BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
GaAs adalah salah satu material terpenting dalam semikonduktor paduan III-V yang semakin banyak digunakan untuk aplikasi microwave dan perangkat optoelektronik (V. Swaminathan, et al., 1985). Sebagaimana diketahui bahwa perangkat Silikon (Si) yang sebelumnya banyak digunakan untuk complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) semakin sulit ditingkatkan di masa yang akan datang, sehingga GaAs dan Ge merupakan pilihan aternatif paling baik karena merupakan semikonduktor intrinsic yang lebih cepat daripada Si. Seperti halnya integrasi dari Ge tipe-p dengan GaAs tipe-n merupakan pengganti atraktif yang sangat cepat darpiada Si CMOS. Untuk teknologi MOS, GaAs dan Ge dibuat setipis mungkin, yakni lebih tipis dari 100 nm.
Telah banyak teknik yang digunakan untuk mengkarakterisasi film tipis ini, diantaranya Difraksi Sinar-X dan
transmission electron microscopy (TEM),
namun hal tersebut membutuhkan waktu dan biaya yang cukup mahal. Kemudian proses penumbuhan film tipis ini juga telah dikembangkan seperti molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), dan turunan dari metode-metode tersebut. Sejak beberapa tahun belakangan ini, MOCVD telah berkembang menjadi teknik terdepan untuk memproduksi devais optoelektronik dan mikroelektronik berbasis paduan arsenida
III-V
yang
dapat
dikarakterisasi
dengan
teknik
Raman
Spectroscopy,
Photoluminescence dan Piezoreflectance. (J.D. Wu, et al., 2009)
Material GaAs/Ge memiliki banyak keuntungan dibandingkan GaAs/GaAs. Substrat Ge tersedia dalam ukuran yang lebih besar dengan nilai kerapatan dislokasi adalah nol, yang tidak dicapai hingga saat ini dalam kasus GaAs. Ge memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi, sehingga memungkinkan penggunaan substrat yang tipis, seperti halnya digunakan dalam sel surya pada
1
Universitas Sumatera Utara
satelit. Perangkat GaAs yang dibuat pada substrat Ge memiliki ketahanan yang lebih tinggi terhadap pengaruh suhu daripada yang dibuat pada substrat GaAs, karena Ge memiliki konduktivitas termal lebih tinggi dibandingkan dengan GaAs. Perangkat material yang dibuat pada substrat Ge akan lebih ekonomis karena biaya Ge lebih kecil dibandingkan GaAs sebagai substrat (R. Tyagi, et al., 2002).
Telah terbukti bahwa substrat Ge memberikan manfaat yang besar dibandingkan jenis substrat lainnya untuk aplikasi pada solar sel dan detektor radiasi (J. Derluyn, et al., 2002). Faktor penting yang melandasi pemilihan Ge sebagai substrat adalah Ge memiliki kualitas kristal yang baik dan konsentrasi pengotor (impurity) yang sangat rendah sekitar 1010/cm3 (L. Knuutila, et al., 2005). Integrasi dari GaAs/Ge dalam aplikasinya pada sel surya terhadap substrat Si juga merupakan alternatif yang ekonomis (H.W.Yu, et al.,2011).
Berikut adalah
perkembangan key issue dari material yang digunakan untuk meningkatkan efisiensi solar sel (Masafumi Yamaguchi, et al., 2006 ).
Tabel 1.1 Key issues for realizing super high-efficiency multi-junction solar cells Key issue Top cell materials Third layer materials Substrate Tunnel junction Lattice matching Carrier confinement Photon confinement
Past AlGaAs
Present InGaP
Future AlInGaP
None
Ge
GaInNAs etc
GaAs DH-structure GaAs tunnel J. GaAs middle cell InGaP-BSF
Ge DH-structure InGaP tunnel J. InGaAs middle cell AlInP-BSF
Si DH-structure InGaP or GaAs (In)GaAs middle cell Widegap-BSF
None
None
Bragg reflector etc
Interaksi phonon pada bahan semikonduktor atau interaksi electron-phonon yang digunakan untuk menganalisis sifat kinetik dapat dibedakan menjadi dua, yakni pertama adalah the coupling between single-particle electronic (hole) excitations and transverse-optical phonons (TO) dan yang kedua adalah the coupling between plasmons and longitudinal-optical phonons (LO). Kedua interaksi tersebut telah
2
Universitas Sumatera Utara
dianalisis oleh para ilmuwan menggunakan Raman Spectroscopy. (D. Olego and M. Cardona,1981 dan Raffaello Ferone, et al., 2011). Sejak ditemukannya efek Raman pada tahun 1982, spektroskopi Raman banyak digunakan sebagai solusi dari berbagai kebutuhan teknologi, terutama dalam industri laboratorium. Spektroskopi Raman merupakan teknik spektroskopi yang berdasarkan pada hamburan inelastik dari cahaya monokromatik yang berasal dari sinar laser. Efek Raman merupakan frekuensi dari foton yang dipancarkan ulang dan dapat dinaikkan maupun diturunkan terhadap frekuensi asli cahaya monokromatik. Perubahan ini memberikan informasi tentang getaran, rotasi, dan transisi frekuensi rendah yang lain pada molekul. Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk mempelajari material padat, cair, dan gas. Raman spectroscopy direalisasikan dengan menggunakan mikroskop convocal, sehingga dapat memperoleh resolusi sifat-sifat material dalam ukuran submikro. Hal ini telah dikembangkan sebagai alat dalam mengkarakterisasi bahan semikonduktor untuk menemukan secara detail informasi dari struktur kristal, dispersi phonon, komposisi, ketahanan dan sebagainya. Baru-baru ini Raman spectroscopy telah digunakan secara luas untuk mengkaji nanowires dan quantum dot. Sehubungan dengan hal tersebut, beberapa fenomena telah dilaporkan untuk kajian struktur satu dimensi. Dengan menganalisis pengaruh polarisasi pada Raman spektroskopi telah dapat dibedakan secara signifikan sifat-sifat dari nanostruktur satu dimensi dengan material bulk. (I. Zardo, et al., 2009). Dalam hal ini, hamburan Raman sering juga disebut sebagai alat non-destruktif
yang menggunakan perangkat laser, gelombang
pendek photodetektor, HEMT, dan sebagainya. (J. Diaz-Reyes, 2010). Hamburan dan resonansi Raman telah menjadi alat yang digunakan untuk menganalisis sifatsifat bahan semikonduktor. (Peter Y. Yu, et al., 2010)
Studi hamburan Raman pada GaAs telah dilakukan oleh beberapa peneliti. Contoh kasus yang sangat baik dari GaAs tipe-n telah diperoleh suatu hasil yang sangat penting dan menarik yang diawali oleh percobaan Mooradian dan Wright tahun 1966 yakni adanya interaksi dari panjang gelombang phonon Longitudinal Optical (LO) dengan plasmon, hal ini memberikan kerangka kerja berisi pemahaman tentang phonon-plasmon coupling yang kemudian disebut L+ dan L- dan carrier-
3
Universitas Sumatera Utara
concentration bergantung pada frekwensi. Phonon-plasmon coupling pada GaAs tipe-p belum luas dikaji sebagaimana halnya GaAs tipe-n. Bahkan beberapa mekanisme telah diusulkan untuk menjelaskan phonon-plasmon coupling pada GaAs tipe-p, namun belum ada satu pun mekanisme fisik yang dinyatakan dengan observasi pengumpulan data. (R.A. Munoz-Hernendez, et al., 1996 dan O V Misochko and T N Fursova 2005). Phonon-plasmon coupling/modes ini sebelumnya di investigasi menggunakan teknik infrared. (V.I. Zemski, et al., 1975 dan Devki N. Talwar, 2010)
Proses karakterisasi dalam disertasi ini juga dilakukan dengan Photoluminescence (PL) spectroscopy, dalam hal ini dianalisis posisi puncak spektrum yang dihasilkan. GaAs menyerap foton (radiasi elektromagnetik) dan kemudian memancarkan ulang fotonnya. Hal ini dapat digambarkan sebagai eksitasi ke energi yang lebih tinggi dan kemudian kembali ke keadaan energi yang lebih rendah disertai dengan emisi foton. Hal ini sangat efektif karena Ge semakin sering digunakan sebagai akseptor pada GaAs yang dipersiapkan melalui epitaksi fase cair (liquid phase epitaxy - LPE). Dibandingkan dengan Zn, Ge memiliki tekanan uap dan koefisien difusi yang lebih rendah, sehingga sangat cocok untuk struktur epitaxial multilayer dalam proses penumbuhan di mana pengotor interdifusi harus diminimalkan. Selain itu, GaAs/Ge memiliki panjang difusi yang baik, yang dapat meningkatkan nilai potensialnya sendiri. (H. Kressel and M. Ettenberg, 1973 dan B. Galiana, et al., 2009)
Cahaya pada PL dapat dikumpulkan dan dianalisis untuk memperoleh informasi yang sangat penting tentang photoeksitasi dalam sebuah material. Spektrum PL menyediakan energi transisi, yang dapat digunakan untuk menentukan tingkat energi elektronik. Intensitas
PL memberikan ukuran tingkat relatif dari
rekombinasi radiasi maupun nonradiatif. Variasi dari Intensitas
PL yang
diberikan dapat digunakan untuk menandai lebih lanjut pita elektronik. PL tergantung pada sifat eksitasi optik. Sinyal PL sering tergantung pada kepadatan photoeksitasi elektron, bila jenis atau kualitas bahan yang diselidiki bervariasi secara spasial, sinyal PL akan berubah sesuai dengan posisi eksitasi. Karena PL
4
Universitas Sumatera Utara
lebih banyak berasal dari permukaan material, analisis PL adalah alat penting dalam mengkarakterisasi permukaan. Dengan fenomena di atas, sifat dari material bisa dideteksi dengan rinci. Karena PL dapat digunakan untuk mempelajari hampir semua permukaan material dalam lingkungan apapun, maka dapat digunakan untuk memantau perubahan yang disebabkan oleh modifikasi permukaan setiap waktu. Oleh karena itu, dapat digunakan untuk mempelajari sifat permukaan dalam pertumbuhan semikonduktor sekalipun memiliki tekanan yang tinggi. Meskipun PL tidak tergantung pada suhu yang tinggi, pengukuran suhu kamar bisa dilakukan. Keuntungan dari analisis PL yang tercantum di atas berasal dari kesederhanaan pengukuran optik dan listrik untuk menyelidiki sifat elektronik yang mendasar. (Timothy H. Gfroerer, 2000)
Scanning Electron Microscopy (SEM) digunakan untuk mendapatkan beberapa jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi berupa hasil foto. Sinar elektron yang terfokus pada bahan material GaAs akan memindai (scan) keseluruhan hasil scan sample tersebut menjadi sebuah informasi mengenai stuktur bahan tersebut, dengan demikian akan diperoleh bagian morpologi dari permukaan GaAs maupun substrat Ge. Sementara Piezoreflectance spectroscopy digunakan untuk mengetahui energi exiciton dan transmittance digunakan untuk menganalisa koefisien absorption dan pengaruh ketebalan filim tipis.
Penelitian dilakukan sejak tahun 2006 terhadap material yang digunakan penulis dalam disertasi ini telah menganalisa penampang lintang (cross section) menggunakan SEM dan potret mikroskop optik telah diperoleh hasil yang sangat bagus dan efisien digunakan untuk divais optoelekronik. Pada tahun 2010 dengan material yang sama telah dilakukan analisis karakterisasi optik menggunakan Photoluminessence Spectroscopy untuk suhu dibawah suhu kamar, demikian juga karakterisasi raman sudah dilakukan tetapi hanya pada satu jenis material yang ketebalan strukturnya sama. GaAs yang ditumbuhkan diatas substrat Ge ini juga sudah diteliti aplikasinya untuk CMOS (G. Brammertz, et al., 2008). Penelitian mengenai kualaitas bahan GaAs sampai saat ini masih terus dikerjakan, baik yang ditumbuhkan di atas substrat Ge maupun substrat Si (J.z. Li, et al., 2009 dan
5
Universitas Sumatera Utara
H.W.Yu, et al., 2011). Efek substrat pada GaAs yang diaplikasikan untuk tunnel diodes sudah dan tetap dikaji sampai saat ini (H.W.Yu, et al., 2011). Bahkan pada kedua substrat tersebut yakni pengendapam Ge diatas Si (Yuji Yamamato, et al., 2011). Berdasarkan uraian diatas timbul keinginan untuk melakukan penelitian dalam menganalisa karakterisasi optik dari material film tipis GaAs yang ditumbuhkan di atas substrat Ge yang memilki ukuran dan struktur yang berbeda pada setiap lapisan penyusunnya.
1.2
Batasan Masalah
Permasalahan dalam menganalisis sifat-sifat semikonduktor telah banyak dilakukan, dalam penelitian ini dibatasi pada analisis sepektrum Raman, pengaruh carrier concentration, penghitungan plasma phonon, mengaplikasikan Raman Selection Rule, membandingkan pengaruh penggunaan polarizer dan half wave plate. Karakterisasi menggunakan Transmittance, Photoluminesence Spectroscopy dan Piezoreflectance Spectroscopy juga dilakukan. Kemudian dianalis permukaan sample menggunakan SEM. Permasalahan dibatasi pada material GaAs/Ge yang ditumbuhkan mengunakan MOCVD.
1.3
Perumusan Masalah
Lapisan tipis GaAs ditumbuhkan di atas substrat Ge dengan teknik MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition) menggunakan sumber metalorganik golongan V, Tertiarybutylarsine (TBAs) dan sumber golongan III, Trimethylgallium (TMGa). Lapisan tipis dan substrat ditempatkan di atas endapan SiO2 . Temperatur dijaga konstan pada suhu 6500C. Kekristalan lapisan GaAs hasil penumbuhan MOCVD dikarakterisasi dengan Raman Spectroscopy, Photoluminesence, Piezoreflectance, Transmittance Spectroscopy, sedangkan morfologi permukaan dengan menggunakan scanning electron microscope (SEM). Rangkaian kerja ini disusun sebagai upaya memperoleh informasi karakterisasi berupa tingkat-tingkat spektrum, FWHM dan pengaruh penggunaan polarizer maupun half wave plate pada Raman dan nilai-nilai exciton dan
6
Universitas Sumatera Utara
broadening
parameter.
Diharapkan
juga
akan
diperoleh
pertimbangan-
pertimbangan terhadap penggunaan Raman Selection Rule pada hamburan Raman dan analisis permuakaan filim tipis melalui gambar SEM.
1.4
1.
Tujuan Penelitian
Menganalisa karakterisasi filim tipis GaAs/Ge dan pengaruh lapisan AlAs pada filim tipis GaAs/Ge.
2.
Menganalisa pengaruh carrier concentration pada film tipis GaAs/Ge terhadap hamburan Raman mengunakan laser Ar+.
3.
Mengaplikasikan
Raman
Selection
Rule
untuk
karakterisasi
dan
hubungannya menggunakan Polarizer, tanpa Polarizer, dan Half Wave Plate. 4.
Menganalisa pengaruh sudut/posisi material GaAs/Ge pada hamburan Raman
5.
Mendapatkan kebergantungan intensitas maksimum dan nilai full width of half maximum (FWHM) pada GaAs/Ge
6.
Menganalisa
koefisien
absorption
kristal
filim
tipis
GaAs/Ge
menggunakan Transmittance. 7.
Menemukan energi exciton menggunakan sistem Piezoreflectance Spectroscopy dan Transmittance spectroscopy.
8.
Menganalisa permukaan lapisan tipis menggunakan scanning electron microscope SEM.
1.5
Manfaat Penelitian
1. Dapat memberi konstribusi baru mengenai karakterisasi film tipis GaAs yang ditumbuhkan di atas substrat Ge dengan pengaruh carrier concentration dan ketebalan masing-masing lapisan yang sangat penting dalam divais optoelektronik.
7
Universitas Sumatera Utara
2. Ditemukannya pengaruh perputaran sudut pada material film tipis GaAs menggunakan Polarizer dan Half Wafe Plate pada hamburan Raman yang belum pernah diteliti sebelumnya. 3. Menghasilkan analisis baru mengenai energi exciton dan koefisien absorption, dimana parameter tersebut belum pernah diteliti untuk material ini. 4. Menghasilkan konstribusi baru mengenai intensitas maksimum dan FWHM yang lebih baik untuk aplikasi divais optoelektronik menggunakan material filim tipis GaAs yang ditumbuhkan ditas lapisan substrat Ge berdasarkan ukuran lapisan masing-masing.
1.6
Lokasi dan Waktu Penelitian
Penumbuhan lapisan tipis GaAs dilakukan di Interuniversity Microelectronics Center (IMEC), Leuven, Belgium oleh Guy Brammertz pada tahun 2006. Untuk memperoleh kebenaran yang akurat mengenai sifat-sifat material tersebut dan dalam mengkarakterisasinya dibentuk Kerjasama Riset antara Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) dan Optoelectronics and Semiconductor Group, Department of Electronic and Computer Engineering, National Taiwan University of Science and Technology (NTUST-Taiwan Tech) pada Maret 2008. Kemudian pada tahun 2010 dilakukan karakterisasi awal di Semiconductor Characterization Laboratory, Department of Electronic and Computer Engineering, NTUSTTaiwan Tech oleh J.D Wu (PhD Candidate pada waktu itu dan sudah selesai dibawah bimbingan Prof. Ying-Sheng Huang). Kemudian karakterisasi lanjut dengan 10 sample yang berbeda strukturnya dilakukan oleh penulis selama 10 bulan yakni sejak Februari 2012 sampai Januari 2013 di Semiconductor Characterization
Laboratory, Department of Electronic and Computer
Engineering, NTUST-Taiwan Tech dengan dukungan dana dari National Science Council (NSC) Taiwan. Penulis memperoleh basiswa dari NTUST untuk studi lanjut PhD di Optoelectronic and Semiconductor Group, Department of Electronic and Computer Engineering dan beasiswa Riset Tahunan dari National Science Council (NSC) Taiwan sejak Februari 2012. Beasiswa tersebut diperoleh oleh
8
Universitas Sumatera Utara
penulis atas rekomendasi tertulis dari Bapak Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc, Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc dan Bapak DR. Marhaposan Situmorang. Surat rekomendasi tersebut diberikan pada tanggal 02 Oktober 2011 yang digunakan oleh penulis untuk melamar beasiswa Riset Tahunan dan beasiswa PhD ke NTUST.
9
Universitas Sumatera Utara
