1. Semikonduktor generasi ketiga
Teknologi semikonduktor generasi pertama dikembangkan berdasarkan bahan semikonduktor seperti Si dan Ge. Ini adalah bahan dasar untuk pengembangan transistor dan teknologi sirkuit terpadu. Bahan semikonduktor generasi pertama meletakkan dasar bagi industri elektronik pada abad ke-20 dan merupakan bahan dasar untuk teknologi sirkuit terpadu.
Bahan semikonduktor generasi kedua terutama meliputi galium arsenida, indium fosfida, galium fosfida, indium arsenida, aluminium arsenida dan senyawa ternernya. Bahan semikonduktor generasi kedua merupakan fondasi industri informasi optoelektronik. Atas dasar ini, industri terkait seperti pencahayaan, tampilan, laser, dan fotovoltaik telah dikembangkan. Bahan-bahan tersebut banyak digunakan dalam teknologi informasi kontemporer dan industri tampilan optoelektronik.
Bahan representatif dari bahan semikonduktor generasi ketiga meliputi galium nitrida dan silikon karbida. Karena celah pita lebar, kecepatan apung saturasi elektron tinggi, konduktivitas termal tinggi, dan kekuatan medan tembus tinggi, bahan-bahan tersebut merupakan bahan ideal untuk menyiapkan perangkat elektronik dengan kepadatan daya tinggi, frekuensi tinggi, dan rugi-rugi rendah. Di antara bahan-bahan tersebut, perangkat daya silikon karbida memiliki keunggulan kepadatan energi tinggi, konsumsi energi rendah, dan ukuran kecil, serta memiliki prospek aplikasi luas dalam kendaraan energi baru, fotovoltaik, transportasi kereta api, data besar, dan bidang lainnya. Perangkat RF galium nitrida memiliki keunggulan frekuensi tinggi, daya tinggi, lebar pita lebar, konsumsi daya rendah, dan ukuran kecil, serta memiliki prospek aplikasi luas dalam komunikasi 5G, Internet of Things, radar militer, dan bidang lainnya. Selain itu, perangkat daya berbasis galium nitrida telah banyak digunakan dalam bidang tegangan rendah. Selain itu, dalam beberapa tahun terakhir, material galium oksida yang muncul diharapkan dapat membentuk komplementaritas teknis dengan teknologi SiC dan GaN yang ada, dan memiliki prospek aplikasi potensial di bidang frekuensi rendah dan tegangan tinggi.
Dibandingkan dengan bahan semikonduktor generasi kedua, bahan semikonduktor generasi ketiga memiliki lebar celah pita yang lebih lebar (lebar celah pita Si, bahan khas bahan semikonduktor generasi pertama, sekitar 1,1 eV, lebar celah pita GaAs, bahan khas bahan semikonduktor generasi kedua, sekitar 1,42 eV, dan lebar celah pita GaN, bahan khas bahan 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. Bahan semikonduktor generasi ketiga dengan lebar celah pita yang lebih lebar sangat cocok untuk produksi perangkat elektronik yang 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 pintar, angkutan kereta api, kendaraan energi baru, elektronik konsumen, dan perangkat cahaya ultraviolet dan biru-hijau [1].
Sumber gambar: CASA, Institut Penelitian Sekuritas Zheshang
Gambar 1 Skala waktu dan perkiraan perangkat daya GaN
II Struktur dan karakteristik material GaN
GaN merupakan semikonduktor bandgap langsung. Lebar bandgap struktur wurtzite pada suhu kamar sekitar 3,26eV. Material GaN memiliki tiga struktur kristal utama, yaitu struktur wurtzite, struktur sphalerite, dan struktur garam batu. Di antara ketiganya, struktur wurtzite merupakan struktur kristal yang paling stabil. Gambar 2 merupakan diagram struktur wurtzite heksagonal GaN. Struktur wurtzite material GaN termasuk dalam struktur heksagonal rapat. Setiap sel satuan 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 dekomposisi yang sesuai adalah sekitar 4,5GPa. Ketika tekanan dekomposisi lebih rendah dari tekanan ini, GaN tidak meleleh tetapi terurai secara langsung. Hal ini membuat teknologi persiapan substrat yang matang seperti metode Czochralski tidak cocok untuk persiapan substrat kristal tunggal GaN, membuat 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].
Grafik 3 GaN dan parameter bahan substrat yang umum digunakan
Epitaksi GaN pada safir
Safir memiliki sifat kimia yang stabil, murah, dan memiliki tingkat kematangan industri produksi skala besar yang tinggi. Oleh karena itu, ia telah menjadi salah satu bahan 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 ketidakcocokan kisi yang besar antara safir (Al2O3) dan GaN (sekitar 15%), kerapatan cacat pada antarmuka antara lapisan epitaksial dan substrat sangat tinggi. Untuk mengurangi efek buruknya, substrat harus mengalami praperlakuan kompleks sebelum proses epitaksi dimulai. Sebelum menumbuhkan epitaksi GaN pada substrat safir, permukaan substrat harus dibersihkan terlebih dahulu secara ketat untuk menghilangkan kontaminan, kerusakan sisa pemolesan, dll., dan untuk menghasilkan langkah dan struktur permukaan langkah. Kemudian, permukaan substrat dinitridasi untuk mengubah sifat pembasahan lapisan epitaksi. Akhirnya, 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 dalam film epitaksial GaN yang tumbuh pada substrat safir masih lebih tinggi daripada kerapatan dislokasi dalam film homoepitaxial (sekitar 1010cm-2, dibandingkan dengan kerapatan dislokasi yang pada dasarnya nol dalam film homoepitaxial silikon atau film homoepitaxial galium arsenida, atau antara 102 dan 104cm-2). Kepadatan cacat yang lebih tinggi mengurangi mobilitas pembawa, sehingga memperpendek masa pakai pembawa minoritas dan mengurangi konduktivitas termal, yang semuanya akan mengurangi kinerja perangkat [4];
✔ Koefisien ekspansi termal safir lebih besar daripada GaN, sehingga tegangan tekan biaksial akan dihasilkan di lapisan epitaksial selama proses pendinginan dari suhu pengendapan ke suhu ruangan. Untuk film epitaksial yang lebih tebal, tegangan ini dapat menyebabkan retaknya film atau bahkan substrat;
✔ Dibandingkan dengan substrat lain, konduktivitas termal substrat safir lebih rendah (sekitar 0,25W*cm-1*K-1 pada 100℃), dan kinerja pembuangan panasnya buruk;
✔ Karena konduktivitasnya yang buruk, substrat safir tidak kondusif untuk integrasi dan penerapannya dengan perangkat semikonduktor lainnya.
Meskipun kerapatan cacat lapisan epitaksial GaN yang tumbuh pada substrat safir tinggi, namun hal itu tampaknya tidak mengurangi kinerja optoelektronik LED biru-hijau berbasis GaN secara signifikan, sehingga substrat safir masih merupakan substrat yang umum digunakan untuk LED berbasis GaN.
Dengan berkembangnya lebih banyak aplikasi baru perangkat GaN seperti laser atau perangkat daya berdensitas tinggi lainnya, cacat bawaan substrat safir semakin menjadi batasan pada aplikasinya. Selain itu, dengan berkembangnya teknologi pertumbuhan substrat SiC, pengurangan biaya, dan kematangan teknologi epitaksial GaN pada substrat Si, lebih banyak penelitian tentang pertumbuhan lapisan epitaksial GaN pada substrat safir secara bertahap menunjukkan tren pendinginan.
Epitaksi GaN pada SiC
Dibandingkan dengan safir, substrat SiC (kristal 4H dan 6H) memiliki ketidaksesuaian kisi yang lebih kecil dengan lapisan epitaxial GaN (3,1%, setara dengan film epitaxial berorientasi [0001]), konduktivitas termal yang lebih tinggi (sekitar 3,8W*cm-1*K-1), dll. Selain itu, konduktivitas substrat SiC juga memungkinkan kontak listrik dibuat di bagian belakang substrat, yang membantu menyederhanakan struktur perangkat. Adanya keunggulan ini telah menarik semakin banyak peneliti untuk mengerjakan epitaksi GaN pada substrat silikon karbida.
Namun, bekerja langsung pada substrat SiC untuk menghindari pertumbuhan epilapis GaN juga menghadapi serangkaian kelemahan, 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 yang tinggi dan kinerja pemrosesan yang buruk, dan kekasaran serta kerusakan sisa pemolesan ini juga merupakan salah satu sumber cacat pada epilapis GaN.
✔ Kepadatan dislokasi sekrup substrat SiC tinggi (kepadatan dislokasi 103-104cm-2), dislokasi sekrup dapat merambat ke epilapis GaN dan mengurangi kinerja perangkat;
✔ Susunan atom pada permukaan substrat menginduksi pembentukan patahan susun (BSF) pada epilapis GaN. Untuk GaN epitaksial pada substrat SiC, terdapat beberapa kemungkinan susunan atom pada substrat, yang menghasilkan susunan atom awal yang tidak konsisten pada lapisan GaN epitaksial di atasnya, yang rentan terhadap patahan susun. Patahan susun (SF) memperkenalkan medan listrik bawaan di sepanjang sumbu-c, yang menyebabkan masalah seperti kebocoran perangkat pemisah pembawa 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 memperkirakan berdasarkan hasil penelitian mereka bahwa masalah ini dapat dikurangi atau dipecahkan dengan menumbuhkan lapisan epitaksial GaN pada lapisan nukleasi AlN yang tipis dan bertegangan koheren;
✔ Masalah rendahnya daya serap atom Ga. Saat menumbuhkan lapisan epitaksial GaN langsung pada permukaan SiC, karena daya serap yang rendah antara kedua atom, GaN rentan terhadap pertumbuhan pulau 3D pada permukaan substrat. Memperkenalkan lapisan penyangga adalah solusi yang paling umum digunakan untuk meningkatkan kualitas bahan epitaksial dalam epitaksi GaN. Memperkenalkan lapisan penyangga AlN atau AlxGa1-xN dapat secara efektif meningkatkan daya serap 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 persiapan substrat SiC belum matang, biaya substrat tinggi, dan pemasok serta pasokannya sedikit.
Penelitian Torres dkk. menunjukkan bahwa pengetsaan substrat SiC dengan H2 pada suhu tinggi (1600°C) sebelum epitaksi dapat menghasilkan struktur langkah yang lebih teratur pada permukaan substrat, sehingga memperoleh film epitaksi AlN berkualitas lebih tinggi daripada ketika langsung tumbuh pada permukaan substrat asli. Penelitian Xie dan timnya juga menunjukkan bahwa praperlakuan pengetsaan substrat silikon karbida dapat secara signifikan meningkatkan morfologi permukaan dan kualitas kristal lapisan epitaksi GaN. Smith dkk. menemukan bahwa dislokasi ulir yang berasal dari antarmuka substrat/lapisan penyangga dan lapisan penyangga/lapisan epitaksi terkait dengan kerataan substrat [5].
Gambar 4 Morfologi TEM sampel lapisan epitaksial GaN yang tumbuh pada substrat 6H-SiC (0001) dalam 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 penyiapan substrat silikon sudah matang, dan dapat secara stabil menyediakan substrat berukuran besar yang matang dengan kinerja biaya tinggi. Pada saat yang sama, konduktivitas termal dan konduktivitas listriknya bagus, dan proses perangkat elektronik Si sudah matang. Kemungkinan untuk mengintegrasikan perangkat GaN optoelektronik dengan perangkat elektronik Si secara sempurna di masa mendatang 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 adalah epitaksi ketidaksesuaian besar yang khas, dan juga perlu menghadapi serangkaian masalah:
✔ Masalah energi antarmuka permukaan. Ketika GaN tumbuh pada substrat Si, permukaan substrat Si akan terlebih dahulu mengalami nitridasi untuk membentuk lapisan silikon nitrida amorf yang tidak mendukung nukleasi dan pertumbuhan GaN berdensitas tinggi. Selain itu, permukaan Si akan terlebih dahulu bersentuhan dengan Ga, yang akan menimbulkan korosi pada 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 besar (~17%), yang akan menyebabkan pembentukan dislokasi ulir berdensitas 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 kamar;
✔ Si bereaksi dengan NH3 pada suhu tinggi untuk membentuk SiNx polikristalin. AlN tidak dapat membentuk inti berorientasi istimewa pada SiNx polikristalin, yang menyebabkan orientasi tidak teratur dari lapisan GaN yang tumbuh selanjutnya dan sejumlah besar cacat, yang 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 terekspos 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 mengimbangi tegangan tarik yang disebabkan oleh perbedaan koefisien ekspansi termal guna menghindari retakan pada lapisan epitaksial GaN pada substrat silikon. Penelitian Krost menunjukkan bahwa terdapat korelasi positif antara ketebalan lapisan penyangga AlN dan pengurangan regangan. Ketika ketebalan lapisan penyangga mencapai 12nm, lapisan epitaksial yang lebih tebal dari 6μm dapat tumbuh pada substrat silikon melalui skema pertumbuhan yang tepat tanpa retaknya lapisan epitaksial.
Setelah upaya jangka panjang oleh para peneliti, kualitas lapisan epitaksial GaN yang tumbuh pada substrat silikon telah ditingkatkan secara signifikan, dan perangkat seperti transistor efek medan, detektor ultraviolet penghalang Schottky, LED biru-hijau, dan laser ultraviolet telah membuat kemajuan yang signifikan.
Singkatnya, karena substrat epitaksial GaN yang umum digunakan semuanya adalah epitaksi heterogen, semuanya menghadapi masalah umum seperti ketidaksesuaian kisi dan perbedaan besar dalam koefisien ekspansi termal hingga berbagai tingkatan. Substrat GaN epitaksial homogen dibatasi oleh kematangan teknologi, dan substrat tersebut belum diproduksi secara massal. Biaya produksinya tinggi, ukuran substratnya kecil, dan kualitas substratnya tidak ideal. Pengembangan substrat epitaksial GaN baru dan peningkatan kualitas epitaksial masih menjadi salah satu faktor penting yang membatasi pengembangan lebih lanjut industri epitaksial GaN.
IV. Metode umum untuk epitaksi GaN
MOCVD (deposisi uap kimia)
Tampaknya epitaksi homogen pada substrat GaN merupakan pilihan terbaik untuk epitaksi GaN. Namun, karena prekursor pengendapan uap kimia adalah trimetilgallium dan amonia, dan gas pembawa adalah hidrogen, suhu pertumbuhan MOCVD yang umum adalah sekitar 1000-1100℃, dan laju pertumbuhan MOCVD sekitar beberapa mikron per jam. Ia dapat menghasilkan antarmuka yang curam pada tingkat atom, yang sangat cocok untuk menumbuhkan heterojunction, sumur kuantum, superlattice, dan struktur lainnya. Laju pertumbuhannya yang cepat, keseragaman yang baik, dan kesesuaian untuk pertumbuhan area yang luas dan multi-bagian sering digunakan dalam produksi industri.
MBE (epitaksi berkas molekul)
Dalam epitaksi berkas molekul, 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 bersuhu tinggi. Sistem MBE beroperasi di bawah vakum sangat tinggi, yang memungkinkannya untuk mengintegrasikan 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)
Prekursor metode epitaksi fase uap hidrida adalah GaCl3 dan NH3. Detchprohm dkk. menggunakan metode ini untuk menumbuhkan lapisan epitaksi GaN setebal ratusan mikron pada permukaan substrat safir. Dalam percobaan mereka, lapisan ZnO tumbuh di antara substrat safir dan lapisan epitaksi sebagai lapisan penyangga, dan lapisan epitaksi 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 oleh metode ini rentan terhadap retakan.
Akira USUI memperkenalkan teknologi substrat berpola berdasarkan metode ini. Pertama-tama mereka menumbuhkan lapisan epitaksial GaN setebal 1-1,5μm pada substrat safir menggunakan metode MOCVD. Lapisan epitaksial terdiri dari lapisan penyangga GaN setebal 20nm yang tumbuh dalam kondisi suhu rendah dan lapisan GaN yang tumbuh dalam kondisi suhu tinggi. Kemudian, pada suhu 430℃, lapisan SiO2 disepuh pada permukaan lapisan epitaksial, dan garis-garis jendela dibuat pada film SiO2 dengan fotolitografi. Jarak garis adalah 7μm dan lebar topeng berkisar dari 1μm hingga 4μm. Setelah perbaikan 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 dari 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 lampu biru memenangkan Penghargaan Nobel dalam bidang Fisika tahun itu, dan memasuki bidang aplikasi pengisian daya cepat di bidang elektronik konsumen. Bahkan, aplikasi dalam penguat daya dan perangkat RF yang digunakan dalam stasiun pangkalan 5G yang tidak dapat dilihat oleh kebanyakan orang juga telah muncul secara diam-diam. Dalam beberapa tahun terakhir, terobosan perangkat daya kelas otomotif berbasis GaN diharapkan dapat membuka titik pertumbuhan baru untuk pasar aplikasi material GaN.
Permintaan pasar yang besar tentu akan mendorong perkembangan industri dan teknologi terkait GaN. Dengan kematangan dan peningkatan rantai industri terkait GaN, masalah yang dihadapi oleh teknologi epitaksial GaN saat ini pada akhirnya akan diperbaiki atau diatasi. Di masa mendatang, orang pasti akan mengembangkan lebih banyak teknologi epitaksial baru dan pilihan substrat yang lebih 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, dan menghasilkan produk khusus yang paling kompetitif.
Waktu posting: 28-Jun-2024