PENUMBUHAN FILM TIPIS Galium Nitrida (GaN) DENGAN METODE SOLSOL-GEL DAN APLIKASINYA PADA FOTODETEKTOR ULTRAVIOLET (UV) Usulan penelitian Hibah Pekerti Oleh : Yuyu R. Tayubi, dkk
Jurusan Pendidikan Fisika FPMIPA UPI 2005
Motivasi--1 Motivasi
Mandat penyelenggaraan program fisika murni di institusi kami
Berdasarkan kualifikasi kepakaran staf pengajar di institusi kami
dikembangkan KBK : Fisika bumi, fisika material, dan fisika instrumentasi
Perlu penyusunan : Struktur kurikulum
Perlu pengembangan : Lab riset
Motivasi--2 Motivasi KBK Fisika material
bidang material superkonduktor
bidang material semikonduktor
Semikonduktor paduan III-V, Keramik, oksida, dll
bidang material optik
Motivasi--3 Motivasi Kendala dalam pengembangan lab dan penyelenggaraan riset bidang ini
Program riset yang belum jelas
Fasilitas riset terbatas
Perlu : Mitra pembina yang sarat dengan pengalaman, memiliki fasilitas lab lengkap, dan program riset yang baik Sebagai tempat kegiatan magang
Para personil belum berpengalaman
Motivasi--4 Motivasi
Untuk kepentingan itu, telah dirancang suatu kegiatan penelitian kerjasama yang lebih bersifat pada pembinaan dan diusulkan ke proyek : HIBAH PEKERTI
TPP : Tim dosen fisika material jurusan fisika UPI
TPM : Tim dosen Lab Fismatel Dept. Fisika ITB
Target/Sasaran dari kerjasama penelitian
Personel TPP mendapat pengalaman dalam mendisain dan mengembangkan peralatan eksperimen Personel TPP mendapatkan pengalaman eksperimen rekayasa bahan dan karakterisasinya Personel TPP mendapatkan pengalaman dalam memfabrikasi dan mengkarakterisasi divais semikonduktor
Alasan pemilihan Lab Fismatel ITB sebagai TPM
Memiliki pengalaman luas dalam pengembangan berbagai fasilitas lab
Para personilnya berpengalaman dalam merancang dan melaksanakan berbagai riset bertaraf nasional maupun internasional (RUT, HIBAH PASCA, RISTEK, TORAY, dll)
Memiliki peralatan lengkap dan siap pakai untuk kepentingan riset bidang semikonduktor
Para personilnya berpengalaman dalam mempublikasikan hasil riset baik dalam bentuk jurnal nasional dan internasional maupun konference
Institusi terletak TPM satu kota dengan institusi TPP
Mekanisme pelaksanaan kerja sama Bentuk kerjasama TPM dan TPP - TPM memberikan pelatihan dalam rancang bangun peralatan laboratorium. - TPM memberikan pelatihan tentang penggunaan berbagai peralatan lab, terutama yang akan digunakan dalam proses penelitian. - TPM memberikan arahan dan pelatihan tentang strategi serta step-step pelaksanaan penelitian, agar prosesnya dapat berjalan efektif, efisien, dan berhasil guna. - Dibawah pengawasan TPM, TPP melakukan keseluruhan proses penelitian sesuai dengan yang diprogramkan. - Kerjasama dalam penggunaan berbagai fasilitas yang berada di masingmasing lab. TPP dan TPM. - Kerjasama dalam publikasi ilmiah
Hak dan kewajiban TPM dan TPP dalam pelaksanaan penelitian - TPM bertanggung jawab membina dan mengarahkan TPP dalam melaksanakan keseluruhan program penelitian - TPP bertanggung jawab untuk melakukan keseluruhan program penelitian yang telah direncanakan dengan sebaik mungkin dibawah arahan TPM. - TPM berhak menggunakan berbagai fasilitas penelitian yang berada di lab. TPP - TPP berhak mendapatkan keleluasaan waktu untuk berkonsultasi dan menggunakan berbagai fasilitas penelitian yang ada di lab. TPM. - TPP dan TPM berhak diikutsertakan dalam publikasi ilmiah
Substansi Penelitian Lingkup penelitian Sesuai dengan target/sasaran penelitian yang ditetapkan, maka lingkup penelitian yang direncanakan meliputi :
Pengembangan alat (spin-coater)
Rekayasa bahan (optimasi penumbuhan film GaN)
Fabrikasi divais fotodetektor UV
Hasil penelitian yang diharapkan
Produk materi
Alat spiner untuk penumbuhan lapisan tipis semikonduktor Prototipe fototektor UV yang memiliki tingkat detektivitas dan responsivitas yang baik Artikel-artikel publikasi ilmiah Terbentuknya suatu lab riset di institusi TPP
Produk non materi
Peningkatan skil anggota TPP dalam merancang, dan melaksanakan penelitian, termasuk di dalamnya pengembangan dan pemeliharaan peralatan, serta mempublikasikan hasilnya Terjalin kerjasama dengan institusi TPM yang berkelanjutan dalam penyelenggaraan riset bidang semikonduktor.
Mengapa detektor UV ???
Monitoring sinar UV matahari
Pendeteksi plumes dari persenjataan militer
Detektor UV Sistem pendeteksi kebakaran Komponen sistem komunikasi ruang angkasa
Komponen sistem peralatan navigasi penerbangan
Contoh aplikasi detektor UV untuk pendetksi kebakaran (api)
Mengapa material GaN ??? Material semikonduktor untuk fotodetektor UV
Baru : Galium nitrida (GaN) dan paduannya
Konvensional : Silikon Karbida (SiC)
SiC memiliki celah pita energi 2,9 eV, masih dibawah energi spektrum ultraviolet, sehingga fotodetektor yang dibuat kurang peka thd gel UV
GaN memiliki celah pita energi 3,4 eV, tepat pada spektrum UV sehingga fotodetektor yang dibuat akan peka terhadap gel. ultraviolet
SiC memiliki struktur celah pita energi dengan transisi tak langsung (indirect bandgap) sehingga efisiensi kuantum dari fotodetektor yang dibuat tidak terlalu tinggi
GaN memiliki struktur celah pita energi dengan transisi langsung (direct bandgap) sehingga fotodetektor yg dibuat akan memiliki efisiensi kuantum tinggi
SiC memiliki kestabilan termal, mekanik dan kimiawi yang kurang baik
Dari SiC Bergeser ke GaN
GaN memiliki kestabilan termal, mekanik dan kimiawi yang baik
Mengapa Struktur MM-S-M ???
Memiliki dark current yang rendah, sehingga efisiensinya tinggi Memiliki kecepatan tinggi (high speed), sehingga responsivitasnya tinggi Memiliki noise rendah, sehingga sensitivitasnya tinggi Mudah memfabrikasinya (bahkan dengan teknik penumbuhan sederhana karena strukturnya hanya berupa satu lapis bahan semikonduktor yang dilapisi metal)
Diagram skematik fotodetektor UV berstruktur M-S-M (Au/GaN/Au) planar Kontak metal (Au)
Lapisan GaN
Pola kontak metal
Substrat Au
Tampak samping
Lapisan GaN
Tampak atas
Mengapa Metode SolSol-Gel (Spin (Spin--Coating) ??? Kostruksi peralatan sederhana Biaya operasional relatif murah Dengan penanganan yang baik berpotensi untuk dihasilkan film tipis GaN dengan kualitas cukup baik (Menguntungkan dari segi ekonomis) Kelemahan : Kualitas film yang dihasilkan masih lebih rendah dari film yang ditumbuhkan dengan metode modern seperti MBE dan MOCVD Sukar digunakan untuk penumbuhan struktur multi lapisan
Meskipun tergolong baru, keberhasilan penumbuahan GaN dengan metode sol-gel tidak diragukan lagi, sehubungan dengan adanya beberapa publikasi yang melaporkan keberhasilan penumbuhan GaN dengan metode ini, seperti : -A. R. Raju, dkk (2001), menggunakan teknik nebulized spray pyrolysis -H. Parala, dkk (2001), menggunakan teknik chemical solution deposition -K. Sardar, dkk (2003), menggunakan teknik spin-coating
Disain penelitian Tahap I (tahun 1) : 1. Pengembangan alat spiner untuk lab TPP Rancangan alat spiner yang akan dikembangkan
Fokus pengembangan pada sistem pengontrol laju putaran dan sistem vakum
2. Studi awal penumbuhan lapisan GaN : Fokus pada studi Gel Penggunaan alat spiner ini nantinya dapat diperluas untuk penumbuhan lapisan tipis bahan semikonduktor keramik, semikonduktor oksida, serta bahan-bahan polimer
Tahap II (tahun 2) : Optimasi kondisi dan parameter penumbuhan laisan tipis GaN
pipet Gel
Substrat
Lapisan film diatas substrat
ω
MOTOR
Deposisi pada tungku pemanas
Fokus penelitian : optimasi molaritas gel, laju rotasi spiner, dan temperatur deposisi
Tahap III (tahun 3) : Fabrikasi prototipe fotodetektor UV dengan struktur M-S-M Film tipis GaN Substrat Metal Resis positip Metal SINAR ULTRAVIOLET Masker foto Resis Positip Metal Film GaN Substrat Development Resis sisa
Metal
ETCHING Resis sisa
Metal
Metal
Stripping Sensor UV struktur MSM
Fokus penelitian : optimasi ukuran finger kontak metal
Indikator keberhasilan penelitian Dihasilkan alat spiner otomatis yang memiliki laju spiner cukup tinggi Dihasilkan prosedur penumbuhan lapisan GaN dengan metode spin-coating yang menghasilkan film berkualitas baik Dihasilkan prototipe fotodetektor UV berstruktur M-S-M yang memiliki karakteristik baik Dihasilkanl publikasi ilmiah tingkat nasional atau bahkan internasional Peningkatan skil personil TPP dalam hal merancang dan melakukan riset serta mempublikasikan hasilnya Terwujudnya lab riset bidang semikonduktor di institusi TPP Terjalinnya kerjasama riset yang berkelanjutan dengan TPM
Hal-hal yang dipandang dapat menjamin Halketerlaksanaan penelitian 1. Motivasi yang tinggi dari Tim Peneliti Pengusul (TPP) untuk mendapatkan pengetahuan dan keterampilan dalam hal merancang dan melaksanakan riset berskala nasional serta mempublikasikannya, 2. Komitmen TPM untuk membantu sepenuhnya proses pelaksanaan penelitian yang direncanakan dan membina pengembangan Lab. TPP 3. Pengalaman dan Track record TPM yang mumpuni dalam bidang yang diteliti, 4. Peralatan yang cukup lengkap di Lab. TPM baik paralatan untuk pembuatan sampel maupun untuk karakterisasinya, 5. Beberapa peralatan utama di Lab. TPP.
Pengalaman penelitian Ketua TPM No
Institusi
Jabatan
Judul Riset
Periode
1
Indonesia Toray Science Foundation
Principal Investigator
Electrical Properties of GaSb
1997
2
Macquarie University,
Visiting Research
Involved in research on antimonide semiconductor system and low temperature grown GaAs
June-August 1998
3
RUT VI
Peneliti Utama
Semikonduktor Paduan GaSb dan Alloynya untuk Detektor Foton berkecepatan Tinggi Berderau rendah
1997-2000
4
Centre Grant Programe
Researcher
Growth and Characterization of Nitride, Antimonide, and Oxide thin Film
1997-2000
5
Proyek Penelitian Hibah Pasca (HTPP)
Ketua peneliti
Penumbuhan Struktur Hetero dan Quantum Well (QW) GaAsSb/GaAs dengan MOCVD
2003-2005
6
RUT X
peneliti
Pembuatan LED dari GaN dan paduannya
2002-2004
7
RUT XI
Ketua peneliti
AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistor (FET)
2005-2008
Publikasi ilmiah ketua TPM yang relavan No.
Karya Ilmiah
1
P. Arifin, T.L. Tensley, and E.M. Goldys, Conduction Mechanism in a Metal-Insulator-Semiconductor Structure with a Low Temperature GaAs Insulating Layer, Solid State Electronic, 41, 1075 (1997)
2
P. Arifin, M. Barmawi, R. A. Sani, Gallium Nitride Based Devices, NEDO-BPPT International Electronic and Information Technology Seminar, Jakarta (1998)
3
Sugianto, R. A. Sani, P. Arifin, M. Budiman, M. Barmawi, Growth of GaN film on a-plane sapphire substrate by plasma assisted MOCVD, J. Crystal Growth, Vol. 221, p.311 (2000)
4
P. Arifin, Sugianto, E. Suprianto, N. Wendri, H. Sutanto, M. Budiman, and M. Barmawi, Growth of AlGaN by Plasma Assisted MOCVD, Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices, Sydney, Australia, 11-13 December (2002)
5
M. Budiman, H. Sutanto, Sugianto, E. Supriyanto, P. Arifin, M. Barmawi, Au/n-GaN Schottky Diode Grown on Si(111) by Plasma Assisted MOCVD, Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices, Sydney, Australia, 11-13 December (2002)
6
M. R. Hashim, S. A. Oh, S. S. Ng, Z. Hassan, K. Ibrahim, A. Abdul Aziz, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman, P. Arifin, Optical properties of GaN on Si substrate using plasma assisted MOCVD technique in the infrared and visible regions, International Meeting on Applied Physics 2003 (APHYS 2003), Spain 15-18 October (2003)
7
F. K. Yam, Z. Hassan, K. Ibrahim, A. Abdul Aziz, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman, P. Arifin, Properties of GaN epilayers grown on sapphire by plasma anhanced metalorganic chemical vapor deposition, International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2003 and IUMRS-ICA 2003, Singapore 7-12 December (2003)
8
Y. C. Lee, Z. Hassan, F. K. Yam, M. J. Abdullah, K. Ibrahim, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman, P. Arifin, A comparative study of the electrical characteristics of metal-semiconductor-metal (MSM) photodiodes based on GaN grown on silicon, International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2003 and IUMRS-ICA 2003, Singapore 7-12 Dec. (2003)
Peralatan di Lab. TPP dan TPM yang diperlukan untuk penelitian A. Peralatan yang tersedia di lab. TPP : 1. Seperangkat alat spiner sederhana 2. Seperangkat sistem karakterisasi X-ray diffractometer (XRD) 3. Hot-plate (pemanas 0-300oC) 4. Peralatan untuk preparasi gel dan substrat B. Peralatan yang tersedia di lab. TPM : 1. Sistem peralatan untuk preparasi substrat dan Gel 2. Berbagai perangkat metode penumbuhan lapisan tipis seperti MOCVD, PECVD, PLAD, Sputtering, dan Spiner
3. Programable furnace (tungku pemanas) ~ 120oC 4. Sistem peralatan untuk metalisasi (Evaporator) 5. Berbagai sistem peralatan karakterisasi sifat fisis film tipis semikonduktor, seperti : sistem pengukuran sifat listrik; efek Hall, I-V, C-V, sistem pengukuran sifat optik; photoluminiscence (PL) dan Dektak II-A 6. Sistem pengukuran detektivitas dan responsivitas fotodetektor. Peralatan lainnya seperti : alat litografi, SEM dan UV-Vis spektroskopy tersedia pada lab-lab lain di lingkungan ITB
Potret peralatan untuk penumbuhan film dan fabrikasi divais yang tersedia di lab TPM
Ultrasonic Bath (alat pencuci substrat)
Pengontrol laju rotasi spiner
rotor
Millipore (penghasil deionized-water)
Sistem vakum Alat Spiner (metode spin-coating)
Tungku pemanas yang dapat diprogram (~ 1200oC)
Evaporator (alat untuk pelapisan metal)
Potret peralatan karakterisasi film dan divais yang tersedia di lab TPM
Dektak IIA (Sistem pengukuran ketebalan film)
Photoluminiscence (Sistem Pengukur sifat optik film)
Sistem pengukuran efek Hall Van der Pauw
SEM (Sistem pencitraan morfologi film)
Sistem pengukuran karakteristik I-V film
Sistem pengukuran tingkat responsivitas detektor
Potret peralatan yang diperlukan yang tersedia di lab TPP
Spinner sederhana
Hot-plate 0-300oC
Sistem peralatan XRD
Terlaksananya program penelitian ini akan merupakan titik tolak dari pelaksanaan program kerjasama kemitraan dalam rangka pengemabangan program riset dan lab riset di institusi TPP
SEKIAN
