Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktober 1998
KARAKTERISASI $36
OPTIK LAPISAN SILIKON POROUS Didio SahidioWioatapura
f j k >
ISSN1410-2897
Pusat Penelitian Sains Materi, BATAN, Serpong
-J
ABSTRAK V KARAKTERISASI OPTIK PADA LAPISAN SILIKON POROUS. Telah dilakukan karakterisasi optik pada lapisan Si poroll.~ menggunakan spektrometer fotoluminesen clanfourier transform infrared (FTlR). Si porous dibentuk dengan reaksi anodik pada substrat wafer Si tipe-p( I 00) dengan resistivitas 0,04 Wcm clan 10 Wcm. Substrat Si berbentuk wafer yang ditumbuhkan dengan metoda Czochralski dengan ketebalan sekitar 0,55 mIn. Analisis cuplikan dengan FTlR menunjukkan adanya mode deforrnasi dari spesi silikon hidrida clandihidrida yang mempasipkan permukaan clan mode ulur antisimetris dari sepesiSiO2. Pengamatan intensitas fotoluminesen cuplikan dengan spektrometer UV-eksitasi laser ion nitrogen menunjukkan bahwa Si porous yang ditumbuhkan pada Si resistivitas 10 Wcm memiliki fotoluminesen yang stabil clan reprodusibilitas tinggi denganeffisiensi fotoluminesen lebih tinggi dari pada efisiensi fotol~minesen Si porous pada Si resistivitas 0,04 Wcm. Peluruhan fotoluminesen dari Si porous adalah tidak eksponensialdengan kecepatanpeluruhan beberapamdetik. Fenomena ini diperkirakan erat kaitannya dengan perbedaan porositas clan distribusi ukuran pore pada lapisan Si porous.
ABSTRACT OPTICAL CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON LAYER. Optical characterization on porous silicon layer using photoluminescence and fourier transform infrared (FTIR) spectrometershas been done. Porous Si was formed by anodic reaction on the p( I OO)-type Si wafer substrate with resistivity of 0.04 and 10 Wcm. Si substrate was grown by Czochralski method of 0.55 mm in thickness.The FTIR analysis revealed that a presence of deformation mode from silicon hydride and dihydride specieses,and antisymmetric stretching mode from SiOzspeciespassipatedthe surface layer. Observation using TJV-nitrogen ion laser excitation spectrometer show that the porous Si grown on Si which have resistivity of 10 Wcm has a stable photoluminescence and high reproducibility with photoluminescence efficiency higher than that from porous Si on Si resistivitv of 0,04 Wcm Photoluminescence decay from porous Si decreasenon-exponentially with photoluminescence decay rate of several mseconds This phenomena is attributed to the different of porosity and pore size distribution on porous silicon layer
KEYWORD Silikonporous.Fotoluminesen
PENDAHULUAN Silikon piJrous (SiP) yang dibentuk dengan reaksi anodik dalam lamtan dasar HF, kill banyak diteliti secara intensifkarena dapat diaplikasikan sebagaibahan dasar teknologi rangkaian terpadu(IC), VLSL displaydan divais optoelektronik seperti Laser, LED, fotovoltaik, dan sel sluya. Hal ill disebabkankarena pada temperaturkamar bahan SiP memiliki efisiensi fotoluminesen (FL) visible yang tinggi. Divais elektrolmllinesenlnisalnya LED, telah berhasil dibuat dari bal\all SiP dan didemontrasikan pada tahun 199111]. LED ini tersusundari stmktur metal! SiP ! Si kristal dengan SiP sebagaiinsulator denganefesiensi dari 10-4hingga 10-50/"dan teganganthre.shold(ambang) lebihbesardari 10volt. SiP diwataki oleh porositasnya. Keberadaan porositas optimmll (sekitar 56 %) dari SiP mengandung silikon dioksida yang memiliki ekspansi volume dan tegangan (.strain) minimum. Kondisi tersebut amat renting guna mendapatkan mikrostruktur yang
sepenuhnyateroksidasi. Meskipun demikian, nilai porositas itu sendiri tidak cukup untuk mewataki bahan
SiP.Parameterlain yang perlu diperhatikan adalah ukuran pore, daD distribusi ukuran pore. Keduanya, baik porositas maupun ukuran pore menentukan ukuran dinding silikon (Si walls) dalam SiP sedemikian rupa sehingga sifat-sifat sepertikualitas kristal, respon optik, kelakuan termal daD mekanisme oksidasi sangat bergantung pada porositas daD ukuran pore. Mikrostruktur SiP telah diamati sebelumnya dengan1EM untuk cuplikan tampang lintang [1,2]. Hasil pengamatanmenunjukkanbahwa mikrostruktur SiPyang ditumbuhkan pada c-Si tipe-p(lOO) dengan resistivitas 0,04 'o'cm tersusundari pore yang merambattcgak lurus permukaan SiP. Pore yang terbentuk berukuran lebih besar dari ukuran pore dari Sip pada c-Si tipe-p(lOO) dengan resistivitas 1 dan 5 'o'cm [2,3]. Arab perambatan pore dati tipe SiP pada c-Si resistivitas 1 dan 5 'o'cm ini tidak beraturan dan terdistribusi secara acak di dalam lapisan SiP. Padalnakalab ini, sifat-sifat optik dan FL dari SiP yang ditumbuhkan pada substrat yang berbeda diamati dengan spektrometerFL dan infra merah.
.
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III .\'erpong, 20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897 Tabel 2. Ketebalan lapisan SiP
TATA KERJA Bahan Substrat wa:fer Si tipe-p(lOO) dengan resistivitas 0,04 dan 10 O:cmyang ditumbuhkan dengan metodaCzochralski.
LarutanHF 48 % GRdanEtanol(MERK) Percobaan Peralatan yang digunakan pada pengamatan ini sarna seperti peralatan yang digunakan pada pengamatansebelumnya[2 ,4,5]. PelapisankODiakohmik Al pada sisi lain dari c-Si dilakukan dengan teknik vakum coating, diikuti perlakuan panas pada 350°C selama 30 meDii. Reaksi anodik dilakukan pada rangkaian terbuka di dalam lamtan HF: etanol = 1:1 dengan rapat arus bervariasi. Katoda platina ditempatkan sejajar dengan anoda wafer Si di dalam cawan teflon. Selama reaksi berlangsung, larutan elektrolit diputar secara mekanik dengan rnagnetik stirer tanpa bantuan pencahayaan. Kondisi preparasi pembentukanSiP dicantumkan dalam Tabel I. Tabel
No
Kondisi preparasi pembentukan lapisan SiP
Kode
p
Cuplikan
(0 .cm)
Rapat Arus
(mAlcm2)
Waktu Reaksi (detik)
0,04
50
60
2
SI>R-2
0,04
[00
180
3
SPR-3
0,04
[50
120
4
SPR-4
0,04
200
1.20
SI>R-l
5
SI>T-1
10
30
10
6
SPT -2
10
30
30
.,
SI>T-3
10
30
60
8
SPT -4
to
10
60
Pengukuran spektra FL daD life time dilakukan dengan spektrometer UV-N2 ion laser excitation pada panjang gelombang 337 nIn. Sedangkomposisikirnianya diamati dengan spektrometerFfIR pada daerahbilangan gelombangantara 600 -2400 Gill-I.
BASIL DAN PEMBAHASAN Grafik yang dihasilkan antara tegangan terhadap waktu reaksi anodik menunjukkan garis resistan yang rata (smooth). lni menyatakan bahwa ams merambat dengan baik ke dalam cuplikan. Ketebalan lapisan SiP yang diukur menggunakan mikroskop optik, dicantUlnkan dalaIn Tabel2. Hasil reaksi anodik cuplikan SiP daTi SPT-3 dilunjukkan pactaGambar I. Terlihat bahwa pennukaan
Gambar I. Hasil mikroskop optik yang menunjukkan permukaan lapisan SiP basil reaksi anodik dalam tarutao HF: ethanol = I: 1 dengan rapat arus 30 mAlcm2, setama 60 detik.
cuplikan SiP memperlihatkan multi-warDa, yakni hijau yang mendominasi bagian tengah permukaan, diikuti merah, orange daD kuning pada bagian pinggiran cuplikan. Fenomena ini dapat dikorelasikan dengan efek ukuran kuantum yang dapat menghasilkan emisi yang jauh di alas celah energi silikon kristal bulk. Pembentukan lapisan SiP terjadi apabila proses kelarutan anoda (c-Si) dibatasi oleh supply muatan dan bukan oleh difusi ionik dalam larutan elektrolit. Sifat-sifat mikrostruktur, optik daD listrik yang dihasilkan sangat bergantung pada tipe substrat, resistivitas, rapat arus, konsentrasiHF dalam larutan elektrolit, waktu reaksidan tingkat pencahayaan. Gambar2 menunjukkankomposisikimia cuplikan SPT-3 setelah dioksidasi di udara daD diUkur menggunakan spektrometer FTIR pada daerah bilangan gelombangantara600-2400cm-l. Pada Gambar2a(dari cuplikan SPT-3) terlihat spesi silikon dioksida, silikon hidrida daD silikon dihidrida, yang terbentuk selama disimpan di udara. Puncak-puncak ganda pada 637 dan 658 cm-l,juga pada 871 daD 904 cm-l, merupakan model vibrasi deforrnasimasing-masingdari spesiSill dan S~. Puncak absorpsipacta2110 cm-1disebabkanoleh vibrasi ulur (stretching) dari spesi SiH2 Sedangpuncak absorpsi
385
Dididn ,\'ahidin Winatapura
-
\rTF
RINGRAHMINISARI,
SUMARYO daD S. AlIDA,
ISSN1410-2897
Prosiding Pertemuan /lmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktoher 1998
250 0.2000 0
0.0000
I 250 n t
0.2000
e
p
0
n 250 s
0.2000
i t 0 a 250
0.0000
s
(a.u) 0 2400 2000 1600 1200 800 Bilangan gelombang (cm-l)
600
(jamhar 2 Komposisi kimia lapisan Sip yang ditumbuhkan pada Si dengan rapat arus (a) 30 mAicm' dan (b) 10 mAicrn' .
pada 1077cm-1diidentifikasi sebagaimodel vibrasi ulur tidak simetris daTi spesi Si°2" Komposisi kimia daTi cuplikan SPT-4 yang teramati hanya spesi SiO2 dan SiH2masing-lnasingpadapuncak absorpsi1080dan 2107 cm-l. Sejumlah pengmnatan SiP dengan absorpsi infra merah tidak dapat mengidentifikasi adanya mode vibrasi uIur dari spesiSiF ( 6.7 J. Hal ini disebabkanantara lain adanya hidrolisis ikatan SiF oleh nap air daD karena ikatan ini memiliki o,\'cillator ,\'trength yang rendah. Namun Xiao et.al. (71. mengidentifikasi adanya mode vibrasi ulur dari spesi SiF J pacta puncak absorpsi 939 Ctn-1pactaSiP.yang beberapa menit setelah direaksi anodik. Setelah SiP disimpan diudara. unsur flourine (F) akan disubstitusi oleh gugus hidroksil (OH) yang selanjutnya mempakan tempat pengintian bagi pertumbuhan oksida. Hal ini menunjukkan bahwa kondisi lingkungan. seperti kelembaban dengan kandungan OH daD air yang tinggi atau lingkungan udara kering, berpengamh terhadap pembentukan komposisi kimia SiP. Fenomena ini terjadi karena selama disimpan di udara. pacta suhu kamar, permukaan lapisan SiP dapat mengadsorpsiberbagaijenis impuritas, antara lain CJH6' H2O. hidroksil. hidrida daD mengalami oksidasi secara tidak lliuform (6.8). Gambar 3 menunjukkan spektra SiP yang ditumbuhkan pactac-Si resistivitas 0,04 Wcm untuk cuplikan SPR-I. SPR-2.SPR-3dan SPR-4.Tmnpak bc1l1wa spektra yang teramati dari cuplikan yang telah disimpan di udara selama kurang lebih 5 bulan, sangat rendah daD tidak memperlihatkan kenaikan yang berarti seperti tertera pacta Gambar 3 (a, b daD c) daD sedikit mengalami kenaikan untuk cuplikan SPR-4 sepertiditunjukkan pada Gambar 3 (d). Pola spektra intensitas yang rendahjuga diperolehdari cuplikan SPT-I dan SPT-2. sepertitampak pacta Gambar 4 (a daD b) yang berbeda dari cuplikan
386
550
600
650
700
Bilangan gelombang(cm') Gambar
3.
Spektra intensitas FL dasi SiP yang ditumbuhkan pada Si resistivitas 0,04 Wcm dengan rapat arus masing-masing 50, 100, 150 dan 200 mAlcm2
SPT-3, sebagaimanaditunjukkan pada Gambar 4c, yang rnernperlihatkan kenaikan intensitas cukup tinggi pada puncak 620 nrn dengan FWHW yang cukup lebar. Pola spektra intensitas dengan FWHM yang lebar juga telah diamati sebelumnyadaTi SiP yang dioksidasi pada subu tinggi, antara 800 -'" 1100 °C [9]. Proses oksidasi pada SiP dapat rnenyebabkan penurunan kristalinitas Si kristalit dan passivation (penutupan) permukaannya sehingga sifat optiknya bembah. Sebagaiakibatnya, FL yang dihasilkan lebih lemah dan FWHM lebih lebar daTi pada FL daTi SiP yang direndarn (leaching) di dalam lamtan elektrolit dasarHF [8J. PerbedaanefisiensiFL pada SiPdari keduajenis substrat c-Si tersebut dapat diasurnsikan sebagai perbedaanpada ukuran pore. Herino et.al. [3J rnenunjukkan bahwa ukuran pore daTi SiP yang diturnbuhkan
I
n
t e n s
i t 1
a s
(a.
Gambar
4.
Spektra intensitas FL dasi SiP yang ditumbuhkan pad a Si resistivitas 10 .Qcm. dengan rapat arus masing-masing 30 mN cm" selama (a), 10 (b), 30 (c) daD 120 detik
Didin Sahidin Winatap"ra
., ';~
Pros;d;ngPertemuanIlm;ah ,\'a;nsMater; III Serpong,20 -21 Oktober1998 pada c-Si tipe-p(lOO) resistivitas 0,04 .o.cm adalahantara 2 -9 om. Sedang ukuran por;e dari Sip pada c-Si tipe-p( 100) dengan resistivitas lebih besar dari 1 .o.cm adalah lebih kecil dari 2 om. Hasil pengukuran intensitas FL kedua jenis substrat tersebut ditunjukkan pada Gambar 1 (a,b,c clan d) clan Gambar 4(c). Sedang basil pengukuran intensitasFL untuk cuplikan SPT-I dan SPT2,ditunjukkan pada Gambar4 (a dan b). Spektraintensitas yang dihasilkan sangat rendah, meskipun cuplikan telah dioksidasiselarnakurang IdJih2 bulan.Hal ini diperl
masing-masing selama 10 dan 10 detik, sehingga porositasyang terbentuk belurn mencapai nilai porositas yang optimum. Porositas yang optimum untuk tipe SiP ini telah diamati oleh Canham et.al. (10] yaitu sekitar 56 %. Selain tipe substratclan waktu reaksi anodik, efisiensi FL dari SiP juga meningkat dengan kenaikan rapat arus anodik. seperti telah dilakukan pada pengamatan sebelumnya(2]. Gambar 5 menunjukkan hasil pengukuran peluruhanFL untuk cuplikan SPT-1 dan SPT-4 pada elnisi panjanggelombangantara600 dan 610 nIn. Talnpakkedua peluml1anFL mcnunjukkan bukan eksponensialdengan lifetime lnasing-masingT,=0,979 ~etik. T 2=7.458~rok dan T1=0.740 Ildctik. T2=5.069 ~etik. Hasil tersebut memiliki pola peluruhan FL yang ~erbeda dengan pengamatanyang telah dilakukan oleh Xie et.al. (7] clan Nario dkk (III yang menghasilkan peluruhan FL eksponensial.Xie et. at. (7] mengalnati SiP.dengan tebal ] Ilm. pada c-Si denganresistivitas 0,04 .o.cmyang telah dioksidasi di udara selama 6 hari. Xie mengungkapkan bahwa pelumhan FL secaracksponensial ini disebabkan oleh rekombinasiradiatifyang terjadi melalui distribution n( Incalize(1 ,\'tate.\' (merupakan suatu defect) dekat permukaan lapisan SiP. Sedang Nario mengukur
a [rI=o.979:
~deiik-
ISSN 1410-2897 peluruhan FL dari cuplikan SiP yang dibentuk pada c-Si resistivitas 10.ocrn, yang sarnadengancuplikan SiPpada pengamatan ini, sebagai fungsi energi emisi FL (1,6 3,2) yang diukur pada temperatur antara 20 -293 K. Fenomenapeluruhan FL ini menurut Nario, disebabkan oleh karena lifetime FL yang bergantung pada energi emisi FL pada suhu tinggi dengan adanyaaktivasi termal dari carriers. Peluruhan FL yang non-eksponensial diasumsikanoleh emisi spontan,lifetime dari rekombinasi yang tidak radiatif atau oleh adanya ikatan Si dangling dalam lapisan SiP (12]. Dengandemikian tampak bahwa asumsi tentang mekanisme penyebab peluruhan FL eksponensial alan bukan eksponensial masih be-lum memberikankesepakatan. Hasil yang diharapkan dari bahan SiP untuk dapat diaplikasikan sebagai bahan dasar divais optoelektronik adalah memiliki efisiensi FL yang tinggi daD konstan (repro~ucible). Oleh karena itu SiP yang ditumbuhkan pada c-Si resistivitas yang lebih besar dari I .ocm lebih potensial sebagai bahan dasar divais optoelektronik, seperti : laser, LED, set surra daD fotovoltaik, dari pada SiP pada resistivitas rendah. sebab dapat menghasilkan efisiensi FL yang reproducible yang tentu saja dapat menghasilkan gain optik yang tinggi pula.
KESIMPULAN Dari basil pengamatan karakterisasi sifat optik dan FL SiP dapat disimpuJkan: .Lapisan SiP yang terbentuk memperlihatkan permukaanlapisan yang multi wanta .SiP yang ditumbuhkan pada Si resistivitas 10.D.cm memiliki FL yang stabil daD reprodusibilitas yang tinggi dengan efisiensi fotoluminesen lebih tinggi dati padaefisiensi SiPpada Si resistivitas 0,04 .D.cm. .Peluruhan (decay) FL yang teramati turun secara non-eksponensial dengan kecepatan waktu peluruhan adalah 0,7 daD 0,9 ~etik.
}1detik-'.
UCAPANTERIMA KASm
b
.-.,;,. ..:
. .
T I =kJ : '
,.JJ.deiik
.-,".J.,,"".
.'.
j...~".
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kepala High Resolution Beam Satation Laboratories and Magnetic Fields, NRIM- Tsukuba, Jepang atas izin menggunakan fasilitas di NRIM. Demikian pula kepada Kepala Perwakilan STA Jepang di Tsukuba atas segala bantuannya.
DAFTARPUSTAKA
iambar
5 Pe\uruhan fotoluminese" non-eksponensial dari SiP yang ditumhuhkan dengan rapat aru" anodik ma"ing-ma"ing 10 mA/cm2 (a) daD 30 mA/cm2 (b).
Dididn ,\'ahidin Winatapura
[1]. MI.J.BEAiE,N.G.OIEW,MJ.UREN,AG.CUllIS dan J.D. BENJAMIN, Microstructure and Formation Mechanism ofPorous .S'ilicon,Appl. Phys. Lett., 46 (1985)86 [2]. DIDIN S. WINATAPURA, E. PANJAITAN, AURING RAHMINISARI, SUMARYO dan S. AHDA,
387
Prosiding PertemuanIlmiah ,\'ainsMateri 11/ Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
.Siudi Alikro.\'truktur don Fotoluminesen Lapisan (8]. C. TSAI, K.H. LI, D.S. KINOSKY, R.-Z. QIAN dan Silikon Berpori. Prosiding Pertemuan llmiah Sains J.M. WHITE, Correlation between Silicon Hydride .S'peciesand Photoluminescence ofPorous Silicon, Materi II. Serpong 29-300ktober 1997, hal.402. Appl. Phys. Lett., 60 (1992) 1700 (31. R. HERINO. G. BOMCHIL, K. BARLA, C. BERTRAND clan J. GINOUX. Porosity and Pore .S'ize (9). S.M. PROKES, Light Emission in Thermally Oxidized Porous Silicon: Evidence for OxideDi.\'tributionof Porou,\'.\'; licon La.ver.J. Electrochem. related Luminescence, Appl. Phys. Leu., 62 Soc..134(1986)1994 (4). DillIN S. WINATAPURA, E. PANJAITAN, M. (1993)3244 SILALAHI clan S. AHDA, Karakteristik Foto(10).L. T. CANHAM. M.R. HOULTON, W.Y. LEONG, C. lumine.\'enLapi,\'an Silikon Pori Pada .S'uhuKamar, PICKERING dan J.M. KEEN, A tmospheric Impregnation of Porous Silicon at Room Temperature, Prosiding Pertemuan IImiah SainsMateri. Serpong, 22-23Oktober1996 Appl. Phys. Lett., 70(1991)422 (51. DillIN S. WINATAPURA, SUMARYO, I. KETUT. (II). NARIOOOKUBOdan N. HAMADA, Dependence N. PATA.SULISnOSOG. SUKARYOdan S. AlIDA, of Photoluminescence lifetime on Emission Energy Pemhuatan don Ok,\'ida,\'iLapi,san Silikon Porous. in Porous .S'ilicon at Various Temperature, Solid Diseminarkan pada Presentasi IImiah Penelitian StateCommun., 92(1994)369. (12).G.GQIN, The Photoexitation and Luminescence Dasar clan Ilmu Pengetahuan clan Teknologi, Process in Porous ,S'ilicon,Porous Silicon, ed., by Yogjakarta.R-IOJuIi 1997 Z.C. FENG and R. TSU, Word Scientific, London, (61. P. GUPTA. V.L. COLVIN clan S.M. GEORGE, 1994 H:vdrogen desorption Kinetic.\' .from Monohydride and Dihydride .S'pecie,\'on Porou.\' Silicon, Phys. Re\..B. 37 (1987) 378234 [7). Y.H. XIE. W.L. WILSON.F.M. ROSS.l.A.MUCHA, E.A.FITZGERALD, J.M. MACAULAY clan T.D. HARRIS. Luminescence and .Siructural .Siudy of Porou,\'.\'ihcon Film,\,.J. Appl. Phys..71 (1992)2403
