- ePrints Sriwijaya University

KOMUNIKASI FISIKA INDONESIA
DAFTAR ISI
Penanggung Jawab:
Laser Diode PigtailingAnd Packaging Using
Nd: Yag LaserWelding Technique
Ketua Jurusan Fisika FMIPA Unri
Hal2(B-211
rFadhali t A, 2Saktioto.
rlnstitnte of advanced Photonic Sciences,
Facult5r of Science
Universi{r Technotogi Mala5rsia
8 lSf O Skudai, Johor,Mala5rsia
2Jurusan Fisika FUIPA Universitas Riau
Pekanbaru
Dewan Editor:
Prof. Drs. Farid Kasmy
Prof. DR. Dadang lskandar, M.Sc.
Prof. Yohannes Surya, PhD
DR. Tang Anthoni
DR. Yanuar, M.Si
DR. MitraJamal
Coupling Ratioand PowerTransmissinn to Core and
Cladding $ructure for a Fused Single Mode Fiber
Hal2(R-212
Sattioto
Advance Optics and Photonics Technologr
Center {AOPTC), Physics Departrnent
Science Faculty, Universiti Telarologi
Malaysia [_fnvl)
8f 3lO Skudai, Johor Bahru, Malaysia
Tel.O7-55341 rO" Fax O7-5566162, email:
[email protected]
Penyunting Pelaksana:
Saktioto, S.Si, MPhil
T. Emrinaldi, S.Si, M.Si
Rachmawati Farma, S.Si, M.Si
Analisa SebaranAquiper Untuk Menentukan
Gerakan Tanah Dengan Metoda Geolistrik
TahananJenis
(S:tudi Kasus: Longsor di Desa Payung Sari
Kabupaten Ciamis)
Hal 213 - 217
UUhernrnad NOr
Junrsan Fisika, Fatultas Kegpnran dan
Ilmu Pendidikan IrllIRI, Pekanbaru
Redaksi mengundang dan membuka diri
terhadap para pembaca terhormat yang
bersedia menulis artikel untuk jurnal ini.
Analisis Numedk Pengaruh Bentuk dan Ukuran
Quantum Dot SemikonduktorTerhadap Keadaan
EnergiElektron
Hal218-222
Idha Royani, Flstri S Arqrad, Fiber Uonado
Jurusan Fisita FUIPA Universitas Sriwijaya
Alamat Redaksi:
Jurusan FMIPA Universitas Riau
Eliminasi efek injeksisteam pada data seismic
3Dmonitodng
Pekanbaru Telp (0761) 63273
Hal223-226
Nur fslarni
Departmentof Geologr
Facult5r of Science
Universit5r of Malaya 5(}6()3
Kuala Lurnpur, Mala5rsia
7o4it 6 &/a'4 ozlali
CATATAN KOMUNIKASI FISIKA
INDONESIA
Kampus Bina Widya Km 12,5 Simpang Baru
Analisis Numerik Pengaruh Bentuk dan Ukuran Quantum Dot
Semiko nd u kto r Terhadap Keadaan E nergi Elektro n
ldha Ro1'ani, Fistri SArsy'ad, Fiber Monado
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sri',vijaya
Abstract
In this article we present a model for studying the effect of tire sizes and shapes of small semiconductor quantum dots on the
elecfron and hole enetgy states. We solve the three-diinentional Schrodinger equation for semiconductor quanhrm dots u,ith
cylindrical and conical shapes. Electron and hole energy states decreased ifQD volume increased. Electron and hole energy
states of the cylindrical QD is higher and sensitively on the volume shift than conical QD. Whereas, probability of density of
state of electron in the cylindrical QD is higher (0,4%) than conical QD.
Key words: Quanturn Dot, Numerical model, semiconductor
PENDAHLTLUAN
T.7
memperkuat dan nrempertegas analisis hasil eksperimen
emajuan teknologi yang pesat
di bidang fabrikasi
Nifi"*.'^H'J;f*Tn'ffi l'#;Jl*11y":":
ukuran QD terhadap keadaan energi elektron dan hole.
semikonduktor (Binberg, 1999 & Nakamura, 1998). Quanhrm
Quantum Dot(QD) Semikonduktor
berpotensi untuk aplikasi divais elektronik maupun
optoelektronik, diantaranya adalah quantum dot (QD)
dot adalah struktur material semikonduktor generasi baru yang
ini
.
Berdasarkan tuj uan tersebut, maka dalam penelitian ini penuli s
mencoba menganalisis secara numerik pengaruh bentuk dan
TINJAUANPUSTAKA
Konsep QD semikonduktor pertama kali
sangat intensif dipelajari dan dikembangkan
(Morkoc,200 I & Arakaw4 2002). Keunikan stuktur iru adalah
dikemukakan oleh Arakawa dan Sakaki pada rahun 1982. QD
terdiri dari kumpulan molekui-molekul semikonduktor dalam
ulirran nano, di mana molekul-molekul semikonduktor tersebut
merupakan potens ial kurungan(cory'i ne nte nt ) bagi pembar,va
muatan (elektron dan hole). Keadaan ini menghasilkan
tingkat-tingkat energi diskrit bagi elektron dan hole. Berbeda
dengan 6ulk semikonduktor yang memiliki struktur pita pada
tingkat energi elektroniknya.
Kehadiran QD telah memberikan prediksi dan topik
baru di bidang fisika semikonduktor untuk pengenrbangan
aplikasi divais-divais baru seperti transistor elektron tunggal
dan laser quantum dot (Arakawa, 2002). Aplikasi quantum
molekul semikonduktor dalam ukuran nano (gambar
saat
disebut material nol dimensi karena terdiri dari kumpulan
1).
Molekul semikonduktor tersebut berfungsi sebagai potensial
kurungan (conJinentent) bagi elektron dan hole dan menahan
mereka bermigrasi nlenuju pusat rekombinasi non radiativ.
GaN QD
lsnt
dot pada dioda laser diharapkan mampu meningkatkan unjuk
kerja divais. Quantum dot diyakini sangat efektif mereduksi
ams ambang (I*) dioda karena QD mampu menahan pembar.r,a
untuk berrnigrasi menuju pusat rekombinasi non radiatif
(Morkoc,2001)
Meskipun demikian, disamping keunikan dan
keunggulan sifat optik dan elektronik yang dimiliki QD
dibandingkan dengan bulk material, ada permasalahan yang
cukup signif,rkan dihadapi QD dalam aplikasinya pada divais
laser yaitu pelebaran spektral pada
spektrum
photoluminescence (PL) QD(Ramvall, 2000). Pelebaran
spektral ini disebabkan karena pada kurnpulan QD, bentuk
dan ukuran fiap-tiap QD tidak uniform. Bentuk dan rrkuran
QD yang tidak uniform akan rnenyebabkan intensitas PL dan
energi radiasi elektron dan hole berbeda satu sama lair"r,
akibatnya spektrum emisi yang terdeteksi nrengalarni
pelebaran spektral karena tidak saling menguatkan. Konc{isi
ini sangat tidak menguntungkan apabila QD diaplikasikan
pada divais laser.
Anahsis di atas adalah karakteristik PL QD hasil
ekspe rirnen ,vang telah dilakukan Ramvall dkk. Analisis teor i
!p/-nrq
n"ft.p.;1-
lla'-rt
.{il^1.-,'1.^,.
l-,...^,,
+,,i,,--,,.-r,,1-
Gambar
l. Karakteristik QD GaN pada
permukaan
AlGaN.(Ramvall, 2000 & Thnaka, 2002)
QD dise but juga dengan nama atom-atom artificial,
karena sifafnya yang menyerupai sifat atom. Elektron-elektron
terkurung dalam ruang 3-D dan menduduki tingkat-tingkat
energi diskrit yang menggambarkan energi dasar, energi
teleksitasi pertama, kedua, dan seterusnya (Eo, E,. Er, ...).
Tingkat-tingkat energi elektron dan iiole tersebut diperoleh
dengan memecahkan persamaan Schrodinger 3-D. Pernecahan
persamaan Schrodinger untuk kasus ini adalah dalam
forrnalisme elektron clan hole yan_q terperangkap dalam
potensial penghalang 3-D. I-larniltonian sistern diberikan oleh
persamaan berikut,
,1\
u-'!vl
r'
' lo ir'(r.)
t''|,,,rf.r1)"'''t
(l)
t)intana V, adalah gradient n_rarg. nr(E,r) adalah
r-nassa
efektifelektrolt vang bergantung pada enerei E dan posisi
r.
t
ie=
p!{
)
z
?G.'it - q-*
2. memperlihatkan perbedaan intensitas PL yang cukup
fungsi
signifikan antara QDGaN dengan bulk GaN sebagai
E*
'
Ei't)' " (2)
EJi iv;
ternperatur.
: E"(r ) adahnpotensial penghalang dan ErG. ) '
gap' spinni a, a^"ig ; ilsrng-masing menyatakan energi
bergantung
elektron
pita
tepi
valensi
'lan
oilt auU*pita
dimana
v(
r)
posisi, sedangkan P adalah elemen
matriks momentum'
Unnik QD beftfltuk silinder, pemecahan persamaan
silinder
Schrorlinger tiga dirnensi dalam sistem koordinat
berikug
dinyatakan oleh persarnaan
o' (!-* a *4-llo,1n.,lr((R.:)o,(R.a)=Eo,(R'z) ..(3)
- zm,(nlaR'
RaR ai- x- )
dan Vr(R? :5
dirrana V,(R z) :'0 (i: 1) di dalampotensnl
lt :
<D,(R'z)
Zt aifL potensial, dengan syarat batas adalah
o,(R z), z: ry R) dar',
t (ao,{a.') ale'(el)-r,.
r (m,!4.ztr![,g$f.l.
-dRa'
a
,x
,q(ef
2r*'=-l.-A--dn
:
...(4)
Tentu saja, solusi persamaan Schrodinger pada
sisteminimemerlukanpemecahanmaternatikayangsulit
Jrp""uttu"
secara analitik. oleh karena ihr dalam penelitian
informasi
i.ri, u.rutiru numerik dilakukan untuk mendapatkan
sistem'
elektron
nilai eigen energi dan firngsi gelombang
cacat
Pada divais laserberbasis bulk semikonduktor'
non
rekombinasi
proses
pada material dapat menimbulkan
hole)
dan
(elekffon
radiativ dari pemLawa-pembawa muatan
divais
yang sangatiidak menguntungkaa bagi-unjuk kerja
kemungkinan
i*rJ. Qd t"mikonduktor dapat memperkecil
muatan
tersebui karena fungsinya dapat menahan pembawa
Kondisi
radiativ'
bermigrasi menuju pusat rekombinasi non
ini dalat mereduksi arus ambang dioda laser apabila QD
pada divais laser' (Morkoc, 200 1 )
diaplikasikan
- '
Arus ambang (I*) adalah arus forward dc minimum
laser
yang diterapkan untuk minaikkan daya out put cahaya
dan dinyatakan oleh persamaan berikut ini
I,n =
eYn
,^
I
al
F
cl
t6]
Ff
e
P{
3.S?
eV{Q.D.l
3.2 ev IQ.B.l
a' .3.50 eV [GaH buffer]
ti--E-
4'[ 6o
8o
1{10
r03rT{K-1}
Gambar 2. Ketergantungan terhadap temperatur
dari intensitas PL QD dan bulk GaN
(Morkoc,2001)
Dari gambar terlihat bahwa kenaikan temperatur
pada bulk
menghasilkan lerubahan intensitas PL yang besar
yang
GaN
dengan
QD
dibandingkan
CaN lCuN Uufferl
bahwa
menunjukkan
ini
Hal
cenderung konstan.
kecil
ketergantuigan struktr-rr QD terhadap temperahrr lebih
stabil dari
aiUarlaingtan bulk GaN" dengan kata lain QD lebih
divais
kerla
unjuk
meningkatkan
ini
pada bulk. Keuntungan
lare, kurena ketergantungan divais terhadap temperafur
berkurang.
Pada dioda laseq QD berfungsi sebagai lapisan aktiv
yang dapat menghasilkan emisi foton hasil dari proses
."t i*Ui.,uti radiativ elektron dan hole' Gambar
3
memperlihatkan skema keadaan energi dioda laser QD
:
(5)
dimana
e : muatan elektron
V:
vohrmelaPisanaktiv
n*: rapatPembawaPadakeadaan
ambang
t
: lifetirrePedawa
Dari persamaandi atas terlihatbahwa arus ambang rendah
Tipe-n
AIGaI{
GiN
dapat dicaPai dengan cara:
. .t*"g*""gi volurre (V) lapisan aktiv, (aplikasi QD)
. -.oir,gt tkuojurnlahrapatpernbawa(n*),dan
r meningkatkan life tirne (r)Karalrteristik Optik dan Listrik QD Semikondukto r
Studi eksperimen dan teori QD semikonduktor telah
menumbuhkan
banyak dilakukan- Beberapa grup telah berhasii
(MBE)
epttaxy
struktur ini dengan metode molecular beam
depositiort
(Sen, 1998) dan menl organic chemical vapor
Ramvall' 2000, & Tanaka' 1996)'
Gambar 3. Skema energi dioda laser QD
Dalam aplikasinya pada divais temperatur ruang'
persyaratan penting yang harus dipenuhi QD adalah
:
if*,fOCVOl Gulorkoc,2001'
Potensial yang terlokalisasi cukup besar dan ukuran QD
harus kecil. Hal ini merupakan syarat untuk mengamati
efek confinernenl nol dimensi.
Gambar
kerja divais laser dibandingkan dengan bulk material'
kerapatan yang tinggi.
Tidak memiliki cacat seperti riislocation'
Hasil analisis sifat optik dan listrik menunjukkan bahr'va
unjuk
struktur QD ini berpotensi besar dalan meningkatkan
Memiliki ukuran dan bentuk yang uniform dengan
zt9
Mencari solusi persanraan Schrodinger dalam sistrn
Pengaruh bentuk. ukuran dan uniforrnitas QD terhadap
intensitas PL dan spektrurn energi diperlihatkan seperti
pada gambar 4. berikut ini.
koordinat silinder
Perumusan harga eigen energi elektron dan hole
kedua sistem di atas
dalm
Perhitungan harga eigen energi dan fungsi keadam
elektron dan hole kedua sistem di atas.
T=S0 K
20 nm
Secara garis besar, skematik tahapan metode korrputci
yang di gunakan dituniukkan seperti pada diagram alir berikrl-
7f21nm
Flowchart Perhitungan Nilai Eigen.Energi dan Fungsr
J
Software yang digunakan adalah FEMLAB 2.1
lt
rd
3.5110 nm
.a
tt!
.
Gelombang Elektron-Hole dalam Sistem QD Silinder
Kerucut-
dn
{,
{-,
J
[L
3.40 3.45 3.50 +.$5 3.60
Photon efrigyteVl
3.65
Gambar 4. Spektrum PL QD dengan tiga ukuran yang
berbeda (Ramvall, 2000)
Penurunan intensitas PL dan peningkatan energi
spektrum dengan puncak PL yang melebar terjadi jika ukwan
QD menurun. Hal ini disebabkan karena semakin kecil ukuran
QD, efek flukruasi ukuran QD semakin besar dan tekanan
terhadap eksiton semakin kuat. Fluktuasi ukuran QD yang
besar menghasilkan perubahan yang besar pada posisi
intensitas PL dan energi foton karena intensitas PL dan energi
foton masing-masing QD tidak saling menguatkan, dan hal
ini merupakan permasalahan utama dioda laser. Analisis di
atas adalah analisis eksperimen yang telah dilakukan( Sen,
1998, Morkoc ,2001, Ramvall, 2000, & Tanaka, 1996). Dalam
penelitian ini, penulis mencoba mempertegas analisis tersebut
dengan melakukan analisis teori secara numerik untuk melihat
pengaruh bentuk dan ukuran QD terhadap keadaan tingkat
energi dan fungsi gelombang elektron.
QD yang disimulasikan dalam penelitian ini
berbGr
gallium nitrida (GaN) dengan bentuk silinder dan kerdMasing-masing bentuk disimulasikan dengan mengub{
volume untukmelihat pengaruhnya terhadap keadaan ffiCi
elektron-hole dan firngsi gelombangnya. Perubahan,rirglcl
energi dasar' elektron"dan,hole sebagai fungsi volurtr @
GaN silinder dan kerucut diperlihatkanpada gambar
ini.
6beril
0.5
4.4
METODEI./OGI PENELITIAN
Metode dalam penelitian
}IASILDANPEMB,AHASAN
ini
adalah metode
komputasi dengan tahapan sebagai.berikut:
. Pemodelan bentuk dan ukuran quantum dot dengan
bentuk a) Silinder dan b) kerucut.
o
r!
o.3
E,
L
a-2
L
.D
.E
o
trJ
0.1
0,0 ;--
0
500 1000 1500
2000 2500 30oo 35OO
Volume QD{nm3)
(a)
Gambar6
Uambar ). a) qD Sllmder b) QD Kerucul
22A
4frt O
Gambar 7(a) dan (b) masing-masing memperlihatkan
o.7
pertandingan tingkat energi dasar elektron dan hole antara
QD GaN silinder dan kerucut. Dari gambar terlihat bahwa
keadaan energi bentuk silinder lebih tinggi dan lebih sensitif
terhadap perubahan volume dibandingkan dengan trentuk
kerucut, dan menjadi konvergen pada volume besar. Hal ini
disebabkan karena pada volume kecil, potensial dan fungsi
ge lombang e lektron-hole bentuk silinder terlokalisasi leb ih
besar dan terikat lebih kuat dibandingkan dengan bentuk
0.6
o
0-5
(E
0.4
th
li'
E
'o,
0.3
o
o.2
E
rrj
0.1
0_o
o sfi) 100 150 2N 25A 300 350 400 450
00000000
probabilitas masing-masing 0,4%o dan 0,3%. Probabilitas
menemukan elektron pada QD silinder lebih besar
dibandingkan dengan benhrk_kerucut. Hal ini menunjukan
Volume QD {nm3}
.
kerucut. Gambar 8 memperlihatkan fungsi gelomtrang elektron
QD GaN silinder dan kerucut pada volume 160 nmr dengan
bahwa QD silinder lebih ronfinement dibandingkan kerucul
(b)
Gambar 6. Tingkat energi dasar e lektron-hole
QD GaN sebagai fungsi voiume QD.
(a) silinder. (b) kerucut
&
Masing-masing gambfbaik QD GaN silinder maupun kerucut
memperlihatkan kecendrungan yang sama yaitu kenaikan
volume QD akan menumnkan tingkat energi elekfon dan hole.
Seperti dinyatakan dalam persamaan ( 1), energi elektron dan
hole berbanding terbalik terhadap lebar sumur quantum (L*,
L",L"). Semakin besar volume dol maka semakin kecil level
energi elektron dan hole- Dari gambar juga terlihat bahwa,
tingkat energi dasar elektron lebih besar dibandingkan dengan
tingkat energi dasar hole. Hal ini disebabkan karena pada
material GaN nassa efektif elektron lebih kecil dibandingkan
dengan rrnssa efektif hole (m" : 0.27m , n\ : 0.8m.).
;I
<
5
_-!
lu
35
lt.5
4.1...,. ....':
3.5J ..r..:
'i.
i
:,-
3
iel.
:1
.-.
.: :
r1.i...,.,
l.t
L-!
:..:.
,
,
j
5
'.,....
:
"'4-\
o.70
6
iid* 0.m16:
:'..1
+r > . : -*:::j*--;--;:;
j
duo
il o5! l5
0.60
:J-
''-ir<+
35{
{55
O50
t
g
o.40
6
g 0.30
o6 o.2o
o
g o.to
(a)
Ul
lde S-!fi3!6
3
r'18
0.00
o
500
100 150 2@ 250 300 350 400 450
00000000
Volume QD (nm3)
" (a)
0.25
o
o
0.20
0 0.15
F
6
6
0.10
'Er
o 0.05
ut
0.00
0
500 100 150 200 2s0 300
000000
'
350
400 450
00
(b)
Volurne QD(nm3)
(b)
Gambar 7. (a) Tingkat energi dasar elektron
sebagai fungsi volume QD GaN.
(b) Tingkat energi dasar hole sebagai
fungsi volume QD GaN
Gambar 8. Fungsi gelombang elecfron (a) QD
GaN silindel (b) QD GaN kerucut.
Masing-masing pada volumel60 nmr
221
KESIMPTN-AN
2.
DAITTARPUSTAKA
Kenaikan volume QD akan menurunkan tingkat energi
elekfron dan hole
Keadaan energi QD bentuk silinder lebih tinggi dan lebih
sensitif terhadap perubahan volume dibandingkan
dengan bentuk kerucut, dan menjadi konvergen pada
volume besar.
Fungsi gelombang elektron pada QD silinder lebih besar
Q.4%) dibandingkan dengan benruk kerucur (0.3%t.
D. Bimberg. et. a1.,1999, Quantum Dot
Heterosttacntres-lt
Wiley & Sons Ltd.
H. Morkoc, et. a1.,2001, Growth and investigation of
Gffi
AIN quantunt dot, .. Mat. Res. Soc, Syrnp.
P. Ramvall, et.al., 2000, Optical properties of GaN
dots, Journal ofApply. Phys
Royani, Idha- et.al, 2001, Analisis numerik pengaruh bent*
dan ukuran qunatum dot setnikonduktor terhadqt
keadaan energi elektron, Laporan penelitian
Muda Dikti Depdiknas.
Dmtr
Tanaka, et. al. 1996, Self-assembling GaN euantum dotn
AIGaN surfaces using a surfaciant, Apply. phys. Leu
S. Nakamura .,1998,III * y nitride based short-wavelengrt
LE Ds and LDs,Clarendoh pres, Oxford.
Xu-Qiang Shen, et. a1.,1998,_Ihefonnatio,iof GaN quonam
S.
dot on AIGaN surface using Si in gas-source MBE
Apply.Phys. Lett.
*€
222
Y.Arakawa., 2002,Progress in GaN-Based euantum Dotsfo
Opto electronic s Application, IEEE Journal of selectod
topics in Quantum Electronics