1.1 Latar Belakang PENGARUH TEKANAN GAS ARGON PADA PENUMBUHAN FILM TIPIS Ga 2 O DOPING Mn DENGAN MENGGUNAKAN METODE DC MAGNETRON SPUTTERING
Galium oksida (Ga
2
O
3
) merupakan bahan semikonduktor dengan celah
pita energi lebar (Eg = 4,8 eV) berpotensi untuk aplikasi devais elektronik dan
optoelektronik. Bahan dengan celah pita energi lebar ini lebih sulit untuk
terjadinya eksitasi elektron secara termal dari pita valensi ke pita konduksi. Hal ini
menyebabkan berkurangnya kebocoran arus dan bertambahnya stabilitas termal
dalam suatu piranti karena tipe intrinsik konduksi lebih mendominasi pada
temperatur tinggi (Zolnai, 2005). Bahan Ga
statis 10=
s
2
O
3
memiliki konstanta dielektrik
ε berpotensial sebagai kandidat bahan dielektrik tinggi yang
digunakan untuk meningkatkan unjuk kerja devais elektronik seperti sebagai
bahan gate pada transistor efek medan (MOSFET). Ga
dimanfaatkan sebagai sensor gas karena stabil pada temperatur tinggi (titik lebur
1740
o
2
O
C) dan konduktivitasnya bergantung pada lingkungan atmosfir serta
menunjukkan sensitivitas yang tinggi (Hoefer, U. et al, 2001).
Selain itu untuk
aplikasi devais optoelektronik Ga
2
O
3
3
seringkali
dapat digunakan sebagai TCO (Tranparent
Conductive Oxide) karena menunjukkan sifat transparan pada daerah panjang
gelombang UV hingga 280 nm (Hosono, H. et al, 2002) dan sebagai devais TFEL
(Thin Film Electrolumonescent) untuk display di ruang terbuka karena memiliki Material Ga
2
O
3
secara ekstensif telah digunakan untuk aplikasi sebagai
luminescent phosphor, khususnya ketika didoping dengan atom-atom unsur tanah
jarang (rare earth). Ga
2
O
3
merupakan oksida berstruktur kristal dengan derajat
anisotropis tinggi yang mempunyai interkoneksi rantai tetrahedral dan oktahedral
dengan membentuk “tunnel” yang lebar dalam kristal. Tunnel ini dipercayai
memegang peranan penting dalam transport “hot electron” yang diperlukan untuk
emisi electroluminescent (Ting, W.Y. et al, 2002). Ga
2
O
3
didoping dengan Eu
akan menunjukkan luminesensi merah dan jika didoping Mn menampilkan
luminesensi hijau. Mn merupakan salah satu unsur transisi yang berpotensi untuk
aplikasi fosfor luminesensi, karena Mn memiliki “excellent luminescent center”
untuk devais TFEL dimana level “shallow donor dan acceptor”nya sangat dalam
(Gollakota, P., 2006).
Bahan Ga
2
O
3
telah ditumbuhkan dengan berbagai metode antara lain:
MOCVD (Kim, H.W. and Kim, N.H., 2004), floating zone (Villora, E.G. et al,
2002), rf magnetron sputtering (Ogita, M. et al, 2001). Pada umumnya film tipis
Ga
2
O
3
yang ditumbuhkan dengan berbagai teknik penumbuhan memiliki struktur
kristal monoklinik (Marwoto, P., et al, 2006). Sifat-sifat film tipis yang dihasilkan
ini berhubungan erat dengan struktur film yang terbentuk, dan struktur film tipis
sangat bergantung pada parameter penumbuhan film seperti temperatur subsrat,
laju alir gas, perlakuan annealing pasca penumbuhan dan tekanan parsial oksigen.
Penumbuhan film tipis Ga
2
O
3
dengan menggunakan metode dc magnetron
sputtering juga telah dilakukan dengan mengkaji pengaruh temperatur substrat,
daya plasma, annealing pasca penumbuhan (Sjahid, N., 2005) dan variasi laju alir oksigen (Alfafa, M., 2007). Pengkajian sifat optik bahan Ga
2
O
3
yang didoping
europium (Eu) juga telah dilakukan (Marwoto,P dkk, 2007 dan Maruly, I.D.,
2007).
Hasil penelitian Sjahid (2005) menunjukkan lapisan tipis Ga
kristalinitas dan sifat optik yang lebih baik jika ditumbuhkan dengan temperatur
substrat dan daya plasma yang optimal serta dengan perlakuan annealing selama
proses penumbuhan. Pada penumbuhan Ga
2
O
3
2
O
3
dengan temperatur substrat 600
menunjukkan kristalinitas film yang lebih baik. Pemberian daya plasma yang
semakin besar meningkatkan intensitas, dan menunjukkan orientasi kristal yang
dominan pada bidang (0 1 7) serta menampakkan butiran yang lebih besar dan
terdistribusi merata pada seluruh permukaan substrat dan film menjadi lebih tebal.
Annealing dapat mengurangi derajat amorf dan meningkatkan kristalinitas lapisan
tipis Ga
2
O
3
.
Hasil penelitian Alfafa (2007) menunjukkan bahwa penambahan laju alir
oksigen selama penumbuhan dapat meningkatkan kristalinitas dan sifat optik film
tipis Ga
2
O
3
. Kualitas kristal dan sifat optik yang baik dicapai saat laju alir oksigen
150 mTorr dan celah pita optik diperoleh sebesar 3,4 eV. Hasil karakterisasi sifat
listrik menunjukkan resistivitas film tipis Ga
2
O
3
memiliki
meningkat dengan bertambahnya
laju alir oksigen. Meningkatnya resistivitas atau turunnya konduktivitas fim tipis
Ga
2
O
3
tipis Ga
dipengaruhi oleh berkurangnya kekosongan oksigen dalam kisi kristal film
2
O
3
yang tumbuh.
Film tipis Ga
2
O
3
dengan doping Eu (2% dan 5%) telah ditumbuhkan
dengan metode dc magnetron sputtering (Marwoto, P., dkk, 2007 dan Maruly,
I.D., 2007). Film Ga
2
O
3
ditumbuhkan dengan aliran gas oksigen pada temperatur
o
C 600
o
C. Dari hasil analisis SEM dapat ditunjukkan film yang didoping Eu 2% lebih
homogen dibandingkan dengan film yang didoping Eu 5%. Kehadiran atom Eu
pada film tipis Ga
2
O
3
dapat memperhalus permukaan film, namun penambahan
konsentrasi Eu tidak mengubah morfologi permukaan secara signifikan. Doping
Eu 2% pada film Ga
2
O
3
menunjukkan adanya peningkatan reflektansi film,
sedangkan doping Eu 5% menurunkan reflektansi film.
Penumbuhan film tipis
Ga
2
O
3
:Eu baik di atas silikon, gelas korning maupun ITO memperoleh spektrum
absorbsi yang sama. Koefisien absorbsi film Ga
2
O
3
dengan doping Eu yang
ditumbuhkan meningkat sebanding dengan kenaikan daya plasma yang digunakan
selama penumbuhan.
Karakterisasi photoluminescence (PL) menunjukkan film tipis Ga
5% mempunyai luminesensi lebih tinggi daripada Ga
luminesensi Ga
2
O
3
2
O
3
2
O
3
:Eu
:Eu 2%. Intensitas
:Eu 5% terjadi pada panjang gelombang 603 nm yang
memancarkan warna merah sesuai dengan hasil penelitian sebelumnya, sedangkan
intensitas film tipis Ga
2
O
3
:Eu 2% berada di bawah intensitas Ga
dimana puncak luminesensinya bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek
yaitu 593 nm (2,1 eV). Struktur film tipis Ga
2
O
3
2
O
3
:Eu 5%
:Eu menjadi rendah pada saat
keadaan doping tinggi, karena akseptor Eu telah mengkompensasi kekosongan
oksigen. Konsentrasi doping Eu pada film tipis Ga
pada fraksi mol 2% (Maruly, I.D., 2007).
2
O
3
:Eu 2% optimum berada
Film tipis ZnO:Al telah ditumbuhkan menggunakan dc magnetron
sputtering dengan variasi tekanan gas argon (0,13 - 2,76 Pa) dan temperatur
substrat (373 – 773 K) (Kwak, Dong-Joo, et al, 2004).
Hasil XRD menunjukkan puncak difraksi menjadi lebih tinggi dan lebih tajam dengan berkurangnya
tekanan gas argon. Kristalinitas film meningkat dan ukuran butiran kristal menjadi
lebih besar pada tekanan argon lebih rendah. Hal ini ditujukan untuk
meningkatkan transfer momentum dari atom-atom tersputter menuju substrat
selama penumbuhan. Pada temperatur substrat sampai dengan 673 K puncak
difraksi XRD juga meningkat lebih tinggi dan menurun pada temperatur yang
lebih tinggi. Bertambahnya temperatur substrat juga menyebabkan kristalinitas
film meningkat dan ukuran kristal menjadi lebih besar.
10
-4
Resistivitas listrik terendah dari film ZnO:Al diperoleh dengan nilai 6,5 x
Ω-cm pada tekanan argon 0,13 Pa dan pada temperatur substrat 673 K. Hal ini
berhubungan dengan mekanisme konduksi yang mengindikasikan bahwa
resistivitas ditentukan utama oleh mobilitas Hall dan konsentrasi pembawa
muatan yang dipengaruhi oleh perubahan ukuran butiran kristal dan grain
boundary scattering pembawa muatan. Transmitansi film meningkat dari 85 %
sampai 91,46 % dan tepi optik bergeser menuju panjang gelombang yang lebih
pendek dengan berkurangnya tekanan gas argon (Kwak, Dong-Joo, et al, 2004).
Sputtering merupakan proses penembakan partikel-partikel (atom-atom
atau ion-ion) berenergi tinggi pada sebuah target sehingga atom-atom individu
target memperoleh energi yang cukup tinggi untuk melepaskan diri dari
permukaan target. Atom-atom yang tersputter terhambur ke segala arah, kemudian
difokuskan pada substrat untuk membentuk lapisan tipis (Sudjatmoko, 2003).
Gas
argon murni (kemurnian 99,99%) umumnya digunakan sebagai gas sputtering
yang mengalami proses ionisasi dan membentuk plasma (terdiri atas elektron, ion bermuatan positif dan molekul netral) pada tekanan parsial di dalam tabung
plasma dalam orde 10
-3
Torr. Semakin banyak elektron dan ion-ion bermuatan
positif yang menumbuk target maka semakin banyak atom-atom target yang
tersputter menuju substrat untuk membentuk film tipis. Alasan digunakannya gas
argon sebagai gas pensputter adalah berat atomnya relatif tinggi (Mr = 40),
harganya murah, merupakan golongan gas mulia terbanyak di udara, termasuk gas
mulia yang bersifat inert (sulit berikatan dengan unsur lain) dan mudah
mengalami ionisasi.
Penumbuhan dengan metode dc magnetron sputtering memberikan
kemudahan dalam pengoperasiannya, tingkat deposisi tinggi, prosesnya stabil, dan
biaya relatif murah. Pada penelitian ini difokuskan pada penumbuhan lapisan tipis
Ga
2
O
3
doping Mn dengan variasi tekanan gas argon (Ar) sebagai gas pensputter
yang menggunakan dc magnetron sputtering.
1.2 Permasalahan
Berdasarkan latar belakang di atas, maka permasalahan yang dikaji adalah
bagaimana pengaruh tekanan gas Ar pada penumbuhan film tipis Ga
Mn terhadap struktur dan sifat optik film yang terbentuk dengan metode dc
magnetron sputtering.
2
O
3
doping
sifat luminesensi yang baik (Minami, et al, 2003).
23.40
Unknown
Comment With Facebook!
Rating: 4.5 | Reviewer: Unknown | ItemReviewed: PENGARUH TEKANAN GAS ARGON PADA PENUMBUHAN FILM TIPIS Ga 2 O DOPING Mn DENGAN MENGGUNAKAN METODE DC MAGNETRON SPUTTERING
Posted in: Fisika
Posted in: Fisika