Pengaruh Daya Rf Terhadap Sifat Listrik Lapisan Tipis Amorf Silikon Terhidrogenisasi Yang Ditumbuhkan Dengan Metode Hwc-vhf-pecvd

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009

Jurusan Fisika FMIPA ITS

PENGARUH DAYA RF TERHADAP SIFAT LISTRIK LAPISAN TIPIS a-Si:H YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE HWC-VHF-PECVD Elang Jaka Sobirin, Satwiko Sidopekso Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta (UNJ) Jl. Pemuda No. 10, Rawamangun, Jakarta 13220 E-mail: [email protected] Toto Winata Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Laboratorium PECVD, Institut Teknologi Bandung (ITB) Jl. Ganesa 10, Bandung 40132 Abstrak Silikon amorf terhidrogenisasi (a-Si:H) merupakan material non-kristalin yang dapat diaplikasikan pada devais sel surya. Dalam penelitian ini lapisan tipis a-Si:H ditumbuhkan dengan gas silan (SiH4) 10% dalam gas Hidrogen (H2) sebagai sumber gas dengan menggunakan metode Hot Wire Cell Very High Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (HWC-VHF-PECVD) diatas substrat gelas corning 7059 pada frekuensi radio 70 MHz dengan daya yang bervariasi, yaitu 10, 15, 20, 30 dan 40 Watt, serta penambahan filamen panas dengan suhu 800 oC yang terintegrasi dalam sistem gas masukan. Konduktivitas lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan pada daya 15 Watt menghasilkan sensitivitas penyinaran sebesar 4,63x105. Hasil karakterisasi juga menunjukan bahwa laju deposisi meningkat dari 2,73 Å/s sampai 6,80 Å/s dengan meningkatnya daya rf dari 10 sampai 40 Watt.

Kata kunci: a-Si:H, Sensitivitas Penyinaran, HWC-VHF-PECVD, Daya rf Abstract Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) is a non-crystalline material which can be applied for a solar-cell device. In this research, a-Si:H thin film was deposited by 10% silane gas (SiH4) in Hydrogen (H2) as the gas source using the method of Hot Wire Cell Very High Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (HWC-VHF-PECVD) on the surface of 7059 corning glass substrate at the radio frequency of 70 MHz, various power of 10, 15, 20, 30 and 40 Watts, and the addition of hot wire filament with temperature of 800 oC integrated inside the gas inlet system. The conductivity of the films deposited at 15 Watts resulted in the best photosensitivity of 4.63x105. The characterization result also showed that the deposition rate increased from 2.73 Å/s to 6.80 Å/s as the rf power increased from 10 to 40 Watts. Keywords: a-Si:H, Photosensitivity, HWC-VHF-PECVD, rf Power 1. Pendahuluan Perkembangan pembuatan material berbasis amorf silikon (a-Si) sebagai material yang menggantikan kristal silikon (c-Si) ataupun poli silikon (poli-Si) dalam aplikasi beberapa bahan semikonduktor terus berkembang. Material berbasis amorf lebih unggul dalam hal biaya punumbuhan material tersebut. Tingginya temperatur penumbuhan (>1000 oC) menjadi salah

Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009

satu penyebab mahalnya biaya produksi cSi [6]. Material a-Si dapat tumbuhkan dengan metode Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) dengan memanfaatkan plasma sebagai media penumbuhannya. Pada metode ini yang menggunakan gas Silan (SiH4) sebagai gas sumber yang terkandung 10% dalam gas Hidrogen (H2) dan didapatkan

M1-1

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009 material amorf silikon dengan kandungan hidrogen sekitar 10-20% [4], sejak saaat itu material ini dikenal dengan nama amorf silikon terhidrogenisasi (a-Si:H).

radikal-radikal yang lebih sederhana. Dengan demikian, dapat diperoleh lapisan a-Si:H dengan laju deposisi yang tinggi. Selain itu, ketidakhomogenan tegangan antar elektroda yang ditimbulkan oleh frekuensi yang sangat tinggi diharapkan tidak memberi pengaruh yang besar pada homogenitas lapisan a-Si:H yang dihasilkan, karena gas-gas yang akan diuraikan oleh daya rf sudah berbentuk spesies-spesies yang tidak stabil.

Gambar 1. Struktur atom (a) c-Si, (b) a-Si dan (c) a-Si:H [7].

2. Eksperimen Lapisan tipis a-Si:H dalam studi ini ditumbuhkan di atas gelas corning 7059 dengan menggunakan sistem HWC-VHFPECVD yang terdiri dari chamber stainless stell berdiameter 8 inci dan tinggi 12 inci tipe SS-304 dengan tingkat kevakuman sekitar -25 mTorr. Di dalam chamber ditambahkan filamen dari kawat tungsten dengan diameter 1,2 mm diletakkan sejajar dengan substrat dan terintegrasi dengan sistem gas masukan. Kawat tungsten dibuat berbentuk spiral (lilitan) dengan diameter 5,0 mm dan panjang 20 mm yang berfungsi sebagai hot-wire dan dipanaskan dengan menggunakan sumber arus tetap. Pengukuran suhu filamen panas ini dilakukan dengan alat tambahan yaitu Infrared Pyrometers dengan tingkat intensitas penyinaran sebesar 5% untuk material tungsten. Perbedaan konfigurasi chamber pada PECVD konvensional dan HWCVHF-PECVD dapat dilihat pada gambar 2. Perbedaan tersebut terdapat pada besarnya frekuensi pembangkit daya rf, peletakan sistem gas masukan dan penambahan filamen panas yang terintegrasi dalam sistem gas masukan. Penumbuhan material a-Si:H memiliki beberapa parameter optimasi yang menentukan sifat-sifat fisis yang dihasilkan. Parameter optimasi tersebut adalah: 1. Laju aliran gas Silan (SiH4). 2. Tekanan chamber. 3. Temperatur substrat.

Pengembangan teknik penumbuhan PECVD terus berkembang dengan pesat selain penumbuhan material amorf silikon paduan (a-SiC:H, a-SiGe:H, a-SiN:H). Perkembangan teknik itu adalah PECVD chamber ganda, VHF-PECVD, HWPECVD, HWC-PECVD dan HWC-VHFPECVD (perkembangan di Laboratorium Fisika Material Elektronik PECVD, Departemen Fisika, Institut Teknologi Bandung) . Secara umum metode HWC-VHFPECVD hampir sama dengan metode PECVD konvensional. Hanya saja dengan meningkatkan frekuensi pembangkit daya rf dari 13,56 MHz menjadi 70 MHz dan menambahkan filamen panas berupa tungsten wire pada sistem gas masukkan yang sejajar substrat, sehingga gas Silan (SiH4) akan lebih radikal pada saat memasuki daerah elektroda karena terdisosiasi terlebih dahulu oleh elemen pemanas. Filamen yang terletak dalam sistem gas masukan dan peletakannya jauh dari substrat akan membuat molekul-molekul gas terlebih dahulu diuraikan oleh filamen panas sebelum memasuki kawasan elektroda. Diperkirakan bahwa molekulmolekul yang memasuki kawasan elektroda sudah berbentuk spesies-spesies tidak setabil, sehingga medan listrik yang dihasilkan dari pembangkit daya rf 70 MHz dapat lebih mudah membantu proses penguraian spesies-spesies menjadi Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009

M1-2

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009 4. Frekuensi rf. 5. Daya rf. 6. Tegangan filamen. 7. Temperatur filamen. 8. Lama deposisi. Tahapan optimasi ini terus dioptimalkan untuk mendapatkan material a-Si:H yang berkualitas baik. Tabel 1. Parameter penumbuhan lapisan tipis Parameter optimasi Laju aliran gas SiH4 Tekanan deposisi Temperatur substrat Frekuensi rf Daya rf Tegangan filamen Temperatur filamen Lama deposisi

HWC-VHFPECVD 70 sccm 300 mTorr 275 oC 70 MHz 10-40 Watt 4,5 Volt 800 oC 5400 s

Gambar 2. Skema chamber (a) PECVD dan (b) HWC-VHF-PECVD [8].

Jurusan Fisika FMIPA ITS itu memvakumkan chamber sesuai dengan parameter penumbuhan dan memanaskan substrat yang telah diletakkan di elektroda negatif dengan menggunakan Load Lock. Setelah substrat mencapai kestabilan suhu penumbuhan. Dilanjutkan dengan mengalirkan gas SiH4 diteruskan dengan menghidupkan daya rf pada frekuensi 70 MHz dan mengatur tekanan penumbuhan. 3. Deposisi. Setelah plasma terbentuk ditandai dengan adanya sinar warna ungu, dilanjutkan dengan menghidupkan filamen panas dengan tegangan 4,5 V, pengukuran temperatur filamen dengan Infrared Pyrometers. Setelah semua selesai, deposisi siap dilakukan. Perhitungan lamanya deposisi dimulai pada saat membuka penutup substrat (shutter).

Gambar 3. Skema perpipaan PECVD ganda [7].

Penumbuhan lapisan tipis a-Si:H terbagi menjadi 3 tahapan, yaitu: 1. Preparasi substrat. Substrat gelas corning dibersihkan dengan alkohol 70% dan disemprotkan dengan gas Nitrogen (N2) hingga substrat bersih dan tidak ada lagi titik-titik debu dan kotoran yang melekat pada permukaan substrat. 2. Pradeposisi. Menghidupkan mesin reaktor PECVD, membersihkan chamber dan mengalirkan gas N2 agar chamber reaktor bersih dan siap dilakukan deposisi. Setelah

Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009

Gambar 4. Keadaan di dalam chamber (a) tanpa hot-wire dan (b) dengan hot-wire. Karakterisasi dilakukan dengan transmitansi UV-Vis untuk mengetahui ketebalan lapisan, koefisien absorpsi dan celah pita optik. Karakterisasi selanjunya adalah pengukuran konduktivitas untuk mengetahui konduktivitas gelap, konduktivitas terang dan nilai sensitivitas

M1-3

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009 penyinaran. 3. Hasil dan Pembahasan Konduktivitas Konduktivitas adalah ukuran kemampuan lapisan tipis tersebut dalam menghantarkan arus listrik. Pengukuran konduktivitas sebelumnya telah melalui tahapan metalisasi untuk menumbuhkan kontak logam pada lapisan tipis dengan menggunakan teknik evaporasi. Konduktivitas yang mencakup konduktivitas gelap (pengukuran tanpa disinari) dan konduktivitas terang (pengukuran dengan disinari) yang diukur dengan metode dua titik (Coplanar). Pengukuran dilakukan dengan menggunakan Fluke 8605A (Voltmeter) dan Keithley 617 (Amperemeter). Tabel 2. Hasil pengukuran konduktivitas Daya Konduktivitas Konduktivitas (Watt) Gelap Terang (S/cm) (S/cm) 10 2,70 x 10-4 2,66 x 10-4 15 4,36 x 10-11 2,01 x 10-5 -12 20 2,88 x 10 6,35 x 10-7 30 1,51 x 10-10 8,97 x 10-6 -10 40 2,53 x 10 1,01 x 10-5

Gambar 5. Konduktivitas sebagai fungsi daya rf Penurunan nilai konduktivitas pada laju deposisi yang tinggi diduga keadaankeadaan cacat banyak terbentuk pada laju deposisi yang cukup tinggi. Hal ini akibat ketidakteraturan ikatan-ikatan yang Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009

terbentuk pada permukaan pertumbuhan saat deposisi berlangsung. Cacat seperti ini lebih banyak cacat ekor pita (band-tail defect) yang menghambat mobilitas pembawa muatan pada pita energi, yang diketahui sebagai penyebab menurunnya nilai konduktivitas lapisan. Pada lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan pada daya rf 10 Watt nilai konduktivitas terang dan konduktivitas gelap tidak menunjukkan perbedaaan yang signifikan. Ini dimungkinkan terdapat banyak cacat pada ekor pita yang menghambat mobilitas pembawa muatan pada pita energi sehingga pada saat diberikan penyinaran arus yang dihasilkan tidak jauh berbeda seperti arus yang dihasilkan pada pengukuran konduktivitas gelap. Lain halnya dengan lapisan yang ditumbuhkan dengan daya 15 Watt, walaupun terjadi penurunan nilai konduktivitas gelap dan terangnya tetapi pemberian cahaya pada saat pengukuran konduktivitas terang memberikan nilai yang sangat signifikan. Ini mengindikasikan adanya perbaikan struktur lapisan yang ditumbuhkan pada daya 15 Watt. Hal ini juga diperkuat dengan meningkatnya celah pita optik seperti pada gambar 9 dari 1,68 eV menjadi 1,69 eV seiring meningkatnya laju deposisi dari 2,73 Å/s menjadi 3,03 Å/s seperti pada gambar 8. Pada lapisan yang ditumbuhkan dengan daya 20 Watt konduktivitas gelap dan terangnya kembali menurun meskipun daya rf ditingkatkan. Hal ini mungkin disebabkan meningkatnya keadaankeadaan terlokalisasi (localized states) yang meningkat akibat tingginya laju deposisi sehingga menyebabkan terperangkapnya atom hidrogen (H2). Hal ini diperkuat dengan meningkatnya laju deposisi dari 3,03 Å/s menjadi 3,24 Å/s. Konduktivitas mulai meningkat pada lapisan yang ditumbuhkan dengan daya 30 dan 40 Watt. Pada keadaan ini lebih didominasi pada perbaikan struktur dan keadaan-keadaan celah pita optik. Pada keadaan ini banyak mempengaruhi M1-4

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009

Jurusan Fisika FMIPA ITS

perbaikan nilai konduktivitas. Sensitivitas Sensitivitas didapat dari rasio antara konduktivitas terang dan konduktivitas gelap. Sensitivitas penyinaran memberikan informasi kepekaan lapisan terhadap cahaya saat diberi penyinaran. Nilai sensitivitas tertinggi 4,63x105 untuk lapisan yang ditumbuhkan pada daya 15 Watt. Sensitivitas terendah dihasilkan pada daya 10 Watt sebesar 0,95. Berikut adalah gambar hasil perhitungan dari nilai sensitivitas penyinaran. Nilai sensistivitas penyinaran yang baik untuk digunakan untuk aplikasi sel surya ketika memiliki sensitivitas penyinaran sebesar 103 [6].

Gambar 7. Hasil pengukuran UV-Vis. Dari hasil didapat bahwa laju deposisi meningkat dari 2,73-6,80 Å/s dengan meningkatnya daya rf dari 10-40 Watt. Dari hasil dapat diketahui bahwa pada daya rf yang tinggi, reaksi pada permukaan pertumbuhan akan lebih cepat membentuk lapisan. Selain itu laju deposisi yang tinggi akan menekan biaya pertumbuhan karena gas sumber reaktan akan lebih sedikit digunakan .

Gambar 6. Sensitivitas penyinaran sebagai fungsi daya rf. Laju Deposisi Laju deposisi ditentukan dengan mengukur ketebalan lapisan persatuan waktu dengan menentukan nilai transmitansi maksimum dan transmitansi minimum dari hasil karakterisai dengan UV-Vis.

Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009

Gambar 8. Laju deposisi sebagai fungsi daya rf. Celah Pita Optik Penentuan celah pita optik dapat ditentukan melalui spektrum transmitansi UV-Vis dengan metode Tauc Plot. Spektroskopi UV-Vis menunjukan transmitansi skpetrum dengan panjang gelombang 190-820 nm. Celah pita optik didapat dari ( α hv ) 1 / 2 = B ( hv − E opt ) persamaan yaitu dengan menarik bagian linier dari grafik antara hv dan α hv hingga α hv = 0 . Secara umum peningkatan daya rf

M1-5

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009 mengindikasikan telah memberikan kontribusi pada perbaikan struktur lapisan tipis a-Si:H yang terbentuk. Dugaan ini diperkuat dengan penurunan nilai celah pita optik dari 1,68 eV menjadi 1,61 eV, yang berarti bahwa kandungan ikatan hidrogen dalam lapisan a-Si:H yang dideposisi pada daya rf 10 Watt secara kualitatif lebih tinggi dibanding kandungan ikatan hidrogen dalam lapisan a-Si:H yang dideposisi pada daya 40 Watt. Sebagaimana diketahui penguraian gas sumber menjadi radikal-radikal yang lebih sederhana lebih efektif terjadi pada daya rf yang lebih tinggi. Meskipun demikian, pembentukan radikal ionik dalam plasma tidak dapat dihindari. Semakin tinggi daya yang diberikan, radikal ionik akan semakin banyak terbentuk. Pada kondisi tertentu radikal ionik dapat merusak lapisan yang telah terbentuk, kemungkinan besar disebabkan oleh pembentukan keadaankeadaan cacat (defect states) dalam lapisan yang semakin banyak akibat bombardemen ionik pada daya rf yang cukup tinggi, terutama keadaan-keadaan cacat pada daerah celah pita. Indikasi peningkatan cacat celah pita (bandgap defect) dapat dilihat dari penurunan nilai celah pita optik. Selain itu pada laju deposisi yang tinggi juga dapat mengakibatkan terperangkapnya atom hidrogen saat penumbuhan lapisan sehingga celah pita optik meningkat. Hal ini terjadi pada lapisan yang ditumbuhkan pada daya 15 dan 30 Watt.

Gambar 9. Celah pita optik sebagai fungsi daya rf. Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009

4. Simpulan Secara keseluruhan hasil dan pembahasan yang diutarakan adalah gambaran pada parameter optimasi penumbuhan. Sebagaimana diketahui bahwa kompleksitas kinetika reaksi dalam plasma saat proses deposisi sampai saat ini belum diketahui secara pasti. Namum demikian, analisa teoritis dan kenyataan eksperimental turut membantu memberikan gambaran-gambaran yang baik dalam menganalisa mekanisme tersebut. Dari hasil karakterisasi didapat bahwa konduktivitas gelap tertinggi 2,7x10-4 S/cm, konduktivitas terang 2,66x10-4 pada daya 10 Watt. Laju deposisi meningkat dari 2,73 – 6,80 Å/s dengan meningkatnya daya rf dari 10 - 40 Watt. Celah pita optik terkecil pada 1,61 eV pada daya 40 Watt dan terbesar pada 1,69 eV pada daya 30 Watt. Sensitivitas penyinaran tertinggi 4,63x105 untuk lapisan yang ditumbuhkan dengan daya 15 Watt. Secara umum terdapat perbedaan karakteristik pada variasi daya dimana lapisan yang paling baik digunakan adalah lapisan tipis a-Si:H yang ditumbuhkan pada daya 15 Watt dengan nilai sensitivitas penyinaran yang baik yaitu 4,63x105 karena sudah melewati batas minimal sensitivitas penyinaran sebesar 103 [6]. Daftar Pustaka

[1]Abdullah, M dan Khairurrijal. Karakterisasi Nanomaterial. Laboratorium Sintesis Fungsional Nanomaterial ITB. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi. Vol 2 No. 1 Februari 2009. (2008) [2]Amiruddin, S., Usman, I., Mursal, Winata, T. & Sukirno. Studi Optimasi Parameter Daya RF untuk Penumbuhan Lapisan Tipis Mikrokristal Silikon dengan Metode Hot Wire Cell PECVD. PROC. ITB Sains & Tek. Vol 37 A, No. 1, 2005: 13-22. (2005) [3]Ida, U., Supu, A., Mursal., Sukirno., Winata, T., & M. Barmawi. Analisis Sifat-sifat

M1-6

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009 Optoelektronik Lapisan Tipis Silikon Amorf terhidrogenasi yang ditumbuhkan dengan Teknik VHF-PECVD pada Variasi Daya RF. Jurnal Matematika & Sains ITB. Vol 10 No. 2, Juni 2005: 63-68. (2005)

[4]Street, R. A. Hydrogenated Amorphous Silicon. Cambridge University press, Cambridge. (1991) [5]Swanepoel, R. et al. Determination of The Thickness and Optical Constanta of Amorphous Silicon. Journal Applied Physics. 10. (1993) [6] Takahasi, K and Konagai, M. Amorphous Silicon Solar Cell. Nort Oxford Academic Publisher Ltd. London. (1986) [7] Usman, Ida. Penumbuhan Lapisan

Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009

Jurusan Fisika FMIPA ITS Tipis Silikon Amorf Terhidrogensisasi dengan Teknik HWC-VHF-PECVD dan Aplikasinya Pada Devais Sel Surya. Disertasi Doktoral ITB. (2006) [8] Winata, T dan Ida, U. The Influence of Silane Gas Flow Rate on Optoelectronic Properties of µc-Si:H Prepared by HWC-VHF-PECVD Technique. Jurnal Sains ITB. Vol 40 A No. 2, 2008: 130-137 (2008). [9] Y, T, Kim., S, G, Yon., H, Kim., S, J, Suh., G, E, Jang., and D, H, Yoon. Crystallization of a-Si:H and a-SiC:H Thin Film Deposited by PECVD. Journal of Ceramic Processeing Research Vol. 6 No. 4, 2005: 294-297. (2005).

M1-7