J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No. 3 , Hal.: 149 - 153 ISSN 0853-733X
PENGARUH KETEBALAN LAPISAN PENYANGGA TERHADAP KUALITAS FILM TIPIS GaN Erzam S. Hasan1, A. Subagio2, Sugianto3, M. Budiman4, Sukirno4, M. Barmawi4 1Jurusan
Fisika FMIPA Unhalu Fisika FMIPA Undip 3Jurusan Fisika Univ. Negeri Semarang 4Program Studi Fisika ITB 2 Jurusan
Diterima 6 September 2006, perbaikan 30 Januari 2007, disetujui untuk diterbitkan 1 Februari 2007
ABSTRACT The effect of the buffer layer thickness on GaN film which was grown by plasma-assisted metalorganic chemical vapor deposition (PA-MOCVD)technique have been investigated. The buffer layer thickness were varied from 0 to 400 Ǻ. The −
−
GaN film grown without buffer layer has a mixture of crystallites oriented along (0002), (10 1 1), and (11 2 0), and the films with buffer layer tend to have a single orientation (0002). The buffer layer improved the crystalline quality, morphology, and Hall mobility of films. The optimum conditios of GaN films were taken on the GaN buffer layer thickness of 260 Ǻ. Keywords: Gallium nitride, Plasma-assisted MOCVD, crystal quality, morphology, Hall mobility
1. PENDAHULUAN Galium nitrida (GaN) merupakan bahan semikonduktor III/V yang memiliki celah pita langsung (direct band gap), dengan lebar celah pitanya sekitar 3,4 eV pada temperatur ruang. GaN dan paduannya secara khusus menarik perhatian para peneliti karena memiliki rentang celah pita energi yang sangat lebar yakni antara 1,9 eV – 6,2 eV yang tidak diperoleh pada kombinasi bahan semikonduktor lainnya1,2). Banyak usaha yang telah dilakukan di tahun 1960 dan 1970-an yang memberi kontribusi terhadap penelitian GaN, akan tetapi hasil yang diperoleh memiliki kualitas kristal yang jelek, yang tanpa doping menunjukkan tipen dengan konsentrasi pembawa (elektron) yang cukup tinggi3). Kebanyakan laporan penelitian mengindikasikan bahwa film tipis GaN yang ditumbuhkan tanpa diberi impuritas sudah bertipe-n yang disebabkan oleh kekosongan nitrogen. Pada umumnya cacat struktur film tipis GaN kurang dipahami dan sangat sulit untuk mengontrolnya secara eksperimen, sehingga menyebabkan kesulitan doping tipe-p bahan ini4). Hingga saat ini kualitas lapisan epitaksi film tipis GaN masih terus dikembangkan untuk digunakan pada pembuatan berbagai macam divais elektronik dan optoelektronik seperti MESFET (metal-semikonductor fiel effect transistor), MODFET (modulation FET), LED (light emitting diode), laser dioda dan lain-lain5). Biasanya film tipis GaN ditumbuhkan di atas substrat sapphire (Al2O3). Namun disebabkan oleh besarnya
2006 FMIPA Universitas Lampung
ketidakcocokan kisi dan perbedaan koefisien ekspansi termal antara GaN dan Sapphire, menyebabkan kesulitan dalam penumbuhan film tipis GaN epitaksi berkualitas tinggi. Beberapa peneliti melaporkan bahwa kualitas lapisan epitaksi GaN sangat sensitive terhadap penumbuhan lapisan penyangga (buffer layer)6,7). Berbagai lapisan penyangga telah digunakan seperti AlN, ZnO, InN, dan GaN. Dari data hasil penelitian menunjukkan bahwa AlN dan GaN adalah lapisan penyangga yang efektif dibanding yang lain dan dalam berbagai kasus terdapat ketebalan optimum dari masing-masing bahan tersebut3).
2. METODE PENELITIAN Dalam eksperimen yang dilakukan, material GaN ditumbuhkan dalam bentuk film tipis di atas substrat sapphire. Proses penumbuhan tersebut dilakukan dalam sistem reaktor PA-MOCVD (Plasma Assisted Metal Organic Chemical Vapor Deposition) dengan pembangkit plasma gelombang mikro pada frekuensi 2,45 GHz. Gas nitrogen (N2) dan uap Trimetilgalium (Ga(CH3)3) digunakan sebagai gas sumber dengan laju aliran gas dan tekanan reaktor (chamber) masingmasing dipertahankan tetap pada 90 sccm, 0,1 sccm dan 0,5 torr. Temperatur substrat pada penumbuhan lapisan penyangga dan film juga dibuat tetap yakni 450ºC dan 650ºC. Parameter penumbuhan yang divariasi adalah ketebalan lapisan penyangga antara 0 sampai 400 Ǻ. Gambar 1 memperlihatkan bagan reaktor MOCVD berbantuan plasma yang digunakan dalam penelitian ini.
149
Erzam S. Hasan, dkk…Pengaruh Ketebalan Lapisan Penyangga
Gambar 1. Bagan Reaktor PA-MOCVD Substrat sapphire dilekatkan dengan pasta perak pada permukaan holder dan diletakkan di atas heater dalam reaktor MOCVD. Kemudian setelah reaktor divakumkan dilakukan proses thermal cleaning yang dilanjutkan dengan penumbuhan lapisan penyangga dengan variasi waktu antara empat menit sampai dua belas menit pada temperatur 450ºC. Kemudian temperatur substrat dinaikkan sampai 650ºC dimana pada temperatur ini penumbuhan film tipis GaN dilakukan selama 2 jam. Film tipis yang dihasilkan selanjutnya dikarakterisasi, yang meliputi pengukuran ketebalan film menggunakan alat Profilometer Dektak IIA, pengukuran spectrum XRD (X-ray diffraction) untuk mengidentifikasi struktur kristal film, pengukuran konduktivitas, mobilitas dan konsentarsi pembawa mayoritas (electron/hole) menggunakan prinsip efek Hall yang diaplikasikan dalam metoda van der Paw. Disamping itu juga dilakukan analisis morfologi permukaan film menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy).
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Lapisan penyangga sangat berperan dalam memperbaiki kualitas film tipis yang ditumbuhkan di atas substrat, khususnya bila konstanta kisi dan koefisien termal antara film dan substrat memiliki perbedaan yang
cukup besar. Dalam penelitian ini film tipis GaN ditumbuhkan di atas substrat sapphire dimana diantara keduanya terdapat perbedaan konstanta kisi yang cukup besar yakni sekitar 16%. Oleh karena itu sebelum film tipis GaN ditumbuhkan, maka terlebih dahulu dilakukan penumbuhan lapisan penyangga GaN dengan ketebalan yang bervariasi sebagai studi utama dalam penelitian ini. Tabel 1 memperlihatkan hasil pengukuran efek Hall dari film tipis GaN yang ditumbuhkan dengan ketebalan lapisan penyangga yang bervariasi. Nampak bahwa pada sampel A yakni film GaN yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga memiliki mobilitas yang paling kecil (6,0 cm2/Vs), sedangkan untuk film yang ditumbuhkan dengan menggunakan lapisan penyangga 130 Ǻ, 260 Ǻ, dan 400 Ǻ, secara berturut-turut memiliki nilai mobilitas 10,2, 29,0, dan 27,6 cm2/Vs. Mobilitas pembawa muatan mayoritas dari suatu bahan semikonduktor terkait erat dengan kualitas kristal dari bahan tersebut. Nilai mobilitas yang rendah dari film tipis GaN yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga disebabkan oleh kualitas struktur kristalnya yang masih jelek akibat dari adanya perbedaan konstanta kisi yang cukup besar antara GaN dan substrat sapphire.
Tabel 1. Hasil pengukuran Efek Hall dari film tipis GaN Sampel
A B C D
150
Tebal Lapisan Penyangga (Ǻ) Tanpa lapisan penyangga 130 260 400
Resistivitas (Ohm.cm)
Mobilitas (cm2/Vs)
Konsentrasi pembawa (cm-3)
4,6 x 10-2 7,0 x 10-2 4,4 x 10-3 2,1 x 10-3
6,0 10,2 29,0 27,6
2,4 x 1019 8,7 x 1018 4,8 x 1019 1,1 x 1020
2006 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No. 3
Gambar 2. Pola difraksi sinar-x dari film tipis GaN dengan variasi ketebalan lapisan penyangga: (A) tanpa lapisan penyangga, (B) 130 Å, (C) 260 Å, dan (D) 400 Å.
Gambar 3. FWHM dari GaN-(0002) dan mobilitas Hall sebagai fungsi dari ketebalan lapisan penyangga Gambar 2 memperlihatkan pola XRD dari film tipis GaN yang ditumbuhkan dengan lapisan penyangga dan tanpa lapisan penyangga. Dalam gambar tersebut nampak adanya puncak-puncak kristal GaN pada sudut 2 theta: 32,4°, 34,6°,36,7°, dan 57,6° yang menunjukkan adanya struktur GaN heksagonal dengan orientasi berturut-turut adalah (10Ī0), (0002), (10Ī1), dan (1120).Tampak pada sampel yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga (sampel A) tumbuh kristal dengan orientasi (0002), (10Ī1), dan (1120) dengan GaN (0002) memiliki intensitas yang lebih tinggi dibanding arah kristal yang lain. Sedangkan bila film GaN ditumbuhkan dengan lapisan penyangga 130 Å (sampel B), puncak (1120) sudah tidak nampak dan intensitas dari puncak (0002)-nya 10 kali lebih tinggi dibanding puncak (0002) dari sampel A. Hal ini menunjukkan bahwa pemberian lapisan penyangga GaN diantara film tipis GaN dan substrat telah memberikan perbaikan terhadap pola struktur kristal film. Ketika ketebalan lapisan penyangga dinaikkan menjadi 260 Å (sampel C), pertumbuhan film tipis GaN cenderung mengarah pada pembentukan kristal tunggal (0002). Sedangkan penambahan ketebalan lapisan penyangga hingga 400 Å menyebabkan film berstruktur polikristal. Hal ini
2006 FMIPA Universitas Lampung
menunjukkan bahwa ketebalan lapisan penyangga GaN sangat berpengaruh terhadap pola struktur kristal yang dihasilkan dalam suatu proses penumbuhan film tipis GaN dan memiliki nilai optimal tertentu untuk menghasilkan struktur kristal dengan kualitas yang optimal, yang mana dalam penelitian ini pola struktur kristal tunggal diperoleh pada ketebalan lapisan penyangga 260 Å. Gambar 3 memperlihatkan grafik FWHM (Full Width at Half Maximum) dari GaN (0002) dan mobilitas Hall sebagai fungsi dari ketebalan lapisan penyangga. Ada kaitan yang erat antara nilai FWHM dan mobilitas, dimana kedua parameter ini biasa digunakan untuk menentukan kualitas kristal suatu bahan. Semakin kecil nilai FWHM dari suatu pola difraksi sinar-X semakin baik kualitas kristalnya. Hal yang sebaliknya berlaku untuk mobilitas, yakni semakin tinggi nilai mobilitas suatu bahan semakin baik kualitas kristal bahan tersebut. Data mobilitas dan nilai FWHM yang diperoleh dari hasil penelitian ini menunjukkan bahwa lapisan penyangga GaN sangat berperan dalam memperbaiki kualitas kristal film tipis GaN. Hal ini dengan jelas ditunjukkan
151
Erzam S. Hasan, dkk…Pengaruh Ketebalan Lapisan Penyangga
pada gambar 3, dimana nampak adanya kenaikan nilai mobilitas yang cukup signifikan dari film tipis GaN. Untuk film tipis GaN yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga mempunyai mobilitas 6,0 cm2/Vs dengan nilai FWHM 0,35° sedangkan untuk film tipis GaN yang ditumbuhkan dengan lapisan penyangga 260 Å memiliki nilai mobilitas yang paling tinggi yakni 29,0 cm2/Vs dengan nilai FWHM 0,25°. Gambar 4 memperlihatkan morfologi permukaan film tipis GaN dengan ketebalan lapisan penyangga yang bervariasi yang diperoleh dari hasil SEM dengan perbesaran 10.000 kali. Pada gambar tersebut nampak terjadi evolusi morfologi film tipis GaN berkenaan dengan peningkatan ketebalan lapisan penyangga GaN. Film yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga didominasi oleh pulau-pulau heksagonal dengan ukuran yang tidak seragam. Hal ini disebabkan oleh besarnya perbedaan konstanta kisi dan koefisien ekspansi termal antara GaN dan sapphire. Film tipis GaN yang ditumbuhkan secara langsung di atas substrat sapphire (sampel A) menghasilkan nukleasi pulau-pulau yang terisolasi satu sama lain. Ketika film tipis GaN ditumbuhkan di atas lapisan penyangga, disebabkan oleh rendahnya energi antarmuka antara GaN dan lapisan penyangga
(dibanding antara GaN/sapphire) maka diperoleh rapat nukleasi yang tinggi, sehingga terjadi pertumbuhan pulau-pulau secara lateral. Pulau-pulau ini berkembang secara lateral dan akhirnya terjadi penggabungan (coalescence) secara cepat8). Di samping itu, lapisan penyangga yang ditumbuhkan pada temperatur rendah, membangkitkan gaya gerak kimia yang tinggi untuk pembentukan GaN karena pada temperatur rendah supersaturasi dari bahan organo-metal cukup tinggi sehingga kecepatan pembentukan nukleasi juga tinggi. Lebih jauh lagi, berkurangnya mobilitas dari spesies permukaan pada temperatur rendah mendorong penyebaran yang seragam dari nuklei yang secara efektif menutupi permukaan substrat.
4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil eksperimen yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa lapisan penyangga GaN sangat berperan dalam memperbaiki kualitas kristal film tipis GaN. Dari variasi ketebalan lapisan penyangga yang dilakukan, terdapat ketebalan tertentu yang memberikan nilai optimum terhadap kualitas kristal dan sifat listrik film tipis GaN. Kondisi optimum untuk kualitas kristal, morfologi dan mobilitas Hall, diperoleh pada ketebalan lapisan penyangga GaN 260 Ǻ.
Gambar 4. Morfologi permukaan film tipis GaN dengan ketebalan lapisan penyangga yang bervariasi: (A) Tanpa lapisan penyangga, (B) 130 Ǻ, (C) 260 Ǻ, dan (D) 400 Ǻ.
152
2006 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No. 3
DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
O’Donnel, K.P. 1998. Beyond Silicon: The Rise of Compound Semicoductors, dalam Group III Nitride Semiconductor Compounds Physics and Applications,Bernard Gil (Ed.), Oxford University Press. New York. Benamara, M., Weber, Z.L., Mazur, J.H., Swider, W., Washburn, J., Iwaya, M., Akasaki, I. and Amano, H. 2000. The Role of Multi Buffer Layer Technique on The Structural Quality of GaN, MRS Internet J. Nitride Semiconductor Res. 5S1: W5.8
3.
Zuo, H.Y. 1999. Optical and Electronic Properties of GaN: A Comparison Study with Reference to Laser Induced Chemical Vapor Deposition Films, Doctoral Dissertation, Macquarie University, Australia.
4.
Molnar, R.J., Lei, T. and Moustakas, T.D. 1992. Electron Transport Mechanism in Galium Nitride, App. Physics Lett., 62 (1): 72 - 74
2006 FMIPA Universitas Lampung
5.
Trew, R.J., Shin, M.W. and Gatto, V. 1997. High Power Applications for Gan Based Device, Elsevier Science Ltd.
6.
Fong, W.K., Zhu, C.F., Leung, B.H., Surya, C. 2000.Growth of High Quality GaN Thin Films by MBE on Intermediate Temperatur Buffer Layers, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5(12): 1 - 4
7.
Nakamura, S. and Fasol, G. 1997. The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters and Lasers, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Jerman, 1997.
8.
Briot, O. 1998. MOVPE Growth of Nitrides, dalam Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications, Bernard Gil (Ed.), Oxford University Press. New York.
153
