1. Semikonduktor generasi ketiga
Teknologi semikonduktor generasi pertama dikembangkan berdasarkan bahan semikonduktor seperti Si dan Ge. Ini adalah bahan dasar pengembangan transistor dan teknologi sirkuit terpadu. Bahan semikonduktor generasi pertama meletakkan dasar bagi industri elektronik pada abad ke-20 dan merupakan bahan dasar 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 adalah fondasi industri informasi optoelektronik. Atas dasar ini, industri terkait seperti penerangan, display, laser, dan fotovoltaik telah dikembangkan. Mereka banyak digunakan dalam teknologi informasi kontemporer dan industri tampilan optoelektronik.
Bahan perwakilan bahan semikonduktor generasi ketiga meliputi galium nitrida dan silikon karbida. Karena celah pitanya yang lebar, kecepatan penyimpangan saturasi elektron yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, dan kekuatan medan tembus yang tinggi, bahan ini merupakan bahan yang ideal untuk menyiapkan perangkat elektronik dengan kepadatan daya tinggi, frekuensi tinggi, dan kerugian rendah. Diantaranya, perangkat listrik silikon karbida memiliki keunggulan kepadatan energi yang tinggi, konsumsi energi yang rendah, dan ukuran yang kecil, serta memiliki prospek penerapan yang luas pada kendaraan energi baru, fotovoltaik, transportasi kereta api, data besar, dan bidang lainnya. Perangkat RF Gallium nitrida memiliki keunggulan frekuensi tinggi, daya tinggi, bandwidth lebar, konsumsi daya rendah dan ukuran kecil, serta memiliki prospek aplikasi yang luas dalam komunikasi 5G, Internet of Things, radar militer, dan bidang lainnya. Selain itu, perangkat listrik berbasis galium nitrida telah banyak digunakan di bidang tegangan rendah. Selain itu, dalam beberapa tahun terakhir, bahan-bahan galium oksida yang muncul diharapkan dapat melengkapi secara teknis dengan teknologi SiC dan GaN yang ada, dan memiliki prospek penerapan 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 dari bahan semikonduktor generasi pertama, adalah sekitar 1,1eV, lebar celah pita GaAs, tipikal bahan dari bahan semikonduktor generasi kedua, adalah sekitar 1,42eV, dan lebar celah pita GaN, bahan khas dari bahan semikonduktor generasi ketiga, berada di atas 2.3eV), ketahanan radiasi yang lebih kuat, ketahanan yang lebih kuat terhadap gangguan 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. Penerapannya pada perangkat frekuensi radio gelombang mikro, LED, laser, perangkat listrik, 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, serta sinar ultraviolet dan biru. -perangkat lampu hijau [1].
Sumber gambar: CASA, Institut Penelitian Sekuritas Zheshang
Gambar 1 Skala waktu dan perkiraan perangkat daya GaN
Struktur dan karakteristik material GaN II
GaN adalah semikonduktor celah pita langsung. Lebar celah pita struktur wurtzit pada suhu kamar adalah sekitar 3,26eV. Material GaN memiliki tiga struktur kristal utama yaitu struktur wurtzit, struktur sfalerit, dan struktur garam batu. Diantaranya, struktur wurtzite merupakan struktur kristal yang paling stabil. Gambar 2 adalah diagram struktur wurtzit heksagonal GaN. Struktur wurtzit bahan GaN termasuk dalam struktur padat heksagonal. 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 struktur Wurtzite GaN
III Substrat yang umum digunakan untuk epitaksi GaN
Tampaknya epitaksi homogen pada substrat GaN adalah 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 langsung terurai. Hal ini membuat teknologi preparasi substrat matang seperti metode Czochralski tidak cocok untuk preparasi substrat kristal tunggal GaN, sehingga substrat GaN sulit diproduksi secara massal dan mahal. Oleh karena itu, substrat yang biasa 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 mempunyai sifat kimia yang stabil, murah, dan mempunyai kematangan yang tinggi untuk produksi industri skala besar. Oleh karena itu, bahan ini 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 diselesaikan untuk substrat safir adalah:
✔ Karena ketidakcocokan kisi yang besar antara safir (Al2O3) dan GaN (sekitar 15%), kepadatan cacat pada antarmuka antara lapisan epitaksi dan substrat sangat tinggi. Untuk mengurangi dampak buruknya, substrat harus mengalami perlakuan awal yang kompleks sebelum proses epitaksi dimulai. Sebelum menumbuhkan epitaksi GaN pada substrat safir, permukaan substrat harus dibersihkan terlebih dahulu untuk menghilangkan kontaminan, sisa kerusakan pemolesan, dll., dan untuk menghasilkan struktur permukaan berundak dan berundak. Kemudian, permukaan substrat dinitridasi untuk mengubah sifat pembasahan lapisan epitaksi. Terakhir, lapisan buffer AlN yang tipis (biasanya setebal 10-100nm) perlu diendapkan pada permukaan substrat dan dianil pada suhu rendah untuk mempersiapkan pertumbuhan epitaksi akhir. Meski begitu, kerapatan dislokasi pada film epitaksi 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). 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 muai panas safir lebih besar dibandingkan GaN, sehingga tegangan tekan biaksial akan timbul pada lapisan epitaksi selama proses pendinginan dari suhu pengendapan ke suhu kamar. Untuk film epitaksi yang lebih tebal, tekanan 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 kepadatan cacat lapisan epitaksi GaN yang ditanam pada substrat safir tinggi, hal ini 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 lebih banyak aplikasi baru pada perangkat GaN seperti laser atau perangkat daya berdensitas tinggi lainnya, cacat bawaan pada substrat safir semakin menjadi batasan dalam penerapannya. Selain itu, dengan berkembangnya teknologi pertumbuhan substrat SiC, pengurangan biaya, dan kematangan teknologi epitaksi GaN pada substrat Si, penelitian lebih lanjut tentang pertumbuhan lapisan epitaksi GaN pada substrat safir secara bertahap menunjukkan tren pendinginan.
Epitaksi GaN pada SiC
Dibandingkan dengan safir, substrat SiC (kristal 4H dan 6H) memiliki ketidakcocokan kisi yang lebih kecil dengan lapisan epitaksi GaN (3,1%, setara dengan film epitaksi berorientasi [0001]), konduktivitas termal yang lebih tinggi (sekitar 3,8W*cm-1*K -1), dll. Selain itu, konduktivitas substrat SiC juga memungkinkan terjadinya kontak listrik di bagian belakang media, sehingga membantu menyederhanakan struktur perangkat. Adanya keunggulan tersebut menarik semakin banyak peneliti untuk mengerjakan epitaksi GaN pada substrat silikon karbida.
Namun, bekerja secara langsung pada substrat SiC untuk menghindari pertumbuhan lapisan GaN juga menghadapi serangkaian kelemahan, termasuk yang berikut:
✔ Kekasaran permukaan substrat SiC jauh lebih tinggi daripada substrat safir (kekasaran safir 0,1nm RMS, kekasaran SiC 1nm RMS), substrat SiC memiliki kekerasan tinggi dan kinerja pemrosesan yang buruk, dan kekasaran serta kerusakan sisa pemolesan ini juga merupakan salah satu dari sumber cacat pada lapisan GaN.
✔ Kepadatan dislokasi sekrup pada substrat SiC tinggi (kepadatan dislokasi 103-104cm-2), dislokasi sekrup dapat merambat ke lapisan GaN dan mengurangi kinerja perangkat;
✔ Susunan atom pada permukaan substrat menginduksi pembentukan patahan susun (BSF) pada lapisan GaN. Untuk GaN epitaksi pada substrat SiC, terdapat beberapa kemungkinan susunan atom pada substrat, sehingga menghasilkan urutan susunan atom awal yang tidak konsisten pada lapisan GaN epitaksi di atasnya, yang rentan terhadap kesalahan penumpukan. Kesalahan penumpukan (SF) menimbulkan medan listrik bawaan di sepanjang sumbu c, yang menyebabkan masalah seperti kebocoran perangkat pemisah pembawa di dalam pesawat;
✔ Koefisien ekspansi termal substrat SiC lebih kecil dibandingkan AlN dan GaN, yang menyebabkan akumulasi tekanan termal antara lapisan epitaksi dan substrat selama proses pendinginan. Waltereit dan Brand memperkirakan berdasarkan hasil penelitian mereka bahwa masalah ini dapat diatasi atau diselesaikan dengan menumbuhkan lapisan epitaksi GaN pada lapisan nukleasi AlN yang tipis dan tegang secara koheren;
✔ Masalah keterbasahan atom Ga yang buruk. Saat menumbuhkan lapisan epitaksi GaN langsung pada permukaan SiC, karena buruknya keterbasahan 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 epitaksi di epitaksi GaN. Memperkenalkan lapisan penyangga AlN atau AlxGa1-xN dapat secara efektif meningkatkan keterbasahan permukaan SiC dan membuat lapisan epitaksi GaN tumbuh dalam dua dimensi. Selain itu, juga dapat mengatur stres dan mencegah cacat substrat meluas ke epitaksi GaN;
✔ Teknologi persiapan substrat SiC belum matang, biaya substrat tinggi, dan pemasok serta pasokannya sedikit.
Penelitian Torres et al. menunjukkan bahwa mengetsa 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 dengan kualitas lebih tinggi dibandingkan saat langsung. tumbuh pada permukaan substrat aslinya. Penelitian Xie dan timnya juga menunjukkan bahwa perlakuan awal etsa pada 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 lapisan substrat/buffer dan lapisan buffer/lapisan epitaksi berhubungan dengan kerataan substrat [5].
Gambar 4 Morfologi TEM sampel lapisan epitaksi GaN yang ditumbuhkan pada substrat 6H-SiC (0001) dalam kondisi perlakuan permukaan yang berbeda (a) pembersihan kimia; (b) pembersihan kimia + pengolahan 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 persiapan substrat silikon sudah matang, dan secara stabil dapat menyediakan substrat matang berukuran besar dengan kinerja biaya tinggi. Pada saat yang sama, konduktivitas termal dan konduktivitas listrik baik, dan proses perangkat elektronik Si sudah matang. Kemungkinan integrasi sempurna perangkat GaN optoelektronik dengan perangkat elektronik Si di masa depan juga membuat pertumbuhan epitaksi GaN pada silikon menjadi sangat menarik.
Namun, karena perbedaan besar dalam konstanta kisi antara substrat Si dan bahan GaN, epitaksi heterogen GaN pada substrat Si merupakan tipikal epitaksi ketidakcocokan besar, dan juga perlu menghadapi serangkaian masalah:
✔ Masalah energi antarmuka permukaan. Ketika GaN tumbuh pada substrat Si, permukaan substrat Si pertama-tama akan dinitridasi untuk membentuk lapisan silikon nitrida amorf yang tidak kondusif bagi nukleasi dan pertumbuhan GaN berdensitas tinggi. Selain itu, permukaan Si terlebih dahulu akan bersentuhan dengan Ga, yang akan menimbulkan korosi pada permukaan substrat Si. Pada suhu tinggi, dekomposisi permukaan Si akan berdifusi ke lapisan epitaksi GaN membentuk bintik silikon hitam.
✔ Ketidaksesuaian konstan kisi antara GaN dan Si besar (~17%), yang akan mengarah pada pembentukan dislokasi threading kepadatan tinggi dan secara signifikan mengurangi kualitas lapisan epitaksi;
✔ Dibandingkan dengan Si, GaN memiliki koefisien muai panas yang lebih besar (koefisien muai panas GaN sekitar 5,6×10-6K-1, koefisien muai panas Si sekitar 2,6×10-6K-1), dan retakan dapat terjadi di GaN lapisan epitaksi ketika suhu epitaksi didinginkan hingga suhu kamar;
✔ Si bereaksi dengan NH3 pada suhu tinggi membentuk SiNx polikristalin. AlN tidak dapat membentuk inti yang berorientasi istimewa pada polikristalin SiNx, yang menyebabkan orientasi lapisan GaN yang kemudian tumbuh menjadi tidak teratur dan sejumlah besar cacat, mengakibatkan kualitas kristal yang buruk pada lapisan epitaksi GaN, dan bahkan kesulitan dalam membentuk kristal tunggal. lapisan epitaksi GaN [6].
Untuk mengatasi masalah ketidakcocokan kisi yang besar, para peneliti telah mencoba memperkenalkan bahan seperti AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, dan SiC sebagai lapisan penyangga pada substrat Si. Untuk menghindari pembentukan SiNx polikristalin dan mengurangi efek buruknya terhadap kualitas kristal bahan GaN/AlN/Si (111), TMAl biasanya perlu dimasukkan dalam jangka waktu tertentu sebelum pertumbuhan epitaksi lapisan penyangga AlN untuk mencegah NH3 bereaksi dengan permukaan Si yang terbuka membentuk SiNx. Selain itu, teknologi epitaksi seperti teknologi substrat berpola dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas lapisan epitaksi. Perkembangan teknologi ini membantu menghambat pembentukan SiNx pada antarmuka epitaksi, mendorong pertumbuhan dua dimensi lapisan epitaksi GaN, dan meningkatkan kualitas pertumbuhan lapisan epitaksi. Selain itu, lapisan penyangga AlN diperkenalkan untuk mengkompensasi tegangan tarik yang disebabkan oleh perbedaan koefisien ekspansi termal untuk menghindari retakan pada lapisan epitaksi GaN pada substrat silikon. Penelitian Krost menunjukkan adanya korelasi positif antara ketebalan lapisan penyangga AlN dengan penurunan regangan. Ketika ketebalan lapisan penyangga mencapai 12nm, lapisan epitaksi yang lebih tebal dari 6μm dapat ditanam pada substrat silikon melalui skema pertumbuhan yang sesuai tanpa retaknya lapisan epitaksi.
Setelah upaya jangka panjang yang dilakukan para peneliti, kualitas lapisan epitaksi GaN yang ditanam pada substrat silikon telah meningkat secara signifikan, dan perangkat seperti transistor efek medan, detektor ultraviolet penghalang Schottky, LED biru-hijau, dan laser ultraviolet telah mencapai kemajuan yang signifikan.
Singkatnya, karena substrat epitaksi GaN yang umum digunakan semuanya merupakan epitaksi heterogen, semuanya menghadapi masalah umum seperti ketidakcocokan kisi dan perbedaan besar dalam koefisien ekspansi termal pada tingkat yang berbeda-beda. Substrat GaN epitaksi homogen dibatasi oleh kematangan teknologi, dan substrat tersebut belum diproduksi secara massal. Biaya produksi tinggi, ukuran substrat kecil, dan kualitas substrat kurang ideal. Pengembangan substrat epitaksi GaN baru dan peningkatan kualitas epitaksi masih menjadi salah satu faktor penting yang membatasi pengembangan 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 pengendapan uap kimia adalah trimetilgallium dan amonia, dan gas pembawanya adalah hidrogen, suhu pertumbuhan MOCVD umumnya sekitar 1000-1100℃, dan laju pertumbuhan MOCVD sekitar beberapa mikron per jam. Ini dapat menghasilkan antarmuka yang curam pada tingkat atom, yang sangat cocok untuk menumbuhkan heterojungsi, sumur kuantum, superlattice, dan struktur lainnya. Tingkat pertumbuhannya yang cepat, keseragaman yang baik, dan kesesuaian untuk area yang luas dan pertumbuhan 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 dalam kondisi vakum ultra-tinggi, yang memungkinkannya mengintegrasikan lebih banyak metode deteksi di tempat. Pada saat yang sama, tingkat 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 ditumbuhkan 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 tingkat pertumbuhannya yang tinggi, sehingga cocok untuk produksi lapisan tebal dan material curah. Namun bila ketebalan lapisan epitaksi melebihi 20μm, lapisan epitaksi yang dihasilkan dengan metode ini rentan terhadap retak.
Akira USUI memperkenalkan teknologi substrat berpola berdasarkan metode ini. Mereka pertama-tama menumbuhkan lapisan epitaksi GaN tipis setebal 1-1,5μm pada substrat safir menggunakan metode MOCVD. Lapisan epitaksi terdiri dari lapisan penyangga GaN setebal 20 nm 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 epitaksi, dan garis jendela dibuat pada film SiO2 dengan fotolitografi. Jarak garisnya adalah 7μm dan lebar topeng berkisar antara 1μm hingga 4μm. Setelah perbaikan ini, mereka memperoleh lapisan epitaksi GaN pada substrat safir berdiameter 2 inci yang bebas retak dan sehalus cermin meskipun 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 Outlook
Material GaN mulai muncul pada tahun 2014 ketika LED lampu biru memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun itu, dan memasuki bidang aplikasi pengisian cepat publik di bidang elektronik konsumen. Faktanya, aplikasi pada power amplifier dan perangkat RF yang digunakan pada BTS 5G yang tidak dapat dilihat oleh kebanyakan orang juga telah muncul secara diam-diam. Dalam beberapa tahun terakhir, terobosan perangkat listrik kelas otomotif berbasis GaN diharapkan dapat membuka titik pertumbuhan baru untuk pasar aplikasi material GaN.
Permintaan pasar yang besar tentunya akan mendorong perkembangan industri dan teknologi terkait GaN. Dengan kematangan dan peningkatan rantai industri terkait GaN, permasalahan yang dihadapi oleh teknologi epitaksi GaN saat ini pada akhirnya akan diperbaiki atau diatasi. Di masa depan, orang-orang pasti akan mengembangkan lebih banyak teknologi epitaksial baru dan pilihan substrat yang lebih baik. Pada saat itu, masyarakat akan dapat memilih teknologi dan substrat penelitian eksternal yang paling sesuai untuk berbagai skenario aplikasi sesuai dengan karakteristik skenario aplikasi, dan menghasilkan produk khusus yang paling kompetitif.
Waktu posting: 28 Juni 2024