ISSN 0853 - 0823
STRUKTUR DAN SIFAT OPTIK FILM TIPIS GALIUM OKSIDA DOPING
ZnO (2%) YANG DIFABRIKASIKAN DENGAN DC MAGNETRON
SPUTERING
Putut Marwoto, Mustaanah, Sugianto dan Sulhadi Laboratorium Fisika Material
FMIPA Universitas Negeri Semarang
Kampus Sekaran Gunungpati Semarang 50229 Telp./fax: (024)8508034
Email: pmarwoto@yahoo.com ABSTRAK
Galium oksida (Ga2O3) merupakan bahan semikonduktor dan berpotensi untuk aplikasi devais optoelektronik. Dalam
penelitian ini telah ditumbuhkan film tipis Ga2O3 dengan doping ZnO (2%) pada suhu 635oC, tekanan gas argon 500 mtorr,
waktu deposisi 180 menit, dan dengan daya plasma masing-masing 24,10 watt dan 44,62 watt. Film Ga2O3 dengan struktur
kristal monoklinik dan ZnO dengan struktur heksagonal diperoleh dari film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 24,10 watt, sedangkan film dengan struktur amorf diperoleh pada film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 44,62. Citra SEM menunjukkan bahwa film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 24,10 watt mempunyai ukuran butir (grain size) yang lebih besar dengan morfologi permukaan tidak rata dibandingkan dengan film tipis yang ditumbuhkan dengan daya plasma 44,62 watt. Film yang ditumbuhkan pada daya plasma 44,62 watt mempunyai reflektansi relatif lebih tinggi dibandingkan dengan sampel yang ditumbuhkan pada daya plasma 24,10 watt. Kedua jenis film yang ditumbuhkan mempunyai energi bandgap sebesar 4,60 eV.
Keywords: Galium oksida doping ZnO (Ga2O3:ZnO), dc magnetron sputtering, struktur, dan sifat optik.
I. PENDAHULUAN
Galium oksida (Ga2O3) merupakan bahan semikonduktor dengan celah pita energi lebar (Eg = 4,8 eV) berpotensi untuk aplikasi devais optoelektronik. Ga2O3 digunakan sebagai TCO (Tranparent Conductive Oxide) karena menunjukkan sifat transparan pada daerah panjang gelombang UV hingga
280 nm (Hosono, et al., 2002) dan sebagai devais TFEL (Thin Film Electrolumonescent) untuk display di ruang terbuka karena memiliki sifat luminesensi yang baik (Minami, et al, 2003). Bahan β-Ga2O3
tanpa doping menunjukkan karakteristik luminesensi pada daerah spektrum warna UV, biru dan hijau dengan intensitas puncak berturut-turut 3,40 eV, 2,95 eV dan 2,48 eV (Villora, et al, 2003). Material Ga2O3 secara ekstensif telah digunakan untuk aplikasi sebagai luminescent phosphor (Ting, et al,
2002).
ZnO merupakan bahan semikonduktor direct-gap dengan bandgap di sekitar 3,37 eV pada suhu kamar (Osada, et al 2005). Oleh karena itu, ZnO merupakan kandidat yang baik untuk dikembangkan sebagai piranti optik gelombang pendek seperti transparent conducting electrodes flats panel display dan sel surya. Li et al (2003) telah melaporkan bahwa Ga2O3 dengan doping Zn yang ditumbuhkan
dengan metode spin coating berpotensi untuk aplikasi devais sensor. Kaul, et al (2005) telah menunjukkan bahwa film Ga2O3:ZnO yang dideposisikan dengan metode MOCVD menunjukkan
spektrum fotoluminisensi dalam warna hijau. Hasil observasi dengan SEM dan AFM pada Ga-doping ZnO yang ditumbuhkan dengan teknik photo laser deposition (PLD) menunjukkan nanoscale
phenomena (Shan et al, 2006). Pengaruh kondisi penumbuhan pada sifat Ga-doping ZnO telah
dilaporkan oleh Yamada et al (2006).
Bahan Ga2O3 telah difabrikasikan dengan berbagai metode antara lain: MOCVD (Kim, H.W. and
Kim, N.H., 2004), floating zone (Villora, et al, 2002), dan rf magnetron sputtering (Ogita, M. et al, 2001). Fabrikasi film tipis Ga2O3 dengan menggunakan metode dc magnetron sputtering juga telah
dilakukan dengan mengkaji pengaruh temperatur substrat, daya plasma dan annealing pasca penumbuhan (Sjahid, 2005) dan variasi laju alir oksigen (Marwoto, et al. 2007a). Kajian film tipis Ga2O3 yang didoping Eu dan Mn juga telah dilakukan (Marwoto dkk. 2007). Fabrikasi dengan metode dc magnetron sputtering memberikan kemudahan dalam pengoperasiannya, tingkat deposisi tinggi,
prosesnya stabil, dan biaya relatif murah. Dalam penelitian ini akan dipelajari pengaruh daya plasma pada struktur dan sifat optik film tipis galium oksida yang didoping ZnO (2%) yang difabrikasikan dengan dc magnetron sputtering.
II. METODE PENELITIAN
Gambar 1. Sistem reaktor dc magnetron spputering
Dalam eksperimen digunakan bahan dari serbuk Ga2O3 (99,999%) dan ZnO (99,999%) produksi
STREM Ltd, dengan konsentrasi fraksi mol 2% sebagai bahan pelet. Wafer Si (111) digunakan sebagai substrat, sedangkan gas argon high purity masing-masing digunakan sebagai gas pengeksitasi dalam proses penumbuhan
Untuk penumbuhan film digunakan peralatan dc magnetron sputtering (home made) dengan skema seperti pada Gambar 1. Penumbuhan dengan metode dc magnetron sputtering memberikan kemudahan dalam pengoperasiannya, tingkat deposisi tinggi, prosesnya stabil, dan biaya relatif murah. Struktur film Ga2O3:ZnO(2%) yang ditumbuhkan dianalisis dengan menggunakan XRD dan SEM,
sedangkan sifat optiknya dianalisis melalui pengukuran spektrofotometer UV-vis.
Penumbuhan film tipis Ga2O3:ZnO dengan metode dc magnetron sputtering dilakukan dengan tiga
tahap. Pertama, pembuatan target Ga2O3:ZnO(2%) berbentuk pellet setelah melalui proses
penggerusan, pemadatan, dan sintering pada suhu 900oC selama tiga jam. Kedua, preparasi substrat Si
(100) yang meliputi pemotongan dan pencucian substrat dengan aseton dan metanol dalam ultrasonic
bath masing-masing selama 10 dan 5 menit. Kemudian substrat dicuci dengan DI water dan dicelupkan
ke dalam larutan HF 10% dan dicuci lagi dengan DI water. Substrat selanjutnya dikeringkan dengan semprotan gas nitrogen. Ketiga, penumbuhan film tipis Ga2O3:ZnO dengan reaktor dc magnetron
sputtering (Gambar 1). Substrat diletakkan pada anoda, sedangkan target diletakkan pada katoda. Dalam eksperimen, film Ga2O3:ZnO ditumbuhkan pada temperatur 635°C, tekanan argon 500 mtorr,
waktu penumbuhan dilakukan selama 180 menit, dengan daya plasma masing-masing 24,10 watt dan 44,62 watt.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola difraksi sinar-X (XRD) film tipis Ga2O3:ZnO yang ditumbuhkan di atas substrat silikon pada
tekanan argon 500 mTorr, suhu substrat 635oC, dan waktu deposisi 3 jam ditunjukkan pada Gambar 2.
Film tipis Ga2O3 yang ditumbuhkan dengan daya plasma 24,10 watt memiliki puncak yang bersesuaian
dengan arah (201) pada sudut 2θ= 11,66º. Hal ini menunjukkan bahwa film tipis Ga2O3 yang terbentuk
memiliki struktur kristal monoklinik. Puncak pada sudut 2θ = 13,09º dengan intensitas tertinggi menunjukkan substrat Si (111), sedangkan puncak pada sudut 2θ= 53,76º menunjukkan struktur kristal kubik. Puncak difraksi ZnO yang bersesuaian dengan arah orientasi (211) teramati pada sudut 2θ = 39,66º menunjukkan lapisan tipis ZnO memiliki struktur hexagonal. Ketika daya plasma dinaikkan menjadi 44,62 watt hanya teramati puncak-puncak dengan intensitas yang sangat kecil, sehingga tidak dapat ditentukan arah orientasi puncaknya. Hal ini mengindikasikan bahwa film tipis yang ditumbuhkan pada daya 44,62 watt bersifat amorf dan mempunyai ketebalan yang lebih besar daripada film yang ditumbuhkan pada daya plasma 24,10 watt. Daya plasma yang tinggi mengakibatkan film tipis yang dihasilkan semakin tebal (Suryadi, 2003). Daya plasma yang tinggi dapat mengakibatkan terputusnya ikatan antar atom dalam film sehingga menurunkan kualitas kristal yang terdeposisi.
Pressure Gauge
Pompa vakum Pompa Air
N Ar Catu Daya Heater
Magne target
Heater Shutter Substrat
Catu daya plasma
Panel tekanan
Panel temperatur
ISSN 0853 - 0823 0 200 400 600 800 1000 1200 10 20 30 40 50 60 70 80 2 theta (derajat) in te n s it a s ( c p s ) 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 10 20 30 40 50 60 70 80 2 theta (derajat) in te n s it a s ( c p s )
Citra SEM film tipis dengan perbesaran 40.000 kali ditunjukkan pada Gambar 3. Citra SEM menunjukkan bahwa film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 24,10 watt mempunyai ukuran butir (grain size) yang lebih besar dengan morfologi permukaan tidak rata dibandingkan dengan film tipis yang ditumbuhkan dengan daya plasma 44,62 watt. Morfologi permukaan film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 44,62 watt terlihat lebih rata dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan pada daya plasma 24,10 watt. Menurut Purwaningsih dkk (2003), kristalinitas lapisan tipis sebanding dengan bertambahnya ukuran butir. Ini berarti bahwa semakin besar grain size dari suatu
Gambar 2. Hasil karakterisasi XRD film tipis Ga2O3:ZnO(2%)
morfologi film, kualitas kristalnya semakin baik. Dengan demikian, film yang
ditumbuhkan pada daya plasma 24,10 watt mempunyai kristalinitas yang lebih baik dibandingkan dengan film yang ditumbuhkan pada daya plasma 44,62 watt. Hal ini konsisten dengan pola difraksi film Ga2O3:ZnO(2%) yang ditumbuhkan.
24,10 watt, 635oC 44,62 watt, 635oC
ZnO
Si
Si
Ga
2O
3Gambar 3. Citra SEM film tipis Ga2O3:ZnO(2%) 44.62 watt 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 250 300 350 400 panjang gelombang (nm) T rans m it ans i ( % )
24.10 watt
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 250 300 350 400panjang gelombang (nm)
T
rans
m
it
ansi
(
%
)
Gambar 4. Grafik transmitansi film tipis Ga2O3:ZnO(2%)
Sifat optik film Ga2O3:ZnO(2%) yang ditumbuhkan selanjutnya dianalisis dengan menggunakan
spektrometer UV-vis. Spektrum yang diperoleh dinyatakan sebagai fungsi transmitansi terhadap panjang gelombang, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4. Sampel yang ditumbuhkan pada daya plasma 44,62 watt mempunyai reflektansi relatif tinggi dibandingkan dengan sampel yang ditumbuhkan pada daya plasma 24,10 watt. Hasil ini sesuai dengan morfologi permukaan film, yang menunjukkan bahwa film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 44,62 watt mempunyai permukaan yang relatif lebih rata sehingga mempunyai transmitansi yang relatif lebih tinggi.
Selanjutnya dari Gambar 5 dapat diestimasi besar optical bandgap. Plot kuadrat absropsi optik (α2)
terhadap energi foton dari kelima sempel film tipis ditunjukan pada Gambar 5. Bahan Ga2O3:ZnO
mempunyai celah pita energi langsung (direct bandgap). Film tipis yang ditumbuhkan dengan daya plasma 24,10 watt dan 44,62 watt masing-masing mempunyai celah pita energi sebesar 4,60 eV sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5. Secara teoritis bahan Ga2O3 mempunyai band gap 2,71 eV
(Gowtham et.al, 2005) sedangkan secara eksperimen bervariasi bergantung pada kondisi (parameter) penumbuhan dan substrat yang digunakan. Film Ga2O3 yang ditumbuhkan di atas fused-silica disk
dengan metode electron beam evaporation dengan aliran oksigen mempunyai bandgap 4,4 eV (Passlack et.al, 1995). Villora et al. (2001) melaporkan bahwa Ga2O3 yang ditumbuhkan dengan
metode floating zone mempunyai band gap sebesar 4,8 eV.
ISSN 0853 - 0823 24.10 watt 0.00E +00 5.00E +09 1.00E +10 1.50E +10 2.00E +10 2.50E +10 3.5 4 4.5 5 5.5 Eg (eV) α 2 (c m -2 )
44.62 watt 0.00E + 00 5.00E + 09 1.00E + 10 1.50E + 10 2.00E + 10 2.50E + 10 3.5 4.5 5.5 Eg (eV) α 2 (c m -2 )
Gambar 5. Grafik kuadrat koefisien absorpsi terhadap energi foton film Ga2O3:ZnO(2%)
IV. KESIMPULAN
Telah ditumbuhkan film tipis Ga2O3 dengan doping ZnO (2%) pada suhu 635oC, tekanan gas argon
500 mtorr, waktu deposisi 180 menit, dan dengan daya plasma masing-masing 24,10 dan 44,62 watt. Film Ga2O3 dengan struktur kristal monoklinik dan ZnO dengan struktur hexagonal diperoleh pada film
yang ditumbuhkan dengan daya plasma 24,10 watt, sedangkan film dengan struktur amorf diperoleh pada film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 44,62. Citra SEM menunjukkan bahwa film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 24,10 watt mempunyai ukuran butir (grain size) yang lebih besar dengan morfologi permukaan tidak rata dibandingkan dengan film tipis yang ditumbuhkan dengan daya plasma 44,62 watt. Film yang ditumbuhkan pada daya plasma 44,62 watt mempunyai reflektansi relatif lebih tinggi dibandingkan dengan sampel yang ditumbuhkan pada daya plasma 24,10 watt. Kedua jenis film yang ditumbuhkan mempunyai energi bandgap sebesar 4,60 eV.
V. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Depdiknas RI yang telah memberikan Grant Penelitian melalui program penelitian Hibah Fundamental tahun 2009.
VI. DAFTAR PUSTAKA
Gowtham, S., Deshpande, M., Costales, A., and Pandey, R. 2005. J. Phys.Chem.B. 109, p. 14836 Hosono, H., Ohta, H., Orita, M., Ueda, K, and Hirani, M., 2002, Frontier of transparent conductive
oxide thin films, Vacuum 66, p. 419.
Kaul, A.R., Gorbenko, O. Y., Botev, A. N., Burova, L.I., 2005, MOCVD of pure and Ga-doped eptaxial ZnO, Superlattice and microstructure, 38, 272-282.
Kim, H.W. and Kim, N.H. 2004, Growt of gallium oxide thin films on silicon by MOCVD method,
Material Sc. Eng. B110, p. 34.
Li, Y., Trinchi, A., and Wlodarski, W., 2003, Investigation of the oxygen gas sensing performance of Ga2O3 thin films with different dopants, Sens. Actuators B 93, p. 431.
Marwoto, P., Sugianto dan Wiyanto, 2007. Pengaruh Pengaruh Kondisi Penumbuhan dan Doping
(Mn, Eu) pada Sifat Fisis Film Tipis Ga2O3. Laporan Penelitian Dasar, DP3M Dikti, Depdiknas.
Minami, T., 2003, Oxide thin-film electroluminescent devices and materials, Solid State Electronics 47, p.2237.
Ogita, M, Higo, K., Nakanishi, Y., Hatanaka, Y., 2001, Ga2O3 thin film for oxygen sensor at high
temperature, Appl. Surf. Sci. 175-176, p.721.
Osada, M., Sakemi, T., Yamamoto, T., 2006. The effect of oxygen partial pressure on local structures properties for Ga-doped ZnO thin films. Thin solid films , 494, 38 – 41.
Passlack, M., Schubert, E.F., Hong, M., Moriya, M., Chu, S.N.G., Konstadinidis, K., Mannaerts, J. P., Schnoes, M.L. and Zydzik, G.J.. 1995,, J. Appl. Phys. 77 (2), p. 686.
Purwaningsih, Y. S. 2003. Pembuatan Film tipis ZnO : Al Pada Substrat Kaca dengan Metode dc
Magnetron Sputtering dan Karakterisasi Sifat Fisisnya. Yogyakarta: FISIKA FMIPA UGM
(Tesis).
Shan, F.K., Liu, G.X., Lee, W.J., Shin, B.C., Kim, S.C., 2006. Nanoscale phenomena of gallium-doped ZnO thin film on sapphire substrates., J. Electrocheram. 17, 287-292.
Suryadi, Sudjatmoko, Tri Mardji Atmono, Diktat Kuliah Workshop Sputtering untuk Rekayasa
Permukaan Bahan. Jogjakarta: Penerbit BATAN (2003).
Ting, W.Y., Kitai, A.H. and Mascher, P., 2002, Crystallization phenomena in b- Ga2O3 investigated by
positron annihilation spectroscopy and X-ray difraction analysis, Materials Sci. Eng. B91-92, p. 541.
Villora, E.G, Atou, T., Sekiguchi, T., Sugawara, T., Kikuchi, M., and Fukuda, T., 2001, CathodeCathodeluminescence of undoped β-Ga2O3 single crystals, Solid Sated Commun. 120, p.
455.
Villora, E.G, Morioka, Y., Atou, T., Sugawara, T., Kikuchi, M., and Fukuda, T., 2002, Infrared reflectance and Electrical Conductivity of Ga2O3, Phys. Stat.Sol (a) 193,187.
Villora, E.G., Hatanak, K., Odaka, H., Sugawara, t., Miura, t., Fukumura, H., Fukuda, T. 2003, Luminscence of undoped β-Ga2O3 single crystals excited by picosecond X-ray and
