MAKARA, SAINS, VOL. 6, NO. 2, AGUSTUS 2002
STUDI DISORDER LAPISAN TIPIS AMORF SILIKON KARBON (a-SiC:H) HASIL DEPOSISI METODE DC SPUTTERING Lusitra Munisa 1 dan Rosari Saleh 2 1. Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana Universitas Indonesia, Jakarta,10430 2. Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia, Depok,16424 E-mail:
[email protected]
Abstrak Ketidakteraturan jaringan amorf dari lapisan tipis amorf silikon karbon (a-SiC:H) hasil deposisi metode dc sputtering telah diteliti. Lapisan tipis dideposisi dengan menggunakan target silikon dalam campuran gas argon dan metan. Koefisien absorpsi optis α (E) diperoleh dari hasil pengukuran reflektansi dan transmitansi spektroskopi UV-VIS (ultra violet-visible). Parameter disorder diketahui dari kurva koefisien absorpsi optis α (E) dengan menggunakan plot Tauc. Peningkatan flow rate gas metan berpengaruh terhadap peningkatan gap optis dan berkurangnya parameter disorder. Jaringan amorf pada lapisan tipis cenderung makin tidak teratur dengan peningkatan flow rate gas metan. Relasi ketidakteraturan jaringan amorf terhadap struktur dan komposisi lapisan tipis akan didiskusikan.
Abstract Disorder Study of Amorphous Silicon Carbon (a-SiC:H) Films Deposited by DC Sputtering Method. Disorder amorphous network of amorphous silicon carbon (a-SiC:H) films has been investigated for films prepared by dc sputtering method. The films were deposited using silicon target in argon and methane gas mixtures. The optical absorption coefficients have been performed by UV-VIS (ultra violet-visible) reflectance and transmittance spectroscopy. Disorder parameter has been obtained from the optical absorption coefficient α (E) using Tauc plot. Increasing methane flow rate has an effect on increasing Tauc gap and decreasing disorder parameter. The amorphous network of the films tends to be more disorder with increasing methane flow rate. The relation of disorder amorphous network with structural and compositional properties will be discussed. Keywords: Disorder, amorphous silicon carbon, sputtering, structural properties, infrared
Pendahuluan dan disorder semikonduktor amorf [1]. Sifat listrik yang kurang baik juga diperkirakan berhubungan dengan karakteristik struktur seperti jumlah void yang tinggi atau terbentuknya ikatan hidrogen tertentu [3]. Oleh karena itu perlu diketahui karakteristik struktur dan relasinya dengan disorder material semikonduktor amorf yang berpengaruh terhadap sifat listriknya.
Salah satu kelebihan utama dari amorf silikon karbon (a-SiC:H) adalah lebar gap optis yang dimilikinya lebih besar dari a-Si:H sehingga sering digunakan sebagai lapisan transparan yang di-dop pada aplikasi sel surya, sensor dan elektrolumenisensi [1]. Peningkatan lebar gap optis dengan kehadiran karbon dalam jaringan aSi:H diikuti dengan bertambah buruknya sifat listriknya dan peningkatan disorder [2]. Kehadiran karbon dapat meningkatkan lebar densitas keadaan di daerah tail pita energi, yang dapat menurunkan mobilitas drift sehingga memperburuk sifat listrik [1], sedangkan berkurangnya disorder diperkirakan karena kehadiran trigonal C=C sp2 dalam jaringan amorf tetrahedral sp3 [2]. Densitas keadaan di bagian tail pita valensi dan konduksi terefleksi pada kemiringan kurva absorpsi optis sehingga dapat digunakan untuk mengetahui sifat listrik
Lapisan tipis amorf silikon karbon (a-SiC:H) yang akan dipelajari pada penelitian ini dihasilkan dengan metode deposisi dc sputtering. Sifat optis dan disorder lapisan tipis a-SiC:H diperoleh dari hasil eksperimen spektroskopi optis UV-VIS, kemudian dengan bantuan hasil eksperimen absorpsi inframerah akan didiskusikan relasi keteraturan terhadap struktur ikatan-strktur ikatan yang terdapat pada lapisan tipis.
78
MAKARA, SAINS, VOL. 6, NO. 2, AGUSTUS 2002
79
500
Eksperimental
Hasil dan Pembahasan Ekstrapolasi ke α=0 dari plot kurva (αE)½ sebagai fungsi E dari relasi Tauc [5] diperlihatkan pada Gambar 1. Hasil ekstrapolasi berupa gap optis ETauc untuk kelima variasi flow rate gas metan diperlihatkan di inset pada Gambar 2. Gambar tersebut memperlihatkan peningkatan lebar gap optis dengan bertambahnya flow rate gas metan sampai 12 sccm, seperti telah dikemukakan sebelum ini [6]. Peningkatan gap optis dengan peningkatan flow rate gas metan juga diperoleh Pereyra dan Carreño [9]. Selain gap optis, dari gradien kurva (αE)½ sebagai fungsi E dapat diperoleh parameter B seperti diperlihatkan pada Gambar 2 untuk kelima variasi flow rate gas metan, yang menunjukkan kecenderungan berkurang dengan peningkatan flow rate gas metan. Parameter B berhubungan dengan gradien densitas keadaan elektron di pita valensi dan pita
) -1/2
eV -1/2
(cm 1/2
(αE)
4 sccm 6 sccm 8 sccm 10 sccm 12 sccm
300 200 100 0 1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Energi (eV)
Gambar 1. Plot (αE)½ versus E dari lapisan tipis a-SiC:H
2.4
5.5
5 -1 -1 B ( 10 cm eV )
Target silikon berkemurnian 5N digunakan sebagai sumber silikon pada proses deposisi lapisan tipis amorf silikon karbon (a-SiC:H) dengan metode dc sputtering. Lapisan tipis dideposisi dalam campuran gas argon dan metan CH4 dengan lima variasi flow rate gas metan 4, 6, 8, 10 dan 12 sccm. Sebelum proses deposisi, ruang dipompa sampai tekanan ~10-6 mbar. Deposisi dilakukan pada temperatur substrat konstan 200 °C dan daya konstan 200 W di atas substrat corning 7059 untuk pengukuran optis dan substrat monokristal silikon untuk pengukuran inframerah. Spektrum transmitansi dan reflektansi diukur untuk daerah panjang gelombang 350-800 nm dengan spektroskopi UV-VIS menggunakan referensi substrat corning 7059. Koefisien absorpsi optis α (E) diperoleh dari spektrum reflektansi dan transmitansi [4] dengan harga ketebalan lapisan tipis yang didapatkan dari profilometer. Gap optis dan parameter disorder diperoleh dari plot Tauc [5] dari kurva α (E) seperti telah dikemukakan sebelum ini [6]. Absorpsi inframerah di daerah bilangan gelombang 400-4000 cm-1 diukur dengan fourier transform infrared/FTIR spektrokopi. Integral absorpsi diperoleh dari pendekatan kurva koefisien absorpsi dengan fungsi Gaussian seperti telah dikemukakan sebelum ini [7]. Teknik analisis microprobe dengan berkas elektron (electron probe microanalysis/EPMA) digunakan untuk memperoleh konsentrasi karbon dan silikon menggunakan referensi kristal SiC berkomposisi stoikiometri, selain itu digunakan pula metode Rutherford Backscattering/RBS. Konsentrasi hidrogen diperoleh dari pengukuran efusi hidrogen dengan menggunakan spektrometer massa seperti dikemukakan sebelum ini [8].
CH4
400
2.1 ETauc
1.8
5.0
1.5
4.5
4
6
8
10
12
CH4 (sccm)
4.0
4
6
8
10
12
CH4 ( sccm )
Gambar 2. Parameter B terhadap flow rate CH4;inset: Gap optik ETauc terhadap flow rate CH4.
konduksi. Berkurangnya harga parameter ini dengan peningkatan flow rate gas metan berhubungan dengan semakin landainya gradien densitas keadaan elektron di pita valensi dan pita konduksi, yang berhubungan dengan peningkatan lebar daerah tail [1]. Perubahan lebar tail densitas keadaan elektron di kedua pita berhubungan dengan disorder jaringan amorf dan karakteristik ikatan [10]. Berkurangnya parameter B menunjukkan peningkatan disorder pada jaringan amorf karena perubahan distribusi rata-rata sudut ikatan dengan peningkatan flow rate gas yang mengakibatkan peningkatan lebar daerah tail. Relasi parameter B terhadap struktur ikatan-struktur ikatan yang terdapat pada lapisan tipis a-SiC:H dipelajari dengan hasil analisis spektrum absorpsi inframerah. Hasil analisis terhadap kelima lapisan tipis telah dilaporkan sebelum ini [7] sebagai berikut : struktur ikatan Si-H terdapat di sekitar 640 cm-1 untuk vibrasi wagging, di sekitar 2000 dan 2100 cm-1 untuk vibrasi stretching dan struktur ikatan C-H terdapat di sekitar 2900 cm-1 untuk vibrasi stretching, sedangkan
80
MAKARA, SAINS, VOL. 6, NO. 2, AGUSTUS 2002
4.8
B ( 105 cm-1 eV-1)
5 -1 -1 B ( 10 cm eV )
4.8 4.6 4.4
I640
4.2 4.0
4.6 4.4 I2900 4.2 4.0 3.8
3.8 300
400
500
600
700
1.8
800
Gambar 3a. Relasi parameter B terhadap integral absorpsi vibrasi wagging Si-H di sekitar 640 cm-1, I640 lapisan tipis a-SiC:H untuk kelima flow rate CH4.
2.2
2.4
Gambar 3b. Relasi parameter B terhadap integral absorpsi vibrasi stretching C-H di sekitar 2900 cm-1, I2900 lapisan tipis a-SiC:H untuk kelima flow rate CH4.
4.8
4.8 I2100
I2000
B ( 105 cm-1 eV-1)
5 -1 -1 B ( 10 cm eV )
2.0
Integral Absorpsi (cm-1)
Integral Absorpsi (cm-1)
4.6 4.4 4.2 4.0
4.6
I780
I720
I720+I780
400
800
4.4 4.2 4.0 3.8
3.8 0
50
100
150 -1
Integral Absorpsi (cm )
Gambar 3c. Relasi parameter B terhadap integral absorpsi vibrasi stretching Si-H di sekitar 2000 cm-1, I2000 dan 2100 cm-1, I2100 lapisan tipis a-SiC:H untuk kelima flow rate CH4.
struktur ikatan Si-C terdapat di sekitar 720 dan 780 cm-1 untuk vibrasi stretching. Gambar 3a dan 3b memperlihatkan relasi integral absorpsi di sekitar 640 cm-1 dan 2900 cm-1 terhadap parameter B. Kedua gambar tersebut memperlihatkan relasi non-linier positif antara parameter B dengan struktur ikatan Si-H dan C-H. Garis pada gambar bukan merupakan suatu fungsi tetapi hanya alat bantu untuk melihat kecenderungan data. Peningkatan kedua struktur ikatan tersebut mengurangi harga parameter B. Gambar 3c memperlihatkan relasi integral absorpsi di sekitar 2000 dan 2100 cm-1 terhadap parameter B. Kedua integral absorpsi menunjukkan relasi yang berlawanan, relasi yang non-linier positif diperoleh untuk struktur ikatan di
0
1200
1600
Integral Absorpsi (cm-1)
Gambar 3d. Relasi parameter B terhadap integral absorpsi vibrasi stretching Si-C di sekitar 720 cm-1, I720 , 780 cm-1, I780 dan penjumlahannya I720 + I780 lapisan tipis a-SiC:H untuk kelima flow rate CH4.
sekitar 2000 cm-1, sedangkan relasi non-linier negatif terlihat untuk struktur ikatan di sekitar 2100 cm-1. Garis pada gambar bukan merupakan suatu fungsi tetapi hanya alat bantu untuk melihat kecenderungan data. Kedua integral absorpsi tersebut berhubungan dengan vibrasi stretching Si-H yang berbeda, absorpsi di sekitar 2000 berhubungan dengan vibrasi stretching Si-H pada bulk sedangkan absorpsi di sekitar 2100 cm-1 berhubungan dengan vibrasi stretching Si-H pada permukaan bagian dalam void [8,11]. Berkurangnya parameter B dipengaruhi oleh peningkatan struktur ikatan Si-H pada permukaan bagian dalam void. Relasi struktur ikatan Si-C dengan parameter B diperlihatkan oleh integral absorpsi di sekitar 720 cm-1, I720, 780 cm-1,
MAKARA, SAINS, VOL. 6, NO. 2, AGUSTUS 2002
Beberapa peneliti [13-15] menghubungkan berkurangnya parameter B dengan peningkatan konsentrasi karbon, padahal gas metan yang mengandung hidrogen digunakan sebagai sumber karbon dalam proses deposisi lapisan tipis a-SiC:H. Seperti telah dikemukakan di atas bahwa tidak hanya struktur ikatan Si-C yang berkontribusi pada berkurangnya harga parameter B tetapi struktur ikatan Si-H dan C-H juga berkontribusi, oleh karena itu akan diperlihatkan pengaruh hidrogen pada berkurangnya parameter B melalui relasi densitas atomik hidrogen NH dan karbon NC terhadap parameter B seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Gambar tersebut memperlihatkan baik hidrogen maupun karbon memberikan pengaruh terhadap berkurangnya parameter B, perbedaannya hanya terjadi pada densitas atomik hidrogen dan karbon lebih kecil dari 1x1022 cm-3. Berkurangnya parameter B terutama dipengaruhi hidrogen dibandingkan peningkatan karbon. Hal ini dapat dimengerti karena jumlah karbon di dalam lapisan tipis a-SiC:H belum terlalu banyak (silikon dominan).
Kesimpulan Disorder lapisan tipis a-SiC:H hasil deposisi metode dc sputtering meningkat dengan bertambahnya flow rate gas metan. Peningkatan disorder pada lapisan tipis aSiC:H bukan hanya dipengaruhi oleh peningkatan jumlah karbon yang diwakili dengan struktur ikatan SiC dalam lapisan tipis tetapi juga jumlah hidrogen yang diwakili oleh ikatan Si-H dan C-H, kecuali ikatan Si-H
4.8
5 -1 -1 B ( 10 cm eV )
I780 dan penjumlahan keduanya I720+780 seperti pada Gambar 3d. Relasi non-linier positif diperoleh untuk ketiga integral absorpsi tersebut. Pengaruh yang lebih besar terhadap berkurangnya harga parameter B ditunjukkan oleh integral hasil penjumlahan kedua integral absorpsi di sekitar 720 dan 780 cm-1, I720+780. Garis pada gambar bukan merupakan suatu fungsi tetapi hanya alat bantu untuk melihat kecenderungan data. Walaupun keduanya berhubungan dengan vibrasi stretching Si-C tetapi kedua absorpsi tersebut merupakan hasil vibrasi dari gugus Si-C yang berbeda, vibrasi stretching Si-C dalam gugus H-Si-C di sekitar 720 dan vibrasi stretching Si-C tanpa hidrogen absorpsi di sekitar 780 cm-1 [8,12]. Berkurangnya parameter B berhubungan dengan peningkatan struktur ikatan Si-C dalam gugus H-Si-C maupun Si-C. Relasi-relasi yang diperlihatkan pada Gambar 3 menunjukkan bahwa berkurangnya harga parameter B, yang berhubungan dengan disorder jaringan amorf, dipengaruhi oleh peningkatan struktur ikatan-struktur ikatan yang terdapat pada lapisan tipis yakni Si-H, Si-C dan C-H. De Cesara [13] hanya menghubungkan peningkatan disorder jaringan amorf dengan bertambahnya jumlah ikatan Si-C pada lapisan tipis a-SiC:H.
81
4.6
NC
NH
4.4 4.2 4.0 3.8 0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
N ( 1022 cm-3 )
Gambar 4. Relasi parameter B terhadap densitas atomik hidrogen NH (•) dan karbon NC (Δ)
pada bulk di sekitar 2000 cm-1 yang memberikan pengaruh yang berbeda.
Ucapan Terima Kasih Penelitian ini terlaksana atas dukungan hibah tim penelitian proyek URGE Batch III dengan nomor kontrak 005/HTPP-III/URGE/1997 serta kerja sama International Bureau of BMBF (Germany) dengan Universitas Indonesia (Indonesia).
Daftar Acuan [1] R.A. Street, Phys. Rev. B 44 (1991) 10610. [2] Patrick R. Mc.Curdy, Jason. M. Truiit, Ellen R. Fisher, J. Vac. Sci. Technol.A 17(1999) 2475. [3] W. Beyer, H. Wagner dan H. Mell, Mat. Res. Soc. Symp.Proc. 49 (1985) 189. [4] Y. Hishikawa, N. Nakamura, S. Tsuda, S. Nakano, Y. Kishi, Y. Kuwano, Jap. J. Appl. Phys. 30 (1991) 1008. [5] J. Tauc, R. Grigorocivi, A. Vancu, Phys. Stat. Sol. 15 (1966) 627. [6] Lusitra Munisa, Rosari Saleh, Makara Seri Sains 6 (2002) 46. [7] Rosari Saleh, Lusitra Munisa, Makara Seri B (2000) 54. [8] R. Saleh, L. Munisa, W. Beyer, F. Finger, R. Carius, Physics Journal-IPS 2 (1999) 41. [9] I. Pereyra, M.N.P. Carreño, J. Non-Cryst. Solids 201 (1996) 110. [10] A.R. Zanatta, I. Chambouleyron, Phys. Rev. B 53 (1996) 3833. [11] Rosari Saleh, Lusitra Munisa, Wolfhard Beyer, Physics Journal-IPS 4 (2001) 28. [12] Rosari Saleh, Lusitra Munisa, Jurnal Fisika-HFI A 4 (2002) 0202. [13] G. De Cesare, F. Galluzzi, G. Guattari, G. Leo, R. Vincenzoni, Diam. Relat. Matt. 2 (1993) 773.
82
MAKARA, SAINS, VOL. 6, NO. 2, AGUSTUS 2002
[14] J. Sotiropoulos, G. Weiser, J. Non-Cryst. Solids 92 (1987) 95.
[15] N. Saito, Appl. Phys. Lett. 46 (1985) 61.
