1. Semikonduktor generasi katelu
Teknologi semikonduktor generasi pertama dikembangake adhedhasar bahan semikonduktor kayata Si lan Ge. Iki minangka basis materi kanggo pangembangan transistor lan teknologi sirkuit terpadu. Bahan semikonduktor generasi pertama nyawisake pondasi kanggo industri elektronik ing abad kaping 20 lan minangka bahan dhasar kanggo teknologi sirkuit terpadu.
Bahan semikonduktor generasi kapindho utamane kalebu galium arsenida, indium fosfida, galium fosfida, indium arsenida, aluminium arsenida lan senyawa terner. Bahan semikonduktor generasi kapindho minangka pondasi industri informasi optoelektronik. Adhedhasar iki, industri sing gegandhengan kayata pencahayaan, tampilan, laser, lan fotovoltaik wis dikembangake. Bahan kasebut akeh digunakake ing industri teknologi informasi kontemporer lan tampilan optoelektronik.
Bahan-bahan sing representatif saka bahan semikonduktor generasi katelu kalebu galium nitrida lan silikon karbida. Amarga celah pita sing amba, kecepatan hanyutan saturasi elektron sing dhuwur, konduktivitas termal sing dhuwur, lan kekuatan medan breakdown sing dhuwur, bahan-bahan iki minangka bahan sing ideal kanggo nyiapake piranti elektronik kanthi kapadhetan daya dhuwur, frekuensi dhuwur, lan kerugian rendah. Antarane, piranti daya silikon karbida duwe kaluwihan kapadhetan energi sing dhuwur, konsumsi energi sing sithik, lan ukuran cilik, lan duwe prospek aplikasi sing amba ing kendaraan energi anyar, fotovoltaik, transportasi rel, data gedhe, lan bidang liyane. Piranti RF galium nitrida duwe kaluwihan frekuensi dhuwur, daya dhuwur, bandwidth sing amba, konsumsi daya sing sithik lan ukuran cilik, lan duwe prospek aplikasi sing amba ing komunikasi 5G, Internet of Things, radar militer lan bidang liyane. Kajaba iku, piranti daya berbasis galium nitrida wis digunakake sacara wiyar ing bidang voltase rendah. Kajaba iku, ing taun-taun pungkasan, bahan galium oksida sing muncul diarepake bakal mbentuk komplementaritas teknis karo teknologi SiC lan GaN sing wis ana, lan duwe prospek aplikasi potensial ing bidang frekuensi rendah lan voltase tinggi.
Dibandhingake karo bahan semikonduktor generasi kapindho, bahan semikonduktor generasi katelu duwe jembar celah pita sing luwih amba (jembar celah pita Si, bahan khas bahan semikonduktor generasi pertama, udakara 1.1eV, jembar celah pita GaAs, bahan khas bahan semikonduktor generasi kapindho, udakara 1.42eV, lan jembar celah pita GaN, bahan khas bahan semikonduktor generasi katelu, luwih saka 2.3eV), resistensi radiasi sing luwih kuwat, resistensi sing luwih kuwat kanggo kerusakan medan listrik, lan resistensi suhu sing luwih dhuwur. Bahan semikonduktor generasi katelu kanthi jembar celah pita sing luwih amba cocog banget kanggo produksi piranti elektronik sing tahan radiasi, frekuensi dhuwur, daya dhuwur, lan kapadhetan integrasi dhuwur. Aplikasine ing piranti frekuensi radio gelombang mikro, LED, laser, piranti daya, lan bidang liyane wis narik kawigaten akeh, lan wis nuduhake prospek pangembangan sing amba ing komunikasi seluler, jaringan cerdas, transit rel, kendaraan energi anyar, elektronik konsumen, lan piranti cahya ultraviolet lan biru-ijo [1].
Sumber gambar: CASA, Institut Riset Sekuritas Zheshang
Gambar 1 Skala wektu lan prakiraan piranti daya GaN
Struktur lan karakteristik materi GaN II
GaN iku semikonduktor celah pita langsung. Jembar celah pita struktur wurtzite ing suhu ruangan kira-kira 3.26 eV. Bahan GaN duwé telung struktur kristal utama, yaiku struktur wurtzite, struktur sfalerit, lan struktur uyah watu. Antarane, struktur wurtzite minangka struktur kristal sing paling stabil. Gambar 2 minangka diagram struktur wurtzite heksagonal GaN. Struktur wurtzite bahan GaN kalebu struktur heksagonal sing rapet. Saben sel unit duwé 12 atom, kalebu 6 atom N lan 6 atom Ga. Saben atom Ga (N) mbentuk ikatan karo 4 atom N (Ga) sing paling cedhak lan ditumpuk miturut urutan ABABAB… ing sadawane arah [0001] [2].
Gambar 2 Diagram sel kristal GaN struktur Wurtzite
Substrat sing umum digunakake kanggo epitaksi GaN
Katon yen epitaksi homogen ing substrat GaN minangka pilihan sing paling apik kanggo epitaksi GaN. Nanging, amarga energi ikatan GaN sing gedhe, nalika suhu tekan titik leleh 2500 ℃, tekanan dekomposisi sing cocog yaiku udakara 4.5GPa. Nalika tekanan dekomposisi luwih murah tinimbang tekanan iki, GaN ora leleh nanging langsung bosok. Iki ndadekake teknologi persiapan substrat diwasa kayata metode Czochralski ora cocog kanggo persiapan substrat kristal tunggal GaN, saengga substrat GaN angel diprodhuksi massal lan larang. Mulane, substrat sing umum digunakake ing pertumbuhan epitaksial GaN utamane Si, SiC, safir, lan liya-liyane [3].
Grafik 3 GaN lan parameter bahan substrat sing umum digunakake
Epitaksi GaN ing safir
Safir nduweni sipat kimia sing stabil, murah, lan nduweni kematangan sing dhuwur ing industri produksi skala gedhe. Mulane, iki wis dadi salah sawijining bahan substrat paling awal lan paling akeh digunakake ing teknik piranti semikonduktor. Minangka salah sawijining substrat sing umum digunakake kanggo epitaksi GaN, masalah utama sing kudu dirampungake kanggo substrat safir yaiku:
✔ Amarga ketidakcocokan kisi sing gedhe antarane safir (Al2O3) lan GaN (udakara 15%), kapadhetan cacat ing antarmuka antarane lapisan epitaksial lan substrat dhuwur banget. Kanggo nyuda efek samping, substrat kudu ngalami perawatan awal sing kompleks sadurunge proses epitaksi diwiwiti. Sadurunge ngembangake epitaksi GaN ing substrat safir, permukaan substrat kudu diresiki kanthi ketat kanggo mbusak kontaminan, kerusakan polesan sisa, lan liya-liyane, lan kanggo ngasilake undhak-undhakan lan struktur permukaan undhak-undhakan. Banjur, permukaan substrat dinitridasi kanggo ngganti sifat pembasahan lapisan epitaksial. Pungkasan, lapisan buffer AlN sing tipis (biasane kandel 10-100nm) kudu diendapkan ing permukaan substrat lan dipanasake ing suhu rendah kanggo nyiapake pertumbuhan epitaksial pungkasan. Sanajan mangkono, kapadhetan dislokasi ing film epitaksial GaN sing ditandur ing substrat safir isih luwih dhuwur tinimbang film homoepitaksial (udakara 1010 cm-2, dibandhingake karo kapadhetan dislokasi nol ing film homoepitaksial silikon utawa film homoepitaksial galium arsenida, utawa antarane 102 lan 104 cm-2). Kapadhetan cacat sing luwih dhuwur nyuda mobilitas pembawa, saengga nyepetake umur pembawa minoritas lan nyuda konduktivitas termal, kabeh mau bakal nyuda kinerja piranti [4];
✔ Koefisien ekspansi termal safir luwih gedhe tinimbang GaN, mula tegangan tekan biaksial bakal diasilake ing lapisan epitaksial sajrone proses pendinginan saka suhu deposisi nganti suhu ruangan. Kanggo film epitaksial sing luwih kandel, tegangan iki bisa nyebabake retak ing film utawa malah substrat;
✔ Dibandhingake karo substrat liyane, konduktivitas termal substrat safir luwih murah (udakara 0,25W * cm-1 * K-1 ing 100 ℃), lan kinerja pembuangan panas kurang apik;
✔ Amarga konduktivitas sing kurang apik, substrat safir ora kondusif kanggo integrasi lan aplikasi karo piranti semikonduktor liyane.
Senajan kapadhetan cacat lapisan epitaksial GaN sing ditumbuhake ing substrat safir dhuwur, nanging ora katon nyuda kinerja optoelektronik LED biru-ijo berbasis GaN kanthi signifikan, mula substrat safir isih dadi substrat sing umum digunakake kanggo LED berbasis GaN.
Kanthi pangembangan aplikasi anyar piranti GaN kayata laser utawa piranti daya kapadhetan dhuwur liyane, cacat sing ana ing substrat safir saya dadi watesan ing aplikasi kasebut. Kajaba iku, kanthi pangembangan teknologi pertumbuhan substrat SiC, pangurangan biaya lan kadewasan teknologi epitaksial GaN ing substrat Si, riset luwih akeh babagan pertumbuhan lapisan epitaksial GaN ing substrat safir mboko sithik nuduhake tren pendinginan.
Epitaksi GaN ing SiC
Dibandhingake karo safir, substrat SiC (kristal 4H- lan 6H-) nduweni ketidakcocokan kisi sing luwih cilik karo lapisan epitaksial GaN (3,1%, padha karo film epitaksial sing berorientasi [0001], konduktivitas termal sing luwih dhuwur (udakara 3,8W * cm-1 * K-1), lan liya-liyane. Kajaba iku, konduktivitas substrat SiC uga ngidini kontak listrik digawe ing mburi substrat, sing mbantu nyederhanakake struktur piranti. Anane kaluwihan kasebut wis narik kawigaten luwih akeh peneliti kanggo nggarap epitaksi GaN ing substrat silikon karbida.
Nanging, nggarap langsung ing substrat SiC kanggo nyegah tuwuhing lapisan epi GaN uga ngadhepi sawetara kekurangan, kalebu ing ngisor iki:
✔ Kekasaran permukaan substrat SiC luwih dhuwur tinimbang substrat safir (kekasaran safir 0,1nm RMS, kekasaran SiC 1nm RMS), substrat SiC nduweni kekerasan sing dhuwur lan kinerja pangolahan sing kurang apik, lan kekasaran lan kerusakan polesan sisa iki uga minangka salah sawijining sumber cacat ing lapisan epi GaN.
✔ Kapadhetan dislokasi sekrup substrat SiC dhuwur (kapadhetan dislokasi 103-104cm-2), dislokasi sekrup bisa nyebar menyang lapisan epilayer GaN lan nyuda kinerja piranti;
✔ Susunan atom ing lumahing substrat nyebabake pembentukan kesalahan susun (BSF) ing lapisan epilayer GaN. Kanggo GaN epitaksial ing substrat SiC, ana pirang-pirang kemungkinan urutan susunan atom ing substrat, sing nyebabake urutan susun atom awal sing ora konsisten saka lapisan GaN epitaksial ing ndhuwure, sing rawan kesalahan susun. Kesalahan susun (SF) ngenalake medan listrik bawaan ing sadawane sumbu c, sing nyebabake masalah kayata kebocoran piranti pamisah pembawa ing bidang;
✔ Koefisien ekspansi termal substrat SiC luwih cilik tinimbang AlN lan GaN, sing nyebabake akumulasi stres termal antarane lapisan epitaksial lan substrat sajrone proses pendinginan. Waltereit lan Brand prédhiksi adhedhasar asil riset manawa masalah iki bisa dikurangi utawa dirampungake kanthi numbuhake lapisan epitaksial GaN ing lapisan nukleasi AlN sing tipis lan tegang kanthi koheren;
✔ Masalah kebasahan atom Ga sing kurang apik. Nalika ngembangake lapisan epitaksial GaN langsung ing permukaan SiC, amarga kebasahan sing kurang apik ing antarane rong atom kasebut, GaN rentan tuwuhing pulo 3D ing permukaan substrat. Ngenalake lapisan buffer minangka solusi sing paling umum digunakake kanggo ningkatake kualitas bahan epitaksial ing epitaksi GaN. Ngenalake lapisan buffer AlN utawa AlxGa1-xN bisa kanthi efektif ningkatake kebasahan permukaan SiC lan nggawe lapisan epitaksial GaN tuwuh ing rong dimensi. Kajaba iku, uga bisa ngatur stres lan nyegah cacat substrat supaya ora nganti tekan epitaksi GaN;
✔ Teknologi persiapan substrat SiC durung mateng, biaya substrat larang, lan mung ana sawetara pemasok lan pasokan sithik.
Riset Torres et al. nuduhake yen ngetsa substrat SiC nganggo H2 ing suhu dhuwur (1600°C) sadurunge epitaksi bisa ngasilake struktur langkah sing luwih teratur ing permukaan substrat, saengga entuk film epitaksial AlN sing luwih berkualitas tinimbang nalika langsung ditumbuhake ing permukaan substrat asli. Riset Xie lan timnya uga nuduhake yen perawatan awal etsa substrat silikon karbida bisa ningkatake morfologi permukaan lan kualitas kristal lapisan epitaksial GaN kanthi signifikan. Smith et al. nemokake yen dislokasi threading sing asale saka lapisan substrat/buffer lan antarmuka lapisan buffer/lapisan epitaksial ana hubungane karo kerataan substrat [5].
Gambar 4 Morfologi TEM saka sampel lapisan epitaksial GaN sing ditandur ing substrat 6H-SiC (0001) ing macem-macem kahanan perawatan permukaan (a) pembersihan kimia; (b) pembersihan kimia + perawatan plasma hidrogen; (c) pembersihan kimia + perawatan plasma hidrogen + perawatan panas hidrogen 1300℃ sajrone 30 menit
Epitaksis GaN ing Si
Dibandhingake karo silikon karbida, safir, lan substrat liyane, proses persiapan substrat silikon wis mateng, lan bisa nyedhiyakake substrat ukuran gedhe sing mateng kanthi kinerja biaya sing dhuwur. Ing wektu sing padha, konduktivitas termal lan konduktivitas listrik apik, lan proses piranti elektronik Si wis mateng. Kemungkinan kanggo nggabungake piranti GaN optoelektronik kanthi sampurna karo piranti elektronik Si ing mangsa ngarep uga ndadekake pertumbuhan epitaksi GaN ing silikon menarik banget.
Nanging, amarga bedane gedhe ing konstanta kisi antarane substrat Si lan bahan GaN, epitaksi heterogen GaN ing substrat Si minangka epitaksi ketidakcocokan gedhe sing khas, lan uga kudu ngadhepi sawetara masalah:
✔ Masalah energi antarmuka permukaan. Nalika GaN tuwuh ing substrat Si, permukaan substrat Si bakal dinitridasi dhisik kanggo mbentuk lapisan silikon nitrida amorf sing ora kondusif kanggo nukleasi lan pertumbuhan GaN kapadhetan dhuwur. Kajaba iku, permukaan Si bakal ngubungi Ga dhisik, sing bakal ngrusak permukaan substrat Si. Ing suhu dhuwur, dekomposisi permukaan Si bakal nyebar menyang lapisan epitaksial GaN kanggo mbentuk bintik-bintik silikon ireng.
✔ Ketidakcocokan konstanta kisi antarane GaN lan Si gedhe (~17%), sing bakal nyebabake pembentukan dislokasi threading kapadhetan dhuwur lan nyuda kualitas lapisan epitaksial kanthi signifikan;
✔ Dibandhingake karo Si, GaN nduweni koefisien ekspansi termal sing luwih gedhe (koefisien ekspansi termal GaN udakara 5,6 × 10-6K-1, koefisien ekspansi termal Si udakara 2,6 × 10-6K-1), lan retakan bisa uga diasilake ing lapisan epitaksial GaN sajrone pendinginan suhu epitaksial menyang suhu ruangan;
✔ Si bereaksi karo NH3 ing suhu dhuwur kanggo mbentuk SiNx polikristalin. AlN ora bisa mbentuk inti sing berorientasi khusus ing SiNx polikristalin, sing nyebabake orientasi lapisan GaN sing banjur tuwuh ora teratur lan akeh cacat, sing nyebabake kualitas kristal lapisan epitaksial GaN sing kurang apik, lan malah angel mbentuk lapisan epitaksial GaN kristal tunggal [6].
Kanggo ngatasi masalah ketidakcocokan kisi sing gedhe, para peneliti wis nyoba ngenalake bahan kayata AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, lan SiC minangka lapisan buffer ing substrat Si. Kanggo nyegah pembentukan SiNx polikristalin lan nyuda efek samping ing kualitas kristal bahan GaN/AlN/Si (111), TMAl biasane dibutuhake kanggo dilebokake sajrone wektu tartamtu sadurunge pertumbuhan epitaksial lapisan buffer AlN kanggo nyegah NH3 reaksi karo permukaan Si sing kapapar kanggo mbentuk SiNx. Kajaba iku, teknologi epitaksial kayata teknologi substrat berpola bisa digunakake kanggo ningkatake kualitas lapisan epitaksial. Pengembangan teknologi kasebut mbantu nyegah pembentukan SiNx ing antarmuka epitaksial, ningkatake pertumbuhan rong dimensi lapisan epitaksial GaN, lan ningkatake kualitas pertumbuhan lapisan epitaksial. Kajaba iku, lapisan buffer AlN dilebokake kanggo ngimbangi tegangan tarik sing disebabake dening bedane koefisien ekspansi termal kanggo nyegah retakan ing lapisan epitaksial GaN ing substrat silikon. Riset Krost nuduhaké yèn ana korelasi positif antara kekandelan lapisan buffer AlN lan pangurangan regangan. Nalika kekandelan lapisan buffer tekan 12nm, lapisan epitaksial sing luwih kandel tinimbang 6μm bisa ditandur ing substrat silikon liwat skema pertumbuhan sing cocog tanpa retakan lapisan epitaksial.
Sawisé upaya jangka panjang déning para peneliti, kualitas lapisan epitaksial GaN sing ditandur ing substrat silikon wis saya apik, lan piranti kaya ta transistor efek medan, detektor ultraviolet penghalang Schottky, LED biru-ijo, lan laser ultraviolet wis nggawé kemajuan sing signifikan.
Ringkesane, amarga substrat epitaksial GaN sing umum digunakake kabeh epitaksi heterogen, kabeh mau ngadhepi masalah umum kayata ketidakcocokan kisi lan beda gedhe ing koefisien ekspansi termal nganti macem-macem derajat. Substrat GaN epitaksial homogen diwatesi dening kematangan teknologi, lan substrate durung diprodhuksi massal. Biaya produksi dhuwur, ukuran substrat cilik, lan kualitas substrat ora ideal. Pangembangan substrat epitaksial GaN anyar lan peningkatan kualitas epitaksial isih dadi salah sawijining faktor penting sing mbatesi pangembangan luwih lanjut saka industri epitaksial GaN.
IV. Cara umum kanggo epitaksi GaN
MOCVD (deposisi uap kimia)
Katon yen epitaksi homogen ing substrat GaN minangka pilihan sing paling apik kanggo epitaksi GaN. Nanging, amarga prekursor deposisi uap kimia yaiku trimetilgalium lan amonia, lan gas pembawa yaiku hidrogen, suhu pertumbuhan MOCVD khas yaiku sekitar 1000-1100℃, lan tingkat pertumbuhan MOCVD sekitar sawetara mikron saben jam. Iki bisa ngasilake antarmuka sing tajem ing tingkat atom, sing cocog banget kanggo pertumbuhan heterojunction, sumur kuantum, superkisi, lan struktur liyane. Tingkat pertumbuhan sing cepet, keseragaman sing apik, lan kesesuaian kanggo pertumbuhan area gedhe lan multi-potongan asring digunakake ing produksi industri.
MBE (epitaksi berkas molekuler)
Ing epitaksi sinar molekul, Ga nggunakake sumber unsur, lan nitrogen aktif dipikolehi saka nitrogen liwat plasma RF. Dibandhingake karo metode MOCVD, suhu pertumbuhan MBE udakara 350-400℃ luwih murah. Suhu pertumbuhan sing luwih murah bisa nyegah polusi tartamtu sing bisa disebabake dening lingkungan suhu dhuwur. Sistem MBE beroperasi ing vakum ultra-dhuwur, sing ngidini nggabungake luwih akeh metode deteksi in-situ. Ing wektu sing padha, tingkat pertumbuhan lan kapasitas produksi ora bisa dibandhingake karo MOCVD, lan luwih akeh digunakake ing riset ilmiah [7].
Gambar 5 (a) Skema Eiko-MBE (b) Skema ruang reaksi utama MBE
Metode HVPE (epitaksi fase uap hidrida)
Prekursor saka metode epitaksi fase uap hidrida yaiku GaCl3 lan NH3. Detchprohm et al. nggunakake metode iki kanggo nuwuhake lapisan epitaksial GaN sing kandele atusan mikron ing permukaan substrat safir. Ing eksperimen kasebut, lapisan ZnO dituwuhake ing antarane substrat safir lan lapisan epitaksial minangka lapisan penyangga, lan lapisan epitaksial dikupas saka permukaan substrat. Dibandhingake karo MOCVD lan MBE, fitur utama metode HVPE yaiku tingkat pertumbuhane sing dhuwur, sing cocog kanggo produksi lapisan kandel lan bahan curah. Nanging, nalika kekandelan lapisan epitaksial ngluwihi 20μm, lapisan epitaksial sing diasilake kanthi metode iki rentan retak.
Akira USUI ngenalake teknologi substrat berpola adhedhasar metode iki. Pisanan, dheweke ngembangake lapisan epitaksial GaN tipis kandel 1-1,5μm ing substrat safir nggunakake metode MOCVD. Lapisan epitaksial kasusun saka lapisan buffer GaN kandel 20nm sing ditumbuhake ing kahanan suhu rendah lan lapisan GaN sing ditumbuhake ing kahanan suhu dhuwur. Banjur, ing suhu 430℃, lapisan SiO2 dilapisi ing permukaan lapisan epitaksial, lan garis-garis jendela digawe ing film SiO2 kanthi fotolitografi. Jarak garis-garis kasebut yaiku 7μm lan jembar topeng wiwit saka 1μm nganti 4μm. Sawise perbaikan iki, dheweke entuk lapisan epitaksial GaN ing substrat safir diameter 2 inci sing ora retak lan alus kaya pangilon sanajan kekandelane tambah nganti puluhan utawa malah atusan mikron. Kapadhetan cacat dikurangi saka 109-1010cm-2 saka metode HVPE tradisional dadi udakara 6 × 107cm-2. Ing eksperimen kasebut, dheweke uga nudingake yen nalika tingkat pertumbuhan ngluwihi 75μm/jam, permukaan sampel bakal dadi kasar[8].
Gambar 6 Skema Substrat Grafis
V. Ringkesan lan Pandangan
Bahan GaN wiwit muncul ing taun 2014 nalika lampu biru LED menang Hadiah Nobel ing Fisika ing taun kasebut, lan mlebu ing bidang aplikasi pangisian daya cepet ing bidang elektronik konsumen. Nyatane, aplikasi ing penguat daya lan piranti RF sing digunakake ing stasiun pangkalan 5G sing umume wong ora bisa ndeleng uga wis muncul kanthi meneng. Ing taun-taun pungkasan, terobosan piranti daya kelas otomotif berbasis GaN diarepake bakal mbukak titik pertumbuhan anyar kanggo pasar aplikasi bahan GaN.
Panjaluk pasar sing gedhe mesthi bakal ningkatake pangembangan industri lan teknologi sing ana gandhengane karo GaN. Kanthi kadewasan lan perbaikan rantai industri sing ana gandhengane karo GaN, masalah sing diadhepi teknologi epitaksial GaN saiki pungkasane bakal luwih apik utawa diatasi. Ing mangsa ngarep, wong mesthi bakal ngembangake luwih akeh teknologi epitaksial anyar lan pilihan substrat sing luwih apik. Ing wektu kasebut, wong bakal bisa milih teknologi riset eksternal lan substrat sing paling cocog kanggo skenario aplikasi sing beda-beda miturut karakteristik skenario aplikasi, lan ngasilake produk khusus sing paling kompetitif.
Wektu kiriman: 28 Juni 2024