JURNAL FISIKA Himpunan Fisika Indonesia

Transkripsi

1 Volume A6 No ISSN Reprint dari JURNAL FISIKA Himpunan Fisika Indonesia Pantulan inframerah pada batasmuka GaN /Al 2 O 3 Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida dan N. Kuroda, J. Fis. HFI A6 (2005) 0207 Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei 2005 Φ H F I Diterbitkan oleh Himpunan Fisika Indonesia

2 Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia Jurnal yang mencakup Fisika Terapan (Vol. A), Fisika Pendidikan (Vol. B), dan Fisika Teoritik (Vol. C) URL : Editor Laksana Tri Handoko (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia) Mitra Djamal (Institut Teknologi Bandung) Terry Mart (Universitas Indonesia) Editor Kehormatan Muhamad Barmawi (Institut Teknologi Bandung) Tjia May On (Institut Teknologi Bandung) Pramudita Anggraita (Badan Tenaga Atom Nasional Yogyakarta) Muslim (Universitas Gajah Mada) Makalah Makalah yang dapat dipublikasikan dalam jurnal ini adalah karya ilmiah orisinal dan termasuk ke dalam kriteria di atas (fisika terapan, fisika pendidikan, dan fisika teoritik). Lima bentuk makalah yang diterima editor adalah: 1. Letter : makalah singkat untuk hasil penelitian spektakuler yang belum sepenuhnya rampung, namun membutuhkan komunikasi dengan dunia ilmiah secara cepat (maks. 4 hlm). Laporan lengkap dari hasil penelitian tersebut dapat dipublikasikan sebagai artikel reguler setelah Letter terbit. 2. Regular : makalah yang merupakan laporan lengkap dari hasil sebuah penelitian. 3. Comment : Makalah yang mengajukan kritik terhadap makalah (reguler) yang telah dipublikasikan di jurnal ini (maks. 4 hlm). 4. Review : makalah yang mereview satu topik fisika tertentu secara komprehensif. Makalah jenis ini hanya dapat dipublikasikan atas undangan editor jurnal. 5. Prosiding : prosiding simposium-simposium yang diadakan oleh Himpunan Fisika Indonesia diterbitkan sebagai bagian yang utuh dari jurnal ini. Pengiriman Makalah Makalah dapat dikirimkan ke redaksi Jurnal Fisika dalam bentuk : 1. L A TEX: bentuk ini sangat dianjurkan karena dapat mempermudah dan mempercepat proses publikasi. File L A TEX serta gambar yang menyertai makalah dapat dikirimkan melalui sarana pengiriman online di situs di atas. 2. MS-Word : file makalah dalam MS-Word dapat dikirimkan melalui sarana pengiriman online di situs di atas. Biaya publikasi serta informasi lebih lengkap dapat dilihat di situs jurnal di atas. Seluruh proses komunikasi sesudahnya dilakukan melalui situs. Penjurian Setiap makalah yang masuk akan diperiksa oleh seorang juri (referee) yang ditunjuk oleh editor. Hanya makalah yang telah disetujui oleh juri dapat diterbitkan di jurnal ini. Penulis yang makalahnya ditolak oleh seorang juri berhak meminta editor untuk mencarikan editor lain, jika penulis tersebut dapat berargumentasi bahwa juri pertama tidak obyektif dalam menilai makalahnya. Keputusan editor atas suatu makalah tidak dapat diganggu-gugat. Editor berhak menolak makalah yang jelas-jelas tidak memenuhi kriteria ilmiah. Reprint Reprint versi elektronik lengkap dengan sampul depan dapat didownload secara cuma-cuma dari situs jurnal. Reprint versi cetak dapat juga dipesan pada redaksi jurnal. Informasi tentang biaya cetak serta biaya pengiriman reprint dapat dilihat pada situs jurnal. Himpunan Fisika Indonesia Ketua : Masno Ginting Wakil Ketua : Pramudita Anggraita Sekretaris : Edi Tri Astuti, Maria Margaretha Suliyanti Bendahara : Diah Intani Alamat Sekretariat : Dynaplast Tower 1 st Floor, Boulevard MH Thamrin #1, LIPPO Karawaci 1100 Tangerang 15811, Banten, Indonesia URL : info@hfi.fisika.net c 2005 Himpunan Fisika Indonesia ISSN

3 Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia Volume A6 (2005) 0207 Regular Pantulan inframerah pada batasmuka GaN/Al 2 O 3 Hasanudin 1, K. Saiki 2, Y. Iida 2 dan N. Kuroda 2 1 Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura, Pontianak 78124, Indonesia 2 Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Faculty of Engineering, Kumamoto University, Kumamoto , Japan Intisari : Telah dilakukan pengukuran pantulan inframerah pada permukaan kristal GaN yang ditumbuhkan di atas substrat Al 2O 3. Hasil pengukuran ini dianalisa dengan dua model, yaitu model satu lapis dan dua lapis. Pada model pertama lapisan kristal GaN dianggap serangam, sedangkan pada model kedua kristal GaN dianggap terdiri dari dua lapisan dengan sifat berbeda, yaitu lapisan di dekat permukaan dan lapisan di dekat batas muka. Hasil analisa menunjukkan bahwa model dua lapis lebih cocok dengan hasil eksperimen. Tetapan redaman γ yang diperoleh dari analisa ini menunjukkan bahwa lapisan di sekitar batas muka yang tebalnya jauh melebihi asumsi terhadap tebal lapisan penyangga memiliki kualitas kristal yang lebih rendah dari lapisan di sekitar permukaan. Kata kunci : GaN, fonon, inframerah hasan@msre.kumamoto-u.ac.jp Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei PENDAHULUAN Meski GaN telah diaplikasikan secara luas dalam pembuatan piranti optoelektronik, banyak hal menyangkut sifat-sifat fonon pada bahan ini belum diketahui. Padahal informasi mengenai sifat-sifat fonon ini sangat penting untuk memahami transpor elektron, proses relaksasi elektron non-radiatif, dan sebagainya. Beberapa laporan berkenaan dengan masalah ini telah dipublikasikan, terutama mengenai hasil eksperimen dengan menggunakan spektroskopi Raman[1], inframerah[2], dan IR-ATR[3]. Azuhata et al. [2] telah menganalisa spektrum pantulan inframerah dengan menggunakan model osilator klasik. Dalam analisanya mereka memperlakukan seluruh bagian GaN sebagai suatu kesatuan tanpa membedakan antara lapisan penyangga (buffer layer) dengan lapisan utama. Ini didasarkan pada asumsi bahwa tebal lapisan penyangga cukup kecil dibandingkan dengan tebal total kristal, sehingga sumbangannya terhadap sifat optik kristal dapat diabaikan. Secara keseluruhan analisa ini mampu mereproduksi dengan baik spektrum hasil eksperimen, namun gagal mereproduksi dengan baik spektrum di daerah cm 1. Walau daerah ini hanya bagian kecil dari spektrum, namun ketidakcocokan ini cukup menggangu. Boleh jadi hal ini akibat kesalahan pada model secara keseluruhan. Karenanya hasil ini mungkin akan memberikan informasi yang kurang akurat pula mengenai bahan yang diteliti. Dalam penelitian ini kami melakukan pengukuran terhadap sampel dengan struktur yang sama dengan yang dilaporkan Azuhata et al.. Analisa terhadap sampel dilakukan dengan dua model yang berbeda untuk memperoleh informasi yang akurat mengenai keadaan sampel yang sebenarnya. Sampel yang sama telah terlebih dahulu dianalisa dengan metode IR- ATR [3] dan hasilnya menunjukkan bahwa kualitas kristal sampel sangat baik walaupun telah umum diketahui bahwa ada ketidakcocokan parameter kisi antara GaN dan Al 2 O 3. Namun perlu diingat bahwa pengukuran IR-ATR hanya memberikan informasi tentang keadaan sampel pada posisi beberapa ratus nm dari permukaan. Sedangkan situasi di sekitar batas muka GaN /Al 2 O 3 tidak dapat diamati dengan metode ini. Pengkuran kali ini bertujuan menggali informasi pada daerah di sekitar batas muka ini. 2 EKSPERIMEN Kristal GaN tipe-n setebal 2,4 µm ditumbuhkan dengan metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD) di atas substrat /Al 2 O 3 (0001) dengan lapisan penyangga GaN setebal 200 nm. Tebal total sampel adalah 400 µm. Pengukuran pantulan inframerah dilakukan dengan sistem seperti ditunjukkan c 2005 Himpunan Fisika Indonesia

4 Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda J. Fis. HFI A6 (2005) 0207 sample incident angle 10 infrared radiation mirror Gambar 2: Spektrum pantulan GaN -Al 2O 3 hasil pengukuran serta reproduksinya dengan model satu lapis. Gambar 1: Diagram skematik sistem pengukuran. pada Gb. 1. Radiasi sinar inframerah tidak terpolarisasi masuk ke sampel dengan sudut datang sebesar 10 o. Spektrometer FTIR (Jasco FT/IR-410) digunakan dalam pengukuran. 3 HASIL DAN DISKUSI Spektrum pantulan inframerah yang diperoleh dari pengukuran ditunjukkan pada Gb. 2. Hasil pengukuran ini secara keseluruhan sama dengan hasil yang dilaporkan oleh Azuhata et al. Spektrum pantulan GaN yang ditumbuhkan di atas Al 2 O 3 dengan tebal GaN µm telah pernah dilaporkan[4]. Dengan tebal kristal sebesar itu dapat disimpulkan bahwa cahaya yang masuk ke sampel tidak mampu mencapai batas muka GaN /AlO3 sehingga spektrum pantulan yang diperoleh murni mewakili pantulan dari GaN saja. Sementara itu spektrum pantulan pada Al 2 O 3 juga telah dilaporkan[5]. Spektrum hasil kedua eksperimen ini dapat direproduksi dengan baik dengan fungsi dielektrik berikut. Untuk GaN [6], ɛ(ω) = ɛ ω LO 2 ω 2 iωγ LO ω T O2 ω 2 iωγ T O. (1) Sedangkan untuk Al 2 O 3 [7]: ɛ(ω) = ɛ 4 1 ω LO 2 ω 2 iωγ LO ω T O2 ω 2 iωγ T O. (2) dengan ɛ adalah tetapan dielektrik elektronik, ω LO dan ω T O adalah frekuensi fonon LO dan TO, sedangkan γ LO dan γ LO adalah faktor redaman untuk fonon LO dan TO. Gb. 3 dan 4 masing-masing menunjukkan spektrum pantulan inframerah dari GaN dan Al 2 O 3 yang direproduksi dengan persamaan di atas. Hasil pengukuran yang ditunjukkan pada Gb. 2 secara umum konsisten dengan Gb. 3 dan 4. Pada frekuensi rendah di bawah 550 cm 1 pantulan dari GaN hanya sekitar 40 persen, sedangkan spektrum pantulan Al 2 O 3 menunjukkan adanya beberapa puncak dengan pantulan mencapai 80 persen. Puncak-puncak inilah yang teramati pada frekuensi rendah pada Gb. 2. Pada frekuensi yg lebih tinggi, cm 1, pantulan dari GaN melebihi 80 persen, sehingga pantulan ini mendominasi spektrum di daerah ini. Pada frekuensi di atas 700 cm 1 pantulan dari GaN kembali menurun drastis sehingga di daerah ini spektrum kembali didominasi oleh pantulan dari Al 2 O 3, hingga ke frekuensi 1000 cm 1. Pada frekuensi yang lebih tinggi spektrum didominasi oleh pola interferensi karena kedua bahan sangat rendah pantulannya

5 Pantulan inframerah pada batasmuka... J. Fis. HFI A6 (2005) 0207 Gambar 4: Spektrum pantulan Al 2O 3 dengan fungsi dielektrik Pers. 2 hasil reproduksi Gambar 3: Spektrum pantulan GaN hasil reproduksi dengan fungsi dielektrik Pers. 1 Selanjutnya kedua persamaan fungsi dielektrik ini digunakan untuk mereproduksi spektrum yang pengukurannya melibatkan batas muka antara kedua bahan. Reproduksi dilakukan dengan dua model, yaitu model satu lapis dan dua lapis, yang diagram skematiknya ditunjukkan pada Gb. 5 a dan b. Pada model satu lapis, kualitas kristal GaN dianggap seragam pada seluruh bagian, artinya tidak dibedakan antara GaN pada lapisan penyangga (buffer layer) dengan lapisan di atasnya. Lapisan GaN dengan tebal d dan fungsi dielektrik ɛ 1, sedangkan Al 2 O 3 dengan fungsi dielektrik ɛ 2. Perlu diingat bahwa fungsi dielektrik ɛ 1 dan ɛ 2 masing-masing dinyatakan dengan Pers. 1 dan 2. Situasi seperti dideskripsikan pada Gb. 5.a. memberikan reflektivitas yang dinyatakan dengan persmaan berikut, dengan R = ( ɛ 1 + 1)ϱ ( ɛ 1 1) ( ɛ 1 + 1) ( 2, (3) ɛ 1 1)ϱ ϱ = ɛ1 ɛ 2 ɛ1 + ɛ 2 e 2i ɛ 1kd. (4) Hasil reproduksi dengan persamaan ini ditunjukkan dengan garis terputus pada Gb. 2, dengan parameter reproduksi sebagai berikut. ω TO = 561, γ TO = 5, ω LO = 748, γ LO = 4. Semua parameter ini dalam satuan cm 1. Hasil seperti ditunjukkan pada Gb. 2 sama dengan yang dilaporkan oleh Azuhata et al. Seperti dijelaskan di muka, ada bagian yang tidak cocok dengan hasil eksperimen, yaitu pada frekuensi cm 1, walau secara umum sudah cocok. Untuk mengatasi hal ini, dilakukan simulasi dengan model dua lapis, yang diagram skematisnya ditunjukkan pada Gb. 5.b. Pada model ini lapisan kristal GaN tidak dipandang seragam, namun terdiri dari dua lapisan dengan kualitas kristal yang berbeda. Akibatnya parameter-parameter yang menentukan fungsi dielektrik juga berbeda pada kedua bagian tersebut. Reflektifitas pada model ini diberikan oleh Pers. 3, dengan ϱ dinyatakan dengan persamaan berikut, ɛ1 ς ɛ 2 ϱ = ɛ1 + ς e 2i ɛ 1kd 1, (5) ɛ 2 dengan dan ϑ = ς = 1 ϑ 1 + ϑ, (6) ɛ2 ɛ 3 ɛ2 + ɛ 3 e 2i ɛ 2kd 2. (7)

6 Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda J. Fis. HFI A6 (2005) 0207! "! &(' µ)! "!! $ % &(' µ) Gambar 5: Diagram skematik model satu lapis (a) dan dua lapis (b) yang digunakan untuk mereproduksi spektrum pantulan. Fungsi dielektrik GaN di daerah dekat permukaan (selanjutnya disebut Daerah 1) dan batas muka (Daerah 2) masing-masing dinyatakan dalam ɛ 1 (ω TO1, γ TO1, ω LO1, γ LO1 ) dan ɛ 2 (ω TO2, γ TO2, ω LO2, γ LO1 ) mengikuti Pers. 1. Sedangkan ɛ 3 adalah fungsi dielektrik Al 2 O 3 yang dinyatakan dengan Pers. 2. Hasil reproduksi spektrum dengan persamaan ini ditunjukkan dengan garis terputus pada Gb. 6. Parameter reproduksi untuk daerah 1 sama seperti yg digunakan pada model satu lapis di atas, sedangkan untuk di daerah dua adalah sebagai berikut: ω T O2 = 566,γ T O2 = 19, ω LO2 = 748,γ LO2 = 18. Tebal kristal adalah d 1 = 1,1 dan d 2 = 1,2 µm. Seperti terlihat pada Gb. 6, reproduksi dengan model dua lapis cocok secara tepat dengan hasil eksperimen. Ini berarti bahwa model ini lebih sesuai dengan keadaan yang sebenarnya pada sampel. Parameter reproduksi dengan model dua lapis menunjukkan bahwa faktor redaman γ baik pada fonon LO mapun TO pada lapisan di Daerah 2 jauh lebih besar dibandingkan dengan nilai pada Daerah 1. Ini berarti bahwa keteraturan kristal di dekat permukaan Gambar 6: Spektrum pantulan GaN -Al 2O 3 hasil pengukuran serta reproduksinya dengan model dua lapis. lebih baik dibandingkan dengan yang berada di dekat batas muka. Hal ini dapat dengan mudah dipahami mengingat adanya ketidakcocokan parameter kisi antara GaN dan Al 2 O 3. Adanya lapisan penyangga membantu menjembatani ketidakcocokan ini. Namun hasil eksperimen ini menunjukkan bahwa ketidakcocokan itu tidak berhenti pada lapisan penyangga, tapi berlanjut secara gradual hingga ketebalan 1,2 µm dari batas muka. 4 KESIMPULAN Hasil analisa ulang dalam penelitian ini berhasil mereproduksi spektrum hasil eksperimen dengan model teoretis secara memuaskan. Hasil ini menunjukkan bahwa ketakcocokan parameter kisi antara Al 2 O 3 dengan GaN menyebabkan terbentuknya lapisan kristal dengan kualitas rendah di daerah sekitar batas muka dengan ketebalan jauh lebih besar dari perkiraan tebal lapisan penyangga. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Meung Wan Cho dari Tohoku University atas penyediaan kristal GaN yang dijadikan sampel pada penelitian

7 Pantulan inframerah pada batasmuka... J. Fis. HFI A6 (2005) 0207 ini. Φhfi DAFTAR PUSTAKA [1] T. Azuhata, T. Sota, K. Suzuki dan S. Nakamura, J. Phys. Cond. Matt. 7 (1995) L129. [2] T. Azuhata, T. Matsunaga, K. Shimada, K. Yoshida, T. Sota, K. Suzuki dan S. Nakamura, Physica B493 (1996) 219. [3] Hasanudin, K. Saeki, Y. Iida dan N. Kuroda, J. Fis. HFI A6 (2004) [4] H. Sobotta, H. Neumann, R. Franzheld dan W. Seifert, Phys. Stat. Sol. B174 (1992) K57. [5] F. Gervais dan B. Piriou, J. Phys. C7 (1974) [6] A.S. Barker Jr. dan M. Ilegems, Phys. Rev. B7 (1973) 743. [7] M. Schubert, T.E. Tiwald dan C.M. Herzinger, Phys. Rev. B61 (2000)