan kristal tunggal Ga2O3 dengan area yang luas. Prinsip metode ini adalah menempatkan lelehan dalam cetakan dengan celah kapiler, dan lelehan naik ke cetakan melalui aksi kapiler. Di bagian atas, film tipis terbentuk dan menyebar ke segala arah sambil diinduksi untuk mengkristal oleh kristal benih. Selain itu, tepi bagian atas cetakan dapat dikontrol untuk menghasilkan kristal dalam bentuk serpihan, tabung, atau geometri yang diinginkan. Metode pengumpanan film tipis yang ditentukan tepi Ga2O3 memberikan laju pertumbuhan yang cepat dan diameter yang besar. Gambar 3 menunjukkan diagram kristal tunggal β-Ga2O3. Selain itu, dalam hal skala ukuran, substrat β-Ga2O3 berukuran 2 inci dan 4 inci dengan transparansi dan keseragaman yang sangat baik telah dikomersialkan, sedangkan substrat berukuran 6 inci ditunjukkan dalam penelitian untuk komersialisasi di masa mendatang. Baru-baru ini, bahan curah kristal tunggal melingkar yang besar juga telah tersedia dengan orientasi (−201). Selain itu, metode pengumpanan film tepi-tertentu β-Ga2O3 juga mendorong doping unsur logam transisi, sehingga memungkinkan penelitian dan persiapan Ga2O3.
Gambar 3. Kristal tunggal β-Ga2O3 yang tumbuh dengan metode pemberian film yang ditentukan tepinya
1.3 Metode Bridgeman
Dalam metode Bridgeman, kristal dibentuk dalam wadah peleburan yang secara bertahap dipindahkan melalui gradien suhu. Proses ini dapat dilakukan dalam orientasi horizontal atau vertikal, biasanya menggunakan wadah peleburan yang berputar. Perlu dicatat bahwa metode ini mungkin menggunakan atau tidak menggunakan benih kristal. Operator Bridgman tradisional tidak memiliki visualisasi langsung dari proses peleburan dan pertumbuhan kristal dan harus mengendalikan suhu dengan presisi tinggi. Metode Bridgman vertikal terutama digunakan untuk pertumbuhan β-Ga2O3 dan dikenal karena kemampuannya untuk tumbuh di lingkungan udara. Selama proses pertumbuhan metode Bridgman vertikal, total kehilangan massa dari lelehan dan wadah peleburan dijaga di bawah 1%, yang memungkinkan pertumbuhan kristal tunggal β-Ga2O3 yang besar dengan kehilangan minimal.
Gambar 4 Kristal tunggal β-Ga2O3 yang tumbuh dengan metode Bridgeman
1.4 Metode zona mengambang
Metode zona apung memecahkan masalah kontaminasi kristal oleh bahan wadah peleburan dan mengurangi biaya tinggi yang terkait dengan wadah peleburan inframerah yang tahan suhu tinggi. Selama proses pertumbuhan ini, lelehan dapat dipanaskan oleh lampu alih-alih sumber RF, sehingga menyederhanakan persyaratan untuk peralatan pertumbuhan. Meskipun bentuk dan kualitas kristal β-Ga2O3 yang tumbuh dengan metode zona apung belum optimal, metode ini membuka metode yang menjanjikan untuk menumbuhkan β-Ga2O3 dengan kemurnian tinggi menjadi kristal tunggal yang terjangkau.
Gambar 5 Kristal tunggal β-Ga2O3 tumbuh dengan metode zona mengambang.
Waktu posting: 30-Mei-2024