07 erzam - Jurnal FMIPA Unila

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