Jurnal Matematika dan Sains Vol. 10 No. 3, September 2005, hal 93-96

Penumbuhan Lapisan Tipis µc-Si:H dengan Sistem Hot Wire PECVD untuk Aplikasi Divais Sel Surya

Syamsu 1), Darsikin1,2), Iqbal1), Jusman1), T. Winata2), Sukirno2), dan M. Barmawi2)

1)Program Studi Fisika, FKIP Untad, Kampus Bumi Tadulako Tondo, Palu Sulawesi Tengah 94118 2)Laboratorium Fismatel, Departemen Fisika ITB, Bandung

Email :syamsultan@yahoo.com1)

Diterima Juni 2004, disetujui untuk dipublikasi Januari 2005

Abstrak

Telah ditumbuhkan lapisan tipis Mikrokristal Silikon Terhidrogenasi (µc-Si:H) di atas gelas Corning 7059 dengan sistem Hot Wire Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (HW-PECVD). Gas Silan (SiH4) 10% dalam gas Hidrogen (H2) digunakan sebagai sumber gas. Pengaruh temperatur substrat terhadap laju deposisi, sifat optik, sifat listrik dan struktur lapisan masing-masing dianalisisi melalui ketebalan lapisan, celah pita optik, konduktivitas gelap dan strukturnya. Laju deposisi bervariasi dari 3,22 µm/jam sampai 5,24 µm/jam untuk temperatur substrat dari 175oC sampai 275oC pada laju aliran SiH4 70 sccm dan temperatur filamen ~ 1000oC. Celah pita optik yang diperoleh bervariasi dari 1,13 eV sampai 1,44 eV untuk temperatur substrat dari 175oC sampai 225oC.Hasil karakterisasi XRD lapisan tipis yang ditumbuhkan pada temperatur substrat 275 oC menunjukkan kehadiran struktur µc-Si:H yang ditandai dengan adanya puncak spektrum pada orientasi kristal <111>, <220>, dan <311>. Konduktivitas gelap yang diperoleh bervariasi dari orde 10-6 S/cm sampai 10-4 S/cm untuk temperatur substrat dari 200oC sampai 275oC pada temperatur filamen ~ 1000oC. Dibandingkan dengan konduktivitas gelap lapisan tipis a-Si:H (dalam orde 10-9 S/cm), maka konduktivitas gelap yang diperoleh lebih tinggi. Tingginya konduktivitas gelap memungkinkan lapisan tipis µc-Si:H yang ditumbuhkan dengan sistem HW-PECVD dapat diaplikasikan pada divais sel surya p-i-n.

Kata Kunci : HW-PECVD, Konduktivitas Gelap, µc-Si:H, Sel Surya

Abstract

Microcrystalline hydrogenated silicon thin films have been grown on corning 7059 by using Hot Wire Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) system. Silane gas dilute in hydrogen gas (SiH4: H2 = 1 : 10 ) used as gas source. The effect substrate temperatures on deposition rate, optical, electrical and structural properties were analyzed. The deposition rate was varied from 3.22-5.24 µm/hour at temperature 175-275o C, SiH4 flow rate of 70 sccm, and filament temperature ~ 1000oC. The optical band gap varied from 1.13-1.44 eV at substrate temperature of 175-275. The Result XRD characterization of µc-Si: H thin film was grown at 275o C shows <111>, <220>, and <311> orientation. Dark conductivities vary from 10-6-10-4 S/cm The Dark conductivity of µc-Si: H is higher than a-Si: H thin film. This result shows that µc-Si: H thin film is possible for p-i-n solar cells device application.

Keywords:

1. Pendahuluan

Perkembangan teknologi elektronika yang semakin cepat telah memicu perkembangan bidang informasi secara global. Kemajuan ini didukung oleh penemuan dan pengembangan material semikonduktor yang digunakan untuk pembuatan divais elektronik dan optoelektronik. Semikonduktor lapisan tipis silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) merupakan material yang banyak digunakan dalam divais optoelektronik, yakni divais yang memanfaatkan proses pemancaran dan penyerapan foton. Material ini memiliki sifat listrik, optik dan struktur yang unik yang dapat memberikan solusi pada hampir semua persoalan elektronika. Celah pita optik yang dapat dikontrol dan penyerapan cahaya yang tinggi membuat material ini baik digunakan dalam divais, diantaranya sel surya, Thin Film Transistor dan sensor warna1).

Lapisan tipis mikrokristal silikon terhidrogenasi (µc-Si:H) juga menarik perhatian yang besar dalam divais elektronik, karena sifat pentingnya, seperti konduktivitas gelap yang tinggi dibanding dengan a-SI:H2). Dalam teknologi TFT dan sel surya, material ini digunakan sebagai lapisan kontak untuk meningkatkan efisiensi dan kualitas divais3). Dalam kaitannya sebagai komponen divais, maka efisiensi dan kualitas divais sangat ditentukan oleh kondisi deposisi lapisan tipis a-Si:H dan µc-Si:H tersebut. Sistem deposisi yang umum digunakan untuk menghasilkan lapisan a-Si:H dan µc-Si:H adalah sistem plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Namun dengan sistem PECVD dihasilkan kualitas lapisan a-Si:H dan µc-Si:H yang kurang baik karena pengaruh metastabil yang tidak diinginkan dan laju deposisi yang masih relatif

93

94 JMS Vol. 10 No. 3, September 2005

rendah. Sistem deposisi lain yang telah dikembangkan untuk penumbuhan lapisan tipis µc-Si:H adalah sistem hot wire chemical vapor deposition (HWCVD)4,5). Beberapa keuntungan dari sistem HWCVD, diantaranya kestabilan lapisan meningkat, laju deposisi yang tinggi dan model deposisi yang sederhana. Ada beberapa parameter deposisi yang dapat mempengaruhi sifat struktur lapisan, diantaranya laju aliran silan dan temperatur substrat. Selain itu temperatur filamen juga mempengaruhi sifat optik, listrik dan struktur lapisan5). Dalam tulisan ini akan dibahas pengaruh temperatur substrat terhadap laju deposisi, sifat optik, sifat listrik dan struktur lapisan tipis µc-Si:H yang ditumbuhkan dengan Sistem Hot Wire PECVD yang akan diaplikasikan pada divais sel surya p-i-n.

2. Eksperimen

Lapisan tipis µc-Si:H dalam studi ini ditumbuhkan di atas gelas Corning 7059 dengan menggunakan sistem HW-PECVD yang ada di Laboratorium Fisika Material Elektronik, Jurusan Fisika, FMIPA ITB. Sistem HW-PECVD [6} terdiri dari chamber stainless stell (SS) berdiameter 8 inci dengan kevakuman sekitar – 30 mTorr. Kawat tungsten berdiamater 1,8 mm dan panjangnya 23 cm ditempatkan diantara kedua elektroda di atas shutter. Temperatur filamen diukur dengan menggunakan infrared pyrometer. Parameter penumbuhan adalah seperti terlihat pada tabel 1. Celah pita optik dihitung dengan metoda tauc plot [hf vs (αhf)1/2] dari data spektroskopi UV-Vis, Konduktivitas gelapnya diukur dengan metoda dua titik (coplanar) dengan menggunakan Ketheley 617, struktur lapisan ditentukan dari hasil XRD dan ketebalan lapisan diukur dengan menggunakan Dektak IIA.

Tabel 1. Parameter penumbuhan lapisan tipis

Substrat Gelas Corning 7059 Temperatur Substrat 175 - 275oC Frekuensi RF ~ 13,58 MHz Daya RF ~ 35 watt Tekanan Deposisi ~120 - 150 mTorr Jarak Elektroda 4,5 cm Jarak Filamen-Substrat ~ 2,0 cm Sumber Gas SiH4 10 % dalam H2 , 70

sccm Temperatur Filamen ~ 1000 oC

3. Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 memperlihatkan grafik laju deposisi lapisan tipis µc-Si:H sebagai fungsi dari temperatur substrat pada temperatur filamen sekitar 1000oC. Dari grafik ini terlihat bahwa laju deposisi lapisan tipis µc-Si:H bervariasi dari 3,22 µm/jam sampai 5,24 µm/jam untuk variasi temperatur substrat dari 175oC sampai 275oC. Dari gambar 1 juga terlihat

bahwa laju deposisi lapisan tipis µc-Si:H yang ditumbuhkan dengan sistem HW-PECVD lebih tinggi dari lapisan tipis µc-Si:H yang ditumbuhkan dengan dengan sistem VHF-PECVD pada temperatur substrat 225oC (~ 0,74 µm/jam). Laju deposisi lapisan tipis µc-Si:H optimal pada temperatur substrat 225oC yaitu sebesar 5,24 µm/jam. Hal ini diduga disebabkan karena pada temperatur substrat 225 oC dan temperatur filamen sekitar 1000oC terjadi dekomposisi silan dan fluks radikal atom paling banyak yang sampai di substrat7). Namun di atas temperatur 225oC laju deposisinya menurun akibat pengurangan dekomposisi silan dan fluks radikal atom yang sampai di substrat.

0123456

150 200 250 300Temperatur Substrat (oC)

Laju

Dep

osis

i (um

/jam

)

HW -PECVD VHF-PECVD

Gambar1. Grafik laju deposisi lapisan tipis µc-Si:H sebagai funsi temperatur substrat untuk sistem VHF- PECVD dan HW-PECVD

Grafik celah pita optik lapisan tipis µ c-Si:H sebagai fungsi temperatur substrat pada temperatur filamen 1000 oC diperlihatkan pada gambar 2. Dari grafik ini terlihat bahwa celah pita optik lapisan tipis µ c-Si:H bervariasi dari 1,13 eV sampai 1,44 eV untuk variasi temperatur substrat dari 175 oC sampai 225 oC. Nilai celah pita optik ini lebih kecil dibandingkan dengan celah pita optik lapisan tipis a-Si:H (~ 1,68-2,0 eV). Hal ini diduga disebabkan oleh pengurangan jumlah ikatan Si-H dalam lapisan akibat penggunaan temperatur filamen yang relatif tinggi.

1,5

G

1

1,1

1,2

1,3

1,4

ambar 2. Grafik celah pita optik lapisan tipis a-µ c-Si:H sebagai fungsi temperatur substrat.

150 175 200 225 250

Temperatur Substrat ( C)

Cel

ah P

ita O

ptik

(eV

)

Tf = ~ 1000 oC

JMS Vol. 10 No. 3, September 2005 95

Hasil karakterisasi XRD lapisan tipis µ c-Si:H yang ditumbuhkan pada temperatur substrat 275 oC diperlihatkan seperti pada gambar 3. Dari gambar 3 tersebut terlihat puncak difraksi pada orientasi kristal <111>, <220> dan <311>. Adanya struktur mikrokristalin juga ditunjukkan dari hasil karakterisasi SEM yang dengan jelas memperlihatkan adanya butir-butir mikrokristalin dalam orde sekitar 102 Å seperti yang ditunjukkan gambar 4. Gambar 3. Hasil XRD lapisan tipisµ c-Si:H pada temperatur filamen ~ 1000 oC

Gambar 4. Hasil SEM lapisan tipis µ c-Si:H pada temperatur filamen ~1000oC dengan temperatur substrat 200oC

Hubungan konduktivitas gelap lapisan tipis µ c-Si:H dengan temperatur substrat diperlihatkan pada gambar 5. Dari gambar 5 terlihat bahwa konduktivitas gelap lapisan tipis µ c-Si:H bervariasi dari orde 10-6 S/cm sampai 10-4 S/cm untuk variasi temperarur substrat dari 200 oC sampai 275 oC. Dibandingkan dengan konduktivitas gelap lapisan tipis a-Si:H (dalam orde 10-9 S/cm) maka konduktivitas gelap lapisan yang diperoleh lebih besar. Tingginya konduktivitas gelap lapisan tipis µ c-Si:H diduga disebabkan karena berkurangnya ikatan Si-H dalam lapisan akibat penggunaan filamen

1,00E-06

1,00E-05

1,00E-04

panas. Nilai konduktivitas ini memungkinkan untuk dapat diaplikasikan pada divais sel surya p-i-n.

ambar 5. Grafik konduktivitas gelap lapisan tipis

Gµ c-Si:H sebagai fungsi temperatur substrat.

4.

tudi ini telah berhasil ditumbuhkan

Kesimpulan

Dalam slapisan tipis µ c-Si:H di atas gelas Corning 7059 dengan sistem HW-PECVD menggunakan gas silan 10 % dalam gas hidrogen sebagai sumber gas. Hasil karakterisasi XRD lapisan tipis yang ditumbuhkan pada temperatur substrat 275oC menunjukkan kehadiran struktur µ c-Si:H yang ditandai dengan adanya puncak spektrum pada orientasi kristal <111>, <220>, dan <311>. Konduktivitas gelap yang diperoleh bervariasi dari orde 10-6 S/cm sampai 10-4 S/cm. Dibandingkan dengan konduktivitas gelap lapisan tipis a-Si:H (dalam orde 10-9 S/cm), maka konduktivitas gelap yang diperoleh lebih tinggi. Tingginya konduktivitas gelap memungkinkan lapisan tipis µ c-Si:H yang ditumbuhkan dengan sistem HW-PECVD dapat diaplikasikan pada divais sel surya p-i-n.

Ucapan Terimakasih

terealisasi atas bantuan dana URGE Lembaga Penelitian

niversi

Hidrogenated Amorphous Silicon”, niversity Press (1991).

cs”, Artech

3. Tdemic Publishers

4. and Microcrystalline Silicon Films

Penelitian ini melalui proyek DCRGU tas Tadulako Palu dengan Nomor Kontrak: 032/DCRG/URGE/2000. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Drs. Jasruddin DM.M.Si dan Amiruddin S. S.Pd. M.Si atas diskusi dan kerjasamannya.

Daftar Pustaka

1. Street, RA., “Cambridge U

2. Kanicki,J, Ed, “Amorphous and Microcrystalline Devices-Material and Device PhysiHouse, Norwood, MA (1991). akahashi, K., & Konagai M., “Amorphous Silicon Solar Cells”, North Oxford AcaLtd (1986). Broguera, P., Conde, J.P., Arekat, S., & Chu, V., “AmorphousDeposited by Hot Wire Chemical Vapor Deposition at Filament Temperatures between

1,00E-03

cm)

150 200 300

Temperatur Substrat (oC)

Kon

dukt

ivita

s G

elap

(S/

Tf = ~ 1000 oC

250

0

250

500

750

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Sudut 2 (theta)

Inte

nsita

s (c

ps)

<111> Ts = 275 oC

<220>

<311>

96 JMS Vol. 10 No. 3, September 2005

1500 and 1900oC”, J. Appl. Phys. 79:11, 8748-8760 (1996). Broguera, P5. ., Chu, V., & Conde, J.P.,

6. S,

“Amorphous to Microcrystalline Silicon Transition in Hot Wire Chemical Vapor Deposition”, MRS Symposium Proceeding, Volume 377, Amorphous Silicon Tecnology- (editor : Michael Hack, et al, 57-62) (1995). Syamsu, Jasruddin, DM, Amiruddin, Gulvarendi, Winata, T., & Barmawi, M., “Studi

Awal Penumbuhan Lapisan Tipis a-Si:H dengan Metoda Hot Wire PECVD”, Simposium Fisika Nasional XVIII, Puspitek, Serpong, 25-27 April (2000).

7. Syamsu, Darsikin, Iqbal, Jusman, Winata, T,, Sukirno & Barmawi, M,, “Penumbuhan Lapisan Tipis Mikrokristal Silikon Terhidrogenasi Tanpa Doping dengan Sistem Hot Wire PECVD”, SeminarMIPA 2000, FMIPA, ITB, Bandung, 13-14 Nopember (2000).