BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
GaAs adalah salah satu material terpenting dalam semikonduktor paduan III-V yang semakin banyak digunakan untuk aplikasi microwave dan perangkat optoelektronik (V. Swaminathan, et al., 1985). Sebagaimana diketahui bahwa perangkat Silikon (Si) yang sebelumnya banyak digunakan untuk complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) semakin sulit ditingkatkan di masa yang akan datang, sehingga GaAs dan Ge merupakan pilihan aternatif paling baik karena merupakan semikonduktor intrinsic yang lebih cepat daripada Si. Seperti halnya integrasi dari Ge tipe-p dengan GaAs tipe-n merupakan pengganti atraktif yang sangat cepat darpiada Si CMOS. Untuk teknologi MOS, GaAs dan Ge dibuat setipis mungkin, yakni lebih tipis dari 100 nm.
Telah banyak teknik yang digunakan untuk mengkarakterisasi film tipis ini, diantaranya Difraksi Sinar-X dan transmission electron microscopy (TEM), namun hal tersebut membutuhkan waktu dan biaya yang cukup mahal. Kemudian proses penumbuhan film tipis ini juga telah dikembangkan seperti molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), dan turunan dari metode-metode tersebut. Sejak beberapa tahun belakangan ini, MOCVD telah berkembang menjadi teknik terdepan untuk memproduksi devais optoelektronik dan mikroelektronik berbasis paduan arsenida III-V yang dapat dikarakterisasi dengan teknik Raman Spectroscopy, Photoluminescence dan Piezoreflectance. (J.D. Wu, et al., 2009)
satelit. Perangkat GaAs yang dibuat pada substrat Ge memiliki ketahanan yang lebih tinggi terhadap pengaruh suhu daripada yang dibuat pada substrat GaAs, karena Ge memiliki konduktivitas termal lebih tinggi dibandingkan dengan GaAs. Perangkat material yang dibuat pada substrat Ge akan lebih ekonomis karena biaya Ge lebih kecil dibandingkan GaAs sebagai substrat (R. Tyagi, et al., 2002).
Telah terbukti bahwa substrat Ge memberikan manfaat yang besar dibandingkan jenis substrat lainnya untuk aplikasi pada solar sel dan detektor radiasi (J. Derluyn, et al., 2002). Faktor penting yang melandasi pemilihan Ge sebagai substrat adalah Ge memiliki kualitas kristal yang baik dan konsentrasi pengotor
(impurity) yang sangat rendah sekitar 1010/cm3 (L. Knuutila, et al., 2005).
Integrasi dari GaAs/Ge dalam aplikasinya pada sel surya terhadap substrat Si juga merupakan alternatif yang ekonomis (H.W.Yu, et al.,2011). Berikut adalah perkembangan key issue dari material yang digunakan untuk meningkatkan efisiensi solar sel (Masafumi Yamaguchi, et al., 2006 ).
Tabel 1.1 Key issues for realizing super high-efficiency multi-junction solar cells
Key issue Past Present Future
Top cell materials
AlGaAs InGaP AlInGaP
Third layer
GaAs middle cell InGaAs middle cell
(In)GaAs middle cell
Carrier confinement
InGaP-BSF AlInP-BSF Widegap-BSF Photon
confinement
None None Bragg reflector etc
dianalisis oleh para ilmuwan menggunakan Raman Spectroscopy. (D. Olego and M. Cardona,1981 dan Raffaello Ferone, et al., 2011). Sejak ditemukannya efek Raman pada tahun 1982, spektroskopi Raman banyak digunakan sebagai solusi dari berbagai kebutuhan teknologi, terutama dalam industri laboratorium. Spektroskopi Raman merupakan teknik spektroskopi yang berdasarkan pada hamburan inelastik dari cahaya monokromatik yang berasal dari sinar laser. Efek Raman merupakan frekuensi dari foton yang dipancarkan ulang dan 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. Raman spectroscopy direalisasikan dengan menggunakan mikroskop convocal, sehingga dapat memperoleh resolusi sifat-sifat material dalam ukuran submikro. Hal ini telah dikembangkan sebagai alat dalam mengkarakterisasi bahan semikonduktor untuk menemukan secara detail informasi dari struktur kristal, dispersi phonon, komposisi, ketahanan dan sebagainya. Baru-baru ini Raman spectroscopy telah digunakan secara luas untuk mengkaji nanowires dan quantum dot. Sehubungan dengan hal tersebut, beberapa fenomena telah dilaporkan untuk kajian struktur satu dimensi. Dengan menganalisis pengaruh polarisasi pada Raman spektroskopi telah dapat dibedakan secara signifikan sifat-sifat dari nanostruktur satu dimensi dengan material bulk.
(I. Zardo, et al., 2009). Dalam hal ini, hamburan Raman sering juga disebut sebagai alat non-destruktif yang menggunakan perangkat laser, gelombang pendek photodetektor, HEMT, dan sebagainya. (J. Diaz-Reyes, 2010). Hamburan dan resonansi Raman telah menjadi alat yang digunakan untuk menganalisis sifat-sifat bahan semikonduktor. (Peter Y. Yu, et al., 2010)
carrier-concentration bergantung pada frekwensi. Phonon-plasmon coupling pada GaAs tipe-p belum luas dikaji sebagaimana halnya GaAs tipe-n. Bahkan beberapa mekanisme telah diusulkan untuk menjelaskan phonon-plasmon coupling pada GaAs tipe-p, namun belum ada satu pun mekanisme fisik yang dinyatakan dengan observasi pengumpulan data. (R.A. Munoz-Hernendez, et al., 1996 dan O V Misochko and T N Fursova 2005). Phonon-plasmon coupling/modes ini sebelumnya di investigasi menggunakan teknik infrared. (V.I. Zemski, et al., 1975
dan Devki N. Talwar, 2010)
Proses karakterisasi dalam disertasi ini juga dilakukan dengan Photoluminescence (PL) spectroscopy, dalam hal ini dianalisis posisi puncak spektrum yang dihasilkan. GaAs menyerap foton (radiasi elektromagnetik) dan kemudian memancarkan ulang fotonnya. Hal ini dapat digambarkan sebagai eksitasi ke energi yang lebih tinggi dan kemudian kembali ke keadaan energi yang lebih rendah disertai dengan emisi foton. Hal ini sangat efektif karena Ge semakin sering digunakan sebagai akseptor pada GaAs yang dipersiapkan melalui epitaksi fase cair (liquid phase epitaxy - LPE). Dibandingkan dengan Zn, Ge memiliki tekanan uap dan koefisien difusi yang lebih rendah, sehingga sangat cocok untuk struktur epitaxial multilayer dalam proses penumbuhan di mana pengotor interdifusi harus diminimalkan. Selain itu, GaAs/Ge memiliki panjang difusi yang baik, yang dapat meningkatkan nilai potensialnya sendiri. (H. Kressel and M. Ettenberg, 1973 dan B. Galiana, et al., 2009)
lebih banyak berasal dari permukaan material, analisis PL adalah alat penting dalam mengkarakterisasi permukaan. Dengan fenomena di atas, sifat dari material bisa dideteksi dengan rinci. Karena PL dapat digunakan untuk mempelajari hampir semua permukaan material dalam lingkungan apapun, maka dapat digunakan untuk memantau perubahan yang disebabkan oleh modifikasi permukaan setiap waktu. Oleh karena itu, dapat digunakan untuk mempelajari sifat permukaan dalam pertumbuhan semikonduktor sekalipun memiliki tekanan yang tinggi. Meskipun PL tidak tergantung pada suhu yang tinggi, pengukuran suhu kamar bisa dilakukan. Keuntungan dari analisis PL yang tercantum di atas berasal dari kesederhanaan pengukuran optik dan listrik untuk menyelidiki sifat elektronik yang mendasar. (Timothy H. Gfroerer, 2000)
Scanning Electron Microscopy (SEM) digunakan untuk mendapatkan beberapa jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi berupa hasil foto. Sinar elektron yang terfokus pada bahan material GaAs akan memindai (scan)
keseluruhan hasil scan sample tersebut menjadi sebuah informasi mengenai stuktur bahan tersebut, dengan demikian akan diperoleh bagian morpologi dari permukaan GaAs maupun substrat Ge. Sementara Piezoreflectance spectroscopy digunakan untuk mengetahui energi exiciton dan transmittance digunakan untuk menganalisa koefisien absorption dan pengaruh ketebalan filim tipis.
Penelitian dilakukan sejak tahun 2006 terhadap material yang digunakan penulis dalam disertasi ini telah menganalisa penampang lintang (cross section)
menggunakan SEM dan potret mikroskop optik telah diperoleh hasil yang sangat bagus dan efisien digunakan untuk divais optoelekronik. Pada tahun 2010 dengan material yang sama telah dilakukan analisis karakterisasi optik menggunakan
H.W.Yu, et al., 2011). Efek substrat pada GaAs yang diaplikasikan untuk tunnel diodes sudah dan tetap dikaji sampai saat ini (H.W.Yu, et al., 2011). Bahkan pada kedua substrat tersebut yakni pengendapam Ge diatas Si (Yuji Yamamato, et al., 2011). Berdasarkan uraian diatas timbul keinginan untuk melakukan penelitian dalam menganalisa karakterisasi optik dari material film tipis GaAs yang ditumbuhkan di atas substrat Ge yang memilki ukuran dan struktur yang berbeda pada setiap lapisan penyusunnya.
1.2 Batasan Masalah
Permasalahan dalam menganalisis sifat-sifat semikonduktor telah banyak dilakukan, dalam penelitian ini dibatasi pada analisis sepektrum Raman, pengaruh
carrier concentration, penghitungan plasma phonon, mengaplikasikan Raman Selection Rule, membandingkan pengaruh penggunaan polarizer dan half wave plate. Karakterisasi menggunakan Transmittance, Photoluminesence Spectroscopy
dan Piezoreflectance Spectroscopy juga dilakukan. Kemudian dianalis permukaan sample menggunakan SEM. Permasalahan dibatasi pada material GaAs/Ge yang ditumbuhkan mengunakan MOCVD.
1.3 Perumusan Masalah
Lapisan tipis GaAs ditumbuhkan di atas substrat Ge dengan teknik MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition) menggunakan sumber metalorganik golongan V, Tertiarybutylarsine (TBAs) dan sumber golongan III, Trimethylgallium (TMGa). Lapisan tipis dan substrat ditempatkan di atas endapan SiO2 . Temperatur dijaga konstan pada suhu 6500C. Kekristalan lapisan GaAs hasil penumbuhan MOCVD dikarakterisasi dengan Raman Spectroscopy, Photoluminesence, Piezoreflectance, Transmittance Spectroscopy, sedangkan morfologi permukaan dengan menggunakan scanning electron microscope
broadening parameter. Diharapkan juga akan diperoleh pertimbangan-pertimbangan terhadap penggunaan Raman Selection Rule pada hamburan Raman dan analisis permuakaan filim tipis melalui gambar SEM.
1.4 Tujuan Penelitian
1. Menganalisa karakterisasi filim tipis GaAs/Ge dan pengaruh lapisan AlAs pada filim tipis GaAs/Ge.
2. Menganalisa pengaruh carrier concentration pada film tipis GaAs/Ge terhadap hamburan Raman mengunakan laser Ar+.
3. Mengaplikasikan Raman Selection Rule untuk karakterisasi dan hubungannya menggunakan Polarizer, tanpa Polarizer, dan Half Wave Plate.
4. Menganalisa pengaruh sudut/posisi material GaAs/Ge pada hamburan Raman
5. Mendapatkan kebergantungan intensitas maksimum dan nilai full width of half maximum (FWHM) pada GaAs/Ge
6. Menganalisa koefisien absorption kristal filim tipis GaAs/Ge menggunakan Transmittance.
7. Menemukan energi exciton menggunakan sistem Piezoreflectance Spectroscopy dan Transmittance spectroscopy.
8. Menganalisa permukaan lapisan tipis menggunakan scanning electron microscope SEM.
1.5 Manfaat Penelitian
2. Ditemukannya pengaruh perputaran sudut pada material film tipis GaAs menggunakan Polarizer dan Half Wafe Plate pada hamburan Raman yang belum pernah diteliti sebelumnya.
3. Menghasilkan analisis baru mengenai energi exciton dan koefisien
absorption, dimana parameter tersebut belum pernah diteliti untuk material ini.
4. Menghasilkan konstribusi baru mengenai intensitas maksimum dan FWHM yang lebih baik untuk aplikasi divais optoelektronik menggunakan material filim tipis GaAs yang ditumbuhkan ditas lapisan substrat Ge berdasarkan ukuran lapisan masing-masing.
1.6 Lokasi dan Waktu Penelitian
