Pengembangan Spincoater untuk Deposisi - HFI DIY

372
Andi Suhandi / Pengembangan Spincoater untuk Deposisi Lapisan Tipis Semikonduktor dan Penggunaannya dalam
Spincoating Film Tipis GaN
Pengembangan Spincoater untuk Deposisi Lapisan Tipis
Semikonduktor dan Penggunaannya dalam Spincoating Film Tipis GaN
Andi Suhandi dan Yuyu R. Tayubi
Prodi Fisika FPMIPA Universitas Pendidikan Indonesia
Jl. Dr. Setiabudhi No. 229 Bandung 40154
[email protected]
Abstrak – Spin coating merupakan sebuah teknik yang mudah dan efisien untuk mendeposisi lapisan tipis
semikonduktor yang memiliki kualitas baik dan potensial untuk berbagai aplikasi dalam pembuatan piranti elektronik
maupun optoelektronik seperti sensor, fotodetektor dan sel surya. Telah dilakukan desain dan pembuatan alat spincoater
di laboratorium kami untuk deposisi film tipis kristal dan amorphous untuk berbagai aplikasi piranti elektronik maupun
optoelektronik. Alat spincoater terdiri dari sebuah rotor yang menggunakan motor AC sebagai penggerak dengan laju
putaran dapat dikontrol dan divariasikan hingga laju putaran maksimum 3000 rpm. Sebuah dudukan substrat yang
berbentuk piringan melingkar dipasang di atas tiang penyangga yang terhubung dengan rotor. Untuk menjaga agar
substrat tidak terbang saat piringan diputar, pada bagian tengah piringan dudukan substrat dibuat lubang yang
terhubung langsung ke ruang vakum melalui saluran yang dibuat pada tiang penyangga piringan. Ruang vakum
dihubungkan dengan sebuah pompa vakum untuk memompa udara dari dalam ruang vakum. Dengan cara seperti itu
substrat dapat menempel pada piringan tanpa harus menggunakan bahan perekat. Teknik ini memiliki keuntungan
berupa kemudahan dalam pengambilan substrat dari piringan setelah proses pelapisan selesai dilakukan. Berdasarkan
hasil uji penggunaan alat spincoater dalam proses deposisi film tipis GaN, menunjukkan bahwa alat spincoater yang
dikembangkan telah berfungsi dengan baik, menghasilkan film tipis GaN yang memiliki karakteristik fisis cukup baik,
diantaranya memiliki morfologi permukaan yang cukup merata, struktur kristal yang cukup baik, sifat listrik yang
memadai, peka terhadap penyinaran dan sifat optik yang baik ditandai dengan puncak intensitas photoluminescence
(PL) terjadi pada panjang gelombang 3628 Å, yang setara dengan energy gap GaN sebesar 3,42 eV.
Kata kunci : Spincoater, film tipis, semikonduktor, GaN.
Abstract – Spin coating is an easy and efficient technique to grow good quality thin film crystals and amorphous films suitable
for many applications in science in technology namely sensors, filters and solar cells. The design and manufacture of
spincoater and the use it in Gallium Nitride (GaN) thin film deposition on a sapphire substrate have been done. The
Spincoater apparatus consists of a rotor that uses the AC motor drive with the rate of rotation can be controlled and
varied up to a maximum rotation rate of 3000 rpm. A substrate holder is mounted on a circular disc-shaped pillars are
connected to the rotor. To keep the substrate does not fly when the disc is rotating, at the center of the disc substrate
holder made the holes are connected directly to the vacuum chamber through a channel created in the disc poles.
Vacuum chamber connected to a vacuum pump to pump the air from the vacuum chamber. In this way the substrate can
be attached to the disc without having to use adhesive. This technique has the advantage of ease of retrieval of the
substrate after the coating process is completed. Based on the test results in the use of spincoater in GaN thin film
deposition process, indicating that the spincoater function properly, resulting in GaN thin films have a good physical
characteristics, such as having a fairly homogeneous surface morphology, crystal structure is quite good, adequate
electrical properties, sensitive to irradiation and good optical properties are shown by the peak intensity of
photoluminescence spectral occurs at a wavelength of 3628 Å, which is equivalent to the energy gap GaN of 3.42 eV.
Keywords: Spincoater, Thin Films, semiconductor, GaN
I. PENDAHULUAN
Galium
Nitrida
(GaN)
merupakan
bahan
semikonduktor yang memiliki celah pita energi lebar (Eg
= 3,45 eV pada temperatur ruang) dengan struktur celah
pita energi langsung (direct) [1]. GaN dan aloy-nya
(seperti AlGaN dan InGaN) telah banyak digunakan
untuk fabrikasi piranti elektronik dan optoelektronik
berefisiensi tinggi. GaN sangat potensial untuk aplikasi
piranti elektronik yang dioperasikan pada suhu dan
kondisi daya tinggi maupun untuk piranti optoelektronik
yang beroperasi pada daerah spektrum biru dan
ultraviolet (UV). Penggunaannya piranti elektronik dan
optoelektronik yang dibuat dari bahan berbasis GaN telah
sangat luas mulai dari piranti-piranti pada sistem satelit
komunikasi hingga piranti-piranti pada sistem peralatan
untuk survey kebumian yang tidak dapat diakses, display
light emitting diode (LED) berintensitas tinggi, dan unit
penyimpan data optik dengan kapasitas penyimpanan
jauh lebih tinggi dari yang telah difabrikasi sebelumnya.
Selain itu, transistor yang dibuat dari bahan berbasis grup
III-nitrida dapat dioperasikan pada temperatur dan
kondisi daya yang lebih tinggi dibanding piranti sejenis
yang dibuat dari bahan Silikon, bahan paduan II-IV, atau
bahan paduan III-V lainnya seperti GaAs, hal ini
dikarenakan celah pita energi GaN lebih lebar, ikatan
kimia unsurnya lebih kuat, dan adanya sifat relative
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Andi Suhandi / Pengembangan Spincoater untuk Deposisi Lapisan Tipis Semikonduktor dan Penggunaannya dalam
Spincoating Film Tipis GaN
chemical inertness dari bahan ini [2−7]. Film tipis GaN
berkualitas tinggi telah berhasil dideposisi di atas
berbagai substrat dengan menggunakan berbagai teknik
deposisi. Beberapa di antaranya adalah teknik
metalorganic vapor phase epitaxy di atas substrat GaN
[8], teknik plasma-assisted molecular beam epitaxy di
atas substrat Al2O3 [9], teknik metalorganic chemical
vapor deposition di atas substrat Al2O3 dan substrat
Silikon [5, 10, 11], teknik sputtering di atas substrat
Al2O3 [12], teknik pulsed laser ablation deposition di atas
substrat Al2O3 [7], teknik nebulized spray pyrolysis dan
sol-gel spincoating di atas substrat Al2O3 dan Silikon
[13]. Meskipun, kualitas film tipis GaN hasil deposisi
dengan teknik spincoating tidak bisa dibandingkan
dengan hasil deposisi dengan MOCVD and MBE, baik
dalam hal morfologi permukaan maupun sifat optiknya,
tetapi teknik ini sangat sederhana dan murah biaya
operasionalnya. Melalui proses optimalisasi kondisi dan
parameter deposisi dimungkinkan untuk mendapatkan
film tipis berkualitas baik dengan menggunakan teknik
ini. Untuk kepentingan deposisi film tipis semikonduktor
di laboratorium kami telah dikembangkan alat
spincoating. Alat spincoating yang dibuat telah diujicoba
untuk mendeposisi film tipis GaN di atas substrat
sapphire. Paper ini memaparkan konstruksi alat
spincoating yang telah dikembangkan dan hasil-hasil uji
penggunaannya dalam mendeposisi film tipis GaN.
II. INSTRUMENTASI UNTUK SPINCOATING
Untuk keperluan eksperimen deposisi film tipis bahan
semikonduktor telah dikembangkan alat spin coater,
yang dirancang dan dibuat di laboratoroum kami. Alat
spincoater yang dibuat terdiri dari sebuah rotor yang
menggunakan motor AC sebagai penggerak dengan laju
putaran dapat dikontrol dan divariasikan hingga laju
putaran maksimum 3000 rpm. Sebuah dudukan substrat
yang berbentuk piringan melingkar dipasang diatas tiang
penyangga yang terhubung dengan rotor. Untuk menjaga
agar substrat tidak terbang saat piringan diputar, pada
bagian tengah piringan dudukan substrat dibuat lubang
yang terhubung langsung ke ruang vakum melalui saluran
yang dibuat pada tiang penyangga piringan. Ruang
vakum dihubungkan dengan sebuah pompa vakum untuk
memompa udara dari dalam ruang vakum. Dengan cara
seperti itu substrat dapat menempel pada piringan tanpa
harus menggunakan bahan perekat. Teknik ini memiliki
keuntungan berupa kemudahan dalam pengambilan
substrat dari piringan setelah proses pelapisan selesai
dilakukan. Rancangan dan alat spincoating hasil
pengembangan ditunjukkan pada Gambar 1.
III. METODE PENELITIAN
Dalam penelitian ini film tipis GaN dideposisi dengan
teknik spin-coating menggunakan gel gallium-citrateamine dan gas Nitrogen. Kristal gallium-citrate-amine
memiliki formula kimia (NH4)3[Ga(C6H5O7)2] 4H2O.
Kristal ini dipreparasi dengan cara yang sama seperti
yang telah dilakukan oleh Sardar [13]. Serbuk kristal
dilarutkan dalam ethylenediamine (1:3, w/v) untuk
mendapatkan larutan bening, yang dapat bertahan hingga
lebih dari 200 hari. Larutan ini digunakan untuk deposisi
373
film tipis GaN dengan teknik spin-coating di atas substrat
kristal tunggal Al2O3 (0001). Substrat sapphire (Al2O3)
diletakkan di atas spincoater. Satu hingga dua tetes
larutan ditempatkan di atas substrat sapphire dan
kemudian substrat diputar pada laju putaran 1500 rpm
selama 2 menit. Lapisan gel yang terbentuk kemudian
dikeringkan pada suhu 373-423 K di atas hot plate,
setelah itu dilakukan proses dekomposisi pada 673 K
untuk mengeliminasi komponen-komponen organik pada
lapisan.
(a)
(b)
Gambar 1. (a) Rancangan alat spincoating;
(b) Alat spincoating hasil pengembangan.
Film hasil dekomposisi kemudian ditempatkan pada
programmable furnace untuk proses deposisi.
Temperatur furnace dinaikkan secara perlahan hingga
mencapai 1223 K dari suhu ruang dengan laju
peningkatan suhu 10 K/min, selama proses peningkatan
suhu furnace kedalamnya dialirkan nitrogen ultra high
purity (UHP) dengan laju aliran yang konstan. Suhu
furnace ditahan 1223 K selama 3 jam untuk deposisi film
tipis GaN. Setelah itu suhu furnace diturunkan kembali
hingga mencapai suhu ruang untuk mendapatkan film
tipis zat padat Galium Nitrida (GaN).
Struktur kristal film tipis GaN dikarakterisasi dengan
X-ray diffraction (XRD), morfologi permukaan film
dicitra dengan menggunakan scanning electron
microscope (SEM), sifat listrik film tipis GaN
diinvestigasi menggunakan efek Hall Van der Pauw
semi-otomatis pada temperatur ruang untuk menentukan
tipe semikonduktor, mobilitas dan konsentrasi pembawa
muatan, dan sifat optik film GaN diinvestigasi dengan
spektroskopi
transmitansi
UV-Vis
dan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Andi Suhandi / Pengembangan Spincoater untuk Deposisi Lapisan Tipis Semikonduktor dan Penggunaannya dalam
Spincoating Film Tipis GaN
Photoluminescence (PL) pada temperatur ruang untuk
menentukan celah pita energi (Eg) film GaN hasil
deposisi.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 2 menunjukkan pola difraksi sinar-X dari
film GaN hasil deposisi spincoating pada temperatur
1223 K. Dari Gambar 2 dapat dilihat bahwa film tipis
GaN hasil deposisi memiliki orientasi polikristalin, pada
arah-arah bidang orientasi (1010), (0002), dan (1011).
Namun demikian orientasi bidang kristal yang muncul
dominan pada arah (0002) sejajar dengan orientasi bidang
kristal substrat sapphire, hal ini ditunjukkan oleh puncak
intensitas pola difraksi untuk bidang (0002) jauh lebih
tinggi dari puncak intensitas pola difraksi untuk bidangbidang lainnya (1010) dan (1011).
2.5e+15
#C
2.0e+15
1.5e+15
1.0e+15
5.0e+14
300
200
Eg = 3,46 eV
0.0
1
0
35
40
3
4
Gambar 4. Spektrum transmisi dari film tipis GaN.
100
30
2
hv (eV)
45
50
55
60
65
70
2-Theta (derajat)
Gambar 2. Pola difraksi sinar-X film tipis GaN hasil deposisi.
Gambar 3 menunjukkan morfologi permukaan film
tipis Gan yang dideposisi di atas substrat sapphire. Dapat
dilihat bahwa kualitas morfologi permukaan film tipis
GaN masih relatif rendah, permukaan film tipis masih
tampak kasar. Namun demikian film tipis GaN yang
terbentuk sudah cukup homogen menutupi seluruh area
substrat dengan cukup merata.
Gambar 5 menunjukkan spektrum PL dari film tipis
GaN hasil pengukuran photoluminescence pada
temperatur ruang. Tampak bahwa puncak spektrum PL
terjadi pada panjang gelombang 3628 Å. Panjang
gelombang ini bersesuaian dengan energi sebesar 3,42
eV. Hal ini menunjukkan bahwa film tipis GaN hasil
deposisi memiliki lebar celah pita energi sebesar 3,42 eV,
cukup dekat dengan nilai celah pita energi hasil
pengukuran dengan spektroskopi UV-Vis.
1,4
3628 Å
1,2
Intensitas PL (a.u)
GaN (1010)
400
GaN (0002)
GaN (1011)
500
Sapphire (0002)
600
(Intensitas ) a.u)
tersebut dapat ditentukan nilai celah pita energi film tipis
GaN dengan metode Tauch-Plot. Dengan metode ini
diperoleh bahwa film tipis GaN hasil deposisi memiliki
lebar celah pita energi sebesar 3,46 eV, sesuai dengan
nilai celah pita energi untuk bahan GaN yang tertera
dalam buku-buku referensi.
(hvα)2
374
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
3300
3400
3500
3600
3700
3800
3900
Panjang Gelombang (Å)
Gambar 5. Spektrum photoluminiscence (PL) film tipis GaN.
Gambar 3. Morfologi permukaan film tipis GaN.
Gambar 4 menunjukkan spektrum transmisi cahaya
tampak-ultraviolet pada film tipis GaN hasil pengukuran
spektroskopi UV-Vis. Berdasarkan data spektrum
Gambar 6 menunjukkan karakteristik I-V dari sistem
kontak GaN-Alumunium. Kelinieran dari kurva I-V
menunjukkan bahwa kontak antara metal alumunium dan
semikonductor GaN membentuk kontak ohmik,
sebagaimana yang diinginkan. Berdasarkan hasil
pengukuran efek Hall van der Pauw, diperoleh bahwa
film tipis GaN hasil deposisi merupakan semikonduktor
bertipe-p. Semikonduktor tipe-p ini terbentuk akibat
terjadinya kekosongan nitrogen (nitrogen vacancy) pada
kristal GaN. Mobilitas dan rapat pembewa muatan pada
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Andi Suhandi / Pengembangan Spincoater untuk Deposisi Lapisan Tipis Semikonduktor dan Penggunaannya dalam
Spincoating Film Tipis GaN
film tipis GaN hasil deposisi berturut-turut sebesar 38
cm2/V.s dan 1×1019 cm-3.
0.08
0.06
Current (A)
0.04
0.02
0.00
-0.02
375
[6] M. A. Khan, J. N. Kuznia, A. R. Bhattarai, D. T. Olson,
High electron mobility transistor based on a
GaN AlxGa1−xN heterojunction Appl. Phys. Lett., 9
(1993) 1214.
[7] D. Rusdiana, A. Suhandi, S. Karim, Sukirno, M. Budiman,
M. Barmawi, Growth of GaN thin films by pulsed laser
deposition and its application on ultraviolet detectors,
ISTEC Journal, VI (2004) 35-44.
[8] T. Detchprohm, K. Hiramatsu, N. Sawaki, I. Akasaki,
1991, The homoepitaxy of GaN by metalorganic vapor
phase epitaxy using GaN substrate, J. Cryst. Growth, 137
(1991) 171
[9] S. Yoshida, S. Misawa, S. Gonda, Improvements on the
electrical and luminescent properties of reactive molecular
beam epitaxially grown GaN films by using AlN coated
sapphire substrates, Appl. Phys. Lett., 42 (1983) 427.
[10] Sugianto, R. A. Sani, P. Arifin, M. Budiman, M. Barmawi,
2000, Growth of GaN films on a-plane sapphire substrate
by plasma assisted MOCVD, J. Cryst. Growth, 221 (2000)
311.
[11] T. Takeuchi, H. Amano, K. Hiramatsu, N. Sawaki, I.
Akasaki, 1991, Growth of single crystalline GaN film on
Si substrate using 3C-SiC as an intermediate layer, J.
Cryst. Growth, 115 (1991) 634.
[12] H. Okano, N. Tanaka, Y. Takahashi, T. Tanaka, K.
Shiabata, S. Nakano, Preparation of aluminum nitride thin
films by reactive sputtering and their applications to GHzband surface acoustic wave devices, Appl. Phys. Lett., 64
(1994)166
[13] K. Sardar, A. R. Raju, G. N. Subbanna, Epitaxial GaN
films deposited on sapphire substrates prepared by the solgel method, Solid states communications, 125 (2003) 355358.
‐
‐
-0.04
-0.06
-10x10-6
-5x10-6
0
5x10-6
10x10-6
Voltage (V)
Gambar 6. Kurva I-V dari sistem kontak ohmik GaN/Al.
Terbentuknya kristal padat lapisan tipis GaN dari
hasil deposisi spincoating dan sifat-sifat fisisnya yang
memadai menunjukkan bahwa temperatur deposisi
sebesar 1223 K telah cukup optimal untuk
mendekomposisi molekul gas N2 menjadi atom-atom
Nitrogen (N) yang reaktif. Semakin banyak atom-atom
Nitrogen reaktif terbentuk maka akan lebih banyak
terbentuk ikatan Ga-N. Sebagai hasilnya, kekosongan
Nitrogen dalam kristal GaN dapat direduksi. Temperatur
deposisi yang optimal juga dapat mensuplai energi untuk
proses-proses ikatan Ga-N dan ikatan GaN-substrat.
Sehingga pembentukan kristal film tipis GaN dapat
terjadi secara lebih baik.
V. KESIMPULAN
Telah berhasil dikembangkan alat spincoating dengan
sistem pemegang substrat pada spincoater menggunakan
sistem vakum. Hasil uji penggunaan alat spincoater
dalam proses deposisi film tipis GaN, menunjukkan
bahwa alat spincoater yang dikembangkan telah berfungsi
dengan baik, menghasilkan film tipis GaN yang memiliki
karakteristik fisis cukup baik, diantaranya memiliki
morfologi permukaan yang cukup merata, struktur kristal
yang cukup baik, sifat listrik yang memadai, peka
terhadap penyinaran dan sifat optik yang baik ditandai
dengan puncak intensitas photoluminescence (PL) terjadi
pada panjang gelombang 3628 Å, yang setara dengan
energy gap GaN sebesar 3,42 eV.
.
PUSTAKA
TANYA JAWAB
Anonim
? Berapa harga subtrat sapphire (Al2O3) di pasaran? Di
mana membelinya?
Andi Suhandi (UPI)
@ Tergantung ukuran diameternya, harganya biasanya
dalam dolar amerika. Bisa dibeli di beberapa supplier,
cek saja internet. Biasanya order dari USA, China,
atau yang lain. Yang pernah dibeli 170 USD/10
keping ukuran diameternya 2,5 inchi, suppliernya
nanocs.
[1] O. Madelung, Semiconductor Basic Data, 2nd edition,
1996.
[2] S. Nakamura, M. Senoh, T. Mukai, 1991, High-Power
GaN P-N Junction Blue-Light-Emitting Diodes, Jpn. J.
Appl. Phys., 30 (1991) L1998.
[3] M. Razeghi and Rogalski, Seniconductor ultraviolet
detectors, A., J. Appl. Phys. 79 (1996) 10.
[4] E. Monroy, F. Calle, F, J. L. Pau, E. Munoz, F. Omnes, B.
Beaumont, P. Gibart, Application and performance of GaN
based UV detector, Phys. Stat. Sol. (a),185 (2001) 91.
[5] S. Nakamura, Y. Harada, M. Senoh, Novel metalorganic
chemical vapor deposition system for GaN growth Appl.
Phys. Lett., 58(18) (1997) 2021.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823