3. Pertumbuhan lapisan tipis epitaksi
Substrat menyediakan lapisan pendukung fisik atau lapisan konduktif untuk perangkat daya Ga2O3. Lapisan penting berikutnya adalah lapisan saluran atau lapisan epitaksial yang digunakan untuk ketahanan tegangan dan transportasi pembawa. Untuk meningkatkan tegangan tembus dan meminimalkan resistansi konduksi, ketebalan dan konsentrasi doping yang dapat dikontrol, serta kualitas material yang optimal, merupakan beberapa prasyarat. Lapisan epitaksi Ga2O3 berkualitas tinggi biasanya diendapkan menggunakan epitaksi berkas molekul (MBE), deposisi uap kimia organik logam (MOCVD), deposisi uap halida (HVPE), deposisi laser berdenyut (PLD), dan teknik deposisi berbasis kabut CVD.
Tabel 2 Beberapa teknologi epitaksi yang representatif
3.1 metode MBE
Teknologi MBE terkenal karena kemampuannya menumbuhkan film β-Ga2O3 berkualitas tinggi dan bebas cacat dengan doping tipe-n yang dapat dikontrol karena lingkungan vakum yang sangat tinggi dan kemurnian material yang tinggi. Hasilnya, teknologi ini menjadi salah satu teknologi pengendapan 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 dengan doping rendah. MBE dapat memantau struktur permukaan dan morfologi secara real time dengan presisi lapisan atom dengan menggunakan refleksi difraksi elektron energi tinggi (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 tingkat pertumbuhan berada pada urutan (010)>(001)>(−201)>(100). Dalam kondisi sedikit kaya Ga pada suhu 650 hingga 750°C, β-Ga2O3 (010) menunjukkan pertumbuhan optimal dengan permukaan halus dan laju pertumbuhan tinggi. Dengan menggunakan metode ini, epitaksi β-Ga2O3 berhasil dicapai dengan kekasaran RMS 0,1 nm. β-Ga2O3 Dalam lingkungan kaya Ga, film MBE yang ditumbuhkan pada suhu berbeda ditunjukkan pada gambar. Novel Crystal Technology Inc. telah berhasil memproduksi wafer β-Ga2O3MBE 10 × 15mm2 secara epitaksi. Mereka menyediakan substrat kristal tunggal β-Ga2O3 berorientasi berkualitas tinggi (010) dengan ketebalan 500 μm dan XRD FWHM di bawah 150 detik busur. Substratnya didoping Sn atau didoping Fe. Substrat konduktif yang didoping Sn memiliki konsentrasi doping 1E18 hingga 9E18cm−3, sedangkan substrat semi-isolasi yang didoping besi memiliki resistivitas yang lebih tinggi dari 10E10 Ω cm.
3.2 Metode MOCVD
MOCVD menggunakan senyawa organik logam sebagai bahan prekursor untuk menumbuhkan film tipis, sehingga mencapai produksi komersial skala besar. Saat menumbuhkan Ga2O3 menggunakan metode MOCVD, trimetilgallium (TMGa), trietilgallium (TEGa) dan Ga (dipentil glikol format) biasanya digunakan sebagai sumber Ga, sedangkan H2O, O2 atau N2O digunakan sebagai sumber oksigen. Pertumbuhan dengan metode ini umumnya memerlukan suhu tinggi (>800°C). Teknologi ini memiliki potensi untuk mencapai konsentrasi pembawa yang rendah dan mobilitas elektron pada suhu tinggi dan rendah, sehingga sangat penting untuk mewujudkan perangkat daya β-Ga2O3 berkinerja tinggi. Dibandingkan dengan metode pertumbuhan MBE, MOCVD memiliki keuntungan dalam mencapai tingkat 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 antaraμdan resistansi lembaran diukur dengan Hall dan suhu
3.3 Metode HVPE
HVPE adalah teknologi epitaksi yang matang dan telah banyak digunakan dalam pertumbuhan epitaksi semikonduktor senyawa III-V. HVPE dikenal dengan biaya produksi yang rendah, tingkat pertumbuhan yang cepat, dan ketebalan film yang tinggi. Perlu dicatat bahwa HVPEβ-Ga2O3 biasanya menunjukkan morfologi permukaan yang kasar dan cacat permukaan serta lubang dengan kepadatan tinggi. Oleh karena itu, proses pemolesan kimia dan mekanis 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 HVPE homoepitaxial β-Ga2O3, dengan ketebalan lapisan epitaxial 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
3.4 Metode PLD
Teknologi PLD terutama digunakan untuk menyimpan lapisan oksida kompleks dan struktur heterostruktur. Selama proses pertumbuhan PLD, energi foton digabungkan 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 berdampak langsung pada permukaan material, menimbulkan cacat titik sehingga menurunkan kualitas film. Mirip dengan metode MBE, RHEED dapat digunakan untuk memantau struktur permukaan dan morfologi material secara real time selama proses pengendapan PLD β-Ga2O3, sehingga memungkinkan peneliti memperoleh informasi pertumbuhan secara akurat. Metode PLD diharapkan dapat menumbuhkan film β-Ga2O3 yang sangat konduktif, menjadikannya solusi kontak ohmik yang dioptimalkan pada perangkat daya Ga2O3.
Gambar 10 Gambar AFM Si yang didoping Ga2O3
3.5 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 deposisi film tipis. Namun sejauh ini Ga2O3 yang ditumbuhkan menggunakan kabut CVD masih memiliki sifat kelistrikan yang kurang baik, sehingga masih banyak ruang untuk perbaikan dan optimalisasi di masa mendatang.
Waktu posting: 30 Mei-2024