Karakterisasi Lapisan Film Tipis GaAs Yang Ditumbuhkan Dengan Metode MOCVD Di Atas Substrate Ge
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
GaAs adalah salah satu material terpenting dalam semikonduktor paduan III-V
yang semakin banyak digunakan untuk aplikasi microwave dan perangkat
optoelektronik (V. Swaminathan, et al., 1985). Sebagaimana diketahui bahwa
perangkat Silikon (Si) yang sebelumnya banyak digunakan untuk complementary
metal–oxide–semiconductor (CMOS) semakin sulit ditingkatkan di masa yang
akan datang, sehingga GaAs dan Ge merupakan pilihan aternatif paling baik
karena merupakan semikonduktor intrinsic yang lebih cepat daripada Si. Seperti
halnya integrasi dari Ge tipe-p dengan GaAs tipe-n merupakan pengganti atraktif
yang sangat cepat darpiada Si CMOS. Untuk teknologi MOS, GaAs dan Ge dibuat
setipis mungkin, yakni lebih tipis dari 100 nm.
Telah banyak teknik yang digunakan untuk mengkarakterisasi film tipis ini,
diantaranya Difraksi Sinar-X dan
transmission electron microscopy (TEM),
namun hal tersebut membutuhkan waktu dan biaya yang cukup mahal. Kemudian
proses penumbuhan film tipis ini juga telah dikembangkan seperti molecular beam
epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor
deposition (MOCVD), dan turunan dari metode-metode tersebut. Sejak beberapa
tahun belakangan ini, MOCVD telah berkembang menjadi teknik terdepan untuk
memproduksi devais optoelektronik dan mikroelektronik berbasis paduan arsenida
III-V
yang
dapat
dikarakterisasi
dengan
teknik
Raman
Spectroscopy,
Photoluminescence dan Piezoreflectance. (J.D. Wu, et al., 2009)
Material GaAs/Ge memiliki banyak keuntungan dibandingkan GaAs/GaAs.
Substrat Ge tersedia dalam ukuran yang lebih besar dengan nilai kerapatan
dislokasi adalah nol, yang tidak dicapai hingga saat ini dalam kasus GaAs. Ge
memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi, sehingga memungkinkan
penggunaan substrat yang tipis, seperti halnya digunakan dalam sel surya pada
1
Universitas Sumatera Utara
satelit. Perangkat GaAs yang dibuat pada substrat Ge memiliki ketahanan yang
lebih tinggi terhadap pengaruh suhu daripada yang dibuat pada substrat GaAs,
karena Ge memiliki konduktivitas termal lebih tinggi dibandingkan dengan GaAs.
Perangkat material yang dibuat pada substrat Ge akan lebih ekonomis karena
biaya Ge lebih kecil dibandingkan GaAs sebagai substrat (R. Tyagi, et al., 2002).
Telah terbukti bahwa substrat Ge memberikan manfaat yang besar dibandingkan
jenis substrat lainnya untuk aplikasi pada solar sel dan detektor radiasi (J.
Derluyn, et al., 2002). Faktor penting yang melandasi pemilihan Ge sebagai
substrat adalah Ge memiliki kualitas kristal yang baik dan konsentrasi pengotor
(impurity) yang sangat rendah sekitar 1010/cm3 (L. Knuutila, et al., 2005).
Integrasi dari GaAs/Ge dalam aplikasinya pada sel surya terhadap substrat Si juga
merupakan alternatif yang ekonomis (H.W.Yu, et al.,2011).
Berikut adalah
perkembangan key issue dari material yang digunakan untuk meningkatkan
efisiensi solar sel (Masafumi Yamaguchi, et al., 2006 ).
Tabel 1.1 Key issues for realizing super high-efficiency multi-junction solar cells
Key issue
Top
cell
materials
Third
layer
materials
Substrate
Tunnel junction
Lattice
matching
Carrier
confinement
Photon
confinement
Past
AlGaAs
Present
InGaP
Future
AlInGaP
None
Ge
GaInNAs etc
GaAs
DH-structure
GaAs tunnel J.
GaAs middle cell
InGaP-BSF
Ge
DH-structure
InGaP tunnel J.
InGaAs
middle
cell
AlInP-BSF
Si
DH-structure
InGaP or GaAs
(In)GaAs middle
cell
Widegap-BSF
None
None
Bragg reflector etc
Interaksi phonon pada bahan semikonduktor atau interaksi electron-phonon yang
digunakan untuk menganalisis sifat kinetik dapat dibedakan menjadi dua, yakni
pertama adalah the coupling between single-particle electronic (hole) excitations
and transverse-optical phonons (TO) dan yang kedua adalah the coupling between
plasmons and longitudinal-optical phonons (LO). Kedua interaksi tersebut telah
2
Universitas Sumatera Utara
dianalisis oleh para ilmuwan menggunakan Raman Spectroscopy. (D. Olego and
M. Cardona,1981 dan Raffaello Ferone, et al., 2011). 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 inelastik dari cahaya monokromatik yang berasal dari sinar laser. Efek
Raman merupakan frekuensi dari foton yang dipancarkan ulang dan 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. Raman spectroscopy direalisasikan
dengan menggunakan mikroskop convocal, sehingga dapat memperoleh resolusi
sifat-sifat material dalam ukuran submikro. Hal ini telah dikembangkan sebagai
alat dalam mengkarakterisasi bahan semikonduktor untuk menemukan secara
detail informasi dari struktur kristal, dispersi phonon, komposisi, ketahanan dan
sebagainya. Baru-baru ini Raman spectroscopy telah digunakan secara luas untuk
mengkaji nanowires dan quantum dot. Sehubungan dengan hal tersebut, beberapa
fenomena telah dilaporkan untuk kajian struktur satu dimensi. Dengan
menganalisis pengaruh polarisasi pada Raman spektroskopi telah dapat dibedakan
secara signifikan sifat-sifat dari nanostruktur satu dimensi dengan material bulk.
(I. Zardo, et al., 2009). Dalam hal ini, hamburan Raman sering juga disebut
sebagai alat non-destruktif
yang menggunakan perangkat laser, gelombang
pendek photodetektor, HEMT, dan sebagainya. (J. Diaz-Reyes, 2010). Hamburan
dan resonansi Raman telah menjadi alat yang digunakan untuk menganalisis sifatsifat bahan semikonduktor. (Peter Y. Yu, et al., 2010)
Studi hamburan Raman pada GaAs telah dilakukan oleh beberapa peneliti. Contoh
kasus yang sangat baik dari GaAs tipe-n telah diperoleh suatu hasil yang sangat
penting dan menarik yang diawali oleh percobaan Mooradian dan Wright tahun
1966 yakni adanya interaksi dari panjang gelombang phonon Longitudinal Optical
(LO) dengan plasmon, hal ini memberikan kerangka kerja berisi pemahaman
tentang phonon-plasmon coupling yang kemudian disebut L+ dan L- dan carrier-
3
Universitas Sumatera Utara
concentration bergantung pada frekwensi. Phonon-plasmon coupling pada GaAs
tipe-p belum luas dikaji sebagaimana halnya GaAs tipe-n. Bahkan beberapa
mekanisme telah diusulkan untuk menjelaskan phonon-plasmon coupling pada
GaAs tipe-p, namun belum ada satu pun mekanisme fisik yang dinyatakan dengan
observasi pengumpulan data. (R.A. Munoz-Hernendez, et al., 1996 dan O V
Misochko and T N Fursova 2005). Phonon-plasmon coupling/modes ini
sebelumnya di investigasi menggunakan teknik infrared. (V.I. Zemski, et al., 1975
dan Devki N. Talwar, 2010)
Proses karakterisasi dalam disertasi ini juga dilakukan dengan Photoluminescence
(PL) spectroscopy, dalam hal ini dianalisis posisi puncak spektrum yang
dihasilkan. GaAs menyerap foton (radiasi elektromagnetik) dan kemudian
memancarkan ulang fotonnya. Hal ini dapat digambarkan sebagai eksitasi ke
energi yang lebih tinggi dan kemudian kembali ke keadaan energi yang lebih
rendah disertai dengan emisi foton. Hal ini sangat efektif karena Ge semakin
sering digunakan sebagai akseptor pada GaAs yang dipersiapkan melalui epitaksi
fase cair (liquid phase epitaxy - LPE). Dibandingkan dengan Zn, Ge memiliki
tekanan uap dan koefisien difusi yang lebih rendah, sehingga sangat cocok untuk
struktur epitaxial multilayer dalam proses penumbuhan di mana pengotor
interdifusi harus diminimalkan. Selain itu, GaAs/Ge memiliki panjang difusi yang
baik, yang dapat meningkatkan nilai potensialnya sendiri. (H. Kressel and M.
Ettenberg, 1973 dan B. Galiana, et al., 2009)
Cahaya pada PL dapat dikumpulkan dan dianalisis untuk memperoleh informasi
yang sangat penting tentang photoeksitasi dalam sebuah material. Spektrum PL
menyediakan energi transisi, yang dapat digunakan untuk menentukan tingkat
energi elektronik. Intensitas
PL memberikan ukuran tingkat relatif dari
rekombinasi radiasi maupun nonradiatif. Variasi dari Intensitas
PL yang
diberikan dapat digunakan untuk menandai lebih lanjut pita elektronik. PL
tergantung pada sifat eksitasi optik. Sinyal PL sering tergantung pada kepadatan
photoeksitasi elektron, bila jenis atau kualitas bahan yang diselidiki bervariasi
secara spasial, sinyal PL akan berubah sesuai dengan posisi eksitasi. Karena PL
4
Universitas Sumatera Utara
lebih banyak berasal dari permukaan material, analisis PL adalah alat penting
dalam mengkarakterisasi permukaan. Dengan fenomena di atas, sifat dari material
bisa dideteksi dengan rinci. Karena PL dapat digunakan untuk mempelajari
hampir semua permukaan material dalam lingkungan apapun, maka dapat
digunakan untuk memantau perubahan yang disebabkan oleh modifikasi
permukaan setiap waktu. Oleh karena itu, dapat digunakan untuk mempelajari
sifat permukaan dalam pertumbuhan semikonduktor sekalipun memiliki tekanan
yang tinggi. Meskipun PL tidak tergantung pada suhu yang tinggi, pengukuran
suhu kamar bisa dilakukan. Keuntungan dari analisis PL yang tercantum di atas
berasal dari kesederhanaan pengukuran optik dan listrik untuk menyelidiki sifat
elektronik yang mendasar. (Timothy H. Gfroerer, 2000)
Scanning Electron Microscopy (SEM) digunakan untuk mendapatkan beberapa
jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi berupa hasil foto. Sinar
elektron yang terfokus pada bahan material GaAs akan memindai (scan)
keseluruhan hasil scan sample tersebut menjadi sebuah informasi mengenai
stuktur bahan tersebut, dengan demikian akan diperoleh bagian morpologi dari
permukaan GaAs maupun substrat Ge. Sementara Piezoreflectance spectroscopy
digunakan untuk mengetahui energi exiciton dan transmittance digunakan untuk
menganalisa koefisien absorption dan pengaruh ketebalan filim tipis.
Penelitian dilakukan sejak tahun 2006 terhadap material yang digunakan penulis
dalam disertasi ini telah menganalisa penampang lintang (cross section)
menggunakan SEM dan potret mikroskop optik telah diperoleh hasil yang sangat
bagus dan efisien digunakan untuk divais optoelekronik. Pada tahun 2010 dengan
material yang sama telah dilakukan analisis karakterisasi optik menggunakan
Photoluminessence Spectroscopy untuk suhu dibawah suhu kamar, demikian juga
karakterisasi raman sudah dilakukan tetapi hanya pada satu jenis material yang
ketebalan strukturnya sama. GaAs yang ditumbuhkan diatas substrat Ge ini juga
sudah diteliti aplikasinya untuk CMOS (G. Brammertz, et al., 2008). Penelitian
mengenai kualaitas bahan GaAs sampai saat ini masih terus dikerjakan, baik yang
ditumbuhkan di atas substrat Ge maupun substrat Si (J.z. Li, et al., 2009 dan
5
Universitas Sumatera Utara
H.W.Yu, et al., 2011). Efek substrat pada GaAs yang diaplikasikan untuk tunnel
diodes sudah dan tetap dikaji sampai saat ini (H.W.Yu, et al., 2011). Bahkan pada
kedua substrat tersebut yakni pengendapam Ge diatas Si (Yuji Yamamato, et al.,
2011). Berdasarkan uraian diatas timbul keinginan untuk melakukan penelitian
dalam menganalisa karakterisasi optik dari material film tipis GaAs yang
ditumbuhkan di atas substrat Ge yang memilki ukuran dan struktur yang berbeda
pada setiap lapisan penyusunnya.
1.2
Batasan Masalah
Permasalahan dalam menganalisis sifat-sifat semikonduktor telah banyak
dilakukan, dalam penelitian ini dibatasi pada analisis sepektrum Raman, pengaruh
carrier concentration, penghitungan plasma phonon, mengaplikasikan Raman
Selection Rule, membandingkan pengaruh penggunaan polarizer dan half wave
plate. Karakterisasi menggunakan Transmittance, Photoluminesence Spectroscopy
dan Piezoreflectance Spectroscopy juga dilakukan. Kemudian dianalis permukaan
sample menggunakan SEM. Permasalahan dibatasi pada material GaAs/Ge yang
ditumbuhkan mengunakan MOCVD.
1.3
Perumusan Masalah
Lapisan tipis GaAs ditumbuhkan di atas substrat Ge dengan teknik
MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition) menggunakan sumber
metalorganik golongan V, Tertiarybutylarsine (TBAs) dan sumber golongan III,
Trimethylgallium (TMGa). Lapisan tipis dan substrat ditempatkan di atas endapan
SiO2 . Temperatur dijaga konstan pada suhu 6500C. Kekristalan lapisan GaAs
hasil penumbuhan MOCVD dikarakterisasi dengan Raman Spectroscopy,
Photoluminesence, Piezoreflectance, Transmittance Spectroscopy, sedangkan
morfologi permukaan dengan menggunakan scanning electron microscope
(SEM). Rangkaian kerja ini disusun sebagai upaya memperoleh informasi
karakterisasi berupa tingkat-tingkat spektrum, FWHM dan pengaruh penggunaan
polarizer maupun half wave plate pada Raman dan nilai-nilai exciton dan
6
Universitas Sumatera Utara
broadening
parameter.
Diharapkan
juga
akan
diperoleh
pertimbangan-
pertimbangan terhadap penggunaan Raman Selection Rule pada hamburan Raman
dan analisis permuakaan filim tipis melalui gambar SEM.
1.4
1.
Tujuan Penelitian
Menganalisa karakterisasi filim tipis GaAs/Ge dan pengaruh lapisan AlAs
pada filim tipis GaAs/Ge.
2.
Menganalisa pengaruh carrier concentration pada film tipis GaAs/Ge
terhadap hamburan Raman mengunakan laser Ar+.
3.
Mengaplikasikan
Raman
Selection
Rule
untuk
karakterisasi
dan
hubungannya menggunakan Polarizer, tanpa Polarizer, dan Half Wave
Plate.
4.
Menganalisa pengaruh sudut/posisi material GaAs/Ge pada hamburan
Raman
5.
Mendapatkan kebergantungan intensitas maksimum dan nilai full width of
half maximum (FWHM) pada GaAs/Ge
6.
Menganalisa
koefisien
absorption
kristal
filim
tipis
GaAs/Ge
menggunakan Transmittance.
7.
Menemukan energi exciton menggunakan sistem Piezoreflectance
Spectroscopy dan Transmittance spectroscopy.
8.
Menganalisa permukaan lapisan tipis menggunakan scanning electron
microscope SEM.
1.5
Manfaat Penelitian
1. Dapat memberi konstribusi baru mengenai karakterisasi film tipis GaAs
yang ditumbuhkan di atas substrat Ge dengan pengaruh carrier
concentration dan ketebalan masing-masing lapisan yang sangat penting
dalam divais optoelektronik.
7
Universitas Sumatera Utara
2. Ditemukannya pengaruh perputaran sudut pada material film tipis GaAs
menggunakan Polarizer dan Half Wafe Plate pada hamburan Raman
yang belum pernah diteliti sebelumnya.
3. Menghasilkan analisis baru mengenai energi exciton dan koefisien
absorption, dimana parameter tersebut belum pernah diteliti untuk
material ini.
4. Menghasilkan konstribusi baru mengenai intensitas maksimum dan
FWHM yang lebih baik untuk aplikasi divais optoelektronik
menggunakan material filim tipis GaAs yang ditumbuhkan ditas lapisan
substrat Ge berdasarkan ukuran lapisan masing-masing.
1.6
Lokasi dan Waktu Penelitian
Penumbuhan lapisan tipis GaAs dilakukan di Interuniversity Microelectronics
Center (IMEC), Leuven, Belgium oleh Guy Brammertz pada tahun 2006. Untuk
memperoleh kebenaran yang akurat mengenai sifat-sifat material tersebut dan
dalam mengkarakterisasinya dibentuk Kerjasama Riset antara Interuniversity
Microelectronics Center (IMEC) dan Optoelectronics and Semiconductor Group,
Department of Electronic and Computer Engineering, National Taiwan University
of Science and Technology (NTUST-Taiwan Tech) pada Maret 2008. Kemudian
pada tahun 2010 dilakukan karakterisasi awal di Semiconductor Characterization
Laboratory, Department of Electronic and Computer Engineering, NTUSTTaiwan Tech oleh J.D Wu (PhD Candidate pada waktu itu dan sudah selesai
dibawah bimbingan Prof. Ying-Sheng Huang). Kemudian karakterisasi lanjut
dengan 10 sample yang berbeda strukturnya dilakukan oleh penulis selama 10
bulan yakni sejak Februari 2012 sampai Januari 2013 di Semiconductor
Characterization
Laboratory, Department of Electronic and Computer
Engineering, NTUST-Taiwan Tech dengan dukungan dana dari National Science
Council (NSC) Taiwan. Penulis memperoleh basiswa dari NTUST untuk studi
lanjut PhD di Optoelectronic and Semiconductor Group, Department of Electronic
and Computer Engineering dan beasiswa Riset Tahunan dari National Science
Council (NSC) Taiwan sejak Februari 2012. Beasiswa tersebut diperoleh oleh
8
Universitas Sumatera Utara
penulis atas rekomendasi tertulis dari Bapak Prof. Dr. Timbangen Sembiring,
M.Sc, Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc dan Bapak DR. Marhaposan
Situmorang. Surat rekomendasi tersebut diberikan pada tanggal 02 Oktober 2011
yang digunakan oleh penulis untuk melamar beasiswa Riset Tahunan dan
beasiswa PhD ke NTUST.
9
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
GaAs adalah salah satu material terpenting dalam semikonduktor paduan III-V
yang semakin banyak digunakan untuk aplikasi microwave dan perangkat
optoelektronik (V. Swaminathan, et al., 1985). Sebagaimana diketahui bahwa
perangkat Silikon (Si) yang sebelumnya banyak digunakan untuk complementary
metal–oxide–semiconductor (CMOS) semakin sulit ditingkatkan di masa yang
akan datang, sehingga GaAs dan Ge merupakan pilihan aternatif paling baik
karena merupakan semikonduktor intrinsic yang lebih cepat daripada Si. Seperti
halnya integrasi dari Ge tipe-p dengan GaAs tipe-n merupakan pengganti atraktif
yang sangat cepat darpiada Si CMOS. Untuk teknologi MOS, GaAs dan Ge dibuat
setipis mungkin, yakni lebih tipis dari 100 nm.
Telah banyak teknik yang digunakan untuk mengkarakterisasi film tipis ini,
diantaranya Difraksi Sinar-X dan
transmission electron microscopy (TEM),
namun hal tersebut membutuhkan waktu dan biaya yang cukup mahal. Kemudian
proses penumbuhan film tipis ini juga telah dikembangkan seperti molecular beam
epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor
deposition (MOCVD), dan turunan dari metode-metode tersebut. Sejak beberapa
tahun belakangan ini, MOCVD telah berkembang menjadi teknik terdepan untuk
memproduksi devais optoelektronik dan mikroelektronik berbasis paduan arsenida
III-V
yang
dapat
dikarakterisasi
dengan
teknik
Raman
Spectroscopy,
Photoluminescence dan Piezoreflectance. (J.D. Wu, et al., 2009)
Material GaAs/Ge memiliki banyak keuntungan dibandingkan GaAs/GaAs.
Substrat Ge tersedia dalam ukuran yang lebih besar dengan nilai kerapatan
dislokasi adalah nol, yang tidak dicapai hingga saat ini dalam kasus GaAs. Ge
memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi, sehingga memungkinkan
penggunaan substrat yang tipis, seperti halnya digunakan dalam sel surya pada
1
Universitas Sumatera Utara
satelit. Perangkat GaAs yang dibuat pada substrat Ge memiliki ketahanan yang
lebih tinggi terhadap pengaruh suhu daripada yang dibuat pada substrat GaAs,
karena Ge memiliki konduktivitas termal lebih tinggi dibandingkan dengan GaAs.
Perangkat material yang dibuat pada substrat Ge akan lebih ekonomis karena
biaya Ge lebih kecil dibandingkan GaAs sebagai substrat (R. Tyagi, et al., 2002).
Telah terbukti bahwa substrat Ge memberikan manfaat yang besar dibandingkan
jenis substrat lainnya untuk aplikasi pada solar sel dan detektor radiasi (J.
Derluyn, et al., 2002). Faktor penting yang melandasi pemilihan Ge sebagai
substrat adalah Ge memiliki kualitas kristal yang baik dan konsentrasi pengotor
(impurity) yang sangat rendah sekitar 1010/cm3 (L. Knuutila, et al., 2005).
Integrasi dari GaAs/Ge dalam aplikasinya pada sel surya terhadap substrat Si juga
merupakan alternatif yang ekonomis (H.W.Yu, et al.,2011).
Berikut adalah
perkembangan key issue dari material yang digunakan untuk meningkatkan
efisiensi solar sel (Masafumi Yamaguchi, et al., 2006 ).
Tabel 1.1 Key issues for realizing super high-efficiency multi-junction solar cells
Key issue
Top
cell
materials
Third
layer
materials
Substrate
Tunnel junction
Lattice
matching
Carrier
confinement
Photon
confinement
Past
AlGaAs
Present
InGaP
Future
AlInGaP
None
Ge
GaInNAs etc
GaAs
DH-structure
GaAs tunnel J.
GaAs middle cell
InGaP-BSF
Ge
DH-structure
InGaP tunnel J.
InGaAs
middle
cell
AlInP-BSF
Si
DH-structure
InGaP or GaAs
(In)GaAs middle
cell
Widegap-BSF
None
None
Bragg reflector etc
Interaksi phonon pada bahan semikonduktor atau interaksi electron-phonon yang
digunakan untuk menganalisis sifat kinetik dapat dibedakan menjadi dua, yakni
pertama adalah the coupling between single-particle electronic (hole) excitations
and transverse-optical phonons (TO) dan yang kedua adalah the coupling between
plasmons and longitudinal-optical phonons (LO). Kedua interaksi tersebut telah
2
Universitas Sumatera Utara
dianalisis oleh para ilmuwan menggunakan Raman Spectroscopy. (D. Olego and
M. Cardona,1981 dan Raffaello Ferone, et al., 2011). 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 inelastik dari cahaya monokromatik yang berasal dari sinar laser. Efek
Raman merupakan frekuensi dari foton yang dipancarkan ulang dan 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. Raman spectroscopy direalisasikan
dengan menggunakan mikroskop convocal, sehingga dapat memperoleh resolusi
sifat-sifat material dalam ukuran submikro. Hal ini telah dikembangkan sebagai
alat dalam mengkarakterisasi bahan semikonduktor untuk menemukan secara
detail informasi dari struktur kristal, dispersi phonon, komposisi, ketahanan dan
sebagainya. Baru-baru ini Raman spectroscopy telah digunakan secara luas untuk
mengkaji nanowires dan quantum dot. Sehubungan dengan hal tersebut, beberapa
fenomena telah dilaporkan untuk kajian struktur satu dimensi. Dengan
menganalisis pengaruh polarisasi pada Raman spektroskopi telah dapat dibedakan
secara signifikan sifat-sifat dari nanostruktur satu dimensi dengan material bulk.
(I. Zardo, et al., 2009). Dalam hal ini, hamburan Raman sering juga disebut
sebagai alat non-destruktif
yang menggunakan perangkat laser, gelombang
pendek photodetektor, HEMT, dan sebagainya. (J. Diaz-Reyes, 2010). Hamburan
dan resonansi Raman telah menjadi alat yang digunakan untuk menganalisis sifatsifat bahan semikonduktor. (Peter Y. Yu, et al., 2010)
Studi hamburan Raman pada GaAs telah dilakukan oleh beberapa peneliti. Contoh
kasus yang sangat baik dari GaAs tipe-n telah diperoleh suatu hasil yang sangat
penting dan menarik yang diawali oleh percobaan Mooradian dan Wright tahun
1966 yakni adanya interaksi dari panjang gelombang phonon Longitudinal Optical
(LO) dengan plasmon, hal ini memberikan kerangka kerja berisi pemahaman
tentang phonon-plasmon coupling yang kemudian disebut L+ dan L- dan carrier-
3
Universitas Sumatera Utara
concentration bergantung pada frekwensi. Phonon-plasmon coupling pada GaAs
tipe-p belum luas dikaji sebagaimana halnya GaAs tipe-n. Bahkan beberapa
mekanisme telah diusulkan untuk menjelaskan phonon-plasmon coupling pada
GaAs tipe-p, namun belum ada satu pun mekanisme fisik yang dinyatakan dengan
observasi pengumpulan data. (R.A. Munoz-Hernendez, et al., 1996 dan O V
Misochko and T N Fursova 2005). Phonon-plasmon coupling/modes ini
sebelumnya di investigasi menggunakan teknik infrared. (V.I. Zemski, et al., 1975
dan Devki N. Talwar, 2010)
Proses karakterisasi dalam disertasi ini juga dilakukan dengan Photoluminescence
(PL) spectroscopy, dalam hal ini dianalisis posisi puncak spektrum yang
dihasilkan. GaAs menyerap foton (radiasi elektromagnetik) dan kemudian
memancarkan ulang fotonnya. Hal ini dapat digambarkan sebagai eksitasi ke
energi yang lebih tinggi dan kemudian kembali ke keadaan energi yang lebih
rendah disertai dengan emisi foton. Hal ini sangat efektif karena Ge semakin
sering digunakan sebagai akseptor pada GaAs yang dipersiapkan melalui epitaksi
fase cair (liquid phase epitaxy - LPE). Dibandingkan dengan Zn, Ge memiliki
tekanan uap dan koefisien difusi yang lebih rendah, sehingga sangat cocok untuk
struktur epitaxial multilayer dalam proses penumbuhan di mana pengotor
interdifusi harus diminimalkan. Selain itu, GaAs/Ge memiliki panjang difusi yang
baik, yang dapat meningkatkan nilai potensialnya sendiri. (H. Kressel and M.
Ettenberg, 1973 dan B. Galiana, et al., 2009)
Cahaya pada PL dapat dikumpulkan dan dianalisis untuk memperoleh informasi
yang sangat penting tentang photoeksitasi dalam sebuah material. Spektrum PL
menyediakan energi transisi, yang dapat digunakan untuk menentukan tingkat
energi elektronik. Intensitas
PL memberikan ukuran tingkat relatif dari
rekombinasi radiasi maupun nonradiatif. Variasi dari Intensitas
PL yang
diberikan dapat digunakan untuk menandai lebih lanjut pita elektronik. PL
tergantung pada sifat eksitasi optik. Sinyal PL sering tergantung pada kepadatan
photoeksitasi elektron, bila jenis atau kualitas bahan yang diselidiki bervariasi
secara spasial, sinyal PL akan berubah sesuai dengan posisi eksitasi. Karena PL
4
Universitas Sumatera Utara
lebih banyak berasal dari permukaan material, analisis PL adalah alat penting
dalam mengkarakterisasi permukaan. Dengan fenomena di atas, sifat dari material
bisa dideteksi dengan rinci. Karena PL dapat digunakan untuk mempelajari
hampir semua permukaan material dalam lingkungan apapun, maka dapat
digunakan untuk memantau perubahan yang disebabkan oleh modifikasi
permukaan setiap waktu. Oleh karena itu, dapat digunakan untuk mempelajari
sifat permukaan dalam pertumbuhan semikonduktor sekalipun memiliki tekanan
yang tinggi. Meskipun PL tidak tergantung pada suhu yang tinggi, pengukuran
suhu kamar bisa dilakukan. Keuntungan dari analisis PL yang tercantum di atas
berasal dari kesederhanaan pengukuran optik dan listrik untuk menyelidiki sifat
elektronik yang mendasar. (Timothy H. Gfroerer, 2000)
Scanning Electron Microscopy (SEM) digunakan untuk mendapatkan beberapa
jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi berupa hasil foto. Sinar
elektron yang terfokus pada bahan material GaAs akan memindai (scan)
keseluruhan hasil scan sample tersebut menjadi sebuah informasi mengenai
stuktur bahan tersebut, dengan demikian akan diperoleh bagian morpologi dari
permukaan GaAs maupun substrat Ge. Sementara Piezoreflectance spectroscopy
digunakan untuk mengetahui energi exiciton dan transmittance digunakan untuk
menganalisa koefisien absorption dan pengaruh ketebalan filim tipis.
Penelitian dilakukan sejak tahun 2006 terhadap material yang digunakan penulis
dalam disertasi ini telah menganalisa penampang lintang (cross section)
menggunakan SEM dan potret mikroskop optik telah diperoleh hasil yang sangat
bagus dan efisien digunakan untuk divais optoelekronik. Pada tahun 2010 dengan
material yang sama telah dilakukan analisis karakterisasi optik menggunakan
Photoluminessence Spectroscopy untuk suhu dibawah suhu kamar, demikian juga
karakterisasi raman sudah dilakukan tetapi hanya pada satu jenis material yang
ketebalan strukturnya sama. GaAs yang ditumbuhkan diatas substrat Ge ini juga
sudah diteliti aplikasinya untuk CMOS (G. Brammertz, et al., 2008). Penelitian
mengenai kualaitas bahan GaAs sampai saat ini masih terus dikerjakan, baik yang
ditumbuhkan di atas substrat Ge maupun substrat Si (J.z. Li, et al., 2009 dan
5
Universitas Sumatera Utara
H.W.Yu, et al., 2011). Efek substrat pada GaAs yang diaplikasikan untuk tunnel
diodes sudah dan tetap dikaji sampai saat ini (H.W.Yu, et al., 2011). Bahkan pada
kedua substrat tersebut yakni pengendapam Ge diatas Si (Yuji Yamamato, et al.,
2011). Berdasarkan uraian diatas timbul keinginan untuk melakukan penelitian
dalam menganalisa karakterisasi optik dari material film tipis GaAs yang
ditumbuhkan di atas substrat Ge yang memilki ukuran dan struktur yang berbeda
pada setiap lapisan penyusunnya.
1.2
Batasan Masalah
Permasalahan dalam menganalisis sifat-sifat semikonduktor telah banyak
dilakukan, dalam penelitian ini dibatasi pada analisis sepektrum Raman, pengaruh
carrier concentration, penghitungan plasma phonon, mengaplikasikan Raman
Selection Rule, membandingkan pengaruh penggunaan polarizer dan half wave
plate. Karakterisasi menggunakan Transmittance, Photoluminesence Spectroscopy
dan Piezoreflectance Spectroscopy juga dilakukan. Kemudian dianalis permukaan
sample menggunakan SEM. Permasalahan dibatasi pada material GaAs/Ge yang
ditumbuhkan mengunakan MOCVD.
1.3
Perumusan Masalah
Lapisan tipis GaAs ditumbuhkan di atas substrat Ge dengan teknik
MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition) menggunakan sumber
metalorganik golongan V, Tertiarybutylarsine (TBAs) dan sumber golongan III,
Trimethylgallium (TMGa). Lapisan tipis dan substrat ditempatkan di atas endapan
SiO2 . Temperatur dijaga konstan pada suhu 6500C. Kekristalan lapisan GaAs
hasil penumbuhan MOCVD dikarakterisasi dengan Raman Spectroscopy,
Photoluminesence, Piezoreflectance, Transmittance Spectroscopy, sedangkan
morfologi permukaan dengan menggunakan scanning electron microscope
(SEM). Rangkaian kerja ini disusun sebagai upaya memperoleh informasi
karakterisasi berupa tingkat-tingkat spektrum, FWHM dan pengaruh penggunaan
polarizer maupun half wave plate pada Raman dan nilai-nilai exciton dan
6
Universitas Sumatera Utara
broadening
parameter.
Diharapkan
juga
akan
diperoleh
pertimbangan-
pertimbangan terhadap penggunaan Raman Selection Rule pada hamburan Raman
dan analisis permuakaan filim tipis melalui gambar SEM.
1.4
1.
Tujuan Penelitian
Menganalisa karakterisasi filim tipis GaAs/Ge dan pengaruh lapisan AlAs
pada filim tipis GaAs/Ge.
2.
Menganalisa pengaruh carrier concentration pada film tipis GaAs/Ge
terhadap hamburan Raman mengunakan laser Ar+.
3.
Mengaplikasikan
Raman
Selection
Rule
untuk
karakterisasi
dan
hubungannya menggunakan Polarizer, tanpa Polarizer, dan Half Wave
Plate.
4.
Menganalisa pengaruh sudut/posisi material GaAs/Ge pada hamburan
Raman
5.
Mendapatkan kebergantungan intensitas maksimum dan nilai full width of
half maximum (FWHM) pada GaAs/Ge
6.
Menganalisa
koefisien
absorption
kristal
filim
tipis
GaAs/Ge
menggunakan Transmittance.
7.
Menemukan energi exciton menggunakan sistem Piezoreflectance
Spectroscopy dan Transmittance spectroscopy.
8.
Menganalisa permukaan lapisan tipis menggunakan scanning electron
microscope SEM.
1.5
Manfaat Penelitian
1. Dapat memberi konstribusi baru mengenai karakterisasi film tipis GaAs
yang ditumbuhkan di atas substrat Ge dengan pengaruh carrier
concentration dan ketebalan masing-masing lapisan yang sangat penting
dalam divais optoelektronik.
7
Universitas Sumatera Utara
2. Ditemukannya pengaruh perputaran sudut pada material film tipis GaAs
menggunakan Polarizer dan Half Wafe Plate pada hamburan Raman
yang belum pernah diteliti sebelumnya.
3. Menghasilkan analisis baru mengenai energi exciton dan koefisien
absorption, dimana parameter tersebut belum pernah diteliti untuk
material ini.
4. Menghasilkan konstribusi baru mengenai intensitas maksimum dan
FWHM yang lebih baik untuk aplikasi divais optoelektronik
menggunakan material filim tipis GaAs yang ditumbuhkan ditas lapisan
substrat Ge berdasarkan ukuran lapisan masing-masing.
1.6
Lokasi dan Waktu Penelitian
Penumbuhan lapisan tipis GaAs dilakukan di Interuniversity Microelectronics
Center (IMEC), Leuven, Belgium oleh Guy Brammertz pada tahun 2006. Untuk
memperoleh kebenaran yang akurat mengenai sifat-sifat material tersebut dan
dalam mengkarakterisasinya dibentuk Kerjasama Riset antara Interuniversity
Microelectronics Center (IMEC) dan Optoelectronics and Semiconductor Group,
Department of Electronic and Computer Engineering, National Taiwan University
of Science and Technology (NTUST-Taiwan Tech) pada Maret 2008. Kemudian
pada tahun 2010 dilakukan karakterisasi awal di Semiconductor Characterization
Laboratory, Department of Electronic and Computer Engineering, NTUSTTaiwan Tech oleh J.D Wu (PhD Candidate pada waktu itu dan sudah selesai
dibawah bimbingan Prof. Ying-Sheng Huang). Kemudian karakterisasi lanjut
dengan 10 sample yang berbeda strukturnya dilakukan oleh penulis selama 10
bulan yakni sejak Februari 2012 sampai Januari 2013 di Semiconductor
Characterization
Laboratory, Department of Electronic and Computer
Engineering, NTUST-Taiwan Tech dengan dukungan dana dari National Science
Council (NSC) Taiwan. Penulis memperoleh basiswa dari NTUST untuk studi
lanjut PhD di Optoelectronic and Semiconductor Group, Department of Electronic
and Computer Engineering dan beasiswa Riset Tahunan dari National Science
Council (NSC) Taiwan sejak Februari 2012. Beasiswa tersebut diperoleh oleh
8
Universitas Sumatera Utara
penulis atas rekomendasi tertulis dari Bapak Prof. Dr. Timbangen Sembiring,
M.Sc, Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc dan Bapak DR. Marhaposan
Situmorang. Surat rekomendasi tersebut diberikan pada tanggal 02 Oktober 2011
yang digunakan oleh penulis untuk melamar beasiswa Riset Tahunan dan
beasiswa PhD ke NTUST.
9
Universitas Sumatera Utara