Volume A6 No. 0207. ISSN 0854-3046. Reprint dari. JURNAL FISIKA. Himpunan
Fisika Indonesia. Pantulan inframerah pada batasmuka GaN/Al2O3.
Volume A6 No. 0207
ISSN 0854-3046
Reprint dari
JURNAL FISIKA Himpunan Fisika Indonesia
Pantulan inframerah pada batasmuka GaN /Al2O3 Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida dan N. Kuroda , J. Fis. HFI A6 (2005) 0207 Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei 2005
Φ HFI
Diterbitkan oleh
Himpunan Fisika Indonesia http://hfi.fisika.net
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia Jurnal yang mencakup Fisika Terapan (Vol. A), Fisika Pendidikan (Vol. B), dan Fisika Teoritik (Vol. C) URL : http://jf.hfi.fisika.net Editor Laksana Tri Handoko (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia) Mitra Djamal (Institut Teknologi Bandung)
Terry Mart (Universitas Indonesia)
Editor Kehormatan Muhamad Barmawi (Institut Teknologi Bandung) Tjia May On (Institut Teknologi Bandung) Pramudita Anggraita (Badan Tenaga Atom Nasional Yogyakarta) Muslim (Universitas Gajah Mada) Makalah Makalah yang dapat dipublikasikan dalam jurnal ini adalah karya ilmiah orisinal dan termasuk ke dalam kriteria di atas (fisika terapan, fisika pendidikan, dan fisika teoritik). Lima bentuk makalah yang diterima editor adalah: 1. Letter : makalah singkat untuk hasil penelitian spektakuler yang belum sepenuhnya rampung, namun membutuhkan komunikasi dengan dunia ilmiah secara cepat (maks. 4 hlm). Laporan lengkap dari hasil penelitian tersebut dapat dipublikasikan sebagai artikel reguler setelah Letter terbit. 2. Regular : makalah yang merupakan laporan lengkap dari hasil sebuah penelitian. 3. Comment : Makalah yang mengajukan kritik terhadap makalah (reguler) yang telah dipublikasikan di jurnal ini (maks. 4 hlm). 4. Review : makalah yang mereview satu topik fisika tertentu secara komprehensif. Makalah jenis ini hanya dapat dipublikasikan atas undangan editor jurnal. 5. Prosiding : prosiding simposium-simposium yang diadakan oleh Himpunan Fisika Indonesia diterbitkan sebagai bagian yang utuh dari jurnal ini.
Pengiriman Makalah Makalah dapat dikirimkan ke redaksi Jurnal Fisika dalam bentuk : 1. LATEX: bentuk ini sangat dianjurkan karena dapat mempermudah dan mempercepat proses publikasi. File LATEX serta gambar yang menyertai makalah dapat dikirimkan melalui sarana pengiriman online di situs di atas. 2. MS-Word : file makalah dalam MS-Word dapat dikirimkan melalui sarana pengiriman online di situs di atas. Biaya publikasi serta informasi lebih lengkap dapat dilihat di situs jurnal di atas. Seluruh proses komunikasi sesudahnya dilakukan melalui situs.
Penjurian Setiap makalah yang masuk akan diperiksa oleh seorang juri (referee) yang ditunjuk oleh editor. Hanya makalah yang telah disetujui oleh juri dapat diterbitkan di jurnal ini. Penulis yang makalahnya ditolak oleh seorang juri berhak meminta editor untuk mencarikan editor lain, jika penulis tersebut dapat berargumentasi bahwa juri pertama tidak obyektif dalam menilai makalahnya. Keputusan editor atas suatu makalah tidak dapat diganggu-gugat. Editor berhak menolak makalah yang jelas-jelas tidak memenuhi kriteria ilmiah.
Reprint Reprint versi elektronik lengkap dengan sampul depan dapat didownload secara cuma-cuma dari situs jurnal. Reprint versi cetak dapat juga dipesan pada redaksi jurnal. Informasi tentang biaya cetak serta biaya pengiriman reprint dapat dilihat pada situs jurnal.
Himpunan Fisika Indonesia Ketua : Masno Ginting Sekretaris : Edi Tri Astuti, Maria Margaretha Suliyanti
Wakil Ketua : Pramudita Anggraita Bendahara : Diah Intani
Alamat Sekretariat : Dynaplast Tower 1st Floor, Boulevard MH Thamrin #1, LIPPO Karawaci 1100 Tangerang 15811, Banten, Indonesia URL : http://hfi.fisika.net E-mail :
[email protected]
c 2005 Himpunan Fisika Indonesia
ISSN 0854-3046
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia Volume A6 (2005) 0207
Regular
Pantulan inframerah pada batasmuka GaN/Al2O3 Hasanudin1 , K. Saiki2 , Y. Iida2 dan N. Kuroda2 1 Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura, Pontianak 78124, Indonesia 2 Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Faculty of Engineering, Kumamoto University, Kumamoto 860-8555, Japan
Intisari : Telah dilakukan pengukuran pantulan inframerah pada permukaan kristal GaN yang ditumbuhkan di atas substrat Al2 O3 . Hasil pengukuran ini dianalisa dengan dua model, yaitu model satu lapis dan dua lapis. Pada model pertama lapisan kristal GaN dianggap serangam, sedangkan pada model kedua kristal GaN dianggap terdiri dari dua lapisan dengan sifat berbeda, yaitu lapisan di dekat permukaan dan lapisan di dekat batas muka. Hasil analisa menunjukkan bahwa model dua lapis lebih cocok dengan hasil eksperimen. Tetapan redaman γ yang diperoleh dari analisa ini menunjukkan bahwa lapisan di sekitar batas muka yang tebalnya jauh melebihi asumsi terhadap tebal lapisan penyangga memiliki kualitas kristal yang lebih rendah dari lapisan di sekitar permukaan.
Kata kunci : GaN, fonon, inframerah E-mail :
[email protected]
Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei 2005
1
PENDAHULUAN
Meski GaN telah diaplikasikan secara luas dalam pembuatan piranti optoelektronik, banyak hal menyangkut sifat-sifat fonon pada bahan ini belum diketahui. Padahal informasi mengenai sifat-sifat fonon ini sangat penting untuk memahami transpor elektron, proses relaksasi elektron non-radiatif, dan sebagainya. Beberapa laporan berkenaan dengan masalah ini telah dipublikasikan, terutama mengenai hasil eksperimen dengan menggunakan spektroskopi Raman[1], inframerah[2], dan IR-ATR[3]. Azuhata et al. [2] telah menganalisa spektrum pantulan inframerah dengan menggunakan model osilator klasik. Dalam analisanya mereka memperlakukan seluruh bagian GaN sebagai suatu kesatuan tanpa membedakan antara lapisan penyangga (buffer layer) dengan lapisan utama. Ini didasarkan pada asumsi bahwa tebal lapisan penyangga cukup kecil dibandingkan dengan tebal total kristal, sehingga sumbangannya terhadap sifat optik kristal dapat diabaikan. Secara keseluruhan analisa ini mampu mereproduksi dengan baik spektrum hasil eksperimen, namun gagal mereproduksi dengan baik spektrum di daerah 800 ∼ 1000 cm−1 . Walau daerah ini hanya bagian kecil dari spektrum, namun ketidakcocokan ini cukup menggangu. Boleh jadi hal ini akibat kesalahan pada model secara keseluruhan. Karenanya hasil ini c 2005 Himpunan Fisika Indonesia
mungkin akan memberikan informasi yang kurang akurat pula mengenai bahan yang diteliti. Dalam penelitian ini kami melakukan pengukuran terhadap sampel dengan struktur yang sama dengan yang dilaporkan Azuhata et al.. Analisa terhadap sampel dilakukan dengan dua model yang berbeda untuk memperoleh informasi yang akurat mengenai keadaan sampel yang sebenarnya. Sampel yang sama telah terlebih dahulu dianalisa dengan metode IRATR [3] dan hasilnya menunjukkan bahwa kualitas kristal sampel sangat baik walaupun telah umum diketahui bahwa ada ketidakcocokan parameter kisi antara GaN dan Al2 O3 . Namun perlu diingat bahwa pengukuran IR-ATR hanya memberikan informasi tentang keadaan sampel pada posisi beberapa ratus nm dari permukaan. Sedangkan situasi di sekitar batas muka GaN /Al2 O3 tidak dapat diamati dengan metode ini. Pengkuran kali ini bertujuan menggali informasi pada daerah di sekitar batas muka ini. 2
EKSPERIMEN
Kristal GaN tipe-n setebal 2,4 µm ditumbuhkan dengan metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD) di atas substrat /Al2 O3 (0001) dengan lapisan penyangga GaN setebal 200 nm. Tebal total sampel adalah 400 µm. Pengukuran pantulan inframerah dilakukan dengan sistem seperti ditunjukkan 0207-1
Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda
J. Fis. HFI A6 (2005) 0207
sample
incident angle 10
infrared radiation
mirror
Gambar 2: Spektrum pantulan GaN -Al2 O3 hasil pengukuran serta reproduksinya dengan model satu lapis. Gambar 1: Diagram skematik sistem pengukuran.
Sedangkan untuk Al2 O3 [7]:
pada Gb. 1. Radiasi sinar inframerah tidak terpolarisasi masuk ke sampel dengan sudut datang sebesar 10o . Spektrometer FTIR (Jasco FT/IR-410) digunakan dalam pengukuran. 3
HASIL DAN DISKUSI
Spektrum pantulan inframerah yang diperoleh dari pengukuran ditunjukkan pada Gb. 2. Hasil pengukuran ini secara keseluruhan sama dengan hasil yang dilaporkan oleh Azuhata et al. Spektrum pantulan GaN yang ditumbuhkan di atas Al2 O3 dengan tebal GaN 12-120 µm telah pernah dilaporkan[4]. Dengan tebal kristal sebesar itu dapat disimpulkan bahwa cahaya yang masuk ke sampel tidak mampu mencapai batas muka GaN /AlO3 sehingga spektrum pantulan yang diperoleh murni mewakili pantulan dari GaN saja. Sementara itu spektrum pantulan pada Al2 O3 juga telah dilaporkan[5]. Spektrum hasil kedua eksperimen ini dapat direproduksi dengan baik dengan fungsi dielektrik berikut. Untuk GaN [6], (ω) = ∞
ωLO 2 − ω 2 − iωγLO . ωT O 2 − ω 2 − iωγT O
(1)
(ω) = ∞
4 Y ωLO 2 − ω 2 − iωγLO . ωT O 2 − ω 2 − iωγT O 1
(2)
dengan ∞ adalah tetapan dielektrik elektronik, ωLO dan ωT O adalah frekuensi fonon LO dan TO, sedangkan γLO dan γLO adalah faktor redaman untuk fonon LO dan TO. Gb. 3 dan 4 masing-masing menunjukkan spektrum pantulan inframerah dari GaN dan Al2 O3 yang direproduksi dengan persamaan di atas. Hasil pengukuran yang ditunjukkan pada Gb. 2 secara umum konsisten dengan Gb. 3 dan 4. Pada frekuensi rendah di bawah 550 cm−1 pantulan dari GaN hanya sekitar 40 persen, sedangkan spektrum pantulan Al2 O3 menunjukkan adanya beberapa puncak dengan pantulan mencapai 80 persen. Puncak-puncak inilah yang teramati pada frekuensi rendah pada Gb. 2. Pada frekuensi yg lebih tinggi, 550 - 700 cm−1 , pantulan dari GaN melebihi 80 persen, sehingga pantulan ini mendominasi spektrum di daerah ini. Pada frekuensi di atas 700 cm−1 pantulan dari GaN kembali menurun drastis sehingga di daerah ini spektrum kembali didominasi oleh pantulan dari Al2 O3 , hingga ke frekuensi 1000 cm−1 . Pada frekuensi yang lebih tinggi spektrum didominasi oleh pola interferensi karena kedua bahan sangat rendah pantulannya.
0207-2
Pantulan inframerah pada batasmuka...
J. Fis. HFI A6 (2005) 0207
Gambar 4: Spektrum pantulan Al2 O3 hasil reproduksi dengan fungsi dielektrik Pers. 2 Gambar 3: Spektrum pantulan GaN hasil reproduksi dengan fungsi dielektrik Pers. 1
Selanjutnya kedua persamaan fungsi dielektrik ini digunakan untuk mereproduksi spektrum yang pengukurannya melibatkan batas muka antara kedua bahan. Reproduksi dilakukan dengan dua model, yaitu model satu lapis dan dua lapis, yang diagram skematiknya ditunjukkan pada Gb. 5 a dan b. Pada model satu lapis, kualitas kristal GaN dianggap seragam pada seluruh bagian, artinya tidak dibedakan antara GaN pada lapisan penyangga (buffer layer ) dengan lapisan di atasnya. Lapisan GaN dengan tebal d dan fungsi dielektrik 1 , sedangkan Al2 O3 dengan fungsi dielektrik 2 . Perlu diingat bahwa fungsi dielektrik 1 dan 2 masing-masing dinyatakan dengan Pers. 1 dan 2. Situasi seperti dideskripsikan pada Gb. 5.a. memberikan reflektivitas yang dinyatakan dengan persmaan berikut, (√ + 1)% − (√ − 1) 2 1 1 (3) R= √ √ , ( 1 + 1) − ( 1 − 1)%
dengan parameter reproduksi sebagai berikut. ωTO = 561, γTO = 5, ωLO = 748, γLO = 4. Semua parameter ini dalam satuan cm−1 . Hasil seperti ditunjukkan pada Gb. 2 sama dengan yang dilaporkan oleh Azuhata et al. Seperti dijelaskan di muka, ada bagian yang tidak cocok dengan hasil eksperimen, yaitu pada frekuensi 800 ∼ 1000 cm−1 , walau secara umum sudah cocok. Untuk mengatasi hal ini, dilakukan simulasi dengan model dua lapis, yang diagram skematisnya ditunjukkan pada Gb. 5.b. Pada model ini lapisan kristal GaN tidak dipandang seragam, namun terdiri dari dua lapisan dengan kualitas kristal yang berbeda. Akibatnya parameter-parameter yang menentukan fungsi dielektrik juga berbeda pada kedua bagian tersebut. Reflektifitas pada model ini diberikan oleh Pers. 3, dengan % dinyatakan dengan persamaan berikut, √ √ 1 − ς 2 2i√1 kd1 , (5) %= √ √ e 1 + ς 2 dengan
dengan
√ √ 1 − 2 2i√1 kd . %= √ √ e 1 + 2
(4)
Hasil reproduksi dengan persamaan ini tunjukkan dengan garis terputus pada Gb.
di2,
ς=
1−ϑ , 1+ϑ
(6)
dan
0207-3
√ √ 2 − 3 2i√2 kd2 ϑ= √ . √ e 2 + 3
(7)
Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda
J. Fis. HFI A6 (2005) 0207
!
"!
&(' µ)
# !
"!
! $
%
&(' µ)
Gambar 6: Spektrum pantulan GaN -Al2 O3 hasil pengukuran serta reproduksinya dengan model dua lapis. Gambar 5: Diagram skematik model satu lapis (a) dan dua lapis (b) yang digunakan untuk mereproduksi spektrum pantulan.
Fungsi dielektrik GaN di daerah dekat permukaan (selanjutnya disebut Daerah 1) dan batas muka (Daerah 2) masing-masing dinyatakan dalam 1 (ωTO1 , γTO1 , ωLO1 , γLO1 ) dan 2 (ωTO2 , γTO2 , ωLO2 , γLO1 ) mengikuti Pers. 1. Sedangkan 3 adalah fungsi dielektrik Al2 O3 yang dinyatakan dengan Pers. 2. Hasil reproduksi spektrum dengan persamaan ini ditunjukkan dengan garis terputus pada Gb. 6. Parameter reproduksi untuk daerah 1 sama seperti yg digunakan pada model satu lapis di atas, sedangkan untuk di daerah dua adalah sebagai berikut: ωT O2 = 566,γT O2 = 19, ωLO2 = 748,γLO2 = 18. Tebal kristal adalah d1 = 1,1 dan d2 = 1,2 µm. Seperti terlihat pada Gb. 6, reproduksi dengan model dua lapis cocok secara tepat dengan hasil eksperimen. Ini berarti bahwa model ini lebih sesuai dengan keadaan yang sebenarnya pada sampel. Parameter reproduksi dengan model dua lapis menunjukkan bahwa faktor redaman γ baik pada fonon LO mapun TO pada lapisan di Daerah 2 jauh lebih besar dibandingkan dengan nilai pada Daerah 1. Ini berarti bahwa keteraturan kristal di dekat permukaan
lebih baik dibandingkan dengan yang berada di dekat batas muka. Hal ini dapat dengan mudah dipahami mengingat adanya ketidakcocokan parameter kisi antara GaN dan Al2 O3 . Adanya lapisan penyangga membantu menjembatani ketidakcocokan ini. Namun hasil eksperimen ini menunjukkan bahwa ketidakcocokan itu tidak berhenti pada lapisan penyangga, tapi berlanjut secara gradual hingga ketebalan 1,2 µm dari batas muka. 4
KESIMPULAN
Hasil analisa ulang dalam penelitian ini berhasil mereproduksi spektrum hasil eksperimen dengan model teoretis secara memuaskan. Hasil ini menunjukkan bahwa ketakcocokan parameter kisi antara Al2 O3 dengan GaN menyebabkan terbentuknya lapisan kristal dengan kualitas rendah di daerah sekitar batas muka dengan ketebalan jauh lebih besar dari perkiraan tebal lapisan penyangga. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Meung Wan Cho dari Tohoku University atas penyediaan kristal GaN yang dijadikan sampel pada penelitian
0207-4
Pantulan inframerah pada batasmuka...
J. Fis. HFI A6 (2005) 0207
ini. Φhfi
DAFTAR PUSTAKA [1] T. Azuhata, T. Sota, K. Suzuki dan S. Nakamura, J. Phys. Cond. Matt. 7 (1995) L129. [2] T. Azuhata, T. Matsunaga, K. Shimada, K. Yoshida, T. Sota, K. Suzuki dan S. Nakamura, Physica B493 (1996) 219. [3] Hasanudin, K. Saeki, Y. Iida dan N. Kuroda, J. Fis. HFI A6 (2004) 0103. [4] H. Sobotta, H. Neumann, R. Franzheld dan W. Seifert, Phys. Stat. Sol. B174 (1992) K57. [5] F. Gervais dan B. Piriou, J. Phys. C7 (1974) 2374. [6] A.S. Barker Jr. dan M. Ilegems, Phys. Rev. B7 (1973) 743. [7] M. Schubert, T.E. Tiwald dan C.M. Herzinger, Phys. Rev. B61 (2000) 8187.
0207-5
