2. Pertumbuhan lapisan tipis epitaksial
Substrat menyediakan lapisan pendukung fisik atau lapisan konduktif untuk perangkat daya Ga2O3. Lapisan penting berikutnya adalah lapisan saluran atau lapisan epitaksial yang digunakan untuk resistansi tegangan dan pengangkutan pembawa. Untuk meningkatkan tegangan tembus dan meminimalkan resistansi konduksi, ketebalan yang dapat dikontrol dan konsentrasi doping, serta kualitas material yang optimal, merupakan beberapa prasyarat. Lapisan epitaksial Ga2O3 berkualitas tinggi biasanya diendapkan menggunakan epitaksi berkas molekuler (MBE), deposisi uap kimia organik logam (MOCVD), deposisi uap halida (HVPE), deposisi laser berdenyut (PLD), dan teknik deposisi berbasis CVD kabut.
Tabel 2 Beberapa teknologi epitaksial yang representatif
2.1 Metode MBE
Teknologi MBE terkenal karena kemampuannya untuk menumbuhkan film β-Ga2O3 berkualitas tinggi dan bebas cacat dengan doping tipe-n yang dapat dikontrol karena lingkungan vakumnya yang sangat tinggi dan kemurnian material yang tinggi. Hasilnya, teknologi ini telah menjadi salah satu teknologi pengendapan film tipis β-Ga2O3 yang paling banyak dipelajari dan berpotensi dikomersialkan. Selain itu, metode MBE juga berhasil menyiapkan lapisan film tipis heterostruktur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 berkualitas tinggi dan berdoping rendah. MBE dapat memantau struktur dan morfologi permukaan secara real time dengan presisi lapisan atom dengan menggunakan difraksi elektron energi tinggi refleksi (RHEED). Namun, film β-Ga2O3 yang tumbuh menggunakan teknologi MBE masih menghadapi banyak tantangan, seperti laju pertumbuhan yang rendah dan ukuran film yang kecil. Studi tersebut menemukan bahwa laju pertumbuhan berada pada urutan (010)>(001)>(−201)>(100). Dalam kondisi yang sedikit kaya Ga pada suhu 650 hingga 750°C, β-Ga2O3 (010) menunjukkan pertumbuhan optimal dengan permukaan yang halus dan laju pertumbuhan yang tinggi. Dengan menggunakan metode ini, epitaksi β-Ga2O3 berhasil dicapai dengan kekasaran RMS sebesar 0,1 nm. β-Ga2O3 Dalam lingkungan yang kaya Ga, film MBE yang tumbuh pada suhu yang berbeda ditunjukkan pada gambar. Novel Crystal Technology Inc. telah berhasil memproduksi wafer β-Ga2O3MBE berukuran 10 × 15mm2 secara epitaksi. Wafer ini menyediakan substrat kristal tunggal β-Ga2O3 berorientasi (010) berkualitas tinggi dengan ketebalan 500 μm dan XRD FWHM di bawah 150 detik busur. Substrat tersebut didoping Sn atau didoping Fe. Substrat konduktif terdoping Sn mempunyai konsentrasi doping 1E18 hingga 9E18cm−3, sedangkan substrat semi-isolasi terdoping besi mempunyai resistivitas lebih tinggi dari 10E10 Ω cm.
2.2 Metode MOCVD
MOCVD menggunakan senyawa organik logam sebagai bahan prekursor untuk menumbuhkan lapisan tipis, sehingga mencapai produksi komersial berskala besar. Saat menumbuhkan Ga2O3 menggunakan metode MOCVD, trimetilgallium (TMGa), trietilgallium (TEGa) dan Ga (dipentil glikol format) biasanya digunakan sebagai sumber Ga, sedangkan H2O, O2 atau N2O digunakan sebagai sumber oksigen. Pertumbuhan menggunakan metode ini umumnya memerlukan suhu tinggi (>800°C). Teknologi ini memiliki potensi untuk mencapai konsentrasi pembawa rendah dan mobilitas elektron suhu tinggi dan rendah, sehingga sangat penting untuk mewujudkan perangkat daya β-Ga2O3 berkinerja tinggi. Dibandingkan dengan metode pertumbuhan MBE, MOCVD memiliki keuntungan dalam mencapai tingkat pertumbuhan film β-Ga2O3 yang sangat tinggi karena karakteristik pertumbuhan suhu tinggi dan reaksi kimia.
Gambar 7 Gambar AFM β-Ga2O3 (010).
Gambar 8. Hubungan antara β-Ga2O3 dan resistansi lembaran yang diukur dengan Hall dan suhu
2.3 Metode HVPE
HVPE adalah teknologi epitaksial yang matang dan telah digunakan secara luas dalam pertumbuhan epitaksial semikonduktor senyawa III-V. HVPE dikenal karena biaya produksinya yang rendah, laju pertumbuhan yang cepat, dan ketebalan film yang tinggi. Perlu dicatat bahwa HVPEβ-Ga2O3 biasanya menunjukkan morfologi permukaan yang kasar dan kepadatan cacat dan lubang permukaan yang tinggi. Oleh karena itu, proses pemolesan kimia dan mekanis diperlukan sebelum memproduksi perangkat tersebut. Teknologi HVPE untuk epitaksi β-Ga2O3 biasanya menggunakan GaCl dan O2 dalam bentuk gas sebagai prekursor untuk mendorong reaksi suhu tinggi dari matriks (001) β-Ga2O3. Gambar 9 menunjukkan kondisi permukaan dan laju pertumbuhan film epitaksial sebagai fungsi suhu. Dalam beberapa tahun terakhir, Novel Crystal Technology Inc. dari Jepang telah mencapai keberhasilan komersial yang signifikan dalam HVPE homoepitaxial β-Ga2O3, dengan ketebalan lapisan epitaksial 5 hingga 10 μm dan ukuran wafer 2 dan 4 inci. Selain itu, wafer homoepitaxial HVPE β-Ga2O3 setebal 20 μm yang diproduksi oleh China Electronics Technology Group Corporation juga telah memasuki tahap komersialisasi.
Gambar 9 Metode HVPE β-Ga2O3
2.4 Metode PLD
Teknologi PLD terutama digunakan untuk mendepositkan film oksida kompleks dan heterostruktur. Selama proses pertumbuhan PLD, energi foton digabungkan ke material target melalui proses emisi elektron. Berbeda dengan MBE, partikel sumber PLD dibentuk oleh radiasi laser dengan energi yang sangat tinggi (>100 eV) dan kemudian diendapkan pada substrat yang dipanaskan. Namun, selama proses ablasi, beberapa partikel berenergi tinggi akan langsung mengenai permukaan material, menciptakan cacat titik dan dengan demikian mengurangi kualitas film. Mirip dengan metode MBE, RHEED dapat digunakan untuk memantau struktur permukaan dan morfologi material secara real time selama proses deposisi PLD β-Ga2O3, yang memungkinkan peneliti memperoleh informasi pertumbuhan secara akurat. Metode PLD diharapkan dapat menumbuhkan film β-Ga2O3 yang sangat konduktif, menjadikannya solusi kontak ohmik yang dioptimalkan dalam perangkat daya Ga2O3.
Gambar 10 Gambar AFM Ga2O3 yang didoping Si
2.5 Metode MIST-CVD
MIST-CVD merupakan teknologi penumbuhan lapisan tipis yang relatif sederhana dan hemat biaya. Metode CVD ini melibatkan reaksi penyemprotan prekursor yang diatomisasi ke substrat untuk mencapai pengendapan lapisan tipis. Namun, sejauh ini, Ga2O3 yang ditumbuhkan menggunakan CVD kabut masih kurang memiliki sifat listrik yang baik, yang menyisakan banyak ruang untuk perbaikan dan pengoptimalan di masa mendatang.
Waktu posting: 30-Mei-2024