Pengenalan kepada Semikonduktor Generasi Ketiga: GaN dan Teknologi Epitaxial Berkaitan

1. Semikonduktor Generasi Ketiga

(1) Semikonduktor Generasi Pertama

Teknologi semikonduktor generasi pertama berasaskan bahan seperti silikon (Si) dan germanium (Ge). Bahan-bahan ini meletakkan asas bagi teknologi transistor dan litar bersepadu (IC), yang seterusnya membentuk asas industri elektronik abad ke-20.

(2) Semikonduktor Generasi Kedua
Bahan semikonduktor generasi kedua terutamanya termasuk gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP), indium arsenide (InAs), aluminium arsenide (AlAs), dan sebatian ternernya. Bahan-bahan ini membentuk tulang belakang industri maklumat optoelektronik, yang telah membawa kepada pembangunan pencahayaan, paparan, laser, fotovoltaik, dan industri lain yang berkaitan. Ia digunakan secara meluas dalam teknologi maklumat kontemporari dan industri paparan optoelektronik.

(3) Semikonduktor Generasi Ketiga
Bahan perwakilan semikonduktor generasi ketiga termasuk galium nitrida (GaN) dan silikon karbida (SiC). Oleh kerana jurang jalurnya yang lebar, halaju hanyutan tepu elektron yang tinggi, kekonduksian terma yang tinggi dan medan elektrik pecahan yang besar, bahan ini sesuai untuk ketumpatan kuasa tinggi, frekuensi tinggi dan peranti elektronik kehilangan rendah. Peranti kuasa SiC mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi, penggunaan tenaga yang rendah dan saiz yang kecil, menjadikannya sesuai untuk aplikasi dalam kenderaan elektrik, fotovoltaik, pengangkutan rel dan sektor data besar. Peranti GaN RF menampilkan frekuensi tinggi, kuasa tinggi, lebar jalur lebar, penggunaan kuasa rendah dan saiz kecil, yang berfaedah untuk komunikasi 5G, Internet Perkara (IoT) dan aplikasi radar tentera. Selain itu, peranti kuasa berasaskan GaN kini digunakan secara meluas dalam aplikasi voltan rendah. Bahan galium oksida (Ga2O3) yang muncul juga menunjukkan potensi untuk melengkapkan teknologi SiC dan GaN sedia ada, terutamanya dalam aplikasi frekuensi rendah, voltan tinggi.

Berbanding dengan bahan semikonduktor generasi kedua, bahan generasi ketiga mempunyai celah jalur yang lebih luas (biasa Si mempunyai celah jalur kira-kira 1.1 eV, GaAs kira-kira 1.42 eV, manakala GaN melebihi 2.3 eV), rintangan sinaran yang lebih kuat, prestasi pecahan medan elektrik yang lebih tinggi dan lebih baik. ketahanan suhu tinggi. Ciri-ciri ini menjadikan bahan semikonduktor generasi ketiga amat sesuai untuk peranti elektronik ketumpatan kalis sinaran, frekuensi tinggi, berkuasa tinggi dan penyepaduan tinggi. Mereka membuat kemajuan yang ketara dalam peranti RF gelombang mikro, LED, laser, dan peranti kuasa, dan menunjukkan prospek yang menjanjikan dalam komunikasi mudah alih, grid pintar, pengangkutan rel, kenderaan elektrik, elektronik pengguna, dan peranti ultraungu dan cahaya biru-hijau[1].

Rajah 1: Saiz Pasaran dan Ramalan Peranti Kuasa GaN

2. Struktur dan Ciri-ciri GaN

Gallium Nitride (GaN) ialah semikonduktor celah jalur langsung dengan celah jalur kira-kira 3.26 eV pada suhu bilik dalam struktur wurtzitenya. GaN terutamanya wujud dalam tiga struktur kristal: wurtzite, zincblende, dan garam batu. Struktur wurtzite adalah yang paling stabil di antaranya.Rajah 2 memaparkan struktur wurtzite heksagon GaN. Dalam struktur wurtzite, GaN tergolong dalam konfigurasi padat rapat heksagon. Setiap sel unit mengandungi 12 atom, termasuk 6 atom nitrogen (N) dan 6 atom galium (Ga). Setiap atom Ga (N) terikat kepada 4 atom N (Ga) terdekat, membentuk urutan susunan di sepanjang arah [0001] dalam corak AABAB…[2].

Rajah 2: Struktur Wurtzite Sel Unit GaN

3. Substrat Biasa untuk GaN Epitaxy

Pada pandangan pertama, homoepitaksi pada substrat GaN nampaknya merupakan pilihan optimum untuk epitaksi GaN. Walau bagaimanapun, disebabkan tenaga ikatan tinggi GaN, pada takat leburnya (2500°C), tekanan penguraian yang sepadan ialah kira-kira 4.5 GPa. Di bawah tekanan ini, GaN tidak cair tetapi terus terurai. Ini menjadikan teknik penyediaan substrat tradisional, seperti kaedah Czochralski, tidak sesuai untuk penyediaan substrat kristal tunggal GaN. Akibatnya, substrat GaN sukar untuk dihasilkan secara besar-besaran dan mahal. Oleh itu, substrat yang biasa digunakan untuk epitaksi GaN termasuk Si, SiC, dan nilam[3].

Rajah 3: Parameter GaN dan Bahan Substrat Sepunya

(1) GaN Epitaxy on Sapphire

Nilam adalah bahan kimia yang stabil, murah, dan mempunyai tahap kematangan yang tinggi dalam pengeluaran besar-besaran, menjadikannya salah satu bahan substrat yang terawal dan paling banyak digunakan dalam kejuruteraan peranti semikonduktor. Sebagai substrat biasa untuk epitaksi GaN, substrat nilam perlu menangani isu utama berikut:

✔ Ketakpadanan Kekisi Tinggi: Ketakpadanan kekisi antara nilam (Al2O3) dan GaN adalah ketara (kira-kira 15%), membawa kepada ketumpatan kecacatan yang tinggi pada antara muka antara lapisan epitaxial dan substrat. Untuk mengurangkan kesan buruk ini, substrat mesti menjalani pra-pemprosesan yang kompleks sebelum proses epitaxial bermula. Ini termasuk pembersihan menyeluruh untuk membuang bahan cemar dan sisa penggilap kerosakan, mencipta langkah dan struktur permukaan langkah, nitridasi permukaan untuk mengubah sifat pembasahan lapisan epitaxial, dan akhirnya mendepositkan lapisan penimbal AlN nipis (biasanya 10-100 nm tebal) diikuti dengan rendah -penyepuhlindapan suhu untuk menyediakan pertumbuhan epitaxial akhir. Walaupun terdapat langkah-langkah ini, ketumpatan terkehel dalam filem epitaxial GaN yang ditanam pada substrat nilam kekal tinggi (~10^10 cm^-2) berbanding homoepitaksi pada silikon atau GaAs (ketumpatan kehelan 0 hingga 102-104 cm^-2). Ketumpatan kecacatan yang tinggi mengurangkan mobiliti pembawa, memendekkan hayat pembawa minoriti, dan mengurangkan kekonduksian terma, yang kesemuanya menjejaskan prestasi peranti[4].

✔ Tidak Padan Pekali Pengembangan Terma: Nilam mempunyai pekali pengembangan terma yang lebih besar daripada GaN, mengakibatkan tegasan mampatan dwipaksi dalam lapisan epitaxial kerana ia menyejuk dari suhu pemendapan ke suhu bilik. Untuk filem epitaxial yang lebih tebal, tekanan ini boleh menyebabkan filem atau substrat retak.

✔ Kekonduksian Terma Lemah: Berbanding dengan substrat lain, nilam mempunyai kekonduksian terma yang lebih rendah (~0.25 Wcm^-1K^-1 pada 100°C), yang merugikan untuk pelesapan haba.

✔ Kekonduksian Elektrik Rendah: Kekonduksian elektrik nilam yang lemah menghalang penyepaduan dan penggunaannya dengan peranti semikonduktor lain.

Walaupun ketumpatan kecacatan tinggi dalam lapisan epitaxial GaN yang ditanam pada nilam, prestasi optik dan elektroniknya dalam LED biru-hijau berasaskan GaN tidak kelihatan berkurangan dengan ketara. Oleh itu, substrat nilam kekal biasa untuk LED berasaskan GaN. Walau bagaimanapun, apabila semakin banyak peranti GaN seperti laser dan peranti kuasa berketumpatan tinggi yang lain berkembang, batasan semula jadi substrat nilam menjadi semakin jelas.

(2) GaN Epitaxy pada SiC

Berbanding dengan nilam, substrat SiC (4H- dan 6H-politaip) mempunyai ketidakpadanan kekisi yang lebih kecil dengan lapisan epitaxial GaN (3.1% sepanjang arah [0001]), kekonduksian terma yang lebih tinggi (kira-kira 3.8 Wcm^-1K^-1), dan kekonduksian elektrik yang membolehkan sentuhan elektrik bahagian belakang, memudahkan struktur peranti. Kelebihan ini menarik semakin ramai penyelidik untuk meneroka epitaksi GaN pada substrat SiC. Walau bagaimanapun, pertumbuhan langsung lapisan epitaxial GaN pada substrat SiC juga menghadapi beberapa cabaran:

✔ Kekasaran Permukaan: Substrat SiC mempunyai kekasaran permukaan yang jauh lebih tinggi daripada substrat nilam (0.1 nm RMS untuk nilam, 1 nm RMS untuk SiC). Kekerasan yang tinggi dan kebolehmesinan SiC yang lemah menyumbang kepada kekasaran dan sisa kerosakan penggilap ini, yang merupakan punca kecacatan pada lapisan epitaxial GaN.

✔ Ketumpatan Kehelan Benang Tinggi: Substrat SiC mempunyai ketumpatan kehelan benang yang tinggi (103-104 cm^-2), yang boleh merambat ke dalam lapisan epitaxial GaN dan merendahkan prestasi peranti.

✔ Kerosakan Susunan: Susunan atom pada permukaan substrat boleh menyebabkan kerosakan tindanan (BSF) dalam lapisan epitaxial GaN. Pelbagai susunan atom yang mungkin pada substrat SiC membawa kepada urutan susunan atom awal yang tidak seragam dalam lapisan GaN, meningkatkan kemungkinan kerosakan susunan. BSF di sepanjang paksi c memperkenalkan medan elektrik terbina dalam, menyebabkan pemisahan pembawa dan isu kebocoran dalam peranti.

✔ Tidak Padan Pekali Pengembangan Terma: Pekali pengembangan terma SiC adalah lebih kecil daripada AlN dan GaN, yang membawa kepada pengumpulan tegasan haba antara lapisan epitaxial dan substrat semasa penyejukan. Penyelidikan Waltereit dan Brand mencadangkan bahawa isu ini boleh dikurangkan dengan mengembangkan lapisan epitaxial GaN pada lapisan nukleasi AlN yang nipis dan tegang secara koheren.

✔ Pembasahan Atom Ga yang Lemah: Pertumbuhan langsung GaN pada permukaan SiC sukar disebabkan oleh pembasahan atom Ga yang lemah. GaN cenderung berkembang dalam mod pulau 3D, memperkenalkan lapisan penimbal ialah penyelesaian biasa untuk meningkatkan kualiti bahan epitaxial. Memperkenalkan lapisan penimbal AlN atau AlxGa1-xN boleh meningkatkan pembasahan pada permukaan SiC, menggalakkan pertumbuhan 2D lapisan epitaxial GaN dan bertindak untuk memodulasi tegasan dan menghalang kecacatan substrat daripada merambat ke lapisan GaN.

✔ Kos Tinggi dan Bekalan Terhad: Teknologi penyediaan substrat SiC tidak matang, membawa kepada kos substrat yang tinggi dan bekalan terhad daripada beberapa vendor.

Penyelidikan oleh Torres et al. menunjukkan bahawa substrat SiC pra-etsa dengan H2 pada suhu tinggi (1600°C) menghasilkan struktur langkah yang lebih teratur, menghasilkan filem epitaxial AlN yang lebih berkualiti berbanding dengan yang ditanam secara langsung pada substrat yang tidak dirawat. Xie dan pasukannya juga menunjukkan bahawa prarawatan awal substrat SiC dengan ketara meningkatkan morfologi permukaan dan kualiti kristal lapisan epitaxial GaN. Smith et al. mendapati bahawa kehelan benang daripada lapisan substrat/lapisan penampan dan antara muka lapisan penampan/lapisan epitaxial berkaitan dengan kerataan substrat[5].

Rajah 4: Morfologi TEM Lapisan Epitaxial GaN Tumbuh pada (0001) Muka Substrat 6H-SiC Di Bawah Rawatan Permukaan Berbeza: (a) Pembersihan Kimia; (b) Pembersihan Kimia + Rawatan Plasma Hidrogen; © Pembersihan Kimia + Rawatan Plasma Hidrogen + Rawatan Terma Hidrogen 1300°C selama 30 minit

(3) GaN Epitaxy pada Si

Berbanding dengan substrat SiC dan nilam, substrat silikon mempunyai proses penyediaan matang, bekalan substrat bersaiz besar yang stabil, keberkesanan kos, dan kekonduksian haba dan elektrik yang sangat baik. Selain itu, teknologi peranti elektronik silikon yang matang menawarkan potensi untuk penyepaduan sempurna peranti GaN optoelektronik dengan peranti elektronik silikon, menjadikan epitaksi GaN pada silikon sangat menarik. Walau bagaimanapun, ketidakpadanan berterusan kekisi yang ketara antara substrat Si dan bahan GaN memberikan beberapa cabaran.

✔ Isu Tenaga Antara Muka: Apabila GaN ditanam pada substrat Si, permukaan Si mula-mula membentuk lapisan SiNx amorfus, yang memudaratkan nukleasi GaN berketumpatan tinggi. Selain itu, permukaan Si pada mulanya bertindak balas dengan Ga, menyebabkan kakisan permukaan, dan pada suhu tinggi, penguraian permukaan Si boleh meresap ke dalam lapisan epitaxial GaN, membentuk bintik silikon hitam.

✔ Ketakpadanan Kekisi: Ketakpadanan pemalar kekisi besar (~17%) antara GaN dan Si mengakibatkan kehelan benang berketumpatan tinggi, mengurangkan kualiti lapisan epitaxial dengan ketara.

✔ Tidak Padan Pekali Pengembangan Terma: GaN mempunyai pekali pengembangan terma yang lebih besar daripada Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1), yang boleh menyebabkan keretakan pada GaN lapisan epitaxial semasa penyejukan daripada suhu pertumbuhan epitaxial ke suhu bilik.

✔ Tindak Balas Suhu Tinggi: Si bertindak balas dengan NH3 pada suhu tinggi, membentuk SiNx polihabluran. AlN tidak boleh menukleus secara keutamaan pada SiNx polihabluran, yang membawa kepada pertumbuhan GaN yang sangat bercelaru dengan ketumpatan kecacatan yang sangat tinggi, menjadikannya mencabar untuk membentuk lapisan epitaxial GaN kristal tunggal[6].

Untuk menangani ketidakpadanan kekisi besar, penyelidik telah cuba memperkenalkan bahan seperti AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO dan SiC sebagai lapisan penampan pada substrat Si. Untuk mengelakkan pembentukan polihabluran SiNx dan mengurangkan kesan buruknya terhadap kualiti kristal GaN/AlN/Si (111), TMAl biasanya diperkenalkan sebelum pertumbuhan epitaxial lapisan penampan AlN untuk mengelakkan NH3 daripada bertindak balas dengan permukaan Si yang terdedah. Selain itu, teknik seperti substrat bercorak digunakan untuk meningkatkan kualiti lapisan epitaxial. Perkembangan ini membantu menyekat pembentukan SiNx pada antara muka epitaxial, menggalakkan pertumbuhan 2D lapisan epitaxial GaN, dan meningkatkan kualiti pertumbuhan. Memperkenalkan lapisan penimbal AlN mengimbangi tegasan tegangan yang disebabkan oleh perbezaan dalam pekali pengembangan haba, menghalang keretakan pada lapisan GaN pada substrat silikon. Penyelidikan Krost menunjukkan korelasi positif antara ketebalan lapisan penampan AlN dan ketegangan yang dikurangkan, membolehkan pertumbuhan lebih daripada 6 μm lapisan epitaxial tebal pada substrat silikon tanpa retak, melalui skema pertumbuhan yang sesuai.

Terima kasih kepada usaha penyelidikan yang meluas, kualiti lapisan epitaxial GaN yang ditanam pada substrat silikon telah bertambah baik dengan ketara. Transistor kesan medan, pengesan ultraviolet halangan Schottky, LED biru-hijau dan laser ultraungu semuanya telah mencapai kemajuan yang ketara.

Kesimpulannya, substrat epitaxial GaN yang biasa semuanya adalah heteroepitaxial, menghadapi pelbagai darjah ketidakpadanan kekisi dan perbezaan pekali pengembangan haba. Substrat GaN Homoepitaxial dihadkan oleh teknologi yang tidak matang, kos pengeluaran yang tinggi, saiz substrat yang kecil dan kualiti suboptimum, menjadikan pembangunan substrat epitaxial GaN baharu dan peningkatan faktor kritikal kualiti epitaxial untuk kemajuan industri selanjutnya.

4. Kaedah Biasa untuk GaN Epitaxy

(1) MOCVD (Pemendapan Wap Kimia Logam-Organik)

Walaupun homoepitaksi pada substrat GaN nampaknya merupakan pilihan optimum untuk epitaksi GaN, Pemendapan Wap Kimia Logam-Organik (MOCVD) menawarkan kelebihan yang ketara. Menggunakan trimethylgallium dan ammonia sebagai prekursor, dan hidrogen sebagai gas pembawa, MOCVD biasanya beroperasi pada suhu pertumbuhan sekitar 1000-1100°C. Kadar pertumbuhan MOCVD adalah dalam julat beberapa mikrometer sejam. Kaedah ini boleh menghasilkan antara muka yang tajam secara atom, menjadikannya ideal untuk tumbuh heterojunctions, telaga kuantum dan superlattices. Kelajuan pertumbuhannya yang agak tinggi, keseragaman yang sangat baik, dan kesesuaian untuk pertumbuhan kawasan besar dan berbilang wafer menjadikannya kaedah standard untuk pengeluaran perindustrian.

(2) MBE (Epitaksi Rasuk Molekul)

Dalam Molecular Beam Epitaxy (MBE), sumber unsur digunakan untuk galium, dan nitrogen aktif dijana melalui plasma RF daripada gas nitrogen. Berbanding MOCVD, MBE beroperasi pada suhu pertumbuhan yang jauh lebih rendah, sekitar 350-400°C. Suhu yang lebih rendah ini boleh mengelakkan beberapa isu pencemaran yang mungkin timbul dalam persekitaran suhu tinggi. Sistem MBE berfungsi di bawah keadaan vakum ultra tinggi, membolehkan penyepaduan lebih banyak teknik pemantauan in-situ. Walau bagaimanapun, kadar pertumbuhan dan kapasiti pengeluaran MBE tidak dapat menandingi MOCVD, menjadikannya lebih sesuai untuk aplikasi penyelidikan[7].

Rajah 5: (a) Skema Eiko-MBE (b) Skema Ruang Tindak Balas Utama MBE

(3) HVPE (Epitaksi Fasa Wap Hidrida)

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) menggunakan GaCl3 dan NH3 sebagai prekursor. Detchprohm et al. menggunakan kaedah ini untuk mengembangkan beberapa ratus mikrometer lapisan epitaxial GaN pada substrat nilam. Dalam eksperimen mereka, lapisan penampan ZnO telah ditanam di antara substrat nilam dan lapisan epitaxial, membolehkan lapisan epitaxial dikupas dari permukaan substrat. Berbanding MOCVD dan MBE, kelebihan utama HVPE ialah kadar pertumbuhannya yang tinggi, menjadikannya sesuai untuk menghasilkan lapisan tebal dan bahan pukal. Walau bagaimanapun, apabila ketebalan lapisan epitaxial melebihi 20μm, lapisan yang ditanam oleh HVPE terdedah kepada keretakan.

Akira USUI memperkenalkan teknologi substrat bercorak berdasarkan kaedah HVPE. Pada mulanya, lapisan epitaxial GaN nipis, tebal 1-1.5μm, ditanam pada substrat nilam menggunakan MOCVD. Lapisan ini terdiri daripada lapisan penimbal GaN suhu rendah tebal 20nm dan lapisan GaN suhu tinggi. Selepas itu, pada suhu 430°C, lapisan SiO2 diendapkan pada permukaan lapisan epitaxial, dan jalur tingkap dicipta pada filem SiO2 melalui fotolitografi. Jarak jalur adalah 7μm, dengan lebar topeng antara 1μm hingga 4μm. Pengubahsuaian ini membolehkan mereka menghasilkan lapisan epitaxial GaN pada substrat nilam berdiameter 2 inci, yang kekal bebas retak dan licin cermin walaupun apabila ketebalan meningkat kepada puluhan atau bahkan ratusan mikrometer. Ketumpatan kecacatan telah dikurangkan daripada kaedah HVPE tradisional 109-1010 cm^-2 kepada lebih kurang 6×10^7 cm^-2. Mereka juga menyatakan bahawa permukaan sampel menjadi kasar apabila kadar pertumbuhan melebihi 75μm/j[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Rajah 6: Skema Substrat Bercorak

5. Ringkasan dan Tinjauan

Permintaan pasaran yang besar sudah pasti akan memacu kemajuan yang ketara dalam industri dan teknologi berkaitan GaN. Apabila rantaian industri untuk GaN semakin matang dan bertambah baik, cabaran semasa dalam epitaksi GaN akhirnya akan dikurangkan atau diatasi. Perkembangan masa depan berkemungkinan akan memperkenalkan teknik epitaxial baharu dan pilihan substrat unggul. Kemajuan ini akan membolehkan pemilihan teknologi dan substrat epitaxial yang paling sesuai berdasarkan ciri-ciri senario aplikasi yang berbeza, yang membawa kepada pengeluaran produk tersuai yang sangat kompetitif.**

Rujukan:

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

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Status penyelidikan bahan semikonduktor celah jalur lebar SiC dan GaN, Teknologi dan Produk Dwi Guna Tentera dan Awam, Mac 2020, Isu 437, 21-28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Penyelidikan tentang kaedah kawalan tegasan ketidakpadanan besar galium nitrida pada substrat silikon, Inovasi dan Aplikasi Sains dan Teknologi, Isu 3, 2023

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

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

[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz,Elektroluminesen Ultraungu dalam diod pemancar cahaya heterojunction tunggal GaN/AlGaN yang ditanam pada Si(111),Jurnal Fizik Gunaan 87,1569(2000).

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

[8]Akira Usui，Haruo Sunakawa，Akira Sakai dan A. atsushi Yamaguchi, Pertumbuhan epitaxial GaN tebal dengan ketumpatan terkehel rendah oleh epitaksi fasa wap hidrida, Jpn. J. Appl. Fizik. Vol. 36 (1997) hlm.899-902.