EFEK DOPING BORON TERHADAP SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR DAR! LAPISAN TIPIS ZoO YANG DITUMBUHKAN DENGAN MET ODE METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION

ISSN 0216 -3128

64

Feri Adriyanto, dkk,

--

EFEK DOPING BORON TERHADAP SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR DAR! LAPISAN TIPIS ZoO YANG DITUMBUHKAN DENGAN MET ODE METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION Feri Adriyanto, UsmanSantosa,Riyatun Lab. Fisika Materia/,JurusanFisika UniversitasSebe/asMaret. Jl. 1r. SutamiNo. 36 A Kentingan Surakarta57126.E-mail: [email protected]

ABSTRAK EFEK DOPING BORON TERHADAP SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR DARI LAPISAN TIPIS ZnO YANG DITUMBUHKAN DENGAjV METODE METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION. Telah ditumbuhkan lapisan tipis 2nO dengan metode metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) yang menggunakan gas pereaksi diethylzinc (DEZ) dan H2O. Gas B2H6 digunakan sebagai gas doping tipe-n. Diperoleh bahwa orientasi kristal (110) mendominasi seluruh lapisan tipis dan berkurang sejalan dengan penambahan laju aliran B2H6. Hal ini disebabkan gangguan dari atom/mo/ekul impuritas pada proses nuk/easi di awa/ penumbuhan. Ditemukan pula ukuran butir krista/ berkurang seja/an dengan bertambahnya /aju a/iran j~2H6. Transmitansi di daerah panjang ge/ombang ultra-violet bergeser menltju ke arah energi yang /ebih (.inggi seja/an dengan kenaikan /aju a/iran B2H6. Dipero/ehjuga bahwa dengan penambahan laju a/iran B;?H6.. transmitansi pada panjang ge/ombang di alas 1100 nm menurun karena absorpsi pembawa muatan ,;ebas.

ABSTRACT EFFECT OF BORON DO.PING ON THE STRUCTURAL AND OPTICAL CHARACTERISTICS 01-- 2nD THIN LA YER GROWN BY MOCVD METHOD. Zinc oxide (ZnO) thin films were grown by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method using diethylzinc (DEZ) and H2O as reactant gases. tne B2H6 gas was used as n-t)pe dopant It was found that the (110) reflection peak was dominant for all the film and became less pronounced as the B2H6 flow rate was increased. because of the disturbing of the impurity atoms/molecules to the nucleation process at the initial stage of the growth. It was also found that the grain size of crystal decreased as the B2H6 flow rate was increased. It was also found the transmittance in the wavelengths region above 1100 nm decreased as the B2H6flow rate was increased. due to the free carrier absorption.

PENDAHULUAN Z

inc Oxide (ZnO) merupakan bahan semikonduktor paduan golongan II -VI. Barubaru ini ZoO banyak digunakan sebagai set surya, sensor gas, pandu gelombanJ~ optik, gelombang akustik permukaan(I), display liquid crystal thin film transisto,.c2),divais light emittini3) daD aplikasi lain baik pacta divais-divais akusto-elektrik. akustooptik, elektronik maupun optoelektronik. ZoO mempunyai sifat antara lain transmitansi tinggi pacta daerah panjang gelombang tampak, indeks bias yang tinggi, struktur kristal yang anisotropi, celah pita energi yang lebar, konstanta piezoelektrik yang besar daD mempunyai koefisien elektro-optik daD ~~oefisien optik nonlinier yang kuat. . Penumbuhan lapisan tipis ZoO dapat dilakukan dengan berbagai metode seperti pulsed la.ser deposition (PLD)<2), reactive sputtering,

vacuum evaporation, spray pyrolysis dan metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD)<4). Penumbuhan lapisan tipis dengan menggunakan metode MOCVD mempunyai beberapa kelebihan antara lain dapat menumbuhkan lapisan tipis pada temperatur rendah, dapat mengendalikan struktur lapisan, uniformitas, komposisi dan mempunyai laju penumbuhan yang tinggi. Lapisan tip is ZoO yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD mempunyai permukaan yang bergerigi. Dalam aplikasi sebagai divais fotonik, morfologi permukaan lapisan tipis ZnO yang bergerigi sangat penting dalam upaya untuk membangkitkan sifat optik dari cahaya. Untuk mendapatkan lapisan bergerigi ini dapat dilakukan dengan melakukan pengontrolan orientasi kristal lapisan tip is. Sedangkan orientasi kristal lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan MOCVD dapat dengan mudah dirubah melalui

Proslding Pertemuan dan Presentasillmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

~~~:

ISSN0216-3128

Feri Adriyanto,dkk.

variasi temperatur penumbuhandan konsentrasi doping. Selain mempengaruhi orientasi kristal, pemberian doping dapat memperbaiki mobilitas 'pembawa muatan dan menurunkan resistivitasnya. Akan tetapi, pemberian impuritas dapat mempengaruhi sifat optik lapisall tip is ZnO. Hal ini berkaitan dengan keberadaan cacatbawaan. Oleh karena itu, dalllm makalah ini akan dilaporkan mengenai fenomena berubahnya sifat optik dan struktur dari lapisan tip is ZnO yang didoping dengan menggUIlakan gas diborane

(B2H6).

.

BAHAN DAN METODE Penumbuhan lapisan tipis ZnO dalam penelitian ini menggunakan metode meta/organic chemical vapor deposition (~"{OCVD) yang ada di Laboratorium Riset Semikonduktor Jurusan Fisika ITB. Skematik diagram sistem deposisi lapisan tipis ZnO yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 1.

65

Dalam penelitian ini bubbler DEZ dan bubbler H2O dipertahankan pada temperatur 26 DC. Laju aliran gas pembawa untuk kedua bubbler tersebut adalah 20 sccm. Diperoleh laju aliran gas yang masuk ke kamar reaksi adalah 21,80 ~mol/menit untuk DEZ dan 19,65 ~mol/menit untuk H2O. Proses doping dilakukan dengan jalan memvariasikan gas B2H6 (diborane) dari 0, I sccm sampai dengan 0,7 sccm. Tekanan total dalam kamar reaksi dipertahankan pacta nilai 1 Torr daD temperatur substratnya 140 °C. Sedangkan tekanan sistem di=kendalikan pacta nilai 760 Torr. Dalam penelitian ini teknik karakterisasi yang digunakan adalah pengukuran transmitansi dengan menggunakan monokromator double-beam daD pengukuran orientasi kristal dengan menggunakanalatX-ray Diffractometer (XRD).

HASIL DAN DISKUSI Lapisan tipis ZnO ditumbuhkan pada berbagai temperatur substrat. Gambar 2 memperlihatkan laju penumbuhan lapisan tipis sebagai

~~-

fungsi temperatur. l.,,16 ~--

':::~

~

. ,T

~

-

--

Lb=::=.l

~~====v===:=;z] N' . Gambar

12

~ ~

10

.!.

4

1. Skematik dia,gram sistem deposisi Japisan tipis ZnO.

Gas yang digunakalr1 adalah diethylzinc (DEl) dan pengoksidanya ;adalah gas Hp. Gas pembawa Ar (argon) dialirkan melalui bubbler DEl dan bubbler H2O, sehingg;a timbul gelembunggelembung dalam bubbler. P,engendalianlaju aliran gas yang memasuki kamar reaksi dilakukan dengan mengatur temperatur bubbler dan laju aliran gas

~

~

~

~ii ~ 8 i'i "',?, ,

It

I

~

(4

c

6

d

A

1 II

\

.I

60

80

.I

100

.I

110

.I

140

...

160

1110

TemperaturSubstrnt(°C) Gambar 2. Laju penumbuhanlapisan tipis 2nD sebago;lungsi temperatursubstrat.

Dari Gambar 2, terlihat bahwa laju penumbuhan bertambah sejalan dengan kenaikan temperatur substrat dan sampai pada temperatur 100 °C laju penumbuhan lapisan tipis ZnO mulai menurun. Hasil ini menunjukkan bahwa pada temperatur kurang dari 100 °C, laju penumbuhan dibatasi oleh dekomposisi dari precursor dan di atas temperatur 100 °C terjadi pengurangan fluks pre-

pembawa. Prosiding Pertemuan clan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216-3128

66

Fer; Adr;yanto,dkk. -

cursor sejalan dengan bertarrlbahnya temperatur

penumbuhan. Dengan melakukan optimasi berdasarkan data laju penumbuhan yang paling besar dilakukan pengukuran orientasi kristal lapisan tipis ZnO tanpa doping yang disajikan pactaG.arnbar3..

pemberian doping yang tinggi dapat mempengaruhl proses awal penumbuhan (proses nukleasi). )! Sebagai polikristal, mobilitas lapisan tipis ZnO sangat ditentukan oleh ukuran butir krista\. Oleh karena itu, dengan menggunakan rumus Scherer dilakukan estimasi ukuran butir kristal dari data pola difraksi sinar-X yang disajikan pada gambar berikut ini.

7000.

(11')

i~ 'OOG'

100

-5000

.g

40110

~

31100 ~'C

2001.

40

c .~ ~

(ij'JI\

a .~"I"'.-I-'~I~_r:q:,,'l..F~".-'1 2Q 15 30 35 40 ~5 50 ~!

60 '5

20

c

I 10 15 10

0

Polo difrakl:i sjnar-X lapisan tipis 2nD pada tempe,"atur 100 DC.

Terlihat bahwa pada temperatur 100 DC, puncak refleksi yang dominan pada lapisan tip is ZnO tanpa doping adalah pada arah (110), (100) dan (002). Pada temperatur tersebut, arah penumbuhan kristal tegak lurus permukaan substrat. Selanjutnya, karena orientasi kristal la~s;an tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan MOCVD dapat dengan mudah dirubah melalui variasi konsl~ntrasi doping. Oleh karena itu, telah dilakukan peroLlmbuhanlapisan tipis ZnO dengan memvariasikan 12~Ualiran B2~. ~asio intensitas puncak «110)/(100:1) lapisan tipis untuk berbagai variasi doping disajik;anpada Gambar 4.

1.00E+O1

l~

0-

~

E ~0

.2 >.. 0

c .. 4)

0

.5

~

~ '-'

.6.

1.00E+OO ,

I

I

I

I

,

0

:"Udqt2~('~r.jal)

Gambar 3.

~

60

V)

(1011)

10118.

.6..6.

SO

I

I

I

I

'

I

'

I

.I

I

I

.Q

!,

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

B~H, Flow Rate (sccm) Gambar 5. Ukuran butir krista/2nD sebagai lungsi /aju a/iran B2H6.

Sebagaimana yang terlihat dari Gambar 5, ukuran butir kristal berubah sejalan dengan laju aliran B2H6. Hasil ini mengindikasikan bahwa ukuran butir kristal dipengaruhi oleh penambahan atom boron ke dalam kisi ZnO, sebagaimana hasil ini merubah orientasi kristal. Sebagai divais fotonik, lapisan tipis ZnO harus mempunyai transmitansi yang tinggi. Oleh karena itu, sifat optik lapisan tipis ZnO untuk berbagai konsentrasi doping dapat diamati melalui pengukuran transmitansi dari daerah ultra-violet, tampak sampai infra-merah dekat dan hasilnya ditunjukkan dalam Gambar 6. Ditemukan bahwa transmitansi lapisan tip is ZnO mempunyai nilai yang tinggi di daerah tampak. Terlihat pula, di daerah ultra-violet terjadi pergeseran transmitansi menuju ke arah energi yang lebih tinggi. Gejala ini dinamakan pergeseran Burstein-Moss.<S)

I

0 0.1 0.2.0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 L.Ju Alliran B1H, (SCcm)

Gambar 4. Rasio inlensitaspuncak lapisan tipis ZnD sebagai lungsi laju aliran B2H6.

100 I

~

-

0.10.2-

0.3o~o,~

-60

"!

1~

40 20

IYI

0 I II

300

Terlihat dari Gambar 4 bahwa arah penumbuhan kristal (110) berkurang sejalan dengan kenaikan laju aliran B2H6' Hal ini disebabkan ,efek

o~

80

I

I .,

500

700

.I

...I

900

...,

1100

1300

P.njan~Gclombanz (nm)

Gambar6. TransmitansiLapisanTipis ZnO.

Proslding Pertemuan dlan Presentasl IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

4. 5.

ISSN 0216 -3128

Feri Adriyanto, dkk.

Terlihat dari Gambar 6, pada daerah dengan panjang gelombang 700 nrrl sampai dengan 1000 nm, transmitansi lapisan tipis ZnO sebesar 60 -

67

lapisan tip is ZnO dalam penelitian ini dapat digunakan sebagai material transparan pada divais fotonik.

80%. Pada daerah dengan panjang gelombangdi bawah 500 nm dan di alaS1 JlOOnm, transmitanslnya

me-nurun.

Pada daerah ultra-violet (panjang

gelombang kurang dari 300 nm), turunnya transmitansi disebabkan oleh adanya celah pita optik lapisan tipis ZnO. Sedangkan pada daerah di alas 1100 nm (daerah infra-merah dekat), turunnya transmitansi disebabkan absorpsi pembawa muatan bebas. Oari hasil tersebut diperoleh bahwa lapisan tipis ZnO dapat digunakan sebagai window layer pada sel surra yang dap;it meneruskan cahaya tampak dan memantulkan cahaya infra-merah. Bila lapisan tipis dibe:ri doping tipe-n dengan atom boron (gas B2H6), maka pada daerah panjang gelombang infra-merah dekat akan terlihat bahwa transmitansi lapisan tipis ZI10 dengan doping lebih rendah dibandingkan transmitansi lapisantipis tanpa doping. Hal ini sebagai akibat absorpsi pembawa muatan bebas (elektron) ~I~ng dipengaruhi oleh

UCAPAN TERIMA KASIH Riset

80

.~

60

°8

40

~ ...

20

r--

proyek

DA~TARPUSTAKA O. MASASHI, et. all., Preparation of ZnO Films With Preferential Orientation by Sol-gel Method,Journal of the CeramicSoc. Of Japan, 104(4),1996,296.

2. A. SUZUKI, et.all., Surface Flatne.ss of TransparentConducting ZnO:Ga Thin Films Grown by Pulsed Laser Deposition, Jpn. J. Applied Physics,35( I 0), 1996,5457. 3

M. KAZUNORI, et all, Growth ofp-rype Zinc Oxide Films by Chemical Vapor Deposition, Jpn.J. Applied Physics,36(IIA), 1997,L1453. R. SOLANKI and G.J. COLLINS, Laser Induced Deposition of Zinc Oxide, Applied PhysicsLetter,42(8), 1983,662.

TANYAJAWAB

0

300

500

700

900

1100

1300

Panjang Gelombang (nm) Gambar

melalui

SCHUBERT EF., Doping in III-V Semiconductors, Cambridge University Press, London1993.

~ = '-' ~

terselenggara

2000 URGE batch V dengan nomer kontrak : 019/DCRG/URGE/2000, Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Depdiknas, Indonesia.

konsentrasi doping. Sebagai transpare~lt conducting oxide (TCO), biasanya digunakan lapisan tip is ZnO dengan ketebalan 0,5 -2,'J ~m. Untuk itu telah ditumbuhkan lapisan tipis ZnO dengan kete&alan 0,8 ~m. Transmitansi dari lapisan tipis tersebut disajikan dalam Gambar 7.

ini

Domestic Collaborative Research Grant (DCRG)

7.

Transmita,,~i /apisan tipis ZnO pada keteba/{ln 0.8 f-Im.

Tjipto Sujitno -Pengoksida

dipilih H2O kenapa bukan oksidasi

kering O2, -Dopanya adalah B2H6bagaimana memisahkan B dan H.

KESIMPULAN Telah dilakukan penumbuhan lapisan tipis ZnO:B dengan menggunakan metode metalorganic chemical vapor deposition (MOCYO). Oitemukan bahwa penambahan atom boron (B2H6) ke dalam kisi ZnO dapat merubah oric~ntasikristal. Oitemukan pula pada daerah tampak. transmitansi lapisan tip is ZnO sangat tinggi. Hasil ini menegaskan bahwa

Feri Adriyanto -Karena H2O cukup reaktif untuk menghasilkan reaksi ZnO. dimana H2O ini akan mengisi kekosongan orbital terluarnya dari DEZ. -Atom Boron dapat mas uk ke dalam kisi 2nO disebabkan lapisan tipis 2nO mempunyai daerahlkeadaan yang kosong yang berupa cacat alamiah.

Prosiding Pertemual1l dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216 -3128

68 Widdi Usada -Apakah

Bapak mempunyai !~ambarSEM-nya?

-Setahu kami ZnO adalah b1man keramik (oksida logam), biasanya R nya cukup besar. Berapa hambatan ZnO yang diperolc~h.

Feri Adriyanto, dkk.

gunakan pompa turbo/difusi agar diperoleh lapisan tip is dengan kemumian tinggi. -Pada umumnya akan terbentuk lapisan tipis bersifat amorph (bukan kristal) untuk suhu subtrat yang rendah. Apakah telah pula dilakukan deposisi pada suhu rendah agar terbentuk amorph.

Feri Adriyanto -Kami telah pula melihat morfologinya dengan pemotretan SEM; terlihat memang hasilnya sesuai dengan pola XRD. -Resistivitas semikonduktor ZnO yang berhasil kami ukur sebesar 3,47 .(}/s~7rpada ketebalan 0,7 pm. Nilai ini masih terlalu besar untuk aplikasi TCO (Transparent Conducting Oxide).

Feri Adriyanto -Karena rotary sudah cukup menumbuhkan ZnO dengan metode MOCVD. -Sudah pernah di/akukan deposisi pada Tsub yang /ebih rendah-tapi memang be/urn diamati apakah amorphlbukan. sebab secara visual lapisan tipis yang terbentuk yang diinginkan dalam studi ini adalah polikristal.

Tri Mardji Atmono -Mengapa hanya digunakan rotary-pump, bukan diffi(si pump atau turbo pump. Mestinya di-

-

Prosiding Pertemuan d;~n Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002