Analisis Sifat-sifat Optoelektronik Lapisan Tipis Silikon Amorf terhidrogenasi yang ditumbuhkan dengan Teknik VHF-PECVD pada Variasi Daya RF
Jurnal Matematika dan Sains
Vol. 10 No. 2, Juni 2005, hal 63-68
Analisis Sifat-sifat Optoelektronik Lapisan Tipis Silikon Amorf terhidrogenasi yang
ditumbuhkan dengan Teknik VHF-PECVD pada Variasi Daya RF
I. Usman1), S. Amiruddin2), Mursal3), Sukirno4), T. Winata4), dan M. Barmawi4)
Laboratorium Fisika Material Elektronik, Departemen Fisika-ITB
1)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Haluoleo
2)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Nusa Cendana
3)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Syah Kuala
4)
Departemen Fisika, Institut Teknologi Bandung
E-mail: idausman@sains.fisika.net
Diterima Januari 2005, disetujui untuk dipublikasi Pebruari 2005
Abstrak
Telah dideposisi lapisan tipis silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) dengan menggunakan teknik VHF-PECVD.
Proses deposisi dilakukan dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt pada tekanan ruang deposisi 300 mTorr serta
variasi daya rf 20 sampai 70 watt pada tekanan ruang deposisi 100 mTorr. Laju deposisi dan fotokonduktivitas
tertinggi, masing-masing 2,99 Å/det dan 1,13 x 10-4 S/cm, diperoleh pada daya rf 8 watt saat daya rf divariasi dari 6
sampai 12,5 watt. Laju deposisi tertinggi, 9,57 Å/det, dan fotokonduktivitas tertinggi, 1,54 x 10-2 S/cm, masingmasing diperoleh pada daya rf 40 dan 20 watt saat daya rf divariasi dari 20 sampai 70 watt. Berdasarkan analisis
yang dilakukan pada hasil-hasil karakterisasi, penurunan konduktivitas lapisan a-Si:H diakibatkan oleh
terbentuknya keadaan-keadaan cacat dalam lapisan seperti cacat ekor pita dan cacat celah pita.
Kata kunci: VHF-PECVD, laju deposisi, konduktivitas, keadaan cacat
Abstract
The hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films have been deposited using VHF-PECVD technique. The
deposition process was done by varied the rf power from 6 to 12.5 watts with 300 mTorr of chamber pressure and
from 20 to 70 watts with 100 mTorr of chamber pressure. The highest deposition rate of 2.99 Å/sec and the highest
photoconductivity of 1.13 x 10-4 S/cm were obtained from 8 watts of rf power when the rf power was varied from 6 to
12.5 watts. Then, the highest deposition rate of 9.57 Å/sec was obtained from 40 watts of rf power and the highest
photoconductivity of 1.54 x 10-2 S/cm was obtained from 20 watts of rf power when the rf power was varied from 20
to 70 watts. Based on the analysis of characterization results, the degradation of a-Si:H film conductivity was
caused by the formation of defect states such as band-tail defect and bandgap defect.
Key words: VHF-PECVD, deposition rate, conductivity, defect states
daya discharge, temperatur deposisi, dan laju aliran
gas pada saat proses deposisi3,4). Akan tetapi, cara ini
dinilai masih termasuk teknik energi tinggi, yang
bertentangan dengan upaya penekanan biaya
produksi. Oleh karena itu, pengembangan teknik
PECVD kemudian dilakukan dengan meningkatkan
frekuensi eksitasi plasma pada rf yang sangat tinggi.
Diketahui bahwa frekuensi eksitasi mempengaruhi
frekuensi tumbukan elektron saat proses disosiasi gas
menjadi radikal-radikal sederhana yang lebih reaktif.
Berdasarkan hasil penelitian diperoleh informasi
bahwa laju deposisi lapisan tipis a-Si:H meningkat
seiring dengan peningkatan frekuensi eksitasi plasma
dan laju deposisi maksimum diperoleh pada rf 70
MHz. Teknik PECVD dengan rf 70 MHz selanjutnya
dikenal sebagai teknik Very High Frequency PECVD
(VHF-PECVD)5,6). Beberapa peneliti melaporkan
bahwa lapisan tipis a-Si:H yang diperoleh melalui
teknik VHF-PECVD memiliki laju deposisi yang
relatif lebih tinggi dan kandungan hidrogen yang
lebih rendah dibandingkan dengan teknik PECVD
konvensional6,7). Bahkan teknik VHF-PECVD telah
1. Pendahuluan
Teknik Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition (PECVD) yang memanfaatkan frekuensi
radio (radio frequency, rf) telah menjadi teknik yang
popular digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis
a-Si:H. Teknik ini memiliki beberapa keunggulan
dibanding teknik CVD termal maupun Cathode
Sputtering seperti lapisan yang dihasilkan lebih
uniform dan temperatur deposisi (penumbuhan) yang
lebih rendah (temperatur deposisi PECVD sekitar
150-300 oC sedangkan temperatur deposisi CVD
termal dan Cathode Sputtering >500 oC). Namun
demikian, lapisan a-Si:H yang diperoleh pada
temperatur yang rendah melalui teknik PECVD
konvensional dengan rf 13.56 MHz masih memiliki
laju deposisi yang rendah, konduktivitas yang rendah,
serta kandungan hidrogen yang cukup tinggi1,2). Sifatsifat lapisan a-Si:H seperti ini masih merupakan
masalah dalam pengembangan divais sel surya yang
memiliki unjuk kerja yang baik dan stabilitas yang
tinggi. Dalam teknik PECVD, masalah tersebut pada
dasarnya dapat ditanggulangi dengan meningkatkan
63
64
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
lazim digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis
silikon mikrokristal terhidrogenasi7-10).
Hingga saat ini, teknik VHF-PECVD masih
menarik perhatian banyak peneliti. Pada dasarnya,
mekanisme reaksi yang terjadi dalam plasma dengan
teknik VHF-PECVD belum diketahui secara pasti.
Secara teori, peningkatan frekuensi menyebabkan
penurunan medan listrik rf akibat meluasnya proses
reaksi yang bersamaan dengan peningkatan kerapatan
elektron dan jumlah konsumsi daya oleh elektron.
Pada saat yang sama, meningkatnya kerapatan
elektron mengakibatkan peningkatan elektron yang
mempengaruhi proses disosiasi gas11). Berbagai
penelitian telah dilakukan untuk menguji kebenaran
teori tersebut. Secara eksperimental, hal ini tentu
berkaitan erat dengan parameter deposisi yang
digunakan terutama daya rf, dimana diketahui bahwa
daya rf berperan penting dalam proses penguraian
molekul-molekul gas menjadi radikal-radikal
sederhana yang lebih reaktif. Dalam penelitian ini
akan dianalisa pengaruh daya rf terhadap sifat-sifat
optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan
dengan teknik VHF-PECVD.
2. Eksperimen
Lapisan tipis a-Si:H ditumbuhkan di atas
substrat gelas Corning 7059 dalam sistem reaktor
VHF-PECVD yang menggunakan pembangkit daya
pada frekuensi radio (rf) 70 MHz. Sistem reaktor
VHF-PECVD yang digunakan terdiri atas dua ruang
deposisi, masing-masing digunakan khusus untuk
mendeposisi
lapisan
intrinsik
dan
lapisan
ekstrinsik12). Gas silan (SiH4) konsentrasi 10% dalam
hidrogen (H2) digunakan sebagai gas sumber. Untuk
mengamati pengaruh daya rf, proses deposisi
dilakukan dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt
pada tekanan ruang deposisi 300 mTorr dan variasi
daya rf 20 sampai 70 watt pada tekanan ruang
deposisi 100 mTorr. Temperatur substrat 275oC
digunakan selama deposisi berdasarkan hasil
penelitian sebelumnya12). Lapisan tipis a-Si:H yang
dihasilkan kemudian dikarakterisasi, meliputi
penentuan ketebalan dan celah pita optik (optical
bandgap) dari data pengukuran spektrometer
Ultraviolet Visible (UV-Vis) serta pengukuran
konduktivitas dengan metoda dua titik (coplanar).
Tabel 1 memperlihatkan parameter deposisi yang
digunakan.
Tabel 1. Parameter deposisi
Gas sumber
Laju
aliran gas
(sccm)
Temperatur
substrat
(oC)
Jarak
elektroda
(cm)
Tekanan
ruang deposisi
(mTorr)
300
SiH4
70
275
2
100
3. Hasil dan Pembahasan
Sifat-sifat optoelektronik lapisan tipis a-Si:H
yang ditumbuhkan melalui teknik PECVD secara
signifikan bergantung pada identitas radikal-radikal
seperti atom hidrogen dan molekul SiHn (n = 1-3)
dalam plasma, yang dihasilkan melalui disosiasi gas
SiH4 oleh tumbukan
elektron dan mekanisme
interaksi lanjutan antara radikal-permukaan ketika
radikal mengenai permukaan pertumbuhan13). Secara
eksperimental, proses kimia-fisika radikal-radikal
tersebut tidak mungkin dapat diamati secara
langsung. Analisa proses tersebut hanya dapat
dilakukan berdasarkan korelasi antara sifat-sifat
lapisan yang diperoleh dengan kondisi pada saat
deposisi, yang biasanya dilakukan berdasarkan
tahapan-tahapan optimasi parameter deposisinya.
Pada dasarnya, mekanisme yang terjadi dalam teknik
Daya rf
(watt)
6
8
10
12,5
20
30
40
50
60
70
PECVD melibatkan proses kimia-fisika yang rumit.
Kompleksitas kinetika reaksi yang terjadi dalam
plasma saat deposisi lapisan tipis a-Si:H sampai saat
ini belum diketahui secara pasti. Hal inilah yang
justru menarik perhatian banyak peneliti untuk terus
mengkajinya. Berbagai kemajuan telah diperoleh
hingga saat ini, bahkan telah sampai pada
kesepakatan bersama tentang batasan-batasan tertentu
yang menjamin proses penumbuhan dengan teknik
PECVD dapat menghasilkan lapisan dengan kualitas
yang sesuai untuk diaplikasikan pada fabrikasi divais
optoelektronik.
Secara umum, banyak faktor yang
mempengaruhi pembentukan lapisan tipis a-Si:H
selama proses deposisi di antaranya seperti frekuensi
eksitasi, daya rf, temperatur substrat, tekanan ruang
deposisi, dan laju aliran gas, yang selanjutnya disebut
sebagai
parameter
deposisi.
Masing-masing
parameter memiliki peranan tertentu pada proses
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
65
pembentukan lapisan. Pembahasan selanjutnya dalam
makalah ini hanya dibatasi pada analisis pengaruh
daya rf terhadap sifat-sifat optoelektronik lapisan
tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik VHFPECVD. Gambar 1 memperlihatkan metode Tauc
Plot dari data spektrum UV-Vis yang digunakan saat
menentukan celah pita optik lapisan a-Si:H yang
diperoleh. Perpotongan garis linier sebaran data
(αhν)1/2 pada sumbu vertikal dengan hν pada sumbu
horisontal menunjukkan nilai celah pita optiknya (α
adalah absorpsi optik, h adalah konstanta Planck, dan
ν adalah frekuensi cahaya)14).
3,5 x 103
2,5 x 103
20 W
6W
30 W
2,5 x 103
8W
10 W
(αhν)1/2 (cm-1/2eV1/2)
(αhν)1/2 (cm-1/2eV1/2)
3 x 103
3 x 103
12,5 W
2 x 103
3
1,5 x 10
1 x 103
40 W
50 W
2 x 103
60 W
70 W
1,5 x 103
1 x 103
5 x 102
5 x 102
0
0
1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
(a)
1,5
2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
1,6
1,8
(b)
1,7
1,9
2,0
2,1
hν (eV)
hν (eV)
Gambar 1. Metoda Tauc Plot untuk menentukan nilai celah pita optik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada: (a)
tekanan 300 mT dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt, (b) tekanan 100 mT dengan variasi daya rf 20 sampai 70
watt.
Gambar 2 memperlihatkan karakteristik optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 300 mTorr
dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt.
10-2
3,5
Laju deposisi (Å/det)
dan Celah pita optik (eV)
3,0
2,5
10-3
2,0
1,5
10-4
1,0
Fotokonduktivitas (S/cm)
Laju deposisi
Celah pita optik
Fotokonduktivitas
0,5
10-5
0,0
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Daya rf (watt)
Gambar 2. Karakteristik optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 300 mT dengan variasi
daya rf 6 sampai 12,5 watt.
Dari gambar tersebut terlihat bahwa laju deposisi
sebesar 2,67 Å/det yang diperoleh dengan
menggunakan daya rf 6 watt mengalami peningkatan
menjadi 2,99 Å/det dengan penggunaan daya rf 8
watt, yang diikuti pula dengan perbaikan nilai
konduktivitasnya dari 3,9 x 10-5 S/cm menjadi 1,13 x
10-4 S/cm. Hal ini mengindikasikan bahwa
peningkatan daya rf turut memberi kontribusi pada
perbaikan struktur lapisan a-Si:H yang terbentuk.
Dugaan ini diperkuat dengan penurunan nilai celah
pita optik dari 1,81 eV menjadi 1,77 eV, yang berarti
bahwa kandungan ikatan hidrogen dalam lapisan a-
66
Cacat seperti ini lebih banyak membentuk cacat ekor
pita (band-tail defect) yang menghambat mobilitas
pembawa muatan pada pita energi, yang diketahui
sebagai penyebab menurunnya nilai konduktivitas
lapisan. Selain itu, laju deposisi yang tinggi juga
dapat mengakibatkan terperangkapnya atom hidrogen
saat pembentukan lapisan, terutama apabila plasma
didominasi oleh radikal-radikal dalam bentuk
molekul SiH3 atau SiH2. Jika hal ini terjadi maka nilai
celah pita optiknya meningkat. Demikian halnya
dengan peningkatan celah pita optik lapisan dari 1,53
eV menjadi 1,61 eV pada saat daya rf meningkat dari
20 ke 30 watt, sejalan dengan peningkatan laju
deposisi yang cukup signifikan.
12
5
4
8
3
6
2
4
Celah pita optik (eV)
Laju deposisi (Å/det)
10
1
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Daya rf (watt)
Gambar 3. Laju deposisi dan celah pita optik lapisan
a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 100 mTorr
dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt.
107
103
101
Fotokonduktivitas
Konduktivitas gelap
Responsivitas cahaya
106
105
100
104
10-1
103
10-2
10-3
102
-4
101
10-5
100
10
10-6
10-1
10-7
10-2
10-8
10-3
10-9
10
10-4
-10
10-11
10
Responsivitas cahaya
102
Konduktivitas (S/cm)
Si:H yang dideposisi pada daya rf 6 watt secara
kualitatif lebih tinggi dibanding kandungan ikatan
hidrogen dalam lapisan a-Si:H yang dideposisi pada
daya rf 8 watt. Sebagaimana diketahui bahwa
penguraian gas sumber menjadi radikal-radikal yang
lebih sederhana lebih efektif terjadi pada daya rf yang
lebih tinggi. Meskipun demikian, pembentukan
radikal ionik dalam plasma tidak dapat dihindari.
Semakin tinggi daya yang diberikan, radikal ionik
akan semakin banyak terbentuk. Pada kondisi
tertentu, bombardemen radikal-radikal ionik dapat
merusak lapisan yang telah terbentuk. Hal ini dapat
dilihat pada gambar 2 bahwa laju deposisi lapisan
mengalami penurunan pada daya rf 10 watt, yang
diikuti dengan penurunan nilai fotokonduktivitas
hingga mencapai 4,84 x 10-5 S/cm pada daya rf 12,5
watt. Penurunan nilai konduktivitas lapisan a-Si:H ini
kemungkinan besar disebabkan oleh pembentukan
keadaan-keadaan cacat (defect states) dalam lapisan
yang semakin banyak akibat bombardemen ionik
pada daya rf yang cukup tinggi, terutama keadaankeadaan cacat pada daerah celah pita. Indikasi
peningkatan cacat celah pita (bandgap defect) dapat
dilihat dari penurunan nilai celah pita optik seperti
ditunjukkan pada gambar 2 di atas.
Sebagaimana diketahui bahwa kompleksitas
kinetika reaksi dalam plasma saat proses deposisi
sampai saat ini belum diketahui secara pasti. Namun
demikian,
analisa
teoritis
serta
kenyataan
eksperimental
turut
membantu
memberikan
gambaran-gambaran yang baik dalam menganalisa
mekanisme tersebut. Demikian halnya dengan
fenomena terjadinya bombardemen ionik pada saat
deposisi. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk
mengantisipasi terjadinya bombardemen ionik saat
deposisi lapisan a-Si:H dengan daya tinggi adalah
dengan menurunkan tekanan deposisi. Hal ini
dimaksudkan untuk memperpanjang jarak tempuh
elektron dalam plasma sehingga pembentukan
radikal-radikal ionik dapat berkurang. Dalam
penelitian ini, tahapan optimasi juga dilakukan pada
daya rf yang cukup tinggi dengan tekanan deposisi
100 mTorr. Gambar 3 memperlihatkan laju deposisi
dan celah pita optik lapisan tipis a-Si:H yang
dideposisi pada tekanan 100 mTorr dengan variasi
daya rf 20 sampai 70 watt. Dari gambar tersebut
terlihat bahwa laju deposisi mengalami peningkatan
dari 5,93 Å/det hingga 9,57 Å/det dengan
meningkatnya daya rf dari 20 sampai 30 watt. Namun
demikian, peningkatan laju deposisi ini tidak seiring
dengan nilai konduktivitasnya seperti diperlihatkan
pada gambar 4. Peningkatan pada daya rf dari 20 ke
30 watt mengakibatkan penurunan nilai konduktivitas
gelap lapisan dari 3,8 x 10-6 S/cm menjadi 1,5 x 10-8
S/cm serta penurunan nilai fotokonduktivitas dari
5,85 x 10-4 S/cm menjadi 5,31 x 10-5 S/cm. Diduga
bahwa keadaan-keadaan cacat banyak terbentuk saat
laju deposisinya cukup tinggi. Hal ini akibat
ketidakteraturan ikatan-ikatan yang terbentuk pada
permukaan pertumbuhan saat deposisi berlangsung.
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
10-5
20
30
40
50
60
70
80
Daya rf (watt)
Gambar 4. Konduktivitas dan responsivitas cahaya
lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 100
mTorr dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt.
Nilai fotokonduktivitas dan konduktivitas gelap
lapisan keduanya meningkat dengan peningkatan
daya rf dari 30 ke 40 watt. Hal ini berkaitan dengan
penguraian gas yang lebih baik pada daya rf 40 watt
dibanding daya rf 30 watt. Plasma pada daya rf 40
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
watt kemungkinan lebih didominasi oleh radikalradikal dalam bentuk molekul SiH2 dibanding
molekul SiH3 sedangkan plasma pada daya rf 30 watt
kemungkinan lebih didominasi oleh radikal-radikal
dalam bentuk molekul SiH3 dibanding molekul SiH2.
Indikasi ini dapat dipahami dari penurunan celah pita
optik saat daya rf meningkat dari 30 ke 40 watt, yang
berarti bahwa kandungan hidrogen lapisan yang
diperoleh pada daya rf 40 watt secara kualitatif lebih
kecil dibanding lapisan yang diperoleh pada daya rf
30 watt. Secara umum dapat dikatakan bahwa
kualitas lapisan a-Si:H yang diperoleh pada daya rf
40 watt lebih baik dibanding lapisan a-Si:H yang
diperoleh pada daya rf 30 watt, meskipun keduanya
tidak memperlihatkan perbedaan sifat yang cukup
signifikan. Laju deposisi lapisan selanjutnya terus
menurun dengan meningkatnya daya rf dari 40
hingga 70 watt, seiring dengan penurunan nilai
konduktivitas gelapnya. Jelas bahwa penurunan ini
kembali diakibatkan oleh bombardemen ionik pada
daya rf 50 hingga 70 watt sehingga cacat celah pita
kembali terjadi pada kondisi ini. Pada gambar 4
terlihat bahwa fotokonduktivitas lapisan yang
diperoleh pada daya rf 50 watt mengalami
peningkatan sedang konduktivitas gelapnya menurun.
Fenomena seperti ini dapat dianalisa melalui
pengertian
bahwa
pembawa
muatan
yang
terperangkap dalam keadaan cacat dapat bergerak
kembali jika energi foton dari penyinaran mampu
melepaskannya dari keadaan tersebut. Demikian
halnya dengan lapisan yang diperoleh pada daya rf 50
watt. Pembawa muatan yang sebelumnya tidak
memberi kontribusi pada konduktivitas gelap dapat
dibangkitkan kembali oleh energi foton sehingga
meningkatkan fotokonduktivitasnya. Begitu juga
dengan lapisan yang diperoleh pada daya rf 60 dan 70
watt.
Pada beberapa aplikasi divais optoelektronik
seperti sensor warna, fotoreseptor maupun sel surya,
karakteristik lapisan yang cukup penting selain sifatsifat yang diuraikan di atas adalah sifat responsivitas
cahaya. Sifat ini memberikan informasi kepekaan
lapisan terhadap cahaya saat diberi penyinaran.
Dalam penelitian ini, responsivitas lapisan a-Si:H
yang diperoleh ditentukan berdasarkan rasio nilai
fotokonduktivitas terhadap nilai konduktivitas
gelapnya, seperti ditunjukkan dalam gambar 4.
Terlihat bahwa responsivitas cahaya meningkat
dengan peningkatan daya rf. Peningkatan yang cukup
signifikan terjadi saat daya rf meningkat dari 40 ke
50 watt. Informasi ini memperkuat dugaan
terbentuknya keadaan-keadaan cacat pada daerah
celah pita akibat bombardemen ionik saat deposisi
dengan daya rf di atas 40 watt, sebagaimana
diuraikan pada pembahasan di atas.
Kesimpulan
Dari data eksperimen diperoleh lapisan aSi:H yang memiliki laju deposisi tertinggi 2,99 Å/det
pada daya rf 8 watt untuk variasi daya 6 sampai 12,5
67
watt dengan tekanan ruang deposisi 300 mTorr dan
laju deposisi tertinggi 9, 57 Å/det pada daya rf 40
watt untuk variasi daya 20 sampai 70 watt dengan
tekanan ruang deposisi 100 mTorr. Berdasarkan
analisis yang dilakukan, penurunan laju deposisi pada
daya rf yang cukup tinggi sebagian besar diakibatkan
oleh bombardemen ionik pada permukaan
pertumbuhan. Bombardemen ionik ini terjadi saat
deposisi lapisan a-Si:H dengan daya rf di atas 8 watt
untuk tekanan 300 mTorr dan daya rf di atas 40 watt
untuk tekanan 100 mTorr. Selain itu, ketidakteraturan
pembentukan ikatan saat laju deposisi yang cukup
tinggi menyebabkan terbentuknya cacat ekor pita
sedangkan pemutusan ikatan yang terjadi akibat
bombardemen ionik menyebabkan terbentuknya
cacat celah pita. Kedua jenis cacat ini memberi
kontribusi yang besar pada penurunan nilai
konduktivitas lapisan.
Ucapan Terimakasih
Penelitian ini dilaksanakan melalui Proyek
Riset Unggulan Terpadu (RUT) VIII. Penulis
mengucapkan terima kasih kepada Kementrian Riset
dan Teknologi Republik Indonesia atas bantuan dana
penelitian tersebut.
Daftar Pustaka
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Shah, A., Dutta, J., Wyrsch, N., Prasad, K.,
Curtins, H., Finger, F., Howling, A., &
Hellenstein,
C.,
“Amorphous
Silicon
Technology”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 258,
15 (1992).
Takechi, K., Takagi, T., & Kaneko, S.,
“Performance of a-Si:H TFT Fabricated by Very
High Frequency Discharge Silane Plasma
Chemical Vapor Deposition”, Jpn. J. Appl. Phys.
36, 6269 (1997).
Flückiger, R., Meier, J., Keppner, H., Kroll, U.,
Shah, A., Greim, O., Morris, M., Pohl, J., Hapke,
P., & Carius, R., “Microcrystalline Silicon
Prepared with The Very High Frequency Glow
Discharge Technique for p-i-n Solar Cell
Application”, 11th ECPVSEC Proc. 617 (1992).
Platz, R., Hof, C., Wieder, S., Rich, B., Fischer,
D., Shah, A., Payne, A., & Wagner, S.,
“Comparison of VHF, RF, and DC Plasma
Excitation for a-Si:H Deposition With Hydrogen
Dilution”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 507, 565
(1998).
Prasad, K., “Microcrystalline Silicon Prepared
with VHF-GD Process”, Thesis (Ph.D.) Institute
of Microtechnology University of Neuchatel
(1991).
Sark, W.G.J.H.M., Bezemer, J., & Weg, W.F.,
“VHF a-Si:H Solar Cell: A Systematic Material
and Cell Study”, J. Mater. Res. 13:1, 45 (1998).
Fukawa, M., Suzuki, S., Guo, L., Kondo, M., &
Matsuda, A., “High Rate Growth of
Microcrystalline Silicon Using a High Pressure
68
Depletion Method with VHF Plasma”, Sol.
Energy Mater. Sol. Cells 66, 217 (2001).
8. Graf, U., Meier, J., Kroll, U., Bailat, J., Droz, C.,
Sauvain, E.V., & Shah, A., “High Rate Growth
of Microcrystalline Silicon by VHF-GD at High
Pressure”, Thin Solid Films 427, 37 (2003).
9. Veneri, P.D., Mercaldo, L.V., Minarini, C., &
Private, C., “VHF-PECVD Microcrystalline
Silicon: From Material to Solar Cells”, Thin
Solid Films 451-452, 269 (2004).
10. Neto, A.L.B., Dylla, T., Klein, S., Repmann, T.,
Lambertz, A., Carius, R., & Finger, F., “Defects
and Structure of hydrogenated Microcrystalline
Silicon Films Deposited by Different
Techniques”, J. Non-Crys. Solid 338-340, 168
(2004).
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
11. Amanatides, E., Mataras, D., & Rapakoulias,
D.E., “Effect of Frequency in the Deposition of
Microcrystalline
Silicon
from
Silane
Discharges”, J. Appl. Phys. 90:11, 5799 (2001).
12. Usman, I., “Fabrikasi Divais Sel Surya p-i-n
Berbasis µc-Si:H Dengan Teknik VHFPECVD”, Tesis Magister Fisika-ITB (2001).
13. Sriraman, S., & Aydil, E.S., “Growth and
Characterization of a-Si:H Thin Films from SiH2
Radical Precursor: Atomic-scale Analysis”, J.
Appl. Phys. 95:4, 1792 (2004).
14. Takahashi, K. & Konagai, M., “Amorphous
Silicon Solar Cells”, North Oxford Academic
Pub. Ltd., London, 113 (1986).
Vol. 10 No. 2, Juni 2005, hal 63-68
Analisis Sifat-sifat Optoelektronik Lapisan Tipis Silikon Amorf terhidrogenasi yang
ditumbuhkan dengan Teknik VHF-PECVD pada Variasi Daya RF
I. Usman1), S. Amiruddin2), Mursal3), Sukirno4), T. Winata4), dan M. Barmawi4)
Laboratorium Fisika Material Elektronik, Departemen Fisika-ITB
1)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Haluoleo
2)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Nusa Cendana
3)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Syah Kuala
4)
Departemen Fisika, Institut Teknologi Bandung
E-mail: idausman@sains.fisika.net
Diterima Januari 2005, disetujui untuk dipublikasi Pebruari 2005
Abstrak
Telah dideposisi lapisan tipis silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) dengan menggunakan teknik VHF-PECVD.
Proses deposisi dilakukan dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt pada tekanan ruang deposisi 300 mTorr serta
variasi daya rf 20 sampai 70 watt pada tekanan ruang deposisi 100 mTorr. Laju deposisi dan fotokonduktivitas
tertinggi, masing-masing 2,99 Å/det dan 1,13 x 10-4 S/cm, diperoleh pada daya rf 8 watt saat daya rf divariasi dari 6
sampai 12,5 watt. Laju deposisi tertinggi, 9,57 Å/det, dan fotokonduktivitas tertinggi, 1,54 x 10-2 S/cm, masingmasing diperoleh pada daya rf 40 dan 20 watt saat daya rf divariasi dari 20 sampai 70 watt. Berdasarkan analisis
yang dilakukan pada hasil-hasil karakterisasi, penurunan konduktivitas lapisan a-Si:H diakibatkan oleh
terbentuknya keadaan-keadaan cacat dalam lapisan seperti cacat ekor pita dan cacat celah pita.
Kata kunci: VHF-PECVD, laju deposisi, konduktivitas, keadaan cacat
Abstract
The hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films have been deposited using VHF-PECVD technique. The
deposition process was done by varied the rf power from 6 to 12.5 watts with 300 mTorr of chamber pressure and
from 20 to 70 watts with 100 mTorr of chamber pressure. The highest deposition rate of 2.99 Å/sec and the highest
photoconductivity of 1.13 x 10-4 S/cm were obtained from 8 watts of rf power when the rf power was varied from 6 to
12.5 watts. Then, the highest deposition rate of 9.57 Å/sec was obtained from 40 watts of rf power and the highest
photoconductivity of 1.54 x 10-2 S/cm was obtained from 20 watts of rf power when the rf power was varied from 20
to 70 watts. Based on the analysis of characterization results, the degradation of a-Si:H film conductivity was
caused by the formation of defect states such as band-tail defect and bandgap defect.
Key words: VHF-PECVD, deposition rate, conductivity, defect states
daya discharge, temperatur deposisi, dan laju aliran
gas pada saat proses deposisi3,4). Akan tetapi, cara ini
dinilai masih termasuk teknik energi tinggi, yang
bertentangan dengan upaya penekanan biaya
produksi. Oleh karena itu, pengembangan teknik
PECVD kemudian dilakukan dengan meningkatkan
frekuensi eksitasi plasma pada rf yang sangat tinggi.
Diketahui bahwa frekuensi eksitasi mempengaruhi
frekuensi tumbukan elektron saat proses disosiasi gas
menjadi radikal-radikal sederhana yang lebih reaktif.
Berdasarkan hasil penelitian diperoleh informasi
bahwa laju deposisi lapisan tipis a-Si:H meningkat
seiring dengan peningkatan frekuensi eksitasi plasma
dan laju deposisi maksimum diperoleh pada rf 70
MHz. Teknik PECVD dengan rf 70 MHz selanjutnya
dikenal sebagai teknik Very High Frequency PECVD
(VHF-PECVD)5,6). Beberapa peneliti melaporkan
bahwa lapisan tipis a-Si:H yang diperoleh melalui
teknik VHF-PECVD memiliki laju deposisi yang
relatif lebih tinggi dan kandungan hidrogen yang
lebih rendah dibandingkan dengan teknik PECVD
konvensional6,7). Bahkan teknik VHF-PECVD telah
1. Pendahuluan
Teknik Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition (PECVD) yang memanfaatkan frekuensi
radio (radio frequency, rf) telah menjadi teknik yang
popular digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis
a-Si:H. Teknik ini memiliki beberapa keunggulan
dibanding teknik CVD termal maupun Cathode
Sputtering seperti lapisan yang dihasilkan lebih
uniform dan temperatur deposisi (penumbuhan) yang
lebih rendah (temperatur deposisi PECVD sekitar
150-300 oC sedangkan temperatur deposisi CVD
termal dan Cathode Sputtering >500 oC). Namun
demikian, lapisan a-Si:H yang diperoleh pada
temperatur yang rendah melalui teknik PECVD
konvensional dengan rf 13.56 MHz masih memiliki
laju deposisi yang rendah, konduktivitas yang rendah,
serta kandungan hidrogen yang cukup tinggi1,2). Sifatsifat lapisan a-Si:H seperti ini masih merupakan
masalah dalam pengembangan divais sel surya yang
memiliki unjuk kerja yang baik dan stabilitas yang
tinggi. Dalam teknik PECVD, masalah tersebut pada
dasarnya dapat ditanggulangi dengan meningkatkan
63
64
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
lazim digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis
silikon mikrokristal terhidrogenasi7-10).
Hingga saat ini, teknik VHF-PECVD masih
menarik perhatian banyak peneliti. Pada dasarnya,
mekanisme reaksi yang terjadi dalam plasma dengan
teknik VHF-PECVD belum diketahui secara pasti.
Secara teori, peningkatan frekuensi menyebabkan
penurunan medan listrik rf akibat meluasnya proses
reaksi yang bersamaan dengan peningkatan kerapatan
elektron dan jumlah konsumsi daya oleh elektron.
Pada saat yang sama, meningkatnya kerapatan
elektron mengakibatkan peningkatan elektron yang
mempengaruhi proses disosiasi gas11). Berbagai
penelitian telah dilakukan untuk menguji kebenaran
teori tersebut. Secara eksperimental, hal ini tentu
berkaitan erat dengan parameter deposisi yang
digunakan terutama daya rf, dimana diketahui bahwa
daya rf berperan penting dalam proses penguraian
molekul-molekul gas menjadi radikal-radikal
sederhana yang lebih reaktif. Dalam penelitian ini
akan dianalisa pengaruh daya rf terhadap sifat-sifat
optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan
dengan teknik VHF-PECVD.
2. Eksperimen
Lapisan tipis a-Si:H ditumbuhkan di atas
substrat gelas Corning 7059 dalam sistem reaktor
VHF-PECVD yang menggunakan pembangkit daya
pada frekuensi radio (rf) 70 MHz. Sistem reaktor
VHF-PECVD yang digunakan terdiri atas dua ruang
deposisi, masing-masing digunakan khusus untuk
mendeposisi
lapisan
intrinsik
dan
lapisan
ekstrinsik12). Gas silan (SiH4) konsentrasi 10% dalam
hidrogen (H2) digunakan sebagai gas sumber. Untuk
mengamati pengaruh daya rf, proses deposisi
dilakukan dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt
pada tekanan ruang deposisi 300 mTorr dan variasi
daya rf 20 sampai 70 watt pada tekanan ruang
deposisi 100 mTorr. Temperatur substrat 275oC
digunakan selama deposisi berdasarkan hasil
penelitian sebelumnya12). Lapisan tipis a-Si:H yang
dihasilkan kemudian dikarakterisasi, meliputi
penentuan ketebalan dan celah pita optik (optical
bandgap) dari data pengukuran spektrometer
Ultraviolet Visible (UV-Vis) serta pengukuran
konduktivitas dengan metoda dua titik (coplanar).
Tabel 1 memperlihatkan parameter deposisi yang
digunakan.
Tabel 1. Parameter deposisi
Gas sumber
Laju
aliran gas
(sccm)
Temperatur
substrat
(oC)
Jarak
elektroda
(cm)
Tekanan
ruang deposisi
(mTorr)
300
SiH4
70
275
2
100
3. Hasil dan Pembahasan
Sifat-sifat optoelektronik lapisan tipis a-Si:H
yang ditumbuhkan melalui teknik PECVD secara
signifikan bergantung pada identitas radikal-radikal
seperti atom hidrogen dan molekul SiHn (n = 1-3)
dalam plasma, yang dihasilkan melalui disosiasi gas
SiH4 oleh tumbukan
elektron dan mekanisme
interaksi lanjutan antara radikal-permukaan ketika
radikal mengenai permukaan pertumbuhan13). Secara
eksperimental, proses kimia-fisika radikal-radikal
tersebut tidak mungkin dapat diamati secara
langsung. Analisa proses tersebut hanya dapat
dilakukan berdasarkan korelasi antara sifat-sifat
lapisan yang diperoleh dengan kondisi pada saat
deposisi, yang biasanya dilakukan berdasarkan
tahapan-tahapan optimasi parameter deposisinya.
Pada dasarnya, mekanisme yang terjadi dalam teknik
Daya rf
(watt)
6
8
10
12,5
20
30
40
50
60
70
PECVD melibatkan proses kimia-fisika yang rumit.
Kompleksitas kinetika reaksi yang terjadi dalam
plasma saat deposisi lapisan tipis a-Si:H sampai saat
ini belum diketahui secara pasti. Hal inilah yang
justru menarik perhatian banyak peneliti untuk terus
mengkajinya. Berbagai kemajuan telah diperoleh
hingga saat ini, bahkan telah sampai pada
kesepakatan bersama tentang batasan-batasan tertentu
yang menjamin proses penumbuhan dengan teknik
PECVD dapat menghasilkan lapisan dengan kualitas
yang sesuai untuk diaplikasikan pada fabrikasi divais
optoelektronik.
Secara umum, banyak faktor yang
mempengaruhi pembentukan lapisan tipis a-Si:H
selama proses deposisi di antaranya seperti frekuensi
eksitasi, daya rf, temperatur substrat, tekanan ruang
deposisi, dan laju aliran gas, yang selanjutnya disebut
sebagai
parameter
deposisi.
Masing-masing
parameter memiliki peranan tertentu pada proses
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
65
pembentukan lapisan. Pembahasan selanjutnya dalam
makalah ini hanya dibatasi pada analisis pengaruh
daya rf terhadap sifat-sifat optoelektronik lapisan
tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik VHFPECVD. Gambar 1 memperlihatkan metode Tauc
Plot dari data spektrum UV-Vis yang digunakan saat
menentukan celah pita optik lapisan a-Si:H yang
diperoleh. Perpotongan garis linier sebaran data
(αhν)1/2 pada sumbu vertikal dengan hν pada sumbu
horisontal menunjukkan nilai celah pita optiknya (α
adalah absorpsi optik, h adalah konstanta Planck, dan
ν adalah frekuensi cahaya)14).
3,5 x 103
2,5 x 103
20 W
6W
30 W
2,5 x 103
8W
10 W
(αhν)1/2 (cm-1/2eV1/2)
(αhν)1/2 (cm-1/2eV1/2)
3 x 103
3 x 103
12,5 W
2 x 103
3
1,5 x 10
1 x 103
40 W
50 W
2 x 103
60 W
70 W
1,5 x 103
1 x 103
5 x 102
5 x 102
0
0
1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
(a)
1,5
2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
1,6
1,8
(b)
1,7
1,9
2,0
2,1
hν (eV)
hν (eV)
Gambar 1. Metoda Tauc Plot untuk menentukan nilai celah pita optik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada: (a)
tekanan 300 mT dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt, (b) tekanan 100 mT dengan variasi daya rf 20 sampai 70
watt.
Gambar 2 memperlihatkan karakteristik optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 300 mTorr
dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt.
10-2
3,5
Laju deposisi (Å/det)
dan Celah pita optik (eV)
3,0
2,5
10-3
2,0
1,5
10-4
1,0
Fotokonduktivitas (S/cm)
Laju deposisi
Celah pita optik
Fotokonduktivitas
0,5
10-5
0,0
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Daya rf (watt)
Gambar 2. Karakteristik optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 300 mT dengan variasi
daya rf 6 sampai 12,5 watt.
Dari gambar tersebut terlihat bahwa laju deposisi
sebesar 2,67 Å/det yang diperoleh dengan
menggunakan daya rf 6 watt mengalami peningkatan
menjadi 2,99 Å/det dengan penggunaan daya rf 8
watt, yang diikuti pula dengan perbaikan nilai
konduktivitasnya dari 3,9 x 10-5 S/cm menjadi 1,13 x
10-4 S/cm. Hal ini mengindikasikan bahwa
peningkatan daya rf turut memberi kontribusi pada
perbaikan struktur lapisan a-Si:H yang terbentuk.
Dugaan ini diperkuat dengan penurunan nilai celah
pita optik dari 1,81 eV menjadi 1,77 eV, yang berarti
bahwa kandungan ikatan hidrogen dalam lapisan a-
66
Cacat seperti ini lebih banyak membentuk cacat ekor
pita (band-tail defect) yang menghambat mobilitas
pembawa muatan pada pita energi, yang diketahui
sebagai penyebab menurunnya nilai konduktivitas
lapisan. Selain itu, laju deposisi yang tinggi juga
dapat mengakibatkan terperangkapnya atom hidrogen
saat pembentukan lapisan, terutama apabila plasma
didominasi oleh radikal-radikal dalam bentuk
molekul SiH3 atau SiH2. Jika hal ini terjadi maka nilai
celah pita optiknya meningkat. Demikian halnya
dengan peningkatan celah pita optik lapisan dari 1,53
eV menjadi 1,61 eV pada saat daya rf meningkat dari
20 ke 30 watt, sejalan dengan peningkatan laju
deposisi yang cukup signifikan.
12
5
4
8
3
6
2
4
Celah pita optik (eV)
Laju deposisi (Å/det)
10
1
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Daya rf (watt)
Gambar 3. Laju deposisi dan celah pita optik lapisan
a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 100 mTorr
dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt.
107
103
101
Fotokonduktivitas
Konduktivitas gelap
Responsivitas cahaya
106
105
100
104
10-1
103
10-2
10-3
102
-4
101
10-5
100
10
10-6
10-1
10-7
10-2
10-8
10-3
10-9
10
10-4
-10
10-11
10
Responsivitas cahaya
102
Konduktivitas (S/cm)
Si:H yang dideposisi pada daya rf 6 watt secara
kualitatif lebih tinggi dibanding kandungan ikatan
hidrogen dalam lapisan a-Si:H yang dideposisi pada
daya rf 8 watt. Sebagaimana diketahui bahwa
penguraian gas sumber menjadi radikal-radikal yang
lebih sederhana lebih efektif terjadi pada daya rf yang
lebih tinggi. Meskipun demikian, pembentukan
radikal ionik dalam plasma tidak dapat dihindari.
Semakin tinggi daya yang diberikan, radikal ionik
akan semakin banyak terbentuk. Pada kondisi
tertentu, bombardemen radikal-radikal ionik dapat
merusak lapisan yang telah terbentuk. Hal ini dapat
dilihat pada gambar 2 bahwa laju deposisi lapisan
mengalami penurunan pada daya rf 10 watt, yang
diikuti dengan penurunan nilai fotokonduktivitas
hingga mencapai 4,84 x 10-5 S/cm pada daya rf 12,5
watt. Penurunan nilai konduktivitas lapisan a-Si:H ini
kemungkinan besar disebabkan oleh pembentukan
keadaan-keadaan cacat (defect states) dalam lapisan
yang semakin banyak akibat bombardemen ionik
pada daya rf yang cukup tinggi, terutama keadaankeadaan cacat pada daerah celah pita. Indikasi
peningkatan cacat celah pita (bandgap defect) dapat
dilihat dari penurunan nilai celah pita optik seperti
ditunjukkan pada gambar 2 di atas.
Sebagaimana diketahui bahwa kompleksitas
kinetika reaksi dalam plasma saat proses deposisi
sampai saat ini belum diketahui secara pasti. Namun
demikian,
analisa
teoritis
serta
kenyataan
eksperimental
turut
membantu
memberikan
gambaran-gambaran yang baik dalam menganalisa
mekanisme tersebut. Demikian halnya dengan
fenomena terjadinya bombardemen ionik pada saat
deposisi. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk
mengantisipasi terjadinya bombardemen ionik saat
deposisi lapisan a-Si:H dengan daya tinggi adalah
dengan menurunkan tekanan deposisi. Hal ini
dimaksudkan untuk memperpanjang jarak tempuh
elektron dalam plasma sehingga pembentukan
radikal-radikal ionik dapat berkurang. Dalam
penelitian ini, tahapan optimasi juga dilakukan pada
daya rf yang cukup tinggi dengan tekanan deposisi
100 mTorr. Gambar 3 memperlihatkan laju deposisi
dan celah pita optik lapisan tipis a-Si:H yang
dideposisi pada tekanan 100 mTorr dengan variasi
daya rf 20 sampai 70 watt. Dari gambar tersebut
terlihat bahwa laju deposisi mengalami peningkatan
dari 5,93 Å/det hingga 9,57 Å/det dengan
meningkatnya daya rf dari 20 sampai 30 watt. Namun
demikian, peningkatan laju deposisi ini tidak seiring
dengan nilai konduktivitasnya seperti diperlihatkan
pada gambar 4. Peningkatan pada daya rf dari 20 ke
30 watt mengakibatkan penurunan nilai konduktivitas
gelap lapisan dari 3,8 x 10-6 S/cm menjadi 1,5 x 10-8
S/cm serta penurunan nilai fotokonduktivitas dari
5,85 x 10-4 S/cm menjadi 5,31 x 10-5 S/cm. Diduga
bahwa keadaan-keadaan cacat banyak terbentuk saat
laju deposisinya cukup tinggi. Hal ini akibat
ketidakteraturan ikatan-ikatan yang terbentuk pada
permukaan pertumbuhan saat deposisi berlangsung.
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
10-5
20
30
40
50
60
70
80
Daya rf (watt)
Gambar 4. Konduktivitas dan responsivitas cahaya
lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 100
mTorr dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt.
Nilai fotokonduktivitas dan konduktivitas gelap
lapisan keduanya meningkat dengan peningkatan
daya rf dari 30 ke 40 watt. Hal ini berkaitan dengan
penguraian gas yang lebih baik pada daya rf 40 watt
dibanding daya rf 30 watt. Plasma pada daya rf 40
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
watt kemungkinan lebih didominasi oleh radikalradikal dalam bentuk molekul SiH2 dibanding
molekul SiH3 sedangkan plasma pada daya rf 30 watt
kemungkinan lebih didominasi oleh radikal-radikal
dalam bentuk molekul SiH3 dibanding molekul SiH2.
Indikasi ini dapat dipahami dari penurunan celah pita
optik saat daya rf meningkat dari 30 ke 40 watt, yang
berarti bahwa kandungan hidrogen lapisan yang
diperoleh pada daya rf 40 watt secara kualitatif lebih
kecil dibanding lapisan yang diperoleh pada daya rf
30 watt. Secara umum dapat dikatakan bahwa
kualitas lapisan a-Si:H yang diperoleh pada daya rf
40 watt lebih baik dibanding lapisan a-Si:H yang
diperoleh pada daya rf 30 watt, meskipun keduanya
tidak memperlihatkan perbedaan sifat yang cukup
signifikan. Laju deposisi lapisan selanjutnya terus
menurun dengan meningkatnya daya rf dari 40
hingga 70 watt, seiring dengan penurunan nilai
konduktivitas gelapnya. Jelas bahwa penurunan ini
kembali diakibatkan oleh bombardemen ionik pada
daya rf 50 hingga 70 watt sehingga cacat celah pita
kembali terjadi pada kondisi ini. Pada gambar 4
terlihat bahwa fotokonduktivitas lapisan yang
diperoleh pada daya rf 50 watt mengalami
peningkatan sedang konduktivitas gelapnya menurun.
Fenomena seperti ini dapat dianalisa melalui
pengertian
bahwa
pembawa
muatan
yang
terperangkap dalam keadaan cacat dapat bergerak
kembali jika energi foton dari penyinaran mampu
melepaskannya dari keadaan tersebut. Demikian
halnya dengan lapisan yang diperoleh pada daya rf 50
watt. Pembawa muatan yang sebelumnya tidak
memberi kontribusi pada konduktivitas gelap dapat
dibangkitkan kembali oleh energi foton sehingga
meningkatkan fotokonduktivitasnya. Begitu juga
dengan lapisan yang diperoleh pada daya rf 60 dan 70
watt.
Pada beberapa aplikasi divais optoelektronik
seperti sensor warna, fotoreseptor maupun sel surya,
karakteristik lapisan yang cukup penting selain sifatsifat yang diuraikan di atas adalah sifat responsivitas
cahaya. Sifat ini memberikan informasi kepekaan
lapisan terhadap cahaya saat diberi penyinaran.
Dalam penelitian ini, responsivitas lapisan a-Si:H
yang diperoleh ditentukan berdasarkan rasio nilai
fotokonduktivitas terhadap nilai konduktivitas
gelapnya, seperti ditunjukkan dalam gambar 4.
Terlihat bahwa responsivitas cahaya meningkat
dengan peningkatan daya rf. Peningkatan yang cukup
signifikan terjadi saat daya rf meningkat dari 40 ke
50 watt. Informasi ini memperkuat dugaan
terbentuknya keadaan-keadaan cacat pada daerah
celah pita akibat bombardemen ionik saat deposisi
dengan daya rf di atas 40 watt, sebagaimana
diuraikan pada pembahasan di atas.
Kesimpulan
Dari data eksperimen diperoleh lapisan aSi:H yang memiliki laju deposisi tertinggi 2,99 Å/det
pada daya rf 8 watt untuk variasi daya 6 sampai 12,5
67
watt dengan tekanan ruang deposisi 300 mTorr dan
laju deposisi tertinggi 9, 57 Å/det pada daya rf 40
watt untuk variasi daya 20 sampai 70 watt dengan
tekanan ruang deposisi 100 mTorr. Berdasarkan
analisis yang dilakukan, penurunan laju deposisi pada
daya rf yang cukup tinggi sebagian besar diakibatkan
oleh bombardemen ionik pada permukaan
pertumbuhan. Bombardemen ionik ini terjadi saat
deposisi lapisan a-Si:H dengan daya rf di atas 8 watt
untuk tekanan 300 mTorr dan daya rf di atas 40 watt
untuk tekanan 100 mTorr. Selain itu, ketidakteraturan
pembentukan ikatan saat laju deposisi yang cukup
tinggi menyebabkan terbentuknya cacat ekor pita
sedangkan pemutusan ikatan yang terjadi akibat
bombardemen ionik menyebabkan terbentuknya
cacat celah pita. Kedua jenis cacat ini memberi
kontribusi yang besar pada penurunan nilai
konduktivitas lapisan.
Ucapan Terimakasih
Penelitian ini dilaksanakan melalui Proyek
Riset Unggulan Terpadu (RUT) VIII. Penulis
mengucapkan terima kasih kepada Kementrian Riset
dan Teknologi Republik Indonesia atas bantuan dana
penelitian tersebut.
Daftar Pustaka
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Shah, A., Dutta, J., Wyrsch, N., Prasad, K.,
Curtins, H., Finger, F., Howling, A., &
Hellenstein,
C.,
“Amorphous
Silicon
Technology”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 258,
15 (1992).
Takechi, K., Takagi, T., & Kaneko, S.,
“Performance of a-Si:H TFT Fabricated by Very
High Frequency Discharge Silane Plasma
Chemical Vapor Deposition”, Jpn. J. Appl. Phys.
36, 6269 (1997).
Flückiger, R., Meier, J., Keppner, H., Kroll, U.,
Shah, A., Greim, O., Morris, M., Pohl, J., Hapke,
P., & Carius, R., “Microcrystalline Silicon
Prepared with The Very High Frequency Glow
Discharge Technique for p-i-n Solar Cell
Application”, 11th ECPVSEC Proc. 617 (1992).
Platz, R., Hof, C., Wieder, S., Rich, B., Fischer,
D., Shah, A., Payne, A., & Wagner, S.,
“Comparison of VHF, RF, and DC Plasma
Excitation for a-Si:H Deposition With Hydrogen
Dilution”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 507, 565
(1998).
Prasad, K., “Microcrystalline Silicon Prepared
with VHF-GD Process”, Thesis (Ph.D.) Institute
of Microtechnology University of Neuchatel
(1991).
Sark, W.G.J.H.M., Bezemer, J., & Weg, W.F.,
“VHF a-Si:H Solar Cell: A Systematic Material
and Cell Study”, J. Mater. Res. 13:1, 45 (1998).
Fukawa, M., Suzuki, S., Guo, L., Kondo, M., &
Matsuda, A., “High Rate Growth of
Microcrystalline Silicon Using a High Pressure
68
Depletion Method with VHF Plasma”, Sol.
Energy Mater. Sol. Cells 66, 217 (2001).
8. Graf, U., Meier, J., Kroll, U., Bailat, J., Droz, C.,
Sauvain, E.V., & Shah, A., “High Rate Growth
of Microcrystalline Silicon by VHF-GD at High
Pressure”, Thin Solid Films 427, 37 (2003).
9. Veneri, P.D., Mercaldo, L.V., Minarini, C., &
Private, C., “VHF-PECVD Microcrystalline
Silicon: From Material to Solar Cells”, Thin
Solid Films 451-452, 269 (2004).
10. Neto, A.L.B., Dylla, T., Klein, S., Repmann, T.,
Lambertz, A., Carius, R., & Finger, F., “Defects
and Structure of hydrogenated Microcrystalline
Silicon Films Deposited by Different
Techniques”, J. Non-Crys. Solid 338-340, 168
(2004).
JMS Vol. 10 No. 2, Juni 2005
11. Amanatides, E., Mataras, D., & Rapakoulias,
D.E., “Effect of Frequency in the Deposition of
Microcrystalline
Silicon
from
Silane
Discharges”, J. Appl. Phys. 90:11, 5799 (2001).
12. Usman, I., “Fabrikasi Divais Sel Surya p-i-n
Berbasis µc-Si:H Dengan Teknik VHFPECVD”, Tesis Magister Fisika-ITB (2001).
13. Sriraman, S., & Aydil, E.S., “Growth and
Characterization of a-Si:H Thin Films from SiH2
Radical Precursor: Atomic-scale Analysis”, J.
Appl. Phys. 95:4, 1792 (2004).
14. Takahashi, K. & Konagai, M., “Amorphous
Silicon Solar Cells”, North Oxford Academic
Pub. Ltd., London, 113 (1986).