Analisis Sifat-sifat Optoelektronik Lapisan Tipis Silikon Amorf terhidrogenasi yang
ditumbuhkan dengan Teknik VHF-PECVD pada Variasi Daya RF
I. Usman1), S. Amiruddin2), Mursal3), Sukirno4), T. Winata4), dan M. Barmawi4) Laboratorium Fisika Material Elektronik, Departemen Fisika-ITB
1)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Haluoleo
2)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Nusa Cendana
3)
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Syah Kuala
4)
Departemen Fisika, Institut Teknologi Bandung E-mail: idausman@sains.fisika.net
Diterima Januari 2005, disetujui untuk dipublikasi Pebruari 2005
Abstrak
Telah dideposisi lapisan tipis silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) dengan menggunakan teknik VHF-PECVD. Proses deposisi dilakukan dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt pada tekanan ruang deposisi 300 mTorr serta variasi daya rf 20 sampai 70 watt pada tekanan ruang deposisi 100 mTorr. Laju deposisi dan fotokonduktivitas tertinggi, masing-masing 2,99 Å/det dan 1,13 x 10-4 S/cm, diperoleh pada daya rf 8 watt saat daya rf divariasi dari 6 sampai 12,5 watt. Laju deposisi tertinggi, 9,57 Å/det, dan fotokonduktivitas tertinggi, 1,54 x 10-2 S/cm, masing-masing diperoleh pada daya rf 40 dan 20 watt saat daya rf divariasi dari 20 sampai 70 watt. Berdasarkan analisis yang dilakukan pada hasil-hasil karakterisasi, penurunan konduktivitas lapisan a-Si:H diakibatkan oleh terbentuknya keadaan-keadaan cacat dalam lapisan seperti cacat ekor pita dan cacat celah pita.
Kata kunci: VHF-PECVD, laju deposisi, konduktivitas, keadaan cacat
Abstract
The hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films have been deposited using VHF-PECVD technique. The deposition process was done by varied the rf power from 6 to 12.5 watts with 300 mTorr of chamber pressure and from 20 to 70 watts with 100 mTorr of chamber pressure. The highest deposition rate of 2.99 Å/sec and the highest photoconductivity of 1.13 x 10-4 S/cm were obtained from 8 watts of rf power when the rf power was varied from 6 to 12.5 watts. Then, the highest deposition rate of 9.57 Å/sec was obtained from 40 watts of rf power and the highest photoconductivity of 1.54 x 10-2 S/cm was obtained from 20 watts of rf power when the rf power was varied from 20 to 70 watts. Based on the analysis of characterization results, the degradation of a-Si:H film conductivity was caused by the formation of defect states such as band-tail defect and bandgap defect.
Key words: VHF-PECVD, deposition rate, conductivity, defect states
1. Pendahuluan
Teknik Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) yang memanfaatkan frekuensi radio (radio frequency, rf) telah menjadi teknik yang popular digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis a-Si:H. Teknik ini memiliki beberapa keunggulan dibanding teknik CVD termal maupun Cathode Sputtering seperti lapisan yang dihasilkan lebih uniform dan temperatur deposisi (penumbuhan) yang lebih rendah (temperatur deposisi PECVD sekitar 150-300 oC sedangkan temperatur deposisi CVD termal dan Cathode Sputtering >500 oC). Namun demikian, lapisan a-Si:H yang diperoleh pada temperatur yang rendah melalui teknik PECVD konvensional dengan rf 13.56 MHz masih memiliki laju deposisi yang rendah, konduktivitas yang rendah, serta kandungan hidrogen yang cukup tinggi1,2). Sifat-sifat lapisan a-Si:H seperti ini masih merupakan masalah dalam pengembangan divais sel surya yang memiliki unjuk kerja yang baik dan stabilitas yang tinggi. Dalam teknik PECVD, masalah tersebut pada dasarnya dapat ditanggulangi dengan meningkatkan
daya discharge, temperatur deposisi, dan laju aliran gas pada saat proses deposisi3,4). Akan tetapi, cara ini dinilai masih termasuk teknik energi tinggi, yang bertentangan dengan upaya penekanan biaya produksi. Oleh karena itu, pengembangan teknik PECVD kemudian dilakukan dengan meningkatkan frekuensi eksitasi plasma pada rf yang sangat tinggi. Diketahui bahwa frekuensi eksitasi mempengaruhi frekuensi tumbukan elektron saat proses disosiasi gas menjadi radikal-radikal sederhana yang lebih reaktif. Berdasarkan hasil penelitian diperoleh informasi bahwa laju deposisi lapisan tipis a-Si:H meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi eksitasi plasma dan laju deposisi maksimum diperoleh pada rf 70 MHz. Teknik PECVD dengan rf 70 MHz selanjutnya dikenal sebagai teknik Very High Frequency PECVD (VHF-PECVD)5,6). Beberapa peneliti melaporkan bahwa lapisan tipis a-Si:H yang diperoleh melalui teknik VHF-PECVD memiliki laju deposisi yang relatif lebih tinggi dan kandungan hidrogen yang lebih rendah dibandingkan dengan teknik PECVD konvensional6,7). Bahkan teknik VHF-PECVD telah
lazim digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis silikon mikrokristal terhidrogenasi7-10).
Hingga saat ini, teknik VHF-PECVD masih menarik perhatian banyak peneliti. Pada dasarnya, mekanisme reaksi yang terjadi dalam plasma dengan teknik VHF-PECVD belum diketahui secara pasti. Secara teori, peningkatan frekuensi menyebabkan penurunan medan listrik rf akibat meluasnya proses reaksi yang bersamaan dengan peningkatan kerapatan elektron dan jumlah konsumsi daya oleh elektron. Pada saat yang sama, meningkatnya kerapatan elektron mengakibatkan peningkatan elektron yang mempengaruhi proses disosiasi gas11). Berbagai penelitian telah dilakukan untuk menguji kebenaran teori tersebut. Secara eksperimental, hal ini tentu berkaitan erat dengan parameter deposisi yang digunakan terutama daya rf, dimana diketahui bahwa daya rf berperan penting dalam proses penguraian molekul-molekul gas menjadi radikal-radikal sederhana yang lebih reaktif. Dalam penelitian ini akan dianalisa pengaruh daya rf terhadap sifat-sifat optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik VHF-PECVD.
2. Eksperimen
Lapisan tipis a-Si:H ditumbuhkan di atas substrat gelas Corning 7059 dalam sistem reaktor VHF-PECVD yang menggunakan pembangkit daya pada frekuensi radio (rf) 70 MHz. Sistem reaktor VHF-PECVD yang digunakan terdiri atas dua ruang deposisi, masing-masing digunakan khusus untuk mendeposisi lapisan intrinsik dan lapisan ekstrinsik12). Gas silan (SiH4) konsentrasi 10% dalam
hidrogen (H2) digunakan sebagai gas sumber. Untuk
mengamati pengaruh daya rf, proses deposisi dilakukan dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt pada tekanan ruang deposisi 300 mTorr dan variasi daya rf 20 sampai 70 watt pada tekanan ruang deposisi 100 mTorr. Temperatur substrat 275oC digunakan selama deposisi berdasarkan hasil penelitian sebelumnya12). Lapisan tipis a-Si:H yang dihasilkan kemudian dikarakterisasi, meliputi penentuan ketebalan dan celah pita optik (optical bandgap) dari data pengukuran spektrometer Ultraviolet Visible (UV-Vis) serta pengukuran konduktivitas dengan metoda dua titik (coplanar). Tabel 1 memperlihatkan parameter deposisi yang digunakan.
Tabel 1. Parameter deposisi
Gas sumber
Sifat-sifat optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan melalui teknik PECVD secara signifikan bergantung pada identitas radikal-radikal seperti atom hidrogen dan molekul SiHn (n = 1-3)
dalam plasma, yang dihasilkan melalui disosiasi gas SiH4 oleh tumbukan elektron dan mekanisme
interaksi lanjutan antara radikal-permukaan ketika radikal mengenai permukaan pertumbuhan13). Secara eksperimental, proses kimia-fisika radikal-radikal tersebut tidak mungkin dapat diamati secara langsung. Analisa proses tersebut hanya dapat dilakukan berdasarkan korelasi antara sifat-sifat lapisan yang diperoleh dengan kondisi pada saat deposisi, yang biasanya dilakukan berdasarkan tahapan-tahapan optimasi parameter deposisinya. Pada dasarnya, mekanisme yang terjadi dalam teknik
PECVD melibatkan proses kimia-fisika yang rumit. Kompleksitas kinetika reaksi yang terjadi dalam plasma saat deposisi lapisan tipis a-Si:H sampai saat ini belum diketahui secara pasti. Hal inilah yang justru menarik perhatian banyak peneliti untuk terus mengkajinya. Berbagai kemajuan telah diperoleh hingga saat ini, bahkan telah sampai pada kesepakatan bersama tentang batasan-batasan tertentu yang menjamin proses penumbuhan dengan teknik PECVD dapat menghasilkan lapisan dengan kualitas yang sesuai untuk diaplikasikan pada fabrikasi divais optoelektronik.
0
pembentukan lapisan. Pembahasan selanjutnya dalam makalah ini hanya dibatasi pada analisis pengaruh daya rf terhadap sifat-sifat optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan dengan teknik VHF-PECVD. Gambar 1 memperlihatkan metode Tauc Plot dari data spektrum UV-Vis yang digunakan saat menentukan celah pita optik lapisan a-Si:H yang
diperoleh. Perpotongan garis linier sebaran data (αhν)1/2 pada sumbu vertikal dengan hν pada sumbu horisontal menunjukkan nilai celah pita optiknya (α adalah absorpsi optik, h adalah konstanta Planck, dan ν adalah frekuensi cahaya)14).
,8 1,9 2,0 2,1
Gambar 1. Metoda Tauc Plot untuk menentukan nilai celah pita optik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada: (a)
tekanan 300 mT dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt, (b) tekanan 100 mT dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt.
Gambar 2 memperlihatkan karakteristik optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 300 mTorr dengan variasi daya rf 6 sampai 12,5 watt.
Daya rf (watt)
Gambar 2. Karakteristik optoelektronik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 300 mT dengan variasi
daya rf 6 sampai 12,5 watt.
Dari gambar tersebut terlihat bahwa laju deposisi sebesar 2,67 Å/det yang diperoleh dengan menggunakan daya rf 6 watt mengalami peningkatan menjadi 2,99 Å/det dengan penggunaan daya rf 8 watt, yang diikuti pula dengan perbaikan nilai konduktivitasnya dari 3,9 x 10-5 S/cm menjadi 1,13 x
a-Si:H yang dideposisi pada daya rf 6 watt secara kualitatif lebih tinggi dibanding kandungan ikatan hidrogen dalam lapisan a-Si:H yang dideposisi pada daya rf 8 watt. Sebagaimana diketahui bahwa penguraian gas sumber menjadi radikal-radikal yang lebih sederhana lebih efektif terjadi pada daya rf yang lebih tinggi. Meskipun demikian, pembentukan radikal ionik dalam plasma tidak dapat dihindari. Semakin tinggi daya yang diberikan, radikal ionik akan semakin banyak terbentuk. Pada kondisi tertentu, bombardemen radikal-radikal ionik dapat merusak lapisan yang telah terbentuk. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2 bahwa laju deposisi lapisan mengalami penurunan pada daya rf 10 watt, yang diikuti dengan penurunan nilai fotokonduktivitas hingga mencapai 4,84 x 10-5 S/cm pada daya rf 12,5 watt. Penurunan nilai konduktivitas lapisan a-Si:H ini kemungkinan besar disebabkan oleh pembentukan keadaan-keadaan cacat (defect states) dalam lapisan yang semakin banyak akibat bombardemen ionik pada daya rf yang cukup tinggi, terutama keadaan-keadaan cacat pada daerah celah pita. Indikasi peningkatan cacat celah pita (bandgap defect) dapat dilihat dari penurunan nilai celah pita optik seperti ditunjukkan pada gambar 2 di atas.
Sebagaimana diketahui bahwa kompleksitas kinetika reaksi dalam plasma saat proses deposisi sampai saat ini belum diketahui secara pasti. Namun demikian, analisa teoritis serta kenyataan eksperimental turut membantu memberikan gambaran-gambaran yang baik dalam menganalisa mekanisme tersebut. Demikian halnya dengan fenomena terjadinya bombardemen ionik pada saat deposisi. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengantisipasi terjadinya bombardemen ionik saat deposisi lapisan a-Si:H dengan daya tinggi adalah dengan menurunkan tekanan deposisi. Hal ini dimaksudkan untuk memperpanjang jarak tempuh elektron dalam plasma sehingga pembentukan radikal-radikal ionik dapat berkurang. Dalam penelitian ini, tahapan optimasi juga dilakukan pada daya rf yang cukup tinggi dengan tekanan deposisi 100 mTorr. Gambar 3 memperlihatkan laju deposisi dan celah pita optik lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 100 mTorr dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt. Dari gambar tersebut terlihat bahwa laju deposisi mengalami peningkatan dari 5,93 Å/det hingga 9,57 Å/det dengan meningkatnya daya rf dari 20 sampai 30 watt. Namun demikian, peningkatan laju deposisi ini tidak seiring dengan nilai konduktivitasnya seperti diperlihatkan pada gambar 4. Peningkatan pada daya rf dari 20 ke 30 watt mengakibatkan penurunan nilai konduktivitas gelap lapisan dari 3,8 x 10-6 S/cm menjadi 1,5 x 10-8 S/cm serta penurunan nilai fotokonduktivitas dari 5,85 x 10-4 S/cm menjadi 5,31 x 10-5 S/cm. Diduga bahwa keadaan-keadaan cacat banyak terbentuk saat laju deposisinya cukup tinggi. Hal ini akibat ketidakteraturan ikatan-ikatan yang terbentuk pada permukaan pertumbuhan saat deposisi berlangsung.
Cacat seperti ini lebih banyak membentuk cacat ekor pita (band-tail defect) yang menghambat mobilitas pembawa muatan pada pita energi, yang diketahui sebagai penyebab menurunnya nilai konduktivitas lapisan. Selain itu, laju deposisi yang tinggi juga dapat mengakibatkan terperangkapnya atom hidrogen saat pembentukan lapisan, terutama apabila plasma didominasi oleh radikal-radikal dalam bentuk molekul SiH3 atau SiH2. Jika hal ini terjadi maka nilai
celah pita optiknya meningkat. Demikian halnya dengan peningkatan celah pita optik lapisan dari 1,53 eV menjadi 1,61 eV pada saat daya rf meningkat dari 20 ke 30 watt, sejalan dengan peningkatan laju deposisi yang cukup signifikan.
Daya rf (watt)
Gambar 3. Laju deposisi dan celah pita optik lapisan
a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 100 mTorr dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt.
Daya rf (watt)
Gambar 4. Konduktivitas dan responsivitas cahaya
lapisan tipis a-Si:H yang dideposisi pada tekanan 100 mTorr dengan variasi daya rf 20 sampai 70 watt.
watt kemungkinan lebih didominasi oleh radikal-radikal dalam bentuk molekul SiH2 dibanding
molekul SiH3 sedangkan plasma pada daya rf 30 watt
kemungkinan lebih didominasi oleh radikal-radikal dalam bentuk molekul SiH3 dibanding molekul SiH2.
Indikasi ini dapat dipahami dari penurunan celah pita optik saat daya rf meningkat dari 30 ke 40 watt, yang berarti bahwa kandungan hidrogen lapisan yang diperoleh pada daya rf 40 watt secara kualitatif lebih kecil dibanding lapisan yang diperoleh pada daya rf 30 watt. Secara umum dapat dikatakan bahwa kualitas lapisan a-Si:H yang diperoleh pada daya rf 40 watt lebih baik dibanding lapisan a-Si:H yang diperoleh pada daya rf 30 watt, meskipun keduanya tidak memperlihatkan perbedaan sifat yang cukup signifikan. Laju deposisi lapisan selanjutnya terus menurun dengan meningkatnya daya rf dari 40 hingga 70 watt, seiring dengan penurunan nilai konduktivitas gelapnya. Jelas bahwa penurunan ini kembali diakibatkan oleh bombardemen ionik pada daya rf 50 hingga 70 watt sehingga cacat celah pita kembali terjadi pada kondisi ini. Pada gambar 4 terlihat bahwa fotokonduktivitas lapisan yang diperoleh pada daya rf 50 watt mengalami peningkatan sedang konduktivitas gelapnya menurun. Fenomena seperti ini dapat dianalisa melalui pengertian bahwa pembawa muatan yang terperangkap dalam keadaan cacat dapat bergerak kembali jika energi foton dari penyinaran mampu melepaskannya dari keadaan tersebut. Demikian halnya dengan lapisan yang diperoleh pada daya rf 50 watt. Pembawa muatan yang sebelumnya tidak memberi kontribusi pada konduktivitas gelap dapat dibangkitkan kembali oleh energi foton sehingga meningkatkan fotokonduktivitasnya. Begitu juga dengan lapisan yang diperoleh pada daya rf 60 dan 70 watt.
Pada beberapa aplikasi divais optoelektronik seperti sensor warna, fotoreseptor maupun sel surya, karakteristik lapisan yang cukup penting selain sifat-sifat yang diuraikan di atas adalah sifat-sifat responsivitas cahaya. Sifat ini memberikan informasi kepekaan lapisan terhadap cahaya saat diberi penyinaran. Dalam penelitian ini, responsivitas lapisan a-Si:H yang diperoleh ditentukan berdasarkan rasio nilai fotokonduktivitas terhadap nilai konduktivitas gelapnya, seperti ditunjukkan dalam gambar 4. Terlihat bahwa responsivitas cahaya meningkat dengan peningkatan daya rf. Peningkatan yang cukup signifikan terjadi saat daya rf meningkat dari 40 ke 50 watt. Informasi ini memperkuat dugaan terbentuknya keadaan-keadaan cacat pada daerah celah pita akibat bombardemen ionik saat deposisi dengan daya rf di atas 40 watt, sebagaimana diuraikan pada pembahasan di atas.
Kesimpulan
Dari data eksperimen diperoleh lapisan a-Si:H yang memiliki laju deposisi tertinggi 2,99 Å/det pada daya rf 8 watt untuk variasi daya 6 sampai 12,5
watt dengan tekanan ruang deposisi 300 mTorr dan laju deposisi tertinggi 9, 57 Å/det pada daya rf 40 watt untuk variasi daya 20 sampai 70 watt dengan tekanan ruang deposisi 100 mTorr. Berdasarkan analisis yang dilakukan, penurunan laju deposisi pada daya rf yang cukup tinggi sebagian besar diakibatkan oleh bombardemen ionik pada permukaan pertumbuhan. Bombardemen ionik ini terjadi saat deposisi lapisan a-Si:H dengan daya rf di atas 8 watt untuk tekanan 300 mTorr dan daya rf di atas 40 watt untuk tekanan 100 mTorr. Selain itu, ketidakteraturan pembentukan ikatan saat laju deposisi yang cukup tinggi menyebabkan terbentuknya cacat ekor pita sedangkan pemutusan ikatan yang terjadi akibat bombardemen ionik menyebabkan terbentuknya cacat celah pita. Kedua jenis cacat ini memberi kontribusi yang besar pada penurunan nilai konduktivitas lapisan.
Ucapan Terimakasih
Penelitian ini dilaksanakan melalui Proyek Riset Unggulan Terpadu (RUT) VIII. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementrian Riset dan Teknologi Republik Indonesia atas bantuan dana penelitian tersebut.
Daftar Pustaka
1. Shah, A., Dutta, J., Wyrsch, N., Prasad, K., Curtins, H., Finger, F., Howling, A., & Hellenstein, C., “Amorphous Silicon Technology”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 258, 15 (1992).
2. Takechi, K., Takagi, T., & Kaneko, S., “Performance of a-Si:H TFT Fabricated by Very High Frequency Discharge Silane Plasma Chemical Vapor Deposition”, Jpn. J. Appl. Phys.
36, 6269 (1997).
3. Flückiger, R., Meier, J., Keppner, H., Kroll, U., Shah, A., Greim, O., Morris, M., Pohl, J., Hapke, P., & Carius, R., “Microcrystalline Silicon Prepared with The Very High Frequency Glow Discharge Technique for p-i-n Solar Cell Application”, 11th ECPVSEC Proc. 617 (1992). 4. Platz, R., Hof, C., Wieder, S., Rich, B., Fischer,
D., Shah, A., Payne, A., & Wagner, S., “Comparison of VHF, RF, and DC Plasma Excitation for a-Si:H Deposition With Hydrogen Dilution”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 507, 565 (1998).
5. Prasad, K., “Microcrystalline Silicon Prepared with VHF-GD Process”, Thesis (Ph.D.) Institute of Microtechnology University of Neuchatel (1991).
6. Sark, W.G.J.H.M., Bezemer, J., & Weg, W.F., “VHF a-Si:H Solar Cell: A Systematic Material and Cell Study”, J. Mater. Res. 13:1, 45 (1998). 7. Fukawa, M., Suzuki, S., Guo, L., Kondo, M., &
Depletion Method with VHF Plasma”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 66, 217 (2001). 8. Graf, U., Meier, J., Kroll, U., Bailat, J., Droz, C.,
Sauvain, E.V., & Shah, A., “High Rate Growth of Microcrystalline Silicon by VHF-GD at High Pressure”, Thin Solid Films 427, 37 (2003). 9. Veneri, P.D., Mercaldo, L.V., Minarini, C., &
Private, C., “VHF-PECVD Microcrystalline Silicon: From Material to Solar Cells”, Thin Solid Films 451-452, 269 (2004).
10. Neto, A.L.B., Dylla, T., Klein, S., Repmann, T., Lambertz, A., Carius, R., & Finger, F., “Defects and Structure of hydrogenated Microcrystalline Silicon Films Deposited by Different Techniques”, J. Non-Crys. Solid 338-340, 168 (2004).
11. Amanatides, E., Mataras, D., & Rapakoulias, D.E., “Effect of Frequency in the Deposition of Microcrystalline Silicon from Silane Discharges”, J. Appl. Phys. 90:11, 5799 (2001). 12. Usman, I., “Fabrikasi Divais Sel Surya p-i-n
Berbasis µc-Si:H Dengan Teknik VHF-PECVD”, Tesis Magister Fisika-ITB (2001). 13. Sriraman, S., & Aydil, E.S., “Growth and
Characterization of a-Si:H Thin Films from SiH2
Radical Precursor: Atomic-scale Analysis”, J. Appl. Phys. 95:4, 1792 (2004).
