ANALISIS PENGARUH ION BORON TERHADAP LISTRIK DAN OPTIK LAPISAN TIPIS ZnO

Transkripsi

1 102 ISSN Wirjoadi, dkk. ANALISIS PENGARUH ION BORON TERHADAP LISTRIK DAN OPTIK LAPISAN TIPIS ZnO SIFA T Wirjoadi, Yunanto, Bambang Siswanto, Tjipto Suyitno P3TM-BATAN -'" ABSTRAK ANALISIS PENGARUH ION BORON TERHADAP SIFAT LISTRlK DAN OPTIK LAPISAN TIPIS ZnO. Telah dilakukan analisis sifat-sifat listrik dan optik lapisan tipis 2nD yang di deposisi dengan ion boron. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan lapisan tipis ZnD yang dido ping Boron dengan resistivitas rendah dan mempunyai transmitansi tinggi. Lapisan Tipis ZnD biasanya menunjukkan resistivitas rendah yang disebabkan oleh kekosongan (vakansi) oksigen dan penyisipan (interstisi) Zn karena komposisinya yang non stoichiometric. Pengukuran sifat-sifat listrik (resistivitas) dilakukan menggunakan probe em pat titik, sedangkan pengamatan sifat-sifat optik (transmitansi) dengan UV-vis dan untuk pengamatan struktur mikro dengan SEM. Hasil pengamatan pengukuran dengan probe empat titik dari lapisan tipis 2nD diperoleh nilai resistivitas sebesar.. (90,7-0,60) ohm cm untuk variasi waktu (15-30) menit, dengan interval 5 menit dan nilai resistivitas sebesar.. (1-128) ohm cm untuk variasi tekanan (1,1 x ,7 x 10-1) torr dengan interval 0,2 x 10-1 torr. Transmitansi lapisan tipis diamati dengan UV-vis, hasil yang diperoleh sebesar (50-64) % untuk variasi waktu dan sebesar (46-74) % untuk variasi tekanan yang semuanya pada panjang gelombang ( )nm. Untuk pengamatan struktur mikro dari lapisan tipis dengan menggunakan peralatan SEM, menunjukkan bahwa ada butiran-butiran kecil yang jumlahnya lebih banyak dari butiran-butiran yang besar. Lapisan tipis ZnD/Boron mempunyai resistivitas dan transmitansi yang lebih rendah hila dibandingkan dengan lapisan 2nD. sedangkan struktur mikl'.onya menunjukkan mor/ologi yang berbeda apabila dibandingkan dengan struktur mikroskopis lapisan tipis 2nD. ABSTRACT ANALYSIS OF THE EFFECT OF ION BORON ON THE ELECTRlC4L AND OPTIC4L PROPERTIES OF ZnO THIN FILMs. Analysis of electrical and optical charachteristic of ZnD thin film deposited by boron ion has been carried out. The aim of this research is to get a 2nD thin layer doped by boron ion with low resistivities but has high transmitance.. Usually the 2nD thin layer has low resistivities due to the existence of oxygen vacancies and Zn interstition which caused by the non stoichiometric conditions. Measurement of the electrical properties (resistivities) has been done usingfour point probe, the optical properties has been measured using UV-vis and the micro st;";;::ture has been observed using SEM. It's found that the resistivities of the ZnD thin layer was 90.7 up to 0,60 il cm for 15 up to 30 minutes deposition time with interval 5 minutes and I up to 128 ilcmfor 1 x 10-1 up to 1,7 x 10-1 torr pressures with interval with interval 0,2 x 10-1 torr. From time variation, it's found that the transmitance of the 2nD thin film was %, while from pressure variation, the transmitance was %, all observed at wavelength ( ) nm. From micro structure analysis using SEM, it's found that there is differences in morfology between 2nD/boron and 2nD film. PENDAHULUAN P ada saat ini lapisan tipis ZnO banyak diteliti oleh para peneliti terutama di negara-negara maju karena aplikasinya yang begitu luas. Lapisan tipis ZnO dapat diaplikasikan pada berbagai keperluan antara lain untuk peralatan permukaan gelombang akustik, solar cell dan optoelektronika. Untuk aplikasi solar cell, terutama dengan Tranparent Conductive Oxide (TCO), maka pengembangan dati lapisan tipis ZnO akan mempunyai transparan konduktivitas tinggi sepanjang resistivitasnya rendah. ZnO sangat menarik perhatian untuk aplikasi solar cell, disamping solar cell a: SiH dad CuIn2Se2, karena biayanya relatip murah dad dapat tumbuh pacta temperatur relatip rendah apabila dibandingkan dengan SnO2 atau Indium Tin Oxide (ITO). Selain itu, solar cell juga dikenal dapat memperbaiki efisiensi konversi energinya dengan memakai susunan lapisan tipis ZoO seperti pacta transparan elektrode depan dad anti refleksi coating. Untuk mendapatkan deposisi lapisan tip is ZoO dapat dilakukan dengan menggunakan teknik sputtering! 1.2) Bahan ZoO merupakan bahan semikonduktor tipe N yang mempunyai struktur kristal Wurtzite. Lapisan tipis ZoO biasanya menunjukkan resistivitas rendah yang disebabkan oleh kekosongan (vakansi) oksigen dad penyisipan (interstisi) Zn Prosldlng Pertemuan dan Presentasillmiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

2 103 Wirjoadi, dkk. ISSN karena komposisinya yang non stochiometric. Pengukuran sifat-sifat listrik (resistivitas) dengan menggunakan probe empat titik, sedangkan sifatsifat optik (transmitansi) dengan UV-vis dan pengamatan struktur mikro dengan SEMo[I.2) Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan lapisan tipis ZnO yang mempunyai resistivitas rendah dan bertransmitan tinggi. Sifat-sifat lapisan tipis ZnO yang terdeposit pada permukaan substrat gelas bergantung pada beberapa parameter sputtering yaitu suhu substrat, tekanan gas dan waktu deposisi sputtering. Oleh karena itu dalam penelitian ini telah dilakukan optimasi parameter sputtering, sehingga proses deposisi lapisan tipis ZnO dapat dilakukan pada kondisi parameter sputtering yang optimum. Pada kondisi ini sifatsifat listrik dan optik lapisan tipis ZnO yang terdeposit dapat diketahui dari resistivitas dan transmitansinya, sehingga hasilnya diharapkan dapat dimanfaatkan dalam bidang industri terutama untuk solar cell. 0 TATA KERJA Dalam penelitian ini care kerjanya ada beberapa tahapan yang dilakukan yaitu persiapan bahan cuplikan, persiapan peralatan penelitian, pendeposisian lapisan tipis ZnO, pengukuran resistansi, pengukuran transmitansi dan pengukuran struktur mikro dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). Persia pan Cuplikan Bahan yang digunakan sebagai substrat dalam penelitian ini adalah gelas preparat yang dipotong dengan ukuran 10 mm x 20 rom. Sebelum dideposisi dengan lapisan tipis ZnO substrat dibersihkan dahulu untuk mencegah adanya kontami- nasi senyawa organik maupun non organik yang terjadi pada proses pemotongan. Pembersihan substrat gelas ini dengan menggunakan air dad detergen yang dimasukkan dalam mesin cuci u,ltrasonik. Kemudian subtrat dibersihkan lagi dengan aquades dad alkohol lalu dikeringkan dengan pemanas, seliutnya dimasukkan dalam pl.astik klip. Proses Deposisi Lapisan Tipis Peralatan sistem RF sputtering yang digunakan untuk deposisi lapisan tipis ZnO terdiri dari tabung reaktor plasma, pompa vakum rotari, pompa vakum turbo, vakum meter, sumber tegangan RF, pendingin target, pendingin sumber RF dan gas Argon. Target ZnO diletakkan pada posisi di tempat target yang sekaligus berfungsi sebagai katoda dan substrat gelas diletakkan pada anoda yang berada diatas katoda yang semuanya di dalam tabung reaktor plasma. Tabung reaktor plasma-divakumkan dengan pompa vakum rotari dan turbo sampai tekanannya tercapai 5 x 10-6 torr. Setelah sumber RF dihidupkan, gas Argon yang dialirkan ke dalam tabung reaktor plasma melalui kran yang berfungsi untuk mengafur tekanan gas sehingga tekanan gas naik menjadi 8 x 10-2 torr. Kemudian gas Argon akan terionisasi dan menumbuk target ZnO, sehingga sebagian ion ZnO masuk pa,da susunan atom substrat gelas. Jumlah molekul' ZnO yang terdeposisi pada substrat gelas tergantung pada suhu substrat, tekanan gas dan waktu deposisi. Setelah terbentuk lapi:;an tipis ZnO, lapisan tipis tersebut di deposisi lagi dengan ion Boron sehingga terjadi lapisan ZnO/Boron. Proses deposisi lapisan ini dilakukan dengan variasi tekanan gas :1,1 x 10-1; 1,3 X 10.t ; 1,5 X 10.1 dan 1,7 x 10-1 torr, kemudianjuga dengan variasi waktu deposisi : 15; 20; 25 dan 30 menit, untuk suhu sekitar 150 DC Gambar I. Diagram kotak sistem RF sputtering. Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7-8 Agustus 2001

3 Pengukuran Resistivitas Lapisan Tipis Untuk mengetahui besarnya nilai resistivitas dari lapisan tipis yang terbentuk, dapat dilakukan pengukuran arus yang mengalir pada substrat lapisan tipis ZoO. Pengukuran nilai resistivitas lapisan tipis dapat digunakan metode probe empat titik yaitu suatu jajaran empat probe diletakkan diatas permukaan lapisan tipis, kemudian dua probe terluar diberi tegangan DC yang divariasi, sehingga menghasilkan arus (J) dad tegangan (V) tertentu pada probe bagian dalam. Apabila tebal lapisan tipis lebih besar dari pada jarak antar probe, maka besarnya nilai resistivitas lapisan tipis dinyatakan dengan rumus p = (1Z" V)/(/I02). Tetapi bila tebal lapisan tipis lebih kecil dari jarak antar probe, maka rumus persamaan menjadi p = (1Z" V 1)/(/ ln2), dimana T adalah teballapisan tipisl3j. Gambar 2. Skema probe empat titik. Untuk pengukuran sifat-sifat optik (transmitansi) pada lapisan tipis ZnO dapat dilakukan dengan menggunakan peralatan Spektrofotometer UV -vis, sedangkan untuk mengetahui struktur mikro lapisan tipis ZnO dapat diamati dengan meng- gunakan peralatan Scanning Electron Microscopy -+ -pd::j -.. = &7si DeceiCor& -"O+- -+ el -". Rekorder CMpper Gambar 3. Skema anal is is transmitansi dengan teknik spektrofotometer UV -vis. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam peneliian ini bahan cuplikan yang dideposisi dengan lapisan tipis ZnO adalah gelas preparat. Untuk mendapatkan lapisan tipis ZnO pada substrat gelas yang mempunyai resistivitas rendah dad mempunyai transmitansi yang besar tergantung pada suhu substrat. tekanan gas dad waktu deposisi. Percobaan pembuatan lapisan tipis ZnO dilakukan dengan tekni sputtering pada suhu sekitar 150 C. Hasil pengukuran sifat-sifat listrik dalam (resistivitas Gambar dengan 4.. variasi tekanan ditunjukkan Laju deposisi sebanding dengan waktu deposisi, berbanding terbalik dengan tekanan gas dad jarak elektroda. Dengan naiknya tekanan gas, maka semakin banyak gas argon yang terionisasi. Semakin banyak ion argon yang saling bertumbukan sendiri (sebelum menumbuki) target ZnO), maka akan menyebabkan percikan atom ZnO yang terdeposisi pada substrat gelas semakin sedikit (lapisan tipis yang dihasilkan semakin tipis). Resistivitas suatu bahan berbanding terbalik dengan ukuran bahan. Dengan naiknya tekanan gas, maka semakin tiris lapisan tipisnya nilai resistivitasnya akan naik: ) OJ() E(.) E.c.g. 1(1.-". ""Hi c: I I 1. _-1 13x-1 ',5oc-1 1.7)(-1 Tekanan (Torr) Gambar 4. Grafik hubungan antra resistivitas lapisan tipis ZnD dengan tekanan gas. Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

4 Wirjoadi, dkk. ISSN Pada Gambar 5 disajikan graflk hubungan antara waktu deposisi dengan resistivitas lapisan tip is ZnO. Dengan meningkatnya waktu deposisi pada tekanan gas, suhu substrat dan daya RF yang tetap, tumbukan ion argon pada target ZnO akan terns berlangsung. Semakin lama tumbukan ion argon pada target ZnO maka akan dihasilkan lapisan tipis yang semakin tebal. Meningkatnya ketebalan lapisan tipis ini akan memperkecil resistivitas lapisan tipis. Pacta Gambar 6 disajikan graflk hubungan antara transmitansi dengan tekanan gas. Dengan naiknya tekanan gas, maka laju deposisi akan berkurang sehingga menyebabkan lapisan tipis yang terbentuk semakin berkurang. Dengan berkurangnya tebal lapisan tipis, maka transmitansi dari lapisan tipis akan semakin tinggi. Semakin tipis lapisan tipis maka semakin mendekati transmitansi kaca [5) E 0E.c.Q.. (/) : "'iii Ow Q) a: Gambar 5. Grafik hubungan antara resistivitas lapisan tipis ZnO dengan waktu deposisi. Gambar 6. Hubungan transmitansi vs panjang gelombang untuk variasi tekanan gas dengan peralatan UV-vis. Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

5 106 ISSN Wirjoadi, dkk. Pada Gambar 7 disajikan grafik hubungan antara waktu deposisi dengan transmitansi lapisan tipis ZnO. Dengan meningkatnya waktu deposisi, maka ketebalan lapisan tipis ZnO akan semakin meningkat, sehingga transmitansi dati lapisan tipis warnanya semakin buram, sehingga akan semakin menghambat cahaya yan melewati lapisan tipis tersebut. Pada Gambar 8 disajikan gambar spektrum dati lapisan tipis ZnO dad ZnO/boron. Prosentase transmitansi lapisan tipis ZnO adalah rata-rata 55,4 %, sedangkan prosentase transmitansi lapisan tipis ZnO/boron 49,95 %. Prosentase transmitan lapisan tipis ZnO lebih besar karena lapisan tipis ZnO mempunyai sifat tern bus cahaya yang cukup besar. Sedangkan lapisan tipis ZnO/boron dikotori dengan lapisan tipis boron, dimana boron tidak rnernpunyai sifat tembus cahaya, tetapi memantulkan cahaya. Dengan demikian lapisan tipis ZnO yang dikotori dengan lapisan tipis boron akan berkurang prosentase transmitannya. Pada Gambar 9 disajikan struktur mikro lapisan tipis ZnO dengan SEM pada substrat gelas. Tumbukan ion argon pada target ZnO menyebabkan lepasnya atom ZnO menumbuk substrat sehingga kehilangan kecepatan dad secara fisis terserap pada permukaan substrat kaca. Pada awal serapan tidak dalam keadaan kesetimbangan termal dengan substrat dad bergerak terhadap permukaan substrat. Dalam proses ini mereka berinteraksi antara mereka sendiri membentuk kelompok-kelompok berupa butiran. Butiran ini ukurannya antara lain tergantung pada suhu, dad sifat kimia dari substrat. Gambar 7. Hubungan transmitansi vs panjang ge/ombang untuk variasi deposisi dengan peralatan UV-vis dengan variasi waktu. Gambar 8. Hubungan transmitansi vs panjang ge/ombang untuk ZnO dan boron dengan pera/atan UV-vis dengan variasi wakt. Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar limu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir

6 107 Wirjoadi, dkk. ISSN boron adalah 5,54 A tidak sarna dengan struktur kristal boron standar yaitu 5,04 A, hal ini disebabkan adanya perbedaan koefisien muai dari lapisan tipis boron dengan lapisan tipis ZnO yang ditempelinya. Selain itu kemungkinan terjadi kebocoran udara yang masuk pacta tabung reaktor plasma. Struktur kristal dengan jarak antar bidang 5,54 A adalah mendekati struktur kristal boron oxide. Puncak pacta sudut 34,340; 42,360 dan 63,170 adalah puncak untuk sudut ZnO}6,7j Gambar 9. Struktur mikro lapisan tipis ZnO de...1 ngan SEM (perbesaran kali). z.u Struktur mikro lapisan tip is ZnO menunjukkan adanya butiran-butiran yang kecil. Sedangkan pada Gambar 10 disajikan lapisan tipis ZnO yang di deposisi lagi dengan lapisan tipis boron. Dari hasil foto SEM ini terlihat butiran lapisan tipis ZnO masih terlihat jelas tanpa adanya perubahan. Japisan tipi boron ini kemungkinan mempunyai transmitan yang tinggi. Dengan demikian lapisan tipis ZnO dan boron cocok untuk pembuatan solar cell karena lapisan boron tidak tidak mengurangi intensitas cahaya yang mengenai sambungan P-N. Hal ini dapat menyebabkan efisiensi dari solar cell dapat meningkat. It-.. j -, f' J' '"! ZS 1 fji\i,. \ I" '.1. t.1 -,.....",, 'Ii'..""I,I 7 I,. tl ii..sudut e) Gambar 11. Spektrum struktur kristallapisan tipis ZnO dan boron dengan.y.p. --c- Puncak untuk sudut lapisan tip is..zno masih bisa muncul, walaupun terletak di bawah lapisan tipis boron. Hal ini disebabkan lapisan tipis boron yang terbentuk masih sangat tipis. Puncak bidang (002) mempunyai intensitas yang paling besar dibandingkan dengan intensitas dua puncak bidang lainnya, yaitu bidang-bidang (102) dan (103). Hal ini menunjukkan bahwa lapisan tipis ZnO yang terdeposisi mempunyai orientasi sumbu kristal (sumbu c) yang tegak lurus pacta permukaan substrat, sehingga lapisan tip is ZnO mempunyai sifat piezoelektrik yang kuat. Gambar 10. Struk/ur mikro /apisan tipis ZnO/ Boron dengan SEM (perbesaran kg/i). KESIMPULAN I Pacta Gambar 11 disajikan spektrum struktur kristal lapisan tipis ZnO dan boron pacta substrat kaca menggunakan XRD. Substrat kaca dideposisi terlebih dahulu dengan lapisan tip is ZnO, setelah itu dideposisi lagi dengan lapisan tipis boron. Dengan demikian lapisan tipis ZnO bt:lada di bawah lapisan tipis boron. Dari hasil pengamatan diperoleh beberapa puncak pacta sudut 15,98 ; 34,34 ; 42;36 dan 63,17 dengan jarak antar bidang masingmasing 5,54 A; 2,61 A; 2,13 A clan 1,47 A. Puncak pada sudut 15,98 dengan jarak antar bidang 5,54 A adalah sudut struktur kristal untuk boron. Jarak antar bidang untuk struktur kristal lapisan tipis Dari hasil percobaan dan pengolahan data yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain: 1. Nilai resistivitas lapisan tip is ZnO yang diperoleh cenderung meningkat dengan bertambahnya tekanan gas yaitu 1.0. cm sampai dengan cm dan nilai resistivitasnya menurun untuk waktu deposisi semakin lama yaitu 90,7.0. cm sampai dengan 0,60.0. cm. 2. Nilai transmitansi lapisan tipis ZnO yang diperoleh senderung semakin besar dengan bertambahnya tekanan gas yaitu 46 % sampai Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

7 108 ISSN Wirjoadi, dkk. dengan 74 % dad nilai transrnitansinya rnenurun untuk waktu deposisi sernakin lama yaitu 64 % sampai dengan 50 % yang sernuanya pada panjang gelornbang nrn. 3. Hasil analisis struktur rnikro dengan SEM diperoleh bahwa lapisan tipis ZnO/Boron rnenunjukkan rnorfologi yang berbeda apabila dibandingkan dengan struktur rnikroskopis lapisan tipis ZnO. 4. Struktur kristal lapisan tip is ZnO rnenunjukkan struktur kristal kristal ZnO yang sarna dengan struktur kristal standar dengan puncak pada sudut 34,34, sedangkan struktur kristal boron dengan puncak pada sudut 15,98 agak sedikit berbeda dengan struktur kristal boron standar. DAFTAR PUSTAKA 1. MILLMAN, HALKIAS, Integrated Electronics, Mc Graw Hill Inc, New York, K. TAKAHASHI, M. KONAGAI, Amorphous Silicon Solar Cells, North Oxford Academic, Tokyo, REKA RIO, MASAMORI, Fisika dan Teknologi Semikonduktor, PT Pradnya Paramita, Jakarta, (1982). 4. WASA KIYOTAKA, HAYAKAWA S, Handbook of Sputtering Deposition Technology, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, KONUMA M, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer Verlag, Berlin, WILSON W. WENAS, AKIRA YAMADA, AND KIYOSHI TAKAHASHI, Electrical and optical Properties of Boron-doped ZnO Thin films for Solar cells Grown by Metallorganic Chemical Vapor Deposition, J. Appl. Phys.70 (11),1 December BD CULLITY, Element of X Ray Diffraction, Addison Wesley Publishing Company, INC, Wirjoadi -Untuk waktu deposisi 25 menit sampai 30 menit nilai resistivitas konstan hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya ketebalan lapisan tipis maka timbul pori-pori. Dengan demikian walaupun semakin tebal tetapi tidak menurunkan resistivitas. -lnformasi yang didapat dari pengamatan struktur mikro adalah dapat diketahui ukuran butir dan bertambah buram lapisan tipis lno akibat diatasnya ada lapisan tipis boron. Djoko S. -Mengapa -Mengapa dipakai lapisan tipis ZnO I Boron? dipilih metoda Sputtering? -Apa perangkat lunak yang dipakai, sehingga dihasilkan gambar seperti pada poster? Wirjoadi -Digunakan lapisan tipis ZnO/boron karena penelitian ini akan digunakan untuk membuat solar cell. Dimana prinsip dari solar cell adalah membuat sambungan P-N, sedangkan untuk membuat semikonduktor tipe P pengaturnya adalah boron. -Digunakan metode sputtering karena metode ini tidak melibatkan suhu tinggi, lapisan tipisnya lebih homogen dan dapat merekat dengan luas pada substrat. -Perangkat lunak yang menghasilkan gambar struktur mikro menggunakan SEM, struktur kristal menggunakan XRD, proses transmitansi menggunakan UVVIS. S. Simbolon -Apakah molekul ZnO dapat menguap setelah diadakan sputtering, apakah bukan Zn. -Apakah yang dimaksud dengan ion Boron (ion negatif atau positif). TANYAJAWAB Husna -Oari gambar 3 terlihat bahwa pengaruh waktu deposisi terhadap resistivitas dari waktu 15 menit -25 men it, resistivitasnya menurun dan diatas 25 menit terlihat konstan. -Infonnasi apa saja yang diperoleh dari gambar struktur mikro ( Gambar 7 dan Gambar 8 ) Wirjoadi -Molekul 2nO akan terhambur meninggalkan target 2nO setelah ditumbuki ion argon, jadi molekul 2nO bukan menguap. Molekul 2no memang telah terdeposisi pada substrat kaca dibuktikan dengan pengamatan struktur kristal 2nO dengan XRD. -Ion boron yang terhambur meninggalkan target pin hole boron adalah ion netral don iiegatif -- Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BA T AN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2001