Karakterisasi Lapisan Film Tipis GaAs Yang Ditumbuhkan Dengan Metode MOCVD Di Atas Substrate Ge

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Material Semikonduktor Paduan III-V

Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Semikonduktor, umumnya diklasifikasikan berdasarkan harga resistivitas listriknya pada suhu kamar, yakni dalam rentang 10-2-109Ωcm. Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruang akan bersifat sebagai konduktor.

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktivitasnya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut doping). Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan IC (integrated circuit). Semikonduktor sangat luas pemakainnya, terutama sejak ditemukannya transistor pada akhir tahun 1940-an.

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah silikon (Si), germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, Silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke-dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Pasir, kaca dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon.

paduan adalah unsur dengan valensi lebih tinggi dibandingkan dengan unsur yang diganti. Atom akseptor adalah unsur dengan valensi lebih rendah dibandingkan dengan unsur yang diganti.

2.1.1 Material GaAs, Ge, dan AlAs

Galium arsenide (GaAs) dan paduan ternary-nya merupakan material yang sangat potensial untuk aplikasi divais elektronik maupun optoelektronik. Bahan GaAs memiliki struktur celah pita energi dengan transisi langsung (direct bandgap) yang besarnya sekitar 1,42 eV. Kondisi ini membuat material GaAs memiliki efisiensi konversi energi paling tinggi dibanding dengan bahan lain ketika dibuat divais sel surya. Bahan ini juga memiliki ketahanan radiasi yang tinggi, maka sel surya dari bahan GaAs telah mendominasi pemakaian di ruang angkasa sebagai sumber energi bagi satelit-satelit. Untuk aplikasi divais-divais kuantum, material ini juga sangat kompatibel dibentuk dalam struktur hetero dengan material lain. Struktur sumur kuantum berbasis GaAs potensial untuk aplikasi laser yang dapat mengemisikan panjang gelombang IR (infrared) (A. Suhandi, dkk., 2005).

Tabel 2.1 Daftar Material Semikonduktor Paduan III-V

Material Formula Material Formula

Aluminium antimonide AlSb Aluminium arsenide AlAs Aluminium nitride AlN Aluminium phosphide AlP

Boron nitride BN Boron phosphide BP

Boron arsenide BAs Gallium antimonide GaSb Gallium arsenide GaAs Gallium nitride GaN Gallium phosphide GaP Indium antimonide InSb Indium arsenide InAs Indium nitride InN Indium phosphide InP Aluminium gallium

arsenide

AlGaAs Indium gallium arsenide InGaAs Indium gallium

phosphide

InGaP Aluminium indium

arsenide

AlInAs Aluminium indium antimonide

AlInSb Gallium arsenide nitride GaAsN Gallium arsenide

phosphide

GaAsP Gallium arsenide

antimonide

GaAsSb Aluminium gallium nitride

phosphide Indium arsenide

antimonide

InAsSb Indium gallium antimonide

InGaSb Aluminium gallium indium

phosphide

AlGaInP Aluminium gallium arsenide phosphide

AlGaAsP Indium gallium arsenide

phosphide

InGaAsP Indium gallium arsenide antimonide

InGaAsSb Indium arsenide

antimonide phosphide

InAsSbP Aluminium indium arsenide phosphide

AlInAsP Aluminium gallium

arsenide nitride

AlGaAsN Indium gallium arsenide nitride

InGaAsN Indium aluminium

arsenide nitride

InAlAsN Gallium indium nitride arsenide antimonide

GaInNAsSb Gallium arsenide

antimonide nitride

GaAsSbN Gallium indium arsenide antimonide phosphide

GaInAsSbP

Tabel 2.2 Properties of AlAs, GaAs, dan Ge

Quantity Symbol

(Units)

Intrinsic carrier concentration

ni (cm-3) 10 2.0 × 106 2.0 × 1013 Effective DOS at CB edge NC (cm-3) 1.5 × 1019 4.4 × 1017 1.0 × 1019 Effective DOS at VB edge NV (cm-3) 1.7 × 1019 7.7 × 1018 6.0 × 1018

Electron mobility µ_n(cm2/(Vs) 200 8500 3900

Hole mobility p

µ

(cm2/(Vs))

100 400 1900

Electron diffusion constant

Relative dielectric

constant τ

ε 10.1 13.3 16.0

Refractive index near Eg n 3.2 3.4 4.0

Absorption coefficient near Eg

α (cm-1) 103 104 103

Gambar 2.1 GaAs dan Struktur Kristalnya

Gambar 2.2 AlAs dan Struktur Kristalnya

Gambar 2.3 Ge dan Struktur Kristalnya

2.2 Penumbuhan Bahan Semikonduktor Paduan III-V (GaAs)

Metalorganic Molecular Beam Epitaxy (MOMBE) (X. F. Liu, et al.,), Molecular Beam Epitaxy (MBE) (W. I. Wang, 1984), maupun Metalorganic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) (Yasuhito T., et al., 1988 dan A. Esparza, et al., 2001). Berbagai sumber metalorganik yang biasa digunakan dalam penumbuhan film GaAs dengan metode MOCVD antara lain adalah trimethylgallium (TMGa) dan triethylgallium (TEGa) sebagai sumber Ga (golongan III) dan

trimethylarsenic (TMAs), triethylarsenic (TEAs), tetrabuthylarsenic (TBAs) serta Arsine (AsH

3) sebagai sumber As (golongan V) (Anthony C. Jones, and Michael

L.M., 2009).

Lapisan tipis GaAs yang digunakan dalam penelitian ini ditumbuhkan diatas substrat Ge dengan teknik MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition)

jenis Thomas Swan MOCVD reaktor _{. Ruang endapan (chamber) terdiri dari} sebuah rektor alir vertikal dengan pemanas tiga zona carbon, mampu mencapai suhu maksimum hingga 8000C, dan sebuah susceptor silikon karbid (SiC) yang dilapisi carbon, yang menahan 100 mm substrat tempat dilakukannya penumbuhan. Reaktan menimpa susceptor dari atas melewati sebuah close-coupled showerhead, yang mendistribusikan aliran gas homogen di atas permukaan wafer. Dari sana gas secara vertikal dikeluarkan dari reaktor melalui sisi susceptor melewati quartz liner system. Tekanan total dalam reaktor dapat divariasikan dari 30 torr hingga pada tekanan atmosfer. Prekursor atau sumber metalorganik yang digunakan adalah golongan V, Tertiarybutylarsine (TBAs) dan sumber golongan III, Trimethylgallium (TMGa). Adapun gas H2 digunakan sebagai gas pembawa. Lapisan tipis dan substrat diatur bentuknya menggunakan endapan SiO2 . Temperatur dijaga konstan pada suhu 650oC. Pemilihan sumber metal-organik ini didasarkan pada keunggulan-keunggulan yang dimilikinya. TMGa adalah sumber metal-organik yang memiliki temperatur pirolysis rendah

Namun, terdapat beberapa tantangan yang sering terjadi pada proses penumbuhan GaAs/Ge, seperi anti-phase domains (APDs), ketidaksesuaian dislokasi, dan interdifusi dari Ga, As, dan atom Ge. Formasi APD dalam material heterostruktur GaAs/Ge dapat ditekan dengan menyesuaikan hal-hal yang mempengaruhi penumbuhan seperti temperatur penumbuhan, pergeseran orientasi sudut pada substrat, dan proses anneling film Ge. Secara umum, metode tersebut akan mendorong langkah-langkah atom permukaan (atomic surface steps) lapisan Ge. Pembentukan atomic surface steps dapat meningkatkan penumbuhan single-domain GaAs-A, di mana lapisan atom pertama pada permukaan lapisan Ge adalah atom arsen (As), dan mempromosikan diri sebagai penghancur APDs selama proses pertumbuhan heterostruktur GaAs/Ge. (H.W.Yu, et al.,2011).

Gambar 2.4 Hasil TEM dari GaAs yang terdiri dari beberapa APDs yang ditumbuhkan diatas substrat Ge.

APDs sering menyebabkan cacat struktural pada proses penumbuhan lapisan tipis GaAs sebagai material polar di atas substrat Ge yang nonpolar. Selain itu juga dapat mengakibatkan kekasaran permukaan yang signifikan, yang menghalangi keseragaman luas dan pengolahan perangkat. APDs terbentuk akibat pembalikan fase atom sublattices sewaktu bereaksi dengan substrat (R. Tyagi, et al., 2002). APDs untuk bahan yang digunakan pada disertasi ini telah dilihat langsung menggunakan TEM pada tahun 2006 seperti gambar berikut (Guy Brammertz, et al., 2006)

Dipilih suhu yang tinggi untuk menghasilkan APDs seperti di atas, karena berdasarkan penelitian sebelumnya telah dilakukan penelitian terhadap pengaruh suhu oleh Yuan Li et al, hasil terbaik diperoleh pada suhu tinggi seperti gambar berikut (Yuan Li, et al., 1995)

Gambar 2.5 APDs GaAs pada (a) Suhu rendah (b) Suhu tinggi

Hal yang sama juga dilakukan baru-baru ini pada substrat Ge, As dan Si dengan hasil seperti berikut (H.W. Yu, et al., 2011). Terlihat ada banyak APDs yang terbentuk pada bagian yang unannealed Ge/Si substrat. Hasil ini menyarankan bahwa proses anneling yang singkat pada suhu tinggi memungkinkan surface

transition muncul pada permukaan Ge yang akan meningkatkan jumlah atomic surface steps. Atom As sebagai prelayer yang ditumbuhkan dengan anneling pada suhu 6500 mengurangi formasi APD.

Gambar 2.6 Hasil TEM penampang lintang dari GaAs/As/Ge/Si yang ditumbuhkan pada rasio V/III = 20 (a) Unannealed Ge/Si substrate and (b) Ge/Si substrate annealed at 6500C.

2.3 Karakterisasi Bahan Semikonduktor Paduan III-V (GaAs)

Secara umum proses karakterisasi bahan semikonduktor dikelompokkan menjadi tiga, yakni karakterisasi elektrik (electrical characterization), karakterisasi optik

(optical characterization), karakterisasi fisik/kimia (physical/chemical characterization). Karakterisasi elektrik adalah karakterisasi yang paling umum, yang memberikan informasi mengenai Resistivity, Carrier concentration, Mobility, Contact resistance, Barrier height, Channel length, width, Oxide

charges, Interface state densities, Lifetime, Deep level impurities. Karakterisasi

optik meliputi: mikroskopi optik (optical microscopy), ellipsometry,

photoluminescence (PL), Transmission spectroscopy (FTIR), Absorption

spectroscopy, Raman spectroscopy, Reflectance modulation,

1. _{Electron beam techniques}

a. Scanning electron microscopy (SEM) b. Transmission electron microscopy (TEM) c. Auger electron spectroscopy (ABS) d. Electron microprobe (EMP)

e. Electron energy loss spectroscopy (EELS) 2. Ion beam techniques

a. Sputtering

b. Secondary ion mass spectroscopy (SIMS) c. Rutherford backscattering (RBS)

3. X-ray techniques

a. X-ray fluorescence (XRF)

b. X-ray photoelectron spectrsocopy (XPS) c. X-my topography

d. X-ray diffraction 4. Neutron activation analysis (NAA) 5. Chemical etching

Dalam disertasi ini, adapun teknik yang digunakan untuk mengkarakterisasi bahan semikonduktor GaAs/Ge adalah Raman spectroscopy, Photoluminescence spectroscopy (PL), Refelcatnce modulation (Piezoreflectance spectroscopy), Transmittance spectroscopy, dan Scanning Electron Microscopy (SEM). Karakterisasi tersebut menghasilkan karakterisasi elektrik (electrical characterization), optik (optical characterization), dan fisik/kimia

(physical/chemical characterization).

2.3.1 Karakterisasi Menggunakan Raman Spectroscopy

dapat dinaikkan maupun diturunkan terhadap frekuensi asli cahaya monokromatik. Perubahan ini memberikan informasi tentang getaran, rotasi, dan transisi frekuensi rendah yang lain pada molekul. Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk mempelajari material padat, cair, dan gas.

Efek Raman berdasarkan deformasi molekular pada medan listrik E yang ditentukan oleh kemampuan polarisasi molekular α. Sinar laser dapat dianggap sebagai gelombang EM berosilasi dengan vektor listrik E. Ketika terdapat interaksi dengan sample, maka akan terbentuk momen dipole magnet P = αE. Karena adanya deformasi periodik, molekul mulai bergetar dengan karakteristik frekuensi νm.

Gambar 2.7 Skema transisi Raman

Pada gambar di atas, dipole yang berosilasi akan menghasilkan cahaya dengan tiga frekuensi yang berbeda.

1. Ketika sebuah molekul yang tidak memiliki mode Raman menyerap foton dengan frekuensi ν0, maka molekul yang telah tereksitasi akan kembali ke keadaan vibrasi dasar dan memancarkan cahaya dengan frekuensi yang sama ν0 dengan sumber eksitasi. Interaksi inilah yang disebut interaksi Rayleigh.

berubah menjadi mode Raman-active dengan frekuensi νm yang menyebabkan frekuensi hamburan cahaya berkurang menjadi ν0-νm. Frekuensi Raman ini disebut frekuensi Stokes.

3. Ketika sebuah foton dengan frekuensi ν0 diserap oleh molekul

Raman-active pada keadaan vibrasi tereksitasi, maka sejumlah besar energi dari mode Raman-active tereksitasi akan dilepaskan. Sehingga molekul kembali ke keadaan vibrasi dasar dan frekuensi yang dihasilkan oleh cahaya yang terhambur akan meningkat hingga ν0+νm. Frekuensi Raman ini disebut frekuensi Anti-Stokes. (http://www.princetoninstruments.com/ )

Tabel 2.3 Nilai LO and TO untuk GaAs bulk

Compound Reference Method Temp. LO (cm-1) TO (cm-1)

GaAs

This work Raman Room 268 ± 0.5 291 ± 0.5 A. Moradian Raman Room 268.6 ± 0.3 291.9 ± 0.3 A. Moradian Raman Helium 273.1 ± 0.3 296.4 ± 0.3

230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

TO_peak = 267± 0.5 cm-1 I_peak = 682

I_area = 4768 I_FWHM = 6.5 cm-1

TO

R

am

an

I

n

ten

si

ty (

A

rb

. U

n

it

s)

Raman Shift (cm-1)

LO _LO

peak = 291± 0.5 cm -1

I_peak = 13606 I_area = 122098 I_FWHM = 8.4 cm-1

Karakterisasi GaAs bulk pertamakali dilakukan oleh A. Mooradian dan G.B Wright pada tahun 1966. Hasil kerja mereka dipublis di jurnal Solid State Communication Vo.4, 1966, hasil ini juga menjadi bahan acuan bagi penulis dengan hasil eksperimen yang dilakukan langsung oleh penulis yakni dengan khusus menganalisis transverse-optical phonons (TO) dan longitudinal-optical phonons (TO) (A. Mooradian and G.B. Wright, 1966) dan diperoleh hasil yang mirip/mendekati seperti pada Tabel 2.3.

Hasil diatas adalah untuk GaAs bulk yang tentunya berbeda dengan spectrum yang dihasilkan ole GaAs/Ge dan AlAs/GaAs/Ge. Sebagaimana diketahui bahwa ada dua jenis interaksi phonon yang dianalis dalam spektrum Raman, yakni the coupling between single-particle electronic (hole) excitations and

transverse-optical phonons (TO) dan yang kedua adalah the coupling between plasmons and longitudinal-optical phonons (LO), atau lebih umum dinyatakan dengan LO dan TO. Kedua interaksi ini dipengaruhi oleh carrier concentration dan aplikasi

polarizer ataupun half wave plate yang digunakan pada sistem Raman. V.I Zemski, et al., 1975 telah menganalis LO dan TO untuk material GaAs yang memiliki carrier concentration yang rendah seperti informasi pada tabel berikut.

Tabel 2.4 Parameter sampel GaAs oleh V.I Zemski, et al., (1975)

p

ω adalah plasma frequency, ω₊0 dan ω₋0adalah L+ dan L- hasil teoritis, ω₊ dan

−

ω adalah L+ dan L- hasil eksperimen. ω_p dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

∞

= ε π

ω2 4 _* 2

m Ne

Dimana Nadalah carier concentration, m*adalah effective mass, e = electron, ∞

ε = dielectric constant. Sedangkan L+ dan L- dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

2

{

( 2 2)

[

( 2 2)2 4 2 2

]

1/2

}

2

1

TO p p

LO p

LO ω ω ω ω ω

ω

ω_± = + ± + − ………. (2)

Dimana ω_LO dan ω_TOadalah nilai frekuensi LO dan TO. Dari persamaan di atas terlihat bahwa carrier concentration turut mempengaruhi kemuncuan L+ dan L -pada material GaAs/Ge maupun -pada AlAs/GaAs/Ge.

Gambar 2.9 Kurva plasmon-phonon untuk sample Gas table diatas oleh V.I Zemski, et al., (1975): (a) 3.4 x 1017 cm-3, (b) 5x1017 cm-3, dan (c) 6.7x1017 cm-3 Perhitungan untuk table di atas dilakukan seperti berikut:

Dengan menggunakan persamaan (1) maka dapat dihitung dengan mudah nilai frekwensi phonon seperti berikut.

1

Untuk GaAs-8

( ) ( )

Untuk GaAs-13

( ) ( )

Untuk GaAs-14

( ) ( )

Tabel 2.6 Parameter sampel oleh H. Shen dan F.H Pollak (1985)

Sebagaimana LO dan TO dipengaruhi oleh carrier concentration, juga dipengaruhi oleh penggunaan polarizer dan half wave plate pada sistem Raman. Dengan meninjau sumbu X, maka Raman tensor UX akan memiliki dua buah komponen, yakni Uyz (X) and Uzy (X). Dapat diwakilkan UX sebagai matriks 3 × 3.

Sedangkan untuk sumbu Y dan Z adalah sebagai berikut,

yang diteliti oleh penulis dalam disertasi ini. Dengan demikian apabila dilakukan perhitungan pada keseluruhan Backscatering untuk sample, akan dihasilkan nilai-nilai selection rule yang dapat dinyatakan pada table berikut.

Tabel 2.7 Backscatering sample GaAs/Ge yang digunakan dalam penelitian ini

2.3.2 Karakterisasi Menggunakan Photoluminescence Spectroscopy

Penelitian sebelumnya yang telah dilakukan oleh Guy Brammertz, et al., (2006)

adalah pada suhu rendah yakni 77K, yakni sebagai berikut.

Sedangkan untuk material yang sama dengan temperatur penumbuhan yang berbeda yakni 6000C juga dilakukan oleh J.Z. Li, et al., (2009) dengan hasil seperti berikut.

Gambar 2.13 Room temperature PL comparison of 1 mm un-doped GaAs layer grown on exact (001) Ge substrate and on polished Ge/Si substrate.

Gambar 2.14 Temperature 17 K photoluminescence spectrum of the GaAsbased heterostructure grown by molecular beam epitaxy shown in the inset and used to form the PBG material. (Pallab Bhattacharya, at al., 1999)

2.3.3 Karakterisasi Menggunakan Piezoreflectance Spectroscopy

Dalam piezoreflectance (PzR), modulasi dicapai dengan adanya ”bantalan”

sampel pada piezoelectric transducer yang yang kisinya bervariasi konstan, yakni menghasilkan modulasi band gap. Brikut adalah hasil PzR pada GaAs yang pernah diteliti sebelumnya. Hasil ini juga menjadi bahan perbandingan untuk menganalisis material GaAs/Ge dan AlAs/GaAs/Ge yang diteliti oleh penulis. Nilai eksiton dan boroadening parameter dari sampel dipeoleh dengan memfitting data menggunakan first-derivative functional Lorentzian line shape yang memiliki persamaan seperti berikut:













₋

₊

_Γ

=

∆

∑

=

−

1

2

)

)(

exp(

Re

i

ex i ex i ex

i ex

i

j

E

E

j

A

R

R

_ϕ

………. (5) Dimana A_iexdan ϕ_iex adalah amplitude dan phase of the line shape, E_iexdan Γ_iex adalah energy dan broadening parametersof the interband excitonic transitions.

Gambar 2.16 Piezoreflectance spectrum at 20 K of ZnSe epilayer on (001) GaAs in the vicinity of the direct gap of ZnSe. (F.H Pollak and H. Shen, 1993)

2.3.4 Karakterisasi Menggunakan Transmittance

Celah pita dan perbedaan dari energi exciton dari semikonduktor dapat ditentukan dengan mengamati transmisi atau penyerapan cahaya dari berbagai panjang gelombang yang dikenakan pada sample. Karena penyerapan intensitas cahaya berkurang melalui sampel sebagai foton diserap. Ketergantungan cahaya ditularkan melalui sampel bergantung pada persamaan berikut.

I

_T

=

I

₀

exp(

−

α

x

)

……… (6)

T

I = Intensitas cahaya yang mengenai sample, I₀= intensitas cahaya awal sebelum mengenai sample, α = koefisien absorpsi, dan x = ketebalan sampel. Koefisien absorpsi sangat bergantung pada intensitas gelombang. Berikut adalah grafik hasi transmittance yang dijadikan penulis sebagi referensi dan bahan perbandingan.

2.3.5 Karakterisasi Gambar Permukaan Film Tipis GaAs/Ge

Berikut adalah hasil Microscope dan SEM digunakan untuk melihat bagian morfologi dan penampang lintang film tipis GaAs/Ge. Hasil ini dijadikan penulis sebagi referensi dan bahan perbandingan

Gambar 2.20 Hasil image SEM untuk penampang lintang (cross section) (G. Brammertz, et al., 2006). Overview of a 12 μm wide GaAs stripe (a), detail of the middle of the structure (b) and detail of the edge of a selectively grown GaAs structure, showing the interface with the SiO2 mask layer (c).

(a)

(b)

Sedangkan untuk material yang sama dengan temperatur penumbuhan yang berbeda yakni 6000C juga dilakukan oleh J.Z. Li, et al., (2009) dengan hasil seperti berikut.

Gambar 2.21 Cross-section SEM image of GaAs overgrown on polished Ge film grown on SiO2 trench patterned Si(001) substrate.