Semikonduktor celah pita lebar (WBG) yang diwakili oleh silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) telah mendapat perhatian luas. Masyarakat memiliki ekspektasi yang tinggi terhadap prospek penerapan silikon karbida pada kendaraan listrik dan jaringan listrik, serta prospek penerapan galium nitrida dalam pengisian cepat. Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian mengenai material Ga2O3, AlN, dan berlian telah mengalami kemajuan yang signifikan, sehingga material semikonduktor celah pita ultra lebar menjadi fokus perhatian. Diantaranya, galium oksida (Ga2O3) adalah bahan semikonduktor celah pita ultra lebar yang muncul dengan celah pita 4,8 eV, kekuatan medan tembus kritis teoretis sekitar 8 MV cm-1, dan kecepatan saturasi sekitar 2E7cm s-1, dan faktor kualitas Baliga yang tinggi sebesar 3000, mendapat perhatian luas di bidang elektronika daya tegangan tinggi dan frekuensi tinggi.
1. Karakteristik bahan galium oksida
Ga2O3 memiliki celah pita yang besar (4,8 eV), diharapkan dapat mencapai kemampuan menahan tegangan dan daya yang tinggi, serta memiliki potensi kemampuan beradaptasi tegangan tinggi pada resistansi yang relatif rendah, menjadikannya fokus penelitian saat ini. Selain itu, Ga2O3 tidak hanya memiliki sifat material yang sangat baik, tetapi juga menyediakan berbagai teknologi doping tipe-n yang mudah disesuaikan, serta teknologi pertumbuhan substrat dan epitaksi berbiaya rendah. Sejauh ini, lima fase kristal berbeda telah ditemukan di Ga2O3, termasuk fase korundum (α), monoklinik (β), spinel cacat (γ), kubik (δ) dan ortorombik (ɛ). Stabilitas termodinamika secara berurutan adalah γ, δ, α, ɛ, dan β. Perlu dicatat bahwa monoklinik β-Ga2O3 adalah yang paling stabil, terutama pada suhu tinggi, sedangkan fase lainnya bermetastabil di atas suhu kamar dan cenderung berubah menjadi fase β dalam kondisi termal tertentu. Oleh karena itu, pengembangan perangkat berbasis β-Ga2O3 menjadi fokus utama dalam bidang elektronika daya dalam beberapa tahun terakhir.
Tabel 1 Perbandingan beberapa parameter material semikonduktor
Struktur kristal monoklinikβ-Ga2O3 ditunjukkan pada Tabel 1. Parameter kisinya meliputi a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, dan β = 103,8°. Sel satuan terdiri dari atom Ga(I) dengan koordinasi tetrahedral terpelintir dan atom Ga(II) dengan koordinasi oktahedral. Ada tiga susunan atom oksigen yang berbeda dalam susunan “kubik bengkok”, termasuk dua atom O(I) dan O(II) yang terkoordinasi secara segitiga dan satu atom O(III) yang terkoordinasi secara tetrahedral. Kombinasi kedua jenis koordinasi atom ini menghasilkan anisotropi β-Ga2O3 dengan sifat khusus dalam fisika, korosi kimia, optik, dan elektronik.
Gambar 1 Diagram struktur skema kristal β-Ga2O3 monoklinik
Dari perspektif teori pita energi, nilai minimum pita konduksi β-Ga2O3 diturunkan dari keadaan energi yang sesuai dengan orbit hibrid 4s0 atom Ga. Perbedaan energi antara nilai minimum pita konduksi dan tingkat energi vakum (energi afinitas elektron) diukur. adalah 4 eV. Massa elektron efektif β-Ga2O3 diukur sebagai 0,28–0,33 me dan konduktivitas elektroniknya yang baik. Namun, pita valensi maksimum menunjukkan kurva Ek yang dangkal dengan kelengkungan yang sangat rendah dan orbital O2p yang sangat terlokalisasi, menunjukkan bahwa lubang tersebut terlokalisasi dalam. Karakteristik ini menimbulkan tantangan besar untuk mencapai doping tipe-p pada β-Ga2O3. Bahkan jika doping tipe-P dapat dicapai, lubang μ tetap berada pada level yang sangat rendah. 2. Pertumbuhan kristal tunggal galium oksida dalam jumlah besar Sejauh ini, metode pertumbuhan substrat kristal tunggal massal β-Ga2O3 terutama adalah metode penarik kristal, seperti Czochralski (CZ), metode pengumpanan film tipis yang ditentukan tepi (Edge -Defined film-fed , EFG), teknologi Bridgman (Bridgman rtical atau horizontal, HB atau VB) dan zona terapung (floating zone, FZ). Di antara semua metode, metode pengumpanan film tipis Czochralski dan edge-definisi diharapkan menjadi cara yang paling menjanjikan untuk produksi massal wafer β-Ga 2O3 di masa depan, karena keduanya dapat secara bersamaan mencapai volume besar dan kepadatan cacat yang rendah. Hingga kini, Novel Crystal Technology Jepang telah merealisasikan matriks komersial untuk pertumbuhan lelehan β-Ga2O3.
1.1 Metode Czochralski
Prinsip metode Czochralski adalah lapisan benih ditutup terlebih dahulu, dan kemudian kristal tunggal perlahan-lahan ditarik keluar dari lelehan. Metode Czochralski semakin penting untuk β-Ga2O3 karena efektivitas biaya, kemampuan ukuran besar, dan pertumbuhan substrat berkualitas tinggi. Namun, karena tekanan termal selama pertumbuhan Ga2O3 suhu tinggi, penguapan kristal tunggal, bahan leleh, dan kerusakan pada wadah Ir akan terjadi. Hal ini disebabkan sulitnya mencapai doping tipe-n rendah pada Ga2O3. Memasukkan oksigen dalam jumlah yang sesuai ke dalam atmosfer pertumbuhan adalah salah satu cara untuk mengatasi masalah ini. Melalui optimasi, β-Ga2O3 2 inci berkualitas tinggi dengan rentang konsentrasi elektron bebas 10^16~10^19 cm-3 dan kerapatan elektron maksimum 160 cm2/Vs telah berhasil dikembangkan dengan metode Czochralski.
Gambar 2 Kristal tunggal β-Ga2O3 ditumbuhkan dengan metode Czochralski
1.2 Metode pengumpanan film yang ditentukan tepinya
Metode pengumpanan film tipis dengan batas tepi dianggap sebagai pesaing utama untuk produksi komersial bahan kristal tunggal Ga2O3 dengan area luas. Prinsip metode ini adalah menempatkan lelehan dalam cetakan dengan celah kapiler, dan lelehan naik ke cetakan melalui aksi kapiler. Di bagian atas, lapisan tipis terbentuk dan menyebar ke segala arah sambil diinduksi untuk mengkristal oleh kristal benih. Selain itu, tepi bagian atas cetakan dapat dikontrol untuk menghasilkan kristal dalam bentuk serpihan, tabung, atau geometri apa pun yang diinginkan. Metode pengumpanan lapisan tipis Ga2O3 yang ditentukan tepinya memberikan tingkat pertumbuhan yang cepat dan diameter yang besar. Gambar 3 menunjukkan diagram kristal tunggal β-Ga2O3. Selain itu, dalam hal skala ukuran, substrat β-Ga2O3 berukuran 2 inci dan 4 inci dengan transparansi dan keseragaman yang sangat baik telah dikomersialkan, sedangkan substrat 6 inci ditunjukkan dalam penelitian untuk komersialisasi di masa depan. Baru-baru ini, material curah kristal tunggal melingkar besar juga telah tersedia dengan orientasi (−201). Selain itu, metode pengumpanan film tepi β-Ga2O3 juga mendorong doping elemen logam transisi, sehingga memungkinkan penelitian dan persiapan Ga2O3.
Gambar 3 Kristal tunggal β-Ga2O3 ditumbuhkan dengan metode pengumpanan film yang ditentukan tepinya
1.3 Metode Bridgeman
Dalam metode Bridgeman, kristal dibentuk dalam wadah yang digerakkan secara bertahap melalui gradien suhu. Prosesnya dapat dilakukan dalam orientasi horizontal atau vertikal, biasanya menggunakan wadah yang berputar. Perlu dicatat bahwa metode ini mungkin menggunakan biji kristal atau tidak. Operator Bridgman tradisional tidak memiliki visualisasi langsung dari proses peleburan dan pertumbuhan kristal serta harus mengontrol suhu dengan presisi tinggi. Metode Bridgman vertikal terutama digunakan untuk pertumbuhan β-Ga2O3 dan dikenal karena kemampuannya tumbuh di lingkungan udara. Selama proses pertumbuhan metode Bridgman vertikal, total kehilangan massa lelehan dan wadah dijaga di bawah 1%, memungkinkan pertumbuhan kristal tunggal β-Ga2O3 besar dengan kehilangan minimal.
Gambar 4 Kristal tunggal β-Ga2O3 ditumbuhkan dengan metode Bridgeman
1.4 Metode zona terapung
Metode zona terapung memecahkan masalah kontaminasi kristal oleh bahan wadah dan mengurangi biaya tinggi yang terkait dengan wadah inframerah tahan suhu tinggi. Selama proses pertumbuhan ini, lelehan dapat dipanaskan dengan lampu dibandingkan dengan sumber RF, sehingga menyederhanakan persyaratan untuk peralatan pertumbuhan. Meskipun bentuk dan kualitas kristal β-Ga2O3 yang ditumbuhkan dengan metode zona terapung belum optimal, metode ini membuka metode yang menjanjikan untuk menumbuhkan β-Ga2O3 dengan kemurnian tinggi menjadi kristal tunggal yang hemat anggaran.
Gambar 5 Kristal tunggal β-Ga2O3 ditumbuhkan dengan metode floating zone.
Waktu posting: 30 Mei-2024