Jurusan Pendidikan Fisika FPMIPA UPI 2005

(1)

PENUMBUHAN FILM TIPIS Galium Nitrida (GaN)

DENGAN METODE SOL

DENGAN METODE SOL--GEL DAN APLIKASINYA

GEL DAN APLIKASINYA

PADA FOTODETEKTOR ULTRAVIOLET (UV)

Oleh :

Usulan penelitian Hibah Pekerti

Yuyu R. Tayubi, dkk

Jurusan Pendidikan Fisika FPMIPA UPI

2005

(2)

Motivasi

Motivasi--1

1 Mandat penyelenggaraan

program fisika murni

di

institusi kami

Berdasarkan kualifikasi

kepakaran staf pengajar

di institusi kami

dikembangkan KBK

: Fisika bumi,

fisika

material

, dan fisika instrumentasi

Perlu penyusunan :

Struktur kurikulum

Perlu pengembangan :

Lab riset

(3)

Motivasi

Motivasi--2

2 KBK Fisika material

bidang material

optik

bidang material

superkonduktor

Semikonduktor paduan III-V, Keramik,

oksida, dll

bidang material

semikonduktor

optik

(4)

Motivasi

Motivasi--3

3 Para personil belum

berpengalaman

Program riset yang

belum jelas

Fasilitas riset

_terbatas

Kendala dalam pengembangan

lab dan penyelenggaraan riset

bidang ini

Perlu

: Mitra pembina yang sarat

dengan pengalaman, memiliki

fasilitas lab lengkap, dan

program riset yang baik

Sebagai tempat

kegiatan magang

(5)

Motivasi

Motivasi--4

4 Untuk kepentingan itu, telah dirancang suatu

kegiatan penelitian kerjasama yang lebih bersifat

pada pembinaan dan diusulkan ke proyek :

HIBAH PEKERTI

TPP : Tim dosen

fisika material

jurusan fisika UPI

TPM : Tim dosen

Lab Fismatel Dept.

(6)

Target/Sasaran dari kerjasama penelitian

Personel TPP mendapat pengalaman dalam mendisain dan

mengem-bangkan peralatan eksperimen

Personel TPP mendapatkan pengalaman eksperimen rekayasa bahan

dan karakterisasinya

Personel TPP mendapatkan pengalaman dalam memfabrikasi dan

meng-karakterisasi divais semikonduktor

(7)

Alasan pemilihan Lab Fismatel

ITB sebagai TPM

Memiliki pengalaman luas dalam pengembangan berbagai fasilitas lab

Memiliki peralatan lengkap dan siap pakai untuk kepentingan riset bidang

semikonduktor

Para personilnya berpengalaman dalam merancang dan melaksanakan

berbagai riset bertaraf nasional maupun internasional (RUT, HIBAH

PASCA, RISTEK, TORAY, dll)

Para personilnya berpengalaman dalam mempublikasikan hasil riset baik dalam bentuk jurnal nasional dan

internasional maupun konference

(8)

Bentuk kerjasama TPM dan TPP

- TPM memberikan pelatihan dalam rancang bangun peralatan laboratorium. - TPM memberikan pelatihan tentang penggunaan berbagai peralatan lab,

terutama yang akan digunakan dalam proses penelitian.

- TPM memberikan arahan dan pelatihan tentang strategi serta step-step

Mekanisme pelaksanaan kerja sama

- TPM memberikan arahan dan pelatihan tentang strategi serta step-step pelaksanaan penelitian, agar prosesnya dapat berjalan efektif, efisien, dan berhasil guna.

- Dibawah pengawasan TPM, TPP melakukan keseluruhan proses penelitian sesuai dengan yang diprogramkan.

- Kerjasama dalam penggunaan berbagai fasilitas yang berada di masing-masing lab. TPP dan TPM.

(9)

Hak dan kewajiban TPM dan TPP dalam

pelaksanaan penelitian

- TPM bertanggung jawab membina dan mengarahkan TPP dalam melaksanakan keseluruhan program penelitian

- TPP bertanggung jawab untuk melakukan keseluruhan program penelitian yang telah direncanakan dengan sebaik mungkin dibawah arahan TPM.

- TPM berhak menggunakan berbagai fasilitas penelitian yang berada di lab. TPP - TPP berhak mendapatkan keleluasaan waktu untuk berkonsultasi dan

menggunakan berbagai fasilitas penelitian yang ada di lab. TPM. - TPP dan TPM berhak diikutsertakan dalam publikasi ilmiah

(10)

Lingkup penelitian

Pengembangan alat

Sesuai dengan target/sasaran penelitian yang ditetapkan, maka

lingkup penelitian yang direncanakan meliputi :

Substansi Penelitian

Pengembangan alat (spin-coater)

Rekayasa bahan (optimasi penumbuhan film GaN)

Fabrikasi divais fotodetektor UV

(11)

Produk materi

Hasil penelitian yang diharapkan

Produk non materi

Alat spiner untuk penumbuhan lapisan Peningkatan skil anggota TPP dalam merancang, dan melaksanakan

Alat spiner untuk penumbuhan lapisan tipis semikonduktor

Prototipe fototektor UV yang memiliki tingkat detektivitas dan responsivitas yang baik

Artikel-artikel publikasi ilmiah

Terbentuknya suatu lab riset di institusi TPP

merancang, dan melaksanakan penelitian, termasuk di dalamnya pengembangan dan pemeliharaan peralatan, serta mempublikasikan hasilnya

Terjalin kerjasama dengan institusi TPM yang berkelanjutan dalam penyelenggaraan riset bidang semikonduktor.

(12)

Mengapa detektor UV ???

Monitoring sinar UV matahari Pendeteksi plumes dari persenjataan militer

Detektor UV

Sistem pendeteksi kebakaran Komponen sistem peralatan navigasi penerbangan Komponen sistem komunikasi ruang angkasa

(13)

Contoh aplikasi detektor UV untuk

pendetksi kebakaran (api)

(14)

Mengapa material GaN ???

Material semikonduktor untuk fotodetektor UV

Konvensional :

Silikon Karbida (SiC)

Baru :

Galium nitrida (GaN) dan paduannya

Dari SiC Bergeser ke

GaN

GaN memiliki celah pita energi 3,4 eV, tepat pada spektrum UV sehingga fotodetektor yang dibuat akan peka terhadap gel. ultraviolet

GaN memiliki struktur celah pita energi dengan transisi langsung (direct

bandgap) sehingga fotodetektor yg dibuat akan memiliki efisiensi kuantum tinggi

GaN memiliki kestabilan termal, mekanik dan kimiawi yang baik

SiC memiliki celah pita energi 2,9 eV, masih dibawah energi spektrum

ultraviolet, sehingga fotodetektor yang dibuat kurang peka thd gel UV

SiC memiliki struktur celah pita energi dengan transisi tak langsung (indirect bandgap) sehingga efisiensi kuantum dari fotodetektor yang dibuat tidak terlalu tinggi

SiC memiliki kestabilan termal, mekanik dan kimiawi yang kurang baik

(15)

Mengapa Struktur M

Mengapa Struktur M--S

S--M ???

M ???

Memiliki dark current yang rendah, sehingga efisiensinya tinggi

Memiliki kecepatan tinggi (high speed), sehingga

responsivitasnya tinggi

Memiliki noise rendah, sehingga sensitivitasnya tinggi

Mudah memfabrikasinya (bahkan dengan teknik penumbuhan

sederhana karena strukturnya hanya berupa satu lapis bahan

semikonduktor yang dilapisi metal)

(16)

Diagram skematik fotodetektor UV berstruktur

M

M--S

S--M

M

(Au/GaN/Au)

planar

Lapisan GaN

Kontak metal (Au)

Pola kontak

Substrat

Tampak samping

_{Tampak atas}

Au _{Lapisan GaN} kontak

(17)

Mengapa Metode Sol

Mengapa Metode Sol--Gel (Spin

Gel (Spin--Coating) ???

Coating) ???

Kostruksi peralatan sederhana Biaya operasional relatif murah

Dengan penanganan yang baik berpotensi untuk dihasilkan film tipis GaN dengan kualitas cukup baik

(Menguntungkan dari segi ekonomis)

Kelemahan :

Kualitas film yang dihasilkan masih lebih rendah dari film yang ditumbuhkan dengan metode modern seperti MBE dan MOCVD

Sukar digunakan untuk penumbuhan struktur multi lapisan Sukar digunakan untuk penumbuhan struktur multi lapisan

Meskipun tergolong baru, keberhasilan penumbuahan GaN dengan metode sol-gel tidak diragukan lagi, sehubungan dengan adanya beberapa publikasi yang melaporkan keberhasilan penumbuhan GaN dengan metode ini, seperti :

-A. R. Raju, dkk (2001), menggunakan teknik nebulized spray pyrolysis

-H. Parala, dkk (2001), menggunakan teknik chemical solution deposition

(18)

Tahap I (tahun 1) :

Disain penelitian

1. Pengembangan alat spiner untuk lab TPP

Rancangan alat spiner yang akan

dikembangkan

Fokus pengembangan pada

sistem pengontrol laju putaran dan sistem vakum

2. Studi awal penumbuhan lapisan GaN : Fokus pada studi Gel

Penggunaan alat spiner ini nantinya dapat diperluas untuk penumbuhan

lapisan tipis bahan semikonduktor keramik, semikonduktor oksida, serta

bahan-bahan polimer

(19)

pipet

Gel

Substrat

Tahap II (tahun 2) :

Optimasi kondisi dan parameter penumbuhan laisan tipis GaN

ω MOTOR Deposisi pada tungku pemanas Lapisan film diatas substrat

Fokus penelitian

: optimasi molaritas gel, laju

rotasi spiner, dan temperatur deposisi

(20)

Tahap III (tahun 3) :

Fabrikasi prototipe fotodetektor UV dengan struktur M-S-M

Film tipis GaN

Resis positip Masker foto SINAR ULTRAVIOLET Metal Resis Positip Metal Metal Substrat

Fokus penelitian :

optimasi ukuran

finger kontak metal

Metal Film GaN Substrat Metal Resis sisa Development ETCHING Resis sisa Metal Stripping Metal Sensor UV struktur MSM

(21)

Indikator keberhasilan penelitian

Dihasilkan alat spiner otomatis yang memiliki laju spiner cukup tinggi

Dihasilkan prosedur penumbuhan lapisan GaN dengan metode spin-coating yang menghasilkan film berkualitas baik

Dihasilkan prototipe fotodetektor UV berstruktur M-S-M yang memiliki karakteristik baik

Dihasilkanl publikasi ilmiah tingkat nasional atau bahkan internasional

Peningkatan skil personil TPP dalam hal merancang dan melakukan riset serta mempublikasikan hasilnya

Terwujudnya lab riset bidang semikonduktor di institusi TPP Terjalinnya kerjasama riset yang berkelanjutan dengan TPM

(22)

Hal

Hal--hal yang dipandang dapat menjamin

hal yang dipandang dapat menjamin

keterlaksanaan penelitian

1. Motivasi yang tinggi dari Tim Peneliti Pengusul (TPP) untuk

mendapatkan

pengetahuan

dan

keterampilan

dalam

hal

merancang dan melaksanakan riset berskala nasional serta

mempublikasikannya,

2. Komitmen

TPM

untuk

membantu

sepenuhnya

proses

2. Komitmen

TPM

untuk

membantu

sepenuhnya

proses

pelaksanaan

penelitian

yang

direncanakan

dan

membina

pengembangan Lab. TPP

3. Pengalaman dan

Track record

TPM yang mumpuni dalam bidang

yang diteliti,

4. Peralatan yang cukup lengkap di Lab. TPM baik paralatan untuk

pembuatan sampel maupun untuk karakterisasinya,

(23)

Pengalaman penelitian Ketua TPM

No Institusi Jabatan Judul Riset Periode

1 Indonesia Toray Science

Foundation

Principal Investigator

Electrical Properties of GaSb 1997

2 Macquarie University, Visiting Research Involved in research on antimonide semiconductor system and low temperature grown GaAs

June-August 1998

3 RUT VI Peneliti Utama

Semikonduktor Paduan GaSb dan Alloynya untuk Detektor

1997-2000

Foton berkecepatan Tinggi Berderau rendah

4 Centre Grant Programe

Researcher Growth and Characterization of Nitride, Antimonide, and Oxide thin Film 1997-2000 5 Proyek Penelitian Hibah Pasca (HTPP) Ketua peneliti

Penumbuhan Struktur Hetero dan Quantum Well (QW) GaAsSb/GaAs dengan MOCVD

2003-2005

6 RUT X peneliti Pembuatan LED dari GaN dan paduannya

2002-2004

7 RUT XI Ketua peneliti

AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistor (FET)

(24)

Publikasi ilmiah ketua TPM yang relavan

No. Karya Ilmiah

1 P. Arifin, T.L. Tensley, and E.M. Goldys, Conduction Mechanism in a Metal-Insulator-Semiconductor Structure with a Low Temperature GaAs Insulating Layer,Solid State Electronic, 41, 1075 (1997)

2 P. Arifin, M. Barmawi, R. A. Sani,Gallium Nitride Based Devices,NEDO-BPPT International Electronic and Information Technology Seminar, Jakarta (1998)

3 Sugianto, R. A. Sani,P. Arifin, M. Budiman, M. Barmawi,Growth of GaN film on a-plane sapphire substrate by plasma assisted MOCVD,J. Crystal Growth, Vol. 221, p.311 (2000)

4 P. Arifin, Sugianto, E. Suprianto, N. Wendri, H. Sutanto, M. Budiman, and M. Barmawi,Growth of AlGaN by Plasma Assisted MOCVD,Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices, Sydney, Australia, 11-13 December (2002)

5 M. Budiman, H. Sutanto, Sugianto, E. Supriyanto,P. Arifin, M. Barmawi,Au/n-GaN Schottky Diode Grown

5 M. Budiman, H. Sutanto, Sugianto, E. Supriyanto,P. Arifin, M. Barmawi,Au/n-GaN Schottky Diode Grown on Si(111) by Plasma Assisted MOCVD, Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices, Sydney, Australia, 11-13 December (2002)

6 M. R. Hashim, S. A. Oh, S. S. Ng, Z. Hassan, K. Ibrahim, A. Abdul Aziz, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman, P. Arifin, Optical properties of GaN on Si substrate using plasma assisted MOCVD technique in the infrared and visible regions, International Meeting on Applied Physics 2003 (APHYS 2003), Spain 15-18 October (2003)

7 F. K. Yam, Z. Hassan, K. Ibrahim, A. Abdul Aziz, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman,P. Arifin, Properties of GaN epilayers grown on sapphire by plasma anhanced metalorganic chemical vapor deposition,

International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2003 and IUMRS-ICA 2003, Singapore 7-12 December (2003)

8 Y. C. Lee, Z. Hassan, F. K. Yam, M. J. Abdullah, K. Ibrahim, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman, P. Arifin, A comparative study of the electrical characteristics of metal-semiconductor-metal (MSM) photodiodes based on GaN grown on silicon, International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2003 and IUMRS-ICA 2003, Singapore 7-12 Dec. (2003)

(25)

Peralatan di Lab. TPP dan TPM yang

diperlukan untuk penelitian

A. Peralatan yang tersedia di lab. TPP :

1. Seperangkat alat spiner sederhana

2. Seperangkat sistem karakterisasi X-ray diffractometer (XRD) 3. Hot-plate (pemanas 0-300o_C)

4. Peralatan untuk preparasi gel dan substrat

B. Peralatan yang tersedia di lab. TPM :

1. Sistem peralatan untuk preparasi substrat dan Gel

2. Berbagai perangkat metode penumbuhan lapisan tipis seperti MOCVD, 2. Berbagai perangkat metode penumbuhan lapisan tipis seperti MOCVD,

PECVD, PLAD, Sputtering, dan Spiner

3. Programable furnace (tungku pemanas) ~ 120oC

4. Sistem peralatan untuk metalisasi (Evaporator)

5. Berbagai sistem peralatan karakterisasi sifat fisis film tipis semikonduktor, seperti : sistem pengukuran sifat listrik; efek Hall, I-V, C-V, sistem

pengukuran sifat optik; photoluminiscence (PL) dan Dektak II-A 6. Sistem pengukuran detektivitas dan responsivitas fotodetektor.

Peralatan lainnya seperti : alat litografi, SEM dan UV-Vis spektroskopy tersedia pada lab-lab lain di lingkungan ITB

(26)

Potret peralatan untuk penumbuhan film dan

fabrikasi divais yang tersedia di lab TPM

Ultrasonic Bath (alat pencuci substrat)

Millipore

(penghasil deionized-water)

Pengontrol laju rotasi

Tungku pemanas yang dapat diprogram (~ 1200o_C)

Alat Spiner (metode spin-coating)

(alat pencuci substrat) (penghasil deionized-water)

Evaporator

(alat untuk pelapisan metal)

Sistem vakum

rotor laju rotasi spiner

(27)

Potret peralatan karakterisasi film dan

divais yang tersedia di lab TPM

Sistem pengukuran karakteristik I-V film Sistem pengukuran efek

Hall Van der Pauw Dektak IIA (Sistem

pengukuran ketebalan film) Hall Van der Pauw

Photoluminiscence (Sistem Pengukur sifat optik film) pengukuran ketebalan film)

SEM (Sistem pencitraan morfologi film)

Sistem pengukuran tingkat responsivitas detektor

(28)

Potret peralatan yang diperlukan yang

tersedia di lab TPP

(29)