Simulasi Reaktor MOCVD Dengan Menggunakan FEMLAB

Transkripsi

1 Kontrbu Fka Indonea Vol. 3 o., Aprl 00 Sula Reaktor MOCVD Dengan Menggunakan FEMLAB Bud Mulyant,), Ftr S. Aryad,3), Soeganto S 4), M. Baraw ), dan Sr Jatno W ) ) Laboratoru Fka Materal Elektronka, Departeent Fka, Inttut Teknolog Bandung, Jl. Ganea 0 Bandung, E-al: ulyant@poe.org ) Juruan Penddkan Teknk Elektro, Fakulta Penddkan Teknolog dan Kejuruan, Unverta Penddkan Indonea, Jl. Setabudh 7 Bandung 3) Juruan Fka, Unverta Srwjaya, Kapu FMIPA Unr, Jl. Perabuulh, Palebang 4) Laboratoru Fka Teor, Departeen Fka, Inttut Teknolog Bandung, Jl. Ganea 0 Bandung 403 Abtrak Sula nuerk dperlhatkan untuk eperoleh harga paraeter penubuhan yang optal pada penubuhan l tp Ga dala reaktor MOCVD. Sula n dlakukan dengan cara engubah-ubah paraeter penubuhan yang elput duvta dan laju alran ga erta geoetr reaktor. Ga uber yang dgunakan d n adalah tretl galu (TMGa) dan aona (H 3 ) dan ntrogen () ebaga ga pebawa. Dar ula yang dlakukan, l tp Ga yang unor terjad pada harga duvta 0, -, laju alran ga dan jarak antara leher reaktor terhadap ubtrat ebear 3,5 c. Kata kunc: l tp Ga, reaktor MOCVD, paraeter penubuhan Abtract uercal ulaton preented n order to have optal growth paraeter when thn l Ga grown n the MOCVD reactor. The ulaton perored by changng the growth paraeter uch a duvte and low rate o gae, and the reactor geoetre. Gae that are ued n th ulaton are trethyl gallu (TMGa) and aona (H 3 ) a ource gae and ntrogen () a a carrer ga. The unor thn l obtaned ro th ulaton, when the growth paraeter are 0. -, 0-3 -, and 3.5 c or ga duvty, ga low rate and dtance between reactor neck and ubtrate, repectvely. Keyword: thn l Ga, MOCVD reactor, and growth paraeter.. Pendahuluan Checal Vapor Depoton (CVD) adalah uatu etode penubuhan lapan tp berdaarkan reak uap ka pada ubtrat dala uatu lngkungan ka yang terkontrol. Peneltan tentang etal organc checal vapor depoton (MOCVD) dula pada tahun 968 ketka Maneevt enggunakan ae uap dar bahan etal-organk tr-etl galu dan arn (AH 3 ) dala penubuhan lapan tp GaA ). Dala paper n, penul enggunakan bahan tretl galu (TMGa) dan aona (H 3 ) ebaga uber ga dan ebaga ga pebawa untuk enubuhkan lapan/l tp Ga dengan enggunakan etode MOCVD yang dlk oleh Laboratoru Fka Materal Elektronk, Departeen Fka, ITB. Banyak hal yang haru dpenuh dala etoda penubuhan n antara lan: laju penubuhan yang cukup tngg, lapan yang unor dan tabl pada uhu tngg, een ga uber, tngkat purta yang rendah dan lan-lan ). Maalah yang dbaha dala peneltan n adalah penubuhan lapan/l tp Ga dengan etode MOCVD agar dhalkan lapan yang unor dan een ga uber yang optal. Hal n dlakukan dengan cara evarakan paraeter penubuhan dan geoetr reaktor dengan enggunakan ula nuerk. Perangkat lunak yang dgunakan adalah FEMLAB Ver. buatan COMSOLAB, USA, Prnp Daar Proe Penubuhan dala MOCVD Dala proe CVD, lapan tp dtubuhkan dar ae ga elalu reak ka. Fl tp yang dtubuhkan erupakan hal reak heterogen d perukaan ubtrat. Secara uu langkah-langkah dala proe CVD adalah epert yang djelakan oleh Gabar, yatu ) :. Tranport konvek dan du ga-ga reaktan dar nlet ke daerah reak d dala tabung reaktor.. Reak ka dala ae ga enghalkan pee baru yang reakt dan hal apngan. 3. Tranport du dan konvek reaktan awal dan reak berkutnya ke perukaan ubtrat. 4. Adorp pee reakt pada perukaan ubtrat. 5. Du perukaan pee yang teraorp. 6. Reak perukaan heterogen enyebabkan pebentukan l padatan. 7. Deorp ga hal reak. 8. Tranport du hal reak enjauh perukaan ubtrat. 9. Tranport konvek dan atau du enjauh daerah reak enuju outlet. 65

2 66 KFI Vol. 3 o. 00 du dan adorp pee reakt alran ga uber reak ae ga du perukaan dan reak heterogen deorp dan du hal reak heterogen penubuhan l Gabar. Dagra proe penubuhan l d dala MOCVD Capuran d dala reaktor pada uunya tdak dala keetbangan terodnaka ehngga elbatkan enoena tranport dan knetka kaw. aun dekan kadang-kadang kedua enoena n dapat dabakan. 3. Fenoena Tranport dan Reak Ka 3. Au Daar Beberapa penyederhanaan dlakukan untuk engurang koplekta aalah dan untuk tujuan koputa dala encar olu peraaan peodelan CVD. Pada uunya au n tdak engurang akura atau ketepatan dan dapat daplkakan pada peroean CVD. Au-au terebut adalah: a. Capuran ga d dala raktor adalah kontnu. Au n berlaku jka jalan beba rata-rata l jauh lebh kecl dar geoetr reaktor (l << ) l () πσ n b. Ga d dala reaktor danggap ebaga ga deal. c. Alran laner. d. Tdak enyerap reak pana. e. Mengabakan pengaruh pana pada vkota.. Mengabakan pengaruh tekanan pada capuran ga. 3. Peraaan Tranport Fenoena tranport d dala reaktor CVD dapat dgabarkan dengan peraaan tranport aa, oentu, pana dan konentra beraca-aca koponen ka d dala capuran ga. Kopo capuran ga yang terdr dar koponen dapat dnyatakan ebaga rak aa tak berden ω untuk pee ke- dana ϖ () Dengan au-au data, tranport oentu, pana dan pee ka dapat dnyatakan dengan ekupulan peraaan derenal paral. Peraaan-peraaan terebut adalah ) : () Peraaan kontnuta r ρ.( ρ v ) 0 (3) t () Peraaan Moentu r rr r r + r ρ.( ρ ) +. ( + ( )) ) ( ) Ι +ρ 0 3 r v vv v v v p g (4) t () Peraaan Energ c p ρt t c (v) Peraaan Spee. p r. ( ρv T ) +. ( λ T ) 0 E g ( c v ).( c D ) A exp c (5) r (6) g RT dengan: vkota capuran ga c p pana jen peratuan aa ga tekanan kontan T teperatur ρ denta λ konduktvta teral R kontanta ga uu rak ol pee ga ke- rak aa pee ga ke- D koeen du A g blangan Arhenu E g energ aktva konentra pee ga ke- c Vkota capuran ga dperoleh dar 3) : M 6 T,6693 x 0 (7) σ Ω dengan: M berat olekul ke- σ I daeter tubukan Lennard Jone untuk olekul ke- Ω ntegral tubukan Untuk capuran ga yang terdr dar banyak pee ga, dperoleh dar aproka Wlke ebaga berkut: dengan φ j j j φ j (8) 4 M M j + + (9) 8 M j j M Konduktvta teral untuk ang-ang pee dperoleh dengan enggunakan ruu Eucken, yatu

3 KFI Vol. 3 o R λ c p + M 4 (0) Sedangkan konduktvta teral capuran ga adalah: λ j λ j φ j () Koeen du untuk paangan ga ke- dan j adalah: D j 3 T + M M j,8583 x0 () p σ Ω Koeen du pee ke- adalah: ρ j M j j D (3) j M D j dana M adalah berat olekul capuran. 3.3 Syarat Bata j Peraaan tranport yang dnyatakan dala keepat peraaan d ata, dapat deleakan dengan yarat bata-yarat bata pada nlet, outlet, dndng reaktor, dan perukaan ubtratebaga berkut 4) : Pada nlet j D Dan produk aa ga netto pada perukaan ubtrat adalah: P Pada outlet; R (6) Sedangkan koponen kecepatan tegak luru ubtrat adalah: P n. v r (7) ρ Dan luk du pada perukaan: n r v. j R ϖ P (8) Graden harga varabel dala arah bdang outlet daukan 0 atau dtul ebaga: rv v ll 0; n. vρv ( ) 0 n r r. T 0; n. v 0 n r. p 0 4. Proe Sula 4.. Bentuk/Geoetr Reaktor r (9) Sebelu elakukan ula terlebh dahulu elh bentuk/geoetr reaktor yang akan dgunakan. Dagra reaktor MOCVD yang dplh adalah napak epert Gabar dengan daeter nlet dan daeter ubtrat ang-ang 0 c, edangkan jarak antara leher reaktor dengan ubtrat bervara,5 3,5 c. V II 0 ; V V n ; T T n ; n Pada dndng : a. v 0, artnya : - tdak terjad reak - tdak tergelncr - tdak perabel nlet leher reaktor tepat ubtrat b. Dndng oteral atau adabatk T T dndng c. Tdak ada luk aa yang tegak luru perukaan c T ( j + j ) 0 n. (4) G Pada perukaan Subtrat: Laju penubuhan pee dala reak ke-l adalah: ρ L l l R L l koeen tochoetr aa ol pee bulk denta ae padat ρ R L laju reak perukaan netto (5) outlet Gabar. Skea dagra reaktor MOCVD 4. Langkah Sula Setelah kta enentukan geoetr reaktor (- den), aka kta gabarkan dala progra Felab dengan enggunakan GUI. Berhubung penapang lntang reaktor berbentuk etr, aka penggabarannya enjad lebh ederhana, napak epert Gabar 3. Proe koputa pada perangkat lunak Felab n berdaarkan peraaan-peraaan derenal paral: peraaan aver-stoke, dan peraaan du dan konvek 5). Peraaan aver-stoke n dperoleh dengan ebuat peraaan oentu untuk ang-ang

4 68 KFI Vol. 3 o. 00 den dala koordnat lnder, yatu dala arah x dan r. Au yang dgunakan d n adalah bahwa luda berat laner, dengan blangan Reynold < 000. Varabel-varabel yang dgunakan untuk enyeleakan peraaan n adalah vkota dan denta ga. Peraaan du dan konek dgunakan karena adanya tranport aa oleh konvek dan du. Varabel-varabel yang dgunakan adalah koeen du, konentra ga dan laju reak yang harga-harganya angat bergantung pada teperatur dan tekanan reaktor. Untuk dapat enyeleakan peraaan-peraaan d ata, aka kta perlu eberkan yarat awal dan yarat-yarat bata pada nlet, dndng reaktor, ubu etr, perukaan ubtrat dan oulet, epert yang telah djelakan d depan. Adapun bearan untuk ula n dperoleh dengan enggunakan ruu (7) (5) dengan harga paraeter yang tercantu pada Tabel 6). Tabel. Paraeter depo yang dgunakan dala ula Paraeter depo Laju alran (cc) TMGa H 3 0, Berat olekul Tekanan (Pa) 0,57 0,57 0,57 0,85 0,85 0,85 Teperatur(K) Hal Sula dan Pebahaan Sepert telah djelakan, dala ula n dgunakan tretl galu (TMGa) dan H 3 (aona) ebaga ga reaktan erta ebaga ga pebawa, untuk enubuhkan l tp Ga (Galu trat). Untuk engetahu tngkat unorta lapan tp yang dhalkan, dlakukan perubahan geoetr reaktor dengan jalan engubah jarak antara leher reaktor dengan perukaan ubtrat dan engubah laju alran ga uber dan pebawa erta engubah harga duta ga ebaga ung tekanan dan teperatur. Reak ka yang terjad d ata perukaan ubtrat adalah: Ga (CH 3 ) 3 + H 3 Ga + 3CH4 (0) Dar hal ula untuk jarak antara leher reaktor dan ubtrat ebear,5 c dan harga laju alran ga,3 x 0 / dan harga duvta berbeda-beda, yatu: (a) (b) (c) (d) 0 - dperoleh bahwa l tp Ga yang dtubuhkan akn unor jka harga duvta ga akn tngg (Gabar 3 dan 4). Sedangkan dar prol konentra ga reaktan dan laju depo/penubuhan Ga pada Gabar 5 dan 6 dapat terlhat bahwa l tp Ga palng unor terbentuk pada harga laju alran ga ebear 0,00 / untuk harga duvta kontan ebear Dar prol konentra ga reaktan dan laju depo/penubuhan Ga pada Gabar 7 dan 8 napak l tp Ga terbentuk palng unor pada jarak 3,5 c antara leher reaktor dengan ubtrat untuk harga laju alran ga ebear 0,00 / dan harga duvta ebear (a) (b) (c) (d) Gabar 3. Prol konentra ga reaktan d dala reaktor pada harga laju alran ga,3 x 0 / dan harga duvta berbeda-beda,yatu: (a) (b) (c) (d) 0 -

5 KFI Vol. 3 o (a) (b) (c) (d) Gabar 4. Laju depo/penubuhan l tp Ga pada harga laju alran ga,3 x 0 / dan harga duvta berbeda-beda, yatu: (a) (b) (c) (d) 0 - (a) (b) (c) (d) Gabar 5. Prol konentra ga reaktan d dala reaktor pada harga duvta berbeda-beda, yatu: (a) 0 4 / (b) 0 3 / (c) 0 - / (d) 0 /. dan harga laju alran ga

6 70 KFI Vol. 3 o. 00 (a) (b) (c) dan harga laju alran ga berbeda- Gabar 6. Laju depo/penubuhan l tp Ga pada harga duvta beda, yatu: (a) 0 4 / (b) 0 3 / (c) 0 - / (d) 0 /. (d) (a) (b) (c) Gabar 7. Prol konentra ga reaktan d dala reaktor pada harga laju alran ga,3 x 0 / dan harga duvta dan jarak antara leher reaktor dengan ubtrat berbeda-beda,yatu: (a),5 c (b),5 c (c) 3,5 c.

7 KFI Vol. 3 o (a) (b) (c) Gabar 8. Laju depo/penubuhan l tp Ga pada harga laju alran ga,3 x 0 / dan harga duvta0 3 - dan jarak antara leher reaktor dengan ubtrat berbeda-beda,yatu: (a),5 c (b),5 c (c) 3,5 c. 6. Kepulan Konentra ga dan laju depo atau penubuhan l tp uatu ateral ekonduktor (dala hal n Ga) dengan reaktor MOCVD dapat dketahu elalu ula nuerk, khuunya dengan enggunakan perangkat lunak Felab, 000. Dengan eaukkan harga-harga paraeter penubuhan, kta dapat eperoleh harga-harga yang eua yatu untuk dapat enghalkan l tp yang unor, yatu harga duvta 0, -, laju alran ga dan jarak antara leher reaktor terhadap ubtrat ebear 3,5 c. Harga-harga n angat berguna dala ekperen penubuhan l tp Ga d dala reaktor MOCVD, dengan uber ga berupa tretl galu (TMGa), aona (H 3 ) dan ntrogen ( ) ebaga ga pebawa. Datar Putaka. R. A. San, Proe Depo Ka Organo-Loga Dala Reaktor MOCVD, Derta Progra Doktor ITB, R. Klejn, Checal Vapor Depoton Procee, Del Unverty o Technology, The etherland, Jngx Sun et.al, Phy. tat. Sol. (a) 76,693 (999) 4. Sutn, R.A. San, P.Arn dan M. Baraw, KFI, Vol.0 o.3, 90 (999) 5. Felab Manual Reerence, Ver.. (000) 6. Krhnan and ng Zhou, Analy o Checal Vapor Depoton n Indutral Reactor.