BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Teknologi semikonduktor telah mengalami kemajuan besar baik dalam hal penemuan bahan baru maupun teknik pembuatannya. Hal tersebut mendorong untuk melakukan penelitian lebih lanjut mengenai bahan-bahan semikonduktor. Penelitian dilakukan untuk mendapatkan bahan-bahan semikonduktor yang berkualitas baik daripada bahan-bahan semikonduktor sebelumnya. Bahan-bahan semikonduktor sangat potensial diaplikasikan pada piranti elektronik dan optoelektronik.
Bahan semikonduktor silikon (Si) dan germanium (Ge) telah digunakan sejak dahulu, namun sekarang ini bahan semikonduktor paduan seperti gallium arsenida (GaAs) dan semikonduktor paduan golongan III – V lainnya telah mendominasi untuk pembuatan piranti elektronik daya tinggi dan kecepatan tinggi sekitar 1- 2 GHz. Saat ini telah dikembangkan suatu transistor HEMT’s (high electron mobiliy transistor) dibuat dari semikonduktor yang memiliki celah pita energi (band gap energy) lebar yaitu gallium nitrida (GaN) (Green, 2001).
Seiring dengan kemajuan teknologi dan meningkatnya kebutuhan pasar akan piranti elektronik dan optoelektronik, maka penelitian rekayasa bahan untuk pembuatan piranti elektronik dan optoelektronikpun mulai digarap dengan sangat serius. Penelitian yang dilakukan tidak hanya mencakup kualitas bahan, tetapi juga penghematan bahan tanpa mengurangi kualitas bahan yang dihasilkan. Usaha untuk
melakukan penghematan bahan tersebut dilakukan dengan menciptakan piranti elektronik dan optoelektronik yang praktis, multifungsi dan berukuran mikro yang lebih praktis mudah dalam penggunaan dan penyimpanannya. Salah satu teknologi penumbuhan bahan semikonduktor yaitu dengan teknologi penumbuhan film tipis.
Film tipis adalah suatu film yang sangat tipis dari bahan organik, inorganik, metal maupun campuran metal organik yang memiliki sifat-sifat konduktor, semikonduktor maupun isolator. Film tipis yang dibuat dengan teknik penumbuhan atom atau partikel pada permukaan substrat dengan ketebalan sampai orde mikrometer semakin banyak diteliti dan dimanfaatkan. Sifat umum film tipis dari suatu bahan berbeda dengan bahan padatan, karena proses preparasi (misalnya: evaporasi, sputtering), geometri (ukuran panjang, tebal dan lebar) komposisi dan stukturnya (Atmono, 2003). Sifat-sifat film tipis yang ditumbuhkan dapat dimodifikasi sesuai dengan tujuan penerapannya.
Material golongan III-nitrida seperti AlN (6,2 eV), GaN (3,4 eV), dan InN (1,95 eV) merupakan trio semikonduktor yang unik karena material tersebut mempunyai celah pita energi langsung (direct bandgap) (Keller et al., 2001). Apabila di antara mereka membentuk semikonduktor paduan seperti ternary AlxGa1-xN, InxGa1-xN dan quarternery InGaAlN maka celah pita energinya dapat diatur mulai 1,95 eV hingga 6,2 eV. AlxGa1-xN merupakan material paduan penting dalam piranti nitrida, khususnya sebagai lapisan penghalang (barrier) dalam struktur-hetero dan sumur kuantum dengan lapisan aktif GaN atau InxGa1-xN. GaN dan paduannya telah diaplikasikan pada piranti optoelektronik seperti LED (light emitting diode) (Eduardo
et al., 2001), LD (laser diode) warna hijau-biru sampai ultraviolet (Sato et al., 2001) dan diterapkan untuk membuat photodetector UV (ultraviolet) (Kuwabara et al., 2001). Pada saat ini sedang dikembangkan LED warna putih dengan harapan dapat menggantikan lampu penerangan dengan konsumsi daya listrik yang rendah (Zukauskas et al., 2001).
Material GaN merupakan salah satu semikonduktor paduan golongan III– nitrida yang menarik untuk diteliti karena mempunyai sifat unik dan banyak sekali penerapannya. Material GaN mempunyai celah pita energi lebar, kecepatan saturasi elektron tinggi dan memiliki celah pita energi langsung (direct bandgap).
Material GaN mempunyai keunggulan dibandingkan dengan material semikonduktor yang telah dikembangkan sebelumnya seperti Si , GaAs dan SiC yang telah mendominasi pembuatan piranti elektronik dan optoelektronik. Si dan GaAs mempunyai celah pita energi sempit, sehingga kurang menguntungkan untuk aplikasi piranti yang bekerja pada daya dan temperatur tinggi. Selain itu Si dan GaAs juga mempunyai kecepatan saturasi elektron rendah sehingga kurang cocok diterapkan untuk membuat piranti elektronik yang bekerja dengan daya tinggi, sedangkan SiC merupakan material semikonduktor yang mempunyai celah pita energi tidak langsung (indirect bandgap), energi yang digunakan oleh elektron untuk berekombinasi, sebagian digunakan untuk osilasi kisi (fonon) (Wolfe et al., 1989), sehingga kurang efektif ketika diaplikasikan pada piranti optoelektronik. Dengan segala kelebihan dari GaN serta dapat diaturnya lebar celah pita energi GaN dan paduannya dalam rentang panjang gelombang cahaya tampak hingga ultravioet,
maka material berbasiskan GaN tersebut sangat menarik untuk dikembangkan lebih lanjut.
Proses penumbuhan film tipis GaN dihadapkan pada beberapa kesulitan antara lain masalah kerapatan elektron yang tinggi pada material nitrida yang diakibatkan oleh kekosongan nitrogen (nitrogen vacancy) dan cacat kristal lainnya. Salah satu akibatnya adalah sulit didapatkan GaN tipe-p. Masalah selanjutnya adalah ketidaksesuaian konstanta kisi (lattice mismatch) antara substrat dengan material III-nitrida yang cukup besar untuk proses epitaksi. Hal ini dikarenakan tidak tersedianya substrat kristal tunggal GaN atau kristal tunggal lainnya yang berkualitas tinggi dengan konstanta kisi yang sama. Seiring dengan usaha untuk mendapatkan film tipis GaN yang berkualitas baik telah dikembangkan beberapa teknik penumbuhan kristal modern.
Film tipis GaN pada umumnya ditumbuhkan dengan metode MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) (Eduardo et al., 2001), MBE (molecular beam epitaxi) (Kim, et al., 2000 MOVPE (metal – organic vapour phase epitaxy) (Sato et al., 2001), MOMBE ( metalorganic moleculer beam epitaxy) (Eduardo et al., 2001), HVPE (hybride vapor phase epitaxy) (Nakayama et al., 2000), dan rf-MBE (radio frekuensi molecular beam epitaxy) (Nishio et al., 2000).
Pada penelitian ini film tipis GaN ditumbuhkan dengan metode dc magnetron sputtering yang membutuhkan biaya operasional jauh lebih murah dibandingkan dengan metode lainnya. Selain itu dengan menggunakan metode sputtering ini, operasionalnya lebih mudah, dapat menghasilkan film tipis dengan area penumbuhan yang luas, ketebalan lapisan film tipis dapat dikontrol dengan baik dan juga alat ini tersedia di laboratorium fisika material jurusan fisika FMIPA UNNES. Reaktor dc magnetron sputtering ini telah berhasil digunakan untuk penumbuhan film tipis Ga2O3 (Sjahid, 2005) dan Ta2O5 (Wiyanto dkk., 2004). Penelitian ini dilakukan bersama dengan penelitian yang dilakukan oleh Sugeng (2005).
Proses sputtering pada permukaan target yang terbuat dari bahan oksida dan nitrida akan mengalami perubahan stoikiometri unsur–unsur yang terkandung dalam film tipis selama proses penumbuhan di atas substrat (Mahony, 2002). Unsur yang lebih ringan (gas) akan mudah menguap. Ketika target GaN tersputter pada proses penumbuhan film tipis GaN, unsur nitrogen yang terkandung dalam film tipis GaN akan berkurang sehingga kandungan unsur dalam film tipis tidak stoikiometri. Untuk mengimbangi jumlah unsur nitrogen yang hilang, maka perlu ditambahkan gas nitrogen ke dalam tabung reaktor (chamber) selama proses penumbuhan film tipis GaN.
1.2. Rumusan Masalah
Permasalahan yang muncul dari uraian di atas adalah bagaimana pengaruh perbedaan rasio laju alir gas argon dan nitrogen terhadap sifat optik film tipis GaN yang ditumbuhkan pada substrat safir dengan metode dc magnetron sputtering. Sifat optik yang dikaji meliputi transmisi dan absorpsi film tipis GaN. Data-data hasil penelitian ini digunakan untuk menentukan besarnya celah pita energi (bandgap) dan energi Urbach film tipis GaN tersebut.6
I.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah menumbuhkan film tipis GaN di atas substrat sapphire dengan metode dc magnetron sputtering dan mempelajari sifat optiknya untuk laju alir gas argon dan nitrogen yang berbeda.
1.4. Manfaat Penelitian
Penelitian ini bermanfaat untuk mengetahui cara penumbuhan dan karakterisasi film tipis GaN serta mempelajari perbedaan karakteristik film tipis GaN dengan parameter perbedaan rasio laju alir gas argon (Ar) dan nitrogen (N2), yang selanjutnya dijadikan acuan pada proses pemumbuhan dan karakterisasi film tipis GaN dengan metode dc magnetron sputtering selanjutnya, khususnya sifat optik film tipis GaN pada teknologi untuk pembuatan piranti optoelektronik seperti LED (light emiting diode).
1. 5. Sistematika Skripsi
Skripsi ini dimulai halaman judul, persetujuan pembimbing, pengesahan kelulusan, pernyataan, motto dan persembahan, kata pengantar, abstrak, daftar isi, daftar tabel, daftar gambar dan daftar lampiran. Latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah yang akan diteliti, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika skripsi diuraikan pada pendahuluan di bab I. Bab II membahas kajian pustaka yang mendasari penelitian ini berisi penjelasan mengenai material GaN, cacat kristal, sifat optik film tipis GaN, band tail, sputtering, Bab III membahas metode penelitian yang dilakukan meliputi alur penelitian, pembuatan target GaN, preparasi substrat, penumbuhan lapisan tipis, karakterisasi film tipis GaN dan analisis data. Bab IV fokus pada analisis dan pembahasan data hasil penelitian. Analisis dan pembahasan hasil penelitian meliputi analisis dan pembahasan kandungan unsur, struktur kristal dan sifat optik film tipis GaN terhadap perbedaan rasio laju alir gas Ar dan N2. 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.
