1. Semikonduktor generasi ketiga
Teknologi semikonduktor generasi pertama dikembangkan berdasarkan material semikonduktor seperti Si dan Ge. Material ini merupakan dasar bagi pengembangan transistor dan teknologi sirkuit terpadu. Material semikonduktor generasi pertama meletakkan fondasi bagi industri elektronik di abad ke-20 dan merupakan material dasar untuk teknologi sirkuit terpadu.
Material semikonduktor generasi kedua terutama meliputi galium arsenida, indium fosfida, aluminium arsenida, dan senyawa ternernya. Material semikonduktor generasi kedua merupakan fondasi industri informasi optoelektronik. Atas dasar ini, industri terkait seperti penerangan, tampilan, laser, dan fotovoltaik telah dikembangkan. Material ini banyak digunakan dalam teknologi informasi kontemporer dan industri tampilan optoelektronik.
Material representatif dari material semikonduktor generasi ketiga meliputi galium nitrida dan silikon karbida. Karena celah pita yang lebar, kecepatan hanyut saturasi elektron yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, dan kekuatan medan tembus yang tinggi, material ini ideal untuk pembuatan perangkat elektronik dengan kepadatan daya tinggi, frekuensi tinggi, dan kerugian rendah. Di antara keduanya, perangkat daya silikon karbida memiliki keunggulan kepadatan energi tinggi, konsumsi energi rendah, dan ukuran kecil, serta memiliki prospek aplikasi yang luas di bidang kendaraan energi baru, fotovoltaik, transportasi kereta api, big data, dan bidang lainnya. Perangkat RF galium nitrida memiliki keunggulan frekuensi tinggi, daya tinggi, bandwidth lebar, konsumsi daya rendah, dan ukuran kecil, serta memiliki prospek aplikasi yang luas di bidang komunikasi 5G, Internet of Things, radar militer, dan bidang lainnya. Selain itu, perangkat daya berbasis galium nitrida telah banyak digunakan di bidang tegangan rendah. Selanjutnya, dalam beberapa tahun terakhir, material galium oksida yang baru muncul diharapkan dapat membentuk komplementaritas teknologi dengan teknologi SiC dan GaN yang ada, dan memiliki prospek aplikasi potensial di bidang frekuensi rendah dan tegangan tinggi.
Dibandingkan dengan material semikonduktor generasi kedua, material semikonduktor generasi ketiga memiliki lebar celah pita yang lebih besar (lebar celah pita Si, material tipikal semikonduktor generasi pertama, sekitar 1,1 eV, lebar celah pita GaAs, material tipikal semikonduktor generasi kedua, sekitar 1,42 eV, dan lebar celah pita GaN, material tipikal semikonduktor generasi ketiga, di atas 2,3 eV), ketahanan radiasi yang lebih kuat, ketahanan yang lebih kuat terhadap kerusakan medan listrik, dan ketahanan suhu yang lebih tinggi. Material semikonduktor generasi ketiga dengan lebar celah pita yang lebih besar sangat cocok untuk produksi perangkat elektronik tahan radiasi, frekuensi tinggi, daya tinggi, dan kepadatan integrasi tinggi. Aplikasinya dalam perangkat frekuensi radio gelombang mikro, LED, laser, perangkat daya, dan bidang lainnya telah menarik banyak perhatian, dan telah menunjukkan prospek pengembangan yang luas dalam komunikasi seluler, jaringan cerdas, transportasi kereta api, kendaraan energi baru, elektronik konsumen, dan perangkat sinar ultraviolet dan biru-hijau [1].
Sumber gambar: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Gambar 1. Skala waktu dan perkiraan perangkat daya GaN.
II. Struktur dan karakteristik material GaN
GaN adalah semikonduktor celah pita langsung. Lebar celah pita struktur wurtzite pada suhu kamar sekitar 3,26 eV. Material GaN memiliki tiga struktur kristal utama, yaitu struktur wurtzite, struktur sphalerite, dan struktur garam batu. Di antara ketiganya, struktur wurtzite adalah struktur kristal yang paling stabil. Gambar 2 adalah diagram struktur wurtzite heksagonal GaN. Struktur wurtzite material GaN termasuk dalam struktur heksagonal tertutup rapat. Setiap sel unit memiliki 12 atom, termasuk 6 atom N dan 6 atom Ga. Setiap atom Ga (N) membentuk ikatan dengan 4 atom N (Ga) terdekat dan tersusun dalam urutan ABABAB… sepanjang arah [0001] [2].
Gambar 2 Diagram sel kristal GaN struktur Wurtzite
III. Substrat yang umum digunakan untuk epitaksi GaN
Tampaknya epitaksi homogen pada substrat GaN merupakan pilihan terbaik untuk epitaksi GaN. Namun, karena energi ikatan GaN yang besar, ketika suhu mencapai titik leleh 2500℃, tekanan dekomposisinya sekitar 4,5 GPa. Ketika tekanan dekomposisi lebih rendah dari tekanan ini, GaN tidak meleleh tetapi langsung terurai. Hal ini membuat teknologi persiapan substrat yang sudah mapan seperti metode Czochralski tidak cocok untuk persiapan substrat kristal tunggal GaN, sehingga substrat GaN sulit diproduksi secara massal dan mahal. Oleh karena itu, substrat yang umum digunakan dalam pertumbuhan epitaksi GaN terutama adalah Si, SiC, safir, dll. [3].
Bagan 3 GaN dan parameter bahan substrat yang umum digunakan
Epitaksi GaN pada safir
Safir memiliki sifat kimia yang stabil, harganya murah, dan memiliki tingkat kematangan industri produksi skala besar yang tinggi. Oleh karena itu, safir telah menjadi salah satu material substrat paling awal dan paling banyak digunakan dalam rekayasa perangkat semikonduktor. Sebagai salah satu substrat yang umum digunakan untuk epitaksi GaN, masalah utama yang perlu dipecahkan untuk substrat safir adalah:
✔ Karena ketidaksesuaian kisi yang besar antara safir (Al2O3) dan GaN (sekitar 15%), kepadatan cacat pada antarmuka antara lapisan epitaksial dan substrat sangat tinggi. Untuk mengurangi efek buruknya, substrat harus menjalani pra-perlakuan yang kompleks sebelum proses epitaksi dimulai. Sebelum menumbuhkan epitaksi GaN pada substrat safir, permukaan substrat harus terlebih dahulu dibersihkan secara menyeluruh untuk menghilangkan kontaminan, kerusakan sisa pemolesan, dll., dan untuk menghasilkan struktur permukaan bertingkat. Kemudian, permukaan substrat dinitrida untuk mengubah sifat pembasahan lapisan epitaksial. Terakhir, lapisan penyangga AlN tipis (biasanya setebal 10-100 nm) perlu diendapkan pada permukaan substrat dan dianil pada suhu rendah untuk mempersiapkan pertumbuhan epitaksi akhir. Meskipun demikian, kerapatan dislokasi pada film epitaksial GaN yang ditumbuhkan pada substrat safir masih lebih tinggi dibandingkan dengan film homoepitaksial (sekitar 1010cm-2, dibandingkan dengan kerapatan dislokasi yang pada dasarnya nol pada film homoepitaksial silikon atau film homoepitaksial galium arsenida, atau antara 102 dan 104cm-2). Kerapatan cacat yang lebih tinggi mengurangi mobilitas pembawa muatan, sehingga memperpendek masa hidup pembawa muatan minoritas dan mengurangi konduktivitas termal, yang semuanya akan mengurangi kinerja perangkat [4];
✔ Koefisien ekspansi termal safir lebih besar daripada GaN, sehingga tegangan tekan biaxial akan dihasilkan pada lapisan epitaksial selama proses pendinginan dari suhu deposisi ke suhu ruangan. Untuk film epitaksial yang lebih tebal, tegangan ini dapat menyebabkan retak pada film atau bahkan substrat;
✔ Dibandingkan dengan substrat lain, konduktivitas termal substrat safir lebih rendah (sekitar 0,25 W*cm⁻¹*K⁻¹ pada 100℃), dan kinerja pembuangan panasnya buruk;
✔ Karena konduktivitasnya yang buruk, substrat safir tidak cocok untuk integrasi dan aplikasinya dengan perangkat semikonduktor lainnya.
Meskipun kepadatan cacat pada lapisan epitaksial GaN yang ditumbuhkan pada substrat safir tinggi, hal itu tampaknya tidak secara signifikan mengurangi kinerja optoelektronik LED biru-hijau berbasis GaN, sehingga substrat safir masih umum digunakan sebagai substrat untuk LED berbasis GaN.
Dengan berkembangnya aplikasi baru perangkat GaN seperti laser atau perangkat daya berdensitas tinggi lainnya, cacat bawaan substrat safir semakin menjadi batasan dalam penerapannya. Selain itu, dengan perkembangan teknologi pertumbuhan substrat SiC, pengurangan biaya, dan kematangan teknologi epitaksi GaN pada substrat Si, penelitian tentang pertumbuhan lapisan epitaksi GaN pada substrat safir secara bertahap menunjukkan tren penurunan.
Epitaksi GaN pada SiC
Dibandingkan dengan safir, substrat SiC (kristal 4H dan 6H) memiliki ketidaksesuaian kisi yang lebih kecil dengan lapisan epitaksial GaN (3,1%, setara dengan film epitaksial berorientasi [0001]), konduktivitas termal yang lebih tinggi (sekitar 3,8 W*cm⁻¹*K⁻¹), dan lain-lain. Selain itu, konduktivitas substrat SiC juga memungkinkan kontak listrik dibuat di bagian belakang substrat, yang membantu menyederhanakan struktur perangkat. Keberadaan keunggulan-keunggulan ini telah menarik semakin banyak peneliti untuk mengerjakan epitaksi GaN pada substrat silikon karbida.
Namun, pengerjaan langsung pada substrat SiC untuk menghindari pertumbuhan lapisan epitel GaN juga menghadapi serangkaian kekurangan, termasuk yang berikut ini:
✔ Kekasaran permukaan substrat SiC jauh lebih tinggi daripada substrat safir (kekasaran safir 0,1 nm RMS, kekasaran SiC 1 nm RMS), substrat SiC memiliki kekerasan tinggi dan kinerja pemrosesan yang buruk, dan kekasaran serta kerusakan pemolesan residual ini juga merupakan salah satu sumber cacat pada lapisan epilayer GaN.
✔ Kepadatan dislokasi sekrup pada substrat SiC tinggi (kepadatan dislokasi 103-104cm-2), dislokasi sekrup dapat merambat ke lapisan epilayer GaN dan mengurangi kinerja perangkat;
✔ Susunan atom pada permukaan substrat memicu pembentukan kesalahan penumpukan (stacking faults/BSFs) pada lapisan epitaksial GaN. Untuk GaN epitaksial pada substrat SiC, terdapat beberapa kemungkinan susunan atom pada substrat, yang mengakibatkan urutan penumpukan atom awal lapisan epitaksial GaN yang tidak konsisten, sehingga rentan terhadap kesalahan penumpukan. Kesalahan penumpukan (Stacking faults/SFs) menimbulkan medan listrik internal di sepanjang sumbu c, yang menyebabkan masalah seperti kebocoran pada perangkat pemisahan pembawa muatan dalam bidang;
✔ Koefisien ekspansi termal substrat SiC lebih kecil daripada AlN dan GaN, yang menyebabkan akumulasi tegangan termal antara lapisan epitaksial dan substrat selama proses pendinginan. Waltereit dan Brand memprediksi berdasarkan hasil penelitian mereka bahwa masalah ini dapat dikurangi atau diatasi dengan menumbuhkan lapisan epitaksial GaN pada lapisan nukleasi AlN tipis yang mengalami regangan koheren;
✔ Masalah rendahnya kemampuan pembasahan atom Ga. Saat menumbuhkan lapisan epitaksial GaN langsung di permukaan SiC, karena rendahnya kemampuan pembasahan antara kedua atom tersebut, GaN cenderung tumbuh membentuk pulau 3D di permukaan substrat. Penggunaan lapisan penyangga adalah solusi yang paling umum untuk meningkatkan kualitas material epitaksial dalam epitaksi GaN. Penggunaan lapisan penyangga AlN atau AlxGa1-xN dapat secara efektif meningkatkan kemampuan pembasahan permukaan SiC dan membuat lapisan epitaksial GaN tumbuh dalam dua dimensi. Selain itu, lapisan penyangga ini juga dapat mengatur tegangan dan mencegah cacat substrat meluas ke epitaksi GaN;
✔ Teknologi pembuatan substrat SiC masih belum matang, biaya substrat tinggi, dan jumlah pemasok serta pasokannya sedikit.
Penelitian Torres dkk. menunjukkan bahwa etsa substrat SiC dengan H2 pada suhu tinggi (1600°C) sebelum epitaksi dapat menghasilkan struktur langkah yang lebih teratur pada permukaan substrat, sehingga menghasilkan film epitaksi AlN berkualitas lebih tinggi daripada ketika ditumbuhkan langsung pada permukaan substrat asli. Penelitian Xie dan timnya juga menunjukkan bahwa perlakuan awal etsa substrat silikon karbida dapat secara signifikan meningkatkan morfologi permukaan dan kualitas kristal lapisan epitaksi GaN. Smith dkk. menemukan bahwa dislokasi threading yang berasal dari antarmuka substrat/lapisan penyangga dan lapisan penyangga/lapisan epitaksi berhubungan dengan kerataan substrat [5].
Gambar 4 Morfologi TEM dari sampel lapisan epitaksial GaN yang ditumbuhkan pada substrat 6H-SiC (0001) di bawah kondisi perlakuan permukaan yang berbeda (a) pembersihan kimia; (b) pembersihan kimia + perlakuan plasma hidrogen; (c) pembersihan kimia + perlakuan plasma hidrogen + perlakuan panas hidrogen 1300℃ selama 30 menit
Epitaksi GaN pada Si
Dibandingkan dengan silikon karbida, safir, dan substrat lainnya, proses pembuatan substrat silikon sudah matang, dan dapat secara stabil menyediakan substrat berukuran besar yang matang dengan kinerja biaya yang tinggi. Pada saat yang sama, konduktivitas termal dan konduktivitas listriknya baik, dan proses perangkat elektronik Si sudah matang. Kemungkinan untuk mengintegrasikan perangkat optoelektronik GaN dengan perangkat elektronik Si secara sempurna di masa depan juga membuat pertumbuhan epitaksi GaN pada silikon sangat menarik.
Namun, karena perbedaan besar dalam konstanta kisi antara substrat Si dan material GaN, epitaksi heterogen GaN pada substrat Si merupakan epitaksi dengan ketidaksesuaian besar yang khas, dan juga perlu mengatasi serangkaian masalah:
✔ Masalah energi antarmuka permukaan. Ketika GaN tumbuh pada substrat Si, permukaan substrat Si akan terlebih dahulu dinitrida untuk membentuk lapisan silikon nitrida amorf yang tidak kondusif untuk nukleasi dan pertumbuhan GaN dengan kepadatan tinggi. Selain itu, permukaan Si akan terlebih dahulu bersentuhan dengan Ga, yang akan mengikis permukaan substrat Si. Pada suhu tinggi, dekomposisi permukaan Si akan berdifusi ke dalam lapisan epitaksial GaN untuk membentuk bintik-bintik silikon hitam.
✔ Ketidaksesuaian konstanta kisi antara GaN dan Si cukup besar (~17%), yang akan menyebabkan terbentuknya dislokasi threading dengan kepadatan tinggi dan secara signifikan mengurangi kualitas lapisan epitaksial;
✔ Dibandingkan dengan Si, GaN memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih besar (koefisien ekspansi termal GaN sekitar 5,6×10⁻⁶K⁻¹, koefisien ekspansi termal Si sekitar 2,6×10⁻⁶K⁻¹), dan retakan dapat terbentuk di lapisan epitaksial GaN selama pendinginan suhu epitaksial ke suhu ruangan;
✔ Si bereaksi dengan NH3 pada suhu tinggi untuk membentuk SiNx polikristalin. AlN tidak dapat membentuk inti yang terorientasi secara preferensial pada SiNx polikristalin, yang menyebabkan orientasi lapisan GaN yang tumbuh selanjutnya menjadi tidak teratur dan tingginya jumlah cacat, sehingga mengakibatkan kualitas kristal lapisan epitaksial GaN yang buruk, dan bahkan kesulitan dalam membentuk lapisan epitaksial GaN kristal tunggal [6].
Untuk mengatasi masalah ketidaksesuaian kisi yang besar, para peneliti telah mencoba memperkenalkan material seperti AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, dan SiC sebagai lapisan penyangga pada substrat Si. Untuk menghindari pembentukan SiNx polikristalin dan mengurangi efek buruknya pada kualitas kristal material GaN/AlN/Si (111), TMAl biasanya perlu diperkenalkan selama periode waktu tertentu sebelum pertumbuhan epitaksial lapisan penyangga AlN untuk mencegah NH3 bereaksi dengan permukaan Si yang terpapar untuk membentuk SiNx. Selain itu, teknologi epitaksial seperti teknologi substrat berpola dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas lapisan epitaksial. Pengembangan teknologi ini membantu menghambat pembentukan SiNx pada antarmuka epitaksial, mendorong pertumbuhan dua dimensi lapisan epitaksial GaN, dan meningkatkan kualitas pertumbuhan lapisan epitaksial. Selain itu, lapisan penyangga AlN diperkenalkan untuk mengkompensasi tegangan tarik yang disebabkan oleh perbedaan koefisien ekspansi termal guna menghindari retakan pada lapisan epitaksial GaN di atas substrat silikon. Penelitian Krost menunjukkan bahwa terdapat korelasi positif antara ketebalan lapisan penyangga AlN dan pengurangan regangan. Ketika ketebalan lapisan penyangga mencapai 12 nm, lapisan epitaksial yang lebih tebal dari 6 μm dapat ditumbuhkan pada substrat silikon melalui skema pertumbuhan yang tepat tanpa retakan pada lapisan epitaksial.
Setelah upaya jangka panjang oleh para peneliti, kualitas lapisan epitaksial GaN yang ditumbuhkan pada substrat silikon telah meningkat secara signifikan, dan perangkat seperti transistor efek medan, detektor ultraviolet penghalang Schottky, LED biru-hijau, dan laser ultraviolet telah mengalami kemajuan yang signifikan.
Singkatnya, karena substrat epitaksial GaN yang umum digunakan semuanya merupakan epitaksi heterogen, semuanya menghadapi masalah umum seperti ketidaksesuaian kisi dan perbedaan besar dalam koefisien ekspansi termal pada berbagai tingkat. Substrat epitaksial GaN homogen dibatasi oleh kematangan teknologi, dan substrat tersebut belum diproduksi secara massal. Biaya produksinya tinggi, ukuran substratnya kecil, dan kualitas substratnya belum ideal. Pengembangan substrat epitaksial GaN baru dan peningkatan kualitas epitaksi masih menjadi salah satu faktor penting yang membatasi perkembangan lebih lanjut industri epitaksi GaN.
IV. Metode umum untuk epitaksi GaN
MOCVD (deposisi uap kimia)
Tampaknya epitaksi homogen pada substrat GaN adalah pilihan terbaik untuk epitaksi GaN. Namun, karena prekursor deposisi uap kimia adalah trimetilgalium dan amonia, dan gas pembawanya adalah hidrogen, suhu pertumbuhan MOCVD biasanya sekitar 1000-1100℃, dan laju pertumbuhan MOCVD sekitar beberapa mikron per jam. Metode ini dapat menghasilkan antarmuka yang curam pada tingkat atom, yang sangat cocok untuk menumbuhkan heterojunction, sumur kuantum, superlatis, dan struktur lainnya. Laju pertumbuhannya yang cepat, keseragaman yang baik, dan kesesuaiannya untuk pertumbuhan area luas dan multi-bagian sering digunakan dalam produksi industri.
MBE (epitaksi berkas molekuler)
Dalam epitaksi berkas molekuler, Ga menggunakan sumber unsur, dan nitrogen aktif diperoleh dari nitrogen melalui plasma RF. Dibandingkan dengan metode MOCVD, suhu pertumbuhan MBE sekitar 350-400℃ lebih rendah. Suhu pertumbuhan yang lebih rendah dapat menghindari polusi tertentu yang mungkin disebabkan oleh lingkungan suhu tinggi. Sistem MBE beroperasi di bawah vakum ultra-tinggi, yang memungkinkan integrasi lebih banyak metode deteksi in-situ. Pada saat yang sama, laju pertumbuhan dan kapasitas produksinya tidak dapat dibandingkan dengan MOCVD, dan lebih banyak digunakan dalam penelitian ilmiah [7].
Gambar 5 (a) Skema Eiko-MBE (b) Skema ruang reaksi utama MBE
Metode HVPE (epitaksi fase uap hidrida)
Bahan pendahulu metode epitaksi fasa uap hidrida adalah GaCl3 dan NH3. Detchprohm dkk. menggunakan metode ini untuk menumbuhkan lapisan epitaksi GaN setebal ratusan mikron di permukaan substrat safir. Dalam percobaan mereka, lapisan ZnO ditumbuhkan di antara substrat safir dan lapisan epitaksi sebagai lapisan penyangga, dan lapisan epitaksi tersebut dikupas dari permukaan substrat. Dibandingkan dengan MOCVD dan MBE, fitur utama metode HVPE adalah laju pertumbuhannya yang tinggi, yang cocok untuk produksi lapisan tebal dan material curah. Namun, ketika ketebalan lapisan epitaksi melebihi 20μm, lapisan epitaksi yang dihasilkan dengan metode ini rentan terhadap retakan.
Akira USUI memperkenalkan teknologi substrat berpola berdasarkan metode ini. Mereka pertama kali menumbuhkan lapisan epitaksial GaN tipis setebal 1-1,5μm pada substrat safir menggunakan metode MOCVD. Lapisan epitaksial tersebut terdiri dari lapisan penyangga GaN setebal 20nm yang ditumbuhkan pada kondisi suhu rendah dan lapisan GaN yang ditumbuhkan pada kondisi suhu tinggi. Kemudian, pada suhu 430℃, lapisan SiO2 dilapisi pada permukaan lapisan epitaksial, dan garis-garis jendela dibuat pada film SiO2 dengan fotolitografi. Jarak antar garis adalah 7μm dan lebar masker berkisar dari 1μm hingga 4μm. Setelah peningkatan ini, mereka memperoleh lapisan epitaksial GaN pada substrat safir berdiameter 2 inci yang bebas retak dan sehalus cermin bahkan ketika ketebalannya meningkat hingga puluhan atau bahkan ratusan mikron. Kepadatan cacat berkurang dari 109-1010cm-2 pada metode HVPE tradisional menjadi sekitar 6×107cm-2. Mereka juga menunjukkan dalam percobaan bahwa ketika laju pertumbuhan melebihi 75μm/jam, permukaan sampel akan menjadi kasar[8].
Gambar 6 Skema Substrat Grafis
V. Ringkasan dan Prospek
Material GaN mulai muncul pada tahun 2014 ketika LED cahaya biru memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun itu, dan memasuki bidang aplikasi pengisian daya cepat di sektor elektronik konsumen. Bahkan, aplikasi pada penguat daya dan perangkat RF yang digunakan di stasiun pangkalan 5G yang sebagian besar orang tidak dapat melihatnya juga telah muncul secara diam-diam. Dalam beberapa tahun terakhir, terobosan perangkat daya kelas otomotif berbasis GaN diharapkan akan membuka titik pertumbuhan baru bagi pasar aplikasi material GaN.
Permintaan pasar yang besar pasti akan mendorong perkembangan industri dan teknologi terkait GaN. Dengan kematangan dan peningkatan rantai industri terkait GaN, masalah yang dihadapi oleh teknologi epitaksi GaN saat ini pada akhirnya akan diperbaiki atau diatasi. Di masa depan, orang pasti akan mengembangkan lebih banyak teknologi epitaksi baru dan lebih banyak pilihan substrat yang unggul. Pada saat itu, orang akan dapat memilih teknologi penelitian eksternal dan substrat yang paling sesuai untuk berbagai skenario aplikasi sesuai dengan karakteristik skenario aplikasi tersebut, dan menghasilkan produk kustom yang paling kompetitif.
Waktu posting: 28 Juni 2024