PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS SILIKON MIKROKRISTAL (µc Si:H) TIPE-P DENGAN METODE HOT WIRE PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (HW-PECVD)

Transkripsi

1 Bimafika, 2010, 2, PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS SILIKON MIKROKRISTAL (µc Si:H) TIPE-P DENGAN METODE HOT WIRE PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (HW-PECVD) Marwah * FKIP Unversitas Darussalam ABSTRACT Energi merupakan kebutuhan utama bagi kehidupan manusia, sehingga permasalahan menciptakan dan menghadirkan energi yang efektif dan tetap tersedia terus dilakukan. Salah satu cara mengatasi kendala keterbatasan energi yang disediakan oleh alam adalah dengan menciptakan energi alternativ. Misalnya menciptakan energi pengganti bahan bakat fosil dengan material semikonduktor sebagai bahan sel surya diantaranya silikon (Si). Material mikrokristal silikon terhidrogenasi (µc-si:h) adalah cukup baik diterapkan pada diviasi sel surya, khususnya untuk lapisan jendela (tipe-p) dan sensor tekanan. Dengan system HW-PECVD menggunakan gas sih 4 10% dalam gas H 2 sebagai sumber gas berhasil ditumbuhkan lapisan tipis mikrokristal µc-si:h. Keywords: Energi Alternatif, Silikon Mikrokristal, system HW-PECVD PENDAHULUAN Masalah energi tampaknya akan tetap menjadi topik yang hangat sepanjang peradaban umta manusia. Oleh sebab itu upaya pencarian sumber energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar fosil akan tetap dilakukan. Ada beberapa sumber energi di alam sebagai sumber energi alternatif yang bersih, tidak berpolusi, dan dengan persediaan yang tidak terbatas, diantaranya adalah energi surya. Dimasa yang akan datang, dengan adanya kebutuhan energi yang semakin besar, penggunaan sumber energi listrik yang beragam tampaknya tidak bisa dihindari. Oleh karena itu, pengkajian terhadap berbagai sumber energi baru tidak akan pernah mwenjadi langkah yang sia-sia. Energi matahari adalah salah satu sumber energi yang dapat digunakan untuk mengatasi masalah krisis energi. Keuntungan dari energi matahari adalah karena persediaannya tak terbatas. Energi matahari dapat berubah menjadi energi panas dan energi listrik. Untuk memanfaatkan energi matahari menjadi energi listrik diperlukan salah satu alat yang disebut sel surya. Sel surya dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik secara langsung. Dewasa ini telah dikembangkan berbagai material semikonduktor sebagai bahan sel surya diantaranya silikon (Si). Bahan silikon untuk sel surya dapat berupa silikon kristal (Si-c), silikon polikristal (Si-p), silikon mikrokristal (Si-µ), dan silikon amorf (Si-a). Sel surya dari silikon kristal mempunyai efisiensi konversi yang lebih tinggi dibandingkan dengan efisiensi konversi dari silikon amorf. Sampai saat ini silikon kristal dan silikon polikristal masih menjadi pilihan sebagai material sel surya, ini disebabkan karena teknologi silikon sudah mapan. Salah satu material yang juga menjanjikan prospek yang baik adalah mikrokristal silikon terhidrogenasi (µc-si:h) yang merupakan material fasa campuran antara fasa amorf dan basa kristalin. Beberapa keunggulan µc-si:h dibandingkan dengan silikon amorf (a-si:h) diantaranya adalah konduktivitas yang lebih tinggi dan kandungan hidrogen yang lebih rendah. Lapisan tipis silikon mikrokristal (µc- Si:H) telah diteliti secara intensif oleh banyak Korespondensi :

2 ahli. Dari hasil penelitian itu diperoleh informasi bahwa material tersebut baik diterapkan pada divais sel surya, khususnya untuk lapisan jendela (tipe-p) dan sensor tekanan. Silikon Amorf Terhidrogenasi (a-si:h) Material silicon amorf a-si:h merupakan material yang menjanjikan khususnya untuk aplikasi divais optoelektronik yang berhubungan dengan penyerapan dan pemancaran cahaya. Hal ini disebabkan oleh keunggulan material silicon amorf yang mempunyai koefisien absorbs dan celah pita optic yang lebar dibandingkan dengan silicon Kristal (C-Si). Berbeda dengan struktur dari silicon Kristal, silicon amorf memiliki susunan yang tidak teratur, tidak memiliki periodisitas berjangkauan panjang, artinya keteraturan hanya terjadi dalam jarak 3-5 diameter atom. Cacat struktur sperti ikatan putus atau ikatan bebas ( dangling bond) mengakibatkan terbentuknya tingkatan-tingkatan energy pada celah pita terlarang. Sedangkan fluktuasi panjang dan sudut ikatan akibat ketidakteraturan ikatan membentuk ekor pita pada distribusi keadaan electron akibatnya sebagian besar electron dan hole terlokalisasi pada celah pita terlarang. Pembawa muatan pada keadaan terlokalisasi ini memiliki mobilitas nol sedangkan keadaan extended ( tidak terlokalisasi) mobilitas pembawa muatan tidak nol tetapi bernilai terbatas dan keadaan tersebut dipisahkan oleh celah mobilitas. Penambahan hydrogen pada material a-si akan mengisi ikatan-ikatan bebas dengan membentuk ikatan Si-H n sehingga rapat keadaan terlokalisasi berkurang dan mobilitas electron dan hole sebagai pembawa muatan meningkat. Oleh karena itu jumlah electron yang tereksitasi ke daerah sekitar pita konduksi bertambah. Disamping memperbesar celah pita optic, kehadiran hydrogen juga mempertahankan keteraturan jangkauan pendek. Silicon amorf yang mengandung hydrogen ini disebut silicon amorf terhidrogenasi (a-si:h). Silicon amorf terhidrogenasi (a-si:h) mempunyai lebar celah energy (band gap) sekitar 1,7 ev yang lebih besar dari silicon Kristal (1,1 ev). Perbedaan ini disebabkan karena energy ikat Si-H (3,4 ev) lebih besar dari energy ikat Si-Si (2,2 ev). Ini juga berarti bahwa energy gap bertambah dengan bertambahnya kandungan hydrogen. Mikrokristal Silikon Terhidrogenansi (µc-si:h) Silicon mikrokristal terhidrogenasi (µc-si:h) merupakan struktur peralihan antara fasa amorf dan fasa kristalin, sehingga µc-si:h disebut juga sebagai material dwifasa amorf-kristal. Secara umum, sifat optic lapisan µc-si:h mikrokristalin sebagian besar ditentukan oleh fasa amorfnya, sedangkan sifat listriknya sebagian besar ditentukan oleh fasa mikrokristalinnya. Dengan kata lain, pada umumnya sifat optic lapisan µc-si:h tidak berbeda jauh dengan sifat optic lapisan a-si:h, kecuali untuk lapisan µc-si:h dengan X c < 20 %. Sifat listrik lapisan µc-si:h dengan X c < 20% didominasi oleh fasa amorfnya. Karena itu, disamping ukuran butir rata-rata (δ) dan fraksi volume mikrokristalin terhadap volume bahan (X c ). sifat listrik, misalnya konduktivitasnya, dapat juga digunakan untuk mengidentifikasi tahap awal ada tidaknya struktur mikrokristalin. Konduktivitas lapisan µc-si:h adalah 3-4 orde lebih tinggi dari pada konduktivitas lapisan a- Si:H. Material (µc-si:h) berkembang dengan pesat dan menjanjikan sehingga dapat diaplikasikan pada divais optoelektronik seperti 135

3 solar sel, plan panel display serta divais elektronik seperti Thin Film Transistor (TFT). Perkembangan Tekknologi Pembuatan Mikrokristal Tahun 1968, Veprek dan Morece mula-mula mendeposisi lapisan semikonduktor µc-si:h dengan menggunakan Chemical Vapor Transfort dalam plasma hydrogen pada temperature sekitar C. Pada tahun 1979, salah satu kelompok di Jepang melaporkan bahwa µc-si:h dapat dideposisi dengan glow discharge induktif (PECVD) silane dengan (daya rf) yaitu 100 W. Selanjutnya pada tahun 2000 Syamsu mendeposisi lapisan tipis µc-si:h dengan system HW-PECVD di Laboratorium Fisika Material, Jurusan Fisika, ITB. Beberapa kelompok penelitian terus mengembangkan teknik penumbuhan lapisan tipis µc-si:h dengan berbagai metode, bahkan di Universitas Negeri Makassar telah dikembangkan teknik penumbuhan untuk mendeposisi lapisan tipis a- Si:H. Sebagian besar teknik ini juga digunakan untuk mendeposisi lapisan tipis µc-si:h dengan hanya mengubah-ubah parameter deposisinya. Lapisan Tipis µc-si:h Tipe-p Lapisan-p dalam sel surya p-i-n bertindak sebagai lapisan jendela (window layer) sehingga harus mempunyai konduktivitas dan transfaransi yang tinggi agar mampu melewatkan foton kedalam lapisan-i dalam jumlah yang besar. Untuk meningkatkan transfaransi cahaya di lapisan-p terutama untuk panjang gelombang pendek, lapisan p harus mempunyai optical bandgap yang lebar. Namun demikian optical bandgap dari lapisan-p tidak bisa dibuat terlalu besar sebab akan menambah besar band discontinuity pada lapisan antar muka p dan I, hal ini nantinya akan menyebabkan bertambahnya rekombinasi pembawa muatan di daerah tersebut. Teknik untuk menigkatkan konduktivitas lapisan-p antara lain dengan optimasi gas doping diboron (B 2 H 6 ), trimetilboron B(CH 3 ) 3, BF 3, trietilboron B(C 2 H 5 ) 3 dan teknik dilusi hydrogen. Namun saat ini salah satu cara yang digunakan untuk menigkatkan konduktivitas adalah dengan menggunakan teknik Hot Wire-Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (HW-PECVD). Sifat listrik dan sifat optic µc-si: H Adapun sifat optic dari lapisan tipis µc-si:h diantaranya adalah koefisien absorbs, indeks bias, celah pita optic dan transmitansi. Namun yang akan dibahas pada tugas akhir ini hanya terbatas pada celah pita optic dan koefisien absorbs. Celah pita optic dinyatakan dalam hubungan antara koefisien absorbsi (α) dengan energy foton yang diabsorbsi. Perhitungan lebar celah pita optic dapat dilakukan dengan menggunakan metode Tauc, lebar celah pita optic sangat dipengaruhi oleh konsentrasi hydrogen dan rapat keadaan terlokalisasi. Kondisi penumbuhan µc-si:h dengan system HW-PECVD System reactor HW-PECVD adalah system PECVD yang dibantu dengan filament panas. System ini terdiri atas system gas masukan, chamber deposisi dengan penahan substrat, system pompa dan sumber daya rf untuk discharge, sedangkan elektroda bagian bawah dihubungkan dengan pemanas dan dibumikan. Frekuensi yang digunakan adalah sekitar 13,56 MHz dan substrat diletakkan pada elektroda bawah yang dibumikan untuk mengurangi 136

4 bombardemin ion. Kemudian suatu filamen dari tungsten berdiameter 1,8 mm yang panjangnya 23 cm ditempatkan di antara substrat dan electron rf (elektroda bagian atas) di atas shutter berupa filament panas. Filamen dipanaskan dengan sumber tegangan AC dengan menggunakan sebuah variac yang tegangan out-putnya 3 volt sampai 6 volt. Temperaturnya diukur dengan menggunakan infrared pyrometer melalui jendela transfaran yang telah terintegrasi dengan chamber. Sebuah termoucouple lainnya diletakkan pada permukaan bagian dalam tempat substrat yang berfungsi untuk mengontrol temperatur substrat. HASIL DAN PEMBAHASAN Optimasi Konsentrasi Doping Lapisan p dibuat dengan rasio gas doping bervariasi dan kondisi parameter penumbuhan yang lain tetap sebagai berikut : Temperature substrat Frekuensi rf Daya Tekanan Tegangan filament = C Waktu = 60 = 13,56 MHz = 50 Watt = 200 m Torr = 4,5 Volt Hasil yang diperoleh dari pengukuran ketebalan, celah pita optic, dan konduktivitas disajika dalam tabel 4.1. Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Pada Lapisan p Rasio gas doping (%) Laju Deposisi (Ǻ/dt) Celah Pita Optik (ev) 0 2,125 1,88 0,5 2,438 1,82 1 2,618 1,71 σ d (Scm - 1 ) σ ph (Scm - 1 ) 4,2 x 2,9 x ,72 x 3,38 x ,2 x 1,81 x ,5 1,696 1,53 2 1,416 1,37 Pengukuran Transmitansi 2,1 x 3,61 x ,3 x 5,3 x Pengukuran transmitansi lapisan tipis µc- Si:H tipe-p sangat penting transmitansi lapisan tersebut menggambarkan sifat optiknya, seperti celah pita optic yang dapat dijadikan standar untuk aplikasi divais optoelektronik. Transmitansi lapisan tipis µc-si:h dapat diketahui dari data pengukuran UV-VIS. Berikut ini akan diperlihatkan hasil pengukuran UV-VIS lapisan tipis µc-si:h tipe-p yang ditumbuhkan dengan menggunakan metode HW-PECVD pada reactor PECVD ganda dengan laju aliran silan 70 sccm, tekanan 200 mtorr, temperature C, frekuensi 13,56 MHz dengan ketebalan dan konsentrasi doping yang berbeda beda. Dari hasil karakteristik UV-VIS, dengan metode Tauc dapat ditentukan lebar celah pita optic masing-masing lapisan. Pada konsentrasi doping 0%, 0,5%, 1%, 1,5%, 2%. Nampak bahwa, semakin besar konsentrasi dopingnya, celah pita optiknya semakin kecil. Koefisien absorbs Lapisan Tipis µc-si:h Hasil pengukuran UV-VIS dapat juga digunakan untuk mengetahui koefisien absorbsi lapisan tipis µc-si:h pada spectrum cahaya tampak dan Ultra Violet ( nm). Nilai koefisien absorbsi tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (3.1) pada bab III. Dimana d adalah ketebalan lapisan dan T adalah transmitansi, grafik koefisien absorbs sebagai fungsi dari panjang gelombang lapisan tipis µc-si:h diperoleh dengan memplot hasil perhitungan koefisien absorbsi (α) dengan panjang gelombang (λ). 137

5 Lapisan tipis µc-si:h dengan doping 1%, 1,5%, 25 memiliki koefisien absorbs yang besar pada daerah panjang gelombang 520 nm sampai 630 nm. Sedangkan doping 0% dan 0,5% memiliki koefisien absorbsi yang besar pada daerah panjang gelombang lebih kecil dari 500 nm. Panjang gelombang ini bersesuaian dengan daerah panjang gelombang Ultra Violet. Konsentrasi Doping Berdasarkan table 4.1. dibuat grafik laju deposisi sebagai fungsi dari konsentrasi doping pada laju aliran silan 70 sccm. Untuk rasio gas doping yang rendah volume gas yang terdekomposisi pada filament sedikit. Pada saat konsentrasi doping dinaikkan, volume gas yang terdekomposisi pada filament akan meningkat sehingga jumlah radikal yang dihasilkan juga meingkat akibatnya proses pembentukan lapisan dipermukaan substrat lebih cepat. Namun jika konsentrasi doping terus dinaikkan, pada konsentrasi doping tertentu jumlah gas yang terdekomposisi pada filament semakin sedikit karena keberadaan molekul gas pada filament semakin singkat sehingga efek filament relative tidak berpengaruh. Oleh sebab itu, dalam penelitian ini diperoleh bahwa untuk konsentrasi doping diatas 1,5%, Terlihat bahwa laju penumbuhan meningkat terhadap penambahan konsentrasi doping dan mencapai nilai optimum 2,7 Ǻ/dt pada konsentrasi doping 1,5%. Laju penumbuhan ini lebih tinggi (2,7Ǻ/dt) jika dibandingkan dengan laju penumbuhan yang dihasilkan pada penelitian yang dilakukan oleeh peneliti selanjutnya yaitu laju deposisi paling tinggi yang dicapai hanya 2,276 Ǻ/dt dengan teknik VHF- PECVD. Celah Pita Optik Grafik celah pita optik lapisan tipis µc- Si:H sebagai fungsi dari rasio gas doping dari 0-2% pada laju aliran silan 70 sccm. Grafik celah pita optic lapisan tipis µc-si:h sebagai fungsi dari rasio gas doping. Grafik ini memperlihatkan bahwa penambahan rasio gas doping pada lapisan p mengakibatkan penambahan jumlah cacat, sehingga celah pita optic menurun. Hal ini disebabkan oleh menurunnya kandungan hydrogen dalam lapisan tipis µc-si:h yang disertai dengan meningkatnya keteraturan ikatan Si-Si. Penigkatan jumlah ikatan Si-Si sebagai konsekuensi pengurangan hydrogen menghasilkan lapisan tipis µc-si:h dengan celah pita optic kecil. Hal ini juga berkaitan dengan energy ikat Si-Si lebih kecil dibandingkan energy ikat Si-H. Penurunan kandungan hydrogen juga akan menambah rapat keadaan terlokalisasi sehingga menurunkan jumlah electron yang tereksitasi kedaerah sekitar pita konduksi. Scanning Electron Microscope (SEM) Untuk melihat apakah telah terjadi penumbuhan lapisan di atas permukaan substrat, dilakukan pengukuran penampang lintang (cross section) lapisan menggunakan SEM yang menunjukkan bahwa telah terjadi penumbuhan lapisan tipis µc-si:h dengan ketebalan sekitar 6000 Ǻ untuk waktu penumbuhan 60 menit. Konduktivitas Pada divais sel surya p-i-n lapisan p memiliki peranan yang tidak kalah penting dengan lapisan aktifnya (lapisan-i). Salah satu sifat yang harus dipenuhi oleh lapisan p pada sel surya p-i-n adalah konduktivitas yang tinggi. Khususnya untuk lapisan-lapisan ekstrinsik, 138

6 konduktivitasnya sangat bergantung pada tingkat konsentrasi gas doping yang digunakan. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan optimasi konsentrasi doping melalui prosentase laju aliran gas diboron (B 2 H 6 ) terhadap laju aliran gas silan (SiH 4 ). 5. Peningkatan rasio gas doping pada lapisanp seragam mengakibatkan penurunan celah pita optik. SARAN KESIMPULAN Berdasarkan hasil dan pembahasan, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Telah berhasil ditumbuhkan lapisan tipis mikrokristal µc-si:h dengan system HW- PECVD menggunakan gas sih 4 10% dalam gas H 2 sebagai sumber gas. 2. Dari pengukuran konduktivitas diperoleh konduktivitas tertinggi pada lapisan µc-si:h masing-masing 5,3 x 10-4 S/cm untuk konduktivitas terang dan 6,3 x 10-7 S/cm untuk konduktivitas gelap. Nilai konduktivitas tersebut lebih tinggi dari nilai konduktivitas yang dihasilkan pada penelitian sebelumnya dimana konduktivitas tertinggi yang dicapai hanya 1,5 x 10-9 S/cm untuk konduktivitas terang dan 3,2 x S/cm untuk konduktivitas gelap. 3. Celah pita optic lapisan tipis µc-si:h bervariasi dimana secara berturut-turut adalah : 1,88 ev, 1,82 ev, 1,71 ev, 1,53 ev dan 1,37 ev pada konsentrasi gas doping yang bervariasi dari 0%, 0,5%, 1%, 1,5%, 2%. 4. Laju penumbuhan lapisan tipis µc-si:h optimum pada penelitian ini adalah 2,7 Ǻ/dt. Hasil ini lebih tinggi dibandingkan dengan laju deposisi yang dihasilkan pada penelitian sebelumnya yang mana nilai optimum yang dicapai adalah 2,276Ǻ/dt. Diperlukan analisis yang lebih mendalam tentang factor-faktor yang mempengaruhi karakteristik lapisan tipis µc-si:h yang didoping dengan gas B 2 H 6 melalui pengukuran FTIR untuk melihat perubahan struktur ikatan atom dalam lapisan. DAFTAR PUSTAKA [1].Amiruddin S, Karakterisasi Reaktor PECVD Ganda Untuk Fabrikasi Sel Surya a-si:h p-in Yang Di Doping Delta, Tesis Magister, Jurusan Fisika, Institute Teknologi Bandung, 1998 [2].Anawati, Karakteristik Lapisan Tipis Silicon Amorf Terhidrogenasi (a-si:h) Yang Ditumbuhkan Dengan System HW-CELL PECVD, Skripsi, Institute Teknologi Bandung, 2002 [3].Atmadi Aufridus, Pabrikasi Dan Karakteistik Lapisan-p, i dan n a-µc-si:h Yang Di Depoisi Dalam Reactor PECVD Tunggal Pada Frekuensi Tinggi, Tesis Magister, [4].J.D. Malago, Pengembangan Lapisan Tipis Silikon Amorf dan Paduannya Untuk Aplikasi Divais Elektronik Dengan Teknik Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition. Disertasi S 3, Institut Teknologi Bandung,

7 [5].Lestari Sri, Perancangan dan Pembuatan Sumber Pembangkir Rf 70 MHz pada system PECVD dan Hasil Karakterisasi Deposisi Film Tipis Yang Dihasilkan, Tesis Magister, Jurusan Fisika, Institut Teknologi Bandung, 1997 [6].Physics Journal, The influence of diborone Doping in Microscristalline Silicon (µc-si:h) film. Phys.J.IPS A [7].Physics Journal, Highly Conductive and Wide Band Gap Amorphous- Microcrystalline Mixed-Phasa Silikon Films Prepared By Photochemical Vapor Deposition. Departemen of Physical Elektronik. Tokyo Institut of Technologi Tokyo, [8].Ruud e.i. Schropp dan Miro Zeman, Amorphous and Microcristalline Silikon Solar Cell: Modeling, Materials And Device Technology. Kluwer Academic Publisher, Boston/Dordrecht/London, 1998 [9].Syamsu, Deposis dan Karakteristik Lapisan Tipis Silikon Amorf Terhidrogenasi (a-si:h) yang Ditumbuhkan Dengan Sistem Hot Wire-PECVD, Tesis Magister, Jurusan Fisika, Institut Teknologi Bandung,2000 [10]. Takahashi, K and M. Konagai, Amorphous Silikon Solar Cell, Nort Axpord Academic, London, [11]. Usman Ida, Fabrikasi Divais Sel Surya p-in Berbasis µc-si:h Dengan Tekhnik VHF- PECVD., Tesis Magister, Jurusan Fisika, Institut Teknologi Bandung,