Karakterisasi Lapisan Film Tipis GaAs Yang Ditumbuhkan Dengan Metode MOCVD Di Atas Substrate Ge

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Material Semikonduktor Paduan III-V

Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada
diantara isolator dan konduktor. Disebut semi atau setengah konduktor, karena
bahan ini memang bukan konduktor murni. Semikonduktor, umumnya
diklasifikasikan berdasarkan harga resistivitas listriknya pada suhu kamar, yakni
dalam rentang 10-2-109 Ωcm. Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai isolator
pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruang akan bersifat
sebagai konduktor.

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktivitasnya
dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut doping).
Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda,
transistor dan IC (integrated circuit). Semikonduktor sangat luas pemakainnya,
terutama sejak ditemukannya transistor pada akhir tahun 1940-an.

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si),
germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan
satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun
belakangan, Silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan
ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke-dua yang ada dibumi setelah
oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak
mengandung unsur silikon.

Semikonduktor paduan (compound semiconductor) dapat diperoleh dari unsur
valensi tiga dan valensi lima (paduan III-V, misalnya GaAs atau GaSb) atau dari
unsur valensi dua dan valensi enam (paduan II-VI, misalnya ZnS). Ikatan kimia
terbentuk dengan peminjaman elektron oleh unsur dengan velensi lebih tinggi
kepada unsur dengan valensi lebih rendah. Atom donor pada semikonduktor

10
Universitas Sumatera Utara

paduan adalah unsur dengan valensi lebih tinggi dibandingkan dengan unsur yang
diganti. Atom akseptor adalah unsur dengan valensi lebih rendah dibandingkan
dengan unsur yang diganti.

2.1.1

Material GaAs, Ge, dan AlAs

Galium arsenide (GaAs) dan paduan ternary-nya merupakan material yang sangat
potensial untuk aplikasi divais elektronik maupun optoelektronik. Bahan GaAs
memiliki struktur celah pita energi dengan transisi langsung (direct bandgap)
yang besarnya sekitar 1,42 eV. Kondisi ini membuat material GaAs memiliki
efisiensi konversi energi paling tinggi dibanding dengan bahan lain ketika dibuat
divais sel surya. Bahan ini juga memiliki ketahanan radiasi yang tinggi, maka sel
surya dari bahan GaAs telah mendominasi pemakaian di ruang angkasa sebagai
sumber energi bagi satelit-satelit. Untuk aplikasi divais-divais kuantum, material
ini juga sangat kompatibel dibentuk dalam struktur hetero dengan material lain.
Struktur sumur kuantum berbasis GaAs potensial untuk aplikasi laser yang dapat
mengemisikan panjang gelombang IR (infrared) (A. Suhandi, dkk., 2005).

Tabel 2.1 Daftar Material Semikonduktor Paduan III-V
Material
Aluminium antimonide

Formula
AlSb

Material
Aluminium arsenide

Formula
AlAs

Aluminium nitride
Boron nitride
Boron arsenide
Gallium arsenide
Gallium phosphide
Indium arsenide
Indium phosphide

AlN
BN

BAs
GaAs
GaP
InAs
InP

AlP
BP
GaSb
GaN
InSb
InN
AlGaAs

Indium gallium arsenide

InGaAs

Aluminium indium
arsenide

Gallium arsenide nitride

AlInAs

Aluminium phosphide
Boron phosphide
Gallium antimonide
Gallium nitride
Indium antimonide
Indium nitride
Aluminium gallium
arsenide
Indium gallium
phosphide
Aluminium indium
antimonide
Gallium arsenide
phosphide
Aluminium gallium
nitride

Indium gallium nitride

Gallium arsenide
antimonide
Aluminium gallium

GaAsN
GaAsSb
AlGaP

InGaP
AlInSb
GaAsP
AlGaN
InGaN

11
Universitas Sumatera Utara

phosphide

Indium arsenide
InAsSb
antimonide
Aluminium gallium indium AlGaInP
phosphide
Indium gallium arsenide
InGaAsP
phosphide
Indium arsenide
InAsSbP
antimonide phosphide
Aluminium gallium
AlGaAsN
arsenide nitride
Indium aluminium
InAlAsN
arsenide nitride
Gallium arsenide
GaAsSbN
antimonide nitride

Indium gallium
antimonide
Aluminium gallium
arsenide phosphide
Indium gallium arsenide
antimonide
Aluminium indium
arsenide phosphide
Indium gallium arsenide
nitride
Gallium indium nitride
arsenide antimonide
Gallium indium arsenide
antimonide phosphide

InGaSb
AlGaAsP
InGaAsSb
AlInAsP

InGaAsN
GaInNAsSb
GaInAsSbP

Tabel 2.2 Properties of AlAs, GaAs, dan Ge
Quantity
Crystal structure
Gap:Direct (D)/Indirect (I)
Lattice constant
Bandgap energy

Intrinsic carrier
concentration
Effective DOS at CB edge
Effective DOS at VB edge
Electron mobility
Hole mobility
Electron diffusion
constant
Hole diffusion constant

Electron affinity
Minority carrier lifetime
Electron effective mass
Heavy hole effective mass
Relative dielectric
constant
Refractive index near Eg
Absorption coefficient
near Eg
Electron mass

Symbol
(Units)
----------ao (Ao)
Eg (eV)
ni (cm-3)

AlAs

GaAs

Ge

Z
I
5.6611
2.168
10

Z
D
5.6533
1.42
2.0 × 106

D
I
5.64613
0.66
2.0 × 1013

NC (cm-3)
NV (cm-3)
µ n (cm2/(Vs)

1.5 × 1019
1.7 × 1019
200

4.4 × 1017
7.7 × 1018
8500

1.0 × 1019
6.0 × 1018
3900

µp

100

400

1900

(cm2/(Vs))
Dn (cm2/s)

5.2

220

101

Dp (cm2/s)
χ (V)
τ (s)
me*
mhh*

ετ

2.5
3.50
10-7
0.146me
0.76 me
10.1

10
4.07
10-8
0.067 me
0.45 me
13.3

49
4.0
10-6
1.64me
0.28me
16.0

n
α (cm-1)

3.2
103

3.4
104

4.0
103

me = 9.1 x 10-31 Kg

12
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 GaAs dan Struktur Kristalnya

Gambar 2.2 AlAs dan Struktur Kristalnya

Gambar 2.3 Ge dan Struktur Kristalnya

2.2

Penumbuhan Bahan Semikonduktor Paduan III-V (GaAs)

Dalam bentuk film tipis, bahan GaAs dapat ditumbuhkan dengan berbagai
metode, seperti Chemical Beam epitaxy (CBE) (Seong-Ju Park, et al., 1994),

13
Universitas Sumatera Utara

Metalorganic Molecular Beam Epitaxy (MOMBE) (X. F. Liu, et al.,), Molecular
Beam Epitaxy (MBE) (W. I. Wang, 1984), maupun Metalorganic Chemical
Vapour Deposition (MOCVD) (Yasuhito T., et al., 1988 dan A. Esparza, et al.,
2001). Berbagai sumber metalorganik yang biasa digunakan dalam penumbuhan
film GaAs dengan metode MOCVD antara lain adalah trimethylgallium (TMGa)
dan

triethylgallium

(TEGa)

sebagai

sumber

Ga

(golongan

III)

dan

trimethylarsenic (TMAs), triethylarsenic (TEAs), tetrabuthylarsenic (TBAs) serta
Arsine (AsH3) sebagai sumber As (golongan V) (Anthony C. Jones, and Michael
L.M., 2009).

Lapisan tipis GaAs yang digunakan dalam penelitian ini ditumbuhkan diatas
substrat Ge dengan teknik MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition)
jenis Thomas Swan MOCVD reaktor . Ruang endapan (chamber) terdiri dari
sebuah rektor alir vertikal dengan pemanas tiga zona carbon, mampu mencapai
suhu maksimum hingga 8000C, dan sebuah susceptor silikon karbid (SiC) yang
dilapisi carbon, yang menahan 100 mm substrat tempat dilakukannya
penumbuhan.

Reaktan menimpa susceptor dari atas melewati sebuah close-

coupled showerhead, yang mendistribusikan aliran gas homogen di atas
permukaan wafer. Dari sana gas secara vertikal dikeluarkan dari reaktor melalui
sisi susceptor melewati quartz liner system. Tekanan total dalam reaktor dapat
divariasikan dari 30 torr hingga pada tekanan atmosfer. Prekursor atau sumber
metalorganik yang digunakan adalah golongan V, Tertiarybutylarsine (TBAs) dan
sumber golongan III, Trimethylgallium (TMGa). Adapun gas H2 digunakan
sebagai gas pembawa. Lapisan tipis dan substrat diatur bentuknya menggunakan
endapan SiO2 . Temperatur dijaga konstan pada suhu 650oC. Pemilihan sumber
metal-organik ini didasarkan pada keunggulan-keunggulan yang dimilikinya.
TMGa adalah sumber metal-organik yang memiliki temperatur pirolysis rendah
(Guy Brammertz, et al., 2006 dan G B. Stringfellow, 1999). Metode MOCVD
memiliki keunggulan yaitu tingkat kemurnian film dapat dikontrol melalui
masukan sumber metal organik dan dopant, kesederhanaan dalam disain reaktor
dan kemudahan dalam pengaturan suhu penumbuhan (Budi Mulyanti, dkk., 2007).

14
Universitas Sumatera Utara

Namun, terdapat beberapa tantangan yang sering terjadi pada proses penumbuhan
GaAs/Ge, seperi anti-phase domains (APDs), ketidaksesuaian dislokasi, dan
interdifusi dari Ga, As, dan atom Ge. Formasi APD dalam material heterostruktur
GaAs/Ge dapat ditekan dengan menyesuaikan hal-hal yang mempengaruhi
penumbuhan seperti temperatur penumbuhan, pergeseran orientasi sudut pada
substrat, dan proses anneling film Ge. Secara umum, metode tersebut akan
mendorong langkah-langkah atom permukaan (atomic surface steps) lapisan Ge.
Pembentukan atomic surface steps dapat meningkatkan penumbuhan singledomain GaAs-A, di mana lapisan atom pertama pada permukaan lapisan Ge
adalah atom arsen (As), dan mempromosikan diri sebagai penghancur APDs
selama proses pertumbuhan heterostruktur GaAs/Ge. (H.W.Yu, et al.,2011).

Gambar 2.4 Hasil TEM dari GaAs yang terdiri dari beberapa APDs yang
ditumbuhkan diatas substrat Ge.

Selain itu, Guang juga menemukan bahwa anti-phase boundaries (APBS) di
heterostruktur GaAs/Ge juga adalah rute untuk difusi Ge ke dalam lapisan GaAs.
Mereka membuktikan bahwa penghentian pembentukan APD menyebabkan
penurunan interdifusi dalam heterostruktur GaAs/Ge. (Guang-Li Luo, 2007).

15
Universitas Sumatera Utara

APDs sering menyebabkan cacat struktural pada proses penumbuhan lapisan tipis
GaAs sebagai material polar di atas substrat Ge yang nonpolar. Selain itu juga
dapat mengakibatkan kekasaran permukaan yang signifikan, yang menghalangi
keseragaman luas dan pengolahan perangkat. APDs terbentuk akibat pembalikan
fase atom sublattices sewaktu bereaksi dengan substrat (R. Tyagi, et al., 2002).
APDs untuk bahan yang digunakan pada disertasi ini telah dilihat langsung
menggunakan TEM pada tahun 2006 seperti gambar berikut (Guy Brammertz, et
al., 2006)

Dipilih suhu yang tinggi untuk menghasilkan APDs seperti di atas, karena
berdasarkan penelitian sebelumnya telah dilakukan penelitian terhadap pengaruh
suhu oleh Yuan Li et al, hasil terbaik diperoleh pada suhu tinggi seperti gambar
berikut (Yuan Li, et al., 1995)

(a)

(b)

Gambar 2.5 APDs GaAs pada (a) Suhu rendah (b) Suhu tinggi

Hal yang sama juga dilakukan baru-baru ini pada substrat Ge, As dan Si dengan
hasil seperti berikut (H.W. Yu, et al., 2011). Terlihat ada banyak APDs yang
terbentuk pada bagian yang unannealed Ge/Si substrat. Hasil ini menyarankan
bahwa proses anneling yang singkat pada suhu tinggi memungkinkan surface

16
Universitas Sumatera Utara

transition muncul pada permukaan Ge yang akan meningkatkan jumlah atomic
surface steps. Atom As sebagai prelayer yang ditumbuhkan dengan anneling pada
suhu 6500 mengurangi formasi APD.

Gambar 2.6 Hasil TEM penampang lintang dari GaAs/As/Ge/Si yang
ditumbuhkan pada rasio V/III = 20 (a) Unannealed Ge/Si substrate and (b) Ge/Si
substrate annealed at 6500C.

2.3

Karakterisasi Bahan Semikonduktor Paduan III-V (GaAs)

Secara umum proses karakterisasi bahan semikonduktor dikelompokkan menjadi
tiga, yakni karakterisasi elektrik (electrical characterization), karakterisasi optik
(optical

characterization),

karakterisasi

fisik/kimia

(physical/chemical

characterization). Karakterisasi elektrik adalah karakterisasi yang paling umum,
yang memberikan informasi mengenai Resistivity, Carrier concentration,
Mobility, Contact resistance, Barrier height, Channel length, width, Oxide
charges, Interface state densities, Lifetime, Deep level impurities. Karakterisasi
optik

meliputi:

photoluminescence
spectroscopy,

mikroskopi
(PL),
Raman

optik

(optical

Transmission

microscopy),

spectroscopy

spectroscopy,

(FTIR),

Reflectance

ellipsometry,
Absorption
modulation,

Cathodoluminescence (CL). Karakterisasi fisik/kimia meliputi (McGuire, 1989):

17
Universitas Sumatera Utara

1. Electron beam techniques

a. Scanning electron microscopy (SEM)
b. Transmission electron microscopy (TEM)
c. Auger electron spectroscopy (ABS)
d. Electron microprobe (EMP)
e. Electron energy loss spectroscopy (EELS)
2. Ion beam techniques
a.

Sputtering

b.

Secondary ion mass spectroscopy (SIMS)

c.

Rutherford backscattering (RBS)

3. X-ray techniques
a.

X-ray fluorescence (XRF)

b.

X-ray photoelectron spectrsocopy (XPS)

c.

X-my topography

d.

X-ray diffraction

4. Neutron activation analysis (NAA)
5. Chemical etching

Dalam disertasi ini, adapun teknik yang digunakan untuk mengkarakterisasi bahan
semikonduktor GaAs/Ge adalah Raman spectroscopy, Photoluminescence
spectroscopy (PL), Refelcatnce modulation (Piezoreflectance spectroscopy),
Transmittance spectroscopy, dan Scanning Electron Microscopy (SEM).
Karakterisasi

tersebut

characterization),

optik

menghasilkan

karakterisasi

elektrik

(optical

characterization),

dan

(electrical
fisik/kimia

(physical/chemical characterization).

2.3.1

Karakterisasi Menggunakan Raman Spectroscopy

Sejak ditemukannya efek Raman pada tahun 1982, spektroskopi Raman banyak
digunakan sebagai solusi dari berbagai kebutuhan teknologi, terutama dalam
industri laboratorium. Spektroskopi Raman merupakan teknik spektroskopi yang
berdasarkan pada hamburan inelastic dari cahaya monokromatik yang berasal dari
sinar laser. Efek Raman merupakan frekuensi dari foton yang dipancarkan ulang

18
Universitas Sumatera Utara

dapat

dinaikkan

maupun

diturunkan

terhadap

frekuensi

asli

cahaya

monokromatik. Perubahan ini memberikan informasi tentang getaran, rotasi, dan
transisi frekuensi rendah yang lain pada molekul. Spektroskopi Raman dapat
digunakan untuk mempelajari material padat, cair, dan gas.
Efek Raman berdasarkan deformasi molekular pada medan listrik E yang
ditentukan oleh kemampuan polarisasi molekular α. Sinar laser dapat dianggap
sebagai gelombang EM berosilasi dengan vektor listrik E. Ketika terdapat
interaksi dengan sample, maka akan terbentuk momen dipole magnet P = αE.
Karena adanya deformasi periodik, molekul mulai bergetar dengan karakteristik
frekuensi νm.

Gambar 2.7 Skema transisi Raman
Pada gambar di atas, dipole yang berosilasi akan menghasilkan cahaya dengan
tiga frekuensi yang berbeda.
1. Ketika sebuah molekul yang tidak memiliki mode Raman menyerap foton
dengan frekuensi ν0, maka molekul yang telah tereksitasi akan kembali ke
keadaan vibrasi dasar dan memancarkan cahaya dengan frekuensi yang
sama ν0 dengan sumber eksitasi. Interaksi inilah yang disebut interaksi
Rayleigh.
2. Ketika sebuah foton dengan frekuensi ν0 diserap oleh molekul Ramanactive pada keadaan vibrasi dasar, maka sebagian dari energi foton akan

19
Universitas Sumatera Utara

berubah menjadi mode Raman-active dengan frekuensi νm yang
menyebabkan frekuensi hamburan cahaya berkurang menjadi ν0-νm.
Frekuensi Raman ini disebut frekuensi Stokes.
3. Ketika sebuah foton dengan frekuensi ν0 diserap oleh molekul Ramanactive pada keadaan vibrasi tereksitasi, maka sejumlah besar energi dari
mode Raman-active tereksitasi akan dilepaskan. Sehingga molekul
kembali ke keadaan vibrasi dasar dan frekuensi yang dihasilkan oleh
cahaya yang terhambur akan meningkat hingga ν0+νm. Frekuensi Raman
ini disebut frekuensi Anti-Stokes. (http://www.princetoninstruments.com/ )
Tabel 2.3 Nilai LO and TO untuk GaAs bulk
Compound

GaAs

Reference

Method

Temp.

LO (cm-1)

TO (cm-1)

This work

Raman

Room

268 ± 0.5

291 ± 0.5

A. Moradian

Raman

Room

268.6 ± 0.3

291.9 ± 0.3

A. Moradian

Raman

Helium

273.1 ± 0.3

296.4 ± 0.3

Raman Intensity (Arb. Units)

LO

230

LOpeak = 291± 0.5 cm-1
Ipeak = 13606
Iarea = 122098
IFWHM = 8.4 cm-1

-1

TOpeak = 267± 0.5 cm
Ipeak = 682
Iarea = 4768
IFWHM = 6.5 cm-1
TO

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

-1

Raman Shift (cm )

Gambar 2.8 Spektrum Raman untuk GaAs bulk yang dilakukan oleh penulis.

20
Universitas Sumatera Utara

Karakterisasi GaAs bulk pertamakali dilakukan oleh A. Mooradian dan G.B
Wright pada tahun 1966. Hasil kerja mereka dipublis di jurnal Solid State
Communication Vo.4, 1966, hasil ini juga menjadi bahan acuan bagi penulis
dengan hasil eksperimen yang dilakukan langsung oleh penulis yakni dengan
khusus menganalisis transverse-optical phonons (TO) dan longitudinal-optical
phonons (TO) (A. Mooradian and G.B. Wright, 1966) dan diperoleh hasil yang
mirip/mendekati seperti pada Tabel 2.3.
Hasil diatas adalah untuk GaAs bulk yang tentunya berbeda dengan spectrum
yang dihasilkan ole GaAs/Ge dan AlAs/GaAs/Ge. Sebagaimana diketahui bahwa
ada dua jenis interaksi phonon yang dianalis dalam spektrum Raman, yakni the
coupling between single-particle electronic (hole) excitations and transverseoptical phonons (TO) dan yang kedua adalah the coupling between plasmons and
longitudinal-optical phonons (LO), atau lebih umum dinyatakan dengan LO dan
TO. Kedua interaksi ini dipengaruhi oleh carrier concentration dan aplikasi
polarizer ataupun half wave plate yang digunakan pada sistem Raman. V.I
Zemski, et al., 1975 telah menganalis LO dan TO untuk material GaAs yang
memiliki carrier concentration yang rendah seperti informasi pada tabel berikut.

Tabel 2.4 Parameter sampel GaAs oleh V.I Zemski, et al., (1975)

ω p adalah plasma frequency, ω +0 dan ω −0 adalah L+ dan L- hasil teoritis, ω + dan

ω − adalah L+ dan L- hasil eksperimen. ω p dihitung dengan menggunakan
persamaan berikut:

ω p2 =

4πNe 2
m *ε ∞

…………………………………

(1)

21
Universitas Sumatera Utara

Dimana N adalah carier concentration, m* adalah effective mass, e = electron,

ε ∞ = dielectric constant. Sedangkan L+ dan L- dihitung dengan menggunakan
persamaan berikut:

ω ±2 =

{

[

1
2
2
2
+ ω p2 ) ± (ω LO
+ ω p2 ) 2 − 4ω p2ωTO
(ω LO
2

]

1/ 2

} …………….

(2)

Dimana ω LO dan ωTO adalah nilai frekuensi LO dan TO. Dari persamaan di atas
terlihat bahwa carrier concentration turut mempengaruhi kemuncuan L+ dan Lpada material GaAs/Ge maupun pada AlAs/GaAs/Ge.

Gambar 2.9 Kurva plasmon-phonon untuk sample Gas table diatas oleh V.I
Zemski, et al., (1975): (a) 3.4 x 1017 cm-3, (b) 5x1017 cm-3, dan (c) 6.7x1017 cm-3
Perhitungan untuk table di atas dilakukan seperti berikut:
Tabel 2.5 Perhitungan Parameter sampel GaAs oleh V.I Zemski, et al., (1975)

22
Universitas Sumatera Utara

Dengan menggunakan persamaan (1) maka dapat dihitung dengan mudah nilai
frekwensi phonon seperti berikut.

ω P −GaAs 13 =

5.0
x 199 = 1.2126 x 199 = 241.32 cm −1
3.4

ω P −GaAs 14 =

6.7
x 199 = 1.40377 x 199 = 279.35 cm −1
3.4

Untuk GaAs-8

(

) [ ((292)

1
ω =  (292 )2 + (199)2 ±
2
2
±

2

+ (199 )

)

2 2

− 4(199 ) (269 )
2

2

]

1
2





1
[124865 + 64257] = 94561 ⇔ ω + = 307.5 cm −1
2
1
ω −2 = [124865 − 64257] = 30304 ⇔ ω − = 174 cm −1
2

ω +2 =

Untuk GaAs-13

(

) [ ((292)

1
ω =  (292 )2 + (242 )2 ±
2
2
±

2

+ (242 )

)

2 2

− 4(242 ) (269 )
2

2

2

]

1
2





]

1
2





1
[143828 + 61118] = 102473 ⇔ ω + = 320 cm −1
2
1
ω −2 = [143828 − 61118] = 41355 ⇔ ω − = 203 cm
2

ω +2 =

Untuk GaAs-14

(

) [ ((292)

1
ω =  (292 )2 + (279 )2 ±
2
2
±

2

+ (279 )

)

2 2

− 4(279 ) (269 )
2

1
[163105 + 63817] = 113461 ⇔ ω + = 336.8 cm −1
2
1
ω −2 = [163105 − 63817] = 49644 ⇔ ω − = 222.8 cm −1
2

ω +2 =

Sedangkan untuk analisis LO dan TO untuk material GaAs yang memiliki carrier
concentration tinggi telah dilakukan oleh H. Shen dan F.H Pollak (1985) seperti
informasi ada tabel berikut.

23
Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.6 Parameter sampel oleh H. Shen dan F.H Pollak (1985)

Untuk sample F(782-8A) ω P _ F ( 782−8 A) =

(

) [ ((292)

1
ω =  (292 )2 + (1024)2 ±
2
2
±

90
x 199 = 5.144 x 199 =1024 cm −1
3.4
2

+ (1024 )

)

2 2

− 4(1024 ) (269 )
2

2

]

1
2





1
[ 1133840 + 991004 ] ⇔ ω + = 1062422 = 1030 cm −1
2
1
ω −2 = [ 1133840 − 991004 ] ⇔ ω − = 71418 = 267 cm −1
2

ω +2 =

Gambar 2.10 Kurva plasmon-phonon untuk sample GaAs F(782-8A)

24
Universitas Sumatera Utara

Sebagaimana LO dan TO dipengaruhi oleh carrier concentration, juga
dipengaruhi oleh penggunaan polarizer dan half wave plate pada sistem Raman.
Dengan meninjau sumbu X, maka Raman tensor UX akan memiliki dua buah
komponen, yakni Uyz (X) and Uzy (X). Dapat diwakilkan UX sebagai matriks 3 × 3.
0 0 0 
U X = 0 0 C  ………………………….…... (3)
0 C 0
Sedangkan untuk sumbu Y dan Z adalah sebagai berikut,
0 0 C 
U Y = 0 0 0 
C 0 0 

0 C 0 
U Z = C 0 0  ………………………….…... (4)
0 0 0

Gambar 2.11 Backscattering pada Raman untuk sample yang digunakan
Misal untuk z ( x, x) z diperoleh
0 
0 0 0  0 




TO X = [001] 0 0 C  0 = [0 x0 + 0 x0 + 1x0 0 x0 + 0 x0 + 1xC 0 x0 + 0 xC + 0 x0] 0
1 
0 C 0 1 
0 
TO X = [0 C 0] 0 ⇒ TO X = 0
1 
0 
0 C 0  0 


TO y = [0 C 0] 0 ⇒ TO y = 0 LOZ = [001] C 0 0  0 ⇒ LOZ = 0
1 
0 0 0 1 
Terlihat bahwa untuk kondisi z ( x, x) z tidak ada muncul LO phonon maupun TO
phonon secara teoritis, dan hasil teoritis ini akan dibuktikan melalui percobaan

25
Universitas Sumatera Utara

yang diteliti oleh penulis dalam disertasi ini. Dengan demikian apabila dilakukan
perhitungan pada keseluruhan Backscatering untuk sample, akan dihasilkan nilainilai selection rule yang dapat dinyatakan pada table berikut.

Tabel 2.7 Backscatering sample GaAs/Ge yang digunakan dalam penelitian ini

2.3.2

Karakterisasi Menggunakan Photoluminescence Spectroscopy

Penelitian sebelumnya yang telah dilakukan oleh Guy Brammertz, et al., (2006)
adalah pada suhu rendah yakni 77K, yakni sebagai berikut.

Gambar 2.12 77K PL spectra of three undoped GaAs films deposited on Ge with
GaAs film thickness respectively equal to 140 nm (dashed line), 300 nm (dotted
line) and 600 nm (solid line).

26
Universitas Sumatera Utara

Sedangkan untuk material yang sama dengan temperatur penumbuhan yang
berbeda yakni 6000C juga dilakukan oleh J.Z. Li, et al., (2009) dengan hasil
seperti berikut.

Gambar 2.13 Room temperature PL comparison of 1 mm un-doped GaAs layer
grown on exact (001) Ge substrate and on polished Ge/Si substrate.

Gambar 2.14 Temperature 17 K photoluminescence spectrum of the GaAsbased
heterostructure grown by molecular beam epitaxy shown in the inset and used to
form the PBG material. (Pallab Bhattacharya, at al., 1999)

Hasil PL dari ketiga gambar di atas menjadi bahan rujukan dan perbandingan
untuk menganalisis spektrum PL untuk GaAs/Ge dan AlAs/GaAs/Ge dalam
disertasi ini.

27
Universitas Sumatera Utara

2.3.3

Karakterisasi Menggunakan Piezoreflectance Spectroscopy

Dalam piezoreflectance (PzR), modulasi dicapai dengan adanya ”bantalan”
sampel pada piezoelectric transducer yang yang kisinya bervariasi konstan, yakni
menghasilkan modulasi band gap. Brikut adalah hasil PzR pada GaAs yang
pernah diteliti sebelumnya. Hasil ini juga menjadi bahan perbandingan untuk
menganalisis material GaAs/Ge dan AlAs/GaAs/Ge yang diteliti oleh penulis.
Nilai eksiton dan boroadening parameter dari sampel dipeoleh dengan memfitting
data menggunakan first-derivative functional Lorentzian line shape yang memiliki
persamaan seperti berikut:

∆R


= Re ∑ Aiex exp( jϕ iex )( E − Eiex + jΓiex ) −2  ……………………. (5)
R
 i =1

Dimana Aiex dan ϕiex adalah amplitude dan phase of the line shape, Eiex dan Γiex
adalah energy dan broadening parameters of the interband excitonic transitions.

Gambar 2.15 Room·temperature (293·K) PzR, TER, and PR spectra of a
SI:GaAs sample. (Richard L. Tober and John D. Bruno, 1990)

28
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.16 Piezoreflectance spectrum at 20 K of ZnSe epilayer on (001) GaAs
in the vicinity of the direct gap of ZnSe. (F.H Pollak and H. Shen, 1993)

Gambar 2.17 100 K differential-photoluminescence spectra. (a) Wavelengthmodulation spectrum. (b) Piezomodulation spectrum. (H. Mathieu, et al., 1991)

29
Universitas Sumatera Utara

2.3.4

Karakterisasi Menggunakan Transmittance

Celah pita dan perbedaan dari energi exciton dari semikonduktor dapat ditentukan
dengan mengamati transmisi atau penyerapan cahaya dari berbagai panjang
gelombang yang dikenakan pada sample. Karena penyerapan intensitas cahaya
berkurang melalui sampel sebagai foton diserap. Ketergantungan cahaya
ditularkan melalui sampel bergantung pada persamaan berikut.

I T = I 0 exp(−αx) ………………………………………… (6)
I T = Intensitas cahaya yang mengenai sample, I 0 = intensitas cahaya awal
sebelum mengenai sample, α = koefisien absorpsi, dan x = ketebalan sampel.
Koefisien absorpsi sangat bergantung pada intensitas gelombang. Berikut adalah
grafik hasi transmittance yang dijadikan penulis sebagi referensi dan bahan
perbandingan.

Gambar 2.18 (a) intensity (solid line) and phase (dashed line) properties of
transmission pulse after GaAs film (L = 300 nm) experimentally obtained in
spectral and temporal domain, respectively; (c) reflection pulse from GaAs film
(L = 300 nm) in spectral and temporal domain; (e) reflection pulse from GaAs
bulk (L = 300 mm) in spectral and temporal domain. (Y. Ogawa, et al., 2006)

30
Universitas Sumatera Utara

2.3.5

Karakterisasi Gambar Permukaan Film Tipis GaAs/Ge

Berikut adalah hasil Microscope dan SEM digunakan untuk melihat bagian
morfologi dan penampang lintang film tipis GaAs/Ge. Hasil ini dijadikan penulis
sebagi referensi dan bahan perbandingan

Gambar 2.19 Hasil image Microscope (G. Brammertz, et al., 2006) The figures 2
(a) to (c) show structures of different sizes, visualizing the large spread in filling
factor of the mask.

31
Universitas Sumatera Utara

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.20 Hasil image SEM untuk penampang lintang (cross section) (G.
Brammertz, et al., 2006). Overview of a 12 μm wide GaAs stripe (a), detail of the
middle of the structure (b) and detail of the edge of a selectively grown GaAs
structure, showing the interface with the SiO2 mask layer (c).

32
Universitas Sumatera Utara

Sedangkan untuk material yang sama dengan temperatur penumbuhan yang
berbeda yakni 6000C juga dilakukan oleh J.Z. Li, et al., (2009) dengan hasil
seperti berikut.

Gambar 2.21 Cross-section SEM image of GaAs overgrown on polished Ge film
grown on SiO2 trench patterned Si(001) substrate.

33
Universitas Sumatera Utara