Volume A6 No. 0207
ISSN 0854-3046
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. HFIA6 (2005) 0207Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei 2005
H F I
Φ
Diterbitkan oleh
Himpunan Fisika Indonesia
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia
Jurnal yang mencakup Fisika Terapan (Vol. A), Fisika Pendidikan (Vol. B), dan Fisika Teoritik (Vol. C)
URL : http://jf.hfi.fisika.net Editor
Laksana Tri Handoko (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia) Terry Mart (Universitas Indonesia) Mitra Djamal (Institut Teknologi Bandung)
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 setelahLetterterbit.
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 olehHimpunan Fisika Indonesiaditerbitkan sebagai bagian yang utuh dari jurnal ini.
Pengiriman Makalah
Makalah dapat dikirimkan ke redaksi Jurnal Fisika dalam bentuk :
1. LATEX: bentuk ini sangat dianjurkan karena dapat mempermudah dan mempercepat proses publikasi. File LATEX 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 didownloadsecara 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 1st Floor, Boulevard MH Thamrin #1, LIPPO Karawaci 1100
Tangerang 15811, Banten, Indonesia
URL :http://hfi.fisika.net E-mail : info@hfi.fisika.net
c
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia Volume A6 (2005) 0207
Regular
Pantulan inframerah pada batasmuka
GaN
/
Al
2
O
3
Hasanudin1, K. Saiki2, Y. Iida2 dan N. Kuroda2
1Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura, Pontianak 78124, Indonesia
2Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Faculty of Engineering, Kumamoto University,
Kumamoto 860-8555, Japan
Intisari : Telah dilakukan pengukuran pantulan inframerah pada permukaan kristal GaN yang ditumbuhkan di atas substrat Al2O3. Hasil pengukuran ini dianalisa dengan dua model, yaitu model satu lapis dan dua lapis. Pada model pertama lapisan kristalGaN 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 redamanγyang 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
E-mail : hasan@msre.kumamoto-u.ac.jp
Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei 2005
1 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 in-framerah dengan menggunakan model osilator klasik. Dalam analisanya mereka memperlakukan seluruh bagian GaN sebagai suatu kesatuan tanpa membe-dakan 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. Se-cara keseluruhan analisa ini mampu mereproduksi dengan baik spektrum hasil eksperimen, namun gagal mereproduksi dengan baik spektrum di daerah 800 ∼ 1000 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 dike-tahui bahwa ada ketidakcocokan parameter kisi an-tara GaN dan Al2O3. 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/Al2O3 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 /Al2O3 (0001) dengan
lapisan penyangga GaN setebal 200 nm. Tebal to-tal sampel adalah 400µm. Pengukuran pantulan in-framerah dilakukan dengan sistem seperti ditunjukkan c
Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda J. Fis. HFIA6 (2005) 0207
infrared radiation
sample incident angle 10
mirror
Gambar1: Diagram skematik sistem pengukuran.
pada Gb. 1. Radiasi sinar inframerah tidak terpolar-isasi masuk ke sampel dengan sudut datang sebesar 10o. Spektrometer FTIR (Jasco FT/IR-410)
digu-nakan dalam pengukuran. 3 HASIL DAN DISKUSI
Spektrum pantulan inframerah yang diperoleh dari pengukuran ditunjukkan pada Gb. 2. Hasil penguku-ran ini secara keseluruhan sama dengan hasil yang dilaporkan oleh Azuhata et al.
Spektrum pantulanGaN yang ditumbuhkan di atas Al2O3dengan tebalGaN 12-120µm telah pernah
dila-porkan[4]. Dengan tebal kristal sebesar itu dapat dis-impulkan 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 padaAl2O3 juga telah dilaporkan[5].
Spek-trum hasil kedua eksperimen ini dapat direproduksi dengan baik dengan fungsi dielektrik berikut. Untuk GaN[6],
(ω) =∞
ωLO2−ω2−iωγLO
ωT O2−ω2−iωγT O . (1)
Gambar 2: Spektrum pantulan GaN-Al2O3 hasil pen-gukuran serta reproduksinya dengan model satu lapis.
Sedangkan untuk Al2O3[7]: (ω) =∞ 4 Y 1 ωLO2−ω2−iωγLO ωT O2−ω2−iωγT O . (2) dengan ∞ adalah tetapan dielektrik elektronik,
ωLO dan ωT O adalah frekuensi fonon LO dan TO, sedangkan γLO dan γLO adalah faktor redaman un-tuk fonon LO dan TO.
Gb. 3 dan 4 masing-masing menunjukkan spektrum pantulan inframerah dariGaN dan Al2O3 yang
dire-produksi dengan persamaan di atas. Hasil penguku-ran yang ditunjukkan pada Gb. 2 secara umum kon-sisten dengan Gb. 3 dan 4. Pada frekuensi rendah di bawah 550 cm−1 pantulan dari GaN hanya
seki-tar 40 persen, sedangkan spektrum pantulan Al2O3
menunjukkan adanya beberapa puncak dengan pantu-lan mencapai 80 persen. Puncak-puncak inilah yang teramati pada frekuensi rendah pada Gb. 2. Pada frekuensi yg lebih tinggi, 550 - 700 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
menu-run drastis sehingga di daerah ini spektrum kem-bali didominasi oleh pantulan dari Al2O3, hingga ke
frekuensi 1000 cm−1. Pada frekuensi yang lebih tinggi
spektrum didominasi oleh pola interferensi karena ke-dua bahan sangat rendah pantulannya.
Pantulan inframerah pada batasmuka... J. Fis. HFIA6 (2005) 0207
Gambar 3: Spektrum pantulan GaN hasil reproduksi dengan fungsi dielektrik Pers. 1
Selanjutnya kedua persamaan fungsi dielektrik ini digunakan untuk mereproduksi spektrum yang pen-gukurannya melibatkan batas muka antara kedua ba-han. Reproduksi dilakukan dengan dua model, yaitu model satu lapis dan dua lapis, yang diagram ske-matiknya ditunjukkan pada Gb. 5 a dan b. Pada model satu lapis, kualitas kristalGaN dianggap ser-agam pada seluruh bagian, artinya tidak dibedakan antara GaN pada lapisan penyangga (buffer layer) dengan lapisan di atasnya. Lapisan GaN dengan tebalddan fungsi dielektrik1, sedangkanAl2O3
den-gan fungsi dielektrik2. Perlu diingat bahwa fungsi
dielektrik 1 dan 2 masing-masing dinyatakan
den-gan Pers. 1 dan 2. Situasi seperti dideskripsikan pada Gb. 5.a. memberikan reflektivitas yang dinyatakan dengan persmaan berikut,
R=( √ 1+ 1)%−(√1−1) (√1+ 1)−(√1−1)% 2 , (3) dengan %= √ 1−√2 √ 1+√2 e2i√1kd. (4) Hasil reproduksi dengan persamaan ini di-tunjukkan dengan garis terputus pada Gb. 2,
Gambar 4: Spektrum pantulan Al2O3 hasil reproduksi dengan fungsi dielektrik Pers. 2
dengan parameter reproduksi sebagai berikut.
ωTO= 561, γTO= 5, ωLO= 748, γLO= 4. Semua
parameter ini dalam satuan cm−1. Hasil seperti
di-tunjukkan 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 800 ∼1000 cm−1, walau secara
umum sudah cocok.
Untuk mengatasi hal ini, dilakukan simulasi den-gan model dua lapis, yang diagram skematisnya ditun-jukkan pada Gb. 5.b. Pada model ini lapisan kristal GaN tidak dipandang seragam, namun terdiri dari dua lapisan dengan kualitas kristal yang berbeda. Ak-ibatnya parameter-parameter yang menentukan fungsi dielektrik juga berbeda pada kedua bagian tersebut. Reflektifitas pada model ini diberikan oleh Pers. 3, dengan %dinyatakan dengan persamaan berikut,
%= √ 1−ς√2 √ 1+ς√2 e2i√1kd1, (5) dengan ς =1−ϑ 1 +ϑ , (6) dan ϑ= √ 2−√3 √ 2+√3 e2i√2kd2 . (7) 0207-3
Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda J. Fis. HFIA6 (2005) 0207 ! "! # ! $ ! "! % &('µ ) &(' µ)
Gambar5: Diagram skematik model satu lapis (a) dan dua lapis (b) yang digunakan untuk mereproduksi spek-trum pantulan.
Fungsi dielektrik GaN di daerah dekat per-mukaan (selanjutnya disebut Daerah 1) dan batas muka (Daerah 2) masing-masing diny-atakan dalam 1(ωTO1, γTO1, ωLO1, γLO1) dan
2(ωTO2, γTO2, ωLO2, γLO1) mengikuti Pers. 1.
Sedangkan 3 adalah fungsi dielektrik Al2O3 yang
dinyatakan dengan Pers. 2.
Hasil reproduksi spektrum dengan persamaan ini ditunjukkan dengan garis terputus pada Gb. 6. Pa-rameter reproduksi untuk daerah 1 sama seperti yg digunakan pada model satu lapis di atas, sedangkan untuk di daerah dua adalah sebagai berikut: ωT O2=
566,γT O2 = 19,ωLO2 = 748,γLO2= 18. Tebal kristal
adalah d1 = 1,1 dan d2 = 1,2 µm. Seperti terlihat
pada Gb. 6, reproduksi dengan model dua lapis co-cok secara tepat dengan hasil eksperimen. Ini berarti bahwa model ini lebih sesuai dengan keadaan yang sebenarnya pada sampel.
Parameter reproduksi dengan model dua lapis me-nunjukkan bahwa faktor redamanγ 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-Al2O3 hasil pen-gukuran 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 an-tara GaN dan Al2O3. Adanya lapisan penyangga
membantu menjembatani ketidakcocokan ini. Namun hasil eksperimen ini menunjukkan bahwa ketidakco-cokan itu tidak berhenti pada lapisan penyangga, tapi berlanjut secara gradual hingga ketebalan 1,2µm dari batas muka.
4 KESIMPULAN
Hasil analisa ulang dalam penelitian ini berhasil mere-produksi spektrum hasil eksperimen dengan model teoretis secara memuaskan. Hasil ini menunjukkan bahwa ketakcocokan parameter kisi antaraAl2O3
den-gan 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. Me-ung Wan Cho dari Tohoku University atas penyediaan kristal GaN yang dijadikan sampel pada penelitian 0207-4
Pantulan inframerah pada batasmuka... J. Fis. HFIA6 (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) 0103.
[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)
2374.
[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) 8187.
