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

KARAKTERISASI OPTIK LAPISAN SILIKON POROUS

$36Didio Sahidio Wioatapura

Pusat Penelitian Sains Materi, BATAN, Serpongfj k > -J

ABSTRAK VKARAKTERISASI OPTIK PADA LAPISAN SILIKON POROUS. Telah dilakukan karakterisasi optik pada lapisan

Si poroll.~ menggunakan spektrometer fotoluminesen clan fourier transform infrared (FTlR). Si porous dibentuk dengan reaksianodik pada substrat wafer Si tipe-p( I 00) dengan resistivitas 0,04 Wcm clan 10 Wcm. Substrat Si berbentuk wafer yangditumbuhkan dengan metoda Czochralski dengan ketebalan sekitar 0,55 mIn. Analisis cuplikan dengan FTlR menunjukkanadanya mode deforrnasi dari spesi silikon hidrida clan dihidrida yang mempasipkan permukaan clan mode ulur antisimetris darisepesi SiO2. Pengamatan intensitas fotoluminesen cuplikan dengan spektrometer UV-eksitasi laser ion nitrogen menunjukkanbahwa Si porous yang ditumbuhkan pada Si resistivitas 10 Wcm memiliki fotoluminesen yang stabil clan reprodusibilitas tinggidengan effisiensi fotoluminesen lebih tinggi dari pad a efisiensi fotol~minesen Si porous pada Si resistivitas 0,04 Wcm. Peluruhanfotoluminesen dari Si porous adalah tidak eksponensial dengan kecepatan peluruhan beberapa mdetik. Fenomena ini diperkirakanerat kaitannya dengan perbedaan porositas clan distribusi ukuran pore pada lapisan Si porous.

ABSTRACT

OPTICAL CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON LAYER. Optical characterization on porous siliconlayer using photoluminescence and fourier transform infrared (FTIR) spectrometers has been done. Porous Si was formed byanodic reaction on the p( I OO)-type Si wafer substrate with resistivity of 0.04 and 10 Wcm. Si substrate was grown byCzochralski method of 0.55 mm in thickness. The FTIR analysis revealed that a presence of deformation mode from siliconhydride and dihydride specieses, and anti symmetric stretching mode from SiOz species passipated the surface layer. Observationusing TJV-nitrogen ion laser excitation spectrometer show that the porous Si grown on Si which have resistivity of 10 Wcm hasa stable photoluminescence and high reproducibility with photoluminescence efficiency higher than that from porous Si on Siresistivitv of 0,04 Wcm Photoluminescence decay from porous Si decrease non-exponentially with photoluminescence decayrate of several mseconds This phenomena is attributed to the different of porosity and pore size distribution on porous silicon

layer

KEYWORD

Silikon porous. Fotoluminesen

PENDAHULUAN

Silikon piJrous (SiP) yang dibentuk dengan reaksianodik dalam lamtan dasar HF, kill banyak diteliti secaraintensifkarena dapat diaplikasikan sebagai bahan dasarteknologi rangkaian terpadu (IC), VLSL display dan divaisoptoelektronik seperti Laser, LED, fotovoltaik, dan selsluya. Hal ill disebabkan karena pada temperatur kamarbahan SiP memiliki efisiensi fotoluminesen (FL) visibleyang tinggi. Divais elektrolmllinesenlnisalnya LED, telahberhasil dibuat dari bal\all SiP dan didemontrasikan padatahun 199111]. LED ini tersusun dari stmktur metal! SiP! Si kristal dengan SiP sebagai insulator dengan efesiensidari 10-4 hingga 10-5 0/" dan tegangan thre.shold (ambang)lebihbesardari 10 volt.

SiP diwataki oleh porositasnya. Keberadaanporositas optimmll (sekitar 56 %) dari SiP mengandungsilikon dioksida yang memiliki ekspansi volume dantegangan (.strain) minimum. Kondisi tersebut amatrenting guna mendapatkan mikrostruktur yangsepenuhnya teroksidasi. Meskipun demikian, nilaiporositas itu sendiri tidak cukup untuk mewataki bahan

SiP. Parameter lain yang perlu diperhatikan adalah ukuranpore, daD distribusi ukuran pore. Keduanya, baikporositas maupun ukuran pore menentukan ukurandinding silikon (Si walls) dalam SiP sedemikian rupasehingga sifat-sifat seperti kualitas kristal, respon optik,kelakuan termal daD mekanisme oksidasi sangatbergantung pada porositas daD ukuran pore.

Mikrostruktur SiP telah diamati sebelumnyadengan 1EM untuk cuplikan tampang lintang [1,2]. Hasilpengamatan menunjukkan bahwa mikrostruktur SiP yangditumbuhkan pada c-Si tipe-p(lOO) dengan resistivitas0,04 'o'cm tersusun dari pore yang merambat tcgak luruspermukaan SiP. Pore yang terbentuk berukuran lebihbesar dari ukuran pore dari Sip pada c-Si tipe-p(lOO)dengan resistivitas 1 dan 5 'o'cm [2,3]. Arab perambatanpore dati tipe SiP pada c-Si resistivitas 1 dan 5 'o'cm initidak beraturan dan terdistribusi secara acak di dalam

lapisan SiP.Pada lnakalab ini, sifat-sifat optik dan FL dari SiP

yang ditumbuhkan pada substrat yang berbeda diamatidengan spektrometer FL dan infra merah.

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

Tabel 2. Ketebalan lapisan SiPTATA KERJA

Bahan

.

Substrat wa:fer Si tipe-p(lOO) dengan resistivitas0,04 dan 10 O:cm yang ditumbuhkan denganmetoda Czochralski.Larutan HF 48 % GR dan Etanol (MERK)

.

Percobaan

Peralatan yang digunakan pada pengamatan ini

sarna seperti peralatan yang digunakan padapengamatan sebelumnya[2 ,4,5]. Pelapisan kODiak ohmikAl pada sisi lain dari c-Si dilakukan dengan teknikvakum coating, diikuti perlakuan panas pada 350°Cselama 30 meDii. Reaksi anodik dilakukan padarangkaian terbuka di dalam lamtan HF: etanol = 1:1

dengan rapat arus bervariasi. Katoda platinaditempatkan sejajar dengan anoda wafer Si di dalamcawan teflon. Selama reaksi berlangsung, larutanelektrolit diputar secara mekanik dengan rnagnetik stirertanpa bantuan pencahayaan. Kondisi preparasipembentukan SiP dicantumkan dalam Tabel I.

Kondisi preparasi pembentukan lapisan SiPTabel

Kode

Cuplikan

WaktuReaksi(detik)

RapatArus

(mAlcm2)

p(0 .cm)No

Gambar I. Hasil mikroskop optik yang menunjukkanpermukaan lapisan SiP basil reaksi anodikdalam tarutao HF: ethanol = I: 1 dengan rapat

arus 30 mAlcm2, setama 60 detik.SI>R-l

SI>R-2

SPR-3

SPR-4

SI>T -1

SPT -2

SI>T-3

SPT -4

0,04

0,04

0,04

0,04

10

10

10

to

50

[00

[50

200

30

30

30

10

60

180

120

1.20

10

30

60

60

2

3

4

5

6

.,

8

Pengukuran spektra FL daD life time dilakukandengan spektrometer UV-N2 ion laser excitation padapanjang gelombang 337 nIn. Sedang komposisi kirnianyadiamati dengan spektrometer FfIR pada daerah bilangangelombang antara 600 -2400 Gill-I.

cuplikan SiP memperlihatkan multi-warDa, yakni hijauyang mendominasi bagian tengah permukaan, diikutimerah, orange daD kuning pada bagian pinggirancuplikan. Fenomena ini dapat dikorelasikan dengan efekukuran kuantum yang dapat menghasilkan emisi yangjauh di alas celah energi silikon kristal bulk. Pem-bentukan lapisan SiP terjadi apabila proses kelarutananoda (c-Si) dibatasi oleh supply muatan dan bukan olehdifusi ionik dalam larutan elektrolit. Sifat-sifat mikro-struktur, optik daD listrik yang dihasilkan sangatbergantung pada tipe substrat, resistivitas, rapat arus,konsentrasi HF dalam larutan elektrolit, waktu reaksi dan

tingkat pencahayaan.Gambar 2 menunjukkan komposisi kimia cuplikan

SPT -3 setelah dioksidasi di udara daD diUkur meng-gunakan spektrometer FTIR pada daerah bilangangelombangantara600-2400cm-l. Pada Gambar2a(daricuplikan SPT -3) terlihat spesi silikon dioksida, silikonhidrida daD silikon dihidrida, yang terbentuk selamadisimpan di udara. Puncak-puncak ganda pada 637 dan658 cm-l,juga pada 871 daD 904 cm-l, merupakan modelvibrasi deforrnasi masing-masing dari spesi Sill dan S~.Puncak absorpsi pacta 2110 cm-1 disebabkan oleh vibrasi

ulur (stretching) dari spesi SiH2 Sedang puncak absorpsi

BASIL DAN PEMBAHASAN

Grafik yang dihasilkan antara tegangan terhadapwaktu reaksi anodik menunjukkan garis resistan yangrata (smooth). lni menyatakan bahwa ams merambatdengan baik ke dalam cuplikan. Ketebalan lapisan SiPyang diukur menggunakan mikroskop optik, dican-tUlnkan dalaIn Tabel2.

Hasil reaksi anodik cuplikan SiP daTi SPT-3dilunjukkan pacta Gambar I. Terlihat bahwa pennukaan

385Dididn ,\'ahidin Winatapura

-

RINGRAHMINISARI, SUMARYO daD S. AlIDA,\rTF

Prosiding Pertemuan /lmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998

ISSN1410-2897

250

0.2000

0.0000

0.2000

p

0.2000

0I 250nte 0

n 250s

it 0

a 250s

(a.u)

0.0000

02400 2000 1600 1200 800 600

Bilangan gelombang (cm-l)550 600 650 700

Bilangan gelombang (cm')

Gambar 3. Spektra intensitas FL dasi SiP yangditumbuhkan pada Si resistivitas 0,04 Wcmdengan rapat arus masing-masing 50, 100,

150 dan 200 mAlcm2

(jamhar 2 Komposisi kimia lapisan Sip yang ditum-buhkan pada Si dengan rapat arus (a) 30mAicm' dan (b) 10 mAicrn' .

pada 1077 cm-1 diidentifikasi sebagai model vibrasi ulurtidak simetris daTi spesi Si°2" Komposisi kimia daTicuplikan SPT -4 yang teramati hanya spesi SiO2 danSiH2 masing-lnasingpada puncak absorpsi 1080 dan 2107cm-l.

SPT -3, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4c, yangrnernperlihatkan kenaikan intensitas cukup tinggi padapuncak 620 nrn dengan FWHW yang cukup lebar. Polaspektra intensitas dengan FWHM yang lebar juga telahdiamati sebelumnya daTi SiP yang dioksidasi pada subutinggi, antara 800 -'" 1100 °C [9]. Proses oksidasi pada

SiP dapat rnenyebabkan penurunan kristalinitas Sikristalit dan passivation (penutupan) permukaannyasehingga sifat optiknya bembah. Sebagai akibatnya, FLyang dihasilkan lebih lemah dan FWHM lebih lebar daTipada FL daTi SiP yang direndarn (leaching) di dalamlamtan elektrolit dasar HF [8J.

Perbedaan efisiensi FL pada SiP dari keduajenissubstrat c-Si tersebut dapat diasurnsikan sebagaiperbedaan pada ukuran pore. Herino et.al. [3J rnenun-jukkan bahwa ukuran pore daTi SiP yang diturnbuhkan

Intens

it 1as

(a.

Sejumlah pengmnatan SiP dengan absorpsi inframerah tidak dapat mengidentifikasi adanya mode vibrasiuIur dari spesi SiF ( 6.7 J. Hal ini disebabkan antara lainadanya hidrolisis ikatan SiF oleh nap air daD karenaikatan ini memiliki o,\'cillator ,\'trength yang rendah.Namun Xiao et.al. (71. mengidentifikasi adanya modevibrasi ulur dari spesi SiF J pacta puncak absorpsi939 Ctn-1 pacta SiP. yang beberapa menit setelah direaksianodik. Setelah SiP disimpan diudara. unsur flourine(F) akan disubstitusi oleh gugus hidroksil (OH) yang

selanjutnya mempakan tempat pengintian bagi pertum-buhan oksida. Hal ini menunjukkan bahwa kondisilingkungan. seperti kelembaban dengan kandungan OHdaD air yang tinggi atau lingkungan udara kering,

berpengamh terhadap pembentukan komposisi kimiaSiP. Fenomena ini terjadi karena selama disimpan diudara. pacta suhu kamar, permukaan lapisan SiP dapatmengadsorpsi berbagai jenis impuritas, antara lain CJH6'H2O. hidroksil. hidrida daD mengalami oksidasi secaratidak lliuform (6.8).

Gambar 3 menunjukkan spektra SiP yang ditum-buhkan pacta c-Si resistivitas 0,04 Wcm untuk cuplikanSPR-I. SPR-2. SPR-3 dan SPR-4. Tmnpak bc1l1wa spektrayang teramati dari cuplikan yang telah disimpan di udaraselama kurang lebih 5 bulan, sangat rendah daD tidakmemperlihatkan kenaikan yang berarti seperti terterapacta Gambar 3 (a, b daD c) daD sedikit mengalamikenaikan untuk cuplikan SPR-4 seperti ditunjukkan padaGambar 3 (d). Pola spektra intensitas yang rendahjugadiperoleh dari cuplikan SPT -I dan SPT -2. seperti tampakpacta Gambar 4 (a daD b) yang berbeda dari cuplikan

Gambar 4. Spektra intensitas FL dasi SiP yangditumbuhkan pad a Si resistivitas 10 .Qcm.dengan rapat arus masing-masing 30 mNcm" selama (a), 10 (b), 30 (c) daD 120 detik

Didin Sahidin Winatap"ra386

Pros;d;ng Pertemuan Ilm;ah ,\'a;ns Mater; IIISerpong, 20 -21 Oktober1998 ISSN 1410-2897

peluruhan FL dari cuplikan SiP yang dibentuk pada c-Siresistivitas 10 .ocrn, yang sarna dengan cuplikan SiP padapengamatan ini, sebagai fungsi energi emisi FL (1,6 -

3,2) yang diukur pada temperatur antara 20 -293 K.Fenomena peluruhan FL ini menurut Nario, disebabkanoleh karena lifetime FL yang bergantung pada energiemisi FL pada suhu tinggi dengan adanya aktivasi termaldari carriers. Peluruhan FL yang non-eksponensialdiasumsikan oleh emisi spontan, lifetime dari rekombinasiyang tidak radiatif atau oleh adanya ikatan Si danglingdalam lapisan SiP (12]. Dengan demikian tampak bahwaasumsi ten tang mekanisme penyebab peluruhan FLeksponensial alan bukan eksponensial masih be-lummemberikan kesepakatan.

Hasil yang diharapkan dari bahan SiP untukdapat diaplikasikan sebagai bahan dasar divais opto-elektronik adalah memiliki efisiensi FL yang tinggi daDkonstan (repro~ucible). Oleh karena itu SiP yangditumbuhkan pada c-Si resistivitas yang lebih besar dariI .ocm lebih potensial sebagai bahan dasar divaisoptoelektronik, seperti : laser, LED, set surra daDfotovoltaik, dari pada SiP pada resistivitas rendah. sebabdapat menghasilkan efisiensi FL yang reproducible yangtentu saja dapat menghasilkan gain optik yang tinggi

pula.

pada c-Si tipe-p(lOO) resistivitas 0,04 .o.cm adalahantara2 -9 om. Sedang ukuran por;e dari Sip pada c-Sitipe-p( 100) dengan resistivitas lebih besar dari 1 .o.cmadalah lebih kecil dari 2 om. Hasil pengukuran intensitasFL kedua jenis substrat tersebut ditunjukkan padaGambar 1 (a,b,c clan d) clan Gambar 4(c). Sedang basilpengukuran intensitas FL untuk cuplikan SPT -I dan SPT -

2, ditunjukkan pada Gambar 4 (a dan b). Spektra intensitasyang dihasilkan sangat rendah, meskipun cuplikan telahdioksidasi selarna kurang IdJih 2 bulan. Hal ini diperl<irakanoleh terlalu cepatnya waktu reaksi anodik, yaitu selamamasing-masing selama 10 dan 10 detik, sehinggaporositas yang terbentuk belurn mencapai nilai porositasyang optimum. Porositas yang optimum untuk tipe SiPini telah diamati oleh Canham et.al. (10] yaitu sekitar 56%. Selain tipe substrat clan waktu reaksi anodik, efisiensiFL dari SiP juga meningkat dengan kenaikan rapat arusanodik. seperti telah dilakukan pada pengamatan

sebelumnya (2].Gambar 5 menunjukkan hasil pengukuran

peluruhan FL untuk cuplikan SPT -1 dan SPT -4 pada elnisipanjang gelombang antara 600 dan 610 nIn. Talnpak keduapeluml1an FL mcnunjukkan bukan eksponensial denganlifetime lnasing-masing T,=0,979 ~etik. T 2=7 .458 ~rokdan T1=0.740 Ildctik. T2=5.069 ~etik. Hasil tersebutmemiliki pola peluruhan FL yang ~erbeda denganpengamatan yang telah dilakukan oleh Xie et.al. (7] clanNario dkk (III yang menghasilkan peluruhan FLeksponensial. Xie et. at. (7] mengalnati SiP. dengan tebal] Ilm. pada c-Si dengan resistivitas 0,04 .o.cm yang telahdioksidasi di udara selama 6 hari. Xie mengungkapkanbahwa pelumhan FL secara cksponensial ini disebabkanoleh rekombinasi radiatifyang terjadi melalui distributionn( Incalize(1 ,\'tate.\' (merupakan suatu defect) dekatpermukaan lapisan SiP. Sedang Nario mengukur

KESIMPULAN

Dari basil pengamatan karakterisasi sifat optikdan FL SiP dapat disimpuJkan :.Lapisan SiP yang terbentuk memperlihatkan

permukaan lapisan yang multi wanta.SiP yang ditumbuhkan pada Si resistivitas 10 .D.cm

memiliki FL yang stabil daD reprodusibilitas yangtinggi dengan efisiensi fotoluminesen lebih tinggidati pada efisiensi SiP pada Si resistivitas 0,04 .D.cm.

.Peluruhan (decay) FL yang teramati turun secaranon-eksponensial dengan kecepatan waktu pelu-ruhan adalah 0,7 daD 0,9 ~etik.

a

UCAPAN TERIMA KASm

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaKepala High Resolution Beam Satation Laboratoriesand Magnetic Fields, NRIM- Tsukuba, Jepang atas izinmenggunakan fasilitas di NRIM. Demikian pula kepadaKepala Perwakilan ST A Jepang di Tsukuba atas segala

bantuannya.

.,

b.-.,;,. .

..: .T I =kJ .-,".J.,,"".

: ' .'.

,.JJ.deiik j...~".

DAFTARPUSTAKA

';~

5 Pe\uruhan fotoluminese" non-eksponensialdari SiP yang ditumhuhkan dengan rapat aru"anodik ma"ing-ma"ing 10 mA/cm2 (a) daD

30 mA/cm2 (b).

iambar

[1]. MI.J.BEAiE,N.G.OIEW,MJ.UREN,AG.CUllISdan J.D. BENJAMIN, Microstructure and Forma-tion Mechanism of Porous .S'ilicon, Appl. Phys. Lett.,46 (1985)86

[2]. DIDIN S. WINATAPURA, E. PANJAITAN, AU-RING RAHMINISARI, SUMARYO dan S. AHDA,

387Dididn ,\'ahidin Winatapura

[rI=o.979: ~deiik-

}1detik-' .

Prosiding Pertemuan Ilmiah ,\'ains Materi 11/Serpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

(8]. C. TSAI, K.H. LI, D.S. KINOSKY, R.-Z. QIAN danJ .M. WHITE, Correlation between Silicon Hydride.S'pecies and Photoluminescence of Porous Silicon,Appl. Phys. Lett., 60 (1992) 1700

(9). S.M. PROKES, Light Emission in ThermallyOxidized Porous Silicon: Evidence for Oxide-related Luminescence, Appl. Phys. Leu., 62

(1993)3244(10). L. T. CANHAM. M.R. HOULTON, W. Y. LEONG, C.

PICKERING dan J.M. KEEN, A tmospheric Impre-gnation of Porous Silicon at Room Temperature,

Appl. Phys. Lett., 70(1991)422(II). NARIOOOKUBOdan N. HAMADA, Dependence

of Photoluminescence lifetime on Emission Energyin Porous .S'ilicon at Various Temperature, SolidState Commun., 92(1994)369.

(12).G.GQIN, The Photoexitation and LuminescenceProcess in Porous ,S'ilicon, Porous Silicon, ed., byZ.C. FENG and R. TSU, Word Scientific, London,1994

.Siudi Alikro.\'truktur don Fotoluminesen LapisanSilikon Berpori. Prosiding Pertemuan llmiah SainsMateri II. Serpong 29-300ktober 1997, hal.402.

(31. R. HERINO. G. BOMCHIL, K. BARLA, C. BER-TRAND clan J. GINOUX. Porosity and Pore .S'izeDi.\'tribution of Porou,\'. \'; licon La.ver. J. Electrochem.Soc.. 134(1986) 1994

(4). DillIN S. WINATAPURA, E. PANJAITAN, M.SILALAHI clan S. AHDA, Karakteristik Foto-lumine.\'en Lapi,\'an Silikon Pori Pada .S'uhu Kamar,Prosiding Pertemuan IImiah Sains Materi. Serpong,22-23 Oktober 1996

(51. DillIN S. WINATAPURA, SUMARYO, I. KETUT.N. PATA. SULISnOSOG. SUKARYOdan S. AlIDA,Pemhuatan don Ok,\'ida,\'i Lapi,san Silikon Porous.Diseminarkan pada Presentasi IImiah PenelitianDasar clan Ilmu Pengetahuan clan Teknologi,Yogjakarta. R-IO JuIi 1997

(61. P. GUPTA. V.L. COLVIN clan S.M. GEORGE,H:vdrogen desorption Kinetic.\' .from Monohydrideand Dihydride .S'pecie,\' on Porou.\' Silicon, Phys.Re\.. B. 37 (1987) 378234

[7). Y.H. XIE. W.L. WILSON.F.M. ROSS.l.A.MUCHA,E.A.FITZGERALD, J.M. MACAULAY clan T.D.HARRIS. Luminescence and .Siructural .Siudy ofPorou,\'.\'ihcon Film,\,. J. Appl. Phys.. 71 (1992)2403