116
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 116-121
PENGARUH KONDISI PENUMBUHAN PADA FOTOLUMINISENSI FILM TIPIS Ga2O3 DENGAN DOPING Mn Mosik, Putut Marwoto, Sulhadi dan Sugianto Laboratorium Fisika Material FMIPA Universitas Negeri Semarang Kampus Sekaran Gunungpati Semarang 50229 Telp./fax: (024)8508034 Email:
[email protected] INTISARI Galium oksida (Ga2O3) dengan doping Mn merupakan bahan semikonduktor dan berpotensi sebagai bahan yang memancarkan fotoluminisensi dalam warna hijau. Telah ditumbuhkan film tipis Ga2O3 dengan doping Mn (2% dan 5%) pada suhu 600oC, waktu deposisi 180 menit, daya plasma masing-masing 35 watt dan tekanan gas argon 550 dan 650 mtorr. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa film tipis Ga2O3 dengan doping Mn memancarkan spektrum pada warna hijau dengan puncak pada panjang gelombang 490 – 496 nm. Film Ga2O3 yang ditumbuhkan dengan doping Mn 5% mempunyai intensitas fotoluminisensi relatif lebih tinggi dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 2%. Film Ga2O3 yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 650 nm mempunyai intensitas fotoluminisensi lebih tinggi dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 550 nm. Keywords: Galium oksida doping ZnO (Ga2O3:ZnO), dc magnetron sputtering, struktur, dan sifat optik.
I.
PENDAHULUAN
Ga2O3 merupakan oksida berstruktur kristal dengan derajat anisotropis tinggi yang mempunyai interkoneksi rantai tetrahedral atau octahedral dengan membentuk “tunnel” yang lebar dalam kristal. “Tunnel” ini dipercayai memegang peranan penting dalam transport “hot electron” yang diperlukan untuk emisi elektroluminisensi (Ting, et al 2002). Karakteristik luminesensi bahan Ga2O3 tanpa doping dapat diamati pada daerah spektrum warna UV (3,40 eV), biru (2,95 eV) dan hijau (2,48 eV) (Villora, et al 2002). Untuk meningkatkan intensitas luminesensi bahan fosfor berbasis oksida telah dilakukan dengan aktivasi menggunakan unsur Mn dan Eu yang menghasilkan emisi warna hijau dan merah (Minami, et al 2003). Mn merupakan salah satu unsur transisi yang berpotensi untuk aplikasi fosfor luminesensi, karena Mn memiliki “excellent luminescent center” dan biasa digunakan untuk devais TFEL (Gollakota, et al 2006). Ketika ion-ion Mn2+ (3d5) dimasukkan dalam host material (Ga2O3), ion-ion Mn2+ menjadi aktivator dalam bahan Ga2O3 (Song, et al 2005). Karakteristik film tipis Ga2O3 sangat bergantung pada parameter penumbuhan film khususnya atmosfir penumbuhan (tekanan parsial oksigen), temperatur substrat dan perlakuan annealing pascapenumbuhan. Pada penumbuhan dengan metode floating zone, intensitas luminesensi meningkat dengan bertambahnya tekanan parsial oksigen, khususnya untuk emisi warna hijau. Sebaliknya pada saat tekanan parsial oksigen dikurangi, teramati adanya sejumlah cacat kristal dan dislokasi yang menyebabkan intensitas luminesensi menurun karena bertambahnya proses rekombinasi non-radiatif oleh cacat kristal (Villora, et al 2002). Film Ga2O3:Mn yang ditumbuhkan dengan rf magnetron sputtering maupun dip coating menunjukkan bahwa intensitas emisi bergantung pada kadar doping Mn (Miyata, et al 2000). Hal ini menunjukkan bahwa semakin banyak doping Mn yang terdapat dalam film tipis maka intensitas luminesensi film juga meningkat. Kondisi ini mengindikasikan bahwa bertambahnya fraksi mol Mn dapat meningkatkan luminesensi (Minami, 2003). Untuk menumbuhkan film Ga2O3, telah digunakan beberapa metode, di antaranya adalah: metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) (Kim et. al., 2004a, Kim et. al, 2004b), dan rf magnetron sputtering (Ogita et al, 2001). Sputtering merupakan teknik pembuatan film tipis dengan menggunakan prinsip tumbukan ion pada material target. Karakteristik film tipis Ga2O3 sangat bergantung pada kondisi penumbuhan film, seperti atmosfir penumbuhan (tekanan parsial argon), temperatur substrat dan perlakuan annealing pasca-penumbuhan. Dalam tulisan ini akan dilaporkan pengaruh tekanan gas argon dan kadar doping Mn pada sifat fotoluminisensi film tipis Ga2O3:Mn yang ditumbuhkan dengan menggunakan reaktor DC Magnetron sputtering. II. METODE PENELITIAN Dalam eksperimen film tipis Ga2O3 ditumbuhkan dengan reaktor DC magnetron sputtering (home made) yang telah dirancangbangun di Laboratorium Fisika Material, Jurusan Fisika Universitas Negeri Semarang dengan skema reaktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Film tipis ditumbuhkan di atas ISSN 0853 - 0823
Mosik, dkk / Pengaruh Kondisi Penumbuhan Pada Fotoluminisensi Film Tipis Ga2O3 Dengan Doping Mn
117
substrat silikon pada temperatur 600oC dan daya 35 watt. Substrat diletakkan di anoda sedangkan target diletakkan di katoda. Sebelum dimasukkan ke dalam reaktor, substrat silikon dibersihkan dengan menggunakan aseton dan metanol dalam ultrasonic bath masing-masing selama 10 menit, kemudian dicelup dalam larutan HF [H2O:HF (49%)=10:1] pada suhu kamar selama 20 detik, selanjutnya dikeringkan dengan somprotan gas nitrogen dan substrat siap untuk digunakan. Dalam eksperimen, target yang digunakan dalam penumbuhan berbentuk pellet dengan diamater 3 cm yang dibuat dari serbuk Ga2O3 (99,999%) produksi STREM Ltd dengan doping masing-masing 2 dan 5% mol Mn. Pembuatan pellet Ga2O3:Mn dilakukan melalui proses penggerusan, pemadatan, dan sintering pada temperatur 900oC selama 3 jam. Sebelum proses deposisi dimulai, reaktor divakumkan dengan aliran nitrogen. Sampel Ga2O3:Mn ( 2 dan 5%) masing-masing ditumbuhkan dengan tekanan gas argon masing-masing 550 dan 650 mtorr. Sampel yang ditumbuhkan dikarakterisasi dengan spektrometer fotoluminisensi (PL) dengan panjang gelombang 220 nm.
Heater
Pressure gauge
Shutter
Substrat
target
Magnet
Catu daya plasma Pompa Air
N
A
Catu Daya Heater
Panel tekanan
Pompa vakum
Panel temperatur
Gambar 1. Sistem reaktor dc magnetron spputering III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji karakterisasi sifat optik film tipis Ga2O3:Mn telah dilakukan dengan menggunakan spektrometer photoluminesence (PL) dengan eksitasi pada panjang gelombang 220 nm. Gambar 2 menunjukkan spektrum fotoluminesensi film tipis Ga2O3 dengan doping Mn 2 dan 5% dan tekanan gas argon 550 mtorr. Film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 5% mempunyai intensitas puncak pada warna hijau, yaitu di sekitar 491,62 nm, sedangkan film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 2% sedikit bergeser pada 495,34 nm, dengan intensitas puncak relatif lebih rendah dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 5%.
ISSN 0853 - 0823
118
Mosik, dkk / Pengaruh Kondisi Penumbuhan Pada Fotoluminisensi Film Tipis Ga2O3 Dengan Doping Mn
491,62 495,34
Intensitas relatif
GaO:Mn #I (5%)
GaO:Mn #F (2%)
480
500
520
540 λ (nm)
560
580
600
615,0
Gambar 2. Spektrum fotoluminesensi dengan fraksi mol Mn 2 dan 5% pada tekanan argon 550 mtorr. 490,82 493,38
Intensitas relatif
GaO:Mn #K (5%) GaO:Mn #J (2%)
480
500
520
540
λ(nm 560
580
600
615
Gambar 3. Spektrum fotoluminesensi dengan fraksi mol Mn 2 dan 5% dengan tekanan gas argon 650 mtorr. Gambar 3 menunjukkan spektrum fotoluminesensi film tipis Ga2O3:Mn masing-masing dengan fraksi mol Mn 2% dan 5% yang ditumbuhkan pada tekanan 650 mtorr. Intensitas tertinggi berada di daerah panjang gelombang warna hijau, yaitu ~ 490,62 nm untuk film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 5%. Film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 2% mempunyai puncak di sekitar 493,38 nm dengan intensitas relatif lebih rendah dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 5%.
ISSN 0853 - 0823
Mosik, dkk / Pengaruh Kondisi Penumbuhan Pada Fotoluminisensi Film Tipis Ga2O3 Dengan Doping Mn
119
493,38 495,34
Intensitas relatif
PAr = 650 mTorr
PAr = 550 mTorr
480
500
520
540 λ (nm)
560
580
600
615
Gambar 4. Spektrum fotoluminesensi Ga2O3 dengan fraksi mol Mn 2% yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 550 dan 650 mtorr 490,82
Intensitas relatif
491,62
PAr = 650 mTorr
PAr = 550 mTorr
480
500
520
540
λ (nm) 560
580
600
615
(b) Gambar 5. Spektrum fotoluminesensi Ga2O3 dengan fraksi mol Mn 5% yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 550 dan 650 mtorr Spektrum fotoluminisensi film tipis Ga2O3 dengan doping Mn 2% yang ditumbuhkan dengan tekanan gas argon masing-masing 550 dan 650 mtorr ditunjukkan pada Gambar 4. Film yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 650 mtorr mempunyai puncak pada panjang gelombang 493,38 nm, sedangkan film yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 550 mtorr mempunyai puncak pada panjang gelombang 495,34 nm. Secara umum spektrum menunjukkan bahwa intensitas fotoluminisensi film tipis yang ditumbuhkan dengan tekanan gas argon 650 mtorr relatif lebih tinggi dibandingkan dengan intensitas fotoluminisensi film yang ditumbuhkan dengan tekanan gas argon 550 mtorr. Gambar 5 menunjukkan spektrum fotoluminisensi film tipis Ga2O3 dengan doping Mn 5% yang ditumbuhkan masing-masing pada tekanan 550 dan 650 mtorr. Film yang ditumbuhkan dengan tekanan gas argon 650 mtorr mempunyai puncak pada panjang gelombang 490,82 nm, sedangkan film yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 550 nm mempunyai puncak pada panjang gelombang 491,62 nm. ISSN 0853 - 0823
120
Mosik, dkk / Pengaruh Kondisi Penumbuhan Pada Fotoluminisensi Film Tipis Ga2O3 Dengan Doping Mn
Film yang ditumbuhkan dengan tekanan gas argon 650 nm mempunyai intensitas relatif lebih tinggi dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 550 nm. Secara umum, doping Mn dalam material Ga2O3 memunculkan emisi pada daerah panjang gelombang 490-496 nm dengan warna hijau. Pita emisi ini sesuai dengan transisi ion Mn2+ (3d5) yaitu 4 T1→6A1. Ion Mn2+ mempunyai emisi yang dipengaruhi oleh lebar pita (bandgap) dan posisi yang bergantung pada kuatnya kisi bahan yang didoping (host). Emisi ion Mn2+ dapat bervariasi dari hijau sampai merah dalam (deep red). Peluruhan waktu emisi ini sekitar ms. Dari diagram Tanabe-Sugano ditunjukkan bahwa emisi ion Mn2+ sesuai dengan transisi 4T1→6A1. Transisi ini menjelaskan semua sifat spektrum: “lebar pita karena perbedaan slope tingkat energi, peluruhan waktu dan pengaruh medan kristal kisi host terhadap warna yang diemisikan. Secara tetrahedrall, koordinat Mn2+ (memiliki medan kristal lemah) memberikan emisi hijau dan secara oktahedral koordinat Mn2+ (memiliki medan kristal kuat) memberikan emisi warna jingga sampai merah (Blasse, G. dan Grabmaier, B.C., 1994). Penambahan fraksi mol Mn menyebabkan terjadinya pergeseran puncak luminesensi. Ini diperkirakan karena konsentrasi Mn yang semakin tinggi dalam Ga2O3. Semakin besar doping Mn dalam bahan, strain dalam kisi semakin kuat, yang menghasilkan variasi medan kristal di sekitar Mn2+ (Song, Y.P., et al, 2005). Medan kristal ion Mn2+ yang lemah menyebabkan pita emisi bergeser pada daerah panjang gelombang pendek sehingga bandgap lebih lebar (λ pendek=Eg besar). Jadi, pita emisi Mn2+ sedikit bergeser karena dipengaruhi oleh variasi medan kristal. Pergeseran puncak fotoluminesensi juga disebabkan oleh distorsi kisi dan terjadi relaksasi pembawa muatan ke dalam keadaan deep gap state sebelum rekombinasi berlangsung (Maruly, I.D., 2007). Pengaruh ini mengimplikasikan bahwa kehadiran atom Mn pada ikatan Ga-O menjadi renggang dan bandgap menjadi tegang, sehingga celah pita energi dari spektrum fotoluminesensi semakin besar. Impuritas atau doping yang terdapat dalam bahan akan memunculkan trap-trap di antara pita valensi dan pita konduksi bahan. Umumnya, jika terdapat doping sedikit maka muncul trap-trap yang dominan berada dekat tepi pita valensi dan pita konduksi, disebut shallow level. Apabila terdapat doping/impuritas tinggi maka atom doping terdistribusi secara acak dalam kisi host, dan kemungkinan trap-trap yang muncul dapat berpeluang lebih banyak berada di tepi atau lebih ke dalam lagi (deep level) di antara pita valensi dan pita konduksi (bandgap). Hal ini dapat dilihat dari spektrum fotoluminisensi film tipis Ga2O3:Mn yang menunjukkan terbentuknya beberapa puncak intensitas fotoluminisensi. Unsur logam transisi merupakan kelompok deep impuritas dalam semikonduktor III-V. Logam transisi dengan orbital 3d meliputi Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co dan Ni. Elektron berorbital d ini berpartisipasi dalam ikatan dengan host semikonduktor. Impuritas logam transisi unik karena transisi optik internal dapat terjadi diantara orbital d (Schubert, E.F., 1993). Mn bertindak sebagai deep acceptor yang memiliki tingkat energi mendekati tengah bandgap. Jika semakin besar konsentrasi Mn maka pita impuritas (Mn acceptor) atau trap-trapnya malah terdistribusi menuju dan mendekati pita valensi atau pita konduksi, sehingga energi gap menjadi semakin lebar. Luminesensi mempelajari beberapa sifat kristal yaitu efek eksiton dan struktur pita. Luminesensi juga dapat mengetahui kualitas kristal. Impuritas yang bekerja sebagai pengganti atom dalam kristal, bahkan dalam kuantitas kecil, memberikan garis luminesensi yang kuat dengan karakteristik panjang gelombang tertentu sesuai dengan konsentrasinya (Peyghambarian, N., et al, 1993). Penambahan tekanan argon yang lebih besar meningkatkan transfer momentum dari atom-atom tersputter menuju substrat selama penumbuhan. film tumbuh dengan cepat dan kemungkinannya susunan atom lebih rata dan teratur (homogen) serta lapisannya semakin tebal (atom-atom pemantul lebih banyak). Dengan demikian, intensitas film semakin meningkat. IV. KESIMPULAN Telah ditumbuhkan film tipis Ga2O3 dengan doping Mn (2% dan 5%) pada suhu 600oC, waktu deposisi 180 menit, daya plasma masing-masing 35 watt dan tekanan gas argon 550 dan 650 mtorr. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa film tipis Ga2O3 dengan doping Mn memancarkan spektrum pada warna hijau dengan puncak pada panjang gelombang 490 – 496 nm. Film Ga2O3 yang ditumbuhkan dengan doping Mn 5% mempunyai intensitas fotoluminisensi relatif lebih tinggi dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan dengan doping Mn 2%. Film Ga2O3 yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 650 nm mempunyai intensitas fotoluminisensi lebih tinggi dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan pada tekanan gas argon 550 nm. V. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih tim peneliti Laboratorium Fisika UNNES yang telah membantu penelitian ini. ISSN 0853 - 0823
Mosik, dkk / Pengaruh Kondisi Penumbuhan Pada Fotoluminisensi Film Tipis Ga2O3 Dengan Doping Mn
121
VI. DAFTAR PUSTAKA Blasse, G., and Grabmaier, B.C. 1994. Luminescent Materials. Germany: Springer Verlag Berlin Heidelberg, p. 20-25, 52. Gollakota, P., Lunardi, L.M., Muth, J.F., Oztruk, M.C., 2006, Investigation of Europium doped wide band gap oxides and an annealing study of the amorphous oxide semiconductor indium galium zinc oxide. North Carolina State University, p. 15, 23-24. Kim, H.W. and Kim, N.H. 2004a, Growth of gallium oxide thin films on silicon by MOCVD method, Material Sc. Eng. B110, p. 34. Kim, H.W. and Kim, N.H., 2004b, Annealing effects on the properties of Ga2O3 thin films grown on sapphire by MOCVD, Appl. Surface Sci. 230, p. 301. Minami, T., 2003, Oxide thin-film electroluminescent devices and materials, Solid State Electronics 47, p.2237. Miyata, T., Nakatami T., and Minami, T.,2000, Manganese activated galium oxide electroluminescence phosphor thin film prepared using various deposition methods, Thin Solid Film 373,145. Ogita, M, Higo, K., Nakanishi, Y., Hatanaka, Y., 2001, Ga2O3 thin film for oxygen sensor at high temperature, Appl. Surf. Sci. 175-176, p.721. Peyghambaryan, N., Koch, S.W., and Mysyrowics, A. 1993. Introduction to Semiconductor Optics. New Jersey: Prentice-Hall International Inc: 156-162 Schubert, E.F. 1993. Doping in III – V Semiconductors. New York: Cambridge University Press, p.5960, 325-337. Song, Y.P., Wang, P.W., Xu, X.Y., Wang, Y., Li, G.H., Yu, D.P., 2005, Magnetism and photoluminesce in manganese-gallium oxide nanowires with monoclinic and spinel structures, J. Physics E 31, p. 67-71. Ting, W.Y., Kitai, A.H. and Mascher, P., 2002, Crystallization phenomena in b- Ga2O3 investigated by positron annihilation spectroscopy and X-ray difraction analysis, Materials Sci. Eng. B91-92, p. 541. Villora, E.G, Morioka, Y., Atou, T., Sugawara, T., Kikuchi, M., and Fukuda, T., 2002, Infrared reflectance and Electrical Conductivity of Ga2O3, Phys. Stat.Sol (a) 193,187.
ISSN 0853 - 0823
