Jurnal Matematika dan Sains Vol. 10 No. 4, Desember 2005, hal 121-125
Pengaruh Daya RF terhadap Kandungan Ge dan Sifat Opto-Elektronik Lapisan Tipis a-SiGe:H Mursal1), S. Amiruddin2), I. Usman3), T. Winata4) dan Sukirno4) 1) Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh 2) Program Studi Fisika, Jurusan PMIPA, FKIP, Universitas Nusa Cendana, Kupang 3) Jurusan Fisika, FPMIPA, Universitas Haluoleo, Kendari 4) Departemen Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No. 10 Bandung 40132 Diterima Maret 2005, disetujui untuk dipublikasi Juni 2005 Abstrak Pengaruh daya rf terhadap kandungan Ge (CGe) dan sifat opto-elektronik lapisan tipis a-SiGe:H yang dideposisi dengan teknik PECVD telah diteliti. Lapisan tipis a-SiGe:H ditumbuhkan di atas substrat corning glass 7059 dengan menggunakan campuran gas SiH4 dan GeH4, masing-masing 10% dalam gas H2. Temperatur substrat diatur pada 2750C dan daya rf bervariasi dari 50 – 120 Watt. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan daya rf telah menyebabkan penurunan CGe lapisan tipis a-SiGe:H, sehingga lebar celah pita optik (Eopt) lapisan a-SiGe:H meningkat. Daya rf optimum diperoleh pada 90 Watt, yang bersesuaian dengan sensitivitas penyinaran tertinggi, yaitu 1,43 x 104. Kata Kunci : a-SiGe:H, daya rf, celah pita optik, sensitivitas penyinaran. Abstract The effect of rf power on Ge content (CGe) and opto-electronic properties of a-SiGe:H thin films deposited by PECVD method had been investigated. a-SiGe:H thin films were grown on corning glass 7059 substrate from a gas mixture of SiH4 and GeH4 10% diluted in H2, respectively. The substrate temperature was kept at 2750C and the rf power was varied from 50 – 120 Watt. The results showed that the CGe of a-SiGe:H thin films decreases with increasing in rf power, and therefore the optical bandgap (Eopt) increases. We found that the optimum rf power was 90 Watt, which corresponds to the highest photo-sensitivity of 1.43 x 104. Keywords : a-SiGe:H, rf power,optical bandgap, Photo-sensitivity. double-junction atau multi-junction2). Hal ini dikarenakan celah pita optik (optical bandgap) lapisan tipis a-SiGe:H dapat dikontrol atau dipersempit dengan menambahkan atom Ge kedalam komposisi paduan. Namun demikian, sifat elektronik dari lapisan a-SiGe:H ini menurun (semakin berkurang) dengan menyempitnya celah pita optik akibat penambahan atom Ge3-5). Hal ini disebabkan oleh kecenderungan atom H untuk berikatan dengan atom Si dari pada atom Ge atau terbentuknya cluster Ge-Ge3). Disamping itu, energi ikat Si-H (3,35 eV) lebih besar dibandingkan dengan energi ikat Ge-H (2,29 eV), sehingga ikatan lepas (dangling bond) pada atom Ge (1017 cm-3) dua orde lebih besar dibandingkan dengan ikatan lepas pada atom Si (1015 cm-3)6). Walaupun telah diketahui bahwa sifat-sifat opto-elektronik seperti, absorpsi optik, celah pita optik, konduktivitas, dan sensitivitas penyinaran dari a-SiGe:H dipengaruhi oleh rasio atomik [Si/Ge] dan kandungan atom hidrogen, namun pada proses penumbuhan lapisan, hal tersebut sangat ditentukan oleh parameter-parameter deposisi, salah satunya adalah daya pembangkit frekuensi radio (daya rf)7). Dalam tulisan ini, akan dibahas hasil penelitian mengenai pengaruh daya rf tersebut terhadap
1. Penduhuluan Salah satu upaya untuk meningkatkan efisiensi sel surya berbasis silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) adalah dengan membuat sel surya struktur multi-junction1). Dengan struktur multijunction, penyerapan spektrum cahaya akan lebih optimum. Hal ini dikarenakan foton dengan panjang gelombang yang pendek akan diserap oleh sel bagian atas dengan celah pita optik (Eopt) lapisan-i yang lebih lebar, sedangkan foton dengan panjang gelombang yang panjang akan diserap oleh sel bawah dengan Eopt lapisan-i yang lebih sempit. Dengan demikian efisiensi sel surya akan meningkat. Disamping itu, dengan struktur multi-junction, masing-masing lapisan-i dapat dibuat lebih tipis. Selanjutnya medan listrik internal yang kuat yang disebabkan oleh lapisan fotovoltaik yang tipis, mencegah rekombinasi pembawa muatan dan menjaga fill factor tetap tinggi setelah penyinaran dibandingkan dengan sel tunggal. Material paduan silikon germanium amorf terhidrogenasi (a-SiGe:H) merupakan salah satu material semikonduktor yang sangat menjanjikan dan telah diaplikasikan pada berbagai divais optoelektronik, terutama sekali sebagai penyerap optik (optical absorber) lapisan bawah pada sel surya 121
122
JMS Vol. 10 No. 4, Desember 2005
kandungan Ge dan sifat opto-elektronik lapisan tipis a-SiGe:H yang ditumbuhkan dengan teknik Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD).
dihitung nilai persamaan :
absorbsi
α = − ln T (λ ) , 1 d
2. Eksperimen Lapisan tipis a-SiGe:H ditumbuhkan di atas substrat gelas corning 7059 dengan menggunakan reaktor PECVD. Reaktor ini memiliki empat bagian utama, yaitu: sistem pemvakuman, sistem pemanasan terkontrol, sistem pengaliran gas, dan chamber. Skema sistem reaktor PECVD diperlihatkan pada Gambar 1. Reaktor ini juga dilengkapi dengan pembangkit rf, yang berfungsi untuk mendekomposisi gas sumber, sehingga menghasilkan plasma di antara elektroda rf dan elektroda substrat. Gas silane (SiH4) dan germane (GeH4), masingmasing 10% dalam gas hidrogen (H2) digunakan
koefisien
(α)
dengan
(1)
dimana d menyatakan ketebalan lapisan dan T(λ) menyatakan transmitansi sebagai fungsi dari panjang gelombang cahaya. Sebelumnya ketebalan lapisan diukur dengan menggunakan Dektak IIA. Selanjutnya dapat ditentukan celah pita optik (Eopt), dengan menggunakan metode Tauc plot berdasarkan kurva hν vs. (αhν)1/2, dimana hν menyatakan energi foton. Konduktivitas lapisan diukur dengan metode dua titik (two point probe) menggunakan elektrometer Keithley 617, dan untuk mengetahui morfologi permukaan lapisan tipis a-SiGe:H dilakukan scanning permukaan dengan menggunakan scanning electron microscopy (SEM). 3. Hasil dan Pembahasan Gambar 2 memperlihatkan kandungan atom germanium (CGe) lapisan tipis a-SiGe:H yang ditumbuhkan dengan daya rf yang berbeda-beda. Dari Gambar 2 dapat dilihat bahwa CGe menurun dengan meningkatnya daya rf. Hal ini disebabkan oleh perbedaan laju desosiasi kedua gas sumber (silane dan germane)3). Laju desosiasi gas silane lebih tajam dibandingkan dengan laju desosiasi gas germane, sehingga peningkatan daya rf menyebabkan kerapatan relatif radikal-radikal Ge (Ge-related radicals) dalam fase gas menurun. Akibatnya, inkorporasi atom Ge dalam fase padat juga menurun.
sebagai gas sumber. Gambar 1. Skema sistem reaktor PECVD. 0
Temperatur substrat diatur pada 275 C, seperti terukur oleh termokopel yang ditempatkan pada substrate holder. Untuk mengetahui pengaruh daya rf terhadap sifat-sifat opto-elektronik lapisan, maka daya rf divariasikan dari 50-120 Watt. Kondisi deposisi seperti diperlihatkan dalam table 1. Table 1. Kondisi deposisi lapisan tipis a-SiGe:H
Kandungan Ge (at.%)
50 45 40 35 30 25 20 15 10 40
Item Temperatur substrat Tekanan deposisi Daya rf Frekuensi rf Jarak elektroda Laju aliran gas: SiH4 GeH4
Kondisi 275 0C 900 mTorr 50 - 120 Watt 13,56 MHz 2 cm 110 sccm 1 sccm
Lapisan tipis a-SiGe:H yang telah ditumbuhkan, selanjutnya dikarakterisasi dengan menggunakan EDX untuk mengetahui kandungan atom Ge (CGe). Untuk mengetahui sifat optik lapisan ini dilakukan pengukuran dengan spektroskopi UVVIS-NIR. Dari data spektrum UV-VIS-NIR ini dapat
50
60
70
80
90
100 110 120 130
Daya rf (Watt) Gambar 2. Kandungan Ge lapisan tipis a-SiGe:H yang dideposisi dengan daya rf yang bervariasi.
Lebar celah pita optik (Eopt) lapisan tipis aSiGe:H sangat dipengaruhi oleh jumlah kandungan atom Ge didalam lapisan. Penurunan kandungan atom Ge dengan meningkatnya daya rf telah menyebabkan meningkatnya lebar celah pita optik (Eopt) lapisan tipis a-SiGe:H, seperti diperlihatkan pada Gambar 3. Lebar celah pita optik lapisan tipis aSiGe:H meningkat dengan menurunnya CGe. Ini disebabkan oleh energi ikat Ge-Ge (1,63 eV) dan Ge-H (2,29 eV) lebih kecil dibandingkan dengan energi ikat Si-Si (2,83 eV) dan Si-H (3,35 eV).
JMS Vol. 10 No. 4, Desember 2005
123
Sensitivitas penyinaran (photo-sensitivity) yang merupakan perbandingan nilai σph/σd mengalami peningkatan seiring dengan meningkatnya daya rf dari 50–90 Watt, seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Peningkatan ini dapat disebabkan oleh adanya meningkatnya kerapatan struktur jaringan dan atau berkurangnya kerapatan cacat di dalam lapisan.
Celah pita optik (eV)
1.54 1.52 1.5 1.48 1.46 1.44 1.42 1.4
1.E+06 40
50
60
70
80
90
100 110 120 130
Daya rf (Watt)
Gambar 3. Celah pita optik lapisan tipis a-SiGe:H sebagai fungsi dari daya rf.
1.E-03
1.E-03
1.E-04
1.E-04
1.E-05
1.E-05
1.E-06 1.E-06
σd σph
1.E-07 1.E-08
1.E-07 1.E-08
1.E-09
Konduktivitas terang (S/cm)
Konduktivitas gelap (S/cm)
Gambar 4 memperlihatkan konduktivitas gelap (σd) dan konduktivitas terang (σph) lapisan tipis a-SiGe:H sebagai fungsi dari celah pita optik (Eopt). Konduktivitas erat kaitannya dengan kerapatan struktur jaringan dan kerapatan cacat (defect density) dalam lapisan. Penyempitan celah pita optik akibat penambahan atom Ge menyebabkan terbantuknya kerapatan cacat yang semakin besar. Hal ini disebabkan oleh adanya kecenderungan atom H untuk berikatan dengan atom Si dari pada atom Ge, sehingga ikatan lepas (dangling bond) pada atom Ge lebih besar dari pada ikatan lepas pada atom Si. Dengan kata lain, penyempitan Eopt akibat penambahan atom Ge telah menyebabkan penurunan nilai konduktivitas. Penurunan nilai konduktivitas pada lapisan dengan Eopt yang lebih lebar kemungkinan disebabkan oleh berkurangnya kerapatan struktur jaringan dalam lapisan yang disebabkan oleh penggunan daya rf yang tinggi.
1.E-09
1.E-10 1.4
1.46 1.49 Celah pita optik (eV)
1.52
Gambar 4. Konduktivitas gelap dan terang lapisan tipis a-SiGe:H sebagai fungsi dari celah pita optik.
Sensitivitas penyinaran
1.38
1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 40
50
60
70
80
90 100 110 120 130
Daya rf (Watt)
Gambar 5. Sensitivitas penyinaran lapisan tipis aSiGe:H sebagai fungsi dari daya rf. Struktur jaringan lapisan tipis pada prinsipnya ditentukan oleh proses relaksasi energi dari radikal-radikal yang terabsorpsi pada permukaan tumbuh6,8,9). Oleh sebab itu, untuk mendapatkan lapisan yang memiliki sensitivitas penyinaran yang baik dengan struktur jaringan yang rapat, maka jarak difusi permukaan (surface diffusion distance, l) dari radikal-radikal haruslah panjang. Nilai l yang besar akan diperoleh jika radikal-radikal tersebut memiliki nilai koefisien difusi permukaan (Ds) yang besar dan atau memiliki staying time (τs) yang cukup lama di atas permukaan tumbuh. Hubungan ini dinyatakan dengan persamaan :
l = 2 D sτ s dengan Ds = νa 2 exp(− E s / kT )
(2) (3)
0
dimana ν adalah frekuensi vibrasi dari radikalradikal, a0 jarak lompatan (jump distance), dan Es energi aktivasi untuk melakukan site jumping6, 8). Peningkatan daya rf menyebabkan radikalradikal tidak memiliki cukup waktu untuk bergerak di atas permukaan tumbuh. Dengan kata lain, peningkatan daya rf dapat menurunkan nilai τs, sehingga pada lapisan yang dideposisi dengan daya rf yang tinggi, sensitivitas penyinarannya akan menurun.
124
JMS Vol. 10 No. 4, Desember 2005
Gambar 6. Foto SEM permukaan lapisan tipis a-SiGe:H yang dideposisi dengan daya rf yang berbeda-beda. (a) 50 Watt, (b) 70 Watt, (c) 90 Watt, dan (d) 120 Watt. Gambar 6 (a)-(d) memperlihatkan foto SEM lapisan tipis a-SiGe:H yang dideposisi dengan daya rf yang bervariasi dari 50-120 Watt. Morfologi permukaan dari masing-masing lapisan tidak menunjukkan perbedaan yang nyata. Hal ini mengindikasikan bahwa perubahan daya rf dari 50120 Watt tidak menyebabkan terjadinya perubahan fasa. Semua lapisan a-SiGe:H tersebut masih berstruktur amorf.
Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementrian Riset dan Teknologi atas bantuan dana melalui proyek Riset Unggulan Terpadu (RUT) VIII, sehingga penelitian ini dapat terlaksana. Daftar Pustaka 1.
4. Kesimpulan Lapisan tipis a-SiGe:H telah berhasil ditumbuhkan dengan teknik PECVD pada berbagai variasi daya rf. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa kandungan atom Ge (CGe) lapisan tipis aSiGe:H menurun dengan meningkatnya daya rf. Penurunan CGe telah menyebabkan melebarnya celah pita optik. Sensitivitas penyinaran mengalami peningkatan yang cukup berarti dengan meningkatnya daya rf. Ini menunjukkan bahwa kerapatan cacat dalam lapisan berkurang, yang disebabkan oleh menurunnya kandungan Ge di dalam lapisan. Akan tetapi daya rf yang terlalu tinggi juga dapat menyebabkan penurunan nilai sensitivitas penyinaran, karena radikal-radikal yang terabsorpsi tidak memiliki cukup waktu untuk bergerak di atas permukaan tumbuh.
2.
3.
4.
Shima, M., Isomura, M., Maruyama, E., Okamoto, S., Haku, H., Wakisaka, K., Kiyama, S., & Tsuda, S., “Investigation of Hydrogenated Amorphous Silicon Germanium Fabricated under High Hydrogen Dilution and Low Deposition Temperature Conditions for Stable Solar Cells”, Jpn. J. Appl. Phys. 37, 6322 (1998). Terakawa, A., Shima, M., Sayama, K., Tarui, H., Nishiwaki, H., & Tsuda, S., “Optimization of aSiGe:H Alloy Composition for Stable Solar Cells”, Jpn. J. Appl. Phys. 34, 1741 (1995). Hazra, S., Middya, A.R., Ray, S., Malten, C., & Finger, F. “Role of Deposition Parameters on The Photovoltaic Quality of Amorphous Silicon Germanium Alloys: Correlation of Microstructure with Defect Density and Electronic Transport”, J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 2475 (2001). Terakawa A., & Matsunami, H., “Composition Dependence of Inhomogeneous Hydrogen Bonding Structures in a-SiGe:H”, Jpn. J. Appl. Phys. 38, 6207 (1999).
JMS Vol. 10 No. 4, Desember 2005
5.
6.
7.
Terakawa, A., Shima, M., Sayama, K., Tarui, H., Tsuda, S., Nishiwaki, H., & Nakano, S., “Film Property Control of Hydrogenated Amorphous Silicon Germanium for Solar Cells”, Jpn. J. Appl. Phys. 32, 4894 (1993). Tanaka, K., “Hydrogenated Amorphous Si and Its Alloy Materials: New Approach to Structural Control”, Optoelectronics-Devices and Technologies, 4:2, 143 (1989). Wronsky, C.R., Pearce, J.M., Koval, R.J., Verlauto, A.S., & Collins, R.W., “Progress in Amorphous Silicon Based Solar Cell
125
8.
9.
Technology”, RIO 02-World Climate & Energy Event, (2002). Matsuda, A., & Tanaka, K., “Guiding Principle for Preparing Highly Photosensitive Si-Based Amorphous Alloys”, J. Non-Cryst. Solid 97:98, 1367 (1987). Matsuda, A., Kayama, M., Ikuchi, N., Imanishi, Y., & Takada, K., “Guiding Principle in Preparation of High-Photosensitive Hydrogenated Amorphous Si-Ge Alloys from Glow-Discharge Plasma”, Jpn. J. Appl. Phys. 25:1, L54 (1986).
