Efek Penambahan Gas Metan pada Gas Silan terlradap Optical Bandgap Lapisan Tipis Silikon Amorf Karbida(JassuddinD.M.)" , I

EFEK PENAMBAHAN GAS METAN PADA GAS SILAN TERHADAPOPTICAL BANDGAP LAPISAN TIPIS SILIKON AMORF KARBIDA

Jasruddin.D.MI, K. Suardana1,Nur Rahmat3W.W.Wenas,T.Winata,Sukimo,daDM.Barmawi

Laboratorium Fisika Material Elektronik, Jurusan Fisika ITB, JI. Ganeca No. 10 Bandung.I)Jurusan Fisika Universitas Negeri Makassar Ujungpandang

2) Pendidikan FisikaJurusan PMIPA STKIP Singaraja3)P.MIPA Universitas Tadulako Palo

ABSTRAK

EFEK PENAMBAHAN GAS MET AN PADA GAS SILAN TERHADAP OPTICAL BANDGAP LAPISAN TIPIS

SILIKON AMORF KARBIDA. Lapisan tipis silikon amorf karbida terhidrogenasi (a-SiC:H) dengan celah pita optik lebar telahditumbuhkan di alas gelas Coming 7059 dengan menggunakan reaktor PECVD ganda yang ada di Laboratorium Fismatel Jurusan

Fisika ITB. Gas silan (SiR.) I 0% dalam hidrogen (H2) clan gas metan (CH.) 100% digunakan sebagai somber gas. Lapisan tipisa-Si:H dengan celah pita optik yang bervariasi dari 1,7 eV sampai 1,9 eV dengan variasi laju aIiran silan dari 50 seem sampai 110seem telah berhasil ditumbuhkan. Lapisan tipis a-SiC:H dengan celah pita optik lebar yang bervariasi dari 2,45 eV -2,92 eVdengan variasi fraksi metan dalam silan dari 5% -40% untuk aliran silan 50 seem juga telah ditumbuhkan. Konduktivitas gelaplapisan tipis a-Si:H bervariasi dari 10-9- 10-10Scm-) untuk variasi laju aliran silan dari 50 -110 seem.

ABSTRACT

THE EFFECT OF INCORPORATED METHANE GAS IN SILANE ON THE OPTICAL BANDGAP OF..AMORPHOUS SILICON CARBIDA FILMS. Hidrogenated amorphous silicon carbide (a-SiC:H) thin film which have wideoptical band-gap have been grown on the Coming glass-7059 substrateby the PECVD reactor double chamber at the FISMATEL.laboratory, Physics department ofiTB. The 10%silan (SiR.) gas diluted in hidrogen (H2)and 1000A!methane (CH.) gas were used"as gas sources. The optical band-gap of the a-Si:H film varies from 1.7 to 1.9 eV have been successfully grown by varying thesilane gas flow from 50 to 110 seem. The wide optical band-gap of the a-SiC:H film varies from 2.45 to 2.92 eV have beensuccessfully grown too by varying the methane gas fraction from 5 to 40% for silane gas flow of 50 seem. The dark conductivityof the a-Si:Hfilm varies from 10-9to 10-)0S em-)for the varying silane gas flow from 50 to 110 seem.

Kata kunci : a-Si:H, celah pita optik, CH., konduktivitas, SiR., PECVD

PENDAHULUAN

Pada beberapa tahun terakhir ini banyak penelitidari beberapa negara memberikanperhatiankhususpadapenumbuhan silikon amorf clan paduannya, schabmaterial ini sangat potensial untuk diaplikasikan padaberbagai divais elektronikclanoptoelektronik,sepertigelsurya, thin film light emitting diodes, sensor, clanfotoreseptor . Salah satu sifat yang menarik sekaliguskeunggulan material silikonamort dibandingkandengansilikon kristal adalah lebar celah pita optiknya (opticalbandgap) dapat dikontrol. Untuk mengontrol opticalbandgap lapisan tipis silikon amorf dapat dilakukandengan cara mengontrol kandungan hidrogen (CH)didalam lapisan tipis silikon amorfterhidrogenasi (a-Si:H)atau dengan inkorporasiatom karbon atau atomnitrogenke dalammatriks silikon.

Banyak peneliti telah memperlihatkan bahwa

dengan menambahkan gas hidrokarbon atau amoniak kedalam gas silan selama proses penumbuhan akandiperoleh lapisan tipis silikon amorfkarbida (a-SiC:H)alan silikon amorf nitrida (a-SiN:H) dengan opticalbandgap lebar. A. Matsuda.et.al. telah menumbuhkanlapisan tipis a-SiC:H dengan teknik plasma-CVD.Hasilnya adalah lapisantipis a-SiC:H dengan sensitivitasfoto yang tinggi [I]. D. Kruangan telah menumbuhkanlapisan tipis a-SiC:H dengan menggunakan gas metan(CH.) clangas silan(SiH.) sebagai somber gas. Diperolehlapisan tipis a-SiC:H dengan optical bandgap sekitar2,3 eV pada fraksigas metan dalam silan 90%.

Dalam studi ini telah ditumbuhkan lapisantipis a-SiC:Hdenganteknikplasma-CVDdaDmenggunakan gasmetan clan gas silan sebagai somber gas. Untukmenganalisis terbentuknya ikatan karbon dalam lapisantipis silikon amorf terhidrogenasi, tel'ah dilakukan

235

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 1SSN 1411-2213

pengukuran spektrum dengan Fourier TransformInfrared(FTIR).Opticalbandgap,konduktivitas,clanlajudeposisi dad lapisan tipis sebagai fungsi dad laju aliransilan clankonsentrasi gas metan dalam gas silan telahdihitung.

METODEPERCOBAAN

Lapisantipisa-SiC:Hdalam studi iniditumbuhkandi atasgelas corning 7059 pacta Reaktor Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition (PECVD ) yang acta diLaboratorium Fisika Material Elektronik (FISMATEL)Jurusan Fisika ITB. Parameter penumbuhan adalahseperti terlihat pacta label I. Untuk menganalisakandungangugus fungsionaldalamlapisantipisa-SiC:H,telah dilakukan pengukuran spektrum dengan fouriertransform infrared(FTIR) dijurusan Kimia ITB.Opticalbandgap dihitungdengan metode Tauc Plot [hy vs(ahy)ll2]Konduktivitasdiukurdenganmetode Coplanar,sedarlgkan Coplanar, sedangkan ketebalan film diukurdengan Dektak IIA. Laju pertumbuhan (deposisi)dihitung dari data ketebalan lapisan clanwaktu deposisi.

Tabe! 1. Parameter penumbuhan lapisan tipis a-SiC:H

HASIL DAN PEMBAHASAN

GambaI' I memperlihatkan basil pengukuranspektrum lapisantipis a-Si:Hdengan Fourier TransformInfrared (FTIR). Sedangkan GambaI'2 memperlihatkanbasil pengukuran spektrum lapisan tipis a-SiC:H untukkonsentrasi gas metan dalam gas silan 25%

T%98.3

'~i90.0

80.0-Ioem

4003600 2000 10001500

Gambar I. Hasil pengkuran spektrum lapisan tipis a-Si:H

dengan FTIR

Dari basil pengukuran spektrum absorbsi lapisantipis a-SiC:H untuk fraksi metan 25% seperti GambaI' 2,terlihat bahwa acta peningkatan absorpsi dibandingkan

dengan spektrum absorbsi lapisan tipis a-Si:H sepertiGambar I. Peningkatanabsorbsiterjadidisekitarbilangangelombang 885-750em-I 1200-950em-I,clan3300-2800em-I. Absorpsi pacta 885-700em-1 disebabkan olehbending vibrationdaTiSiH2(860 em-') danstretchingSiCdaDncking SiC- CH3(780 em-). Absorbsi pacta1200-950 em-' disebabkan oleh bending wagging dad CHn(n=I,2). Sedangkan absorbsi pacta 3300-2800 em-Idisebabkan oleh stretching dad CHn yang merupakankonfigurasidaTigrup Sp3(2900 em-I)clanSp2(2880 em-I).Absorbsi akibat ikatan SiHm(m=I,2) terjadi di sekitarbilangangelombang2100 em-IdaD677 em-I[3,4].

'100.0

80.0

60.0

400

3600 400 em"'2000 1500 1000

Gombar 2. Hasil spektrum lapisan tipis a-SiC:H untukkonsentrasi gas metan dalam sHan 25%

Gambar 3 memperlihatkan grafik optical bandgapdaD la}upertumbuhan lapisan tipis a-Si:H sebagai fungsidaTilaju aliran silan. Garnbar ini memperlihatkan kenaikanoptical bandgap clan laju pertumbuhan jika laju aliransilan meningkat. Optical bandgap meningkat disebabkanbertambahnya kandungan hidrogen. Laju pertumbuhanmeningkat disebabkan meningkatl1ya reaktivitas radikalpacta permukaan pertumbuhanjika laju aliran silan selamapenumbuhan besar.

> '~..:

C

AOPlica'bandgap ~ ::~ ...Lo;" dopoo'o' zs

f 1.85 .4. 75,~ 6

.. 85

] 1.76 A.! 1.7 ~ A 6 6 55

1.86 ~--~o~-~ 4S60 60 70 60 100 110

La)" AII..n Silon (occm)

Ii

IIj

Gambar 3. Grafik optical bandgap dan laju pertumbuhansebagai fungsi laju aliran silan

Garnbar 4 memperlihatkan grafik optical bandgapclanlaju pertumbuhan lapisan tipis a-SiC:H sebagai fungsidaTi laju aliran silan untuk fraksi metan 88%. Dari grafikini ter.ihat bahwa optical bandgap menurun pacta saatlaju aliran silan meningkat, sedangkan laju pertumbuhanmeningkat.

Gambar 5 memperlihatkan grafik optical bandgapsebagai fungsi dari fraksi metan untuk laju aliran silan 50seem, 75 seem clan 100 seem. Dad ketigajenis laju aliransilan memperlihatkan terjadinya kenaJkan optical

')'t#;

1 Sombergas SiR, 10%dalam H, <IanCH.,100%

2 Temperatorsubstrat 2oo'C

3 Frekuensi 13,56MHz

4 Daya rf 30 Wall

5 Tekanan 300-400mTorr

6 Jarak elektroda 2,Ocm

Efek Penambahan Gas Metan pada Gas SlIan terhadap Optical Bandgap Laplsan Tlpls SlIIkon Amort Karblda(Jassuddln D.M.)

LIJu Allrln 8111n (Ie em)

Gambar 4. Grafik optical bandgap don laju pertumbuhansebagai fungsi daTilaju aliransilan untuk fraksi metan 88%

2.85>.!!. 2.65Q.& 2.45'gc~ 2.25

'3 2.05:g,0 1.85'

I).I). 0

1.650 10 20 30 40

[CH4ICH4+SIH4)] %

50

Gambar 5. Grafik optical bandgap sebagai fungsidari fraksimetan dalam sitaR

bandgap pada saat fraksi metan meningkat. Untuk lajualiransHan50seemdiperolehlapisantipisa-SiC:Hdenganoptical bandgap 2,92 eV pada saat fraksi metan 40%.Untuk laju aliran silan 75 seem diperoleh lapisan tipisa-SiC:Hdengan opticalbandgap 2,50eV pada saatfraksimetan 52%. Sedangkan untuk laju aliransilan 100 seemdiperoleh lapisan tipis a-SiC:H dengan optical bandgap2,16 eV untuk fraksimetan 43%.

Kenai<a1 optical bandgap pada saat fraksimetan dalam silan meningkat, disebabkan olehinkorporasi atom karbon ke dalam matriks..silikon.Dengan demikian kandungan hidrogen (CH)dari ikatanSi-H2 clan kandungan hidrogen dari ikatan C-Hmeningkat[3].

Gambar6memperlihatkangrafJklajupertumbuhanlapisan tipis a-SiC:H sebagai fungsi dari fraksi metanuntuk laju aliran silan 50 seem, 75 seem, clan100seem.Dari grafJkini terlihatbahwa lajupertumbuhanmenurun

Gambar 6. Grafik laju pertumbuhan lapisan tipis a-SiC:Hsebagai fungsi daTifraksi metan dalam silan

pada saat fraksi metan dalam silan meningkat. Penurunanini disebabkan oleh menurunnya reaktivitas radikal padapermukaan pertumbuhan akibat reaksi permukaanCHx + H=CHx+1 [4].

KESIMPULAN

60

Dalam studi ini telah ditumbuhkan lapisan tipissilikon amorf paduan yaitu silikon amorf karbidaterhidrogenasi (a-SiC:H) dengan menggunakan gas silan10%dalamhidrogenclangasmetan 100%sebagaisombergas. Dari basil optimasi diperoleh lapisan tipis a-SiC:Hdengan optical bandgap 2,92 eV pada saat fraksi metandalam silan 40% untuk laju aliran silan 50 seem. Dengandemikianmaterialinibaikuntuk diaplikasikanpada divaiselektronikclanoptoelektronik,khususnyasebagai lapisan-p clanbuffer layer pada gelsurya. Material inijuga baikuntuk digunakan sebagai lapisan luminasi pada divaisthinfilm light emitting diodes yang dapat menghasilkanemisi eahaya merah clan kuning. Lapisan tipisa-Si:H mempunyai konduktivitas gelap yang bervariasidari 10-9-10-10Sem-I untuk variasi laju aliran silan50-110 seem. Konduktivitas gelap lapisan tipis a-SiC:Hadalah 10-11Sem-Iuntuk fraksi metan dalam silan 10%clanlaju aliransilan 75 seem.

UCAPAN TERlMAKASm

Penulis menyampaikan terimakasih kepadapimpinanproyekRUT-VdanCENTERGRANTsertaRUT-IV yang telahmembiayaipenelitian ini.

DAFT AR rUST AKA

[1]. A.MATSUDA, T. YAMAOKA, S. WOLFF, M.KOYAMA, Y. IMANISHI, H. KATAOKA,H. MATSUURA, AND K. TANAKA, Preparationo/Highly PhotosensitiveHydrogenated AmorphousSiCAllaysFrom a Glow-DischargePlasma,1.Appli.Phy60(1l), 1December 1986.

[2]. D. KRUANGAN,Amorphous and MicrocrystallineSemiconductor Devices, Edidor J. Kanieki (ArteehHouse) 1991.p.200.

[3]. M. SHIMA, A. TERAKA WA, M. ISOMURA, ANDS. TSUDA,Effect o/Composition on the Properties0/ Amorphous Silicon Carbide at a Certain OpticalGap, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 36.Partikell, No.4A,April 1997,pp 2044-2048.

[4]. S.F.YOON, J. AHN, Characteritics 0/ Wide-GapHydrogenated Amorphous SiC Films PreparedUsing Electron Cyclotron Resonance CVD FromAcetylene,OpticalMaterials7 (1997) 181-187.

237

3

A":2.1 1>Uje:::,f'P

A2.8

:: I

2.7

f2.8 6 6

I2.8 17

II 2.4 A 6 18

i2.3 132.2 A 11 !2.: A

A I7

80 60 70 80 10 110

I). I).

I).0 0

A A AA

IJ. SiH4 = 50 seem. SiH4 = 75 seem.. SiH4 = 100 seem

86

C 75 4SIH4 = 100seem

I 65OSiH4= 75seem..SIH4 = 50 seem

I

85

45 660 0 635 6 0

25...

II. ...! 15 ... ... ...

50 10 20 30 40 60 60

ICH4I(CH4+SIH4))%