BAB I
PENDAHULUAN
1. 1 Latar Belakang Permasalahan
Sejak ditemukannya silikon (Si) dan germanium (Ge) sebagai material semikonduktor, berbagai penelitian dilakukan untuk memperoleh material semikonduktor lain melalui tehnik rekayasa. Penelitian tersebut bertujuan menghasilkan material semikonduktor dalam pembuatan komponen berkualitas tinggi sebagai upaya pemenuhan kebutuhan manusia yang semakin komplek. Dalam perkembangan teknologi yang berbasis elektronika dibutuhkan suatu material dasar berkualitas tinggi untuk pembuatan piranti elektronika dan optoelektronika sesuai dengan tujuan aplikasi. Penelitian terhadap material Si, II-VI seperti ZnSe, SiC dan material III-nitrida seperti GaN, AlN, InN dilakukan dalam upaya pembuatan piranti optoelektronika yang berkualitas tinggi.
Light emitting diode (LED) dan laser diode (LD) merupakan piranti optoelektronik yang sedang diminati untuk dikembangkan, baik warna ataupun kemampuan yang dimiliki seperti tampilan yang full color, indikator full color dan lampu berdaya tahan tinggi (Bernard, 1998). Kemajuan dalam bidang optoelektronik yang dicapai dengan menghasilkan LED dan LD warna hijau menggunakan material II-VI (Bernard, 1998). Waktu hidup yang pendek menghalangi material II-VI digunakan sebagai material komersial. Waktu hidup yang pendek disebabkan perambatan cacat kristal pada kerapatan 103/cm2. SiC merupakan material dengan celah pita energi (band gap) yang lebar untuk aplikasi LED warna biru dengan brightness berkisar 10 - 20 mcd. SiC memiliki sifat indirect band gap (celah pita energi tak langsung) yang menyebabkan elektron kehilangan sebagian energinya dalam proses rekombinasi yang digunakan untuk osilasi kisi (fonon) (Wolfe et al, 1989). Sifat indirect band gap hasilnya kurang menguntungkan untuk aplikasi piranti optoelektronik (Manasreh, 1997) karena brightness yang dihasilkan rendah. Selain itu terdapat material lain yang telah diteliti mempunyai sifat celah pita energi langsung, yaitu material paduan semikonduktor III-nitrida.
Penelitian terhadap material III-nitrida semakin menarik perhatian sejak ditemukan bahwa GaN mempunyai efisiensi yang tinggi sebagai material dasar pembuatan LED (Grandjean et al,1996). Material semikonduktor III-nitrida terdiri dari tiga jenis, yaitu 1) binnary (GaN, AlN, InN), 2) ternary (AlxGa1-xN, InGa1-xN), dan 3) quarternary (AlGaInN) yang semuanya memiliki sifat celah pita energi langsung (direct band gap). Material III-nitrida mempunyai celah pita energi yang dapat diatur dari 1,9 eV - 6,2 eV. Sifat inilah yang digunakan untuk aplikasi piranti optoelektronika daerah warna cahaya tampak sampai ultraviolet (Steude et al, 1999). Material golongan III-nitrida dengan karakteristik celah pita energi yang lebar membuktikan bahwa nitrida berpotensi untuk piranti light emitting dengan panjang gelombang pendek (Grandjean et al, 1996). Celah pita energi GaN pada temperatur ruang adalah 3,41 eV yang merupakan dasar aplikasi piranti optoelektronik, seperti pada pembuatan LED dan LD warna biru-hijau-ultraviolet (Paterson, 1997) dan detektor UV (Shen,1999) dengan respon tinggi pada panjang gelombang lebih kecil dari 365 nm. Pengembangan fotodetektor UV memperoleh perhatian besar untuk aplikasi di bidang industri (deteksi kebakaran dan monitoring proses pembakaran), lingkungan (monitoring sinar UV matahari), aerospace (komunikasi satelit dan astronomi) dan bidang medis (Yosuke, 2000).
Selain sifat optik, material GaN juga mempunyai sifat listrik yang menarik untuk diteliti. Material GaN memiliki kecepatan saturasi elektron yang tinggi, celah pita energi yang lebar, konduktivitas termal yang tinggi dan kemampuannya dalam heterojunction sehingga cocok digunakan sebagai piranti elektronik daya tinggi (high power) dan temperatur tinggi (Cui et al, 2000). Contoh aplikasi GaN adalah sebagai piranti penguat gelombang mikro seperti pada high electron mobility transistor (HMET) dan heterostructure field effect transistor (HFET) (Ping, 1998).
Pembuatan film tipis GaN dapat dilakukan dengan berbagai metode, antara lain; metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD) (Kim et al, 1999), molecular beam epitaxy (MBE) (Grandjean et al, 1999), rf plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) (Park et al, 1998), electron-cyclotron-resonance plasma-excited molecular beam (ERC-MBE) (Murata et al, 1998), metalorganic molecular beam expitaxy (MOMBE) (Kim et al, 2000) dan metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) (Yamaguchi, 2001). Pada penelitian ini, film GaN ditumbuhkan dengan mengunakan metode dc magnetron sputtering yang telah ada di Laboratorium Fisika Material FMIPA Unnes. Metode ini relatif lebih sederhana dan lebih murah bila dibandingkan dengan metode penumbuhan film
Otipis yang lain. Metode dc magnetron sputtering di laboratorium Fisika Unnes telah digunakan untuk penumbuhan film tipis Ga23 diatas substrat silikon (Syahid, 2004). Penelitian ini merupakan pengembangan dari penelitian sebelumnya yang dilakukan Sugeng (2005) tentang studi pengaruh rasio laju alir gas argon dan nitrogen terhadap struktur kristal dan sifat listrik film tipis gallium nitrida yang ditumbuhkan dengan metode dc magnetron sputtering.
Film GaN pada umumnya ditumbuhkan secara heteroepitaksi pada substrat safir, silikon karbida (SiC), gallium arsenat (GaAs) dan yang lainnya, karena belum tersedia substrat GaN dalam ukuran besar. Salah satu penghalang pengembangan GaN adalah karena ketidaksesuaian parameter kisi dan koefisien termal antara film GaN dan substrat. Substrat safir dipilih karena stabil pada temperatur tinggi (± 1000 oC), sehingga digunakan untuk penumbuhan secara epitaksi berbagai tehnik penumbuhan terhadap GaN. Safir dengan sifatnya yang transparan terhadap cahaya tampak menjadikan safir ideal untuk beberapa aplikasi fotodetektor (Cui et al, 2000). Penggunaan substrat safir selain karena kemampuannya, harganya yang relatif murah dibandingkan SiC dan mudah preparasinya, sehingga hampir semua material III-nitrida ditumbuhkan diatas substrat safir.
Penumbuhan film tipis GaN pada substrat safir menemui masalah utama yaitu, adanya ketidaksesuaian parameter kisi antara GaN dan substrat safir cukup besar, yaitu sekitar 16% (Bernard, 1998) yang dapat menurunkan kualitas kristal film yang dihasilkan. Permasalahan mengenai ketidaksesuaian antara GaN dan substrat safir dapat diatasi dengan menggunakan lapisan penyangga (buffer layer) AlN (Jeon et al, 2002) atau GaN (Sumiya et al, 2003) yang ditumbuhkan dengan temperatur yang relatif rendah. Ketebalan lapisan penyangga akan mempengaruhi kualitas film yang dihasilkan. Ketebalan lapisan penyangga yang optimal diperlukan untuk memperoleh film tipis yang berkualitas. Oleh karena itu menarik untuk dikaji bagaimana pengaruh ketebalan lapisan penyangga terhadap kualitas film tipis. Pada penelitian ini digunakan lapisan penyangga AlN. Bahan tersebut mempunyai parameter kisi yang lebih dekat dengan safir dibanding GaN terhadap safir dan ketebalan AlN tidak terlalu kritis dibandingkan jika menggunakan lapisan penyangga GaN (Bernard, 1998).
Kualitas film GaN yang ditumbuhkan dengan dc magnetron sputtering dipengaruhi oleh parameter penumbuhan lainnya, misal daya plasma. Daya plasma merupakan salah satu parameter penumbuhan yang menentukan atmosfir penumbuhan sehingga berpengaruh pada kualitas film yang ditumbuhkan. Pemberian daya plasma yang berbeda akan berpengaruh pada energi dan momentum ion penumbuk Daya plasma yang tinggi akan meningkatkan hasil sputtering dikarenakan atom target yang tersputter menuju substrat berada dalam jumlah lebih besar (Syahid, 2004).
I. 2 Permasalahan
Pada penelitian ini permasalahan yang diteliti adalah bagaimana pengaruh lapisan penyangga AlN dan perbedaan daya plasma terhadap struktur kristal dan sifat optik film tipis GaN yang ditumbuhkan pada substrat safir dengan metode dc magnetron sputtering. Sifat optik yang akan dikaji adalah transmitansi dan koefisien absorpsi untuk menentukan celah pita energi dan urbach tail.
I. 3 Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah mempelajari pengaruh lapisan penyangga AlN dan daya plasma terhadap struktur kristal dan sifat optik film tipis GaN yang ditumbuhkan pada substrat safir. Sifat optik yang akan dipelajari mencakup transmitansi, koefisien absorpsi, celah pita energi dan urbach tail.
1. 4 Manfaat
Manfaat penelitian ini adalah untuk mengetahui informasi mengenai struktur kristal dan sifat optik serta parameter yang mempengaruhi penumbuhan, yaitu ketebalan lapisan penyangga AlN dan besarnya daya plasma yang optimal untuk memperoleh film tipis GaN yang berkualitas serta aplikasinya dalam bidang teknologi, khususnya optoelektronik.
1. 5 Sistematika Skripsi
Skripsi ini diawali dengan halaman judul, abstrak, halaman pengesahan, halaman motto, halaman persembahan, kata pengantar, daftar isi, daftar gambar dan daftar tabel. Latar belakang masalah penelitian, rumusan masalah, batasan masalah yang diteliti, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika skripsi diuraikan pada pendahuluan di bab I. Bab II dibahas kajian pustaka yang mendasari penelitian ini berisi penjelasan mengenai struktur kristal, material GaN, lapisan penyangga, plasma, tehnik sputtering, penumbuhan film tipis, sifat-sifat optik. Bab III membahas metode penelitian yang dilakukan meliputi alur penelitian, pembuatan target GaN, preparasi substrat, penumbuhan lapisan tipis, karakterisasi film tipis GaN dan contoh analisis data. Bab IV dibahas mengenai analisis dan pembahasan data hasil penelitian. Analisis dan pembahasan hasil penelitian meliputi analisis dan pembahasan struktur kristal dan sifat optik film tipis GaN terhadap pengaruh lapisan penyangga AlN dan daya plasma. Bab V berisi simpulan hasil penelitian yang telah dilakukan dan saran untuk penelitian lebih lanjut. Bagian akhir skripsi ini adalah bagian penutup yang berisi daftar pustaka bahan kajian pustaka dan lampiran hasil-hasil penelitian.
