Oleh : Nofi Marlini
ABSTRAK : Lapisan tipis galium nitrida (GaN) telah dideposisikan di atas substrat Si menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) melalui teknik spin coating. Dalam penelitian ini, variasi laju putar spin coating dikaji pengaruhnya terhadap grain size, ketebalan serta kekasaran permukaan lapisan tipis GaN hasil deposisi. Gallium citrate amine yang dilarutkan dalam ethylene diamine digunakan sebagai sumber atom Ga dan gas N2 digunakan sebagai sumber atom N dalam pembentukan lapisan tipis GaN. Molaritas larutan gallium citrate amine adalah 0,6 M, dan gas N2 diatur pada laju aliran tetap 2 sccs. Spin coater diputar dengan variasi laju 1000 rpm, 1250 rpm, 1500 rpm, 1750 rpm dan 2000 rpm. Lapisan tipis GaN dipanaskan pada temperatur 900oC selama 2 jam pada lingkungan N2. Komposisi atom dan mikrostruktur lapisan tipis GaN hasil deposisi dikarakterisasi menggunakan energy dispersive of X-ray (EDX) dan scanning electron microscopy (SEM). Analisis komposisi atom melalui EDX menunjukkan bahwa sebagian besar lapisan tipis GaN mengalami kelebihan Ga. Lapisan tipis GaN yang hampir mendekati stoikiometri ditemukan pada deposisi dengan laju putar 1500 rpm. Citra SEM lapisan tipis GaN menunjukkan ketebalan, grain size serta nilai kekasaran permukaan lapisan tipis GaN semakin mengecil terhadap kenaikan laju putar spin coating.
Kata kunci : GaN, lapisan tipis, CSD, spin coating, mikrostruktur, grain size, ketebalan, kekasaran permukaan
Semikonduktor mulai dipelajari awal abad ke-19 yaitu sekitar tahun 1947. Awalnya semikonduktor yang diketahui berasal dari atom tunggal, yaitu Germanium (Ge) dan Silikon (Si). Semikonduktor dapat dibentuk dari paduan dua elemen atom atau lebih. Semikonduktor paduan ini mempunyai sifat listrik dan optik yang berbeda dengan semikonduktor tunggal. Paduan semikonduktor ini dapat terbentuk, dengan syarat konfigurasi molekulnya memenuhi kaidah oktet. Saat ini, semikonduktor paduan yang paling banyak digunakan untuk fabrikasi divais berasal dari golongan III-V, misalnya Galium Arsenida (GaAs), Galium antimoni (GaSb), Galium Nitrida (GaN), dan lain-lain (Lee, 2002). Ketertarikan terhadap teknologi divais berbasis semikonduktor GaN dimulai pada tahun 1971 ketika J.I Pankove menunjukkan sebuah LED berbahan GaN. Namun LED ini masih mempunyai efisiensi yang rendah, karena tidak tersedianya substrat dengan parameter kisi (lattice constant) yang cocok dengan GaN. Selain itu, belum tersedia teknologi untuk membentuk GaN tipe-p. Pada tahun 1986, Isamu Akasaki menunjukkan bahwa lapisan tipis GaN dengan cacat dislokasi (dislocation defect) yang rendah dapat diperoleh dengan menggunakan substrat safir (Al2O3). Pada tahun 1991, Shuji Nakamura telah berhasil membuat GaN tipe-p yang kemudian dikembangkan menjadi LED biru dengan efisiensi tinggi pada tahun 1994 (Syed, 2004). Kegunaan semikonduktor GaN tidak hanya terbatas pada aplikasi divais optoelektronik saja tetapi juga dapat diaplikasikan pada divais elektronik karena GaN mempunyai potensial dadal (breakdown) yang tinggi sehingga membuat GaN sangat menarik untuk diaplikasikan sebagai divais elektronik transistor daya tinggi (Syed, 2004). Deposisi lapisan tipis GaN menjadi suatu tantangan tersendiri meskipun perkembangan dan kemajuan divais-divais berbasis GaN berkembang sangat pesat, namun masih terdapat permasalahan dalam deposisi lapisan tipis yang sifat-sifatnya memenuhi syarat untuk diaplikasikan pada suatu divais. Salah satu permasalahan yang timbul adalah ketidakcocokan kisi dan ketidakcocokan koefisien ekspansi termal yang cukup besar antara substrat dengan lapisan tipis GaN. Hal-hal tersebut dapat mempengaruhi penurunan kualitas lapisan tipis GaN hasil deposisi. Sampai saat ini penumbuhan GaN masih ditekankan pada penggunaan substrat safir dan silika karbon (SiC). Penggunaan safir sebagai substrat memiliki ketidakcocokan kisi sekitar 13% dengan GaN. Selain itu terdapat kekurangan dari penggunaan substrat safir yaitu ukuran substrat yang masih kecil dan harganya relatif lebih mahal dibandingkan substrat Si. Saat ini, kalangan industri elektronika sangat mengharapkan teknologi pembuatan divais terintegrasi berskala besar di atas substrat Si berbasis semikonduktor GaN. Ada beberapa keuntungan penggunaan substrat Si yaitu substrat Si tersedia dalam ukuran besar, sifat listrik yang bagus dan harganya jauh lebih murah dibandingkan dengan substrat safir dan SiC. Namun terdapat beberapa kesulitan dalam penumbuhan GaN di atas Si karena ketidakcocokan kisi yang besar (~17%) dan perbedaan koefisien ekspansi termal yang besar (~56%) antara substrat Si dan GaN. Untuk memperoleh lapisan tipis GaN dengan kualitas yang baik di atas Si masih sangat sulit (Zhang, 2004). Hingga saat ini, terdapat beberapa metode yang digunakan untuk deposisi lapisan tipis GaN yaitu vapor-phase epitaxy (VPE), liquid phase epitaxy (LPE), molecular beam epitaxy (MBE), metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), metallorganic chemical vapor deposition (MOCVD), laser chemical vapor deposition (LCVD), chemical solution deposition (CSD) dan lain-lain (Sze, 1985). Metode VPE banyak digunakan karena penumbuhan kristal dapat dilakukan dengan relatif cepat. Pada metode VPE, penumbuhan GaN dilakukan melalui penguapan logam Ga atau pengaliran gas amonia (NH3) pada bubuk Ga. Namun demikian, metode VPE masih menyisakan permasalahan, yakni waktu penumbuhan yang terbatas karena Ga dalam NH3 relatif tidak stabil, dan ukuran bulir kristal yang dihasilkan masih terlalu besar (Berkman, 2005). Metode CSD dengan teknik spin coating merupakan metode yang relatif mudah, sederhana dan berbiaya murah dibanding dengan metode lain seperti metode VPE. Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan deposisi lapisan tipis GaN menggunakan metode CSD. Lapisan tipis GaN kualitas terbaik diperoleh pada temperatur optimum sebesar 900oC dengan laju alir gas N2 sebesar 120 sccm (2 sccs) dan molaritas larutan gallium-citrate-amine sebesar 0,6 M. Lapisan tipis GaN tersebut memiliki ketebalan yang lebih besar, permukaan yang lebih halus, serta sifat listrik yang paling baik, akan tetapi masih terdapat kekosongan atom N (Badriyah, 2008; Ambikawati, 2008). Selain pengaruh temperatur, laju alir gas dan besar molaritas larutan, masih terdapat parameter lain yang dapat mempengaruhi lapisan tipis GaN yang dideposisikan menggunakan metode CSD ini. Salah satu parameter tersebut adalah adanya pengaruh laju putar spin coater terhadap mikrostruktur lapisan tipis GaN. Pada penelitian ini dilakukan proses deposisi lapisan tipis GaN dari larutan galliumcitrate- amine pada molaritas sebesar 0,6 M, dengan variasi laju putar spin coating antara 1000 rpm – 2000 rpm serta dengan melakukan pemanasan pada temperatur 900oC dengan laju alir gas N2 sebesar 2 sccs. Selanjutnya dikaji pengaruh variasi laju putar spin terhadap komposisi atom penyusun lapisan tipis GaN dan citra morfologi lapisan tipis GaN.
Postingan
