MT-45
0103: Heri Sutanto dkk.
PENGARUH FRAKSI MOL Mn/Ga LARUTAN TERHADAP KOMPOSISI DAN MIKRO STRUKTUR LAPISAN TIPIS GaN: Mn YANG DIDEPOSISI METODE SOL-GEL Heri Sutanto 1), Iis Nurhasanah 1), Istadi 2)
2)
1) Jurusan Fisika, FSM Universitas Diponegoro Jurusan Teknik Kimia, FT Univeristas Diponegoro Jl. Prof. Soedharto, SH Tembalang Semarang Telepon (024) 74680822 e-Mail:
[email protected]
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Pengaruh fraksi mol mn/ga larutan terhadap komposisi dan mikro struktur lapisan tipis gan:mn yang dideposisi metode sol-gel. Dalam makalah ini dilaporkan hasil penelitian pengaruh fraksi mol larutan Mn/Ga pada lapisan tipis GaN:Mn terhadap karakteristik komposisi dan mikro struktur. Lapisan Tipis GaN:Mn telah dideposisikan di atas substrat Si(111) menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dengan teknik spin coating. Fraksi mol Mn/Ga yang digunakan adalah 4%, 6%, 8%, dan 10%. Larutan gallium-manganese-citrate-amine disintesis dengan menggunakan Ga2O3 sebagai sumber gallium dan MnO2 sebagai sumber mangan. Kristal kering dari sintesis kemudian dilarutkan dalam Ethylenediamine dengan molaritas 0,6 M sehingga membentuk gel. Gel digunakan untuk deposisi lapisan tipis GaN:Mn di atas substrat Si (111) dengan teknik spin coating. Spin coater diputar dengan kecepatan putar 1100 rpm selama 20 detik. Lapisan tipis GaN:Mn dipanaskan pada temperatur 900oC selama 2 jam pada lingkungan N2 UHP dengan laju alir tetap sebesar 120 sccm. Komposisi atomik padatan, struktur kristal, dan morfologi permukaan lapisan tipis GaN:Mn hasil deposisi dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive of X-ray (EDX), dan Scanning Electron Microscope (SEM). Hasil uji EDX menunjukkan bahwa semakin besar fraksi mol Mn/Ga larutan menghasilkan %At Mn semakin meningkat. Diperoleh korelasi fraksi mol Mn/Ga larutan dengan padatan dengan persamaan y= 0,023x3 – 0,352x2 – 1,742x -2,81. Seluruh lapisan tipis GaN:Mn hasil deposisi masih terjadi kekosongan nitrogen, terdapat impuritas karbon dan memiliki struktur polikristal wurtzite. Konstanta kisi a pada rentang 3,2077 Å – 3,2621 Å dan kisi c pada rentang 5,1094 Å – 5,3038 Å bervariasi terhadap persentase atomik Mn. Tingkat kekasaran permukaan lapisan tipis GaN:Mn sebesar 16,72 – 29,90 nm. Ukuran dan distribusi bulir yang homogen terbentuk pada lapisan tipis dengan fraksi mol Mn/Ga 6%. Kata Kunci: GaN:Mn, Spintronik, CSD, spin coating, mikrostruktur
I.
PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi informasi yang sangat pesat dalam dekade terakhir ini ditunjang oleh perkembangan industri rangkaian terintegrasi (integrated circuit atau disingkat dengan IC) dan industri penyimpanan data magnetik Dalam upaya menggabungkan keunggulan karakteristik elektronik dan magnetik di atas, diperkenalkan suatu divais baru, yaitu divais spintronik, yang bekerja dengan cara memanfaatkan muatan dan spin elektron yang bergerak dalam induk semikonduktor (semiconductor host). Keunggulan divais ini meliputi non-volatile, laju pemrosesan data yang lebih tinggi dan ukuran divais yang lebih kecil [1,2]. Selama lebih dari tiga puluh tahun fisikawan dan insinyur melakukan penelitian mengenai divais transfer muatan (charge-transfer) dan teknologi semikonduktor
sehingga mengalami perkembangan yang sangat luar biasa hingga ditemukannya divais spintronik. Spintronik dikembangkan dalam berbagai aplikasi antara lain: divais logika spintronik (spintronic logic), magnetic random acces memory (MRAM), dan sensor medan magnet [3]. Material yang dapat digunakan untuk divais spintronik adalah material yang bersifat feromagnetik pada suhu kamar dan memiliki efisiensi yang cukup tinggi saat injeksi spin (Ohno, 1998). Material yang memenuhi sifat tersebut dimiliki oleh material Diluted Magnetic Semiconductor (DMS) atau semikonduktor feromagnetik. Beberapa tahun terakhir banyak peneliti yang memfokuskan penelitiannya pada material ini untuk aplikasi divais spintronik. Material DMS diperoleh dengan cara inkorporasi unsur magnetik dari logam transisi ke dalam semikonduktor non magnetik [4]. Material ini memiliki potensi untuk divais spintronik karena
MT-46
0103: Heri Sutanto dkk.
dapat digunakan untuk menyimpan data sekaligus memproses data [5] GaN:Mn merupakan material DMS yang banyak dikembangkan oleh para peneliti. GaN:Mn memiliki keunggulan dibandingkan dengan material DMS lain seperti ZnO:Co, GaN:Gd, dan AlN:Cr yaitu temperatur Curie (TC) di atas temperatur kamar, ideal untuk injeksi spin dan cocok dengan perkembangan teknologi semikonduktor yang telah ada. Temperatur Curie (TC) GaN:Mn dilaporkan lebih dari 300 K [6]. Deposisi semikonduktor feromagnetik GaN:Mn telah dilakukan dengan berbagai metode, antara lain metode Plasma Assisted Metal Organic Chemical Vapor Deposition (PAMOCVD) [7], Molecular Beam Epitaxy (MBE) [8], dan implantasi ion [9]. Substrat silikon (Si) yang digunakan dalam penumbuhan lapisan tipis GaN:Mn memiliki keunggulan dibandingkan substrat safir dan SiC yang biasa digunakan dalam penumbuhan GaN dan paduannya. Substrat Si tersedia dalam ukuran yang besar dan harganya relatif murah, sehingga cocok digunakan untuk kalangan industri karena biaya produksi yang lebih rendah. Meskipun demikian, substrat Si masih terdapat ketidaksesuaian kisi dan koefisien ekspansi termal dengan GaN:Mn, yaitu masing-masing sebesar 17% dan 56% [10]. Hal tersebut menyebabkan deposisi lapisan tipis GaN:Mn di atas substrat Si menjadi tidak mudah. Pada penelitian ini dilakukan deposisi lapisan tipis GaN:Mn di atas substrat Si (111) menggunakan metode CSD teknik spin coating. Besar fraksi mol Mn/Ga larutan divariasikan dalam rentang 4% - 10%. Pengaruh besar fraksi mol Mn/Ga dianalis terhadap karakteristik komposisi padatan yang terbentuk dan mikrostruktur lapisan tipis GaN:Mn melalui pengujian menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), dan Energy Dispersive X-Ray (EDX).
II.
METODE PENELITIAN
Deposisi lapisan tipis GaN:Mn menggunakan metode CSD dari kristal gallium-manganesse-citrate-amine. Pembuatan gel gallium-manganese-citrate-amine dilakukan dengan melarutkan kristal gallium-manganese-citrate-amine dalam ethylendiamine. Kristal gallium-manganese-citrate-amine diperoleh melalui preparasi gel dari larutan yang mengandung ion Ga3+, ion Mn4+, dan asam sitrat (CA) dengan fraksi mol Mn/Ga yang bervariasi antara 4% - 10%. Serbuk Ga2O3 dan serbuk MnO2 dengan fraksi mol Mn/Ga 4% – 10% dilarutkan dalam campuran 5 ml HCl dan 5 ml HNO3. Larutan dinetralisir hingga mencapai pH 7,6-8 dengan cara menambahkan ammonia (NH4OH) sehingga didapatkan ion Ga3+ dan ion Mn4+ dalam larutan. Asam sitrat ditambahkan pada larutan dengan rasio molar Ga:CA adalah 1:1 agar ion-ion yang telah terpecah bergabung kembali dan membentuk larutan gallium-manganese-citrateamine. Kristal hasil sintesis kemudian disaring menggunakan kertas saring, dibilas dengan aseton dan dikeringkan dalam vakum desikator. Kristal kemudian dilarutkan dalam ethylendiamine dengan molaritas 0,6 M agar menjadi gel
gallium-manganese-citrate-amine yang akan dilapiskan pada substrat Si (111). Sebelum proses deposisi lapisan tipis GaN:Mn di atas substrat Si(111), substrat Si dibersihkan terlebih dahulu dengan metode RCA. Si dicuci dengan aseton, kemudian dengan metanol masing-masing selama 10 menit menggunakan sistem pencuci ultrasonik untuk menghilangkan pengotor organik seperti lemak dan minyak. Selanjutnya Si dicuci dengan DI water (deionized water) selama 1 menit dan dimasukkan ke dalam larutan HF 20% selama 10 detik untuk menghilangkan lapisan SiO2 yang mungkin terbentuk selama proses penyimpanan substrat. Selanjutnya, substrat dicuci dengan DI water dan dikeringkan dengan disemprot gas nitrogen (N2) teknis. Substrat kemudian diletakkan di atas spin coater dan ditetesi dengan gel gallium-manganese-citrate-amine. Substrat yang telah ditetesi gel diputar menggunakan spin coater dengan laju putar sebesar 1200 rpm selama 20 detik. Sampel dikeringkan (drying) pada temperatur 150oC selama 10 menit dilanjutkan proses pirolisis di atas hot plate pada temperatur 350oC selama 20 menit. Sampel dipanaskan dalam furnace pada temperatur 900oC selama 2 jam sambil dialiri gas nitrogen (N2) untuk dekomposisi dengan kecepatan alir sebesar 240 sccm. Kenaikan dan penurunan temperatur furnace diatur 10oC/menit. Pengaliran N2 dilakukan untuk memberikan sumber prekursor N supaya terjadi ikatan antara anion-anion Ga3+ dengan N3- sehingga terbentuk lapisan GaN:Mn. Hasil-hasil penelitian berupa lapisan tipis selanjutnya dikarakterisasi dengan EDX untuk menentukan komposisi, XRD untuk mengetahu struktur dan parameter kisi kristal yang terentuk serta pengujian SEM untuk mengetahui morfologi permukaan lapisan.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil analisis komposisi atom menggunakan EDX pada lapisan tipis GaN:Mn yang terbentuk bertujuan untuk mengetahui atom-atom penyusun lapisan, inkorporasi atom Mn ke dalam lapisan dan mengamati keberadaan atom pengotor. Hasil analisis komposisi tersebut ditunjukkan pada tabel 1 dan korelasi fraksi molar Mn/Ga larutan terhadap %At padatan hasil deposisi ditunjukan gambar 1.
Gambar 1. Grafik presentase atomik Mn (%At Mn) padatan hasil deposisi lapisan tipis GaN:Mn dengan berbagai fraksi mol Mn/Ga. Hasil pengujian komposisi menunjukkan bahwa terjadi kenaikan %At Mn dengan penambahan/ kenaikan fraksi
MT-47
0103: Heri Sutanto dkk.
Fraksi mol Mn/Ga (%) 4 6 8 10
At (%) Mn
Ga
N
C
0,04 0,06 0,65 2,94
2,19 6,34 11,76 15,31
2,33 2,28 5,46 4,72
7,07 12,01 19,12 13,92
Ga/N 0,94 2,78 2,15 3,24
Inkorporasi Mn ke dalam lapisan tipis GaN dimaksudkan agar diperoleh lapisan tipis GaN:Mn dengan kualitas kristal yang rata dan homogen sehingga lapisan tipis tersebut memiliki sifat semikonduktor dan sifat feromagnetik. Tingkat inkorporasi Mn ke dalam GaN juga dapat dipengaruhi oleh perbedaan jari-jari atom dopan (Mn) relatif terhadap jari-jari atom yang disubtitusi (Ga) yang dapat menyebabkan terjadinya regangan. Jika energi regangan naik dengan kuat karena konsentrasi doping bertambah maka dopan tidak akan dapat diinkorporasikan [7]. Dari hasil penelitian diperoleh korelasi fraksi mol Mn/Ga larutan dengan %At Mn padatan yang memenuhi persamaan y = 0,023x3 - 0,352x2 + 1,745x - 2,81. Selain itu, dari hasil pengujian EDX diperoleh nilai rasio Ga/N yang kurang dari 1 menunjukkan bahwa terjadi kekosongan Ga pada lapisan, sedangkan nilai rasio Ga/N yang lebih dari 1 menunjukkan bahwa lapisan tipis yang terbentuk mengalami kekosongan nitrogen (nitrogen vacancy). Sampel dengan fraksi mol Mn/Ga 4% mengalami kekosongan Ga, sedangkan sampel dengan fraksi mol Mn/Ga 6%, 8%, dan 10% mengalami kekosongan nitrogen. Adanya kekosongan nitrogen menyebabkan GaN bersifat sebagai semikonduktor tipe-n. Sebaliknya, kekosongan Ga dapat bertindak sebagai akseptor dan menyebabkan GaN bersifat sebagai semikonduktor tipe-p [11]. Struktur kristal lapisan tipis yang terbentuk diamati dari hasil pengujian XRD. Pola XRD semua lapisan tipis yang dideposisikan dengan fraksi mol Mn/Ga tertentu menunjukkan adanya puncak yang bersesuaian dengan bidang GaN. Selain puncak Si, terdapat pula puncak-puncak
GaN
yang
Si (222) GaN (1012)
(10%) MnO2 (212)
GaN (0002)
GaN (1011)
MnO2 (111)
Si (111) SiO2 (400) GaN (1010)
SiO2 (112)
puncak
MnO2 (302)
Tabel 1. Persentase atomik unsur lapisan tipis GaN:Mn dengan berbagai fraksi mol Mn/Ga dengan menghitung atom karbon
yang tidak identik dengan mengindikasikan adanya fase lain.
intensitas (a.u)
mol Mn/Ga larutan. Selain itu, secara umum komposisi padatan dari lapisan hasil deposisi menunjukkan bahwa terjadi kekosongan nitrogen dan masih hadirnya atom pengotor karbon (C). Besar persentase atomik karbon bervariasi pada lapisan GaN:Mn dan tidak bergantung pada fraksi mol Mn/Ga larutan. Adanya pengotor karbon diduga menyebabkan sulitnya inkorporasi Mn ke dalam GaN dikarenakan atom Mn akan sulit menyisip ke dalam GaN apabila terdapat atom karbon. Hal ini sesuai dengan pola grafik pada gambar 1 yang tidak linier (tidak stokiometrik) di mana persentase atomik Mn padatan hasil deposisi jauh lebih kecil dari fraksi molar Mn/Ga larutan yang dibuat.
50
55
(8%) (6%) (4%)
20
25
30
35
40
45
60
2(°)
Gambar 2. Pola XRD lapisan tipis GaN:Mn dengan berbagai fraksi mol Mn/Ga. Struktur kristal wurtzite lapisan tipis GaN:Mn yang terbentuk diidentifikasi menggunakan JCPDS nomor 021078. Pada sampel 4% teramati dua puncak difraksi yang masing-masing mengindikasikan bidang SiO2 (112) dan GaN (1011). Pada sampel 6% teramati adanya puncak difraksi bidang GaN (1011) dan fase lain SiO2 (112), MnO2 (111), MnO2 (302), dan MnO2 (212). Pada sampel 8% teramati adanya puncak difraksi bidang GaN (1011) dan fase lain SiO2 (112). Pada sampel 10% teramati puncak difraksi bidang GaN (1010), GaN (0002), dan GaN (1012) serta puncak difraksi fase lain SiO2 (440) dan MnO2 (111). Dari Hasil uji XRD dihitung beberapa parameter mikrostruktur [12] seperti ditunjukkan tabel 2. Tabel 2. Nilai konstanta kisi dan regangan kisi lapisan tipis GaN:Mn dengan berbagai fraksi mol Mn/Ga. Fraksi mol Mn/Ga (%)
a (Å)
c (Å)
a
c
4 6 8
3,2560 3,2542 3,2621
5,2939 5,2911 5,3038
0,0210 0,0204 0,0229
0,0210 0,0204 0,0229
10
3,2077
5,1094
0,0059
-0,0146
Konstanta kisi
Strain atau stress ()
Nilai konstanta kisi pada masing-masing sampel lebih besar dibandingkan dengan nilai konstanta kisi dari referensi. Hasil ini menunjukkan bahwa terjadi regangan kisi pada semua sampel lapisan tipis GaN:Mn hasil deposisi. Nilai konstanta kisi semua sampel yang diperoleh bersesuaian dengan nilai konstanta kisi GaN dengan struktur wurtzite, sehingga dapat dikatakan bahwa lapisan tipis GaN:Mn yang terbentuk memiliki struktur wurtzite [11]. Hasil uji citra SEM morfologi permukaan dan citra 3D lapisan tipis GaN:Mn yang dideposisi di atas substrat Si (111) dengan berbagai fraksi mol Mn/Ga diperlihatkan pada gambar 3.
MT-48
0103: Heri Sutanto dkk.
(a)
yang paling homogen dibandingkan dengan lapisan tipis GaN:Mn dengan fraksi mol Mn/Ga yang lain. Sampel 4% memiliki ukuran bulir (grain size) terbesar yaitu 197,4 nm, sedangkan ukuran bulir terkecil yaitu pada sampel 8% dengan ukuran 167,9 nm. Tingkat kekasaran terkecil terjadi pada sampel 8% dan terbesar pada sampel 6%. Sampel 6% memiliki tingkat kekasaran yang besar namun memiliki keseragaman bulir yang paling baik diantara yang lainnya. Kehadiran unsur pengotor seperti karbon pada substrat akan memperlambat laju koalisi dan terjadi migrasi batas bulir, apabila pengotor hadir dan menutupi sebagian dari permukaan bebas bulir kristal maka akan menghasilkan suatu permukaan lapisan tipis yang morfologinya tersusun atas kubah-kubah (Sutanto, 2008).
IV. (b)
(c)
KESIMPULAN
Lapisan tipis GaN:Mn telah berhasil dideposisikan di atas substrat Si (111) menggunakan metode CSD teknik spin coating dengan variasi fraksi mol Mn/Ga sebesar 4%, 6%, 8%, dan 10%. Lapisan tipis hasil deposisi secara umum bersifat kekosongan nitrogen dan terdapat impuritas karbon. Persen atomik Mn dari lapisan tipis GaN:Mn hasil deposisi meningkat dengan kenaikan fraksi molar Mn/Ga larutan. Seluruh lapisan tipis GaN:Mn memiliki struktur wurtzite dan belum stokiometrik. Konstanta kisi a pada rentang 3,2077 Å – 3,2621 Å dan kisi c pada rentang 5,1094 Å – 5,3038 Å bervariasi terhadap persentase atomik Mn. Tingkat kekasaran permukaan lapisan tipis GaN:Mn sebesar 15,3 – 29,90 nm. Ukuran dan distribusi bulir yang homogen terbentuk pada lapisan tipis dengan fraksi mol Mn/Ga 6%.
UCAPAN TERIMA KASIH
(d) Gambar 3. Citra SEM morfologi permukaan dan citra 3D morfologi lapisan tipis GaN:Mn dengan berbagai fraksi mol Mn/Ga (a) 4%, (b) 6%, (c) 8%, dan (d) 10%. Gambar 3 (a), (c), dan (d) memperlihatkan lapisan tipis GaN:Mn dengan fraksi mol Mn/Ga sebesar 4%, 8%, dan 10% yang memiliki permukaan dengan keseragaman bulir rendah. Pada sampel 4% terlihat adanya permukaan substrat yang tidak tertutup lapisan serta lapisan tersusun dari sekumpulan butiran yang bentuknya berupa batang kecil karena pertumbuhan bulir yang belum sempurna seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran merah. Sampel 8% menunjukkan adanya aglomerasi di atas permukaan, dan sampel 10% memperlihatkan adanya retakan dan terbentuk pulau-pulau pada permukaan lapisan seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran merah. Lapisan tipis GaN:Mn dengan fraksi mol Mn/Ga sebesar 6% memiliki permukaan
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Pemerintah Republik Indonesia atas dukungan dana pada Program Penelitian Insentif Riset Dasar-KNRT Tahun 2012. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Ir. Wikanda atas bantuan analisis SEM-EDX, Dra. Mujamilah, M.Si atas bantuan analisis VSM, Yopi Hendrawan, ST atas analisis XRD, Isrina, S.Si, Nursidi, S.Si atas bantuan dalam sintesis dan pihak-pihak yang membantu dalam pelaksanaan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
[3] [4] [5]
Zorpette, G. (2001), The Quest of Spin Transistor, IEEE Spectrum, USA. Awschalom, D.D., Loss, D., dan Samarth, N. (Eds.) (2002): Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, Springer-Verlag Berlin, Germany. Chiolerio, Alessandro, 2009, Spintronic Devices, Polithechnic of Turin. Ohno, H, 1998, Making Nonmagnetic Semiconductors Ferromagnetic, Science: 951-956. Reed, M.L., Reed, M. J., Luen, M.O., Berkman, E.A., Arkun, F.E., Bedair, S.M., Zavada, J.M., danEl-Masry, N.A., 2005, Magnetic properties of Mn doped GaN and p-i-n junctions, Department of Electrical and
0103: Heri Sutanto dkk.
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11] [12]
Computer Engineering, North Carolina State University Raleigh. Liu, C., Yun, F., Morkoc, H., 2005, Ferromagnetism of ZnO and GaN: A Review, Department of Electrical Engineering and Physics Department, Virginia Commonwealth University. Mulyanti, Budi, 2007, Studi Penumbuhan GaN-Mn Di Atas Substrat Silikon dengan Metode Plasma Assisted Metal Organic Chemical Vapor Deposition, Fisika Material Elektronik ProgramStudi Fisika ITB, Bandung. Kikkawa, S., Ohtaki, S., Takeda, T., Yoshiasa, A., Sakurai, T., Miyamoto, Y., 2006, Manganese Doped Gallium Oxynitride Prepare by Nitridation of Citrate Precursor, Osaka University: Japan. Reed, M.L., 2003, Growth and characterization of Room Temperature Ferromagnetic Mn:GaN ang Mn:InGaN for Spintronic Applications, Disertasi Doktor, North Carolina State University, 37-40, 148. Sutanto, Heri, 2008, Penumbuhan Struktur Hetero AlxGa1-xN/GaN di Atas Substrat Substrat Si (111) dengan Metode Plasma Assisted Metalorganic Chemical Vapor Deposition (PA-MOCVD) dan Karakteristiknya, Disertasi Doktor, Institut Teknologi Bandung. Gil, Bernard., 1998, Group III Nitride Semiconductor Compounds, Clarendon Press, OXFORD: New York. Suryanarayana, C., Norton, M. G., 1998, X-Ray Diffraction: A Practical Approach, Plenum Press: New York and London.
MT-49
