Pengantar Semikonduktor Generasi Ketiga: GaN dan Teknologi Epitaxial Terkait

1. Semikonduktor Generasi Ketiga

(1) Semikonduktor Generasi Pertama

Teknologi semikonduktor generasi pertama didasarkan pada bahan seperti silikon (Si) dan germanium (Ge). Bahan-bahan ini meletakkan dasar bagi teknologi transistor dan sirkuit terpadu (IC), yang kemudian menjadi landasan industri elektronik abad ke-20.

(2) Semikonduktor Generasi Kedua
Bahan semikonduktor generasi kedua terutama mencakup galium arsenida (GaAs), indium fosfida (InP), galium fosfida (GaP), indium arsenida (InAs), aluminium arsenida (AlAs), dan senyawa ternernya. Bahan-bahan ini menjadi tulang punggung industri informasi optoelektronik, yang mengarah pada perkembangan industri pencahayaan, tampilan, laser, fotovoltaik, dan industri terkait lainnya. Mereka banyak digunakan dalam teknologi informasi kontemporer dan industri tampilan optoelektronik.

(3) Semikonduktor Generasi Ketiga
Bahan perwakilan semikonduktor generasi ketiga termasuk galium nitrida (GaN) dan silikon karbida (SiC). Karena celah pitanya yang lebar, kecepatan penyimpangan saturasi elektron yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, dan medan listrik kerusakan yang besar, bahan-bahan ini ideal untuk perangkat elektronik dengan kepadatan daya tinggi, frekuensi tinggi, dan kerugian rendah. Perangkat listrik SiC memiliki kepadatan energi yang tinggi, konsumsi energi yang rendah, dan ukuran yang kecil, sehingga cocok untuk aplikasi pada kendaraan listrik, fotovoltaik, transportasi kereta api, dan sektor data besar. Perangkat GaN RF memiliki fitur frekuensi tinggi, daya tinggi, bandwidth lebar, konsumsi daya rendah, dan ukuran kecil, yang menguntungkan untuk komunikasi 5G, Internet of Things (IoT), dan aplikasi radar militer. Selain itu, perangkat listrik berbasis GaN kini banyak digunakan dalam aplikasi tegangan rendah. Bahan galium oksida (Ga2O3) yang sedang berkembang juga menunjukkan potensi untuk melengkapi teknologi SiC dan GaN yang sudah ada, terutama dalam aplikasi frekuensi rendah dan tegangan tinggi.

Dibandingkan dengan material semikonduktor generasi kedua, material generasi ketiga memiliki celah pita yang lebih lebar (tipikal Si memiliki celah pita sekitar 1,1 eV, GaAs sekitar 1,42 eV, sedangkan GaN melebihi 2,3 eV), ketahanan radiasi yang lebih kuat, kinerja kerusakan medan listrik yang lebih tinggi, dan kinerja kerusakan medan listrik yang lebih baik. ketahanan suhu tinggi. Karakteristik ini membuat bahan semikonduktor generasi ketiga sangat cocok untuk perangkat elektronik yang tahan radiasi, frekuensi tinggi, daya tinggi, dan kepadatan integrasi tinggi. Mereka membuat kemajuan signifikan dalam perangkat RF gelombang mikro, LED, laser, dan perangkat listrik, serta menunjukkan prospek yang menjanjikan dalam komunikasi seluler, jaringan pintar, transportasi kereta api, kendaraan listrik, elektronik konsumen, serta perangkat lampu ultraviolet dan lampu biru-hijau [1].

Gambar 1: Ukuran Pasar dan Perkiraan Perangkat Listrik GaN

2. Struktur dan Karakteristik GaN

Gallium Nitrida (GaN) adalah semikonduktor celah pita langsung dengan celah pita sekitar 3,26 eV pada suhu kamar dalam struktur wurtzitnya. GaN terutama ada dalam tiga struktur kristal: wurtzite, zincblende, dan garam batu. Struktur wurtzite adalah yang paling stabil di antara struktur lainnya.Gambar 2 menampilkan struktur wurtzite heksagonal GaN. Dalam struktur wurtzite, GaN termasuk dalam konfigurasi heksagonal padat. Setiap sel satuan mengandung 12 atom, termasuk 6 atom nitrogen (N) dan 6 atom galium (Ga). Setiap atom Ga(N) terikat pada 4 atom N(Ga) terdekat, membentuk susunan susun sepanjang arah [0001] dalam pola ABABAB…[2].

Gambar 2: Struktur Wurtzite Sel Satuan GaN

3. Substrat Umum untuk Epitaksi GaN

Sekilas, homoepitaxy pada substrat GaN tampaknya menjadi pilihan optimal untuk epitaksi GaN. Namun, karena energi ikatan GaN yang tinggi, pada titik lelehnya (2500°C), tekanan dekomposisi yang sesuai adalah sekitar 4,5 GPa. Di bawah tekanan ini, GaN tidak meleleh melainkan langsung terurai. Hal ini membuat teknik preparasi substrat tradisional, seperti metode Czochralski, tidak cocok untuk preparasi substrat kristal tunggal GaN. Akibatnya, substrat GaN sulit diproduksi secara massal dan harganya mahal. Oleh karena itu, substrat yang umum digunakan untuk epitaksi GaN meliputi Si, SiC, dan safir [3].

Gambar 3: Parameter GaN dan Bahan Substrat Umum

(1) Epitaksi GaN pada Safir

Safir stabil secara kimia, murah, dan memiliki tingkat kematangan tinggi dalam produksi massal, menjadikannya salah satu bahan substrat paling awal dan paling banyak digunakan dalam rekayasa perangkat semikonduktor. Sebagai substrat umum untuk epitaksi GaN, substrat safir perlu mengatasi masalah utama berikut:

✔ Ketidakcocokan Kisi Tinggi: Ketidakcocokan kisi antara safir (Al2O3) dan GaN sangat signifikan (sekitar 15%), menyebabkan kepadatan cacat yang tinggi pada antarmuka antara lapisan epitaksial dan substrat. Untuk mengurangi dampak buruk ini, substrat harus menjalani pra-pemrosesan yang kompleks sebelum proses epitaksi dimulai. Hal ini mencakup pembersihan menyeluruh untuk menghilangkan kontaminan dan sisa kerusakan pemolesan, membuat struktur permukaan berundak dan berundak, nitridasi permukaan untuk mengubah sifat pembasahan lapisan epitaksial, dan terakhir mendepositkan lapisan penyangga AlN yang tipis (biasanya setebal 10-100 nm) yang diikuti dengan lapisan penyangga rendah. -anil suhu untuk mempersiapkan pertumbuhan epitaksial akhir. Meskipun terdapat langkah-langkah ini, kepadatan dislokasi pada film epitaksi GaN yang ditumbuhkan pada substrat safir tetap tinggi (~10^10 cm^-2) dibandingkan dengan homoepitaksi pada silikon atau GaAs (kerapatan dislokasi 0 hingga 102-104 cm^-2). Kepadatan cacat yang tinggi mengurangi mobilitas pembawa, memperpendek masa pakai pembawa minoritas, dan menurunkan konduktivitas termal, yang semuanya mengganggu kinerja perangkat [4].

✔ Ketidakcocokan Koefisien Ekspansi Termal: Safir memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih besar daripada GaN, sehingga menghasilkan tegangan tekan biaksial di dalam lapisan epitaksi saat mendingin dari suhu pengendapan ke suhu kamar. Untuk film epitaksi yang lebih tebal, tekanan ini dapat menyebabkan keretakan film atau bahkan substrat.

✔ Konduktivitas Termal Buruk: Dibandingkan dengan substrat lain, safir memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah (~0,25 Wcm^-1K^-1 pada 100°C), sehingga merugikan pembuangan panas.

✔ Konduktivitas Listrik Rendah: Konduktivitas listrik safir yang buruk menghalangi integrasi dan penerapannya dengan perangkat semikonduktor lainnya.

Meskipun kepadatan cacat yang tinggi pada lapisan epitaksi GaN yang ditanam pada safir, kinerja optik dan elektroniknya pada LED biru-hijau berbasis GaN tidak tampak berkurang secara signifikan. Oleh karena itu, substrat safir tetap umum untuk LED berbasis GaN. Namun, seiring dengan semakin berkembangnya perangkat GaN seperti laser dan perangkat daya berdensitas tinggi lainnya, keterbatasan yang melekat pada substrat safir menjadi semakin jelas.

(2) Epitaksi GaN pada SiC

Dibandingkan dengan safir, substrat SiC (politipe 4H dan 6H) memiliki ketidakcocokan kisi yang lebih kecil dengan lapisan epitaksi GaN (3,1% sepanjang arah [0001]), konduktivitas termal yang lebih tinggi (sekitar 3,8 Wcm^-1K^-1), dan konduktivitas listrik yang memungkinkan adanya kontak listrik bagian belakang, menyederhanakan struktur perangkat. Keuntungan ini menarik semakin banyak peneliti untuk mengeksplorasi epitaksi GaN pada substrat SiC. Namun, pertumbuhan langsung lapisan epitaksi GaN pada substrat SiC juga menghadapi beberapa tantangan:

✔ Kekasaran Permukaan: Substrat SiC memiliki kekasaran permukaan yang jauh lebih tinggi dibandingkan substrat safir (RMS 0,1 nm untuk safir, RMS 1 nm untuk SiC). Kekerasan tinggi dan kemampuan mesin SiC yang buruk berkontribusi terhadap kekasaran dan kerusakan sisa pemolesan, yang merupakan sumber cacat pada lapisan epitaksi GaN.

✔ Kepadatan Dislokasi Threading Tinggi: Substrat SiC memiliki kepadatan dislokasi threading yang tinggi (103-104 cm^-2), yang dapat merambat ke lapisan epitaksi GaN dan menurunkan kinerja perangkat.

✔ Kesalahan Penumpukan: Susunan atom pada permukaan substrat dapat menyebabkan kesalahan penumpukan (BSF) pada lapisan epitaksi GaN. Berbagai kemungkinan susunan atom pada substrat SiC menyebabkan urutan penumpukan atom awal yang tidak seragam di lapisan GaN, sehingga meningkatkan kemungkinan kesalahan penumpukan. BSF di sepanjang sumbu c menimbulkan medan listrik internal, menyebabkan masalah pemisahan pembawa dan kebocoran pada perangkat.

✔ Ketidakcocokan Koefisien Ekspansi Termal: Koefisien ekspansi termal SiC lebih kecil dibandingkan AlN dan GaN, menyebabkan akumulasi tekanan termal antara lapisan epitaksial dan substrat selama pendinginan. Penelitian Waltereit dan Brand menunjukkan bahwa masalah ini dapat diatasi dengan menumbuhkan lapisan epitaksi GaN pada lapisan nukleasi AlN yang tipis dan tegang secara koheren.

✔ Pembasahan Atom Ga yang Buruk: Pertumbuhan langsung GaN pada permukaan SiC sulit dilakukan karena buruknya pembasahan atom Ga. GaN cenderung tumbuh dalam mode pulau 3D, memperkenalkan lapisan penyangga adalah solusi umum untuk meningkatkan kualitas bahan epitaksi. Memperkenalkan lapisan buffer AlN atau AlxGa1-xN dapat meningkatkan pembasahan pada permukaan SiC, mendorong pertumbuhan 2D lapisan epitaksi GaN dan bertindak untuk memodulasi stres dan memblokir cacat substrat agar tidak menyebar ke lapisan GaN.

✔ Biaya Tinggi dan Persediaan Terbatas: Teknologi persiapan substrat SiC belum matang, menyebabkan biaya substrat tinggi dan terbatasnya pasokan dari beberapa vendor.

Penelitian Torres dkk. menunjukkan bahwa substrat SiC pra-etsa dengan H2 pada suhu tinggi (1600 °C) menciptakan struktur langkah yang lebih teratur, menghasilkan film epitaksi AlN berkualitas lebih tinggi dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan secara langsung pada substrat yang tidak diberi perlakuan. Xie dan timnya juga menunjukkan bahwa perlakuan awal etsa pada substrat SiC secara signifikan meningkatkan morfologi permukaan dan kualitas kristal lapisan epitaksi GaN. Smith dkk. menemukan bahwa dislokasi threading dari antarmuka lapisan substrat/penyangga dan lapisan penyangga/lapisan epitaksi berhubungan dengan kerataan media [5].

Gambar 4: Morfologi TEM Lapisan Epitaksi GaN yang Ditumbuhkan pada (0001) Permukaan Substrat 6H-SiC dengan Perlakuan Permukaan Berbeda: (a) Pembersihan Kimia; (b) Pembersihan Kimia + Perawatan Plasma Hidrogen; © Pembersihan Kimia + Perawatan Plasma Hidrogen + Perawatan Termal Hidrogen 1300°C selama 30 menit

(3) Epitaksi GaN pada Si

Dibandingkan dengan substrat SiC dan safir, substrat silikon memiliki proses persiapan yang matang, pasokan substrat ukuran besar yang stabil, efektivitas biaya, dan konduktivitas termal dan listrik yang sangat baik. Selain itu, teknologi perangkat elektronik silikon yang matang menawarkan potensi integrasi sempurna perangkat GaN optoelektronik dengan perangkat elektronik silikon, menjadikan epitaksi GaN pada silikon sangat menarik. Namun, ketidaksesuaian konstan kisi yang signifikan antara substrat Si dan material GaN menghadirkan beberapa tantangan.

✔ Masalah Energi Antarmuka: Ketika GaN ditumbuhkan pada substrat Si, permukaan Si pertama-tama membentuk lapisan SiNx amorf, yang merusak nukleasi GaN berdensitas tinggi. Selain itu, permukaan Si awalnya bereaksi dengan Ga, menyebabkan korosi permukaan, dan pada suhu tinggi, dekomposisi permukaan Si dapat berdifusi ke lapisan epitaksi GaN, membentuk bintik-bintik silikon hitam.

✔ Ketidakcocokan Kisi: Ketidakcocokan konstan kisi yang besar (~17%) antara GaN dan Si menghasilkan dislokasi ulir berdensitas tinggi, sehingga secara signifikan mengurangi kualitas lapisan epitaksial.

✔ Ketidakcocokan Koefisien Ekspansi Termal: GaN memiliki koefisien ekspansi termal lebih besar daripada Si (GaN ~5,6×10^-6 K^-1, Si ~2,6×10^-6 K^-1), yang dapat menyebabkan keretakan pada GaN lapisan epitaksi selama pendinginan dari suhu pertumbuhan epitaksi ke suhu kamar.

✔ Reaksi Suhu Tinggi: Si bereaksi dengan NH3 pada suhu tinggi, membentuk SiNx polikristalin. AlN tidak dapat bernukleasi secara istimewa pada SiNx polikristalin, menyebabkan pertumbuhan GaN yang sangat disorientasi dengan kepadatan cacat yang sangat tinggi, sehingga sulit untuk membentuk lapisan epitaksi GaN kristal tunggal [6].

Untuk mengatasi ketidakcocokan kisi yang besar, para peneliti telah mencoba untuk memperkenalkan bahan seperti AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, dan SiC sebagai lapisan penyangga pada substrat Si. Untuk mencegah pembentukan SiNx polikristalin dan mengurangi dampak buruknya terhadap kualitas kristal GaN/AlN/Si (111), TMAl biasanya dimasukkan sebelum pertumbuhan epitaksi lapisan penyangga AlN untuk mencegah NH3 bereaksi dengan permukaan Si yang terbuka. Selain itu, teknik seperti substrat berpola digunakan untuk meningkatkan kualitas lapisan epitaksi. Perkembangan ini membantu menekan pembentukan SiNx pada antarmuka epitaksi, mendorong pertumbuhan 2D lapisan epitaksi GaN, dan meningkatkan kualitas pertumbuhan. Memperkenalkan lapisan penyangga AlN mengkompensasi tegangan tarik yang disebabkan oleh perbedaan koefisien ekspansi termal, sehingga mencegah keretakan pada lapisan GaN pada substrat silikon. Penelitian Krost menunjukkan korelasi positif antara ketebalan lapisan buffer AlN dan regangan yang berkurang, memungkinkan pertumbuhan lapisan epitaksi setebal lebih dari 6 μm pada substrat silikon tanpa retak, melalui skema pertumbuhan yang tepat.

Berkat upaya penelitian ekstensif, kualitas lapisan epitaksi GaN yang ditanam pada substrat silikon telah meningkat secara signifikan. Transistor efek medan, detektor ultraviolet penghalang Schottky, LED biru-hijau, dan laser ultraviolet semuanya telah mencapai kemajuan yang signifikan.

Kesimpulannya, substrat epitaksi GaN yang umum semuanya heteroepitaksial, menghadapi berbagai tingkat ketidakcocokan kisi dan perbedaan koefisien ekspansi termal. Substrat GaN homoepitaksial dibatasi oleh teknologi yang belum matang, biaya produksi yang tinggi, ukuran substrat yang kecil, dan kualitas yang kurang optimal, menjadikan pengembangan substrat epitaksi GaN baru dan peningkatan kualitas epitaksi sebagai faktor penting untuk kemajuan industri lebih lanjut.

4. Metode Umum untuk Epitaksi GaN

(1) MOCVD (Deposisi Uap Kimia Logam-Organik)

Meskipun homoepitaxy pada substrat GaN tampaknya menjadi pilihan optimal untuk epitaksi GaN, Deposisi Uap Kimia Organik Logam (MOCVD) menawarkan keuntungan yang signifikan. Menggunakan trimetilgallium dan amonia sebagai prekursor, dan hidrogen sebagai gas pembawa, MOCVD biasanya beroperasi pada suhu pertumbuhan sekitar 1000-1100°C. Laju pertumbuhan MOCVD berada pada kisaran beberapa mikrometer per jam. Metode ini dapat menghasilkan antarmuka atom yang tajam, sehingga ideal untuk menumbuhkan heterojungsi, sumur kuantum, dan superlattice. Kecepatan pertumbuhannya yang relatif tinggi, keseragaman yang sangat baik, dan kesesuaian untuk area yang luas dan pertumbuhan multi-wafer menjadikannya metode standar untuk produksi industri.

(2) MBE (Epitaksi Berkas Molekuler)

Dalam Molecular Beam Epitaxy (MBE), sumber unsur digunakan untuk galium, dan nitrogen aktif dihasilkan melalui plasma RF dari gas nitrogen. Dibandingkan dengan MOCVD, MBE beroperasi pada suhu pertumbuhan yang jauh lebih rendah, sekitar 350-400°C. Suhu yang lebih rendah ini dapat menghindari beberapa masalah kontaminasi yang mungkin timbul di lingkungan bersuhu tinggi. Sistem MBE bekerja dalam kondisi vakum yang sangat tinggi, memungkinkan integrasi lebih banyak teknik pemantauan di tempat. Namun, tingkat pertumbuhan dan kapasitas produksi MBE tidak dapat menandingi MOCVD, sehingga lebih cocok untuk aplikasi penelitian [7].

Gambar 5: (a) Skema Eiko-MBE (b) Skema Ruang Reaksi Utama MBE

(3) HVPE (Epitaksi Fase Uap Hidrida)

Epitaksi Fase Uap Hidrida (HVPE) menggunakan GaCl3 dan NH3 sebagai prekursor. Detchprohm dkk. menggunakan metode ini untuk menumbuhkan lapisan epitaksi GaN setebal beberapa ratus mikrometer pada substrat safir. Dalam percobaan mereka, lapisan penyangga ZnO ditumbuhkan di antara substrat safir dan lapisan epitaksi, memungkinkan lapisan epitaksi terkelupas dari permukaan substrat. Dibandingkan dengan MOCVD dan MBE, keunggulan utama HVPE adalah tingkat pertumbuhannya yang tinggi, sehingga cocok untuk memproduksi lapisan tebal dan material curah. Namun, bila ketebalan lapisan epitaksi melebihi 20μm, lapisan yang ditumbuhkan oleh HVPE rentan terhadap retak.

Akira USUI memperkenalkan teknologi substrat berpola berdasarkan metode HVPE. Awalnya, lapisan epitaksi GaN tipis, setebal 1-1,5μm, ditanam pada substrat safir menggunakan MOCVD. Lapisan ini terdiri dari lapisan penyangga GaN suhu rendah setebal 20nm dan lapisan GaN suhu tinggi. Selanjutnya, pada suhu 430°C, lapisan SiO2 diendapkan pada permukaan lapisan epitaksial, dan garis-garis jendela dibuat pada film SiO2 melalui fotolitografi. Jarak garisnya adalah 7μm, dengan lebar topeng berkisar antara 1μm hingga 4μm. Modifikasi ini memungkinkan mereka menghasilkan lapisan epitaksi GaN pada substrat safir berdiameter 2 inci, yang tetap bebas retak dan mulus seperti cermin meskipun ketebalannya meningkat hingga puluhan atau bahkan ratusan mikrometer. Kepadatan cacat berkurang dari metode HVPE tradisional 109-1010 cm^-2 menjadi sekitar 6×10^7 cm^-2. Mereka juga mencatat bahwa permukaan sampel menjadi kasar ketika laju pertumbuhan melebihi 75μm/jam[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Gambar 6: Skema Substrat Berpola

5. Ringkasan dan Pandangan

Permintaan pasar yang sangat besar tidak diragukan lagi akan mendorong kemajuan signifikan dalam industri dan teknologi terkait GaN. Seiring dengan matang dan membaiknya rantai industri GaN, tantangan epitaksi GaN saat ini pada akhirnya akan dimitigasi atau diatasi. Perkembangan di masa depan kemungkinan besar akan memperkenalkan teknik epitaksi baru dan opsi substrat yang unggul. Kemajuan ini akan memungkinkan pemilihan teknologi dan substrat epitaksi yang paling sesuai berdasarkan karakteristik skenario aplikasi yang berbeda, sehingga menghasilkan produksi produk yang sangat kompetitif dan dapat disesuaikan.**

Referensi:

[1] Bahan Semikonduktor "Perhatian"-Gallium Nitrida (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Status penelitian bahan semikonduktor celah pita lebar SiC dan GaN, Teknologi dan Produk Penggunaan Ganda Militer dan Sipil, Maret 2020, Edisi 437, 21-28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Penelitian tentang metode pengendalian tegangan ketidakcocokan besar galium nitrida pada substrat silikon, Inovasi dan Penerapan Sains dan Teknologi, Edisi 3, 2023

[4]L.Liu, J.H.Edgar, Substrat untuk epitaksi galium nitrida, Sains dan Teknik Material R, 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Perlakuan permukaan dan struktur lapisan dalam pertumbuhan 2H-GaN pada permukaan (0001)Si 6H-SiC oleh MBE, MRS Internet J. Semikond Nitrida. Res.2(1997)42.

[6]MASanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, Elektroluminesensi ultraviolet dalam dioda pemancar cahaya heterojungsi tunggal GaN/AlGaN yang ditanam pada Si(111),Jurnal Fisika Terapan 87,1569(2000).

[7]Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, Pertumbuhan epitaksi berkas molekul GaN, AlN dan InN, Kemajuan Pertumbuhan Kristal dan Karakterisasi Bahan 48/49 (2004) 42-103.

[8]Akira Usui, Haruo Sunakawa, Akira Sakai dan A. atsushi Yamaguchi, Pertumbuhan epitaksi GaN tebal dengan kepadatan dislokasi rendah oleh epitaksi fase uap hidrida, Jpn. J. Aplikasi. Fis. Jil. 36 (1997) hal.899-902.