PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216
STRAIN FILM TIPIS GaN DITUMBUHKAN DI ATAS SUBSTRAT SAPPHIRE DENGAN METODE PA-MOCVD Sugianto1,2), M. Budiman1), P. Arifin1), dan M. Barmawi1) 1)
Laboratorium Fisika Material Elektronik, Departemen Fisika-FMIPA, ITB 2) Jurusan Fisika – FMIPA, Universitas Negeri Semarang Kampus Sekaran-Gunungpati, Semarang E-mail:
[email protected]
Abstrak Pada studi ini telah dikembangkan sistem PA-MOCVD (plasma-assisted metalorganic chemical vapor deposition) untuk penumbuhan film tipis gallium nitride (GaN). Strain yang terjadi karena ketidak-sesuaian konstanta kisi antara film GaN dan substrat sapphire telah direduksi dengan memberikan lapisan penyangga (buffer layer) GaN yang ditumbuhkan pada temperatur relatif lebih rendah antara film GaN dan sapphire. Ketebalan lapisan penyangga divariasikan antara 0–40 nm. Struktur kristal dan konstanta kisi film GaN ditentukan melalui pengukuran difraksi sinar-X. Pada saat film ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga menunjukkan struktur polikristal fase heksagonal, sedangkan film tumbuh dengan orientasi tunggal arah (0001) tegak lurus bidang substrat saat diberikan lapisan penyangga dengan ketebalan 26 nm. Film GaN yang ditumbuhkan tanpa/dengan lapisan penyangga hingga ketebalan 26 nm menunjukkan sifat tensile strain, sedangkan saat ketebalan 40 nm menunjukkan sifat compressive strain dan mengalami relaksasi ketika ketebalan lapisan penyangga ~30 nm. Film GaN yang ditumbuhkan dengan ketebalan lapisan penyangga 26 nm menunjukkan adanya strain dan FWHM yang terendah. Kata kunci : buffer layer, GaN, PA-MOCVD, relaksasi, strain
Pendahuluan Gallium nitride (GaN) dan paduannya (AlxGa1-xN; InxGa1-xN) merupakan material semikonduktor dengan celah pita energi lebar yang telah diaplikasikan untuk pembuatan light emitting diode (LED) dan laser diode (LD) warna hijau-biru dengan brightness tinggi dibandingkan dengan material sebelumnya (Nakamura dkk, 1995; Kuramata dkk, 1997). Akhir-akhir ini sedang dikembangkan LED warna putih dari material berbasis GaN yang diharapkan dapat digunakan sebagai pengganti lampu penerangan dengan konsumsi daya yang rendah. GaN dan paduannya juga telah diaplikasikan untuk pembuatan high electron mobility transistor (HEMT) pada devais pembangkit gelombang pendek dengan daya tinggi (Arulkumaran dkk, 2001). Penumbuhan film tipis GaN secara homo-epitaksi masih sulit dilakukan karena belum tersedianya kristal tunggal GaN dalam ukuran besar yang digunakan sebagai substrat. Oleh karenanya, kristal tunggal GaN pada umumnya ditumbuhkan secara hetero-epitaksi pada sejumlah substrat yang mempunyai konstanta kisi dan koefesien muai panas yang sesuai atau mendekati. Substrat sapphire sering digunakan untuk penumbuhan beberapa material semikonduktor termasuk GaN, karena harganya relatif tidak mahal, tersedia kristal tunggal dalam ukuran besar dengan kualitas baik, bersifat transparan dan stabil pada temperatur tinggi. Ketidak-sesuaian kisi antara bidang basal GaN dan bidang basal sapphire besarnya sekitar 16 % sehingga dapat menimbulkan strain yang cukup besar antara film GaN dan sapphire. Adanya strain tersebut mempengaruhi kualitas kristal film GaN untuk aplikasi devais. Permasalahan ketidak-sesuaian konstanta kisi antara GaN dan substrat telah diatasi menggunakan metode dua langkah yaitu dengan menumbuhkan lapisan penyangga (buffer layer) pada temperatur rendah sebelum lapisan utama (main layer) ditumbuhkan pada temperatur lebih tinggi. Mekanisme lapisan penyangga pada penumbuhan GaN dengan MOCVD telah dipelajari oleh Akasai dkk (1989) untuk lapisan penyangga AlN dan oleh Nakamura dkk (1991) untuk lapisan penyangga GaN dengan menggunakan pengukuran transmisi inframerah secara in-situ. MOCVD merupakan salah satu metode penumbuhan film tipis secara epitaksi yang telah menjadi standar industri untuk produksi devais elektronik/optoelektonik. Penumbuhan film GaN dengan MOCVD konvensional biasanya dilakukan pada temperatur ~1050oC karena dekomposisi NH3 terjadi pada temperatur JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-11-1
tinggi. Pada studi ini film GaN ditumbuhkan dengan metode PA-MOCVD dimana nitrogen reaktif dihasilkan oleh gas nitrogen yang dilewatkan pada cracking cell sehingga temperatur penumbuhan dapat direduksi menjadi sekitar 600 – 700oC. Kondisi ini sangat menguntungkan saat penumbuhan film multilayer untuk fabrikasi devais. Eksperimen Film tipis GaN ditumbuhkan di atas substrat sapphire (0001) dengan metode PA-MOCVD. Skema sistem reaktor PA-MOCVD diperlihatkan pada gambar 1. Cracking cell berupa tabung resonator tipe downstream (ASTeX) yang dihubungkan dengan pembangkit gelombang mikro 2,45 GHz dengan daya maksimum 250 watt digunakan untuk menghasilkan nitrogen reaktif dari gas N2. Daya yang digunakan dalam studi ini ditentukan 200 watt pada tekanan reaktor 0,5 Torr. Laju alir gas nitrogen ditentukan 90 sccm. Sebagai prekursor golongan III digunakan trimethyl-gallium (TMGa) dan hidrogen digunakan sebagai gas pembawa yang sebelumnya dilewatkan pada purifier sel palladium. Subtrat dicuci secara ultrasonik dengan aceton, metanol dan di-etsa dengan larutan H3PO4:H2SO4 =1:3 pada temperatur 70oC selama 10 menit. Kemudian dibilas dengan air-DI dan dikeringkan dengan gas nitrogen. Substrat segera dimasukkan dalam reaktor dan dilakukan thermal cleaning dengan plasma hidrogen pada temperatur 650oC selama 10 menit. Proses penumbuhan diawali dengan penumbuhan lapisan penyangga GaN pada temperatur 470 oC dengan mengalirkan trimethyl-gallium (TMGa) 0,08 sccm dan gas N2 = 90 sccm selama waktu tertentu. Hal ini dilakukan agar diperoleh ketebalan lapisan penyangga antara 040 nm (sebelumnya telah dilakukan studi penumbuhan lapisan penyangga dengan kondisi penumbuhan yang sama, laju penumbuhannya ~3 nm/menit). Ketebalan lapisan penyangga diukur dengan menggunakan stylusprofilometer DEKTAK IIA. Setelah penumbuhan lapisan penyangga, temperatur substrat dinaikkan sampai temperatur penumbuhan yang ditentukan (640oC). Penumbuhan film GaN secara rinci telah dijelaskan pada publikasi sebelumnya (Sugianto dkk, 2000). Film GaN yang dihasilkan dikarakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar-X untuk analisis struktur kristal dan besarnya konstanta kisi film GaN untuk menentukan besarnya strain film GaN dengan sapphire. Purifier MFC Exhaust
Resonator
H2
N2 TMGa
TMAl
TMIn
MW Power supply
Cp2Mg dopan-p Vacuum Pump
CDO
Gambar 1 : Skema sistem reaktor PA-MOCVD
Hasil dan Pembahasan Dari hasil uji analisis dengan difraksi sinar-X menunjukkan bahwa film GaN yang ditumbuhkan dengan/tanpa lapisan penyangga mempunyai struktur kristal heksagonal. Film GaN yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga terkomposisi atas kristal dengan orientasi acak atau polikristal dengan arah (0002), (10 1 1) dan (112 0) seperti ditunjukkan pada gambar 2. Pada saat film GaN ditumbuhkan dengan lapisan penyangga pada ketebalan 13 nm, puncak (112 0) tidak tampak dan saat ketebalan lapisan penyangga 26 nm film GaN mempunyai struktur kristal dengan orientasi tunggal (0002). Akan tetapi pada saat ketebalan lapisan penyangga ditambah hingga 40 nm film GaN kembali menunjukkan struktur polikristal. Kenyataan ini mengindikasikan bahwa ketebalan lapisan penyangga merupakan parameter kritis yang sangat JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-11-2
(1120)
Sapphire
(0002)
(1011
Intensitas (a.u)
(1010)
menentukan orientasi arah penumbuhan kristal film GaN di atas sapphire(0001). Ketidak-sesuain konstanta kisi antara GaN-sapphire yang tinggi dan disimilaritas kimia antara GaN dan sapphire menyebabkan film GaN yang tumbuh secara langsung di atas sapphire menghasilkan nukliasi berupa pulau-pulau terpisah dengan orientasi yang acak. Ketika film ditumbuhkan dengan lapisan penyangga pada ketebalan sekitar 26 nm, lapisan penyangga memberikan kontribusi pada penumbuhan GaN secara merata yang pada akhirnya menutupi seluruh permukaaan substrat. Pada temperatur rendah supersaturasi prekursor metal organik (TMGa) cukup tinggi sehingga memberikan peningkatan chemical driving force untuk pembentukan GaN dan kemudian menghasilkan laju nukliasi yang tinggi. Selanjutnya berkurangnya mobilitas di daerah permukaan pada temperatur rendah mempermudah dispersi nukliasi merata yang dapat menutupi permukaan substrat dengan efektif. Sedangkan pada saat ketebalan lapisan penyangga yang terlalu tebal dapat menghasilkan orientasi film yang acak diduga berkaitan dengan sifat amorf dari lapisan penyangga yang ditumbuhkan pada temperatur relatif rendah.
lap. penyangga (40 nm)
Dengan lap. penyangga (26 nm)
Dengan lap. penyangga (13 nm)
Tanpa lap.penyangga
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
2 theta (deg.)
Gambar 2 : Spektrum XRD dari film GaN yang ditumbuhkan di atas sapphire (0001) tanpa lapisan penyangga dan dengan lapisan penyangga GaN pada ketebalan; 13 , 26 dan 40 nm
FWHM dari GaN(0002) (deg.)
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1 0
10
20
30
40
50
K e te b a la n la p . p e n y a n g g a ( n m )
Gambar 3 : FWHM dari puncak GaN(0002) bergantung pada ketebalan lapisan penyangga GaN
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-11-3
Besarnya FWHM (full width at half maximum) puncak (0002) film GaN terhadap pengaruh ketebalan lapisan penyangga diperlihatkan pada gambar 3. Tampak bahwa pada umumnya film GaN yang ditumbuhkan dengan lapisan penyangga mempunyai nilai FWHM lebih rendah dari film yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga. Kenyataan ini menunjukkan bahwa kualitas kristal dari film yang ditumbuhkan dengan lapisan penyangga lebih baik dari film yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga. Film yang ditumbuhkan dengan ketebalan 26 nm mempunyai kualitas kristal paling baik dengan FWHM terendah 0,25o pada ketebalan film sekitar 0,5 µm. Dari data hasil uji analisis XRD menunjukkan bahwa FWHM dari puncak (0002) film GaN lebih kecil 0,5o artinya film yang ditumbuhkan dengan PA-MOCVD pada studi ini mempunyai kualitas kristal yang baik (Wickenden dkk, 1994). Dari data hasil uji analisis dengan difraksi sinar-X telah diketahui bahwa semua film GaN pada studi ini mempunyai struktur kristal heksagonal (wurtzite) sehingga selanjutnya dapat ditentukan besarnya konstanta kisi kristal GaN dengan persamaan : 1 2 d hkl
=
4 h 2 + hk + k 2 3 c2
l2 + c2
(1)
dimana dhkl adalah jarak antar atom, a dan c adalah konstanta kisi pada bidang heksagonal GaN dan h,k,l masing-masing adalah bilangan indeks miller. Pada gambar 4 diperlihatkan hubungan antara ketebalan lapisan penyangga dan besarnya residual strain dalam film GaN pada ketebalan 0,5 µm. Terjadinya strain ini karena adanya ketidak-sesuaian kisi antara film GaN dengan substrat sapphire. Strain ditentukan dari perubahan konstanta kisi hasil pengukuran XRD pada puncak GaN(0002) yang besarnya adalah (∆c/co), dimana co adalah konstanta kisi GaN dalam kondisi relaksasi (co = 5,1855 Å) (Perry dkk, 1997). Film GaN yang ditumbuhkan tanpa lapisan penyangga maupun dengan lapisan penyangga pada ketebalan hingga 26 nm menunjukkan sifat tensile strain, sedangkan saat ketebalan 40 nm menunjukkan compressive strain (bertanda negatip). Tampak dengan jelas pada gambar 4 bahwa besarnya strain ini berkurang dengan bertambahnya ketebalan lapisan penyangga, dan tampak adanya kecenderungan dimana konstanta kisi mengalami relaksasi penuh pada ketebalan lapisan penyangga sekitar 30 nm. Film GaN yang ditumbuhkan dengan ketebalan lapisan penyangga 26 nm menunjukkan adanya strain yang paling rendah, hal ini bersesuaian dengan besarnya FWHM yang terendah pula. Sehingga dapat dikatakan bahwa film dengan ketebalan lapisan penyangga 26 nm tersebut mempunyai kualitas kristal terbaik pada studi ini.
6
-3
Strain (x10 )
4
Tensile 2
0
Compressive -2 -10
0
10
20
30
40
50
Ketebalan lap. penyangga (nm) Gambar 4.: Kebergantungan besarnya residual strain dalam film GaN yang ditumbuhkan dengan ketebalan lapisan penyangga; 0, 13, 26 dan 40 nm.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-11-4
Kesimpulan Penggunaan lapisan penyangga GaN yang ditumbuhkan pada temeperatur relatif rendah dengan ketebalan sekitar 26 nm telah memberikan kontribusi pada penumbuhan GaN secara merata di atas permukaaan substrat sehingga film tumbuh dengan orientasi tunggal arah (0002) sejajar bidang substrat sapphire. Ketebalan lapisan penyangga merupakan parameter kritis yang sangat menentukan kualitas dan orientasi penumbuhan kristal film GaN. Residual strain antara film GaN-sapphire telah direduksi dengan menggunakan lapisan penyangga GaN dan berelaksasi penuh pada ketebalan lapisan penyangga sekitar 30 nm. Daftar Pustaka. Akasaki, I., Amano, H., Koide, Y., Hiramtsu, K, and Sawaki, N. (1989) Effect of AlN buffer layer on crystallographic structure and on electrical and optical properties of GaN and Ga1-xAlxN (0 < x ≤ 0.4) films grown on sapphire substrate by MOVPE, J. Cryst. Growth. 98, 209. Arulkumaran, S., Egawa, T., Ishikawa, H., and Jimbo, T. (2001) High tranconductance AlGaN/GaN high electron mobility transistors on semi-insulating silicon carbide susbtrate, Jpn. J. Appl. Phys. 40, L1081. Kuramata, A., domen, K, Soejima, R., Horino, K., Kubota, S., and Tanahashi, T. (1997) InGaN Laser diode grown on 6H-SiC substrate using low-pressure metalorganic vapor phase epitaxy, Jpn. J. Appl. Phys. Lett. 36, L1130. Nakamura, S. (1991) In situ monitoring of GaN grown using interference effects, Jpn. J. Appl. Phys. 30, 1620. Nakamura, S., Senoh, M., Iwasa, N., Nagahama, S. (1995) High power InGaN single quantum-well structure blue and violet light-emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 67, 1868. Perry, W.G., Zheleva, T., Bremser, M.D., Davis, R.F., Shan, W., and Song, J.J., (1997) Correlation of biaxial strain, bound exciton energies and defect microstructures in GaN film grown on AlN/6H-SiC (0001) substrates, J. Electron. Mater. 26, 224. Sugianto, Sani, R.A., Budiman, M., Arifin, P. and Barmawi, M. (2000) GaN thin film grown on hydrogen plasma cleaned sapphire substrates by plasma-assisted MOCVD. Proc.of International workshop on nitride semiconductor (IWN-2000), Nagoya-Japan, September 24-27, IPAP Conf. Series-1, 251. Sugianto, R.A. Sani, P. Arifin, M. Budiman, M. Barmawi (2000), Growth of GaN film on a-plane sapphire substrate by plasma assisted MOCVD, J. Crys. Growth, vol. 221, p. 311. Wickenden, A.E., Wickenden, D.K., and Kistemnacher, T.J., (1994) The effect of thermal annealing on GaN nucleation layers deposited on (0001) sapphire by metalorganic chemical vapour deposition, J. Appl. Phys. 75, 5367.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-11-5
