Volume A6 No. 0207 ISSN 0854-3046

Reprint dari

JURNAL FISIKA

Himpunan Fisika Indonesia

Pantulan inframerah pada batasmuka GaN /Al2O3Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida dan N. Kuroda , J. Fis. HFI A6 (2005) 0207

Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei 2005

H F IΦ

Diterbitkan olehHimpunan Fisika Indonesia

http://hfi.fisika.net

Jurnal Fisika Himpunan Fisika IndonesiaJurnal yang mencakup Fisika Terapan (Vol. A), Fisika Pendidikan (Vol. B), dan Fisika Teoritik (Vol. C)

URL : http://jf.hfi.fisika.net

EditorLaksana Tri Handoko (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia) Terry Mart (Universitas Indonesia)Mitra Djamal (Institut Teknologi Bandung)

Editor KehormatanMuhamad Barmawi (Institut Teknologi Bandung) Tjia May On (Institut Teknologi Bandung)Pramudita Anggraita (Badan Tenaga Atom Nasional Yogyakarta) Muslim (Universitas Gajah Mada)

MakalahMakalah 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 membutuhkankomunikasi dengan dunia ilmiah secara cepat (maks. 4 hlm). Laporan lengkap dari hasil penelitian tersebut dapatdipublikasikan 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 MakalahMakalah dapat dikirimkan ke redaksi Jurnal Fisika dalam bentuk :

1. LATEX: bentuk ini sangat dianjurkan karena dapat mempermudah dan mempercepat proses publikasi. File LATEXserta 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.

PenjurianSetiap 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.

ReprintReprint 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 IndonesiaKetua : Masno Ginting Wakil Ketua : Pramudita AnggraitaSekretaris : Edi Tri Astuti, Maria Margaretha Suliyanti Bendahara : Diah Intani

Alamat Sekretariat : Dynaplast Tower 1st Floor, Boulevard MH Thamrin #1, LIPPO Karawaci 1100Tangerang 15811, Banten, Indonesia

URL : http://hfi.fisika.net E-mail : info@hfi.fisika.net

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

1Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura, Pontianak 78124, Indonesia2Department 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 Al2O3. 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 : hasan@msre.kumamoto-u.ac.jp

Diterima editor: 26 Juni 2004; Disetujui untuk publikasi: 24 Mei 2005

1 PENDAHULUAN

Meski GaN telah diaplikasikan secara luas dalampembuatan piranti optoelektronik, banyak halmenyangkut sifat-sifat fonon pada bahan ini belumdiketahui. Padahal informasi mengenai sifat-sifatfonon ini sangat penting untuk memahami transporelektron, proses relaksasi elektron non-radiatif, dansebagainya. Beberapa laporan berkenaan denganmasalah ini telah dipublikasikan, terutama mengenaihasil eksperimen dengan menggunakan spektroskopiRaman[1], inframerah[2], dan IR-ATR[3]. Azuhataet al. [2] telah menganalisa spektrum pantulan in-framerah dengan menggunakan model osilator klasik.Dalam analisanya mereka memperlakukan seluruhbagian GaN sebagai suatu kesatuan tanpa membe-dakan antara lapisan penyangga (buffer layer) denganlapisan utama. Ini didasarkan pada asumsi bahwatebal lapisan penyangga cukup kecil dibandingkandengan tebal total kristal, sehingga sumbangannyaterhadap sifat optik kristal dapat diabaikan. Se-cara keseluruhan analisa ini mampu mereproduksidengan baik spektrum hasil eksperimen, namungagal mereproduksi dengan baik spektrum di daerah800 ∼ 1000 cm−1. Walau daerah ini hanya bagiankecil dari spektrum, namun ketidakcocokan ini cukupmenggangu. Boleh jadi hal ini akibat kesalahanpada model secara keseluruhan. Karenanya hasil ini

mungkin akan memberikan informasi yang kurangakurat pula mengenai bahan yang diteliti.

Dalam penelitian ini kami melakukan pengukuranterhadap sampel dengan struktur yang sama denganyang dilaporkan Azuhata et al.. Analisa terhadapsampel dilakukan dengan dua model yang berbedauntuk memperoleh informasi yang akurat mengenaikeadaan sampel yang sebenarnya. Sampel yang samatelah terlebih dahulu dianalisa dengan metode IR-ATR [3] dan hasilnya menunjukkan bahwa kualitaskristal sampel sangat baik walaupun telah umum dike-tahui bahwa ada ketidakcocokan parameter kisi an-tara GaN dan Al2O3. Namun perlu diingat bahwapengukuran IR-ATR hanya memberikan informasitentang keadaan sampel pada posisi beberapa ratusnm dari permukaan. Sedangkan situasi di sekitarbatas muka GaN /Al2O3 tidak dapat diamati denganmetode ini. Pengkuran kali ini bertujuan menggaliinformasi pada daerah di sekitar batas muka ini.

2 EKSPERIMEN

Kristal GaN tipe-n setebal 2,4 µm ditumbuhkandengan metalorganic chemical vapour deposition(MOCVD) di atas substrat /Al2O3 (0001) denganlapisan penyangga GaN setebal 200 nm. Tebal to-tal sampel adalah 400 µm. Pengukuran pantulan in-framerah dilakukan dengan sistem seperti ditunjukkan

c© 2005 Himpunan Fisika Indonesia 0207-1

Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda J. Fis. HFI A6 (2005) 0207

infrared radiation

sample

incident angle 10� �

mirror

Gambar 1: Diagram skematik sistem pengukuran.

pada Gb. 1. Radiasi sinar inframerah tidak terpolar-isasi masuk ke sampel dengan sudut datang sebesar10o. Spektrometer FTIR (Jasco FT/IR-410) digu-nakan dalam pengukuran.

3 HASIL DAN DISKUSI

Spektrum pantulan inframerah yang diperoleh daripengukuran ditunjukkan pada Gb. 2. Hasil penguku-ran ini secara keseluruhan sama dengan hasil yangdilaporkan oleh Azuhata et al.

Spektrum pantulan GaN yang ditumbuhkan di atasAl2O3 dengan tebal GaN 12-120 µm telah pernah dila-porkan[4]. Dengan tebal kristal sebesar itu dapat dis-impulkan bahwa cahaya yang masuk ke sampel tidakmampu mencapai batas muka GaN /AlO3 sehinggaspektrum pantulan yang diperoleh murni mewakilipantulan dari GaN saja. Sementara itu spektrumpantulan pada Al2O3 juga telah dilaporkan[5]. Spek-trum hasil kedua eksperimen ini dapat direproduksidengan baik dengan fungsi dielektrik berikut. UntukGaN [6],

ε(ω) = ε∞ωLO

2 − ω2 − iωγLOωTO2 − ω2 − iωγTO

. (1)

Gambar 2: Spektrum pantulan GaN -Al2O3 hasil pen-gukuran serta reproduksinya dengan model satu lapis.

Sedangkan untuk Al2O3[7]:

ε(ω) = ε∞

4∏

1

ωLO2 − ω2 − iωγLO

ωTO2 − ω2 − iωγTO. (2)

dengan ε∞ adalah tetapan dielektrik elektronik,ωLO dan ωTO adalah frekuensi fonon LO dan TO,sedangkan γLO dan γLO adalah faktor redaman un-tuk fonon LO dan TO.

Gb. 3 dan 4 masing-masing menunjukkan spektrumpantulan inframerah dari GaN dan Al2O3 yang dire-produksi dengan persamaan di atas. Hasil penguku-ran yang ditunjukkan pada Gb. 2 secara umum kon-sisten dengan Gb. 3 dan 4. Pada frekuensi rendahdi bawah 550 cm−1 pantulan dari GaN hanya seki-tar 40 persen, sedangkan spektrum pantulan Al2O3

menunjukkan adanya beberapa puncak dengan pantu-lan mencapai 80 persen. Puncak-puncak inilah yangteramati pada frekuensi rendah pada Gb. 2. Padafrekuensi yg lebih tinggi, 550 - 700 cm−1, pantulandari GaN melebihi 80 persen, sehingga pantulan inimendominasi spektrum di daerah ini. Pada frekuensidi atas 700 cm−1 pantulan dari GaN kembali menu-run drastis sehingga di daerah ini spektrum kem-bali didominasi oleh pantulan dari Al2O3, hingga kefrekuensi 1000 cm−1. Pada frekuensi yang lebih tinggispektrum didominasi oleh pola interferensi karena ke-dua bahan sangat rendah pantulannya.

0207-2

Pantulan inframerah pada batasmuka... J. Fis. HFI A6 (2005) 0207

Gambar 3: Spektrum pantulan GaN hasil reproduksidengan fungsi dielektrik Pers. 1

Selanjutnya kedua persamaan fungsi dielektrik inidigunakan untuk mereproduksi spektrum yang pen-gukurannya melibatkan batas muka antara kedua ba-han. Reproduksi dilakukan dengan dua model, yaitumodel satu lapis dan dua lapis, yang diagram ske-matiknya ditunjukkan pada Gb. 5 a dan b. Padamodel satu lapis, kualitas kristal GaN dianggap ser-agam pada seluruh bagian, artinya tidak dibedakanantara GaN pada lapisan penyangga (buffer layer)dengan lapisan di atasnya. Lapisan GaN dengantebal d dan fungsi dielektrik ε1, sedangkan Al2O3 den-gan fungsi dielektrik ε2. Perlu diingat bahwa fungsidielektrik ε1 dan ε2 masing-masing dinyatakan den-gan Pers. 1 dan 2. Situasi seperti dideskripsikan padaGb. 5.a. memberikan reflektivitas yang dinyatakandengan persmaan berikut,

R =∣∣∣ (√ε1 + 1)%− (

√ε1 − 1)

(√ε1 + 1)− (

√ε1 − 1)%

∣∣∣2

, (3)

dengan

% =

√ε1 −

√ε2√

ε1 +√ε2e2i√ε1kd . (4)

Hasil reproduksi dengan persamaan ini di-tunjukkan dengan garis terputus pada Gb. 2,

Gambar 4: Spektrum pantulan Al2O3 hasil reproduksidengan fungsi dielektrik Pers. 2

dengan parameter reproduksi sebagai berikut.ωTO = 561, γTO = 5, ωLO = 748, γLO = 4. Semuaparameter ini dalam satuan cm−1. Hasil seperti di-tunjukkan pada Gb. 2 sama dengan yang dilaporkanoleh Azuhata et al. Seperti dijelaskan di muka, adabagian yang tidak cocok dengan hasil eksperimen,yaitu pada frekuensi 800 ∼ 1000 cm−1, walau secaraumum sudah cocok.

Untuk mengatasi hal ini, dilakukan simulasi den-gan model dua lapis, yang diagram skematisnya ditun-jukkan pada Gb. 5.b. Pada model ini lapisan kristalGaN tidak dipandang seragam, namun terdiri daridua lapisan dengan kualitas kristal yang berbeda. Ak-ibatnya parameter-parameter yang menentukan fungsidielektrik juga berbeda pada kedua bagian tersebut.Reflektifitas pada model ini diberikan oleh Pers. 3,dengan % dinyatakan dengan persamaan berikut,

% =

√ε1 − ς

√ε2√

ε1 + ς√ε2e2i√ε1kd1 , (5)

dengan

ς =1− ϑ1 + ϑ

, (6)

dan

ϑ =

√ε2 −

√ε3√

ε2 +√ε3e2i√ε2kd2 . (7)

0207-3

Hasanudin, K. Saiki, Y. Iida, N. Kuroda J. Fis. HFI A6 (2005) 0207

�

��� � � � ��� �� ����� �

� �� � ��� � ������ � �����

� ��� � � � � � ���! � ��� � � � � � � �"�!

#

��� � � � ��� �� ����� �

� � � �!�� � � � �$���� ���� � � � �����

� ��� � � � � � ���! � ��� � � � � � � �"�!

� %

� �&(' µ )

&(' µ )

Gambar 5: Diagram skematik model satu lapis (a) dandua lapis (b) yang digunakan untuk mereproduksi spek-trum pantulan.

Fungsi dielektrik GaN di daerah dekat per-mukaan (selanjutnya disebut Daerah 1) danbatas muka (Daerah 2) masing-masing diny-atakan dalam ε1(ωTO1, γTO1, ωLO1, γLO1) danε2(ωTO2, γTO2, ωLO2, γLO1) mengikuti Pers. 1.Sedangkan ε3 adalah fungsi dielektrik Al2O3 yangdinyatakan dengan Pers. 2.

Hasil reproduksi spektrum dengan persamaan iniditunjukkan dengan garis terputus pada Gb. 6. Pa-rameter reproduksi untuk daerah 1 sama seperti ygdigunakan pada model satu lapis di atas, sedangkanuntuk di daerah dua adalah sebagai berikut: ωTO2 =566,γTO2 = 19, ωLO2 = 748,γLO2 = 18. Tebal kristaladalah d1 = 1,1 dan d2 = 1,2 µm. Seperti terlihatpada Gb. 6, reproduksi dengan model dua lapis co-cok secara tepat dengan hasil eksperimen. Ini berartibahwa model ini lebih sesuai dengan keadaan yangsebenarnya pada sampel.

Parameter reproduksi dengan model dua lapis me-nunjukkan bahwa faktor redaman γ baik pada fononLO mapun TO pada lapisan di Daerah 2 jauh lebihbesar dibandingkan dengan nilai pada Daerah 1. Iniberarti bahwa keteraturan kristal di dekat permukaan

Gambar 6: Spektrum pantulan GaN -Al2O3 hasil pen-gukuran serta reproduksinya dengan model dua lapis.

lebih baik dibandingkan dengan yang berada di dekatbatas muka. Hal ini dapat dengan mudah dipahamimengingat adanya ketidakcocokan parameter kisi an-tara GaN dan Al2O3. Adanya lapisan penyanggamembantu menjembatani ketidakcocokan ini. Namunhasil eksperimen ini menunjukkan bahwa ketidakco-cokan itu tidak berhenti pada lapisan penyangga, tapiberlanjut secara gradual hingga ketebalan 1,2 µm daribatas muka.

4 KESIMPULAN

Hasil analisa ulang dalam penelitian ini berhasil mere-produksi spektrum hasil eksperimen dengan modelteoretis secara memuaskan. Hasil ini menunjukkanbahwa ketakcocokan parameter kisi antara Al2O3 den-gan GaN menyebabkan terbentuknya lapisan kristaldengan kualitas rendah di daerah sekitar batas mukadengan ketebalan jauh lebih besar dari perkiraan teballapisan penyangga.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Me-ung Wan Cho dari Tohoku University atas penyediaankristal 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