KOMUNIKASI FISIKA INDONESIA
DAFTAR ISI
Penanggung Jawab:
Laser Diode PigtailingAnd Packaging Using Nd: Yag LaserWelding Technique
Ketua Jurusan Fisika FMIPA Unri
Hal2(B-211 rFadhali t A, 2Saktioto. rlnstitnte of advanced Photonic Sciences, Facult5r of Science Universi{r Technotogi Mala5rsia 8 lSf O Skudai, Johor,Mala5rsia 2Jurusan Fisika FUIPA Universitas Riau Pekanbaru
Dewan Editor: Prof. Drs. Farid Kasmy Prof. DR. Dadang lskandar, M.Sc. Prof. Yohannes Surya, PhD DR. Tang Anthoni DR. Yanuar, M.Si
DR. MitraJamal
Coupling Ratioand PowerTransmissinn to Core and Cladding $ructure for a Fused Single Mode Fiber
Hal2(R-212
Sattioto Advance Optics and Photonics Technologr Center {AOPTC), Physics Departrnent Science Faculty, Universiti Telarologi Malaysia [_fnvl) 8f 3lO Skudai, Johor Bahru, Malaysia Tel.O7-55341 rO" Fax O7-5566162, email:
[email protected]
Penyunting Pelaksana: Saktioto, S.Si, MPhil T. Emrinaldi, S.Si, M.Si
Rachmawati Farma, S.Si, M.Si
Analisa SebaranAquiper Untuk Menentukan Gerakan Tanah Dengan Metoda Geolistrik
TahananJenis (S:tudi Kasus: Longsor di Desa Payung Sari
Kabupaten Ciamis) Hal 213 - 217
UUhernrnad NOr Junrsan Fisika, Fatultas Kegpnran dan Ilmu Pendidikan IrllIRI, Pekanbaru Redaksi mengundang dan membuka diri terhadap para pembaca terhormat yang bersedia menulis artikel untuk jurnal ini.
Analisis Numedk Pengaruh Bentuk dan Ukuran Quantum Dot SemikonduktorTerhadap Keadaan
EnergiElektron
Hal218-222 Idha Royani, Flstri S Arqrad, Fiber Uonado Jurusan Fisita FUIPA Universitas Sriwijaya
Alamat Redaksi: Jurusan FMIPA Universitas Riau
Eliminasi efek injeksisteam pada data seismic
3Dmonitodng
Pekanbaru Telp (0761) 63273
Hal223-226 Nur fslarni Departmentof Geologr Facult5r of Science Universit5r of Malaya 5(}6()3 Kuala Lurnpur, Mala5rsia
7o4it 6 &/a'4 ozlali
CATATAN KOMUNIKASI FISIKA INDONESIA
Kampus Bina Widya Km 12,5 Simpang Baru
Analisis Numerik Pengaruh Bentuk dan Ukuran Quantum Dot Semiko nd u kto r Terhadap Keadaan E nergi Elektro n ldha Ro1'ani, Fistri SArsy'ad, Fiber Monado Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sri',vijaya
Abstract In this article we present a model for studying the effect of tire sizes and shapes of small semiconductor quantum dots on the elecfron and hole enetgy states. We solve the three-diinentional Schrodinger equation for semiconductor quanhrm dots u,ith cylindrical and conical shapes. Electron and hole energy states decreased ifQD volume increased. Electron and hole energy states of the cylindrical QD is higher and sensitively on the volume shift than conical QD. Whereas, probability of density of state of electron in the cylindrical QD is higher (0,4%) than conical QD. Key words: Quanturn Dot, Numerical model, semiconductor
PENDAHLTLUAN
T.7
memperkuat dan nrempertegas analisis hasil eksperimen
emajuan teknologi yang pesat
di bidang fabrikasi
Nifi"*.'^H'J;f*Tn'ffi l'#;Jl*11y":":
ukuran QD terhadap keadaan energi elektron dan hole.
semikonduktor (Binberg, 1999 & Nakamura, 1998). Quanhrm
Quantum Dot(QD) Semikonduktor
berpotensi untuk aplikasi divais elektronik maupun optoelektronik, diantaranya adalah quantum dot (QD) dot adalah struktur material semikonduktor generasi baru yang
ini
.
Berdasarkan tuj uan tersebut, maka dalam penelitian ini penuli s mencoba menganalisis secara numerik pengaruh bentuk dan
TINJAUANPUSTAKA
Konsep QD semikonduktor pertama kali
sangat intensif dipelajari dan dikembangkan (Morkoc,200 I & Arakaw4 2002). Keunikan stuktur iru adalah
dikemukakan oleh Arakawa dan Sakaki pada rahun 1982. QD
terdiri dari kumpulan molekui-molekul semikonduktor dalam ulirran nano, di mana molekul-molekul semikonduktor tersebut merupakan potens ial kurungan(cory'i ne nte nt ) bagi pembar,va muatan (elektron dan hole). Keadaan ini menghasilkan tingkat-tingkat energi diskrit bagi elektron dan hole. Berbeda dengan 6ulk semikonduktor yang memiliki struktur pita pada tingkat energi elektroniknya. Kehadiran QD telah memberikan prediksi dan topik baru di bidang fisika semikonduktor untuk pengenrbangan aplikasi divais-divais baru seperti transistor elektron tunggal dan laser quantum dot (Arakawa, 2002). Aplikasi quantum
molekul semikonduktor dalam ukuran nano (gambar
saat
disebut material nol dimensi karena terdiri dari kumpulan
1).
Molekul semikonduktor tersebut berfungsi sebagai potensial kurungan (conJinentent) bagi elektron dan hole dan menahan mereka bermigrasi nlenuju pusat rekombinasi non radiativ.
GaN QD
lsnt
dot pada dioda laser diharapkan mampu meningkatkan unjuk
kerja divais. Quantum dot diyakini sangat efektif mereduksi ams ambang (I*) dioda karena QD mampu menahan pembar.r,a
untuk berrnigrasi menuju pusat rekombinasi non radiatif (Morkoc,2001)
Meskipun demikian, disamping keunikan dan keunggulan sifat optik dan elektronik yang dimiliki QD dibandingkan dengan bulk material, ada permasalahan yang cukup signif,rkan dihadapi QD dalam aplikasinya pada divais
laser yaitu pelebaran spektral pada
spektrum
photoluminescence (PL) QD(Ramvall, 2000). Pelebaran spektral ini disebabkan karena pada kurnpulan QD, bentuk dan ukuran fiap-tiap QD tidak uniform. Bentuk dan rrkuran QD yang tidak uniform akan rnenyebabkan intensitas PL dan energi radiasi elektron dan hole berbeda satu sama lair"r, akibatnya spektrum emisi yang terdeteksi nrengalarni pelebaran spektral karena tidak saling menguatkan. Konc{isi ini sangat tidak menguntungkan apabila QD diaplikasikan pada divais laser. Anahsis di atas adalah karakteristik PL QD hasil ekspe rirnen ,vang telah dilakukan Ramvall dkk. Analisis teor i !p/-nrq
n"ft.p.;1-
lla'-rt
.{il^1.-,'1.^,.
l-,...^,,
+,,i,,--,,.-r,,1-
Gambar
l. Karakteristik QD GaN pada
permukaan
AlGaN.(Ramvall, 2000 & Thnaka, 2002)
QD dise but juga dengan nama atom-atom artificial, karena sifafnya yang menyerupai sifat atom. Elektron-elektron terkurung dalam ruang 3-D dan menduduki tingkat-tingkat energi diskrit yang menggambarkan energi dasar, energi teleksitasi pertama, kedua, dan seterusnya (Eo, E,. Er, ...). Tingkat-tingkat energi elektron dan iiole tersebut diperoleh dengan memecahkan persamaan Schrodinger 3-D. Pernecahan
persamaan Schrodinger untuk kasus ini adalah dalam forrnalisme elektron clan hole yan_q terperangkap dalam potensial penghalang 3-D. I-larniltonian sistern diberikan oleh persamaan berikut,
,1\ u-'!vl r' ' lo ir'(r.) t''|,,,rf.r1)"'''t
(l)
t)intana V, adalah gradient n_rarg. nr(E,r) adalah
r-nassa
efektifelektrolt vang bergantung pada enerei E dan posisi
r.
t
ie=
p!{
)
z
?G.'it - q-*
2. memperlihatkan perbedaan intensitas PL yang cukup fungsi signifikan antara QDGaN dengan bulk GaN sebagai
E*
' Ei't)' " (2) EJi iv;
ternperatur.
: E"(r ) adahnpotensial penghalang dan ErG. ) ' gap' spinni a, a^"ig ; ilsrng-masing menyatakan energi bergantung elektron pita tepi valensi 'lan oilt auU*pita
dimana
v(
r)
posisi, sedangkan P adalah elemen
matriks momentum'
Unnik QD beftfltuk silinder, pemecahan persamaan silinder Schrorlinger tiga dirnensi dalam sistem koordinat berikug dinyatakan oleh persarnaan
o' (!-* a *4-llo,1n.,lr((R.:)o,(R.a)=Eo,(R'z) ..(3) - zm,(nlaR' RaR ai- x- ) dan Vr(R? :5 dirrana V,(R z) :'0 (i: 1) di dalampotensnl lt :
t (ao,{a.') ale'(el)-r,. r (m,!4.ztr![,g$f.l. -dRa' a ,x ,q(ef 2r*'=-l.-A--dn
:
...(4)
Tentu saja, solusi persamaan Schrodinger pada
sisteminimemerlukanpemecahanmaternatikayangsulit
Jrp""uttu"
secara analitik. oleh karena ihr dalam penelitian
informasi i.ri, u.rutiru numerik dilakukan untuk mendapatkan sistem' elektron nilai eigen energi dan firngsi gelombang cacat Pada divais laserberbasis bulk semikonduktor' non rekombinasi proses pada material dapat menimbulkan hole) dan (elekffon radiativ dari pemLawa-pembawa muatan divais yang sangatiidak menguntungkaa bagi-unjuk kerja kemungkinan i*rJ. Qd t"mikonduktor dapat memperkecil muatan tersebui karena fungsinya dapat menahan pembawa Kondisi radiativ' bermigrasi menuju pusat rekombinasi non ini dalat mereduksi arus ambang dioda laser apabila QD pada divais laser' (Morkoc, 200 1 ) diaplikasikan - ' Arus ambang (I*) adalah arus forward dc minimum laser yang diterapkan untuk minaikkan daya out put cahaya dan dinyatakan oleh persamaan berikut ini
I,n =
eYn
,^
I
al
F cl
t6] Ff
e
P{
3.S?
eV{Q.D.l
3.2 ev IQ.B.l a' .3.50 eV [GaH buffer]
ti--E-
4'[ 6o
8o
1{10
r03rT{K-1} Gambar 2. Ketergantungan terhadap temperatur dari intensitas PL QD dan bulk GaN
(Morkoc,2001)
Dari gambar terlihat bahwa kenaikan temperatur pada bulk menghasilkan lerubahan intensitas PL yang besar yang GaN dengan QD dibandingkan CaN lCuN Uufferl bahwa menunjukkan ini Hal cenderung konstan. kecil ketergantuigan struktr-rr QD terhadap temperahrr lebih
stabil dari aiUarlaingtan bulk GaN" dengan kata lain QD lebih divais kerla unjuk meningkatkan ini pada bulk. Keuntungan
lare, kurena ketergantungan divais terhadap temperafur berkurang. Pada dioda laseq QD berfungsi sebagai lapisan aktiv
yang dapat menghasilkan emisi foton hasil dari proses
."t i*Ui.,uti radiativ elektron dan hole' Gambar
3
memperlihatkan skema keadaan energi dioda laser QD
:
(5)
dimana e : muatan elektron
V:
vohrmelaPisanaktiv
n*: rapatPembawaPadakeadaan ambang
t
: lifetirrePedawa
Dari persamaandi atas terlihatbahwa arus ambang rendah
Tipe-n
AIGaI{
GiN
dapat dicaPai dengan cara:
. .t*"g*""gi volurre (V) lapisan aktiv, (aplikasi QD) . -.oir,gt tkuojurnlahrapatpernbawa(n*),dan r meningkatkan life tirne (r)Karalrteristik Optik dan Listrik QD Semikondukto r
Studi eksperimen dan teori QD semikonduktor telah menumbuhkan banyak dilakukan- Beberapa grup telah berhasii (MBE) epttaxy struktur ini dengan metode molecular beam depositiort (Sen, 1998) dan menl organic chemical vapor Ramvall' 2000, & Tanaka' 1996)'
Gambar 3. Skema energi dioda laser QD Dalam aplikasinya pada divais temperatur ruang' persyaratan penting yang harus dipenuhi QD adalah
:
if*,fOCVOl Gulorkoc,2001'
Potensial yang terlokalisasi cukup besar dan ukuran QD harus kecil. Hal ini merupakan syarat untuk mengamati efek confinernenl nol dimensi.
Gambar kerja divais laser dibandingkan dengan bulk material'
kerapatan yang tinggi. Tidak memiliki cacat seperti riislocation'
Hasil analisis sifat optik dan listrik menunjukkan bahr'va unjuk struktur QD ini berpotensi besar dalan meningkatkan
Memiliki ukuran dan bentuk yang uniform dengan
zt9
Mencari solusi persanraan Schrodinger dalam sistrn
Pengaruh bentuk. ukuran dan uniforrnitas QD terhadap intensitas PL dan spektrurn energi diperlihatkan seperti pada gambar 4. berikut ini.
koordinat silinder Perumusan harga eigen energi elektron dan hole kedua sistem di atas
dalm
Perhitungan harga eigen energi dan fungsi keadam elektron dan hole kedua sistem di atas.
T=S0 K
20 nm
Secara garis besar, skematik tahapan metode korrputci yang di gunakan dituniukkan seperti pada diagram alir berikrl-
7f21nm
Flowchart Perhitungan Nilai Eigen.Energi dan Fungsr
J
Software yang digunakan adalah FEMLAB 2.1
lt rd
3.5110 nm
.a tt!
.
Gelombang Elektron-Hole dalam Sistem QD Silinder Kerucut-
dn
{,
{-,
J [L
3.40 3.45 3.50 +.$5 3.60 Photon efrigyteVl
3.65
Gambar 4. Spektrum PL QD dengan tiga ukuran yang berbeda (Ramvall, 2000)
Penurunan intensitas PL dan peningkatan energi spektrum dengan puncak PL yang melebar terjadi jika ukwan QD menurun. Hal ini disebabkan karena semakin kecil ukuran
QD, efek flukruasi ukuran QD semakin besar dan tekanan terhadap eksiton semakin kuat. Fluktuasi ukuran QD yang besar menghasilkan perubahan yang besar pada posisi intensitas PL dan energi foton karena intensitas PL dan energi
foton masing-masing QD tidak saling menguatkan, dan hal
ini merupakan permasalahan utama dioda laser. Analisis di atas adalah analisis eksperimen yang telah dilakukan( Sen, 1998, Morkoc ,2001, Ramvall, 2000, & Tanaka, 1996). Dalam penelitian ini, penulis mencoba mempertegas analisis tersebut dengan melakukan analisis teori secara numerik untuk melihat pengaruh bentuk dan ukuran QD terhadap keadaan tingkat energi dan fungsi gelombang elektron.
QD yang disimulasikan dalam penelitian ini
berbGr
gallium nitrida (GaN) dengan bentuk silinder dan kerdMasing-masing bentuk disimulasikan dengan mengub{ volume untukmelihat pengaruhnya terhadap keadaan ffiCi elektron-hole dan firngsi gelombangnya. Perubahan,rirglcl energi dasar' elektron"dan,hole sebagai fungsi volurtr @ GaN silinder dan kerucut diperlihatkanpada gambar ini.
6beril
0.5 4.4
METODEI./OGI PENELITIAN
Metode dalam penelitian
}IASILDANPEMB,AHASAN
ini
adalah metode
komputasi dengan tahapan sebagai.berikut: . Pemodelan bentuk dan ukuran quantum dot dengan bentuk a) Silinder dan b) kerucut.
o r!
o.3
E, L
a-2
L
.D .E
o
trJ
0.1
0,0 ;--
0
500 1000 1500
2000 2500 30oo 35OO
Volume QD{nm3) (a) Gambar6
Uambar ). a) qD Sllmder b) QD Kerucul 22A
4frt O
Gambar 7(a) dan (b) masing-masing memperlihatkan
o.7
pertandingan tingkat energi dasar elektron dan hole antara QD GaN silinder dan kerucut. Dari gambar terlihat bahwa keadaan energi bentuk silinder lebih tinggi dan lebih sensitif terhadap perubahan volume dibandingkan dengan trentuk kerucut, dan menjadi konvergen pada volume besar. Hal ini disebabkan karena pada volume kecil, potensial dan fungsi ge lombang e lektron-hole bentuk silinder terlokalisasi leb ih besar dan terikat lebih kuat dibandingkan dengan bentuk
0.6
o
0-5
(E
0.4
th
li' E 'o,
0.3
o
o.2
E rrj
0.1 0_o
o sfi) 100 150 2N 25A 300 350 400 450 00000000
probabilitas masing-masing 0,4%o dan 0,3%. Probabilitas menemukan elektron pada QD silinder lebih besar dibandingkan dengan benhrk_kerucut. Hal ini menunjukan
Volume QD {nm3}
.
kerucut. Gambar 8 memperlihatkan fungsi gelomtrang elektron QD GaN silinder dan kerucut pada volume 160 nmr dengan
bahwa QD silinder lebih ronfinement dibandingkan kerucul
(b) Gambar 6. Tingkat energi dasar e lektron-hole QD GaN sebagai fungsi voiume QD. (a) silinder. (b) kerucut
&
Masing-masing gambfbaik QD GaN silinder maupun kerucut memperlihatkan kecendrungan yang sama yaitu kenaikan volume QD akan menumnkan tingkat energi elekfon dan hole. Seperti dinyatakan dalam persamaan ( 1), energi elektron dan hole berbanding terbalik terhadap lebar sumur quantum (L*, L",L"). Semakin besar volume dol maka semakin kecil level energi elektron dan hole- Dari gambar juga terlihat bahwa, tingkat energi dasar elektron lebih besar dibandingkan dengan tingkat energi dasar hole. Hal ini disebabkan karena pada material GaN nassa efektif elektron lebih kecil dibandingkan dengan rrnssa efektif hole (m" : 0.27m , n\ : 0.8m.).
;I
<
5
_-!
lu
35
lt.5
4.1...,. ....':
3.5J ..r..:
'i.
i
:,-
3
iel.
:1
.-.
.: :
r1.i...,., l.t L-!
:..:.
,
, j
5 '.,....
:
"'4-\
o.70
6
iid* 0.m16:
:'..1 +r > . : -*:::j*--;--;:; j duo il o5! l5
0.60
:J-
''-ir<+ 35{
{55
O50
t g o.40 6 g 0.30 o6 o.2o o g o.to
(a)
Ul
lde S-!fi3!6 3 r'18
0.00
o
500
100 150 2@ 250 300 350 400 450
00000000
Volume QD (nm3)
" (a)
0.25
o o
0.20
0 0.15 F 6 6
0.10
'Er
o 0.05
ut
0.00
0
500 100 150 200 2s0 300
000000
'
350
400 450
00
(b)
Volurne QD(nm3)
(b) Gambar 7. (a) Tingkat energi dasar elektron sebagai fungsi volume QD GaN. (b) Tingkat energi dasar hole sebagai fungsi volume QD GaN
Gambar 8. Fungsi gelombang elecfron (a) QD GaN silindel (b) QD GaN kerucut. Masing-masing pada volumel60 nmr
221
KESIMPTN-AN
2.
DAITTARPUSTAKA
Kenaikan volume QD akan menurunkan tingkat energi elekfron dan hole Keadaan energi QD bentuk silinder lebih tinggi dan lebih
sensitif terhadap perubahan volume dibandingkan dengan bentuk kerucut, dan menjadi konvergen pada
volume besar. Fungsi gelombang elektron pada QD silinder lebih besar Q.4%) dibandingkan dengan benruk kerucur (0.3%t.
D. Bimberg. et. a1.,1999, Quantum Dot
Heterosttacntres-lt
Wiley & Sons Ltd. H. Morkoc, et. a1.,2001, Growth and investigation of
Gffi
AIN quantunt dot, .. Mat. Res. Soc, Syrnp. P. Ramvall, et.al., 2000, Optical properties of GaN dots, Journal ofApply. Phys Royani, Idha- et.al, 2001, Analisis numerik pengaruh bent*
dan ukuran qunatum dot setnikonduktor terhadqt keadaan energi elektron, Laporan penelitian Muda Dikti Depdiknas.
Dmtr
Tanaka, et. al. 1996, Self-assembling GaN euantum dotn AIGaN surfaces using a surfaciant, Apply. phys. Leu S. Nakamura .,1998,III * y nitride based short-wavelengrt LE Ds and LDs,Clarendoh pres, Oxford. Xu-Qiang Shen, et. a1.,1998,_Ihefonnatio,iof GaN quonam S.
dot on AIGaN surface using Si in gas-source MBE Apply.Phys. Lett.
*€
222
Y.Arakawa., 2002,Progress in GaN-Based euantum Dotsfo Opto electronic s Application, IEEE Journal of selectod topics in Quantum Electronics
