2. Pertumbuhan lapisan tipis epitaksial
Substrat menyediakan lapisan pendukung fisik atau lapisan konduktif untuk perangkat daya Ga2O3. Lapisan penting berikutnya adalah lapisan kanal atau lapisan epitaksial yang digunakan untuk resistansi tegangan dan transpor pembawa muatan. Untuk meningkatkan tegangan tembus dan meminimalkan resistansi konduksi, ketebalan dan konsentrasi doping yang dapat dikontrol, 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 fog CVD.
Tabel 2 Beberapa teknologi epitaksial 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 terkontrol karena lingkungan vakum ultra-tinggi dan kemurnian material yang tinggi. Akibatnya, teknologi ini telah menjadi salah satu teknologi deposisi 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 menggunakan difraksi elektron energi tinggi refleksi (RHEED). Namun, film β-Ga2O3 yang ditumbuhkan menggunakan teknologi MBE masih menghadapi banyak tantangan, seperti laju pertumbuhan yang rendah dan ukuran film yang kecil. Studi ini menemukan bahwa laju pertumbuhan berada dalam 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. Film MBE β-Ga2O3 yang ditumbuhkan pada suhu berbeda dalam lingkungan yang kaya Ga ditunjukkan pada gambar. Novel Crystal Technology Inc. telah berhasil memproduksi wafer MBE β-Ga2O3 berukuran 10 × 15 mm2 secara epitaksial. Mereka menyediakan substrat kristal tunggal β-Ga2O3 berorientasi (010) berkualitas tinggi dengan ketebalan 500 μm dan FWHM XRD di bawah 150 detik busur. Substrat tersebut didoping Sn atau Fe. Substrat konduktif yang didoping Sn memiliki konsentrasi doping 1E18 hingga 9E18cm−3, sedangkan substrat semi-isolasi yang didoping besi memiliki resistivitas lebih tinggi dari 10E10 Ω cm.
2.2 Metode MOCVD
MOCVD menggunakan senyawa organometalik sebagai bahan prekursor untuk menumbuhkan film tipis, sehingga mencapai produksi komersial skala besar. Saat menumbuhkan Ga2O3 menggunakan metode MOCVD, trimetilgalium (TMGa), trietilgalium (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 membutuhkan suhu tinggi (>800°C). Teknologi ini berpotensi mencapai konsentrasi pembawa muatan 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 keunggulan dalam mencapai laju pertumbuhan film β-Ga2O3 yang sangat tinggi karena karakteristik pertumbuhan suhu tinggi dan reaksi kimia.
Gambar 7 Gambar AFM β-Ga2O3 (010).
Gambar 8 β-Ga2O3 Hubungan antara μ dan resistansi lembaran yang diukur dengan Hall dan suhu
2.3 Metode HVPE
HVPE adalah teknologi epitaksi yang sudah mapan dan telah banyak digunakan dalam pertumbuhan epitaksi 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 permukaan serta lubang yang tinggi. Oleh karena itu, proses pemolesan kimia dan mekanik diperlukan sebelum pembuatan perangkat. Teknologi HVPE untuk epitaksi β-Ga2O3 biasanya menggunakan gas GaCl dan O2 sebagai prekursor untuk mendorong reaksi suhu tinggi dari matriks (001) β-Ga2O3. Gambar 9 menunjukkan kondisi permukaan dan laju pertumbuhan film epitaksi sebagai fungsi suhu. Dalam beberapa tahun terakhir, Novel Crystal Technology Inc. Jepang telah mencapai kesuksesan komersial yang signifikan dalam homoepitaksial β-Ga2O3 HVPE, dengan ketebalan lapisan epitaksi 5 hingga 10 μm dan ukuran wafer 2 dan 4 inci. Selain itu, wafer homoepitaksial 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 mengendapkan film oksida kompleks dan heterostruktur. Selama proses pertumbuhan PLD, energi foton dihubungkan 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 pengendapan β-Ga2O3 PLD, memungkinkan para peneliti untuk memperoleh informasi pertumbuhan secara akurat. Metode PLD diharapkan dapat menumbuhkan film β-Ga2O3 yang sangat konduktif, menjadikannya solusi kontak ohmik yang optimal dalam perangkat daya Ga2O3.
Gambar 10 Citra AFM dari Ga2O3 yang didoping Si
2.5 Metode MIST-CVD
MIST-CVD adalah teknologi pertumbuhan film tipis yang relatif sederhana dan hemat biaya. Metode CVD ini melibatkan reaksi penyemprotan prekursor yang diatomisasi ke substrat untuk mencapai pengendapan film tipis. Namun, sejauh ini, Ga2O3 yang ditumbuhkan menggunakan mist CVD masih kurang memiliki sifat listrik yang baik, sehingga masih banyak ruang untuk perbaikan dan optimasi di masa mendatang.
Waktu posting: 30 Mei 2024