Pro siding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

KARAKTERISTIK PHOTOLUMINECENCE SILIKONPOROUSYANG DIOKSmASI PADA SUHU KAMAR1

Didin S. Winatapura,2 Elman Panjaitan ,2 Marzuki Silalahi,2Syahfandi Ahda,2Sulistioso G. S.,2 daD Yoshio Fukuda3

ABSTRAK

KARAKTERISTIK PROTOLUMINECENCE SILIKON POROUS YANG DIOKSIDASI PADA gURU KAMAR.Telah dilakukan pembuatan silikon porous pada silikon tipe-p(100), ditumbuhkan dengan metoda Czocbralski, resistivitas 5-10 Qcmdan di doping boron, dengan reaksi anodik dalam larutan dasar asam hidroflour (HF). Photoluminescence yang sangat I:fisien darisilikon porous dioksidasi pada suhu kamar dalam lingkungan udara diukur dengan menggunakan spektrometer photoluminescence.Intensitas photoluminescence meningkat dengan kenaikan waktu oksidasi. Hidrogen yang mempasifkan permukaan silikon porous jugatelah dideteksi dengan Fourier Transform Inftarnerah (FTIR) dengan menghasilkan puncak spektra absorpsi pada 622-661, 873-909,2107 dan 2112 cm-1 yang dihubungkan sebagai model regang, bending dan wagging dari jenis Si-H dan Si-H2. S"lanjutnya,pengamatan TEM dilakukan untuk mempelajari permukaan lapisan silikon porous. Hasilnya mengungkapkan bahwa llennukaanlapisan silikon porous berbeda untuk kenaikan rapat arus anodik dengan menampilkan pola difraksi elektron yang berbeda untuk tiap

sample.

ABSTRACI'

PHOTOLUMINESCENCE CHARACTERISTIC OF OXIDIZED POROUS SILICON AT ROOMTEMPERATURE. The fabrication of porous silicon on P(IOO)-type silicon, grown by Czochralski method, resistivity of ~i-l0 Qcm,and boron-doped, by anodic reaction in hydrofluoric acid (HF)-based solution has been carried out. Very efficient photoluminescence ofoxidized porous silicon at room temperature in ambient air was measured by means of the photoluminescence spectrometer. The intensityof photoluminescence increases as the extended oxidation in air increases. Hydrogen passivated porous silicon surface has beendetected by Fourier Transform Infrared (FTIR) exhibiting absorption spectra peaks at 622-661,873-909,2107 and 2112 cm.'. whichis assosiated with stretching, bending and wagging modes from Si-H and Si-H2. Furthermore, TEM observation was done to study thetop most layer of porous silicon. The results revealed that microstructure of top most layer was different as the anodic current densityincrease showing the different electron diffraction pattern for each samples.

PENDAHULUAN

Silikon merupakan bahan dasarsemikonduktor yang memiliki efisiensiphotoluminescence sangat rendah dalamdaerah inframerah pada suhu kamar. EfesiensiPL dapat ditingkatkan dengan membentuklapisan silikon porous (SP) pada bahan silikonbulk dalam larutan dasar HF dengan reaksianodik. Metoda ini telah berhasilmeningkatkan efisiensi PL dalam daerahtampak yang jauh lebih tinggi dibandingkanefesiensi silikon bulk. I) SP yang dihasilkan

tersusun dari jaringan pori dengan dimensiantara 10-1000 A. Karakteristik SP yangdihasilkan sangat bergantung pada jenisresistivitas silikon bulk, komposisi elektrolit,rapat arus anodik dan perlakuan selama reaksi

odik 2-7)an .

SP sangat reaktif dan dipengaruhi olehlingkungan atmosfer. Tingkat kandunganhidrogen meningkat tajam pada permukaan SPyang dioksidasi pada suhu kamar. Hal initerutama disebabkan oleh pembentukan secaraperlahan kelompok hidroksida, secara kimiawiSP menyerap uap air daD oleh akibatkontaminasi hidrokarbon pada permukaandinding porous, sehingga hidrogen yangmempasipkan permukaan SP tidak stabil dalamlingkungan udara daD mudah teroksidasi.

Penelitian yang intensif difokuskanterhadap bahan ini karena memiliki tampakyang dipromosikan untuk aplikasi yangpotensial dalam teknologi rangkaian terpadudari teknologi struktur Si-on-insu/ator (SOI).8)Pengamatan TEM7-8) telah berhasilmengidentifikasi adanya kristalit silikon dalamSP berbentuk partikel atau kolom berukuran 3-

I Dipresentasikan Pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi, Serpong 22-23 Oktober 19962 Pusat Penelitian Sains Materi -BATAN, Serpong3 NRIM -Tsukuba, Jepang.

379

diserang kembali oleh HF atau H2O. Meskipundemikian, atom silikon pada permukaan masihada yang berkatan dengan hidrogen.

BAHAN DAN TAT A KERJAPembuatan lapisan silikon porous (SP)

Bahan yang digunakan dalampenelitian ini adalah silikon wafer tipe-p(IOO)yang didop boron dengan resistivitas antara 5-10 ncm daD ditumbuhkan dengan metodaCzochralski. Silikon bulk dipotong berbentukdisk berdiameter 3 mm dengan pemotong diskultrasonik untuk memenuhi persyaratanpengamatan dengan TEM. Lapisan tipisaluminium dibentuk pada bagian belakangsampel daD dipanasi dalarn tungku harnpaudara pada suhu 350 °C selarna 30 menit.Selanjutnya reaksi anodik dilakukan denganrangkaian terbuka di dalam larutan HF (50 wt%) : ethanol = 1: 2.12) Sebagai katodadigunakan pelat platina berukuran 1 cmpersegi, ditempatkan sejajar dengaI1 anoda(silikon) didalarn cawan teplon. Sampel silikonberfungsi sebagai anoda, ditempatkan pada selelektrolit sedemikian rupa, sehingga arus yangmengalir padanya dapat menghasilkarl lapisanporous dengan ketebalan yang seragarn padaseluruh perrnukaan sample. Pencelupan(immersion) sampel dalam larutan yang sarnatanpa dialiri arus listrik dilakukan selama 1meDii untuk setiap sampel. R~si anodikdilakukan dengan memberikan rapat aruskonstan masing-masing 10, 20, 30, 40 daD 50mNcm2 yang selanjutnya dinamai sampelF7Al, F7A2, F7A3, F7A4 daD F7A5, selama 1menit untuk tiap sarnpel. Selarna proses reaksianodik, larutan diputar secara mekanik denganpengaduk magnet dan tanpa diberikan bantuanpencahayaan. Kondisi preparasi SP ditunjukkanpada Tabel 1 daD Gambar 1.

5 om tertanam dalam matrik berupa amorf.Usulan yang telah diungkapkan oleh

para peneliti mengenai somber pemancar PLdalam SP menampakkan basil yangkontroversial dan hingga saat ini hat tersebutmasih diperdebatkan. Fenomena PL yangditimbulkan oleh quantum confinement effectdari kristalit silikon berukuran nanometerdalam SP telah dikemukakan oleh Canhamdkk,S) atau terbentuknya senyawa lain sepertisiloxene (Si6O3~)9) dan silikon hidrida (Si-Hx)IO) yang mempasipkan permukaan SPdiperkirakan dengan kuat sebagai somber-somber pemancar PL tampak dalam SP.Meskipun demikian, tampaknya secara luasdapat diterima oleh para peneliti bahwa somberpernancar PL dalalm lapisan SP adalah kristalitsilikon berukuran nanometer dan matrik amorfseperti hidrida daD latau oksida.

Tujuan penelitian ini adalahmempelajari karakteristik PL dati bahan SPyang dioksidasi pada suhu kamar selama 8minggu dalam lingkungan udara.

LA TAR BELAKANG TEORITurner II) mengemukakan mekanisme

kelarutan silikon dalam larutan HF melaluireaksi elektrokimia sebagai berikut :Si+2HF+Ze+(hole) SiF2 + 2W +

(2-Z) eO (electron) (1)dengan Z menyatakan jumlah hole (e 1. Silikondiflorida, SiF2, yang terbentuk pada permukaansilikon tidak stabil dan berubah secara perlahanmenjadi silikon tetraflorida, SiF4, yang stabildan silikon amorf, disertai dengan evolusi gashidrogen. Reaksi kimia yang mungkin terjadidari silikon dengan larutao HF: 7.11 )

SiFz -+ Si sman + Sif4 (2)Sismorf -+ SiOz + 2Hz (3)SiF4+2HF -+ HzSiF6 (4)

SiOz+2Hz+HF -+ HzSiF6 + 2HzO (5) PengukuranSpektra PL sample SP diukur dengan

menggunakan Spektroskopi PL, yang terdiridaTi Laser Photonics (I) sebagai penghasillaserion-Nitrogen dengan panjang gelombang 337nm, ditembakkan ke sampel (2) membentuksudut sekitar 450 terhadap sampel. Refleksiintensitas PL diterima oleh detektor daDdialirkan ke Imaging Spektrograf (3) melaluikabel optik fiber daD ditampilkan dalatn layarmonitor berbentuk spektra. Pengukuran sampledilakukan setelah beberapa menit proses reaksianodik, dan selanjutnya diukur setiap mingguhingga mencapai 8 minggu. Komposisi kimia

Permukaan silikon yang dipasipkan olehhidrogen sebenarnya lamban terhadap seranganion F, hila tidak terdapat hole (el dalamelektroda silikon. Bila hole (el mencapaipermukaan nucleophilic, ion F mulaimenyerang ikatan Si-H daD terbentuk ikatan Si-F. Karena pengaruh pengkutuban ion F, ion Flain dapat menyerang dan mengikat silikondiikuti dengan pembangkitan molekul Hz daninjeksi satu elektron kedalam elektroda. Karenapolarisasi terinduksi daTi ikatan Si-F, kerapatanikatan Si-Si berkurang dan ikatannya melemahsehingga dalam kondisi demikian akan mudah

380

permukaan SP yang dioksidasi pada subukamar diukur dengan FI'IR (JEOL Trading Co.Lill.) pada daerab bilangaJ1 gelombang antara600 -2400cm-l. Absorpsi spektra diperoleb daTisampel F7AI, F7A2, F7A3, F7A4 dan F7A5

Preparasi sample TEM pada penelitianini dilakUkan pada arab ketebalan. Untukmengamati mikrostruktur SP dengan TEM,bertumt-turut digrinding daD dimpling secaramekanik, kemudian dipolish dengan teganganrendah ion-AT milling 3 -5 keY gunamendapatkan sampel thin foil « 250 A). SPyang diarnati dengan TEM hanya sampel F7 Al, F7A3 dan F7A5.

tinggi dari unsur-unsur oksigen dan hidrogendaIam lapisan SP yang dioksidasi di udara 13)

disebabkan karena meningkatnya senyawahidroksida daD penyerapan uap air daIamlapisan SP. Senyawa hidroksida yang tc~rbentukkemudian menggantikan flour pada permukaandan daIam lapisan SP. Dengan demikianlapisan SP yang dioksidasi di udara pada suhukarnar, memiliki permukaan yang dipasipkanoleh hidrogen. Pola spektra yang mirip, jugadiperoleh daTi SP yang dioksidasi pacta suhutinggi 14). Spektra PL meningkat secaramonoton dengan kenaikan suhu, daD kamudianturIIn tajam dengan kenaikan suhu yang lebihtinggi. Penurunan spektra tersebut disebabkanoleh hilangnya lapisan hidrogen padapermukaan lapisan SP oleh akibat efek suhutinggi daD digantikan oleh lapisan silikonoksida amorf (a-SiO2).

Gambar 5 menunjukkan suatlJ kurvapeluruhan PL dari sampel F7 A3 yang diukurpada suhu kamar dari spektra PL pada 650 om.Kurva PL yang dihasilkan menunjukkankelakuan yang tidak eksponensial denganlifetime berorde mikro detik. Hasil penhrukuranselengkapnya untuk sampel daTi F7 Al sampaiF A5, ditunjukkan pada Tabel 2. Penurunanwaktu hidup dari PL selama oksidasi pacta suhukamar diperkirakan terbentuknya ikatan silikondangling pada bidang muka (interface) antarakristalit silikon dan lapisan oksida.

BASIL DAN PEMBAHASANOksidasi SP pada suhu kamar

Hasil reaksi anodik silikon bulk dalamlarutan HF menunjukkan emisi cahaya tampak(merah, kuning, oranye dan hijau) yangterbistribusi hampir pada seluruh permukaanSP. Terjadi gelembung hidrgen keluar daripermukaan elektroda silikon selarna reaksianodik berlangsung, yang merupakan basilreaksi elektrokimia dan kimia antara silikondaD larutan HF. Sampel yang direaksi anodik dialas 50 mA/cm2 (melebihi barns rapat aruskritis) pada seluruh permukaan lapisan SPterbentuk lapisan hitam dengan sebagianpermukaannya mengelupas. Sedangkan untuksampel dengan rapat arus lebih kecil atau sarnadengan 10 mA/cm2, terbentuk pulau-pulaukecil dan lapisan hitam terdistribusi hampirpada seluruh permukaan SP.

Gambar 4 menunjukkan basilpengukuran spektra PL daTi SP sample F7 A 1sampai F7 A5 yang dioksidasi di udara padasuhu kamar selama 8 minggu. Spektra PLyang dihasilkan meningkat dengan kenaikanwaktu oksidasi daD memiliki pola yang lebardengan puncak sekitar 630 om. Spektra PLyang diukur selang beberapa meDii setelahreaksi anodik, hanya menghasilkan intensitasyang sangat rendah untuk semua sampel.Bahan SP yang direaksikan secara anodikdalam larutan dasar HF mengandung jumlahkonsentrasi flour relatip cukup tinggi, sepertitercantum pada persamaan reaksi (2) sampai(5) dan turun secara perlahan dibawahpengaruh oksidasi di udara. Hal ini disebabkankarena proses hidrolisis dari ikatan Si-F olehuap air.

Pengukuran dengan FTIRPengukuran dengan FTIR dilakukan

pada suhu kamar dalam lingkungan udara.Spektra absorpsi yang ditampilkan dalam layarmonitor merupakan getaran regang(stretching), bending daD wagging darikelompok hidrida dan oksida. Gambar 7merupakan basil pengukuran spektra absorpsiFTIR dari 600 -2400 cm-J, untuk sample F7A3yang dioksidasi selarna 2 minggu. Puncak-puncak spektra absorpsi yang dapat dideteksiadalah 622-661, 873-909, 1070,1107 daD 2112cm-J yang diplot antara sumbu bilangangelombang (00) cm-J vs absorpsi PL. Hasilpengukuran sampel F7 A3 dengan FTIRditunjukkan dalam Tabel 3. Puncak gandapada 620-661cm-J dengan spektra absorpsicukup kuat ditentukan rnasing-masing sebagaimodel deforrnasi atau wagging SiR daD

SiH2.12.J5) Sedangkan puncak ganda yangterekam pada 873 -909cm -I disebabkan olehmodel bending dari jenis Si-H2. J 2,17) Kenaikan

oksigen dalam SP terdeteksi dengan spektra

Bahan SP sangat dipengaruhi olehlingkungan atmosfer, sehingga selama prosesoksidasi di udara mudah mengikat senyawahidroksida dan uap air. Kandungan yang

381

absorpsi terpusat pada puncak 1070 cm -1 yang

disebabkan oleh model stretching asimetris Si-O-SiIO.15.17) daD puncak spektra absorpsi yangterekam puncak ganda pada 2085 -2112 cm-1masing-masing muncul dari getaran regang(stretching) Si-H dan Si-H2 15). Diperkirakanbahwa lapisan-lapisan amorf seperti silikonhidrida. silikon dihidrida dan silikon oksidaberkontribusi terhadap pancaran PL tampakdalam lapisan SP.

Pengamatan dengan TEMPola difraksi elektron (PDE) TEM dari

permukaan lapisan SP sampel F7Al, F7A3 daDF7 AS ditunjukkan pada Gambar 7(a) sampai(c). Gbr. 7(a) menunjukkan pola difraksi darimorfologi permukaan SP sampel F7Al. PDEyang diperoleh daTi lapisan tersebut mencirikankarakteristik dari bahan silikon kristal tunggalsempurna. Gambar 7(b) menunjukkanpola difraksi morfologi permukaan SP sampelF7 A3. PDE yang diperoleh dari lapisan ini jugarnasih menunjukkan pola difraksi bahan kristaltunggal silikon, akan tetapi memperlihatkanlintasan berbentuk busur api (arc-shapedstreaks) pada berkas transmisi. Pada dua kasusdi alas, yaitu untuk sampel F7Al dan F7A3nampak bahwa reaksi anodik silikon bulkdalam larutan HF dengan rapat arus masing-masing 10 daD 30 mNcm2 tidak mencakupseluruh area permukaan sample elektroda.

SP sampel F7 AS yang memancarkanPL tinggi, Gambar. 4e memiliki bentukmorfologi dengan pola difraksi sepertiditunjukkan pada Gambar 7(e). Lapisan inimemperlihatkan area dengan morfologi hampirsarna. Bagian lapisan SP dekat tepi daD padajarak beberapa rnikrometer dari tepi darisampel yang transparan memperlihatkanbentuk PDE yang sarna, Gambar 7(e). Fringesberbentuk cincin yang nampak merupakan PDEyang diperoleh dari kristalit silikon dengandimensi beberapa nanometer. Lebar daDspottness dari pola difraksi yang dihasilkanbergantung pada ukuran daD jurnlah partikelsilikon yang mengkontribusi terhadap pola.Namun demikian, fenomena ini tidakmengindahkan kemungkinan adanya substansiamorf yang mengelilingi partikel silikon. Padakasus ini nampak bahwa reaksi anodikmencakup seluruh area permukaan elektroda.Kenaikan intensitas PL yang tinggi dari silikonporous yang dioksidasi pada suhu karnardiperkirakan oleh quantum confinement effectsdari kristalit silikon (intrinsik) berukurannanometer.

KESIMPULANI. Lapisan SP dapat dibentuk pacta kristal

tunggal silikon tipe-p(100) yang memilikiresisitivitas 5-10 Ocm.

2. lntensitan PL dari SP setelah beberapamenit direaksi anodik dalam larutan HFmemperlihatkan spektra yang sangatrendah untuk semua sample. [ntensitasmeningkat dengan penlambahanpenyimpanan (oksidasi) dalam liogkunganudara pada suhu kamar. Permulkaan SPyang dioksidasi tersebut dipasiplkan olehlapisan hidrogen dati jenis Si-H.

3. Morfologi permukaan lapisan SP pada arabketebalan memperlihatkan pola difraksiyang berbeda yang tersusun dari kristaltunggal silikon, kristalit silikon berukurannanometer daD I atau substansi amlorf.

4. Dari bukti-bukti (3) daD (4) dipc~rkirakanbahwa emisi PL dalam lapisan SP berasaldari quantum confinement effi?cts darikristalit silikon (intrinsik) daD substansiamorf seperti silikon hidrida , siliondihidrida dan silikon dioksida.

Ucapan terima kasih kepada DR. K.Furuya, DR. T. Saito, DR. Wuryanto, Dra.Rukihati, SU dan rekan-rekan MBI -PPSMatas bantuannya hingga makalah ini selesai.

DAFTAR PUSTAKA1. L. T. CANHAM, Appl. Phys. LeU., 57,

1047 (1990)2. R. HERINO, G. BOMCHIL, K. BARLA,

C. BERTRAND, N. J.L. GINOUX, J.Elec-trocbem. Soc., 134, 1994(1987)

3. M.l.J. BEALE, N.G. CHEW, M.J. UREN,A. G. CULLIS, J. D. BENYAMIN, Appl.Pbys. LeU., 46, 86(1984)

4. M.l.J. BEALE, J.D. BENY AMIN, M .J.UREN, N. G. CHEW, A. G. CULLIS, J.Crystals Growtb, 73 ,622( 1985)

5. A. G. CULLIS, L.T. CANHAM, Nature,353,335(1991)

6. KUPRIN, N. ISHIKAWA, K. FURUYA,T.SAITO, Proto 3rd Japan InternationalSAMPE Symp., 976(1993)

7. ARlTA,Y.SUNOHARA,J. ELectlrochem.Soc., 124,285(1977)

8. KONAKA, M. T ABE, T. SAKAI, Appl.Pbys. LeU., 58, 856(1991)

9. M.S. BRANDT, H.D. FUCHS, M. STUZ-TMAN, J. WEBER, CARDONA, SolidState Common., 81, 307(1992)

10. C. TSAI, K.. LI, D. S. KINOSKY, R. Z.QIAN, R.C. TSU, J.T.IRBI, S.K. BENER

382

J EL, A. F. TASCH, J. C. CHAMBEL,Appl. Phys. Lett., 60, 1700(1992)

11. D. TURNER,. Electrochem. Soc., 105,402 (1958)

12. Y. FUKUDA, K. FURUYA, N. ISHIKA-WA, M. TANAKA, D. S. WINATAPU-RA, T. SAITO, Japan Soc. Appl. Phys.and Related Soc., 2,767(1996)

13. L.T. CANHAM, M. R. HOULTON, W. Y.LEONG, C. PICKERING, and J.M.KEEN, J. Appl. Phys., 70, 422 (1991).

14. S.M. PROKES, Appl. Phys. Lett., 62,3244 (1993)

15. XIE, W.L. WILSON, F. M. ROSS, J. M.MUCHA, E. A. FITZGERALD, J. M.MACAULAY, T. D. HARRIS, J. App1.Phys., 71, 2403(1992)

16. GUPTA, V.L. KALVIN, S.M. GEORGE,Plays. Rev. B 37, 8234(1988)

17. FENG, A.T.S. WEE, Porous Silicon, ed.by. Z.C. FENG, R. TSU, World ScientificInc. Ltd, 175-194(1994)

18. K. H. LI, D. C. DIAZ, and J. C. CAMP-BELL, Porous Silicon, ed. by Z.C. FENGand R. TSU, World Scientific I nc. Ltd.261- 274(1994)

DAFTAR TABEL DAN GAMBAR.Tabel 1. Kondisi preparasi sampel SP daTi silikon wafer tipe-p(100) Czochralski dengan

resitivitas 5 -10 .o.cm dan di doping boron. Reaksi anodik dilakukan dalam larutao HF (50 wt %):ethanol = 1:2 pada suhu antara 27 -30 °C, selama I menit.

No-sampel

-

Rapat ares anodik(mAlc~)

Karakterisasi

F7AI-"'--~, .~ '--

" ,

, -~

1020304050

--

I,.5,

PL S C., TEMPL S c.PL S c.,FfIRTEMPL Spec.

Tabel 2. Hasil peogukuran kurva lifetime pada suhu kamar dati SP sampel F7 Al sampai F7 A5pada 650 om.

Lifetime~~}No Sampel Rapat ams

(mA/cm2)

T.,

5,072 :!: 0,0486

6,622:!: 0,0344F7Al

..

F7A3

10203040

50

Tl0, 737 :t 0,0070,793 :t 0,0040,983 :t 0,0080,940 :t 0,0080,974_:t 0.008

12345

383

Tabel 3. Hasil pengukuran sampel dengan FTIR dari permukaan SP yang dioksidasi padasuhu kamar selama 2 minggu untuk sampel F7 A3, setelah direndam dalam larutan dasar HF selama 15menit.

sumber anlsDC searah

IIustrasi skematik peralatanpembentukan lapisan SP.

Gambar 2Gambar Diagram alir preparasi sampel daDkarakterisasi silikon porous (SP)

pada arah ketebalan

384

Gambar 3 Susunan pcralatan pcngukur spcktcraPL yang terdiri dari: (I). PenghasilN2 ion laser (2). sampel SP. (3).

Spektrometer dan (4) Komputer.

Gambar. 4. Pcluruhan PL daTi SP untuksampcl F7 A3 yang dioksidasipada suhu kamar sclama 8

minggu.

'.""'I~I."'M .."'..., 1.-

Gambar. 6. Spektra absorbsi FrIR wLri SPsample F7 A3 setelah dioksidasipada suhu kamar selar!1a 2minggu.

-J- #1 I ..1

Gambar. S. Intensitas PL daTi fapisan SP yangdioksidasi pada suhu kamar selama8 minggu daTi sampel (a). F7 A I,(b). F7 A2, (c). F7 A3, (d). F7 A4 dan(e). F7 AS

385

a b cGambar 7. rota difraksi elektron (POE) dari mikrostruktur lapisan SP pada arah ketebalan dari

sample F7AI, F7A3 dan F7A5.

386