-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
1/87
ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE DC MAGNETRON
SPUTTERING
SKRIPSI
Untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada
Universitas Negeri Semarang
Disusun oleh:
Nama : Nur Aini Handayani
NIM : 4250403022
Prodi : Fisika
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2007
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
2/87
PERSETUJUAN PEMBIMBING
Skripsi ini telah disetujui oleh pembimbing untuk diajukan ke sidang panitia ujian
skripsi.
Semarang, 24 Agustus 2007
Pembimbing I Pembimbing II
Dr. Sugianto, M.Si Sunarno, S.Si, M.Si NIP. 132046850 NIP. 132231404
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
3/87
PENGESAHAN KELULUSAN
Skripsi ini telah dipertahankan dalam sidang ujian skripsi Jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang pada:
Hari : Selasa
Tanggal : 28 Agustus 2007
Panitia Ujian
Ketua Sekretaris
Drs. Kasmadi Imam S., M.S Drs. M. Sukisno, M.Si
NIP. 130781011 NIP. 130529522
Pembimbing I Penguji I
Dr. Sugianto, M.Si Dr. Putut Marwoto, M.S NIP. 132046850 NIP. 131764029
Pembimbing II Penguji II
Sunarno, S.Si, M.Si Dr. Sugianto, M.Si
NIP. 132231404 NIP. 132046850
Penguji III
Sunarno, S.Si, M.Si
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
4/87
NIP. 132231404
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
5/87
PERNYATAAN
Saya menyatakan bahwa yang saya tulis dalam skripsi ini benar-benar hasil karya
saya. Pendapat atau temuan orang lain yang terdapat dalam skripsi ini dikutip atau
dirujuk berdasarkan kode etik ilmiah
Semarang, 24 Agustus 2007
Penulis
Nur Aini Handayani
NIM 4250403022
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
6/87
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
"Hidup adalah perjalanan menuju Tuhan", nikmatilah setiap detik itu dengan kebahagiaan
sebagai rasa syukur atas nikmat-Nya.
”Dan jika kamu memohon kepada Allah azza wa jalla wahai manusia, mohonlah
langsung kehadiratNya dengan keyakinan yang penuh bahwa doamu akan dikabulkan.
Karena Allah tidak mengabulkan doa hambanya yang keluar dari hati yang lalai”.(H.R.
Ahmad)
Kupersembahkan skripsi untuk Allah Swt sebagai bentuk pengabdian dan rasa syukur,
Bapak dan Ibu (sebagai rasa hormat dan terimakasih), Kakak Ririn dan Dik Asri (atas
doa, semangat dan motivasinya), dosen/ guru (atas ilmu yang telah diberikan),
Saudaraku, Sahabatku, serta generasi penerusku.
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
7/87
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi rabbil’alamin, segala puji bagi Allah, Dzat yang menguasai alam
semesta. Atas Berkah dan Rahmat Allah Yang Maha Kuasa, yang telah memberikan
petunjuk dan ilmu pengetahuan pada mahluk-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan
skripsi yang berjudul “Analisis XRD pada film tipis di atas Si (111) yang
Ditumbuhkan dengan Metode dc Magnetron Sputtering”. Shalawat dan salam semoga
tercurah kepada Nabi Muhammad SAW sebagai penunjuk jalan yang haq. Demikian pula
para keluarga, sahabat dan pengikutnya.
N Ga Al x x −1
Bukan tanda syukur penulis dan suatu hal yang tidak patut, apabila dalam
kesempatan ini, penulis tidak menyampaikan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah
memberikan kontribusi dan peluang dalam usaha menyelesaikan skripsi ini. Untuk itu
penulis dengan penuh rasa kebahagian dan ketulusan hati menyampaikan terima kasih
kepada:
1. Dr. Sugianto, M.Si, sebagai dosen pembimbing I yang dengan penuh kesabaran
memberikan bimbingan dalam penulisan skripsi ini,
2. Sunarno, S.Si, M.Si, sebagai dosen pembimbing II yang dengan senang hati
memberikan bimbingan dalam penulisan skripsi ini,
3.
Dr. Putut Marwoto, M.S, selaku penguji skripsi yang telah banyak memberikan
koreksi terhadap tulisan ini,
4. Drs. Kasmadi Imam S, M.S, selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang,
5. Drs. M. Sukisno, M.Si, Ketua Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Semarang,
6. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional melalui
Proyek Peningkatan Penelitian Pendidikan Tinggi (hibah bersaing XIV) yang telah
membiayai penelitian ini.
7. Drs. Hadi Susanto, M.Si, Kepala Laboratorium Fisika FMIPA Universitas Negeri
Semarang
8. Wasi Sakti, S.Pd dan Didik Arianto, S.Si yang telah memberikan banyak bantuan dan
pelayanannya kepada penulis
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
8/87
9. Bapak, Ibu, Kakak Ririn dan Adik Asri yang memberikan dorongan dan
dukungannya kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
10. Material crew’s (Ra3,Amin, Ina, Umi, Rni, Ismi, Isnaeni) yang telah memberikan
bantuan baik moral maupun material kepada penulis. Teman-teman seperjuangan
(Ayu, Desi, Arisan, Elco, Wa2n, Dyah, Indri, Rizka, Purwanti, Ernes, Mugi, Lilik,
Diani, Om Joko dan semua angkatan 2003), dan anak-anak pendidikan angkatan 2003
(Reenee, Usro, Aya, Yuli, Eni, Ari, Nuraini S, Heni dll) yang telah membantu dalam
penyelesaian skripsi ini.
11. Sahabat setiaku Dhian, Anto, Intan, Bose, Pak Tris yang selalu menghibur penulis di
saat penulis menemui kebingungan.
12. Teman-temanku di Kost Estibrata, Mimosa, dan Mawar putri.
Manusia dilahirkan memiliki kelemahan dan kekurangan yang berbeda-beda,
sehingga penulis sebagai manusia biasa tidak luput dari kekurangan-kekurangan terutama
dalam penulisan skripsi ini yang masih jauh dari sempurna. Demikian penulis
menyampaikan ungkapan ini, dan suatu hal yang tidak ilmiah apabila penulis tidak
menerima kritik dan sumbangan saran dari pembaca sebagai bahan pijakan di kemudian
hari. Harapan penulis semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan menjadi bahan bacaan bagi kita semua. Amin amin ya rabbal ‘alamin.
Semarang, 24 Agustus 2007
Penulis
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
9/87
ABSTRAK
Material semikonduktor III-nitrida (AlN, GaN, InN) mempunyai bandgap lebar (3,4
eV sampai 6,2 eV), kecepatan saturasi elektron, tegangan breakdown, conduction band-
offset , dan stabilitas termal tinggi sehingga sangat berpotensi untuk aplikasi devaiselektronik yang bekerja pada daya dan temperatur tinggi. Salah satu semikonduktor yang
banyak diteliti adalah AlxGa1-x N yang dapat diaplikasikan dalam bidang optoelektronikseperti LED (light emitting diode), LD (laser diode) dan detektor UV (ultra violet).
Film tipis AlxGa1-x N ditumbuhkan di atas lapisan penyangga AlN pada substrat
silikon (Si) dengan bidang orientasi kristal (111). Film tipis AlxGa1-x N ditumbuhkan
dengan variasi fraksi molar Al, x = 0,1 dan x = 0,2 pada daya plasma yang berbeda (40,50 dan 70 watt). Preparasi substrat dilakukan dengan pencucian menggunakan aseton dan
metanol. Kemudian substrat dicelup dalam larutan HF [H2O:HF (49%) = 10:1] pada
temperatur ruang selama 20 detik untuk menghilangkan oksida pada permukaannya.Karakterisasi film tipis AlxGa1-x N dengan XRD ( X-Ray Difraction) dilakukan untuk
mengetahui struktur kristal film tipis AlxGa1-x N, serta sifat optik film tipis AlxGa1-x N diketahui dengan karakterisasi spektrometer UV-nir (Ultraviolet near infrared ).
Karakterisasi XRD film tipis GaN dan AlxGa1-x N menunjukkan nilai fraksi molar Al
( x = 0,1 dan x=0,2) mempunyai orientasi bidang kristal (0002), yang masih bersifat
polikristal dan berstruktur kristal wurtzite pada daya 40W. Dengan optimalisasi daya
plasma (70 watt) pada x = 0,2 pada film tipis AlxGa1-x N diperoleh orintasi bidang kristalyang bergeser menuju orientasi bidang kristal (1010) yang sudah bersifat monokristal.
Karakteristik sifat optik dengan UV-nir menunjukkan ketebalan film tipis dengan x = 0,2
pada daya 70 watt lebih rata dan tebal dibandingkan dengan daya 40 watt dan 50 watt.Film dengan x = 0,2 pada daya plasma 40 watt memiliki E g = 3,58 eV, daya plasma 50
watt E g = 3,62 eV serta pada daya plasma 70 watt memiliki E g = 3,78 eV. Perbedaan
fraksi molar Al juga berpengaruh terhadap besarnya energi bandgap. Film AlxGa1-x N pada daya plasma 50 watt dengan x = 0 memiliki E g = 3,52 eV; x = 0,1 memiliki E g =
3,58 eV sedangkan pada x = 0,2 memiliki E g = 3,62 eV.Semakin besar fraksi molar yang diberikan maka energi bandgap dari film tersebut
juga semakin besar. Penambahan daya plasma yang besar mengakibatkan pergeseran
sudut yang relatif kecil. Pergeseran sudut θ 2 menyatakan besarnya strain yang
mengindikasikan kualitas kristal yang dihasilkan.
Kata kunci : film tipis, AlxGa1-x N , dc magnetron sputtering, daya plasma.
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
10/87
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i
HALAMAN PENGESAHAN .......................................................................... ii
PERNYATAAN ............................................................................................... iii
MOTTO DAN PERSEMBAHAN .................................................................... v
KATA PENGANTAR ...................................................................................... vi
ABSTRAK ........................................................................................................ viii
DAFTAR ISI ..................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ............................................................................................. xi
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xii
DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN
1. 1. Latar Belakang ......................................................................... 1
1. 2.
Permasalahan ........................................................................... 5
1. 3. Tujuan Penelitian ..................................................................... 5
1. 4. Manfaat Penelitian ................................................................... 5
1. 5. Sistematika Skripsi ................................................................... 6
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2. 1. Komponen Material AlxGa1-x N ............................................ 7
2.1.1 Material GaN ............................................................... 7
2.1.2 Material AlN .................................................................. 8
2.1.3 Material AlxGa1-x N ....................................................... 9
2. 2. Cacat Kristal .......................................................................... 10
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
11/87
2. 2.1. Cacat nol dimensi .......................................................... 11
2. 2.2. Cacat dua dimensi ......................................................... 12
2. 2.3. Cacat tiga dimensi ......................................................... 13
2. 3. Substrat dan buffer layer ....................................................... 16
2. 3.1. Substrat .......................................................................... 16
2. 3.2. Lapisan penyangga (buffer layer) ................................. 17
2. 4. Parameter Bowing .................................................................. 18
2. 5. Sifat Optik.............................................................................. 19
2. 6.
Sputtering............................................................................... 21
2. 6.1. Plasma............................................................................ 21
2. 6.2. Pengaruh daya plasma.................................................... 23
2. 6.3. Proses sputtering ............................................................ 23
2. 6.4. Sistem dc magnetron sputtering .................................... 25
BAB III METODE PENELITIAN
3. 1.
Tempat dan waktu penelitian .................................................... 29
3. 2. Alat dan bahan penelitian........................................................... 29
3. 2. 1. Reaktor dc magnetron sputtering .................................. 29
3. 2. 2. Bahan penumbuhan film tipis ....................................... 30
3. 3. Pelaksanaan penelitian............................................................... 31
3. 4. Teknik analisis data ................................................................... 34
3.4.1 XRD(X-Ray Difraction) .................................................... 34
3.4.2 UV-nir ............................................................................... 38
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
12/87
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4. 1. Hasil Karakterisasi dengan XRD ............................................ 41
4. 2. Hasil Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis AlxGa1-x N dengan
UV-nir .................................................................................... 53
4.2.1. Penentuan Lebar Pita Energi Bandgap dari AlxGa1-x N 53
4.2.2. Pengaruh Fraksi Molar Al terhadap besarnya bandgap film
tipis AlxGa1-x N ............................................................. 57
4.2.3.
Pengaruh Variasi Daya Plasma pada Sifat Optik Film tipis
AlxGa1-x N ..................................................................... 58
BAB V PENUTUP
5.1. Simpulan .................................................................................. 62
5.2. Saran ........................................................................................ 63
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 64
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
13/87
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan parameter kisi dan koefisien termal pada GaN dan AlN 18
Tabel 4.1. Parameter penumbuhan film tipis AlxGa1-x N pada substrat Si(111)...... 40
Tabel 4.2. Daftar spektrum XRD dari GaN .............................................................42Tabel 4.3 Data Strain pada film tipis AlxGa1-x N dengan variasi daya plasma.......49
Tabel 4.4 Data lebar FWHM GaN dan AlxGa1-x N pada sampel #40,#50, #70 .....51
Tabel 4.5 Data besar fraksi molar dari film tipis AlxGa1-x N dengan variasi daya
Plasma ..................................................................................................... 52
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
14/87
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Struktur kristal wurtzite dari GaN ................................................ 8
Gambar 2.2. Hubungan bandgap dan konstanta kisi dari campuran binary semikonduktor ................................................................ 10
Gambar 2.3. Kekosongan (vacancy) dan interstitial ........................................ 12
Gambar 2.4. Dislokasi ....................................................................................... 13
Gambar 2.5. Grain boundaries.......................................................................... 14
Gambar 2.6. Kebergantungan fraksi molar terhadap energi bandgap film
Al
)( x
xGa1-x N ................................................................ 19
Gambar 2.7. (a) Skema spektroskopi reflektansi (b) kurva reflektansi ............. 21
Gambar 2.8. Fase zat terhadap perubahan temperatur ...................................... 22
Gambar 2.9. Interaksi ion-ion permukaan target............................................... 24
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ............................................................... 28
Gambar 3.2. Sistem Reaktor dc Magnetron Sputtering ................................... 31
Gambar 3.3. Difraksi sinar -X pada kristal ......................................................... 35
Gambar 4.1. Spektrum karakterisasi XRD film tipis GaN dan AlxGa1-x N pada
daya plasma 40W ................................................................ 43
Gambar 4.3 Spektrum karakterisasi XRD film tipis GaN dan AlxGa1-x N pada
daya 50W ................................................................ 45
Gambar 4.4. Spektrum karakterisasi XRD film tipis GaN dan pada N Ga Al x x −1
daya 70W ............................................................................. 50
Gambar 4.5 FWHM puncak AlGaN )0110( film tipis AlGaN ...........................50
Gambar 4.6. Skema reflektansi dan transmisi pada udara, film dan substrat .... 53
Gambar 4.7. Reflektansi dan photoluminensi pada AlxGa1-x N dengan fraksi molar
Al 5% ............................................................................................ 54Gambar 4.8.Penentuan besarnya energi bandgap pada film tipis AlxGa1-x N dengan
x=0,1............................................................................................. 55
Gambar 4.9.Penentuan besarnya energi bandgap pada film tipis AlxGa1-x N dengan
x=0,2............................................................................................. 56
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
15/87
Gambar 4.10. Pengaruh fraksi molar Al terhadap besarnya energi bandgap pada film
tipis GaN dan AlxGa1-x N ............................................................. 58
Gambar 4.11. Spektrum reflektansi film tipis AlxGa1-x N pada x=0,1 dengan
perbedaan daya plasma ................................................................. 59
Gambar 4.12.Spektrum reflektansi film tipis AlxGa1-x N pada x=0,2 dengan
perbedaan daya plasma ................................................................. 60
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
16/87
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Perhitungan Pembuatan Target Al0.1Ga0.9 N ............................... 69
Lampiran 2. Perhitungan Pembuatan Target Al0.2Ga0.8 N ............................... 70
Lampiran 3. Hasil karakterisasi Film Tipis AlxGa1-x N dengan XRD.............. 71
Lampiran 4. Hasil perhitungan strain menurut Hukum Bragg......................... 75
Lampiran 5. Perhitungan komposisi fraksi mol dalam film tipis AlxGa1-x N ......82
viii
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
17/87
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Teknologi semikonduktor mengalami perkembangan yang pesat, mulai dari
penemuan bahan, teknik pembuatan maupun aplikasinya di bidang elektronika
dan optoelektronik. Penemuan bahan semikonduktor yang paling sederhana
dimulai dengan ditemukannya silikon, germanium sampai dengan ditemukannya
bahan semikonduktor paduan.
Film tipis adalah suatu film yang sangat tipis dari bahan organik ataupun
inorganik, metal maupun campuran metal organik yang memiliki sifat-sifat
konduktor, semikonduktor maupun isolator (Sudjatmoko, 2003:3). Film tipis yang
dibuat dengan teknik penumbuhan atom atau partikel pada permukaan substrat
dengan ketebalan sampai orde mikrometer semakin banyak diteliti dan
dimanfaatkan. Sifat umum film tipis dari suatu bahan berbeda dengan bahan
padatan, karena proses preparasi (misalnya: evaporasi, sputtering), geometri
(ukuran panjang, tebal dan lebar) komposisi dan strukturnya (Atmono, 2003:2).
Sifat-sifat film tipis yang ditumbuhkan dapat dimodifikasi sesuai dengan tujuan
penerapannya.
Material golongan III-nitrida seperti , dan
merupakan trio semikonduktor yang unik karena material tersebut
mempunyai celah pita energi langsung (direct bandgap). Apabila di antara
AlN )2,6( eV GaN )4,3( eV
)95,1( eV InN
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
18/87
2
mereka membentuk semikonduktor paduan seperti ternary, ,
dan quartenary InGaAlN maka celah energinya dapat diatur mulai
sampai . merupakan material paduan penting dalam
piranti nitrida, khususnya sebagai lapisan penghalang (barrier) dalam struktur
hetero dan sumur kuantum dengan lapisan aktif atau .
N Ga Al x x −1
N Ga In x x −1
eV 95,1 eV 2,6 N Ga Al x x −1
GaN N Ga In x x −1
Pada saat ini telah dikembangkan transistor efek medan berbasiskan struktur
hetero / GaN yang sering juga disebut sebagai high electron
mobility transistor . Selain itu juga dapat diaplikasikan
dalam bidang optoelektronik seperti LED (Light Emitting Diode), LD (Laser
Diode) (Dridi et al, 2002) dan detektor UV (L.S.Yu et all, 1999). Aplikasi lain
dari film tipis / Si (111) yakni pada sensor ultaviolet solar blind .
Prinsip kerja dari sensor ultraviolet ialah mengubah radiasi elektromagnetik
(sinar) kedalam bentuk sinyal listrik (arus maupun tegangan). Film tipis
dengan nilai efisiensi yang tinggi seperti dalam photodetector UV
dapat digunakan dalam aplikasi dalam bidang militer maupun sipil, misalnya pada
alat pengamat ozon/ tingkat polusi, UV astronomi, sensor pada pemadam
kebakaran, dan lain-lain.
N Ga Al x x −1 )( HFET
)( HEMT N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1 merupakan material paduan penting dalam piranti nitrida,
khususnya sebagai lapisan penghalang (barrier ) dalam struktur-hetero dan
sumur kuantum dengan lapisan aktif atau . HFET berbasiskan
struktur-hetero atau telah dikembangkan
sebelumnya. Struktur-hetero mempunyai conduction band-
GaN N Ga In x x −1
GaAs AlGaAs / InGaAs InAlAs /
GaN N Ga Al x x /1−
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
19/87
3
offset lebih tinggi sehingga dapat menampung rapat muatan 2DEG (two dimension
electron gas) dalam jumlah yang lebih tinggi. Struktur-hetero
juga menghasilkan efek piezoelektrik yang tinggi karena adanya ketidak-sesuaian
konstanta kisi antara lapisan dan lapisan .
GaN N Ga Al x x /1−
N Ga Al x x −1 GaN
Material III-nitrida mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi sepanjang
arah bidang (0001) sehingga ketika ditumbuhkan di atas lapisan GaN yang tebal
maka strain yang terjadi akan menimbulkan adanya medan piezoelektrik induksi
dalam struktur-hetero . Sebagai hasilnya terdapat rapat muatan
(2DEG) yang tinggi pada daerah antarmuka struktur-hetero tanpa melakukan
doping. Peningkatan rapat muatan (2DEG) juga dikarenakan adanya medan
polarisasi spontan (polarisasi pada saat strain nol) dalam struktur-hetero
(Hsu & Walukieiwicz, 2001). Rapat muatan 2DEG dan
mobilitas yang tinggi dalam struktur-hetero ini penting untuk meningkatkan kerja
dari HFET untuk aplikasi devais elektronik yang bekerja pada daya dan
temperatur tinggi seperti pada microwave.
GaN N Ga Al x x /1−
GaN N Ga Al x x
/1−
Penumbuhan lapisan tipis telah banyak dilakukan dengan
beberapa metode seperti MOCVD ( Metal Organic Vapour Deposition) (Shan et
al, 1999), MBE ( Molecular Beam Epitaxy) (Kim et al, 2001), LP-MVPE ( Low
Pressure Metalorganic Vapour Phase Epitaxy) (Harmer et al, 2003). Target
dengan fraksi molar Al ( x) tertentu diharapkan dapat menghasilkan
film tipis dengan ( x) yang sesuai pada metode dc magnetron
sputtering. Kebergantungan besarnya energi bandgap terhadap fraksi mol
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
)( x Al
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
20/87
4
pada penumbuhan film tipis menunjukkan adanya deviasi
melengkung menurun (downward bowing) dari sifat linier yang dapat dinyatakan
dengan parameter bowing.
N Ga Al x x −1
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dc magnetron
sputtering. Substrat Si (111) merupakan substrat alternatif, selain simetri
kristalnya serupa dengan GaN juga harganya jauh lebih murah dibandingkan
substrat SiC maupun sapphire. Resdianto (2006) melaporkan film tipis
telah berhasil ditumbuhkan di atas substrat Si (111) dengan metode
dc magnetron sputtering di laboratorium Fisika Material FMIPA Unnes. Metode
sputtering merupakan salah satu metode penumbuhan film tipis yang sederhana
dengan biaya operasional lebih murah dibanding MBE dan MOCVD.
N Ga Al x x −1
XRD dapat digunakan untuk mengetahui kualitas kristal suatu bahan,
mengetahui jenis-jenis unsur dan senyawa yang terkandung dalam material
walaupun secara kualitatif (Purwaningsih, 2003). Informasi langsung yang
diperoleh dari uji struktur kristal dengan menggunakan XRD adalah spektrum
sudut hamburan )2( θ yang digambarkan sepanjang sumbu datar dan intensitas (I)
sebagai sumbu vertikal. Dari informasi sudut hamburan dapat ditentukan jarak
antar bidang d hkl, yang selanjutnya digunakan untuk menghitung parameter kisi.
Sedangkan dari informasi intensitas dapat diketahui posisi atom-atom
penyusunnya (Sujitno, 2003).
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
21/87
5
1.2. Permasalahan
Permasalahan yang dikaji pada penelitian ini adalah bagaimana cara
menentukan strain melalui analisis XRD dan mengkaji besarnya parameter
bowing pada film tipis .)(b N Ga Al x x −1
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui besarnya strain dan parameter
bowing dari lapisan tipis Al)(b xGa1-x N yang terbentuk dengan fraksi molar (x)
yang berbeda.
1.4. Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang cara
membuat lapisan tipis pada substrat Si (111) dengan menggunakan
teknik dc magnetron sputtering, menentukan strain dan besarnya energi bandgap.
Penelitian ini bisa menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya untuk menumbuhkan
film tipis Al
N Ga Al x x −1
xGa1-x N dengan fraksi molar (x) yang berbeda serta diharapkan dapat
memberi kontribusi yang bermanfaat bagi dunia industri elektronika.
1.5. Sistematika Skripsi
Sistematika penulisan dalam skripsi ini dimulai dengan halaman judul,
abstraks, halaman pengesahan, halaman motto, kata persembahan, kata pengantar,
daftar isi, daftar gambar dan daftar tabel. Sistematika penulisan dalam skripsi ini
terdiri dari 5 bab. Bab I Pendahuluan berisi tentang latar belakang masalah,
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
22/87
6
permasalahan, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
Bab II Kajian Pustaka berisi komponen material (berisi tentang
material GaN , material , dan material ), cacat krstal, substrat dan
buffer layer , parameter bowing, sifat optik, dan sputtering. Bab III Metodologi
Penelitian berisi tempat dan waktu penelitian, alat dan bahan penelitian,
pelaksanaan penelitian, dan teknik analisis data. Bab IV Hasil dan Pembahasan
berisi analisis struktur kristal film tipis GaN dan dengan
menggunakan
N Ga Al x x −1
AlN N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
XRD pada daya plasma dan fraksi mol yang berbeda, FWHM
film tipis GaN dan pada daya plasma dan fraksi mol berbeda,
analisis sifat optik dengan menggunakan UV
)( x
N Ga Al x x −1 )( x
nir − Bab V berisi simpulan hasil
penelitian serta saran penulis untuk penelitian selanjutnya. Pada bagian akhir
skripsi ini disertai dengan daftar pustaka dari bahan kajian pustaka dan lampiran
hasil-hasil penelitian.
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
23/87
7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Komponen Material N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1 merupakan material dari golongan III nitrida telah banyak
diteliti karena memiliki beberapa keunikan seperti energi bandgap yang dapat
diatur dari 3,4 eV sampai 6,2 eV dapat dimanfaatkan dalam bidang industri
elektronika. Material dapat diperoleh dengan menggabungkan antara
dan . Biasanya campuran dari keduanya dapat ditulis ,
dengan x menyatakan fraksi molar dari unsur (aluminium).
N Ga Al x x −1
AlN GaN N Ga Al x x −1
Al
2.1.1
Material GaN
GaN (galium nitrida) mempunyai energi bandgap sebesar , karena
jarak antar atom (atom tetangga terdekat) relatif kecil (Green, 2001:20). Pada
temperatur ruang, GaN memiliki konsentrasi elektron sekitar .
Material GaN memiliki sifat stabilitas panas yang tinggi dan stabil secara kimia.
eV 4,3
316105 −× cm
Struktur kristal dasar yang terbentuk oleh golongan III-nitrida, yaitu struktur
wurzite, zincblende dan rocsalt . Struktur zincblende dihasilkan dari
penumbuhan lapisan tipis secara epitaksi pada substrat kubik dengan bidang
kristal (011). Struktur rocksalt dihasilkan dengan penumbuhan lapisan tipis
pada tekanan tinggi. Struktur kristal wurzite dari ditunjukkan pada Gambar
2.1.
GaN
GaN
GaN
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
24/87
8
Psp
N
[0001]
Ga
Substrat
Ga-rich
[0001] Psp
Ga
N
Substrat
N-rich
Gambar 2.1 Struktur kristal wurtzite dari GaN (Green, 2001:19)
2.1.2. Material AlN
Secara umum, material memiliki sifat yang keras, konduktivitas
termal dan resistivitas yang tinggi (Mahmood et al, 2002). merupakan
material keramik dan sulit ditumbuhkan serta memiliki kombinasi sifat fisis yang
menarik seperti suhu pemuaian rendah, konduktivitas tinggi, kekerasan tinggi dan
titik leleh tinggi. (Pankove & Moustakas, 1998:173). mempunyai struktur
kristal wurzite dengan bandgap 6,20 eV, konstanta kisi a = 3,112 Å, c = 4,982 Å,
pemuaian suhu , konduktivitas termal . juga
mempunyai struktur zincblende pada saat bandgap-nya 5,11 eV dan konstanta kisi
a = 4,38 Å. (Morcok, 1999:40).
AlN
AlN
AlN
K /102,4 6−× K cmW /2,3 AlN
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
25/87
9
2.1.3.
Material N Ga Al x x −1
Material III-V nitrida sangat potensial untuk aplikasi devais semikonduktor
pada daerah panjang gelombang cahaya tampak hingga ultraviolet. Khususnya
pada bahan paduan . Devais yang telah difrabrikasi dengan
menggunakan antara lain Light Emitting Dioda (LED), Laser Dioda
(LD), Photodetector UV dan struktur-hetero FET. Pada aplikasi devais, sifat
krusial dari bahan paduan adalah kebergantungan komposisi pada
energi bandgap ( E
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
g) yang digambarkan oleh perilaku linier dari fraksi molar Al
( x) dan deviasi non linier dari parameter bowing (b).
Campuran ternary yang terdiri dari , dan ,
memiliki bandgap dari sampai (Pearton et al, 2002). Ketiganya
memiliki konstanta kisi yang lebih kecil daripada Si.
Campuran dari golongan III-V semikondukor dan
campuran II-VI semikonduktor memiliki bandgap yang lebar, dimana dari
campuran binary tersebut dapat dilihat pada gambar 2.2 yang menunjukkan
hubungan antara bandgap dengan konstanta kisi. Campuran
merupakan padatan yang mempunyai rentang komposisi dan memiliki bandgap
dari sampai (Ruffenach et al, 1997).
AlGaInN GaN InN AlN
eV 9,1 eV 2,6
),,( AlN dan InN GaN
),,( GaPdan InPGaAsseperti
N Ga Al x x −1
eV 4,3 eV 2,6
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
26/87
10
Gambar 2.2. Hubungan bandgap dan konstanta kisidari campuran binary semikonduktor
Campuran dari dan GaN telah digunakan untuk fabrikasi
pada piranti optik yang aktif dalam frekuensi cahaya biru sampai ultraviolet
(Arshad et al, 2002). Pada struktur-hetero , barrier yang
ditumbuhkan pada lapisan GaN keduanya mempunyai struktur wurzite kristal
(Hsu et al, 2001).
AlN N Ga Al x x −1
GaN AlGaN / AlGaN
2.2. Cacat Kristal
Penumbuhan film tipis tidak bisa lepas dari cacat kristal yang dapat
mempengaruhi karakteristik film. Kebanyakan dari kristal yang ada memiliki
ketidaksempurnaan dan memiliki kecacatan. Penumbuhan film tipis terdapat
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
27/87
11
beberapa faktor yang mempengaruhi salah satunya adalah kualitas dari kristal
yang ditumbuhkan. Kualitas dari kristal dikatakan baik apabila kecacatan atau
ketaksempurnaan yang terjadi dapat diminimalisasi. Kecacatan tersebut dapat
menyebabkan perubahan-perubahan pada sifat fisis dan sifat optik pada film tipis
yang ditumbuhkan.
Berdasarkan bentuk dan geometrinya ketidaksempurnaan kisi kristal dapat
diklasifikasikan menjadi empat kelompok yaitu (1) cacat nol dimensi vacancy,
self interstitial, dan antisite (2) cacat titik satu dimensi atau cacat garis
(dislocation), (3) cacat dua dimensi seperti cacat permukaan dan cacat ukuran
butir (grain boundaries) , (4) Cacat tiga dimensi atau cacat volum contoh crack,
strain (Smith, 1993:138).
2.1.1
Cacat nol dimensi
Point defect (cacat titik) sering dikenal sebagai cacat alami. Cacat titik
dibedakan menjadi tiga macam, yaitu kekosongan (vacancy), self interstitial dan
antisite. Vacancy (kekosongan) didefinisikan sebagai atom-atom yang hilang dari
kedudukan kisi-kisi atomnya. Cacat titik yang sederhana adalah kekosongan,
lokasi atom dari suatu atom yang hilang (Gambar 2.3). Peluang ini dimungkinkan
pada proses pembekuan sebagai hasil gangguan lokal sepanjang pertumbuhan
kristal, atau mungkin diciptakan oleh penyusunan atom kembali yang
meninggalkan kristal berkaitan dengan mobilitas atomis. Pada logam konsentrasi
keseimbangan kekosongan melebihi 1 dalam 10.000 atom. Vacancy adalah cacat
keseimbangan logam, dengan tenaga pembentuknya sekitar 1eV.
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
28/87
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
29/87
13
Dislokasi terjadi sepanjang pembekuan kristal padat. Dislokasi juga dibentuk
secara permanen atau kelainan bentuk dari kristal padat dan vacancy pemadatan
tidak sepadan dengan atomis pada larutan padat.(Smith, 1993:140)
Dislokasi dapat menyebabkan atom-atom terlepas dari ikatan tetangga
terdekatnya sehingga dapat menghasilkan deep level pada pita energi. Elektron
dan hole yang terperangkap saat proses rekombinasi pada pita energi disebabkan
oleh terjadinya deep level (Singh, 1993:723).
Gambar 2.4 Dislokasi (Smith, 1993: 141)
Garis dislokasi
Garis batas
dislokasi
2.1.3
Cacat Tiga Dimensi
Grain boundaries adalah cacat permukaan pada material polykristal yang
memisahkan grain dari orientasi yang berbeda. Pada grain boundaries logam
karena pembekuan, kristal yang terbentuk dari nukleus yang berbeda secara
serempak bertemu satu sama lain. Bentuk grain boundaries ditentukan oleh grain
yang berdekatan. Permukaan grain boundaries ditunjukkan secara skema pada
Gambar 2.5
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
30/87
14
Gambar 2.5 Grain boundaries
Grain boundaries adalah daerah sempit antara dua grain sampai lima lebar
diameter atom dan daerah antara atom yang bersebelahan. Grain boundaries juga
memilik beberapa atom pada posisi tegang menaikkan energi daerah grain
boundaries.
Contoh dari cacat tiga dimensi adalah strain. Penumbuhan film tipis
di atas substrat silikon mengalami beberapa kesulitan. Hal ini
disebabkan karena ketidaksesuaian (mismatch) konstanta kisi antara film tipis
dan substrat Si yang cukup besar. Besarnya fraksi molar dalam
film tipis dapat meningkatkan kerapatan dislokasi yang pada akhirnya
menyebabkan terjadinya crack (retakan) yang terbesar pada seluruh lapisan (Kim
et al, 2001). Penumbuhan film tipis dengan lapisan penyangga telah
dilakukan guna mengurangi strain pada lapisan .
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1 )( x Al
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
Penambahan fraksi molar yang lebih kecil ke dalam paduan
digunakan untuk membentuk struktur-hetero strained dengan GaN dan
N Ga Al x x −1
InGaN
Struktur mikro pada permukaan grain
Permukaan
diantara dua grain
Batas tepi tiga grain
Vertex hubungan empat grain
Isi dari grain
Gambar 2.5 Grain boundaries
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
31/87
15
pada Light Emtting Diodes (LED), Laser Diodes (LD) serta Field
Effect Transistor (FETs) (Shan et al, 1999). Strain pada lapisan
menyebabkan perubahan dalam transisi energi yang diharapkan menjadi lebih
kecil (Morkoc, 1999:28).
GaN AlGaN /
N Ga Al x x −1
Strain merupakan salah satu faktor yang berpengaruh dalam sifat listrik
suatu film tipis. Penumbuhan film tipis terjadi karena ketidaksesuaian
(mismatch) konstanta kisi antara substrat Si dengan film , hal ini yang
menyebabkan terjadinya strain. Strain dalam suatu film tipis dapat menyebabkan
terjadinya crack (retak) pada film tipis yang dihasilkan.
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
Material III-nitrida mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi sepanjang
arah bidang (0001) sehingga ketika ditumbuhkan di atas lapisan GaN yang tebal
maka strain yang terjadi akan menimbulkan adanya medan piezoelektrik induksi
dalam struktur-hetero . Sebagai hasilnya terdapat rapat muatan
(2DEG) yang tinggi pada daerah antarmuka struktur-hetero tanpa melakukan
doping. Peningkatan rapat muatan (2DEG) juga dikarenakan adanya medan
polarisasi spontan (polarisasi pada saat strain nol) dalam struktur-hetero
(Hsu & Walukieiwicz, 2001).
GaN N Ga Al x x /1−
GaN N Ga Al x x /1−
2.3. Substrat dan Buffer Layer
2.3.1
Substrat
Perbedaan struktur kristal dan ketidaksesuaian konstanta kisi yang cukup
besar antara substrat Si dan film tipis sebesar 17%, serta perbedaan N Ga Al x x −1
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
32/87
16
koefisien ekspansi thermal antara substrat Si dan mengakibatkan
penumbuhan film tipis menghadapi tantangan yang besar.
Ketidaksesuaian konstanta kisi dan koefisien ekspansi termal tersebut dapat
menimbulkan strain dan crack bila ketebalan film melebihi ketebalan kritisnya.
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
Suhu substrat merupakan salah satu parameter penting dalam proses
deposisi lapisan tipis dan juga merupakan parameter yang sulit dikontrol. Pada
sistem sputtering konvensional, substrat diletakkan pada pemegang substrat yang
dapat dikontrol suhunya. Meskipun demikian tumbukan-tumbukan elektron
sekunder energi tinggi pada permukaan substrat akan memanaskan substrat.
Sistem dioda rf suhu substrat naik hingga 700 ºC tanpa penambahan
sistem pemanas substrat. Agar efek panas radiasi berkurang, permukaan target
harus didinginkan. Tumbukan oleh elektron-elektron sekunder dapat dihindari
dengan bias negatif pada substrat. Kenaikan suhu substrat bergantung dari jenis
sistem sputtering yang digunakan. Sistem magnetron menunjukkan kenaikan suhu
yang paling rendah dibandingkan dengan RF (Wasa & Hayakawa, 1992:116).
2.3.2 Lapisan Penyangga (Buffer Layer)
Lapisan berhasil ditumbuhkan di atas beberapa macam
substrat dengan metode yang berlainan seperti di atas substrat safir dengan
metode MBE (Desmaris et al, 2000), MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor
Deposition) (Sugianto dkk , 2002; Shan et al, 1999), MOVPE (Metalorganic
Vapor Phase Epitaxy). (Alvarez et al, 2002).
N Ga Al x x −1
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
33/87
17
Lapisan penyangga merupakan suatu lapisan yang digunakan untuk
mengurangi ketidaksesuaian (mismatch) konstanta kisi antara substrat dan film
tipis yang digunakan (Lee, et al, 2002). Lapisan penyangga bersifat fleksibel
dapat menyesuaikan antara substrat dan film tipis yang dihasilkan, karena
ditumbuhakan pada suhu rendah. Penggunaan lapisan penyangga dalam
penumbuhan film tipis akan mempengaruhi karakteristik dari film yang
dihasilkan. Salah satu contoh dari lapisan penyangga yang digunakan dalam
penumbuhan film tipis GaN adalah (Lee et al, 2002). Lapisan penyangga
digunakan untuk meningkatkan nukleasi (pembentukkan inti) pada pembentukkan
lapisan epitaxy.
AlN
2.4. Parameter Bowing
Aplikasi devais, sifat krusial dari bahan paduan adalah
kebergantungan komposisi pada energi bandgap ( E
N Ga Al x x −1
g) yang digambarkan oleh
perilaku linier dari fraksi molar Al ( x) dan deviasi non linier dari parameter
bowing (b) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6 . Parameter bowing adalah
konstanta non universal yang besarnya bergantung kondisi eksperimen seperti
metode penumbuhan, parameter penumbuhan dan substrat yang digunakan.
(Sugianto dkk , 2002).
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
34/87
18
Energi bandgap (E g) pada bahan paduan merupakan campuran
dari dari energi bandgap material dan GaN yang digambarkan oleh
perilaku linier dari fraksi mol Al (x).
N Ga Al x x −1
AlN
)1()1( xbx xE E x E AlN gGaN
gg −−+−= (2.1)
Gambar 2.6 Kebergantungan fraksi molar (
terhadap energi bandgap film
) x
N Ga Al x x −1
GaN
g E adalah besarnya energi bandgap pada GaN , adalah besarnya energi
bandgap dan b adalah parameter bowing.
AlN
g E
AlN
2.5. Sifat Optik
Sifat optik menentukan karakteristik film tipis yang ditentukan oleh
bagaimana interaksi film tipis dengan cahaya. Sifat optik dapat diketahui dari
suatu film tipis untuk diperoleh beberapa informasi seperti ketebalan dan
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
35/87
19
konstanta optik dari film. Konstanta optik menggambarkan bagaimana cahaya
tersebut merambat melalui dan terpantul dari material. Konstanta optik dapat
dihubungkan dengan parameter yang lain, diantaranya komposisi dan bandgap.
Sifat optik dari dapat diketahui dari spektrum reflektansi,
transmisi dan absorpsinya. Spektrum transmisi menunjukkan fungsi transmisi
terhadap panjang gelombang. Spektrum absorpsi menunjukkan fungsi koefisien
absorpsi terhadap energi foton cahaya. Nilai transmisi film tipis diperoleh dalam
bentuk spektrum transmisi (dalam %) terhadap panjang gelombang (λ), selain itu
dapat diketahui juga dalam bentuk reflektansi (dalam %) terhadap panjang
gelombang (λ). Reflektansi tersebut diperoleh apabila substrat yang digunakan
bersifat reflektif (seperti Si).
N Ga Al x x −1
Energi gelombang cahaya dirumuskan sebagai berikut :
λ
ch E = (2.2)
dengan E energi geombang cahaya (joule), h konstanta plank yang besarnya
6,626 x 10-34 Js; c merupakan kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3 x 108 m/s)
dan λ adalah panjang gelombang cahaya (dalam meter).
Penentuan reflektansi digunakan untuk menentukan ketebalan lapisan.
Skema dari reflektansi dapat dilihat dari Gambar 2.7 (a), yang terdiri dari lapisan
non absorpsi dengan ketebalan t 1 di atas substrat yang tidak mengabsorpsi.
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
36/87
20
φ’ n1
n0
n2
n0
t1
(a) (b)
R e f l e k t a n s i
Panjang Gelombang )(nm
Gambar 2.7 (a) Skema spektroskopi refleksi (b) Kurvareflektansi untuk dengan menggunakan Si = 7500 Å,2SiO oxW
no = 1, n1 = 1,46 dan n2 = 3,42 (Schroder , 1990:447)
2.6. Sputtering
2.6.1 Plasma
Plasma merupakan gas quasinetral yang terdiri dari ion, elektron serta
molekul netral yang mempunyai sifat kolektif. Plasma dikatakan quasinetral,
artinya cukup netral sehingga kerapatan ion dan kerapatan elektronnya hampir
sama atau sebanding tetapi tidak sangat netral karena dapat mengakibatkan semua
interaksi elektromagnetiknya hilang. Sifat dasar plasma yang lain adalah
kemampuannya untuk menyelubungi diri (shield out ) terhadap tegangan listrik
dari luar. Perlindungan tersebut akan efektif bila kerapatan elektron atau
kerapatan ion dalam plasma setebal daerah transisi (Suryadi, 2003:8). Plasma jugadibentuk dari gas reaktif kimiawi atau campuran inert serta gas reaktif sehingga
ketika atom atau ion ter-sputter keluar dari target, campuran kimia tersebut
cenderung untuk membentuk pada permukaan substrat (Pankove & Moustakas,
1998:43).
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
37/87
21
Plasma merupakan bentuk ke empat dari suatu bahan, yaitu zat padat yang
dipanaskan menjadi cair, zat cair yang dipanaskan menjadi gas dan gas yang
dipanaskan menjadi plasma (Nicholson, 1983:1). Proses terjadinya plasma
tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.8 Ion-ion positif gas argon dan nitrogen di
dalam plasma dipercepat oleh medan listrik menuju elektroda negatif (katoda).
Partikel-partikel plasma dimanfaatkan sebagai penembak atom-atom permukaan
target pada proses deposisi film tipis.
Padatan Cair Gas Plasma
Dipanasi
Gambar 2.8. Fase zat terhadap perubahan temperatur
Proses sputtering diawali dengan proses ionisasi gas-gas sputter seperti
, , , maupun . Proses
sputtering terjadi ketika dihasilkan lucutan listrik dan gas argon secara listrik
menjadi konduktif karena mengalami ionisasi menghasilkan ion-ion bermuatan
positif dan ion ion bermuatan negatif yang mempunyai jumlah seimbang, dikenal
sebagai plasma (Purwaningsih, 2003:8).
)(argon Ar )( xenon Xe )(kriptonKr )(neon Ne )(helium He
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
38/87
22
2.6.2. Pengaruh Daya Plasma Terhadap Permukaan Film Tipis N Ga Al x x −1
Kristalinitas film yang ditumbuhkan dengan metode dc magnetron
sputtering salah satunya ditentukan oleh besarnya daya plasma yang diberikan pada
proses sputtering (Lai, 1999: 2). Penumbuhan film tipis dengan N Ga Al x x −1 2,0= x
selanjutnya dioptimalisasi dengan peningkatan daya plasma 70 W. Hal ini bertujuan
untuk mengetahui pengaruh daya plasma pada morfologi film tipis .
(Resdianto, 2006: 40).
N Ga Al x x −1
Ukuran butir-butir kristal yang homogen menunjukkan bahwa kristal yang
tumbuh di atas substrat Si (111) memiliki permukaan yang lebih rata. Molekul-
molekul yang sudah melapisi permukaan substrat membentuk formasi
pulau-pulau yang bergabung satu sama lain, sehingga pada akhirnya menutupi
permukaan substrat secara merata. Hal ini menunjukkan bahwa lapisan tipis yang
ditumbuhkan dengan daya plasma lebih tinggi (70 W) dapat meningkatkan kualitas
permukaan film hasil sputtering.(Resdianto, 2006: 40).
N Ga Al x x −1
2.6.3. Proses Sputtering
Proses sputtering mulai terjadi ketika dihasilkan lucutan listrik dan gas
argon menjadi konduktif karena mengalami ionisasi. Lucutan listrik bertekanan
rendah dikenal sebagai lucutan pijar. Gas yang terionisasi menghasilkan ion-ion
bermuatan positif dan ion-ion bermuatan negatif, dan jika ion tersebut yang
mempunyai jumlah muatan seimbang maka disebut plasma. Terbentuknya plasma
dalam lucutan pijar disebabkan oleh adanya beda tegangan antara anoda dan
katoda yang menyebabkan timbulnya medan listrik. Gas argon yang terionisasi
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
39/87
23
akan dipercepat oleh medan listrik dan bertumbukan dengan atom-atom gas argon
lainnya yang belum terionisasi, sehingga menghasilkan ion-ion bermuatan positif,
ion-ion bermuatan negatif (elektron) dan molekul-molekul gas tereksitasi yang
ditunjukkan pada Gambar 2.9.
Ion datang
permukaa
Ion terpantul dan Elektronsekunder
Atomter ental
Strukturbisa
Penembakan ion mungkindiimplementasikan
Gambar 2.9. Interaksi ion-ion dengan permukaan target
(Joshi, 2003:11)
Elektron-elektron yang memperoleh energi dari medan lisrik akan
bertumbukan dengan atom-atom gas argon. Tumbukan tersebut menyebabkan
terjadinya ionisasi pada atom-atom gas argon, sehingga menghasilkan ion-ion
bermuatan positif, elektron-elektron dan molekul-molekul gas tereksitasi.
Tumbukan yang terjadi di antara partikel-partikel ini berlangsung terus menerus
sampai pada kondisi tertentu ion-ion bermuatan positif dan ion-ion bermuatan
negatif akan memiliki jumlah muatan yang seimbang (Konuma, 1992:114).
Secara mikroskopik, terjadinya tumbukan ion-ion argon dengan target,
karena target dihubungkan dengan terminal negatif, sehingga akan menarik ion-
ion argon bermuatan positif (Ar +) yang dihasilkan dalam lucutan pijar dan
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
40/87
24
dipercepat pada daerah jatuh katoda (Cathode fall). Energi ion-ion bermuatan
positif sangat tinggi pada saat menumbuk target, sehingga menyebabkan atom-
atom permukaan target terlepas dari ikatan atomnya dan terpercik ke segala arah.
Atom-atom permukaan target yang terpercik akan masuk dan melewati daerah
lucutan hingga akhirnya terdeposit pada substrat untuk membentuk lapisan tipis.
Energi atom-atom yang terpercik saat menumbuk permukaan substrat sangat
besar, yaitu sekitar 2 hingga 30 eV (Purwaningsih, 2003:10).
2.6.4. Sistem DC magnetron sputtering
Teknik penumbuhan film tipis paling sederhana adalah dengan metode dc
magnetron sputtering. Metode ini menggunakan catu daya searah tegangan
tinggi yang menghasilkan medan listrik antara katoda dan anoda. Gas yang
digunakan sebagai pembentuk plasma adalah gas argon. Gas argon mempunyai
massa yang lebih berat dan mudah terionisasi dari pada gas-gas yang lain seperti
dan (Purwaningsih, 2003:8).
)(dc
)(neon Ne )(helium He
Gas argon dan nitrogen yang melalui ruang antara elektroda dipecah
menjadi plasma yang mengandung elektron (e-), ion Ar , ion dan atom . Ion
positif
N N
Ar dan dipercepat oleh medan listrik menuju elektroda negatif
(katoda), sehingga ion-ion positif menumbuk atom-atom permukaan target yang
dipasang di atas anoda. Ion-ion penumbuk memiliki energi sangat besar sehingga
atom-atom permukaan target terlepas dari permukaan target terhambur ke segala
arah. Atom-atom target yang terpental menempel pada permukaan substrat
sehingga membentuk lapisan tipis.
N
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
41/87
25
Untuk meningkatkan derajat ionisasi dan mencegah terjadi resputtering
oleh elektron pada permukaan film tipis yang terbentuk, maka di bawah target
dipasang magnet permanen untuk membuat perangkap elektron dengan medan
magnet yang dihasilkan (Joshi, 2003:18). Proses sputtering menghasilkan panas
pada daerah target akibat dari tumbukan antara ion-ion penumbuk dengan atom-
atom permukaan target dan pengaruh pemanasan substrat dengan pemanas
(heater ). Sistem magnet dialiri air pendingin, dengan tujuan menjaga kekuatan
magnet agar tidak hilang karena pengaruh panas selama proses deposisi film tipis.
Kekuatan medan magnet ditentukan sesuai dengan jarak antara katoda dan anoda.
Jika medan magnet terlalu besar, radius garis gaya magnet mencapai permukaan
substrat yang dapat merusak permukaan film yang terbentuk. Jika medan magnet
terlalu kecil radius garis gaya hanya melingkupi permukaan target.
.
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
42/87
BAB III
METODE PENELITIAN
Penelitian dalam skripsi ini bersifat eksperimental. Penelitian dilakukan
dengan tiga tahap penting, yaitu pembuatan target, deposisi film tipis
dan dilanjutkan dengan karakterisasi hasil, dideskripsikan dan diinterpretasikan
dengan merujuk pada referensi yang ada. Deposisi film tipis dimulai
dengan preparasi substrat Si dengan orientasi bidang kristal (111). Kemudian
substrat dipasang pada anoda sedangkan target dipasang pada katoda.
Sebelum deposisi film tipis , dilakukan deposisi lapisan penyangga
di atas substrat Si (111) selama 20 menit. Deposisi film tipis
dilakukan dengan perubahan parameter fraksi molar Al (10% dan 20%) pada daya
plasma berbeda yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh daya plasma terhadap
struktur dan sifat optik dari film tipis . Proses deposisi film tipis
menggunakan metode dc magnetron sputtering.
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
AlN N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
Spektrometer UV-nir (Ultraviolet-near infrared ) digunakan untuk
mengetahui sifat optik dari film tipis yang ditumbuhkan. Diagram alir
penelitian dari deposisi film tipis di atas permukaan Si (111) dan
karakterisasinya dengan metode dc magnetron sputtering dapat dilihat pada
Gambar 3.1.
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
43/87
27
Mulai
Deposisi film tipis AlGaN dengan parameter daya plasma
Karakteristikfilm tipis
XRD UV-nir
Struktur Kristal AlGaN
Sifat optik :reflektansi absorpsi,
bandgap, E g
Analisis hasil dan pembahasan
Penulisan laporan hasil penelitian
Selesai
Pembuatan target AlGaN
Preparasi substratSi
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian deposisi film tipis N Ga Al x x −1 di atas substrat Si (111) dengan metode
dc magnetron sputtering
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
44/87
28
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di dua tempat berbeda, pertama dilakukan di
Laboratorium Reaktor Sputtering Fisika FMIPA UNNES untuk fabrikasi lapisan
tipis dengan menggunakan metode DC magnetron sputtering. Tempat
kedua adalah di Universitas Sebelas Maret (UNS) untuk analisis struktur kristal
dengan menggunakan XRD. Waktu penelitian adalah antara bulan Mei 2007
sampai dengan bulan Juli 2007..
N Ga Al x x −1
3.2. Alat dan Bahan Penelitian
3.2.1. Reaktor DC Magnetron Sputtering
Reaktor dc magnetron sputtering terdiri dari :
a. Tabung lucutan
Tabung lucutan berdiameter 10 cm dan tinggi 28 cm. Di dalam tabung
ini terdapat 2 buah elektroda sejajar, yaitu anoda dan katoda. Substrat
ditempatkan pada anoda yang dihubungkan dengan sistem pemanas dan target
diletakkan pada katoda yang dilengkapi dengan magnet dan dialiri air
pendingin .
b.
Pemanas substrat dan alat ukur suhu.
Pemanas substrat dipasang tepat di atas anoda, sedangkan suhu substrat
diukur dengan alat ukur suhu digital yang dilengkapi dengan sistem
pengontrol suhu yang bekerja secara otomatis.
c. Sistem tegangan tinggi DC
Sistem tegangan tinggi DC digunakan untuk memberikan catu daya
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
45/87
29
pada elektroda di dalam tabung lucutan. Sistem tegangan tinggi DC di
laboratorium Fisika FMIPA UNNES dapat menghasilkan tegangan hingga
1000 volt.
d. Sistem vakum
Sistem vakum digunakan untuk menghampakan tabung lucutan,
sehingga gas-gas yang tersisa dapat dikeluarkan hingga tekanan sekitar 3.10-2
Torr. Sistem vakum ini menggunakan pompa rotari ( Rotary Pump)
e. Pendingin target dan magnet (Chiller )
Target yang ditempatkan pada katoda dialiri dengan air pendingin untuk
menghindari peningkatan suhu yang berlebih selama proses deposisi.
f. Tabung gas oksigen, argon dan nitrogen.
g. Alat ukur tekanan gas
Alat ini digunakan untuk mengukur besarnya tekanan gas dan mengatur
laju aliran gas argon yang masuk ke dalam tabung lucutan. Nilai tekanan gas
yang terukur dapat dibaca secara langsung dalam satuan mTorr.
3.2.2. Bahan Penumbuhan Film Tipis
Bahan yang dipakai antara lain :
a. Serbuk dan dengan kemurnian (99,999%) yang diproduksi
Alderich digunakan sebagai bahan dasar target.
GaN AlN
b. Bahan pembersih berupa (DI water, aseton /metanol 99%)
c. Gas argon (gas sputter ) dan nitrogen (dalam penelitian ini menggunakan gas
argon) sebagai pembentuk plasma
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
46/87
30
d. Substrat dari Si dengan arah bidang orientasi (111)
e.
Pasta perak sebagai bahan perekat substrat pada anoda
Gambar 3.2. Sistem reaktor dc magnetron spputering
Pressure gauge
Pompavakum
Pompa Air
N2 Ar Catu Daya Heater
Magnet target
Heater
shutter Substrat
Catu daya plasma
Paneltekanan
Paneltem peratur
3.3.
Pelaksanaan Penelitian
3.3.1. Pembuatan Target
Target dibuat dengan cara atau sistem pengepresan. Pembuatan target
berupa pellet dari serbuk dan dengan kemurnian
(99,999%) yang diproduksi oleh Alderich. Target dibuat dalam 2 jenis dengan
fraksi molar Al yang berbeda yaitu x = 0,1 dan x = 0,2. dan masing-
masing ditimbang sesuai dengan perbandingannya, kemudian dicampurkan dalam
sebuah mortar. Campuran dihaluskan kemudian dipress menggunakan press
N Ga Al x x −1 GaN AlN
AlN GaN
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
47/87
31
hidrolik yang ada di laboratorium Fisika FMIPA UNNES. Pelet hasil pengepresan
dipanaskan atau disintering pada temperatur 620o
C selama 12 jam dibawah
melting point (2500 N Ga Al x x −1oC sampai 3000 oC) serta dialiri gas N2 (nitogren)
dengan tujuan target lebih keras (Vinegoni et al, 1999).
3.3.2.
Preparasi Substrat
Substrat yang digunakan dalam deposisi film tipis adalah
substrat Si dengan orientasi bidang kristal (111). Substrat dipotong dengan ukuran
. Setelah itu dilakukan pencucian substrat menggunakan aseton untuk
menghilangkan kotoran (minyak dan lemak) yang menempel pada permukaan
substrat di dalam ultrasonic bath. Substrat dibilas dengan air DI (de ionized ).
Substrat dietsa dengan campuran larutan HF dan DI dengan perbandingan 1 : 10
selama 0,5 menit. Tujuan dari etsa dengan HF adalah agar permukaan substrat
halus dan menghilangkan oksida serta mencegah terjadinya reoksidasi (Miyazaki
et al, 2001). Kemudian substrat dibilas lagi dengan air DI dan dikeringkan
dengan menyemprotkan gas N
N Ga Al x x −1
21 cm
2 secara merata.
3.3.3. Penumbuhan Film Tipis N Ga Al x x −1
Penelitian ini mengggunakan metode dc magnetron sputtering untuk
proses deposisi film tipis pada substrat Si. Pada deposisi fillm tipis
yang maksimal maka perlu ditumbuhkan di atas substrat yang
memiliki orientasi kristal yang sama. Sebelum dilakukan deposisi film tipis
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
48/87
32
N Ga Al x x −1 , dilakukan deposisi lapisan penyangga di atas substrat Si (111).
Lapisan penyangga yang digunakan adalah (aluminium nitrida). AlN
3.3.3.1. Penumbuhan Lapisan Penyangga
Langkah-langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut :
a. Memasang target pada katoda dan substrat Si (111) yang telah
dibersihkan pada anoda. Memvakumkan tabung reaktor plasma dengan pompa rotari hingga mencapai tekanan 10
AlN
-3 mTorr.
b. Mendinginkan bahan target dengan menggunakan sistem aliran pendingin air
difusi dan memanaskan substrat pada suhu 300 oC dengan sistem pemanas
yang dipasang pada anoda.
c. Mengalirkan gas argon ke dalam tabung reaktor plasma hingga mencapai
tekanan kerja (operasi) yang diinginkan, yaitu 550 mTorr.
d. Menghidupkan sistem tegangan tinggi DC, selanjutnya mengatur tegangan
pada nilai yang diinginkan.
e. Melakukan pendeposisian dengan parameter-parameter yang diinginkan,
yaitu daya plasma 30 watt dengan waktu deposisi 20 menit.
3.3.3.2. Penumbuhan Film tipis di atas Lapisan Penyangga N Ga Al x x −1
Langkah yang dilakukan untuk deposisi film tipis adalah
sebagai berikut:
N Ga Al x x −1
a. Memasang target pada katoda dan substrat Si (111) yang telah
dibersihkan pada anoda. Memvakumkan tabung reaktor plasma dengan
N Ga Al x x −1
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
49/87
33
pompa rotari hingga mencapai tekanan 10-3 mTorr.
b.
Mendinginkan bahan target dengan menggunakan sistem aliran pendingin air
difusi dan memanaskan substrat pada suhu 650 oC dengan sistem pemanas
yang dipasang pada anoda.
c. Mengalirkan gas argon ke dalam tabung reaktor plasma hingga mencapai
tekanan kerja (operasi) yang diinginkan, yaitu 550 mTorr.
d. Menghidupkan sistem tegangan tinggi DC, selanjutnya mengatur tegangan
pada nilai yang diinginkan.
e. Melakukan pendeposisian dengan variasi daya plasma, masing-masing tiga
sampel untuk setiap model.
3.4. Teknik Analisis Data
Data yang diperoleh pada penelitian ini berupa data kualitatif dari hasil
pengujian struktur kristal dan sifat optik film tipis . Pada penelitian ini
digunakan dua uji karakteristik sampel, yaitu dengan menggunakan XRD ( X-ray
Difraction dan Spektrometer UV-nir (Ultraviolet-near infrared ).
N Ga Al x x −1
3.4.1. XRD (X-Ray Diffraction)
XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasillan sinar -X dan
digunakan untuk mengidentifikasikan struktur kristal. Sinar -X dihasilkan dari
sepasang elektroda yang terdapat di dalam tabung sinar -X . Elektron dihasilkan
dari pemanasan elektron bertegangan rendah (katoda) yang terbuat dari filamen
tungsten. Elektron dipercepat dengan kecepatan sangat tinggi ke arah anoda.
Elektron-elektron kehilangan energi karena terjadi tumbukan dengan anoda dan
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
50/87
34
menghasilkan sinar -X dalam jumlah kecil (kurang dari 1%) dan yang lainnya
terhambur menjadi panas (Suryanarayana, 1998). Energi inilah yang dinamakan
sinar -X.
Penggukuran panjang gelombang )(λ dari sinar -X diperoleh dengan
metode difraksi. Pada proses tumbukkan ada tiga hal yang terjadi yaitu hamburan
(scattering), interferensi dan difraksi. Hamburan adalah penyerapan radiasi
penumbuk dan dipancarkan kembali dengan arah yang berbeda. Keteraturan letak
atom pada kisi kristal menyebabkan gelombang pantul akan berinterferensi
konstruktif atau destruktif. Interferensi adalah superposisi dari dua atau lebih
gelombang yang terhambur. Difraksi adalah interferensi konstruktif dari
gelombang yang terhambur. Sinar -X yang mengenai bidang kristal akan
terhamburkan ke segala arah. Agar terjadi interferensi konstruktif antara sinar
yang terhambur dan beda jarak lintasannya harus memenuhi pola λ n .
Gambar 3.3 Difraksi Sinar -X pada kristal (Cullity, 1997: 108)
Sinar yang berinterferensi saling menguatkan terjadi ketika sinar-sinar
pantul sefase berbeda lintasan sebesar kelipatan bulat dari panjang gelombang.
Pemantulan dan interferensi bergabung menjadi difraksi. Difraksi akan saling
menguatkan jika terpenuhi persamaan Bragg sebagai berikut
λ θ nd =sin2 (3.1)
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
51/87
35
Dengan adalah bilangan bulat,n λ adalah panjang gelombang sinar -X , adalah
jarak kisi pada kristal dalam bidang dan
d
)0001( θ adalah sudut difraksi. Film
tipis dipecah/ separasi menjadi dan . Berdasarkan Hukum
Bragg, maka dapat ditulis :
AlGaN GaN AlN
λ θ nd GaN GaN =sin2 (3.2)
λ θ nd AlN AlN =sin2 (3.3)
Berdasarkan data referensi, besarnya konstanta kisi pada adalah Å
dan adalah Å (Madelung, 1996). Uji karakterisasi XRD ini
menggunakan radiasi dari Cu yang mempunyai panjang gelombang Å,
dengan asumsi bahwa
)(c AlN 98,4
GaN 190,5
54,1
2
cd dan= 1=n maka besarnya sudut θ dari dan
dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (3.2) dan (3.3)
GaN
AlN
nd GaN
X ar GaN
−=
sinsin λ
θ (3.4)
nd
AlN
X ar AlN
−=
sinsin λ
θ (3.5)
Besarnya sudut θ dari GaN dan , kemudian dibandingkan dengan hasil
percobaan. Besarnya sudut
AlN
θ dari data percobaan mengikuti
persamaan :
N Ga Al x x −1
strain AlGaN AlGaN θ
θ θ +=
2
2* (3.6)
Sudut AlGaN θ 2 diperoleh dari dari data percobaan dan strainθ dapat diperoleh dari
persamaan :
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
52/87
36
GaN GaN strain
*θ θ θ −= (3.7)
adalah sudut yang diperoleh dari percobaan danGaN *θ GaN θ adalah sudut yang
diperoleh dari persamaan (3.4).
3.4.2. UV-nir
Karakteristik sifat optik dapat diketahui dengan menggunakan
spektrometer UV-nir. Informasi yang diperoleh dari spektrometer UV-nir berupa
data perbandingan antara intensitas cahaya mula-mula dengan intensitas cahaya
setelah melewati film tipis dalam bentuk data refleksi film tipis
. Data antara panjang gelombang (λ) dari cahaya ultraviolet hingga
inframerah terhadap refleksi film tipis yang ditumbuhkan di atas
substrat silikon diolah untuk mengetahui bentuk dari spektrum refleksi film tipis
.
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
Beberapa informasi lain yang diperoleh dari karakterisasi UV-nir ini
adalah ketebalan film tipis, energi bandgap dari film tipis dan kerataan dari
permukaan film tipis. Besarnya energi bandgap dari film tipis dapat
diketahui dengan menggunakan hubungan persamaan berikut :
N Ga Al x x −1
λ
ch E = (3.8)
dengan E energi gelombang cahaya (joule), h konstanta Planck yang besarnya
6,626 x 10-34 Js; c merupakan kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3 x 108 m/s)
dan λ adalah panjang gelombang cahaya (dalam meter).
Energi bandgap lapisan tipis N Ga Al x x −1 diperoleh dari grafik spektrum
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
53/87
37
reflektansi (%) terhadap energi (eV). Ciri spektrum reflektansi menunjukkan
perilaku osilator di bawah bandgap dari film tipis dan osilator teredam di atas dan
di sekitar bandgap-nya. Posisi bandgap dari spektrum reflektansi terletak pada
puncak maksimum pertama osilasi. Hasil ini kemudian dibandingkan dengan data
standar energi bandgap lapisan tipis dari referensi atau hasil
penelitian lain (Laura, 2006:5). Selain dari energi bandgap, besarnya indeks bias
film tipis dapat diketahui dengan persamaan (3.9)
N Ga Al x x −1
[ ]n
nmd m
2λ
= (3.9)
Kebergantungan non-linier dari energi bandgap bahan paduan seperti
terhadap x biasanya dinyatakan dalam persamaan kuadrat parabolik : N Ga Al x x −1
)1()1( xbx xE E x E AlN gGaN
gg −−+−= (3.10)
dimana b adalah parameter bowing, adalah energi bandgap dari GaN
dan adalah energi bandgap . Lee et al 10 telah mengkaji sebanyak 20
makalah yang dikerjakan peneliti lain dan mendapatkan besarnya parameter
bowing dari film bervariasi dari -0,8 hingga 2,6 eV. Bervariasinya
nilai parameter bowing ditentukan oleh kualitas struktur lapisan yang
bergantung pada metode penumbuhan, parameter penumbuhan dan substrat yang
digunakan. Pada penelitian ini temperatur penumbuhan yang
digunakan sama dengan temperatur penumbuhan GaN .
GaN
g E
AlN
g E AlN
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
N Ga Al x x −1
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
54/87
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Film tipis N Ga Al x x −1 telah ditumbuhkan di atas substrat )111(Si dengan
menggunakan lapisan penyangga AlN . Lapisan penyangga ditumbuhkan pada
suhu rendah yaitu 300
o
C, dengan metode rf sputtering menunjukkan lapisan polikristal AlN dengan permukaan yang halus dan rata (Lee et al, 2002). Lapisan
penyangga ini bersifat fleksibel, sehingga mudah menyesuaikan sifat antara
substrat dan film. Pada penelitian ini dihasilkan delapan buah sampel film tipis
N Ga Al x x −1 dengan dua jenis target yaitu N Ga Al 9.01.0 dan N Ga Al 8.02.0 . Sampel
ditumbuhkan dengan variasi fraksi molar Al dan daya plasma. Parameter
penumbuhan film tipis N Ga Al x x −1 tersebut ditunjukkan pada tabel 4.1.
Tabel 4.1 Parameter Penumbuhan Film Tipis N Ga Al x x −1 pada substrat )111(Si
Target SampelAr / N
(mTorr)
Daya
(watt)
Temperatur
(oC)
GaN GaN 550/ 50 40 650GaN GaN 550 / 50 50 650GaN GaN 550/ 50 70 650
#A 550 / 50 40 650Al0,1Ga0,9N #B 550 / 50 50 650
#C 550 / 50 40 650#D 550 / 50 50 650Al0,2Ga0,8N#E 550 / 50 70 650
Setelah film tipis N Ga Al x x −1 berhasil ditumbuhkan di atas substrat
)111(Si , dilakukan karakterisasi masing-masing sampel. Analisis yang dilakukan
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
55/87
39
meliputi karakterisasi dengan XRD dan spektrometer UV-nir . Karakterisasi
XRD bertujuan untuk mengetahui struktur kristal film tipis N Ga Al x x −1 ,
sedangkan karakterisasi dengan spektrometer UV-nir dilakukan untuk mengetahui
sifat optik dari film tipis N Ga Al x x −1 .
4.1. Hasil Karakterisasi dengan XRD
Karakterisasi struktur pada sampel dilakukan dengan uji analisis XRD .
Teknik XRD mengidentifikasikan adanya fase-fase yang hadir dalam sampel,
selain itu dapat pula memberi informasi tentang sifat fisis kristal. Identifikasi fase
dapat dikorelasikan dengan data dari kristal tunggal atau serbuk JCPDS (02-
1078). Teknik XRD diklasifikasikan sebagai kristal tunggal atau polikristal.
Informasi yang diperoleh dari hasil pengukuran berkaitan dengan posisi, intensitas
dan ketajaman dari puncak spektrum difraksi. Posisi spasial dari sinar- X yang
terdifraksi oleh sampel mengandung informasi tentang geometri kristal. Intensitas
sinar berhubungan dengan jenis atom-atom dalam kristal, sedangkan ketajaman
(sharpess) dari sinar difraksi digunakan untuk mengukur kesempurnaan kristal.
Peralatan XRD yang digunakan untuk uji analisis struktur sampel pada
penelitian ini menggunakan sumber radiasi (target) α K Cu dengan panjang
gelombang 5406,1 Å.
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
56/87
40
Tabel 4.2 Daftar Spektrum XRD dari GaN
2 theta )(o
Bidang orientasi Fase Kristal32,4 )0110(
−
Wurtzite
34,6 )111(),0002( Wurtzite, Cubic
36,7 )0110(−
Wurtzite
39,8 )002( Cubic
57,6 )202(),0211(−
Wurtzite, Cubic
67,9 )2020( Wurtzite
68,9 )2211(−
Wurtzite
70,2 )1220(−
Wurtzite
73,2 )0004( Wurtzite
(Arianto, 2006: 26)
4.1.1 Analisis Struktur Kristal Film Tipis GaN dan N Ga Al x x −1 pada Daya
Plasma 40 W
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
2 theta
I n t e n s i t a s
( a r b u
n i t )
# GaN#a
AlGaN#b
AlGaN#c
0 0 0 2
( 1 0
1 1 )
( 1 1 2 0 )
( 1 0
1 0 ) P= 40W
Gambar 4.1 Spektrum karakterisasi XRD film tipis GaN dan
N Ga Al x x −1 )2,01,0( == xdan x pada daya 40W
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
57/87
41
Gambar 4.1. menunjukkan spektrum XRD mode θ θ 2− dari film tipis
GaN dan N Ga Al x x −1 yang memiliki struktur kristal dengan arah bidang orientasi
kristal ).0002(),0110( dan
Sampel #a memiliki puncak-puncak kristal pada sudut oo 0,37;6,342 =θ
yang memiliki struktur kristal dengan arah bidang orientasi kristal )0002( , )1110( .
Sampel #b memiliki puncak-puncak kristal pada sudut
oooo 1,58;0,37;8,34;5,322 =θ yang memiliki struktur kristal dengan arah bidang
orientasi kristal )0211();1110();0002();0110( . Sampel #c memiliki puncak-puncak
kristal pada sudut oooo 2,58;1,37;6,34;4,322 dan=θ yang memiliki orientasi
kristal )0211();1110();0002();0110( dan .
Hasil karakterisasi XRD tersebut selanjutnya dibandingkan dengan data
penelitian terdahulu pada sampel serbuk (JCPDS) (02–1078). Berdasarkan data
JCPDS dapat diketahui arah bidang orientasi kristal film tipis GaN sejajar dengan
arah bidang orientasi kristal substrat Si (111).
Hasil XRD menunjukkan bahwa film tipis GaN dan N Ga Al x x −1 yang
memiliki orientasi kristal acak dan fase kristal yang berbeda. Berdasarkan hasil
karakterisasi dengan XRD disimpulkan bahwa film tipis GaN dan N Ga Al x x −1
memiliki struktur polikristal dan wurtzite. Material yang memiliki struktur
polikristal dikatakan mengalami disorientasi yang memiliki arah tidak sejajar
antara bidang kristal satu dengan yang lain (Cullity, 1997). Disorientasi
menyebabkan terjadinya cacat grain boundaries semakin besar.
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
58/87
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
59/87
43
Hasil eksperimen dari sampel #b menunjukkan puncak kristal film tipis
N Ga Al x x −1 dengan 1,0= x pada bidang orientasi )0002( terdapat pada sudut
o9,342 =θ . Menurut acuan orientasi bidang kristal pada GaN menurut data
JCPDS 1997 (02-1078) sebesar .637,342 o=θ Kondisi ini menunjukkan adanya
pergeseran sudut .263,02 o=θ
Hasil eksperimen dari sampel #c menunjukkan puncak kristal film tipis
N Ga Al x x −1 dengan 2,0= x pada bidang orientasi kristal )0002( yang terdapat
pada sudut o8,342 =θ . Sedangkan menurut data acuan JCPDS 1997 (02-1078)
puncak-puncak kristal GaN dengan orientasi bidang kristal )0002( terdapat pada
sudut .637,342 o=θ Kondisi ini menunjukkan adanya pergeseran sudut θ 2
sebesar .163,0 o
Pergeseran sudut θ 2 menunjukkan adanya perubahan parameter kisi yang
dapat menyebabkan terjadinya strain pada film tipis GaN . Strain yang lebih
besar ditandai dengan pergeseran sudut θ 2 yang lebih besar. Hasil analisis XRD
menunjukkan bahwa variasi fraksi mol )( x dapat mempengaruhi besarnya strain
dari film tipis itu sendiri.
Kualitas kristal dari suatu film tipis dapat diketahui dari besarnya FWHM
(Full Width at Half Maximum) dari puncak bidang difraksi. FWHM menyatakan
tingkat strain pada film, semakin sempit FWHM maka strain yang terbentuk
semakin kecil (Suryanarayana, 1998). Puncak bidang orientasi )0002( untuk
sample #a, #b, dan #c memiliki nilai FWHM masing-masing berurutan sebesar
ooo
5,0;5,0;55,0 seperti ditunjukkan pada Gambar 4.2
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
60/87
44
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
34.0 34.5 35.0 35.5
2 theta
I n t e n s i t a s
GaN #a
Gambar 4.2 (a) FWHM puncak )0002(GaN filmtipis GaN pada daya plasma 40W.
Gambar 4.2 (b) FWHM puncak bidang orientasikristal 1,0)0002( = xdengan pada film tipis
N Ga Al x x −1 pada daya plasma 40W
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
34.0 34.5 35.0 35.5
2 theta
I n t e n s i t a s
0.5º
AlGaN #b
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
61/87
45
120
140
160
180
200
220
240
260
280300
320
34.00 34.40 34.80 35.20
2 theta
I n t e n s i t a s
Besarnya strain film tipis GaN dari hasil percobaan dengan data acuan
menggunakan hukum Bragg sebesar o089,0 . Besarnya strain pada film tipis
N Ga Al 9.01.0 sebesaro441,0 . Sedangkan besarnya strain pada film tipis
N Ga Al 8.02.0 menggunakan hukum Bragg sebesar .341,0 o Hal ini menunjukkan
bahwa pada daya plasma yang sama dan menggunakan fraksi molar yang berbeda
maka akan diperoleh besar strain yang berbeda pula.
Film tipis GaN dengan daya plasma 40 W memiliki besar strain menurut
perhitungan dengan menggunakan hukum Bragg sebesar o089,0 , karena film yang
tumbuh mempunyai orientasi bidang kristal yang sama dengan orientasi bidang
kristal acuan yakni menurut data JCPDS (02-1078). Hal ini berakibat pergeseran
sudut θ 2 hasil percobaan mendekati nilai sudut θ 2 referensi.
Gambar 4.2 (c) FWHM puncak bidang orientasikristal 2,0)0002( = xdengan pada film tipis N Ga Al x x −1
pada daya plasma 40W
AlGaN # c
0 5o
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
62/87
46
Film tipis N Ga Al x x −1 dengan fraksi molar )1,0( = x memiliki besar strain
menurut perhitungan dengan menggunakan hukum Bragg sebesar o441,0 , karena
film yang tumbuh dipengaruhi adanya penambahan fraksi molar )( x Al
dibandingkan pada film tipis GaN yang tanpa pengaruh penambahan fraksi molar
)( x Al . Penambahan fraksi molar pada proses deposisi mengakibatkan film
mempunyai orientasi bidang kristal yang sama dengan orientasi bidang kristal
film tipis GaN , sehingga pergeseran sudut θ 2 tidak terlalu besar.
Pada film tipis N Ga Al x x −1 dengan fraksi molar )2,0( = x memiliki besar
strain menurut perhitungan dengan menggunakan hukum Bragg sebesar .341,0 o
Peningkatan fraksi molar )( x menyebabkan meningkatnya energi kinetik atom-
atom yang datang/ tersputter sehingga terjadi peningkatan mobilitas permukaan
atom-atom yang terabsorpsi. Pada energi kinetik atom-atom tersputter yangf
cukup tinggi, mobilitas permukaan berkurang sebagai akibat penetrasi atom-atom
yang datang ke dalam substrat dan mengakibatkan ukuran butir kristal menjadi
lebih kecil. Semakin kecil ukuran butir kristal yang terjadi dalam suatu film tipis,
maka kualitas kristalnya menjadi semakin baik, yang berakibat strain yang
terbentuk dalam film tipis kecil.
4.1.2 Analisis Struktur Kristal Film Tipis GaN dan N Ga Al x x −1 pada Daya
Plasma 50 W
Hasil karakterisasi XRD menunjukkan bahwa film tipis GaN (daya 50
watt) dan N Ga Al x x −1 (daya 50 watt) yang ditumbuhkan dengan perubahan besar
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
63/87
47
fraksi molar Al )( x pada daya plasma yang sama menghasilkan puncak-puncak
dominan yang sama yakni pada bidang orientasi )0002( . Gambar 4.3
menunjukkan spektrum XRD mode θ θ 2− dari film tipis GaN dan N Ga Al x x −1
yang memiliki struktur kristal dengan arah bidang orientasi kristal
).0002(),0110( dan
Sampel #d memiliki struktur polikristal pada sudut o75,322 =θ dan
o83,34 yang mempunyai arah bidang orientasi )0110( dan )0002( masing-masing
memiliki struktur kristal wurtzite.
Gambar 4.3 Spektrum Karakterisasi XRD film tipis :GaN dan N Ga Al x x −1 2,01,0 == xdan x pada daya plasma 50W
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
2 theta
I n t e n s i t a s
( a r b u
n i t )
GaN #d
AlGaN #e
AlGaN #f
0 0 0 2
( 1 0 1 1 )
( 1 1 2 0 )
( 1 0 1 0 )
P= 50 W
-
8/18/2019 Fisika==ANALISIS XRD FILM TIPIS AlxGa1-xN DI ATAS SILIKON (111)
64/87
48
Sampel #e memiliki puncak-puncak kristal pada sudut
oooo
2,58;15,37;05,35;75,322 dan=θ yang memiliki struktur kristal dengan arah
bidang orientasi kristal )0211();1110();0002();0110( dan , semuanya memiliki
struktur kristal wurtzite .
Sampel #f memiliki puncak-puncak kristal pada sudut
oo 02,3585,322 dan=θ yang memiliki orientasi k
