PENGARUH KONSENTRASI KARBON TERHADAP DENSITAS...

4
ProsidingPertemuan llmiah SainsMateri III Serpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897 PENGARUH KONSENTRASI KARBON TERHADAP DENSITAS .s~6 KEADAAN ELEKTRON TERLOKALISASI DI DAERAH PSEUDO-GAP Lusitra Munisa 1 daD Rosari Saleh 1,2 Program Studi Fisika, Program Pascasarjana Universitas Indonesia, Jakarta 10430 2 Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Indonesia, Depok 16424 ABSTRAK PENGARUH KONSENTRASI KARBON TERHADAP DENSITAS KEADAAN ELEKTRON TERWKALISASI DI DAERAH PSEUDO-GAP. Pengaruh kehadiran karbon terhadap densitaskeadaanelektron terlokalisasi di daerah p.\"eudo-gap dipelajari dengan melakukan variasi konsentrasigas metanpada lapisan tipis a-Sil., C,:H yang dideposisi denganmetode DCRMS padaflow rate gashidrogen konstan. Densitas keadaanterlokalisasi dianalisisdengan menggunakanbasil pengukuran reflektansi- transmitansi, PDS (phototermal deflection .\"pectro.\"copy) dan spektroskopi ESR (electron .\"pin re.\"onance). Konsentrasi karbon pada lapisan tipis bertambah denganmeningkatnya konsentrasi gas metana tetapi konsentrasi karbon yang diperoleh kurang dari 50% unruk konsentrasi gas metan mencapai 80 % atau lapisan tipis a-Si,.,C,:H yang dih~silkan berada pada kondisi silikon domin3l1. Gap optis bertambah dengan meningkatnya konsentrasi karbon dari 1,7 eV sampai 2,5 eV. Peningkatan konsentrasi karbon menggeser kurva koefisien absorpsi optis ke daerah energi yang lebih tinggi dan memperlebar densitas keadaan di daerah tail. Densitas .\"pin tidak mengalami perubahan yang berarti dengan peningkatan karbon tetapi faktor-g bergeser ke harga yang lebih rendah dan lebar kurva absorpsi (DHrr) bertambah dari 7G sampai lOG. ABSTRACT THE EFFECT OF CARBON CONCENTRATION ON LOCALIZED ELECTRONIC DENSITY OF STATES INSmE THE PSEUDO-GAP. The effect of the carbon content in the a-Si,_,C,-:H films on the density of states inside the pseudo-gaphas been studied by varying methane concentration under constant hidrogen and argon plasma mixtures. The films were prepared by DCRMS methods and characterized by reflectance-transmittance, PDS and ESR measurements.We obtained that the carbon concentration could not be larger than 50 % even for 80 % methane concentration. The concentration of carbon incorporated in the films increased as the methane concentration increased but all of the films were still in the Si-richcondition. The optical gap varied from 1.7to 2.5 eV. PDS results showed that the absorption coeffiecient shifted to the higher energy level and the slope of the band tails becomes wider for higher carbon concentration. There was no significant changes on the spin density, the g-value decreased and the peak to peak line width (DH ) changed from 7G to 10 G with the carbon contained pp increased in the films. KATA KUNCl : Keadaan terlokatisasi, pseudo-gap, sitikon karbon amon PENDAHULUAN sangat dipengaruhi oleh band tail.v daD densitas keadaan defek di daerah p.veudo-gap [7,81 sehingga pengetahuan tentang keadaanelektron terlokalisasi (lo- calized .vtate) di daerah p.veudo-gap disebabkan oleh kehadiran atom karbon sangat diperlukan untuk meningkatkansifat optoelektronik material a-SiC:H. Pada penelitian ini lapisan tipis a-SiC:H dengan konsentrasi karbon yang bervariasi diperoleh dari metode deposisi DCRMS (direct current reactive mag- netron .vputtering). Keadaan elektron terlokalisasi (lo- calized .vtate) di daerah p.veudo-gap akan dianalisis dengan hasil pengukuran reflektansi daD transmitansi, PDS (photothermal deflection .vpectro.vcopy) daDESR (electron .vpin re.vonance) spektroskopi. Lapisan tipis amorf silikon karbon (a-Si"C,:H) diaplikasikan sebagai window layer pada lapisan tipis setsurya berbasis a-Si:H, fotoreseptor daD sebagai lapisan insulator pada transistor berbentuk lapisan tipis (TFT/thin./ilm tran.\'istor) [1,2] karena gap optis material tersebut dapat ditingkatkan dengan menaikkan konsentrasi karbon. Masalah yang timbul dart peningkatan konsentrasi karbon adalah berku- rangnya gap optis pada konsentrasi karbon tinggi disebabkan meningkatnya konfigurasi ikatan C-C Sp2 (graphite-like) dibandingkan dengan konfigurasi ikatan C-C sP! (diamond-like) [3-5]. Penambahan konsentrasi karbon juga akan meningkatkan ketidakteraturan di daerah p.\'eudo-gap daD meningkatkan pula densitas keadaan defek. yang dapat memberikan pengaruh negatif terhadap sifat optis daD transpor listrik lapisan tipis a-SiC:H [6]. Kedua karakteristik material tersebut EKSPERIMENTAL Lapisan tipis a-SiC:H dideposisi padasubstrat coming 7059 dengan metodedeposisi DCRMS yang Lusitra Munisa dan Rosari Saleh 370

Transcript of PENGARUH KONSENTRASI KARBON TERHADAP DENSITAS...

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

PENGARUH KONSENTRASI KARBON TERHADAP DENSITAS.s~6 KEADAAN ELEKTRON TERLOKALISASI

DI DAERAH PSEUDO-GAP

Lusitra Munisa 1 daD Rosari Saleh 1,2

Program Studi Fisika, Program Pascasarjana Universitas Indonesia, Jakarta 104302 Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Indonesia, Depok 16424

ABSTRAKPENGARUH KONSENTRASI KARBON TERHADAP DENSITAS KEADAAN ELEKTRON TERWKALISASI

DI DAERAH PSEUDO-GAP. Pengaruh kehadiran karbon terhadap densitas keadaan elektron terlokalisasi di daerah p.\"eudo-gapdipelajari dengan melakukan variasi konsentrasi gas metan pada lapisan tipis a-Sil., C,:H yang dideposisi dengan metode DCRMSpadaflow rate gas hidrogen konstan. Densitas keadaanterlokalisasi dianalisisdengan menggunakan basil pengukuran reflektansi-transmitansi, PDS (phototermal deflection .\"pectro.\"copy) dan spektroskopi ESR (electron .\"pin re.\"onance). Konsentrasi karbonpada lapisan tipis bertambah dengan meningkatnya konsentrasi gas metana tetapi konsentrasi karbon yang diperoleh kurang dari50% unruk konsentrasi gas metan mencapai 80 % atau lapisan tipis a-Si,.,C,:H yang dih~silkan berada pada kondisi silikondomin3l1. Gap optis bertambah dengan meningkatnya konsentrasi karbon dari 1,7 eV sampai 2,5 eV. Peningkatan konsentrasikarbon menggeser kurva koefisien absorpsi optis ke daerah energi yang lebih tinggi dan memperlebar densitas keadaan di daerahtail. Densitas .\"pin tidak mengalami perubahan yang berarti dengan peningkatan karbon tetapi faktor-g bergeser ke harga yang lebihrendah dan lebar kurva absorpsi (DHrr) bertambah dari 7G sampai lOG.

ABSTRACTTHE EFFECT OF CARBON CONCENTRATION ON LOCALIZED ELECTRONIC DENSITY OF STATES

INSmE THE PSEUDO-GAP. The effect of the carbon content in the a-Si,_,C,-:H films on the density of states inside thepseudo-gap has been studied by varying methane concentration under constant hidrogen and argon plasma mixtures. The filmswere prepared by DCRMS methods and characterized by reflectance-transmittance, PDS and ESR measurements. We obtainedthat the carbon concentration could not be larger than 50 % even for 80 % methane concentration. The concentration of carbonincorporated in the films increased as the methane concentration increased but all of the films were still in the Si-richcondition.The optical gap varied from 1.7 to 2.5 eV. PDS results showed that the absorption coeffiecient shifted to the higher energy leveland the slope of the band tails becomes wider for higher carbon concentration. There was no significant changes on the spindensity, the g-value decreased and the peak to peak line width (DH ) changed from 7G to 10 G with the carbon contained

ppincreased in the films.

KATA KUNCl : Keadaan terlokatisasi, pseudo-gap, sitikon karbon amon

PENDAHULUAN sangat dipengaruhi oleh band tail.v daD densitaskeadaan defek di daerah p.veudo-gap [7,81 sehinggapengetahuan tentang keadaan elektron terlokalisasi (lo-calized .vtate) di daerah p.veudo-gap disebabkan olehkehadiran atom karbon sangat diperlukan untukmeningkatkan sifat optoelektronik material a-SiC:H.

Pada penelitian ini lapisan tipis a-SiC:H dengankonsentrasi karbon yang bervariasi diperoleh darimetode deposisi DCRMS (direct current reactive mag-netron .vputtering). Keadaan elektron terlokalisasi (lo-calized .vtate) di daerah p.veudo-gap akan dianalisisdengan hasil pengukuran reflektansi daD transmitansi,PDS (photothermal deflection .vpectro.vcopy) daD ESR

(electron .vpin re.vonance) spektroskopi.

Lapisan tipis amorf silikon karbon(a-Si"C,:H) diaplikasikan sebagai window layer padalapisan tipis set surya berbasis a-Si:H, fotoreseptor daDsebagai lapisan insulator pada transistor berbentuklapisan tipis (TFT/thin./ilm tran.\'istor) [1,2] karena gapoptis material tersebut dapat ditingkatkan denganmenaikkan konsentrasi karbon. Masalah yang timbuldart peningkatan konsentrasi karbon adalah berku-rangnya gap optis pada konsentrasi karbon tinggidisebabkan meningkatnya konfigurasi ikatan C-C Sp2(graphite-like) dibandingkan dengan konfigurasi ikatanC-C sP! (diamond-like) [3-5]. Penambahan konsentrasikarbon juga akan meningkatkan ketidakteraturan didaerah p.\'eudo-gap daD meningkatkan pula densitaskeadaan defek. yang dapat memberikan pengaruhnegatif terhadap sifat optis daD transpor listrik lapisantipis a-SiC:H [6]. Kedua karakteristik material tersebut

EKSPERIMENTALLapisan tipis a-SiC:H dideposisi pada substrat

coming 7059 dengan metode deposisi DCRMS yang

Lusitra Munisa dan Rosari Saleh370

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sain,\' Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

dilakukan di jurusan Fisika Universitas Indonesia. Targetsilikon dengan kemumian 5 N divputtering dalamcampuran gas argon, hidrogen daD metan. Komposisikarbon yang berbeda diperoleh dengan cara melakukanvariasi./low rate gas metana daD deposisi dilakukan padstemperatur substrat 200 °C. Ketebalan lapisan tipis diukurdengan menggunakan DEKTAK 3030. Komposisi silikondaD karbon lapisan tipis ditentukan dengan EPMA

(electron probe micro-analy.vi.v) yang menggunakanberkas elektron dipercepat dengan potensial sebesar7 kV. Kristal SiC digunakan sebagai standar kalibrasikomposisi silikon daD karbon. Gap optis ditentukan daTibasil pengukuran retlektansi (R) daD transmitansi (T)dengan menggunakan UV -VIS spektrofotometer padapanjang gelombang 250-850 om. Cahaya diarahkan padasisi lapisan tipis. R daD T diukur pada posisi yang sarnauntuk mengeliminasi kesalahan yang disebabkanketebalan sampel yang bervariasi [9]. Koefisien absorpsiortis diperoleh daTi basil pengukuran PDS (phototermaldej1e(~tion .vpectro.vcopy). Besar faktor-g clan densitas.vpin diperoleh daTi pengukuran ESR (electron .vpin

re.vonance) pada temperatur ruang dengan meng-gunakan standar X-band ESR spectrometer (dayamicrowave P m,,=2 mW). Sampel amorfsilikon (a-Si) basildeposisi dengan metode rf .vputtering yang telahdiketahui densitas spin-nya digunakan untuk mengka-librasi medan magnet daD sebagai referensi dalamperhitungan densitas spin sampel a-SiC:H padapengukuran spektroskopi ESR. Pengukuran PDS clan ESRdilakukandi FA Jiilich Jerman.

4 daD 8 sccm diperlihatkan pada Gambar 1. Konsentrnsikarbon pada lapisan tipis bertambah dengan mening-katnya konsentrasi gas metana yang dipergunakantetapi konsentrasi karbon lapisan tipis yang dihasilkanmasih di bawah 50 % atau berada dalam kondisi silikondominan walaupun konsentrasi gas metana sudahmencapai 80%. Hasil yang sarna diperoleh untuk ketigaflow rate gas hidrogen sehingga pada pembahasanselanjutnya hanya akan ditampilkan untukflow rate gashidrogen 2 sccm. Gap optis EO4 lapisan tipis amorf silikonkarbon (a-Si,_. C.:H) untuk setiap konsentrnsi karbon xdiperlihatkan pada Gambar 2. Gap optis ditentukan

2.6

H~ = 2 sccm

.

2.4

.

2.2

-tc

W

2.0

.

1.60.1 0.2 0.3

C I [C+Si)

Gambar 2- Eo. sebagai fungsi konsentrasi karbon lapisantipis a-Si I-x Cx:H

dengan menggunakan definisi energi E04 yaitu energipada saat koefisien absorpsi optis berharga 104 cm-1yang diperoleh daTi basil eksperimen reflektansi daDtransmitansi [9]. Bertambahnya konsentrasi karbon padalapisan tipis meningkatkan gap optis daTi 1,7 e V untukx=O, 15 sampai 2,5 e V untuk x=O,31. Perubahan keadaanterlokalisasi pada p.veudo-gap terhadap pertambahankonsentrasi karbon dapat diketahui dengan mengguna-kan basil pengukuran PDS. Gambar 3 memperlihatkankoefisien absorpsi optis (X basil pengukuran PDSuntuk setiap konsentrasi karbon. Koefisien absolpsioptis a memperlihatkan bentuk kurva eksponensial yangmenyatakan transisi elektron daTi keadaan tail (tail.vtate)di pita valensi ke keadaan tail di pita kond1Jksi.Keberadaan keadaan tail disebabkan ketidakteraturanpada jaringan amorf silikon karbon. Absorpsi yangterjadi karena adanya defek pada daerah p.veudo-gapdiperlihatkan dengan adanya .vhoulder pada kurvakoefisien absorpsi optis a. Bertambahnya konsentrasikarbon menggeser kurva koefisien absOlpsi optis a keenergi yang lebih tinggi daD meningkatkan ketidak-teraturan pada jaringan amorf silikon karbon sepertiterlihat daTi bertambahnya kemiringan kurva koefisienabsolpsi optis a pada Gambar 3. Selain itu penambahankarbon juga akan meningkatkan microvoid daDdangling bond yang disebabkan oleh perbedaan pa-

BASIL DAN DISKUSI

Penentuan konsentrasi karbon dalam lapisantipis amorf silikon karbon bukan merupakan problemyang trivial clan dalam penelitian ini penentuannyadilakukan dengan metode analisis microprobe. HasilEPMA konsentrasi karbon pada setiap konsentrasi gasmetana (CH4/CH4 +H) untuk.flow rate gas hidrogen 2,

0.35.H 2 = 2 Iccm

.H 2 = 4 Iccm

..H2=8lccm

.

0.30

..

025--"0+U 020--U

015

..

0.10 ..

.

0050.0 0.2 04 0.6 0.8

CH4' [CH4+H21

Gambar 1. Konsentrasi karbon sebagai fungsi kom.posisi gas melan untuk flow rate gas ")

(8) 2. (8) 4 daD (A) 8 sccm

371Lu.\'itra Muni.\'a dan Rosari Saleh

Pro.\'idinl( Pertemuan /lmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

diperlihatkan pada Gambar 5. Pertambahan konsentrasikarbon mengakibatkan kenaikan yang tidak terlaluberarti pada densitas ."pin karena perubahan yang teljaditidak terlalu besar dan ketiga sampel tersebut memilikidensitas ."pin sekitar N, » 1 OIH spin/cm3.Hal tersebut juga dapat dilihat daTi ."houlder kurva

10'

-E~rs 10'

1 2 3

hv leV)

::Jam bar 3. Kurva koefisien absorpsi optis u basilpengukuran PDS untuk sampel dengankonsentrasi karbon x=O,15(0), O,28(A)danO,31 (0)

rameter kisi karbon daD silikon, para-meter kisi karbonlebih kecil daTi silikon (66 % dibandingkan silikon) [10].

Kecenderungan terjadinya dangling bond denganpertambahan konsentrasi karbon bisa dijelaskan sebagaiberikut yaitu disebabkan (1) panjang ikatan kovalenkarbon (0.77 A) lebih pendek dibandingkan silikon(1.17 A), (2) kecenderungan karbon untuk memilikibilangan koordinasi 3, yaitu kecenderungan karbonmembenulk ikatan Sp2 diban-dingkan Sp3 [10] atau (3)perubahan atom yang berikatan dengan atom hidrogen.Morimoto et at. [I I] memperoleh jumlah ikatan C-H peratom C lebih besar dibandingkan dengan jumlah ikatanSi-H per atom Si atau rC-H]/[Cl > rSi-Hl/Si.

Gambar 5. Densitas spin, tlH dan faktor-gpp

lapisan tipis a-Si,-.C,:H untukx=O,15, 0,28dan 0,31

EO4

Gambar 4. Spekl.rum ESR daD g-value lapisan I.ipis

a-Si...(",:H unl.uk konsenl.rasi karbon

x=0,15 " 0,28 dan 0,31

Gambar 4 memperlihatkan spektrum ESR untukketiga sampel dengan konsentrasi karbon x=O,15,0,28daD 0,31, Densitas spin, faktor-g daD lebar kurvaabsorpsi (DH",,) spektrum ESR untuk ketiga sampel

Gambar 6. Lebar kurva absorpsi L\H terhadap"gap optis Eo. lapisan tipis a-Sil..C.:Huntuk x=O,15 ,0,28 daD 0,31

372 Lus;tra Mun;sa dan Rosari Saleh

Pro.\"iding Pertemuan Ilmiah Sain.\" Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

koefisien absorpsi optis a hasil pengukuran PDS yangtidak rnengalarni perubahan yang berarti. Pertarnbahankonsentrasi karbon rnenggeser faktor-g ke harga yang\ebih rendah daTi g=2,OO39 untuk x~, 15 sarnpai g=2,0028untuk x~,31. Hasil yang diperoleh sesuai dengan hasileksperirnen untuk a-Si:H (x=O) dengan faktor-g 2,0055daD untuk a-C:H (x= I) dengan faktor-g 2,0023 [12]. Halyang sarna juga terjadi untuk \ebar kurva absorpsiSpektrurn ESR (DH ) yang bertarnbah lebamya dengan

1'1'

peningkatan konsentrasi karbon. Garnbar 6 rnern-perlihatkan perubahan lebar kurva absorpsi spektrurnESR (DH"I') daTi 7 G sarnpai 10 G untuk EO4 yangbesamya 1,7 e V sarnpai 2,5 e V.

DAFTAR PUSTAKA

KESIMPULAN

Penambahan konsentrasi karbon meningkatkangap optis lapisan tipis a-Sil.. C.:H clan menggeser kurvakoefisien absorpsi optis a ke energi yang lebih tinggiselia menambah kemiringan kurva tanpa perubahanyang berarti pada densitas spin walaupun densitas spinyang diperoleh masih cukup besar sekitar N »lO'8.\'pin/.cm!.

UCAPANTER.IMA KAS.IH

Penelitian ini terlaksana atas dukungan UnivesityResearch Graduate Education (URGE) dan Gennan-In-donesia Corporation Program of BMBF (INT -KFA

Jiilich).

[1]. G.LEO, G.GALLUZI, G.GUATTARI, R. VIN-CEN-ZONI, F.DEMICHELIS, G.CROVINI, C.F. PIRRI,E.TRESSO, J. Non-Cryst. Solids 164-166 (1993)1035

[2]. M.P. CARRENO, I. PEREYRA DAN AM. ANDRA-RE, in: Surface Science-Lecture on Basic Conceptsand Applications, ed. F.A. Ponce and M. Cardona

(1992)387[3]. J. FOLSCH, H. RUBEL, H. SCHADE, Appl. Phys.

Lett. 61 (1992)3029[4]. Y. LI, A. CATALANO, B.F. FIELSELMANN in :

Amorphous Silicon Technology" 258 (1992) 923[5]. J. BULLOT DAN M.P. SCHMIDT, Phys. Status

Solidi (b) 143 (1987) 345[6]. A.S. VOLKOV; H. HERREMANS, W. GREVEN-

DONK, V. BAPllST, C. V. CHERNYSHOV, 0.1.KONJKOV, W. LAUWERENS AND G.J. ~-RlAENSSENS, Solid State Commun. 80 (1991) 383

[7]. G.D. CODY, J. Non-Cryst. Solids 141 (1992) 3[8]. F. DEMICHELIS, G. GROVINI, C.F. PIRR!, E.

TRESSO, R. GALLONI, R. RIZZOL!,C. SUMMONTE, G. AMATO, P. RAVA DAN A.MADAN, in: Amorphous Silicon Technology-1993,eds. E.A. Schif, M.J. Thompson, A. Madan, K.Tanaka dan P.G. LeComber, 297(1993)681

[9]. M. JAHJA, LUSITRA MUNISA, R. SALEH, PISMII Prosiding (1997) 378

[10]. M. FATHALLAH, J. Non-Cryst. Solids 164-166

(1993)909[II]. A.MORIMOTO, T. MIURA,M. KUMEDA DAN J.

SlliMlZU,Appl. Phys. Leti.53 (1982)11[12]. SUSANNE SCHUTTE, Dissertation Ztn" Erlangung

des Doktorgrades der Natur-wissenschaften

(Dr.rer.nat.), Marburg (1995)12

373Lusitra Munisa dan Rosari Saleh