PENELITIANFUNDAMENTAL SIFAT TRANSPORT LISTRIK PADA DAHAN SEMIKONDUKTOR PADUAN TERNARYIII-V

Transkripsi

1 LAPORAN AKBIR BASIL PENELITIAN TAHUN PERTAMA PENELITIANFUNDAMENTAL SIFAT TRANSPORT LISTRIK PADA DAHAN SEMIKONDUKTOR PADUAN TERNARYIII-V Oleh: Dr.Andi Suhandi, M. Si. Dr. Dadi Rusdiana, 1\-1. Si. Dr. Enis Sustini, M. Si. Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional, sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hlbah Penelitian Nomor : 032/SP2H/PP/DP2M/IW2007, tanggal 31 Desember 2006 JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN IPA UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2007

2 LAPORAN AKHIR HASIL PENELITIAN T AHUN PERT AMA PENELITIAN FUNDAMENTAL SIFAT TRANSPORT LISTRIK PADABAHANSEMIKONDUKTORPADUAN TERNARY 111-V Oleh: Dr. Andi Suhandi, M.Si. Dr. Dadi Rusdiana, M.Si. Dr. Euis Sustini, M. si. Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional, sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian Nomor: 032/SP2H!PP/DP2M/IIl/2007, tanggal 31Desember2006 JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMA TIKA DAN IPA UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2007

3 DOKUMENTASI & ARSIP BAPPENAS Acc. No. : '!::_ 8...!.J.P::A ~-~~- Class : '.. ].~ ---.S... O<i _-.. o<r- o ~ - checked :

4 HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHIR TAHUN PERTAMA 1. Judul Penelitian Sifat Transport Listrik Pada Bahan Semikonduktor Paduan Teranary III-V 2. Ketua Peneliti a. Nama Lengkap b. Jenis Kelamin c. NIP d. Pangakat/Golongan e. Jabatan Fungsional f Fakultas/Jurusan g. Perguruan Tinggi h, Pusat Penelitian Dr. Andi Suhandi, M.Si. Laki-Laki Penata Tk.1/lll-d Lektor Kepala : FPMIP A/Pend. Fisika : Universitas Pendidikan Indonesia (UPI) Lemabaga Penelitian UPI 3. Jumlah Tim Peneliti 4. Lokasi Penelitian 3 Orang Lab. Fisika Material Jurusan Fisika UPI dan Lab. FISMATEL Prodi Fisi.ka ITB 5. Kerjasama dengan Institusi Lain a. Nama Instansi : Lab. FISMATEL Prodi Fisi.ka ITB b. Alamat : Jl. Ganeca 10 Bandung 6. Masa Penelitian 7. Biaya yang diperlukan : 2 Tahun ( ) Rp ,- (tujuh puluh delapanjuta sembilan ratus delapan puluh Iima ribu rupiah) Bandung, 1 November 2007 Ketua Peneliti, Dr. Andi Suahandi, M.Si. NIP

5 SIFAT TRANSPORT LISTRIK PADA BARAN SEMIKONDUKTOR PADUAN TERANARY 111-V RINGKASAN Akhir-akhir ini bahan semikonduktor paduan III- V dalam bentuk ternary banyak mendapat perhatian para peneliti. Dalam bentuk paduan ternary terdapat keuntungan dalam hal kemudahan merekayasa nilai celah pita energinya. Paduan ternary ini dibentuk dengan cara memadukan unsur-unsur binary tertentu, melalui proses substitusi. Proses substitusi bisa dilakukan pada unsur golongan Ill atau unsur golongan V, membentuk ternary Arn(x)Blll(I-x)Cv atau ternary Q111Rv(ly)SV(y) Dengan bentuk ternary ini maka s:ifat fisis bahan dapat direkayasa melalui pengontrolan komposisi atom pensubstitusi (x atau y) di dalarnnya. Salah satu bahan semikonduktor paduan yang banyak dikembangkan saat ini adalah GaAsSb. Sifat fisis bahan ini akan terletak diantara sifat fisis binary pembentuknya yaitu GaAs dan GaSb dan dapat direkayasa berdasarkan fraksi unsur Sb di dalamnya. Material ini banyak diaplikasikan lapisan aktif dioda laser untuk kepentingan sistem komunikasi serat optik. Pada penelitian tahun pertama ini telah dilakukan optimasi penumbuhan material paduan ternary Ill-V dalam bentuk film tipis GaAsSb sebagai material yang akan diuj i sifat transport listriknya. Parameter. optimasi meliputi rasio V /III, temperatur penumbuhan dan fraksi unsur Sb. Metoda MOCVD digunakan sebagai metoda penumbuhannya. Metoda ini merupakan metode modem yang merniliki keunggulan dalam hal kemampuannya menghasilkan film tipis yang berkualitas baik dengan kemudahan pada pengontrolan input unsur-unsur yang akan dideposisikan dan pengontrolan ketebalannya. Selain itu telah pula dilakukan simulasi tentang kebergantungan sifat transport listrik pada bahan semikonduktor ternary GaAsSb terhadap temperatur lingkungan dengan menggunakan software Matematica. Hasil-hasil penelitian ini akan sangat menunjang pada keberhasilan penelitian tahap berikutnya (tahun kedua) yaitu eksperimen tentang pengukuran sifat transport listrik film tipis GaAsSb pada berbagai variasi suhu lingkungan, dengan menggunakan metode Hall-Van der Pauw. Hasil optimasi penumbuhan menunjukkan bahwa Film tipis GaAs1_xSbx dalam rentang miscibility gap nya telah berhasil diturnbuhkan dengan MOCVD bertekanan rendah menggunakan sumber-surnber metalorganik TMGa, TDMASb, TDMAAs. Faktor kunci untuk mendapatkan derajat kekristalan dan morfologi film yang baik adalah penggunaan rasio V /III yang mendekati satu dan temperatur penumbuhan yang relatif rendah. Terbentuknya ternary GaAs1_ xsbx ditandai oleh meningkatnya nilai parameter kisi bahan ketika fraksi Sb ditingkatkan. Komposisi Sb (x) dalam film GaAsi-xSbx sangat ditentukan oleh rasio V /Ill yang digunakan. Penggunaan rasio V /III yang hampir sama dengan satu, menghasilkan nilai koefisien distribusi Sb (rasio komposisi Sb dalam film GaAs1-xSbx terhadap fraksi mol masukan uap Sb) juga mendekati satu. Inkorporasi Sb kedalam padatan GaAsi-xSbx menurun terhadap kenaikan rasio V/III untuk rasio V/Ill > I. Film tipis GaAsi-xSbx merupakan semikonduktor tipe-p, yang terbentuk akibat adanya native defect, antisite Ga pada kedudukan atom golongan V, dan kontaminasi karbon yang berasal dari sumber methyl yang 11

6 digunakan. Terbentuknya alloy GaAs1-xShx juga teramati dari turunnya nilai Eg bahan GaAs ketika unsur Sb masuk dan membentuk ternary GaAsSb. Penggunaan TDMAAs dan TDMASb sebagai sumber metalorganik golongan V cukup efektif dalam menurunkan temperatur penumbuhan dan mereduksi konsentrasi pembawa muatan mayoritas pada film GaAs1-xSbx yang ditumbuh.kan. Hal ini ditunjukkan oleh rendahnya temperatur penumbuhan optimum yang diperlukan, yaitu sekitar 540 C, serta rata-rata konsentrasi pernbawa muatan (hole) pada film berorde 1011cm J. Sedangkan dari hasil simulasi tentang kebergantungan sifat transport listrik pada film tipis GaAsSb terhadap temperatur lingkungan menunjukkan bahwa semua komponen nilai mobilitas pembawa muatan yang terjadi pada bahan ternary GaAsSb sangat bergantung pada temperatur lingkungan dengan kecenderungan yang berbeda-beda, dengan demikian nilai mobilitas pembawa muatan totalnya pun bergantung pada temperatur lingkungan. Kata kunci : Simulasi, Deposisi, Film Tipis GaAsSb, MOCVD. lll

7 PRAKATA Puji syukur kami panjatkan kekhadirat Alloh SWT, karena hanya atas izinl'[ya kami dapat menyusun laporan akhir hasil penelitian tahun pertama proyek Penelitian Fundamental tahun anggaran 2007 sesuai dengan waktu yang telah ditetapkan. Laporan ini memuat serangkaian kegiatan dan hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan pada tahun pertama program penelitian Fundamental yang berjudul " Karakteristik Transport Listrik Pada Bahan Semikonduktor Paduan Ternary III-V, yang direncanakan dilaksanakan dalam kurun waktu dua tahun. Sesuai dengan target penelitian yang diharapkan, dari kegiatan penelitian ini telah dihasilkan gambaran kondisi dan parameter optimum untuk penumbuhan film tipis GaAsSb dengan metode MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) dan gambaran hasil simulasi tentang kebergantungan nilai mobilitas pembawa muatan terhadap temperatur lingkungan. Hasil-hasil ini sangat penting artinya bagi keberhasilan penelitian selanjutnya yaitu pengukuran sifat transport listrik pada bahan ternary GaAsSb. Pada kesempatan ini kami ingin menghaturkan ucapan terimaksih yang sebesar-besarnya kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional yang telah mendanai seluruh progaram penelitiaan ini, sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian Nomor: 032/SP2H/PP/DP2M/lll/2007, tanggal 31 fihak yang tidak disebut satu persatu, Desember 2006, serta kepada berbagai yang secara langsung maupun tidak langsung telah memberikan andil pada kelancaran pelaksanaan penelitian ini. IV

8 Kami menyadari bahwa hasil yang diperoleh dari penelitian ini masih jauh dari kesempurnaan, namun demikian kami berharap basil penelitian ini dapat memberikan manfaat yang sebesar-besarnya terutama sebagai jembatan untuk keberahasilan pencapaian target akhir dari program penelitian ini. Bandung, I November 2007 Tim Peneliti v

9 DAFfARISI Halaman I-lalaman Pengesahan i Ringkasan.ii Prakata iv Daftar Isi vi Daftar Tabel vii Daftar Gambar viii Daftar Lampi ran x I. PENDAHULUAN 1 II. TINJAUAN PUST AKA 3 III. TUJUAN DAN MANFAATPENELITIAN TAHUN PERTAMA 15 IV. METODE PENELITIAN 16 V. HASIL DAN PEMBAHASAN 19 VI. KESIMPULAN DAN SARAN.41 DAFT AR PUST AKA 44 LAMP IRAN 45 VI

10 Daftar Tabel Halaman Tabel 1. Kondisi dan parameter penumbuhan film GaAsi-xSbx 19 Tabel 2. Rincian kegiatan penelitian yang dilaksanakan pada tahun pertama 21 Tabel 3. Kurnpulan persamaan yang digunakan dalam proses simulasi 37 Tabel 4. Kumpulan simbol dan maknanya 38 Tabel 5. Sifat fisis GaAs dan GaSb.39 Tabel 6. Parameter dasar bahan ternary GaAs1-xSbx 39 Vll

11 Daftar Gambar Hal am an Gambar 1. Bagan jenis-jenis hamburan yang dapat terjadi pada bahan semikonduktor paduan ternary Ill-V 8 Gambar 2. Skema pengukuran sifat Iistrik dengan metode Hall-Van der Pauw 11 Gambar 3. Geometri sampel untuk pengukuran Hall Van der Pauw 13 Gambar 4. Geometri empat titik pada pengukuran metode Hall- Van der Pauw 15 Gambar 5. Skema reaktor MOCVD 18 Gambar 6. Diagram tahapan penelitian yang dikerjakan pada tahun pertama 20 Gambar 7. Pola difraksi sinar-x sampel GaAs yang ditumbuhkan pada temperatur 570 C dan rasio V/III = 3,0 :.22 Gambar 8. Pola difraksi sinar-x sampel GaSb yang ditumbuhkan pada temperatur 560 C dan rasio V /III = 3,0 22 Gambar 9. Pola difraksi sinar-x sampel GaAs1.xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur 540 C dan rasio V /Ill = 1,2 (xv= 0,42) 24 Gambar 10. Hasil karakterisasi EDS film GaAs1.xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur 580 C dan rasio V /III = 4,8 dengan xv = 0, Gambar 11. Morfologi permukaan dan tampang lintang film GaAs1.xSbx 26 Garnbar 12<Pola difraksi sinar-x untuk bidang (400) dari sampel-sampel film GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur penumbuhan 580 C dan rasio V /III sekitar 4,8 dengan Xv yang bervariasi 27 Gambar 13. Pengaruh rasio V/111 terhadap pergeseran sudut puncak bidang (400) dari film GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan dengan Xv= 0,42 28 Gambar 14. Hubungan komposisi Sb dalam padatan GaAs1.xSbx dengan fraksi mol masukan uap sumber Sb untuk rasio V /IIl yang berbeda-beda 29 Vil!

12 Gambar 15. Karakteristik 1-V dari sistem kontak GaAs1.xSbx /Au.30 Gambar 16.. Mobilitas Hall dan konsentrasi hole sebagai fungsi temperatur penumbuhan untuk film GaAs1.xSbx yang ditumbuhkan dengan rasio V /III = 1,2 32 Gambar 17. Mobilitas Hall dan konsentrasi hole sebagai fungsi komposisi Sb(x) dari film GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan dengan rasio V/111=4,8 33 Gambar 18. Mobilitas Hall dan konsentrasi hole sebagai fungsi rasio V/111 dari film GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan pada berbagai temperature penumbuhan 34 Gambar 19. Sptrum PL dari film tipis GaAs dan film tipis GaAso.94Sbo.o6 yang ditumbuhkan pada temparatur 580 C dan rasio V/Ill sekitar 4,8 36 Garnbar 20. Mobilitas Hall fungsi komposisi Sb (x) pada temperatur 300K has ii simulasi perhitungan.40 Gambar 21. Mobilitas Hall fungsi temperatur (T) untuk bahan GaAso,1sSbo.2s hasil simulasi perhitungan.41 IX

13 Daftar Lampiran Halaman Lampiran 1. Persona]ia Penelitian.45 x

14 I. PENDAHULUAN Akhir-ak.hir ini bahan semikonduktor paduan III-V dalam bentuk ternary banyak mendapat perhatian para peneliti. Dalam bentuk paduan ternary terdapat keuntungan dalam ha! kemudahan merekayasa nilai celah pita energinya. Paduan ternary ini dibentuk dengan cara memadukan unsur-unsur pembentuk dua binary tertentu, melalui proses substitusi. Proses substitusi bisa dilakukan pada unsur golongan III atau unsur golongan V, membentuk ternary A111(x)Blll{l-x)Cv atau ternary QmRvc1-y)Sv(y)- Dengan bentuk ternary ini maka sifat fisis bahan dapat direkayasa melalui pengontrolan komposisi atom pensubstitusi (x atau y) di dalamnya. Bahan paduan ternary III-V ini banyak diaplikasikan dalam struktur struktur divais modem seperti struktur sumur kuantum. Seiring dengan penggunaannya yang terus meningkat, maka penyelidikan dan pengungkapan sifat-sifat fisis bahan paduan ternary ini menjadi ha] yang tidak dapat dielakkan. Salah satu sifat fisis penting dari bahan semikonduktor yang menentukan sifat elektronik dari divais-divais elektronik yang terbuat dari bahan ini adalah sifat transport listriknya, yaitu salah satunya adalah nilai mobilitas (µ) pembawa muatan. Karakteristik transport listrik pada bahan dipengaruhi secara langsung oleh mekanisme perturbasi (gangguan) terhadap pergerakan pembawa muatan dalam bahan. Perturbasi (gangguan) biasanya terjadi akibat adanya berbagai jenis mekanisme hamburan (scattering). Mekanisme hamburan pada bahan sangat dipengaruhi oleh faktor ekstemal seperti temperatur lingkungan. Oleh karena itu dengan mengetahui mekanisme perilaku hamburan di bawah pengaruh luar, maka kebergantungan nilai mobilitas pembawa muatan pada bahan

15 semikonduktor paduan ternary III-V terhadap kondisi ekstemal seperti temperatur lingkungan dapat dirumuskan. Ruang lingkup penelitian ini adalah pengkaj ian fenomena mikroskopis yang terjadi dalam berbagai jenis hamburan yang merupakan faktor gangguan terhadap sifat transport Iistrik pada bahan semikonduktor ternary hingga didapatkan bentuk hubungan fungsional antara nilai mobilitas pembawa muatan dengan temperatur lingkungan untuk setiap jenis hamburan yang terjadi. Perturbasi (gangguan) biasanya terjadi akibat adanya berbagai jenis mekanisme hamburan (scattering) baik yang terjadi akibat kehadiran atom-atom impuritas, getaran termal dari ion-ion kisi, maupun mekanisme lainnya. Karena mekanisme scattering yang terjadi biasanya sangat bergantung pada kondisi internal dan eksternal bahan, maka secara otomatis sifat transport listrik juga akan bergantung pada sifat-sifat tersebut. Sehingga untuk dapat membangun suatu bentuk hubungan fungsional antara karakteristik transport listrik (mobilitas pembawa muatan) dengan kondisi ekstemal (temperatur lingkungan) maka sudah tentu harus dilakukan peng.kajian terhadap berbagai mekanisme hamburan yang terjadi secara komprehensif, sampai dapat diidentifikasi faktor-faktor ekstemal dan internal yang mempengaruhinya serta bentuk hubungan fungsional dari kebergantungan tersebut. Untuk itu, penelitian ini diarahkan pada pengng.kajian fenomena mikroskopis yang terjadi dalam berbagai jenis hamburan yang merupakan faktor gangguan terhadap sifat transport listrik pada bahan sernikonduktor ternary hingga didapatkan bentuk hubungan fungsional antara nilai mobilitas pembawa muatan dengan kondisi ekstemal bahan yaitu temperatur lingkungan. Dengan 2

16 diperolehnya hubungan fungsional tersebut, maka selanjutnya melalui proses simulasi dapat divisualkan bentuk kebergantungannya. Hasil simulasi ini berguna sebagai pembanding dari keadaan rilnya yang akan diobservasi melalui pengukuran mobilitas pembawa muatan sebagai fungsi temperatur dengan menggunakan metode Hall-Van der Pauw yang akan dilakukan pada tahun kedua penelitian ini. Bahan semikonduktor paduan ternary yang diteliti adalah film tipis GaAsSb. Untuk keperluan tersebut telah pula dilakukan studi penumbuhan film tipis GaAsSb dengan metode MOCVD. II. TINJAUAN PUST AKA Salah satu sifat fisis penting bahan semikonduktor yang sangat rnengendalikan sifat elektronik divais-divais elektronik yang terbuat dari bahan ini adalah sifat transport listriknya, yaitu nilai konduktivitas listrik (o) yang merupakan resiprok dari resistivitas p. Dibawah kondisi tertcntu, nilai konduktivitas listrik bahan semikonduktor ditentukan oleh dua parameter penting, yaitu konsentrasi pembawa muatan (n), dan mobilitas (µ). Konsentrasi pembawa muatan berkaitan dengan dengan jumlah pembawa muatan bebas, sedangkan mobilitas mendeskripsikan kebebasan gerak pembawa muatan dalam kristal semikonduktor. Kedua paremeter ini bergantung pada beberapa faktor dan satu sama lain tidak sating bebas. Sebagai contoh, masuknya atom-atom impuritas (donor atau akseptor) dalam bahan semikonduktor, dapat meningkatkan konsentrasi pembawa muatan dan dapat mereduksi nilai mobilitasnya akibat adanya hamburan oleh atom-atom impuritas tersebut. 3

17 Berbicara tentang transport listrik dalarn bahan padat seperti semikonduktor, sudah tentu tidak akan terlepas dari faktor gangguan yang seeara langsung dapat mernpengaruhinya. Mobilitas listrik pernbawa muatan pada penggunaan medan Iistrik rendah secara langsung berhubungan dengan sifat-sifat mikroskopik bahan, melalui suatu besaran yang dikenal sebagai waktu relaksasi (1i), yang rnerupakan suatu fungsi dirnana fungsi distribusi elektron berelaksasi kernbali ke kadaan mantap setelah mengalami hamburan oleh suatu potensial penghambur. Suatu pembawa muatan dapat dihamburkan oleh suatu potensial penghambur yang dapat merubah periodisitas sempuma dari kristal ideal, termasuk diantaranya oleh vibrasi kisi impuritas (ketakrnurnian), kekasaran permukaan, dan keacakan posisi konstituen alloy dalam bahan ternary alloy. Mekanisrne hamburan ini akan berbeda antara satu material dengan yang lainnya dan biasanya merupakan fungsi ternperatur. Dengan rnengetahui secara deli} mekanisme hamburan yang terjadi dalam suatu material dan keberganmngannya terhadap lingkungannya, maka dengan mudah kita dapat mengkondisikan penggunaan divais ditempatkan pada suhu Jingkungan yang tepat agar efek gangguan yang disebabkan adanya mekanisme hamburan dapat diminimalkan Persamaan transport Boltzman Prediksi teoritis dari sifat transport listrik pada suatu bahan padat dapat dibangun dari solusi persamaan transport Boltzrnan (PTB). PTB mendeskripsikan bahwa dalam perhitungan fungsi distribusi dari pembawa muatan dibawah suatu pengaruh faktor eksternal seperti medan listrik, harus melibatkan berbagai mekanisme perturbasi (gangguan) yang terjadi sebagai akibat dari keberadaan atom-atom impuritas, vibrasi kisi, atau mekanisme-rnekanisme hamburan 4

18 (scattering) elektron yang mempengaruhi pergerakannya dalam bahan. Untuk film tipis epitaksi sernikonduktor binary dan alloyrnya, dibawah kondisi medan listrik rendah dan temperatur yang tidak terlalu tinggi, mekanisme hamburan utama yang harus diperhatikan adalah hamburan oleh impuritas yang terionisasi, fonon optik, fonon skustik, piezoelektrik, dan alloy. PTB dibangun dari bentuk integral yang kompleks dari suku-suku hamburan. Untuk kasus praktis dalam semikonduktor, untuk kondisi tumbukan elastik, kekomplekkan dari proses tumbukan (collision) dapat diganti dengan waktu relaksasi. Prosedur ini disebut pendekatan waktu relaksasi dari PTB. Dalam kasus proses hamburan elastik non randomising, PTB dapat diungkapkan dalam bentuk laju hamburan momentum (lh:m) dimana 'tm adalah waktu relaksasi momentum. Pendekatan relaksasi dapat diterapkan untuk memverifikasi kebergantungan terhadap temperatur dari mobilitas pembawa muatan yang melibatkan berbagai mekanisme hamburan. Mobilitas pembawa muatan total sebagai efek dari pengaruh mekanisme hamburan total, dapat diungkapkan dalam bentuk persamaan berikut : (1) Dimana <-ra v> adalah waktu relaksasi rata-rata untuk semua peristiwa hamburan yang terjadi, q dan m berturut-turut adalah muatan dan massa efektif dari pembawa muatan. 2.2 Mekaoisme hamburan (scattering) dalam bahan semikonduktor Dalam literatur-literatur fisika semikonduktor, diungkapkan bahwa secara umum karakteristik transport listrik bahan semikonduktor sangat dipengaruhi oleh 5

19 temperatur lingkungan, dimana nilai resistivitas akan menurun secara eksponensial terhadap kenaikan temperatur (Sze, 1983). Karena setiap bahan sebenarnya memiliki sifat yang khas yang dipengaruhi oleh karakteristik atomatom penyusunnya serta kekomplekskan susunan atom dalam bahan, maka sudah tentu akan terdapat pola perilaku kebergantungan sifat transport listrik yang khas pula untuk setiap bahan. Bahan semikonduktor paduan ternary alloy III-V saat itu banyak dikembangkan untuk kepentingan aplikasi divais elektronik maupun optoelektronik. Hal ini dipicu oleh adanya kemudahan dalam rekayasa sifat bahan bentuk ternary, yaitu hanya dengan mengontrol komposisi salah satu unsur maka sifat fisis bahan bisa di atur sesuai kebutuhan. Agar perilaku fisis bahan dapat dimengerti secara luas sehingga nantinya dapat menentukan kondisi ideal untuk aplikasinya, maka diperlukan pengkajian yang lebih mendalam tentang sifat-sifat fisisnya. Salah satu sifat fisis yang penting adalah sifat transport listrik. Sifat ini akan menjadi kunci penentu terhadap sifat elektronik dari divais yang dibuat dari bahan ini. Oleh karena itu pengkajian sifat listrik bahan ini secara mendalam menjadi sangat penting dan dipandang akan memberikan manfaat yang cukup besar guna mengoptirnalkan aplikasi bahan untuk divais. Berbicara transport Jistrik pada bahan, tentu tidak akan lepas dari adanya faktor gamgguan terhadap pergerakan pembawa muatan yang dikenal dengan istilah perturbasi. Faktor gangguan terhadap transport pembawa muatan pada bahan padat sebagian besar terjadi akibat adanya mekanisme hamburan (scattering) pembawa muatan oleh ion-ion penyusun kisi. Hamburan merupakan bentuk gangguan yang menghambatan laju pergerakan pembawa muatan dalam 6

20 semikonduktor. Terdapat dua jenis hamburan yang emnjadi penyebab utama munculnya rnekanisme efek perturbasi dalam semikonduktor, yaitu adanya defek statis dan vibrasi termal dari ion-ion kisi di sekitar posisi kesetimbangannya. Defek statis dapat berupa defek titik atau kekosongan atom (seperti ketakmumian; baik yang bermuatan netral maupun yang terionisasi) dan dislokasi atau batasbatas butir kristal (grain boundary). Pengaruh dari defek-defek tunggal pada mobilitas pembawa muatan tidak bergantung temperatur. Hamburan yang disebabkan oleh vibrasi kisi muncul akibat adanya vibrasi termal dari ion-ion yang dapat mengganggu periodisitas dari kisi kristal. Fonon fonon, yang merupakan vibrasi kisi terkuantisasi, dapat didefinisikan sebagai spek:trum energi yang tidak bergantung pada temperatur. Ketika pembawa muatan memiliki cukup energi, sangat mungkin untuk mentransfer momentum ke vibrasi kisis tersebut, akibatnya akan terjadi kehilangan energi, sehingga mobilitasnya akan menurun. Dalam semikonduktor paduan Ill-V bertipe-p, faktor-faktor dominan yang membatasi nilai mobilitas pembawa muatan antara lain adalah hamburan fonon optis polar dan nonpolar, harnburan fonon akustik, dan hamburan ketakrnumian yang terionisasi, termasuk didalarnnya hamburan alloy untuk kasus semikonduktor ternary (J. D. Wiley, 1975; D. Kranzer, 1974). Oleh karena itu dalam perhitungan transport hole Genis pembawa rnuatan dalam semikonduktor bertipe-p) hams ditinjau mekanisme-mekanisme harnburan tersebut. Secara skematik, jenis-jenis harnburan dalam bahan semikonduktor ternary dapat dirangkurnkan seperti pada bagan berikut : 7

21 Impuritas Defek Statis Kekasaran permukaan Keacakan posisi atom dalarn a1loy Hamburan Vibrasi kisi (ion) Fonon Optik Vibrasi termal Akustik Polarisasi listrik Piezoelektrik Gambar 1. Baganjenis-jenis hamburan yang dapat terjadi pada bahan semikonduktor paduan ternary III-V Hamburan akibat ketakrnumian tergolong pada jenis hamburan akibat defek statik. Baik ketak.mumian bermuatan netral maupun yang terionisasi, keduanya dapat berperan sebagai penghambur pembawa muatan dalam kristal semikonduktor. Oleh karena itu impuritas (ketak.mumian) tidak hanya berperan dalam mengubah periodisitas kisi, tetapi juga mempengaruhi konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor, sehingga dapat rnempengaruhi karakteristik transport listrik bahan semikonduktor (Brooks-Hearing, 1955). Hamburan alloy dapat terjadi dalam semikonduktor alloy ternary seperti AlGaSb, AlGaAs, GaAsSb dan sebagainya, yang disebabkan oleh adanya keacakan dari distribusi konstituen : (J. J. Tietjen and L. R. Weisberg, 1965; L. Makowski and M. Gllickman, 1973). Semakin acak kedudukan konstituen penyusun alloy, peluang terjadinya bamburan akan semakin besar. 8

22 Fonon menggambarkan vibrasi tergandeng dari atom-atom kristal di sekitar posisi kesetimbangannya. Dua tipe fonon terjadi, yaitu fonon modus optik dan akustik, yang terbedakan dari modus pergerakan atom-atom tetangga terdekatnya. Dalam modus akustik, atom-atom tetangga bergerak secara bersamaan, sedangkan dalam modus optik pergerakan atom-atom tetangga merniliki beda fase 180. Perubahan relatif jarak antar atom dapat menyebabkan perubahan dalam konstanta dielektrik lokal, yang berefek pada ujung-ujung pita yang serupa dengan vibrasi pada tekanan hidrostatik. Gangguan seperti itu dapat berperilaku sebagai pengharnbur pembawa muatan. Harnburan ini biasanya dinyatakan dalam potensial deformasi yang dapat ditentukan secara eksperimental. Dalam material ionik, sebagi akibat adanya vibrasi ini, polarisasi listrik dapat terjadi, yang akan membangkitkan harnburan Piezoelektrik dalarn kasus fonon akustik dan harnburan modus polar dalarn kasus harnburan fonon optik. Menurut Bardeen dan Shockley (1950), harnburan potensial deformasi modus akustik akan sangat ditentukan oleh nilai potensial deformasi akustik (3Ac ) yang dapat ditentukan dari pergeseran ujung-ujung pita konduksi dan nilai konstanta elastik longitudinal rata-rata dari bahan semikonduktor (C1 ). Sedangkan untuk harnburan fonon optik non polar (npo), Cowell (1967) menyatakan bahwa nilainya akan sangat ditentukan oleh temperatur karakteristikdari fonon optik, e (ks8 =h (t) ), dan potensial deformasi fonon optik (Enpo). Selain jenis-jenis hamburan tersebut di atas, pada sernikonduktor paduan III-V, sangat penting untuk memperhitungkan harnburan Piezoelektrik modus akustik dan modus polar (Zook, 1964 ). Hamburan Piezoelektrik dipongaruhi oleh 9

23 nilai konstanta Piezoelektrik dan konstanta elastik transversal rata-rata bahan semikonduktor. Berbekal keterangan dalam berbagai literatur yang diungkapkan para ahli tersebut, maka untuk dapat membangun suatu persamaan matematis yang kompak yang menggambarkan bentuk kebergantungan mobilitas pembawa muatan pada bahan semikonduktor paduan ternary terhadap ternperatur lingkungan, maka seyogyanya perlu dipelajari secara lebih seksama dan lebih mendalam lagi tentang mekanisme fisis dari berbagai jenis hamburan yang terjadi, sehingga dapat ditelusuri bentuk-bentuk kebergantungannya terhadap faktor-faktor fisis internal maupun ekterna] yang Jain. Dengan mengetahui bentuk kebergantungan tersebut, maka efeknya terhadap ni]ai mobi]itas pembawa muatan juga dapat dirumuskan dengan mudah. 2.3 Pengukuran sifat transport listrik pada film tipis semikonduktor Pengukuran sifat transport listrik bahan semikonduktor dapat memberikan informasi penting yang berkaitan dengan kualitas bahan. Sifat transport listrik umurnnya ditunjukkan oleh resistivitas atau hambat jenis (p), mobilitas pembawa muatan (µ), konsentrasi pembawa muatan (N), serta tipe pembawa muatan mayoritasnya (elektron atau hole) yang menentukan tipe semikonduktor (tipe-p atau tipe-n). Karakteristik listrik dari suatu bahan semikonduktor secara eksperimen dapat ditentutan dengan metode efek Hal] yang prinsip dasarnya seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1. Dengan menggunakan metode ini, nilai nilai resistivitas, mobilitas, dan konsentrasi pembawa muatan dapat ditentukan secara bersamaan. 10

24 a B b d Sampel c Gambar 2. Skema pengukuran sifat listrik dengan metode Hall-Van der Pauw Misalkan arus listrik mengalir dari titik b ke titik d, dan medan magnetik (B) berarah tegak lurus menembus permukaan sampel. Andaikan jenis pembawa muatan mayoritas pada bahan semikonduktor adalah elektron, maka rnula-mula elektron akan mendapatkan laju drift ke arah kiri dan karena bergerak pada daerah yang mengandung medan magnet, maka elektron-elektron tersebut akan dibelokkan ke arah titik a akibat mendapat gaya magnetik (FM) Akibat pembelokkan ini, akan terjadi penumpukkan elektron di titik a, sehingga di titik a akan lebih negatif dibandingkan dengan titik c. Dengan demikian, akan muncul suatu medan listrik (medan Hall) yang berarah dari c ke a. Adanya rnedan listrik ini akan menghasilkan gaya listrik (FL) atau gaya Hall (FH) yang cenderung akan menolak kembali elektron-elektron yang dibelokkan oleh medan magnet ke arah yang berlawanan. Elektron-elektron secara kontinyu akan terus dibelokkan hingga suatu saat terjadi perimbangan gaya magnetik dan gaya Hall. Keadaan ini akan tercapai ketika, 11

25 EH = vb (2) yang dapat dinyatakan dalam kuantitas-kuantitas yang dapat diukur seperti berikut: EH= 1 ---JB Ne (3) Ternyata medan Hall sebanding dengan rapat arus listrik (J) dan medan magnet (B). Konstanta kesebandingan EH/JB dikenal sebagai konstanta Hall (Rtt), sehingga: RH = 1 Ne (4) dengan Persamaan 4 konsentrasi pembawa muatan (N) dapat ditentukan. Sedangkan mobilitas pembawa muatan dapat ditentukan melalui persamaan berikut: v µ = E (5) dengan menggunakan persamaan rapat arus dan persamaan hukurn Ohm, persamaan untuk mobilitas pembawa muatan dapat dituliskan sebagai berikut : µ=-- a Ne (6) c adalah konduktivitas Iistrik, karena konduktivitas adalah kebalikan dari resistivitas (p ), maka : 12

26 µ = RH p (7) satuan internasional untuk mobilitas pembawa muatan dinyatakan dalam cm2n.s. Penyederhanaan dalam pengukuran efek Ha11 ini telah dilakukan oleh Van der Pauw, dengan menggunakan geometri sampel segi empat, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan mensyaratkan : kontak berada di sekeliling sampel, ukuran kontak cukup kecil, ketebalan sampel homogen, dan tidak ada pembawa muatan terisolasi (Schroder, 1990) Gambar 3. Geometri sampel untuk pengukuran Hall Van der Pauw Untuk bahan yang memenuhi kriteria semacam uu, maka nilai resistivitas mernenuhi persamaan (8), P = m(r R23,41 )J(R12.34 I Rn.41 )1(2 ln 2) (8) disini R12,34 = V 34/I, dengan V 34 adalah tegangan antar kontak 3 dan 4, ketika arus listrik mengalir dari 1 ke 2, dan R2J,41 = V41/I dengan V41 adalah tegangan antar 13

27 kontak 1 dan 4 ketika ams listrik mengalir dari 2 ke 3. Fungsi f dapat diperoleh dari hubungan : (R12,34 + R2J,41)/(R12,34/R23,41) = f arc cosh [exp(ln 2/f)/2] (9) Melalui pengukuran R12,J4 dan R23,41 dapat diperoleh nilai resistivitas rata-rata. Konstanta Hall dapat diperoleh melalui pengukuran Rn,42 dan R24.31 pada kuat medan magnet yang berbeda-beda. Dari plot R13,42 dan R24.3l terhadap B akan didapat konstanta Hall seperti berikut : R1-1 = t x rata-rata (grad grafik R1J,42 dan R24,J I terhadap B) (10) Dari nilai resistivitas rata-rata dan konstanta Hall dapat ditentukan nilai mobilitas dan konsentrasi pembawa muatan dalam sampel. Konfigurasi sarnpel pada pengukuran metode Hall-Van der Pauw dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 4. Logam yang digunakan sebagai kontak disyaratkan mempunyai sifat ohmik terhadap sampel semikonduktor yang diuji (Schroder, 1990). Pemasangan kontak logam pada sampel dapat dilakukan dengan teknik evaporasi. 14

28 +- Kontak ohmik Au Substrat Sl-GaAs Lapisan GaAsSb Tegangan Hall Garn bar 4. Geometri empat titik pada pengukuran metode Hall-Van der Pauw Kontak dihubungkan dengan kawat tembaga menggunakan pasta perak sebagai konektor dengan alat-alat ukur. Untuk memastikan sifat ohmik dari kontak logam dilakukan pengujian melalui pengukuran karakteristik arus-tegangan (I-V) dari sistem persambungan metal/semikonduktor III. TUJUAN DAN MANF AA T PENELITIAN TAHUN PERT AMA 3.1 Tujuan Penelitian Tahun Pertama Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian tahun pertama (tahap I) adalah : I. Melakukan studi penumbuhan film tipis semikonduktor ternary GaAsSb hingga diperoleh gambaran kondisi dan parameter penumbuhan optimum untuk 15

29 menumbuhk:an film tipis GaAsSb yang berkualitas baik dengan metode MOCVD" 2. Melakukan simulasi tentang sifat transport listrik pembawa muatan pada bahan ternary GaAsSb, untuk mendapatkan gambaran kebergantungan nilai mobilitas pembawa muatan terhadap temperatur lingkungan. 3.2 Manfaat Penelitian Tahun Pertama Gambaran tentang kondisi dan parameter optimum untuk menumbuhkan film tipis GaAsSb berguna sebagai panduan untuk membuat sarnpel film GaAsSb yang akan diukur sifat listriknya dengan metode Hall Van der Paur yang akan dilakukan pada penelitian tahun kedua. Sedangkan hasil simulasi berguna sebagai bahan pembanding hasil pengukuran. IV. METODE PENELITIAN Pada penelitian tahun pertarna ini telah dilakukan kajian yang bersifat teoritik (literatur) yang berkaitan dengan mekanisme harnburan yang terjadi dalam bahan sekonduktor secara umum untuk kemudian diterapkan secara khusus dalarn kasus semikonduktor paduan ternary III-V, hingga diperoleh suatu bentuk perumusan matematis yang kompak yang menggambarkan hubungan fungsional antara nilai mobilitas pembawa muatan terhadap temperatur linkungan yang merupakan efek dari terjadinya berbagai jenis harnburan tersebut. Kemudian melalui proses simulasi bentuk hubungan fungsional tersebut akan divisualkan secara grafis hingga kecenderungan dari bentuk hubungan fungsional tersebut lebih nyata terlihat. Proses simulasi dilakukan dengan menggunakan bantuan software Matematica. 16

30 Hasil simulasi ini nantinya akan dibandingkan dengan fenomena ril dari gejala transport listrik yang sesungguhnya berdasarkan hasil langsung dengan menggunakan Metode Hall-Van der Pauw. pengukuran secara Untuk kepentingan pengukuran tersebut tentu diperlukan sampel bahan semikonduktor paduan ternary 111-V. Oleh karena itu, pada penelitian tahun pertama ini juga telah dilakukan studi penumbuhan film tipis semikonduktor paduan ternary III-V yaitu bahan GaAsSb. Metode penumbuhan yang digunakan adalah Meta/organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) yang terdapat di lab. Fismatel Prodi Fisika ITB, dengan menggunakan sumber metalorganik berupa TM Ga (Trimethylgallium ), TDMAAs (Trisdimethylaminoarsenic), dan TD MA Sb (Trisdimethylaminoantimony). Skema sistem MOCVD yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 5. 17

31 EXHAUST. t BLOWER MFC TMGa TDMASb TDMAAs COO POMPA VAKUM Gambar 5. Skema reaktor MOCVD Sistem reaktor MOCVD dapat dibagi menjadi tiga bagian utama, yaitu : bagian reaktor, bagian suplai gas dan bagian sistem pembuangan (exhaust). Pada bagian reaktor terdapat pompa vakum ganda terdiri atas rotary vane vacuum pump (Balzer, DUO OJOA) dan roots vacuum pump (Balzer WKP 250A) dengan daya pemvakuman hingga 10-5 Torr. Dalam bagian suplai gas terdapat sumber metalorganik, pneumatic valve dan mass flow controller (MFC) yang dikontrol secara elektronik untuk mengatur laju aliran gas. Pada sistem pembuangan dilengkapi dengan alat pengurai sisa gas buangan dengan sistem CDO (combustion, decomposition and oxydation) yang dilengkapi dengan kipas penghisap. 18

32 Proses optimasi penurnbuhan film tipis GaAsi-xSbx dilakukan dengan menggunakan kondisi dan parameter penumbuhan seperti yang ditunjukkan Tabel 1. pada Tabel 1. Kondisi dan parameter penumbuhan film GaAsi-xSbx No Kondisi dan parameter penumbuhan 1 Tekanan chamber reaktor - 50 Torr 2 Laju aliran gas Nitrogen pengeneer 300 Seem 3 Laju aliran gas Hidrogen pengeneer 300 Seem 4 Temperatur bubbler TM Ga -10 C 5 Tekanan bubbler TMGa 145 bar 6 Temperatur bubbler TDMAAs 24 C 7 Tekanan bubbler TDMAAs 0,5 bar 8 Temperatur bubbler TDMASb 26 C 9 Tekanan bubbler TDMASb 0,5 bar 10 Rasio VmI 1,2-4,8 11 Temperatur penumbuhan C 12 Fraksi mol masukan uap surnber TDMASb 0-1 (xv) Karakterisasi film tipis GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan meliputi struktur kristal dan komposisi unsur dalam film, morfologi permukaan, sifat transport listrik dan sifat optik, dengan menggunakan sistem peralatan karakterisasi yaang terdiri dari; X-Ray Diffractometer (XRD), Scanning Electrom Microscopy (SEM), metode Hall-Van der Pauw, dan Photoluminiscence (PL). V. HASIL DAN PEMBAHASAN Tahapan penelitian yang telah dilakukan pada penelitian Fundamental tahun pertama (2007), ditunjukkan seperti pada Gambar 6. 19

33 Tahun I Studi literatur dan kajian teoritis tentang mekanisme hamburan (scaterring) dalam bahan semikonduktor secara umurn Studi penumbuhan sampel film tipis semikonduktor paduan ternary Ill- V, yai tu AlGaAs atau GaAsSb Penerapan berbagai mekanisme berbagai jenis hamburan dalam kasus bahan semikonduktor paduan ternary III-V Bentuk perumusan matematis dari kebergantungan mobilitas pembawa muatan (µ) terhadap temperatur (T) untuk berbagai jenis hamburan yang terjadi pada bahan semikonduktor paduan ternary III- V Parameter penurnbuhan optimum untuk menumbuhkan film tipis semikonduktor paduan ternary III-V, yaitu AlGaAs atau GaAsSb Simulasi Gambaran Visual gratis dari kebergantungan µ terhadap T sebagai efek dari berbagai jenis hamburan dalam semikonduktor paduan SELESAI I PUBLIKASI ILMIAH,? I Tahap II (Tahun 2) j L n - -.J Garnbar 6. Diagram tahapan penelitian yang dikerjakan pada tahun pertama 20

34 Sesuai dengan tahapan proses penelitiaan yang digambarkan di atas, maka pada tahap awal proses penelitian ini adalah secara paralel mengerjakan dua kegiatan, yaitu simulasi tentang mekanisme transport pembawa muatan dalam bahan semikonduktor paduan ternary III-V dan penumbuhan film tipis GaAsSb dengan metode MOCVD (Meta/organic Chemiacal Vapor Deposition). Uraian rinci tentang kegiatan penelitian, waktu pelaksanaan, serta luaran yang diharapkan dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Rincian kegiatan penelitian yang dilaksanakan pada tahun pertama No Jenis kegiatan Tern pat penelitian Waktu Luaran/Target 1 Simulasi Lab. Fisika Februari - Gambaran visual kebergantungan Material Agustus 2007 gratis tentang sifat transport Prodi Fisika kebergantungan listrik pada bahan UPI mobilitas pembawa semikonduktor muatan pada bahan paduan semikonduktor paduan ternary III- V terhadap temperatur lingkungan, sebagai pembanding terhadap hasil pengukuran yang akan dilakukan pada penejitian tahp berikutnya 2 Penumbuhan dan Lab. Maret- Gambaran kondisi karakterisasi film MOCVD, Oktober 2007 dan parameter tipis GaAsSb KK. optimum untuk Fismatel penumbuhan film Prodi Fisika ITB tipis GaAsSb dengan metode MOCVD, sebagai sampelyang akan diuji kebergantungan sifat listriknya terhadap temperatur lingkungan 21

35 5.1 HasiJ Penumbuhan Film Tipis GaAs1_xSb1 Karena basis dari ternary GaAs1-xSbx adalah binary GaAs dan GaSb, maka pada perrnulaan studi penumbuhan film tipis GaAs1-xSbx dilakukan penumbuhan 50 2-Teta (derajat) I I Gambar 7. Pola difraksi sinar-x sampel GaAs yang ditumbuhkan pada temperatur 570 C dan rasio V /III = 3, C) 1600 ::! (!) "' 1200.c "' :::J Ci) a "' 52. e C) s C) "'!::!. ~ 800., ::!. c;; <(.c c: (!).s "' "' o c: s i! C) N -., c.c ::I o» o "' "' II) <( ~ Teta (derajat) Gambar 8. Pola difraksi sinar-x sampel GaSb yang ditumbuhkan pada temperatur 560 C dan rasio V/III = 3,0 22

36 Gambar 7 dan 8 menunjukkan pola difraksi sinar-x hasil karakterisasi XRD (X-Ray Diffraction) terhadap sampel film tipis GaAs dan GaSb yang telah ditumbuhk.an. Dari kedua gambar pola XRD tersebut dapat diamati bahwa k.eduanya telah memiliki derajat k.ek.ristalan yang cukup baik, yang ditandai dengan orientasi kristal yang mengarah pada orientasi kristal tunggal. Bidang bidang kristal yang muncul adalah (200) dan ( 400) yang merupakan kejuarga bidang (100). Hal ini menunjukkan bahwa orientasi bidang kristal dari film yang ditumbuhkan telah mengikuti orientasi bi dang k.ristal dari substrat yaitu (I 00). Tinggi puncak intensitas sinar-x terdifraksi, yang menunjukkan derajat kekristalan sangat dipengaruhi oleh parameter penumbuhan yang digunakan. Dengan keberhasilan penumbuhan film GaAs dan GaSb tersebut, maka selanjutnya dilakukan studi penumbuhan film tipis GaAs1.xSbx. Gambar 9 menunjukkan pola difraksi sinar-x dari salah satu sampel film tipis GaAs1.xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur penurnbuhan 540 C dan rasio V /Ill = 1,2 dengan fraksi mol masukan uap sumber Sb, Xv = 0,42. Seperti halnya film-film GaAs dan GaSb, film ini juga cenderung memiliki orientasi kristal tunggal, yaitu kearah keluarga bidang (100). Terbentuknya film GaAs1.xSbx ditandai dengan munculnya puncak intensitas difrak:si sinar-x yang berada diantara puncak intensitas difrak.si sinar-x untuk bahan GaAs (400) dan GaSb (400). 23

37 U) a. ~ Ill 3000 ~ 2000 Ill c: Q)... c: \.\ I I ' I I 1~ :! UI 0 ~ :!...c <( en e "' UI UI... <( <( ~"' "' "'... 0 (!) - o UI 0....c ~ N <O... :i.c... en en ~ UI :J - e "' <( en GaSb (400) GaAs (400) 0 - I "'1 I 20 I I I I Teta (derajat) Gambar 9. Pola difraksi sinar-x sampel GaAsi-xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur 540 C dan rasio V /III = 1,2 (xv = 0,42) Untuk lebih memastikan bahwa film tipis ternary GaAs1_xSbx telah benar- benar dapat ditumbuhkan, maka terhadap sampel film GaAsi-xSbx yang ditumbuhkan telah pula di]akukan karaketrisasi EDS (energy dispersive spectroscopy) yang sangat berguna untuk mengetahui jenis dan komposisi unsur yang terdapat pada film yang ditumbuhkan. Gambar I 0 menunjukkan prosen komposisi unsur-unsur dalam film tipis GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur 580 C dan rasio V /Ill sekitar 4,8, dengan fraksi mol masukan uap sumber Sb (xv) sekitar 0,14, yang diperoleh melajui pengukuran EDS. Dari data yang terekam menunjukkan bahwa ketiga unsur penyusun alloy yaitu Ga, As, dan Sb sudah masuk dalam film. Selain itu terdapat sejumlah unsur karbon (C) dajam film. 24

38 I L 1 = ---,,-_-----!. -- _-- -~:!i ~~~~-= l- -~ 1-- -~~~ ~~--lit-:_--._~------~----~ b:~;_-_ ~ 2()()() I 1600 noo o.oo -i- 800 g ~'. 400,, ~ I I ) S l - I lcv Gambar 10. Hasil karakterisasi EDS film GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur 580 C dan rasio V/III = 4,8 dengan xv= 0,14 Kehadiran atom karbon dalam film diprediksi berasal dari surnber rnetalorganik berbentuk methyl yang digunakan dalam penumbuhan, yaitu TMGa. Dekomposisi pirolitik TMGa menghasilkan radikal-radikal methyl, yang dalam kondisi tertentu dapat terinkorporasi dalam film dan berperan sebagai doping tipe-p. Dari hasil-hasil karakterisasi XRD dan EDS ini, dapat disimpulkan bahwa film tipis GaAs1-xSbx telah berhasil ditumbuhkan dengan metode MOCVD. Gambar 11 menunjukkan citra morfologi permukaan dan penampang lintang film GaAsSb yang berhasil ditumbuhkan. 25

39 (a) (b) (c) Gambar 11. Morfologi permukaan dan tampang lintang film GaAsi-xSbx (a) yang ditumbuhkan pada temperatur 560 C dan rasio V /III = 3,0 dengan Xv = 0,42 (b) yang ditumbuhkan pada temperatur 580 C dan rasio V /III= 4,8 dengan dengan Xv= 0 (c) yang ditumbuhkan pada temperatur 600 C dan rasio V/III = 4,8 dengan dengan Xv= 0 Penggunaan rasio V /III juga berpengaruh terhadap ketebalan lapisan GaAsi-xSbx yang ditumbuhkan. Gambar 11 melukiskan contoh-contoh potret tampang lintang film GaAsi-xSbx yang ditumbuhkan dengan rasio V /III yang berbeda. Sernakin tinggi rasio V /IIT dan temperatur penumbuhan yang digunakan, derajat morfologi permukaan film semakin menurun. Ketebalan lapisan juga cenderung menipis, kurang merata dan masih banyak daerah-daerah cekungan. Dari keseluruhan hasil karakterisasi morfologi permukaan dan tampang lintang film GaAs1-xSbx, tampak bahwa kunci utama untuk mendapatkan morfologi permukaan dengan kualitas baik adalah penggunaan rasio V/III yang mendekati satu clan temperatur penumbuhan yang relatif rendah. Gambar 12 menunjukkan pola difraksi sinar-x dari rangkaian film GaAsi-xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur penumbuhan 580 C dan rasio V/III sekitar 4,8 dengan komposisi masukan uap sumber Sb (xv) divariasikan. 26

40 Orientasi bi dang yang ditinjau diwakili oleh bidang ( 400), karena seluruh film yang ditumbuhkan telah memiliki orientasi krista1 tunggaj. Tampak bahwa terjadi pergeseran sudut puncak bidang ( 400) kearah 20 yang semakin kecil ketika komposisi masukan uap sumber Sb diperbesar. Pergeseran ini menunjukkan adanya perubahan nilai konstanta kisi bahan kearah yang makin besar, yaitu dari konstanta kisi GaAs menuju konstanta kisi GaSb. Xv= 1, =!. ::!....D ~ II) o "' o "' ::i ~ Xv= 0,68 ti)!! u; c: Cl) 'E Xv= 0,42 Xv= 0,14 Xy= Teta (derajat) Gambar 12. Pola difraksi sinar-x untuk bidang (400) dari sampel-sampel film GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan pada temperatur penumbuhan 580 C dan rasio V /III sekitar 4,8 dengan Xv yang bervariasi Kecenderungan yang sama juga terjadi pada rangkaian sampel yang ditumbuhkan pada temperatur penumbuhan 560 C dengan rasio V/III sekitar 3.0, dan rangkaian sampel yang ditumbuhkan pada temperatur penumbuhan 540 C dengan rasio Vffil sekitar 1,2. Perbedaannya hanya terletak pada tingginya intensitas pola difraksi dan nilai pergeseran sudut difraksinya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 12. Garn bar 13 melukiskan pengaruh rasio V /III terhadap sudut puncak difraksi sinar- 27

41 X bidang ( 400) dan intensitasnya. Penggunaan rasio V /III yang semakin besar cenderung rnengakibatkan pergeseran sudut difraksi yang semakin kecil, dan intensitas puncak difraksi yang semakin rendah. Menurut persamaan Vegard, pergeseran sudut difraksi yang makin kecil menandakan inkorporasi atom Sb dalam ternary GaAsSb yang makin kecil ketika rasio V/III terus ditingkatkan. -::s - "' ~ "' "' c -(1) c Tg = 580 C Tg = 560 C V/111 = 4,8 V/111 = 3,0 Tg = 540 C V/111 = 1, Teta (derajat) Gambar 13. Pengaruh rasio V /Ill terhadap pergeseran sudut puncak bi dang ( 400) dari film GaAs1-xSbx yang ditumbuhkan dengan Xv= 0,42. Keadaan ini terjadi akibat driving force untuk formasi GaAs lebih besar dibanding untuk formasi GaSb. Pada penggunaan rasio V /Ill mendekati satu, maka hampir tidak terjadi kompetisi antara atom As dan Sb, karena seluruh atom golongan V tersebut memiliki pasangan atom Ga. Tetapi pada penggunaan rasio V/III yang jauh lebih besar dari satu, yang berarti atom-atom golongan V jumlahnya jauh lebih besar dari atom Ga, maka akan terjadi kompetisi diantara atom-atom 28

42 golongan V (As dan Sb) untuk berikatan dengan Ga. Karena driving force untuk formasi Ga.As lebih besar maka inkorporasi atom Sb dalam ternary akan sulit. Sebagai akibatnya fraksi Sb dalam ternary GaAsSb akan semakin kecil ketika rasio V /III yang digunakan terns ditingkatkan. 1, ,, / / / / 0,8 / / 0,6 0,4 0,2 /. V/111 = 4,8 (Tg = 580 C) V/111 = 3,0 (Tg = 560 C).& V/111=1,2 (Tg = 540 C) Garis linier /.. / / / / /. ~ /. / / /. /. / /" 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Gambar 14. Hubungan komposisi Sb dalam padatan GaAsi-xSbx dengan fraksi rnol masukan uap sumber Sb untuk rasio V/III yang berbeda-beda. Berdasarkan pergeseran sudut puncak difraksi sinar-x ketika fraksi rnol masukan uap sumber Sb ditingkatkan, maka dapat ditentukan komposisi unsur Sb pada film GaAs1-xSbx dengan menggunakan aturan Vegard. Hasilnya diperlihatkan pada Gambar 14. Dari gambar tersebut dapat diamati bahwa terjadi hubungan yang hampir linier antara fraksi mol masukan uap sumber Sb (xv) dengan komposisi Sb yang terikat pada film GaAsi-xSbx (x.) untuk rangkaian sampel yang ditumbuhkan dengan rasio V /III yang mendekati satu. Ketika rasio V /III ditingkatkan temyata 29

43 komposisi Sb (x.) yang terikat dalam kristal GaAsi-xSbx cenderung menjadi jauh lebih kecil dibanding fraksi mol masukan uap sumber Sb (xv). Gambar 15 menunjukkan karakteristik 1-V sistem kontak GaAs1.xSbx I Au yang diperoleh dari hasil pengukuran karakteristik arus-tegangan. Tampak bahwa terjadi hubungan yang linier antara arus dan tegangan. Hal ini menunjukkan bahwa karakteristik sistem kontak GaAsi-xSbx /Au adalah olunik, sebagaimana yang disyaratkan dalam pengukuran efek Hall. 0,20 ~.x.:: ~ VI... 0,15 0,10 0,05 :i 0,00 < -0,05-0,10-10x10"" -5x1~ 0 5x10"" 10x10"" Tegangan(V) Gambar 15. Karakteristik 1-V dari sistem kontak GaAs1-xSbx /Au Seluruh film tipis GaAs1.xSbx tanpa doping yang ditumbuhkan merupakan semikonduktor tipe-p. Terbentuknya tipe-p ini diperkirakan akibat terjadinya kekosongan (vacancy) unsur golongan V, antisite atom golongan III pada kedudukan atom golongan V, serta inkorporasi atom karbon yang berasal dari ikatan Ga= C yang memiliki ikatan kuat yang berasal dari sumber methyl yang digunakan, yaitu TMGa. Karbon merupakan atom golongan IV yang memiliki elektron valensi empat. Ketika atom ini berikatan dengan atom Ga dan menempati 30

44 kedudukan atom As atau Sb yang bervalensi V, maka akan terjadi pembangkitan hole dalam 'film akibat kekurangan elektron dalam ikatan ini. Hole merupakan pembawa muatan berjenis positif, sehingga dari proses ini terbentuk semikonduktor tipe-p. Konsentrasi hole yang terukur dari seluruh sampel tergolong sedang, yaitu berorde 1017 cm". Hasil ini menunjukkan bahwa penggunaan surnber-sumber metalorganik golongan V baru yaitu TDMAAs dan TDMASb telah berhasil menurunkan konsentrasi hole pada film GaAs1.xSb, yang salah satunya bersumber dari kontaminasi karbon dalam film. Untuk menyelidiki pengaruh temperatur penumbuhan terhadap mobilitas dan konsentrasi pembawa muatan, telah dilakukan penumbuhan beberapa sampel dengan temperatur penumbuhan divariasikan antara 520 C hingga 580 C, sementara laju aliran TMGa, TDMAAs, dan TDMASb dipertahankan konstan. Seperti ditunjukkan pada Gambar 16, terjadi peningkatan konsentrasi pembawa muatan ketika temperatur penumbuhan ditingkatkan pada rentang temperatur penumbuhan yang cukup tinggi yaitu rentang 540 C hingga 580 C. Salah satu penyebab terjadinya peningkatan konsentrasi pembawa muatan ini adalah peningkatan jurnlah native defect akibat terjadinya degradasi morfologi permukaan pada rentang temperatur ini. Perilaku yang sama juga terjadi pada temperatur penumbuhan di bawah 540 C, dimana terjadi peningkatan konsentrasi dan penunman mobilitas pembawa muatan ketika temperatur penumbuhan ditumnkan. Pada rentang temperatur penumbuhan ini juga terarnati terjadi degradasi morfologi permukaan film, sehingga dapat dipastikan bahwa 31

45 penyebabnya juga sama yaitu peningkatan native defect akibat degradasi morfologi fihn <, / '\ (~\ / '\ / :.\.I 400 s:.--. / \ />-'<, L 8 E (.) Ci) /.k \ /... \ ~ / E 350 J ) ~ ~ ~ ca (;}', 0 7..c: :c I -, u; I IV "' 300 ~ I ' '... I - e Q) :0 0 a I "' c :?! '\ I 6 0 '\ 250 I ~ '\ I ' 'd I I I I Temperatur penumbuhan 9 Gambar 16.Mobilitas Hall dan konsentrasi hole sebagai fungsi temperatur penumbuhan untuk film GaAs1.xSbx yang diturnbuh.kan dengan rasio V /III = 1,2 Gambar 17 menunjukkan konsentrasi dan mobilitas pembawa muatan pada temperatur ruang sebagai fungsi dari komposisi Sb (x) untuk film GaAsi-xSbx tanpa doping yang ditumbuhkan pada temperatur penumbuhan 580 C dan 590 C dengan rasio V/III sekitar 4,8. Tampak bahwa terjadi penurunan konsentrasi hole ketika komposisi Sb ditingkatkan. Penurunan konsentrasi pembawa muatan ini dapat terjadi akibat adanya penurunan antisite atom-atom Ga pada kedudukan atom golongan V (As atau Sb) ketika komposisi Sb meningkat. Dengan berkurangnya antisite Ga ini maka kelebihan hole (kekurangan elektron) pada film dapat dikurangi. Selain itu antisite Ga juga dapat berperan sebagai jalan masuk bagi atom karbon pada film, karena sangat boleh jadi atom Ga yang 32