Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN1410-2897

DOPING DAN PASIVASI BAHAN SEMIKONDUKTOR CuIn1-xGaxSe2DENGAN ION IMPLANTASI H+

53&

Arya Rezavidi t , Budiarto2 , Achmad ArslawI LSDE -BPPT -Serpong

2 PPSM -BATAN -Serpong

r~

n

~J

(,

ABSTRAKDOPING DAN PASIVASI BAHAN SEMIKONDUKTOR CuInl-.Ga,Se1 DENGAN ION IMPLANTASI H+. Kristal

tunggal Culnl_"Ga"Se1 dengan tipe konduktifitas bahan n clan p telah berhasil diimplantasi dengan ion hydrogen yang diperkuatsebesar 40 keY (dosis 2xlOl5 to 6xlOl5 cm-3) pada suhu kamar. Terlihat bahwa bagian permukaan pada sampel tipe -p CulnSeterjadi perubahan konduktififus setelah mengalami tembakan ion dengan dosis 3xlOl5 cm'3. Teknik ion implanfusi terbukti cuku~ampuh dalam mengontrol perubahan permukaan bahan semikonduktor Culn,_"Ga"Se1 secara lokal terhadap populasi cacatintrinsik clan pembuatan 'homojunction' serta lapisan yang diproduks\ dapat dipakai dalam aplikasi divais photovolatic.

ABCTRACT

DOPING AND PASSIVATION OF SEMICONDUCTOR MATERIAL CuInl_,Ga,Se1 FOLLOWING H+ IONIMPLANTATION. 40 keY hydrogen ions with doses 2xlOl5 to 6xlOl5 cm-3 have been implanted into single crystals of CuInl-Ga Se with nand p-type conductivities at room temperature. It has consistently been observed that the surfaces region of as

gro~:p-type CuInSe2 sample implanted with hydrogen change to n-type. The implantation technique appears to offer ameasure of localized control over the effective intrinsic defect densities in CuInl-xGa"Se2 and the shallow homojunctions andlayers produced by implantation could find applications in photovolatic devices.

PENDAHULUAN

implantasi ion H+ dapat merubah tipe konduktivitasbahan dari -p menjadi tipe -n untuk CulnSer

Selama ion implantasi berlangsung atom' dopant'dipercepat (' accelerated') daD diarahkan kepermukaansampel Culnl-xGaxSer Atom ini merna-suki kisi kristaldaD bertabrakan dengan atom-atom Culnl-xGaxSe2 daDakhimya sedikit demi sedikit kehilangan energinyasampai akhimya berhenti pada suatu titik di kedalamantertentu di dalam kisi krista!. Rata-rata kedalaman dapatdikontrol dengan mengatur percepatan atom. Dosis'dopant' dapat ditentukan dengan memonitor arus ionselama proses ion implantasi berlan~g. Hal yang pal-ing penting dalam proses ini adalah 'range' daDdistribusi ion yang terimplantasi.

Ion implantasi adalah memasukkan atom keIapisan pennukaan bahan padat dengan menembakkanion ke permukaan bahan padat tersebut dalam rangeenergi keY sampai MeV Ide doping semikonduktordengan teknik ion implantasi telah dipatenkan olehShockley dari Laboratorium Bell pacta tahun 1954 [IJ.Metoda ini sangat bermanfaat karena dapat dikontroldaD dapat diulang lagi prosesnya. Secara prinsipbekerjanya metoda iniadalah dengan melakukan 'scan-ning' berkas ion di alas permukaan sampel untukmendapatkan distribusi 'dopant' yang uniform diseluruhbagian permukaan sampel. Jumlah 'impurity' yangdimasukkan daD menembus kedalam Sc1lllpel tergantungpacta dosis daD energi berkas yang dapat dikontrolsecara tepat.

Sampai saat ini sangat sedikit publikasi yangberkaitan dengan efek ion implantasi terhadapkarakteristik bahan semikonduktor CuInl-xGaxSe2,walaupun banyak peneliti percaya bahwa implantasi ionH+ akan mengurangi rekombinasi di permukaan bahanini. Perubahan fisis atau pembahan susunan atom akibation implantasi ini dalam banyak hat tidak benar-benardimengerti oleh para peneliti saat ini. Suatu hipotesamenyatakan bahwa ion H+ mem- pasivasi kekosonganatom akibat ketiadaan atom Cu ('Cu vacancies') didaerah dekat permukaan sampel. Hasil yang sangatpenting dari percobaan ini adalah bukti bahwa

PERALATAN ION IMPLANTASI

Alat ion implantasi yang dipakai dalam }x:rcobaanini adalah 'Lintoff Series I Isotope Separator'. Mesinterdiri daTi tiga unit somber ion ('ion source'), }x:mokusberkas, daD mang target. Ketiga unit tersebut divakumsampai tekanan 10-6 Torr dengan menggunakan sistempompa difusi/ rotaii. Somber ion, dengan teganganpotensial yang tertentu, dikenal sebagai somber tipeFreeman. Somber ion ini terdiri dari filamen tungstenams tinggi diletakkan pada sebuah titik pusat sebuahgraphit yang terletak pada mangan melengkung, daD

Arya Rezavidi dkk.374

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III,\'erpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

PERCOBAANbeda tegangan antara dinding ruangan dengan filamenpanas adalah dibiarkan tetap -100 V. Medan magnetyang sengaja ditimbulkan sejajar dengan filamen tung-sten (diameter tangkai tungsten 2mm), secara bersama-sarna dengan medan magnet yang dihasilkan olehfilamen mem-berikan trayektori (arab) dan memperl>esarkemung-kinan terjadinya ionisasi. Ion yang diharapkandibasilkan daTi gas Hydrogen. Filamen diberi arus daTisomber arus 4 kV DC. Biasanya dengan arus sebesar 1A sudah cukup menimbulkan berkas yang cukup kuat,walaupun tersedia sampai batas 3 A. Gas plasma yangmemasuki ruangan telah terionisasi daD ionmeninggalkan somber (source) melalui celah berbentuksegiempat. Somber dihubungkan dengan transformerisolasi 80 kV, sehingga tegangan somber dapatdinaikkan sampai maksimum 40 kV Pada saat operasi,tekanan diukur pada range 10-5 sampai 2xl0-4 Torr.

Berkas yang diekstrasi daTi sumber tidaklahmumi. beberapa muatan. partikel pol i-atom, serta impu-ri~v dengan masa yang hampir sarna dengan masa Hy-drogen juga ikut serta daD biasanya secara umumsangat tidak diharapkan. Untuk keper-luan itu digunakanpenganalisa masa elektromagnetik. Magnet penganalisamasa ini dapat membangkitkan fluks magnet uniformsebesar II kGaus selebar tabung 14 cm. lni adalah mag-net sektor 600 dengan berkas radius netral sepanjang40 cm. Berkas ion biasanya setinggi 4 cm dari target danlebarnya ~ 2mm. Uniformitas doping didapatkan denganmelakukan sapuan (scanning) berkas hanya dalam arabhorizontal. Berkas digerakkan secara magnetiksepanjang target dengan menambahkan tegangan sinu-soidal kecil di alas tegangan percepatan 40 kV.Modulasi kecepatan sinusoidal daTi berkas yangterekstrasi kemudian dikonversikan melalui magnetpenganalisa menjadi kecepatan sapuan horizontal. Inikesemuanya diperlu-kan untuk mendapatkan basil yanguniform.

Ruang target yang dipakai dalam implantasiadalah aluminium berbentuk struktur kubus danmempunyai ruangan terpisah di sisinya yang dapatdivakumkan dengan pompa rotari. Sistem seperti inimemungkinkan untuk membiarkan ruangan targetdalam tekanan atmosfir pada saat peletakan sampel.Magnet permanen diletakkan di alas daD di bawah tar-get memberikan medan magnet yang dapat mengem-balikan elektron sekunder kembali ke target selamaproses ion implantasi berlangsung. Di dalam ruang tar-get ada blok tembaga yang dipasang pada baja stainlesdingin yang dapat digunakan untuk cairan nitrogendalam mendinginkan substrat yang panas. Sampeldiletakkan di atas tembaga sesuai dengan arab berkasuntuk mengurangi efek 'channeling' selama proses ionimplantasi. Substrat dipanaskan daD ditutup dengantutup segiempat di depan target hila diperlukan,sehingga luasan yang tersapu oleh ion dapat ditentukansecara pasti.

Sebelum percobaan sampel disiapkan dengantahapan persiapan sebagai berikut:-Beberapa sampel daTi ingot yang berbeda daTi

senyawa kristal tunggal CuInl-xGaxSe2 dipilih untukpercobaan ini.

-Sampel dipilih yang bebas retakan daD void. Padapercobaan ini dilakukan pengujian sampel untuksenyawa kristal tunggal CuInl-xGaxSe2 dengankomposisi x=O%, 5%, 20%, daD 25%.

-Sebelum dilakukan pengujian kristal tunggal

quaterner CuInl-xGaxSe2 diperlukan persiapan.Cuplikan dipotong-potong berbentuk lempengan (wa-fer) kemudian dipoles dengan amplas kertas' daTiukuran 2000 sampai dengan pasta ukuran 3 daD Imm serta pemolesan secara vibrasi dengan bubukAlumunium Oksida berukuran 0,05 mill.

-Sampel kemudian dibersihkan dengan genkleneuntuk'menghilangkan lemak yang biasanya dipakaiuntuk menempe.lkan wafer selama pemolesan

berlangsung.-Selanjutnya dilakukan proses etsa yaitu larutan 1 %

Bromine dalam alkohol selama 60 detik, atau larutaoH2SO4: K2CrO7, selama 5 detik. Lalu dibersihkandengan air deioniasi.

-Sampel kemudian dibagi menjadi 3 region (bagian)dengan- menorehkan permukaannya. Setiap regionmenerima dosis ion implantasi berbeda. Regionpertama sebagai region non-implantasi, daD dua re-gion lainnya dimplantasi dengan H+ dengan dosisberlainan. Ketika ion H+ ditembakkan ke permufaantertentu pada kristal, maka kedua region lainnyaditutup dengan pelat metal. Metoda ini dipakai untukmemastikan bahwa karakteristik konduktifitas yangdihasilkan didapat daTi sampel kristal yang sarnasehingga memiliki nilai perbandingan yang dapatdi pe rtan ggu ngj awabkan.

-Setelah ion implantasi, sampel kemudian dianilingdalam vakum pada suhu 3000 C, untuk mengaktivasi'dopant' daD menghilangkan kerusakan permukaan.

-Sampel kemudian diukur fotokonduktifitasnya.Untuk keperluan ini dua buah kontak kecildiperlukan untuk setiap region dengan dosisimplantasi berbeda. Kontak dibuat denganmengevaporasi titik metal dipermukaannya, denganmenggunakan masker untuk menutupi permukaanlainnya. Evaporasi dilakukan dengan alat 'Thermalevaporator' yang divakum pada tekanan 5x I 0-6 TorrdaD metal untuk kontak diuapkan pada boat tpng-sten.

-Pasta peTak kemudian dipakai untuk menempelkankawat peTak rambut pada kontak tersebut. Semuakontak dicek dengan 'curve tracer' Tektronix 575untuk dipastikan bahwa setiap kontak memilikikarakteristik 'ohmic'. Kontak tidak dapat dipakai bilakarakteristik tidak linier sampai dengan 5 mA.

375At:va Rezavidi dkk.

Prosiding Pertemuan Ilmiah .\'ains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998

ISSN1410-2897

Sampel dengan kawat perak dipasangkan pacta PC-board dan kawat perak disolder pacta terminalnya.Resistivitas sampel diukur dengan Four point probedan spektrum fotokonduktifitasnya diukur pactapanjang gelombang antara 700-1500 nm, berhu-bungan dengan energi 'photon' hv = 0,8-1,8 eV.

Bandgap didapatkan dengan mem-plot (ahv)2terhadap 'photon' energi, hv. Plot grafik iniditunjukkan pacta Gambar 5 sampai denganGambar8.

Gambar I. Spektrum fotokonduktifitas dari kristal tunggalp-CuInSe, diukur pada suhu mangan, sebelumdan sesudah ion implantasi H+.BASIL DAN PEMBABASAN

Gambar 1 sampai dengan 4 menunjukkanspektrum fotokonduktifitas yang didapat daTi sampeltipe -p daTi kristal tunggal CulnSe2, CulnO9jGaoojSe2,CulnOgGao2Se2, CulnO7jGaO2jSe2 berturutan sebelumdaD sesudah ion implantasi H+. Hasil membuktikanbahwa setelah dosis 3xl0'j cm.2, hanya CulnSe2

menunjukkan respon perubahan terhadap energi 'pho-ton' yang berhubungan dengan panjang gelombang1300 om. Tipe konduktifitas juga berubah daTi tire -

p menjadi -n setelah ion implantasi. Hasil pengukuranresistivitas dan ion implantasi ditunjukkan pactaTabell.

~~=::7~""

,\t-1.Nol.pia.. .2 '---' 2.1.pia" d- 2EI5 -2

1 -3.I_pla..d..«153

0 --~W.velOIIIda ( Dm )

Gambar 3. Spektrum fotokonduktifitas daTi krista! tunggalp- CuIno.Gao,Se, diukur pada suhu mangan.sebelum dan sesudah ion implantasi H+.

Spektrum [otokonduktifitas menunjukkanbahwa respon sebelum implantasi daTi bahan kristalCuln'.xGaxSe2 lebih lebar daTi pacta CulnSe2. Tetapibahan Culn,-x GaxS menunjukkan perubaban yang .Jebihkecil setelah implantasi H+ sampai dosis 6xlOls cm-2.Beberapa puncak kecil terlihat pacta panjang gelom-bang sekitar 700 sampai 1200 nm. Ini mungkinberhubungan dengan ketidaksempurnaan struktur daDsedikit defiasi akibat tidak uniformnya bahan [2]. Sudutabsorpsi (abc\'orption edge) menunjukkan bentukeksponensial untuk semua sampel. Bentuk ini dapatkemungkinan akibat medan listrik yang berhubungandengan ionisasi 'impurity' daD ketidaksempurnaanstruktural [3].

Plot (ahm)2 terhadap hm dipakai untuk menen-tukan bandgap daTi sampel dengan mengekstra-polasikan bagian yang linier pacta grafik. Hasilnyamenunjukkanbahwa bandgap bahan ini sesuai denganbasil yang telal1 dipublikasikan oleh Ciszek dkk [4] daDChu dkk. [5] sebagaimana ditabelkan pacta Tabel 2 dibawahiru.

Bertambahnya bandgap daD resistivity paduanCulnJ-x GaxSe2 serta pembahan konduktifitas pada bahanCulnSe2 setelah ion implantasi H' dapat diasosiasikandengan beberapa kemungkinan atau faktor penyebab.Pada saat ini telah diketahui bahwa karakteristik elektrikdari bahan kristal CuInl-xGaxSe2 sangat dipengamhi olehpopulasi dislokasi atom atau atom vakansi lainnya.Implantasi ion H+ telah menyebabkan terisinyakekosongan atom ini dengan atom-atom H, sehinggasecara pasti menambah besarnya resistivity bahan.Sebaliknya secara teoritis penempatan ion H+ di dalam

Gambar 4. Spektrum fotokonduktifitas daTi kristal tunggalp- CUlnO7PaOZ,Sez diukur pada suhu mangan,sebelum daD sesudah ion implantasi H

Arya Rezavidi dkk.376

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -2l Oktober 1998 ISSN 1410-2897

~

r=LM.-'- 2 ,.-""""'--51 I

IMI..II

~ ..1~~ It

.! 50~ ..~~-..

II ,#

':~.-;-..:... 1-:::: : ~, 1.-' 1 1.- 1- 1.1-._-orv..V(.V)

Gambar 6. Grafik (ahV) terhadap energi photon

Garnbar 8. Grafik (ahV) terhadap energi photon hV untuk

mengkalkulasi bandgap kristal tunggal p-CuIno7,Gao"Sev sebelum daD sesudah ionimplantasi H+.

Gambar 7. C.rafik (ahV) terhadap energi photon hV untuk

mengkal kulasi bandgap kristal tunggal p-CuInO8GaO,Se" sebelum dan sesudah ionimpIan tasi H+

Tabel Data sampe\ sebe\um dan sesudah ion implantasi

Sebelum ion implantasi Sesudah ion implantasiDen/(an dosis 2x1O1' ~.2Sam pel

Tipe konduktifitas Resistivitas(n-cm)

Tipekonduktifitas

Resistivitas(.Q-c~)

CuInSe2CuI~.,GaoOSSe2CuI~..oao2S~

~J~ 7'C'J80BSe2

~~0,04~

pp

~0.04

Sesudah ion implantasiDengan dosis 3xlO'5 cm-2

Sesudah ion implantasiDengan dosis 6xlOI' cm-2Sampel

Tipe konduktifitas Resistivitas(.(l-cm)

Tipekonduktititas

Resistivitas(.o.-cm)

CulnS~Culno9~Gaoo~SezCulno.cJ30zS~Culno 7'('J30"Se,

1.06!!.J.10,05

~

0,08

Arya Rezavidi dkk. 377

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 11/Serpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

atom vakansi ini seharusnya menyebabkanberkurangnya bandgap karena ion-ion ini akanmenempatkan dirinya pacta pusat-pusat rekombinasiyang letaknya berada di antara pita valensi dan pitakonduksi. Dengan demikian akhirnya akanmempersempit bandgap. Namun demikian dalampercobaan ini terjadi fenomena yang sebaliknya yangmasih belum dapat dijelaskan penyebabnya. Sangatsedikit sekali literatur yang menjelaskan karakteristikbahan CuIn'-xGaxSe2 ini menyebabkan penelitimengalami kesulitan untuk mencari referensinya. Untukhat ini perlu dilakukan penelitian lebih Ian jut denganmelakukan analisa dengan menggunakan SEMI TEMterhadap bahan CuIn'_xGaxSe2 ini.

UCAPAN TERIMAKASm

Penulis mengucapkan terimakasihyang sebesar-besarnya kepada Dr. R D Tomlinson dan Dr. MikeYakushev, masing-masing adalah stafpengajar jurusanElectronic and Electrical Engineering, University ofSalford, UK, dan rekan-rekan sejawat yang telah banyakmembantu dalam penelitian dan penulisan mafu'llah ini.Dan semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkansatu persatu.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. S M SZE, VLSI Technology, Mc. Graw-HiII BookCOmpany, New York, 1988.

[2J. EJAZ AHMED, Growth and Characterization ofCu(In, Ga)Se2 Thin Films for Solar CellApplications, Thesis submitted for the requirementofDoctor Phillosphy, University of Salford, 1995

[3]. D REDFIELD, M AFROMOWITZ, Applied PhysiscsLetter. 11,(1967),138.

[4]. T. F. C1S~ RBACEWICZ, J.R DURRANT, S. K.DEBB, D DUNLAVY, Crystal Growth andPhotoelectrical Properties of CuAg I_XlnSe] andCuln Ga l Se ] ,S'olid Solutions, Proc. 19th IEEE

y -y

Photovoltaic Specialist Conference, New York, 1987,1448-1453. -

[5]. J W CHU, A J DONOHOO, D HANEMAN,Properties of Culn l-xGazSe], Solar EnergyMaterials and Solar Cells, 25, (1992), 87.

KESIMPULAN

Pengukuran fotokonduktifitas dapat dipakaiuntuk menentukan nilai band-gap sampel paduanCulnSe2 clan Culn'_xGaxSe2. Pengukuran fotokon-duktifitas juga dilakukan untuk melihat responterhadap perubahan spektrum cahaya setelah implana-tasi ion H+. Bertambahnya band-gap serta resistivitasbahan sampel paduan Culn,_xGaxSe2, serta perubahankonduktivitas setelah implantasi ion H+ diasosiasikanberhubungan dengan beberapa faktor. Salah satukemungkinan tersebut adalah bahwa ion H+ mengisikekosongan atom pada state akseptor Cu vacancy.Secara teoritis dengan mengisi state akseptor Cu va-cancy seharusnya membawa pengaruh pada mengecil-nya bandgap. namun oleh sebab yang belum dapatdijelaskan yang terjadi adalah fenomena sebaliknya.

Sedangkan bertambahnya resistivitas bahandapat dijelaskan secara teoritis bahwa dengan terisinyakekosongan atom (atomic vacancies) oleh ion H+,dengan scndirinya mobilitas clcktron makin berkurang.Ini menycbabkan bertambahnya resistivitas bahan.

Masih banyaknya fenomena yang belum dapatditerangkansecara teoritis dalam pcnelitian ini secarapasti masih mcmbuka kcscmpatan untuk pcnelitianlanjutan terhadap bahan ini. tcrutama pcnelitianterhadap mikrostrukturnya dengan ,mcnggunakan SEMatau TEM