ISSN0216-3128
Feri Adriyanto
69
INDENTIFIKASI PARAMETER-P ARAMETER YANG BERPENGARUH DALAM PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS ZNO DENGAN METODE MOCVD Feri Adriyanto Lab. Fisika Material,JurusanFisika UniversitasSebelasMaret,Jl. /r. SutamiNo. 36 A Kentingan Surakarta57/26, E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Dalam studi ini dilakukGm identifikasi parameter-parameter penumbuhan lapisan tipis 2nO. Dari analisis lajll penumbuhan terhadap tekanan diperoleh bahwa laju penumbuhan meningkat secara eksponensial. Ditemukan pula bahwa I~nergi aktivasi terbesar terjadi pada reaksi DE2 dengan H2O dengan komposisi massa pereaksi berturul-turut 20 sccm dan 40 sccm. Pengaruh laju precursor dipelajari melalui pengamatan rasio intensitas puncak ((110)/(002)) dan ((100/(002) terhadap jarak nozzle ke substrat. Diperoleh bahwa arah pE!numbuhankristal yang dominan berubah dari arah (002) menjadi (110). Selain itu diperoleh pula bahwa re.\"istivitas lapisan terkecil diperoleh sebesar 3.42 ohmlsqr pada ketebalan 4.47.urn. Hasil ini menunjukkan bahwa parameter-parameter penumbuhan lapisan tipis 2nO perlll diketahui untuk mendapatkan kualitas laf.,isan tipis yang baik dan beresistivitas rendah.
ABSTRACT The identification ofgrowth parameters ofzinc oxide thin films has been studied. From the analysis of effect growth rate on the total pressure. it was found that the growth rate increased exponentially with total pressure. It was also found that higher activation energy was reached at mass composition of DE2 and H]D of 20 sccm and 40 sccm, respectively. Effect of precursor rate with nozzle distance from substrate on the peak intensity ratio ((1/0)/(002)) and ((100)/(002) was studied. It was found that the reflection peak intensity changesfrom (002) to (110). The lower sheet resistivity of 3,42 ohmlsqr at 4.47.urn thick film. This result indicated that the growth parameters of2nD thin films should be knew to order to grow 2nD films with good quality and low resistivity.
PENDAHULUAN P
erkembangan elektronika sangat pesat clan menjadi tulang punggung dalam teknologi. Kemajuan yang sangat pesat ini diawali setelah ditemukannya komponen semikonduktor yang banyak memberikan sifat-sifat dalam membantu semua persoalan elektronika. Dengan ditemukal)nya semikonduktor maka komponen menjadi sangat ringan, sangat kompak clan persatuan luas mempunyai kepadatan rangkaian yang sangattinggi. Akhir-akhir ini, salah satu bahan yang banyak dikembangkan dalam teknologi elektronika clan opto-elektronika adalah lapisan tipis semikonduktor ZnO (zinc oxide). Berbagai metode penumbuhan lapisan tipis ZflO antara lain pulsed laser deposition (PLD), reactive sputtering, vacuum evaporation, spray pyrolysis clan metalorganic chemical vapor deposition (Solanki clan Collins, 1983). Kualitas lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan metode-metode PLD, reactive sputtering, vaclilim evaporation dan spray pyrolysis sering
-
tidak dapat menghasilkan lapisan tipis yang sesuai dengan keinginan, seperti uniformitas dari morfologi permukaannya, resistivitas dan temperatur penumbuhan yang tinggi, dan tidak terbentuknya permukaan yang bergerigi yang sangat diperlukan dalam aplikasi divais optoelektronik. Metode MOCVD dapat dijadikan salah satu teknik penumbuhan lapisan tipis ZnO. Metode ini mempunyai beberapa keuntungan antara lain
temperatur penumbuhan rendah, dapat mengendalikan struktur lapisan, uniformitas dan komposisi, dan mempunyai laju penumbuhan yang tinggi. Beberapa peneliti telah mencoba membuat model penumbuhan dan menumbuhkan lapisan tipis ZnO dengan menggunakan metode MOCVD, tetapi belum pernah menyelidiki parameter-parameter yang terlibat secara simultan dalam penumbuhan lapisan tipis ZnO. Oleh karena itu, dalam makalah ini akan dipaparkan mengenai keberhasilan penumbuhan lapisan tip is ZnO dan menyelidiki parameterparameter yang terlibat da\am penumbuhan.
Prosiding Pertemuan clan Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir .P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002
70
ISSN0216-3128
BAHAN DAN METOD]!:: Sebagai sumber atom Zn digunakan: gas metalorganik {C2HshZn (diethylzinc) Sedangkan pengoksidanya adalah gas H2O. Kedua gas tersebut ditempatkan dalam tempat yang dapat diatur tekanan clan temperatumya. SI~bagaigas pendorong digunakan gas argon (Ar) yang akan membawa gas DEZ clan H2O sampai ke kamar reaksi. Doping atom
boron dilaksanakan dengan menggunakangas diborane (B2H6). Bagan sistem penumbuhan lapisan tipis ZnO dalam penelitian ini menggunakan metode MOCVD di Laboratorium Riset Semikonduktor Jurusan Fisika ITB, sebagaimana terlihat dalam Gambar I. Lapisan tip is ZnO ditumbuhkan di atas gelas Coming 7059. Gas DEZ clan H2O dibawa oleh gas pembawa Ar, selanjutnya dialirkan melalui bubbler DEZ clan bubbler H2O, sehingga timbul gelembunggelembung dalam bubbler. Pe:ngendalianlaju aliran gas yang memasuki kamar r~;lksi dilakukan dengan mengatur temperatur bubbler clan laju aliran gas pembawa dari MFC (mass-jIol'" control). Bubbler DEZ clan H2O dipertahankan tel'!1peratumya pada 26 °C. Laju aliran gas pembawa
Gambar
Fer; Adr;yanto
untuk bubbler H2O divariasikan dari 10 sccm sampai dengan 50 sccm. Demikian pula tekanan total dan temperatur substrat dalam kamar reaksi berturut-turut divariasikan mulai 10-2-10 torr dan mulai 700 -160 °C. Sedangkan tekanan sistem dikendalikan pada nilai 760 torr. Teknik karakterisasi yang digunakan berturut-turut adalah pengukuran ketebalan, orientasi kristal dan resistivitas lapisan. Pengukuran ketebalan lapisan tip is ZnO dilakukan dengan metode langsung menggunakan alat pengukur Stylu.s Dektak Profilo-metry yang ada di jurusan Fisika ITB. Informasi ketebalan diperlukan untuk mengetahui laju penumbuhan lapisan tipis. Pengukuran orientasi kristal dilakukan dengan menggunakan alat X-ray Diffractometer (XRD). Informasi yang diperoleh berupa arah orientasi kristal. Pengukuran sifat optik yang dilakukan adalah pengukuran transmitansi dengan menggunakan alat double-beam monochromator di jurusan Kimia ITB. Sedangkan pengukuran resistivitas lapisan meng-gunakan alat pengukur ohmmeter.
I. Sistem reaktor MOCVD.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM.BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
FeriAdriyanto
ISSN 0216 -3128
HASIL DAN PEMBAHASAN Lapisan tipis ZoO dit:umbuhkanpada .berbagai tekanantotal. Gambar:~ memperlihatkanlaju penumbuhan lapisan tipis ZoO sebagai fungsi tekanantotal. Dari Gambar 2 terlihalt bahwa laju penumbuhan bertambah sejalan dengan kenaikan tekanan total reaksi dan sampai pacta tekanan 1 torr, laju penumbuhan lapisan tipis 2:nO mulai menurnn. Hasil ini menunjukkan bahW2lpacta tekanan rendah peluang molekul-molekul bertumbukkan kecil, sehingga penumbuhan lapisan tipis ZnO dibatasi oleh kinetika kimia dan dekomposisi precursor. Sedangkan pacta tekanan tinggi, molekulmolekul mudah bertumbuklcan sehingga terjadi transfer energi antar molekul. Akibatnya molekulmolekul reaktif mendapat enc~rgiuntuk melakukan reaksi kimia. Bila tekanannya terns dinaikkan maka kemungkinan acta gas lain. yang ikut bereaksi
71
sebagai basil sampingan dari reaksi homogen, sehingga ter:iadi reaksi yang tidak sempuma antara gas pembentuk lapisan tipis. Diethylzinc, (C2HshZn merupakan suatu paduan yang mempunyai elektron yang tidak
sempuma dengan kekosongan dua orbitalnya. Kehadiran orbital kosong ini menjelaskan reaktivitas kimia yang kuat. Bila DEZ dan H2O direaksikan, maka reaksi kimia yang terjadi pada rase pertama membentuk precursor Zn(OHh dan selanjutnya terdekomposisi pada substrat yang dipanaskan (Wilson W Wenas, 1996) menurut reaksi sebagai berikut : (C2H,shZn + 2H2O -7 Zn (OH)2 + 2C2H, Zn(OH)2 -7 ZoO + H2O Oleh karena itu, untuk melihat pengaruh precursor Zn(OH)2 terhadap penumbuhan lapisan tipis ZnO dapat diamati melalui grafik pada Gambar 3.
!
--. ~
;:
.; .c e :J c
-.I
~
= "5
Gambar 2. J~ajupenumbuhan lapisan tipis ZnO sebagaifungsi lekanan lola
o.~
O.OO~
0.012
0.014
Gambar 3. Grafik Ln (Laju Penumbuhan) terhadap lIT sub pada Tekanan Total I torr dan Laju Aliran DEZ 20 sccm.
Prosiding Pertemuan dan Presentasillmiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
72
ISSN 0216 -3128
Feri Adriyallto --
Gambar 3 memperlihatkan grafik In (Iogaritma natural) dari laju penumbuhan sebagai fungsi I/Tsub untuk berbagai macam laju aliran H2O dari mulai 10 sccm sampai dengan 50 sccm pada laju aliran DEZ sebesar 20 sccro.. Terlihat dari grafik tersebut, untuk F(H2O) = 40 sccm F(DEZ) = 20 sccm dan tekanan total I torr mempunyai kemiringan grafik yang paling; kecil. Hal ini berarti pada nilai tersebut energi aktivasi pada reaksi DEZ dengan H2O adalah yang terbesar, Dengan demikian pada keadaan ini DEZ dan H2O sangat reaktif, sehingga akan mudah diperoleh precursor Zn(OH)2' (Adriyanto dkk, 2002). Dengan demikian jelas'lah bahwa keberadaan precursor Zn(OH)2 sangat penting peranannya dalam menentukan proses per1:umbuhanIapisantipis ZnO. Precursor akan reaktif hila kondisi Iaju aliran gas pembawa DEZ dan H2O' optimum, Untuk itu diamati pula variasi pengaruh jarak nozzle ke substrat terhadap arab penumbuhan kristal yang diamati melalui grafik rasio intensitas puncak «110)/(002)) daD «100)/(002:) terhadapjarak nozzle sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4. Terlihat dari Gambar 4 bahwa terjadi perubahan orientasi kristal mulai jarak 1,2 cm dengan arah penumbuhan kristal y~mg dominan berubah
1.2
dari arah (002) menjadi (110). Hal ini disebabkan pada jarak yang lebih dekat dengan substrat, transport DEZ yang paling dominan dalam
menentukanproses awal penumbuhan.Sedangkan pada jarak yang lebih jauh, peran DEZ dalam proses awal penumbuhan kurang kuat. Lapisan tipis ZnO yang tidak didoping biasanya tidak stabil secara termal sebagai akibat dari adanya kekosongan oksigen daD atau kelebihan zinc yang akan menghasilkan keadaan donor. Oleh karena itu, untuk mendapatkan lapisan tipis yang stabil secara termal daD mempunyai resistivitas yang rendah, perlu dilakukan doping. Dalam penelitian ini telah dilakukan doping menggunakan gas diborane (B2H6). Gambar 5 menunjukkan resistivitas lapisan dari lapisan tip is ZnO sebagai fungsi laju B2H6. Terlihat bahwa resistivitas lapisan dari ZnO berkurang sejalan dengan kenaikan laju B2H6 dan resistivitas terkecil diperoleh sebesar 3,42 ohm/sqr pada laju aliran B2H6 sebesar0,5 sccm. Akan tetapi pada laju aliran B2H6 sebesar 0,7 sccm, resistivitas lapisan mulai naik. Hal ini sebagai akibat efek hamburan impuritas dalam lapisan tipis ZnO yang di doping dengan konsentrasi tinggi (Schubert, 1993).
1.3
1.4
l.S
1.6
Jar~k Nozzl~ Thrh~d2r' Sub.-frat (em) Gambar 4. Ras;o/ntens;tasPuncakSebago;Fungs;Jarak Nozzle.
Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Fer; Adriyallto
ISSN 0216-3128
73
"='"'
6-
~ ~ ,c:I
i~
-a. ~ !
-'" ~
.~
--= ~ -;;
to'
~
0
0.2
{J.4
0.6
0.8
Laju AJinm Bl~ (Sc.cnl) o.
Gambar 5. Resistivitas Lapisan dari Lapisan Tipis ZnO sebagai Fungsi Laju A/iran B2H6o
KESIMPULAN Telah berhasil ditumb,uhkan lapisan tipis ZnO dengan metode MOCVD dan menyelidiki para-mater-parameter penumbuhan.. Parameterpara-meter yang berpengaruh dalam penumbuhan lapisan tipis semikonduktor melalui metode MOCYD antara lain tekanan total, temperatur penumbuhan, precursor, jarak nozzle ke substrat dan penambahan atom doping. Gleh karena itu, untuk mendapatkan kualitas lapisan tipis yang baik dan beresistivitas rendah maka parameter-parameter penumbuhan lapisan tipis Z:nO perlu diketahui terlebih dahulu.
UCAP AN TERIMA KA:SIH Peneliti menyampaikan terima kasih atas terselenggaranya riset ini melalui proyek Domestic Collaborative Research Grant (DCRG) 2000 yang berada di bawah Program UF..GE batch V dengan kontrak No 0 19/DCRG/URGE/2000. Terima kasih pula disampaikan pada bapalc Wilson W Wenas, M.Eng, Ph.D di Laboratorium Riset Semikonduktor
ITB yang telah memberikan bimbingan proyek ini.
dalam
DAFTARPUSTAKA I.
ADRlY ANTO F. dkk., 2002, Pengaruh Kompo-sisi Massa Pereaksi II -VI Terhadap Struktur Kristal don Ukuran Butir Lapisan Tipis ZnO yang Ditumbuhkan dengan Metode. MOCVD, Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya 2002, Jurusan Fisika ITS Surabaya, 24 -25 April 2002.
2.
SCHUBERT, E.F, 1993, Doping in III-V Semiconductors, Cambridge University Press, Cambridge. Rand G.J. COLLINS, 1983, Laser 3 .SOLANKI, Induced Deposition of Zinc Oxide, Applied Physics Letter, 42(8), pp. 662-665.
4c.
WILSON W WEN AS, 1996, ..~tudy of Transparent Conducting ZnO Grown by Metalorganic Chemical Vapor Dep°,\'ition and Its Applications to Amorphous Silicon Solar Ce//s, Dissertation of Doctor Engineering,Tokyo Institute of Technology, Tokyo.
Prosiding Pertemuan d.ln Presentasi Itmiah Penelitlan Dasar Itmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
