Heteroepitaxy 3C-SiC: Suatu Tinjauan

1. Sejarah Perkembangan 3C-SiC

Perkembangan 3C-SiC, suatu politipe silikon karbida yang signifikan, mencerminkan kemajuan berkelanjutan dalam ilmu material semikonduktor. Pada tahun 1980-an, Nishino dkk. pertama kali mencapai film 3C-SiC setebal 4 μm pada substrat silikon menggunakan deposisi uap kimia (CVD) [1], yang meletakkan dasar bagi teknologi film tipis 3C-SiC.

Tahun 1990-an menandai masa keemasan penelitian SiC. Peluncuran chip 6H-SiC dan 4H-SiC oleh Cree Research Inc. masing-masing pada tahun 1991 dan 1994, mendorong komersialisasi perangkat semikonduktor SiC. Kemajuan teknologi ini meletakkan dasar bagi penelitian dan penerapan 3C-SiC selanjutnya.

Pada awal abad ke-21, film SiC berbasis silikon juga mengalami kemajuan signifikan di Tiongkok. Ye Zhizhen dkk. membuat film SiC pada substrat silikon menggunakan CVD pada suhu rendah pada tahun 2002[2], sementara An Xia dkk. mencapai hasil yang serupa dengan menggunakan magnetron sputtering pada suhu kamar pada tahun 2001 [3].

Namun, ketidaksesuaian kisi yang besar antara Si dan SiC (sekitar 20%) menyebabkan kepadatan cacat yang tinggi pada lapisan epitaksi 3C-SiC, khususnya batas posisi ganda (DPB). Untuk mengurangi hal ini, para peneliti memilih substrat seperti 6H-SiC, 15R-SiC, atau 4H-SiC dengan orientasi (0001) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi 3C-SiC, sehingga mengurangi kepadatan cacat. Misalnya, pada tahun 2012, Seki, Kazuaki dkk. mengusulkan teknik pengendalian polimorfisme kinetik, mencapai pertumbuhan selektif 3C-SiC dan 6H-SiC pada benih 6H-SiC(0001) dengan mengendalikan supersaturasi [4-5]. Pada tahun 2023, Xun Li dkk. berhasil memperoleh lapisan epitaksi 3C-SiC halus yang bebas DPB pada substrat 4H-SiC menggunakan pertumbuhan CVD yang dioptimalkan dengan kecepatan 14 μm/jam [6].

2. Struktur Kristal dan Aplikasi 3C-SiC

Di antara banyak politipe SiC, 3C-SiC, juga dikenal sebagai β-SiC, adalah satu-satunya politipe kubik. Dalam struktur kristal ini, atom Si dan C berada dalam perbandingan satu banding satu, membentuk sel satuan tetrahedral dengan ikatan kovalen yang kuat. Strukturnya dicirikan oleh lapisan ganda Si-C yang disusun dalam urutan ABC-ABC-…, dengan setiap sel satuan berisi tiga lapisan ganda tersebut, dilambangkan dengan notasi C3. Gambar 1 mengilustrasikan struktur kristal 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Gambar 1. Struktur kristal 3C-SiC

Saat ini silikon (Si) merupakan bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan untuk perangkat listrik. Namun, keterbatasan bawaannya membatasi kinerjanya. Dibandingkan dengan 4H-SiC dan 6H-SiC, 3C-SiC memiliki mobilitas elektron teoritis tertinggi pada suhu kamar (1000 cm2·V-1·s-1), sehingga lebih menguntungkan untuk aplikasi MOSFET. Selain itu, tegangan tembusnya yang tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, kekerasan tinggi, celah pita lebar, ketahanan suhu tinggi, dan ketahanan radiasi membuat 3C-SiC sangat menjanjikan untuk aplikasi di bidang elektronik, optoelektronik, sensor, dan lingkungan ekstrem:

Aplikasi Berdaya Tinggi, Frekuensi Tinggi, dan Suhu Tinggi: Tegangan tembus 3C-SiC yang tinggi dan mobilitas elektron yang tinggi menjadikannya ideal untuk pembuatan perangkat daya seperti MOSFET, khususnya di lingkungan yang menuntut [7].

Sistem Nanoelektronik dan Mikroelektromekanis (MEMS): Kompatibilitasnya dengan teknologi silikon memungkinkan pembuatan struktur skala nano, memungkinkan aplikasi dalam perangkat nanoelektronik dan MEMS[8].

Optoelektronik:Sebagai bahan semikonduktor celah pita lebar, 3C-SiC cocok untuk dioda pemancar cahaya (LED) biru. Efisiensi cahayanya yang tinggi dan kemudahan doping membuatnya menarik untuk aplikasi pencahayaan, teknologi tampilan, dan laser[9].

Sensor:3C-SiC digunakan dalam detektor sensitif posisi, khususnya detektor sensitif posisi titik laser berdasarkan efek fotovoltaik lateral. Detektor ini menunjukkan sensitivitas tinggi dalam kondisi bias nol, sehingga cocok untuk aplikasi penentuan posisi presisi [10].

3. Metode Persiapan Heteroepitaxy 3C-SiC

Metode umum untuk heteroepitaxy 3C-SiC meliputi deposisi uap kimia (CVD), epitaksi sublimasi (SE), epitaksi fase cair (LPE), epitaksi berkas molekul (MBE), dan sputtering magnetron. CVD adalah metode pilihan untuk epitaksi 3C-SiC karena kemampuan pengendalian dan adaptasinya dalam hal suhu, aliran gas, tekanan ruang, dan waktu reaksi, sehingga memungkinkan optimalisasi kualitas lapisan epitaksi.

Deposisi Uap Kimia (CVD):Senyawa gas yang mengandung Si dan C dimasukkan ke dalam ruang reaksi dan dipanaskan hingga suhu tinggi, menyebabkan dekomposisi. Atom Si dan C kemudian disimpan ke substrat, biasanya Si, 6H-SiC, 15R-SiC, atau 4H-SiC [11]. Reaksi ini biasanya terjadi antara 1300-1500°C. Sumber Si yang umum meliputi SiH4, TCS, dan MTS, sedangkan sumber C terutama adalah C2H4 dan C3H8, dengan H2 sebagai gas pembawa. Gambar 2 menggambarkan skema proses CVD [12].

                                                                                                                                                               Gambar 2. Skema proses CVD

Epitaksi Sublimasi (SE):Dalam metode ini, substrat 6H-SiC atau 4H-SiC ditempatkan di bagian atas wadah, dengan bubuk SiC dengan kemurnian tinggi sebagai bahan sumber di bagian bawah. Wadah dipanaskan hingga 1900-2100°C melalui induksi frekuensi radio, menjaga suhu substrat lebih rendah dari suhu sumber untuk menciptakan gradien suhu aksial. Hal ini memungkinkan SiC yang disublimasikan mengembun dan mengkristal pada substrat, membentuk heteroepitaxy 3C-SiC.

Epitaksi Berkas Molekuler (MBE):Teknik pertumbuhan film tipis canggih ini cocok untuk menumbuhkan lapisan epitaksi 3C-SiC pada substrat 4H-SiC atau 6H-SiC. Di bawah vakum ultra-tinggi, kontrol yang tepat terhadap gas sumber memungkinkan pembentukan berkas atom atau molekul terarah dari unsur-unsur penyusunnya. Sinar ini diarahkan ke permukaan substrat yang dipanaskan untuk pertumbuhan epitaksial.

4. Kesimpulan dan Pandangan

Dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan dan studi mekanistik yang mendalam, heteroepitaxy 3C-SiC siap memainkan peran yang semakin penting dalam industri semikonduktor, mendorong pengembangan perangkat elektronik hemat energi. Mengeksplorasi teknik pertumbuhan baru, seperti memperkenalkan atmosfer HCl untuk meningkatkan laju pertumbuhan sambil mempertahankan kepadatan cacat yang rendah, merupakan jalan yang menjanjikan untuk penelitian di masa depan. Penyelidikan lebih lanjut terhadap mekanisme pembentukan cacat dan pengembangan teknik karakterisasi tingkat lanjut akan memungkinkan pengendalian cacat yang tepat dan mengoptimalkan sifat material. Pertumbuhan pesat film 3C-SiC yang tebal dan berkualitas tinggi sangat penting untuk memenuhi kebutuhan perangkat bertegangan tinggi, sehingga memerlukan penelitian lebih lanjut untuk mengatasi keseimbangan antara tingkat pertumbuhan dan keseragaman material. Dengan memanfaatkan penerapan 3C-SiC dalam struktur heterostruktur seperti SiC/GaN, potensinya dalam perangkat baru seperti elektronika daya, integrasi optoelektronik, dan pemrosesan informasi kuantum dapat dieksplorasi sepenuhnya.

Referensi:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, dkk. Deposisi Uap Kimia dari Film β-SiC Kristal Tunggal pada Substrat Silikon dengan Lapisan Menengah SiC Tergagap[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, dkk. Penelitian tentang pertumbuhan suhu rendah film tipis silikon karbida berbasis silikon [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, dkk. Persiapan film tipis nano-SiC dengan magnetron sputtering pada substrat (111) Si [J]. Jurnal Universitas Normal Shandong: Edisi Ilmu Pengetahuan Alam, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, dkk. Pertumbuhan SiC selektif politipe dengan kontrol supersaturasi dalam pertumbuhan larutan [J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Tinjauan perkembangan perangkat listrik silikon karbida di dalam dan luar negeri [J]. Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G .CVD pertumbuhan lapisan 3C-SiC pada substrat 4H-SiC dengan morfologi yang lebih baik[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Penelitian tentang substrat berpola Si dan penerapannya dalam pertumbuhan 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, dkk. Efek Hidrogen dalam Pengetsaan ECR Struktur Mesa 3C-SiC(100)[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Persiapan film tipis 3C-SiC dengan deposisi uap kimia laser [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , dkk. Heterostruktur 3C-SiC/Si: Platform Luar Biasa untuk Detektor Sensitif Posisi Berdasarkan Efek Fotovoltaik[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Pertumbuhan heteroepitaksial 3C/4H-SiC berdasarkan proses CVD: karakterisasi dan evolusi cacat [D].

[12] Dong Lin. Teknologi pertumbuhan epitaksi multi-wafer area besar dan karakterisasi properti fisik silikon karbida [D].

[13] Diani M , Simon L , Kubler L , dkk. Pertumbuhan kristal politipe 3C-SiC pada substrat 6H-SiC(0001)[J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2002, 235(1):95-102.