PENUMBUHAN FILM TIPIS Galium Nitrida (GaN) PENUMBUHAN FILM TIPIS Galium Nitrida (GaN) DENGAN METODE SOLDENGAN METODE SOL--GEL DAN APLIKASINYA GEL DAN APLIKASINYA

PADA FOTODETEKTOR ULTRAVIOLET (UV)PADA FOTODETEKTOR ULTRAVIOLET (UV)

Oleh :

Usulan penelitian Hibah Pekerti

Yuyu R. Tayubi, dkkYuyu R. Tayubi, dkk

Jurusan Pendidikan Fisika FPMIPA UPI2005

Oleh :

MotivasiMotivasi--11Mandat penyelenggaraan

program fisika murni di institusi kami

Berdasarkan kualifikasi kepakaran staf pengajar

di institusi kami

dikembangkan KBK : Fisika bumi, fisika material, dan fisika instrumentasi

Perlu penyusunan : Struktur kurikulum

Perlu pengembangan : Lab riset

MotivasiMotivasi--22

KBK Fisika material

bidang material bidang material optik

bidang material superkonduktor

Semikonduktor paduan III-V, Keramik, oksida, dll

bidang material semikonduktor optiksuperkonduktor

MotivasiMotivasi--33

Para personil belum berpengalaman

Program riset yang belum jelas

Fasilitas riset terbatas

Kendala dalam pengembangan lab dan penyelenggaraan riset

bidang ini

Perlu : Mitra pembina yang sarat dengan pengalaman, memiliki

fasilitas lab lengkap, dan program riset yang baik

Sebagai tempat kegiatan magang

MotivasiMotivasi--44

Untuk kepentingan itu, telah dirancang suatu kegiatan penelitian kerjasama yang lebih bersifat

pada pembinaan dan diusulkan ke proyek :

HIBAH PEKERTI

TPP : Tim dosen fisika material

jurusan fisika UPI

TPM : Tim dosen Lab Fismatel Dept.

Fisika ITB

Target/Sasaran dari kerjasama penelitian Target/Sasaran dari kerjasama penelitian

Personel TPP mendapat pengalaman dalam mendisain dan mengem-bangkan peralatan eksperimen

Personel TPP mendapatkan pengalaman eksperimen rekayasa bahan Personel TPP mendapatkan pengalaman eksperimen rekayasa bahan dan karakterisasinya

Personel TPP mendapatkan pengalaman dalam memfabrikasi dan meng-karakterisasi divais semikonduktor

Alasan pemilihan Lab Fismatel Alasan pemilihan Lab Fismatel ITB sebagai TPMITB sebagai TPM

Memiliki pengalaman luas dalam pengembangan berbagai fasilitas lab

Memiliki peralatan lengkap dan siap pakai untuk kepentingan riset bidang

semikonduktor

Para personilnya berpengalaman dalam merancang dan melaksanakan

berbagai riset bertaraf nasional maupun internasional (RUT, HIBAH

PASCA, RISTEK, TORAY, dll)

Para personilnya berpengalaman dalam mempublikasikan hasil riset

baik dalam bentuk jurnal nasional dan internasional maupun konference

Institusi terletak TPM satu kota dengan institusi TPP

Bentuk kerjasama TPM dan TPPBentuk kerjasama TPM dan TPP

- TPM memberikan pelatihan dalam rancang bangun peralatan laboratorium.

- TPM memberikan pelatihan tentang penggunaan berbagai peralatan lab,terutama yang akan digunakan dalam proses penelitian.

- TPM memberikan arahan dan pelatihan tentang strategi serta step-step

Mekanisme pelaksanaan kerja sama Mekanisme pelaksanaan kerja sama

- TPM memberikan arahan dan pelatihan tentang strategi serta step-steppelaksanaan penelitian, agar prosesnya dapat berjalan efektif, efisien, danberhasil guna.

- Dibawah pengawasan TPM, TPP melakukan keseluruhan proses penelitiansesuai dengan yang diprogramkan.

- Kerjasama dalam penggunaan berbagai fasilitas yang berada di masing-masing lab. TPP dan TPM.

- Kerjasama dalam publikasi ilmiah

Hak dan kewajiban TPM dan TPP dalam Hak dan kewajiban TPM dan TPP dalam pelaksanaan penelitianpelaksanaan penelitian

- TPM bertanggung jawab membina dan mengarahkan TPP dalam melaksanakankeseluruhan program penelitian

- TPP bertanggung jawab untuk melakukan keseluruhan program penelitian yangtelah direncanakan dengan sebaik mungkin dibawah arahan TPM.

- TPM berhak menggunakan berbagai fasilitas penelitian yang berada di lab. TPP

- TPP berhak mendapatkan keleluasaan waktu untuk berkonsultasi danmenggunakan berbagai fasilitas penelitian yang ada di lab. TPM.

- TPP dan TPM berhak diikutsertakan dalam publikasi ilmiah

Lingkup penelitianLingkup penelitian

Pengembangan alat

Sesuai dengan target/sasaran penelitian yang ditetapkan, makalingkup penelitian yang direncanakan meliputi :

Substansi PenelitianSubstansi Penelitian

Pengembangan alat (spin-coater)

Rekayasa bahan (optimasi penumbuhan film GaN)

Fabrikasi divais fotodetektor UV

Produk materi

Hasil penelitian yang diharapkanHasil penelitian yang diharapkan

Produk non materi

Alat spiner untuk penumbuhan lapisan Peningkatan skil anggota TPP dalam merancang, dan melaksanakan

Alat spiner untuk penumbuhan lapisan tipis semikonduktor

Prototipe fototektor UV yang memiliki tingkat detektivitas dan responsivitas yang baik

Artikel-artikel publikasi ilmiah

Terbentuknya suatu lab riset di institusi TPP

merancang, dan melaksanakan penelitian, termasuk di dalamnya pengembangan dan pemeliharaan peralatan, serta mempublikasikan hasilnya

Terjalin kerjasama dengan institusi TPM yang berkelanjutan dalam penyelenggaraan riset bidang semikonduktor.

Mengapa detektor UV ???Mengapa detektor UV ???

Monitoring sinar UV matahari

Pendeteksi plumes dari persenjataan

militer

Detektor UV

Sistem pendeteksi kebakaran

Komponen sistem peralatan navigasi

penerbanganKomponen sistem komunikasi ruang

angkasa

Contoh aplikasi detektor UV untuk Contoh aplikasi detektor UV untuk pendetksi kebakaran (api)pendetksi kebakaran (api)

Mengapa material GaN ???Mengapa material GaN ???

Material semikonduktor untuk fotodetektor UV

Konvensional :

Silikon Karbida (SiC)

Baru : Galium nitrida (GaN)

dan paduannya

Dari SiC Bergeser ke

GaN

GaN memiliki celah pita energi 3,4 eV, tepat pada spektrum UV sehingga fotodetektor yang dibuat akan peka terhadap gel. ultraviolet

GaN memiliki struktur celah pita energi dengan transisi langsung (direct bandgap) sehingga fotodetektor yg dibuat akan memiliki efisiensi kuantum tinggi

GaN memiliki kestabilan termal, mekanik dan kimiawi yang baik

SiC memiliki celah pita energi 2,9 eV, masih dibawah energi spektrum ultraviolet, sehingga fotodetektor yang dibuat kurang peka thd gel UV

SiC memiliki struktur celah pita energi dengan transisi tak langsung (indirect bandgap) sehingga efisiensi kuantum dari fotodetektor yang dibuat tidak terlalu tinggi

SiC memiliki kestabilan termal, mekanik dan kimiawi yang kurang baik

Mengapa Struktur MMengapa Struktur M--SS--M ???M ???

Memiliki dark current yang rendah, sehingga efisiensinya tinggi

Memiliki kecepatan tinggi (high speed), sehingga responsivitasnya tinggi

Memiliki noise rendah, sehingga sensitivitasnya tinggi

Mudah memfabrikasinya (bahkan dengan teknik penumbuhan sederhana karena strukturnya hanya berupa satu lapis bahan semikonduktor yang dilapisi metal)

Diagram skematik fotodetektor UV berstruktur Diagram skematik fotodetektor UV berstruktur MM--SS--M M (Au/GaN/Au)(Au/GaN/Au) planarplanar

Lapisan GaN

Kontak metal (Au)

Pola kontak

Substrat

Tampak samping Tampak atas

Au Lapisan GaN

kontak metal

Mengapa Metode SolMengapa Metode Sol--Gel (SpinGel (Spin--Coating) ???Coating) ???

Kostruksi peralatan sederhana

Biaya operasional relatif murah

Dengan penanganan yang baik berpotensi untuk dihasilkan film tipis GaN dengan kualitas cukup baik

(Menguntungkan dari segi ekonomis)

Kelemahan :

Kualitas film yang dihasilkan masih lebih rendah dari film yang ditumbuhkan dengan metode modern seperti MBE dan MOCVD

Sukar digunakan untuk penumbuhan struktur multi lapisanSukar digunakan untuk penumbuhan struktur multi lapisan

Meskipun tergolong baru, keberhasilan penumbuahan GaN dengan metode sol-gel tidakdiragukan lagi, sehubungan dengan adanya beberapa publikasi yang melaporkankeberhasilan penumbuhan GaN dengan metode ini, seperti :

-A. R. Raju, dkk (2001), menggunakan teknik nebulized spray pyrolysis

-H. Parala, dkk (2001), menggunakan teknik chemical solution deposition

-K. Sardar, dkk (2003), menggunakan teknik spin-coating

Tahap I (tahun 1) :Tahap I (tahun 1) :

Disain penelitianDisain penelitian

1. Pengembangan alat spiner untuk lab TPP

Rancangan alat spiner yang akan

dikembangkan

Fokus pengembangan pada sistem pengontrol lajuputaran dan sistem vakum

2. Studi awal penumbuhan lapisan GaN : Fokus pada studi Gel

Penggunaan alat spiner ini nantinya dapat diperluas untuk penumbuhanlapisan tipis bahan semikonduktor keramik, semikonduktor oksida, sertabahan-bahan polimer

pipet

GelSubstrat

Tahap II (tahun 2) :Tahap II (tahun 2) :

Optimasi kondisi dan parameter penumbuhan laisan tipis GaN

ω

MOTORDeposisi pada

tungku pemanas

Lapisan film diatas substrat

Fokus penelitian : optimasi molaritas gel, lajurotasi spiner, dan temperatur deposisi

Tahap III (tahun 3) :Tahap III (tahun 3) :

Fabrikasi prototipe fotodetektor UV dengan struktur M-S-M

Film tipis GaN

Resis positip

Masker foto

SINAR ULTRAVIOLET

Metal

Resis PositipMetal

Metal

Substrat

Fokus penelitian :optimasi ukuran finger kontak metal

Metal

Film GaNSubstrat

Metal

Resis sisaDevelopment

ETCHING

Resis sisaMetal

StrippingMetal

Sensor UV struktur MSM

Indikator keberhasilan penelitian Indikator keberhasilan penelitian

Dihasilkan alat spiner otomatis yang memiliki laju spiner cukup tinggi

Dihasilkan prosedur penumbuhan lapisan GaN dengan metode spin-coating yang menghasilkan film berkualitas baik

Dihasilkan prototipe fotodetektor UV berstruktur M-S-M yang memiliki karakteristik baik

Dihasilkanl publikasi ilmiah tingkat nasional atau bahkan internasional

Peningkatan skil personil TPP dalam hal merancang dan melakukan riset serta mempublikasikan hasilnya

Terwujudnya lab riset bidang semikonduktor di institusi TPP

Terjalinnya kerjasama riset yang berkelanjutan dengan TPM

HalHal--hal yang dipandang dapat menjamin hal yang dipandang dapat menjamin keterlaksanaan penelitianketerlaksanaan penelitian

1. Motivasi yang tinggi dari Tim Peneliti Pengusul (TPP) untukmendapatkan pengetahuan dan keterampilan dalam halmerancang dan melaksanakan riset berskala nasional sertamempublikasikannya,

2. Komitmen TPM untuk membantu sepenuhnya proses2. Komitmen TPM untuk membantu sepenuhnya prosespelaksanaan penelitian yang direncanakan dan membinapengembangan Lab. TPP

3. Pengalaman dan Track record TPM yang mumpuni dalam bidangyang diteliti,

4. Peralatan yang cukup lengkap di Lab. TPM baik paralatan untukpembuatan sampel maupun untuk karakterisasinya,

5. Beberapa peralatan utama di Lab. TPP.

Pengalaman penelitian Ketua TPMPengalaman penelitian Ketua TPM

No Institusi Jabatan Judul Riset Periode

1 Indonesia TorayScienceFoundation

Principal Investigator

Electrical Properties of GaSb 1997

2 MacquarieUniversity,

VisitingResearch

Involved in research onantimonide semiconductorsystem and low temperaturegrown GaAs

June-August1998

3 RUT VI Peneliti Utama

Semikonduktor Paduan GaSbdan Alloynya untuk Detektor

1997-2000

Foton berkecepatan TinggiBerderau rendah

4 Centre GrantPrograme

Researcher Growth and Characterization ofNitride, Antimonide, and Oxidethin Film

1997-2000

5 ProyekPenelitian HibahPasca (HTPP)

Ketua peneliti

Penumbuhan Struktur Heterodan Quantum Well (QW)GaAsSb/GaAs dengan MOCVD

2003-2005

6 RUT X peneliti Pembuatan LED dari GaN danpaduannya

2002-2004

7 RUT XI Ketua peneliti

AlGaN/GaN HeterostructureField Effect Transistor (FET)

2005-2008

Publikasi ilmiah ketua TPM yang relavan Publikasi ilmiah ketua TPM yang relavan

No. Karya Ilmiah

1 P. Arifin, T.L. Tensley, and E.M. Goldys, Conduction Mechanism in a Metal-Insulator-SemiconductorStructure with a Low Temperature GaAs Insulating Layer, Solid State Electronic, 41, 1075 (1997)

2 P. Arifin, M. Barmawi, R. A. Sani, Gallium Nitride Based Devices, NEDO-BPPT International Electronic andInformation Technology Seminar, Jakarta (1998)

3 Sugianto, R. A. Sani, P. Arifin, M. Budiman, M. Barmawi, Growth of GaN film on a-plane sapphire substrateby plasma assisted MOCVD, J. Crystal Growth, Vol. 221, p.311 (2000)

4 P. Arifin, Sugianto, E. Suprianto, N. Wendri, H. Sutanto, M. Budiman, and M. Barmawi, Growth of AlGaN byPlasma Assisted MOCVD, Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices, Sydney,Australia, 11-13 December (2002)

5 M. Budiman, H. Sutanto, Sugianto, E. Supriyanto, P. Arifin, M. Barmawi, Au/n-GaN Schottky Diode Grown5 M. Budiman, H. Sutanto, Sugianto, E. Supriyanto, P. Arifin, M. Barmawi, Au/n-GaN Schottky Diode Grownon Si(111) by Plasma Assisted MOCVD, Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials andDevices, Sydney, Australia, 11-13 December (2002)

6 M. R. Hashim, S. A. Oh, S. S. Ng, Z. Hassan, K. Ibrahim, A. Abdul Aziz, M. Barmawi, Sugianto, M.Budiman, P. Arifin, Optical properties of GaN on Si substrate using plasma assisted MOCVDtechnique in the infrared and visible regions, International Meeting on Applied Physics 2003 (APHYS 2003),Spain 15-18 October (2003)

7 F. K. Yam, Z. Hassan, K. Ibrahim, A. Abdul Aziz, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman, P. Arifin, Propertiesof GaN epilayers grown on sapphire by plasma anhanced metalorganic chemical vapor deposition,International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT) 2003 and IUMRS-ICA 2003,Singapore 7-12 December (2003)

8 Y. C. Lee, Z. Hassan, F. K. Yam, M. J. Abdullah, K. Ibrahim, M. Barmawi, Sugianto, M. Budiman, P.Arifin, A comparative study of the electrical characteristics of metal-semiconductor-metal (MSM)photodiodes based on GaN grown on silicon, International Conference on Materials for AdvancedTechnologies (ICMAT) 2003 and IUMRS-ICA 2003, Singapore 7-12 Dec. (2003)

Peralatan di Lab. TPP dan TPM yang Peralatan di Lab. TPP dan TPM yang diperlukan untuk penelitiandiperlukan untuk penelitian

A. Peralatan yang tersedia di lab. TPP :1. Seperangkat alat spiner sederhana2. Seperangkat sistem karakterisasi X-ray diffractometer (XRD)3. Hot-plate (pemanas 0-300oC)4. Peralatan untuk preparasi gel dan substrat

B. Peralatan yang tersedia di lab. TPM :1. Sistem peralatan untuk preparasi substrat dan Gel2. Berbagai perangkat metode penumbuhan lapisan tipis seperti MOCVD,2. Berbagai perangkat metode penumbuhan lapisan tipis seperti MOCVD,

PECVD, PLAD, Sputtering, dan Spiner3. Programable furnace (tungku pemanas) ~ 120oC4. Sistem peralatan untuk metalisasi (Evaporator)5. Berbagai sistem peralatan karakterisasi sifat fisis film tipis semikonduktor,

seperti : sistem pengukuran sifat listrik; efek Hall, I-V, C-V, sistempengukuran sifat optik; photoluminiscence (PL) dan Dektak II-A

6. Sistem pengukuran detektivitas dan responsivitas fotodetektor.

Peralatan lainnya seperti : alat litografi, SEM dan UV-Vis spektroskopy tersedia padalab-lab lain di lingkungan ITB

Potret peralatan untuk penumbuhan film dan Potret peralatan untuk penumbuhan film dan fabrikasi divais yang tersedia di lab TPMfabrikasi divais yang tersedia di lab TPM

Ultrasonic Bath (alat pencuci substrat)

Millipore (penghasil deionized-water)

Pengontrol laju rotasi

Tungku pemanas yang dapat diprogram (~ 1200oC)

Alat Spiner (metode spin-coating)

(alat pencuci substrat) (penghasil deionized-water)

Evaporator (alat untuk pelapisan metal)

Sistem vakum

rotorlaju rotasi

spiner

Potret peralatan karakterisasi film dan Potret peralatan karakterisasi film dan divais yang tersedia di lab TPMdivais yang tersedia di lab TPM

Sistem pengukuran karakteristik I-V filmSistem pengukuran efek

Hall Van der PauwDektak IIA (Sistem

pengukuran ketebalan film) Hall Van der Pauw

Photoluminiscence (Sistem Pengukur sifat optik film)

pengukuran ketebalan film)

SEM (Sistem pencitraan morfologi film)

Sistem pengukuran tingkat responsivitas detektor

Potret peralatan yang diperlukan yang Potret peralatan yang diperlukan yang tersedia di lab TPPtersedia di lab TPP

Spinner sederhana Hot-plate 0-300oC Sistem peralatan XRD

Terlaksananya program penelitian ini akan merupakan titiktolak dari pelaksanaan program kerjasama kemitraan dalamrangka pengemabangan program riset dan lab riset di institusiTPP

SEKIANSEKIAN