Photodetektor Infra-merah Berbasis Multiple Quantum Dots GaSb dari Lapis Halang GaAs.

Kata kunci: photodetektor inframerah, pemetaan citra, detektor sinar.

Ramelan, Ari H.; Arifin, Pepen; Sustini, Euis; Supriyanto, Agus*)
Fakultas MIPA UNS, Penelitian, Dikti, Hibah Bersaing Lanjutan, 2006.
Peningkatan kebutuhan akan sumber pemancar (source) dan penerima (detector) gelombang sinar inframerah jauh (far-infrared) dan inframerah menengah (mid-infrared) untuk penerapan dalam bidang pemetaan citra untuk kedokteran (medical imaging) mendorong pengembangan detektor sinar infra merah yang lebih baik. Pada saat ini, detektor sinar inframerah panjang gelombang jauh dan menengah yang tersedia di pasaran dan masih banyak digunakan pada prinsipnya menggunakan bahan HgCdTe. Sementara parameter unjuk-kerja (performansi) detektor tersebut seperti detektivitas dan responsivitas masih bagus. Tetapi teknologi pembuatan detektor tersebut yang sangat sulit, seperti kesulitan untuk mendapatkan wafer yang seragam, akan mengakibatkan produksi biaya-tinggi detektor yang terbuat dari HgCdTe. Dengan permasalahan tersebut di atas, memunculkan motivasi kami untuk mencari bahan alternatif seperti bahan semikonduktor jenis GaSb dan GaAs dimana teknologi penumbuhan bahan tersebut telah dikaji selama hampir 6 tahun.
Pada saat ini detektor inframerah dengan sistem quantum dot muncul sebagai pelopor dalam penelitian bidang detektor sinar. Quantum dot adalah semikonduktor berskala nanometer (semiconductor nanostructures). Dibandingkan dengan detektor inframerah dengan sistem sumur quantum (quantum well), maka detektor inframerah dengan sistem quantum dot mempunyai keunggulan dalam unjuk-kerjanya dan juga dapat dioperasi untuk sinar datang tegak lurus tanpa melakukan pembuatan bentuk yang rumit pada permukaan detektor tersebut.
Kegiatan penelitian ini mempunyai tujuan jangka panjang untuk mengembangkan suatu peralatan yang digunakan dalam pemetaan citra untuk bidang kedokteran (medical imaging) dengan beberapa keunggulan dibanding dengan yang tersedia dipasaran, yaitu mempunyai ketajaman dan keakuratan yang lebih baik dan harga yang lebih murah dibanding dengan produk dari luar negeri. Sedangkan target jangka pendek (3 tahun) penelitian ini untuk mengembangkan detektor sinar infra-merah dengan bahan dasar semikonduktor paduan (compound semiconductors) GaSb akan ditumbuhkan dengan struktur kuantum dots dan bahan semikonduktor GaAs sebagai lapisan-halang (barrier).
Kegiatan penelitian tahun ke-2 adalah penumbuhan bahan semikonduktor AlGaSb dan quantum dots GaSb pada substrat GaAs and GaSb. Lapisan tipis AlxGa Sb ditumbuhkan pada rentangan kandungan Al (x-nya) 0 < x < 0.30 dengan menggunakan bahan metalorganik TMA1, TMGa dan TMSb. Pada kajian ini dilaporkan hasil kondisi penumbuhan lapisan tipis termasuk efek perbandingan V/III dan suhu penumbuhan terhadap morfologi permukaan lapisan tipis. Suhu penumbuhan pada rentangan dari 520°C sampai dengan 680°C dan perbandingan V/III antara 1 sampai dengan 5 telah dikaji. Adanya cacat diamati pada permukaan lapisan tipis yang ditumbuhkan pada suhu diatas 640°C dan perbandingan V/III sebesar 3. Cacat-cacat berupa tonjolan disebabkan karena konsentrasi Al yang tinggi terjadi pada lapisan tipis yang ditumbuhkan pada suhu tinggi, karena TMA1 terdekomposisi semuanya. Pada suhu rendah antara 520 dan 540°C, morfologi permukaan lapisan tipis menjadi jelek yang disebabkan karena timbunan antimoni, yaitu dekomposisi TMSb yang belum sempurna. Lapisan tipis yang ditumbuhkan di atas substrat GaAs pada suhu 580°C dan online casino canada 600°C serta perbandingan V/III sebesar 3 menunjukkan morfologi permukaan yang sangat baik (permukaan seperti cermin) dan kontrol komposisi yang baik.
Lapisan kuantum dot GaSb yang ditumbuhkan di atas substrat GaAs diinvestigasi dengan menggunakan AFM (Atomic Force Microscopy). Untuk penumbuhan dengan waktu 20 detik, maka dot-dot GaSb masih kelihatan dengan rata-rata diameter antara 56 nm – 64 nm, yaitu dimensi terkecil dari kuantum dot GaSb yang belum pernah dipublikasikan sebelumnya. Bila jumlah GaSb yang dideposisikan ditambah, maka noktah (dot) akan berkembang dan menjadi memanjang. Pada kondisi tersebut, noktah (dot) akan semakin besar dan sebagian bergabung menjadi satu. Akhirnya penyatuan noktah-noktah (coalescence) terjadi pada ketebalan film 10 monolayer (waktu pertumbuhan 60 detik).
Densitas kuantum dot (island density) meningkat dengan cepat dengan bertambahnya waktu penumbuhan. Densitas kuantum dot meningkat dengan cepat setelah pada saat waktu penumbuhan mencapai 20 detik dan setelah 40 detik penumbuhan, maka densitasnya akan menurun. Hal ini disebabkan terjadinya penyatuan dot-dot setelah mencapai dimensi tertentu. Densitas kuantum dot GaSb meningkat dengan cepat pada waktu penumbuhan 40 detik pertama dan kemudian menurun. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa densitas kuantum dot dengan waktu penumbuhan 40 detik adalah sebesar 2,37x10l3/m2, sedangkan densitas dengan waktu penumbuhan 60 detik adalah 1,01×1013/iw2. Penurunan densitas quantum dot menunjukkan adanya penyatuan kuatum dot (islandcoalescence).
Kapasitansi diode Schottky dan tegangan panjar mundur (reverse bias) pada suhu temperatur diukur pada frekuensi 1 MHz. Densitas pendadahan yang dihitung dari grafik tersebut adalah sebesar n = 1,5x10l8 cm . Densitas dadah (doping density) tersebut relatif tinggi dibanding dengan hasil kajian lainnya. Dari data pengukuran kapasitansi-tegangan (C-V), tegangan perpotongan (Vj) dengan sumbu-x diperoleh nilai sebesar 0,63 eV dan tegangan tanggul (barrier height) yang dihitung didapat nilai sebesar 0,64 eV. Besar nilai tersebut sebanding dengan diode Schottky yang dibuat dengan deposisi logam Al pada lapisan Te-doped GaSb dengan menggunakan bahan metalorganik lainnya.
Ketergantungan nilai C-V terhadap frekuensi dilakukan pada diode Schottky sebagai fungsi tegangan bias menunjukkan kurva respon diode Schottky yang mengindikasikan kapasitansi yang diukur tergantung dari tegangan panjar mudur (reverse bias) dan frekuensi. Ketergantungan kapasitansi terhadap tegangan dan frekuensi disebabkan oleh faktor idealitas (ideality factor) dari tanggul Schottky (Schottky barrier) dan juga disebabkan hambatan seri yang tinggi. Pada frekuensi rendah kapasitanasi yang terukur didominasi oleh kapasitansi deplesi dari diode Schottky Al/n-GaSb yang tergantung tegangan panjar (bias) dan frekuensi. Semakin besar frekuensi, total kapasitansi diode disebabkan tidak hanya oleh frekuensi deplesi tetapi karena efek terowongan (tunneling) yang terjadi pada divais. Karena efek tersebut, kapasitansi diode menjadi semakin kecil dan akhirnya hilang.  Ketergantungan kapasitansi diode Schottky ini semakin melemah dengan tegangan panjar mundur yang besar.
Karakteristik arus-tegangan (T-V) pada suhu ruangan untuk heterojunction p-Al010Ga090Sb/n-GaSb yang dibuat dengan menumbuhkan lapisan AlGaSb pada suhu 600°C. Kurva arus-tegangan (T-V) secara jelas menunjukkan adanya sifat penguatan (rectifying characteristic) pada saat diberi tegangan panjar maju (forward bias) dan panjar mundur (reverse bias). Beda pita valensi (valence band offset) adalah sebesar 0,40 ± 0,15 eV antara AlSb dan GaSb dengan menggunakan pengukuran foto-emisi X-ray (X-ray photoemission). Dengan mengasumsikan ketergantungan linear dikontinuitas pita energi, nilai estimasi diskontinuitas pita valensi sebesar 0,025 ± 0,005 eV untuk x = 0,1. Hal ini menunjukkan adanya diskontinuitas pita valensi (valence band discontinuity) pada lapisan antar muka (interface) p-AloloGa090Sb/n-GaSb.
Secara ideal, konduksi arus diatur oleh emisi thermionic (thermionic emission theory). Pada sample yang dilaporkan disini, pada tegangan panjar maju (forward voltage) kurang dari 0,20 V, arus maju (forward current) meningkat secara eksponetial dengan tegangan yang dikenakan. Pada tegangan panjar maju (forward voltage) lebih besar dari 0,2 V untuk heterojunction ini, karakteristik arus-tegangan (T-V) dibatasi oleh hambatan seri (series resistance), yaitu R – A Vjbd.
Respon arus-foto (photocurrent) untuk heterojunction p-AlxGa1-xSb/n-GaSb belum banyak dikaji secara luas, khususnya dengan lapisan AlGaSb yang ditumbuhkan dengan MOCVD. Foton dengan energi lebih kecil dari celah energi bahan semikonduktor GaSb akan dilakukan oleh material ini dan juga bahan semikonduktor AlGaSb. Sedangkan untuk energi foton EKl > hv> Eg2 akan ditransmisikan oleh AlGaSb dan akan
diserap pada daerah antar muka (interface region) lapisan GaSb. Pasangan elektron-hole (electron-hole pairs) terjadi karena absorbsi foton. Daerah deplesi akan menarik partikel pembawa muatan (minority carriers) ke daerah antar muka dan melalukan kelebihan “majority carriers” ke bahan substrat dan terjadi arus-foto.
Respons photocurrent bagian yang mengalami kenaikan seperti yang ditampilkan pada di atas adalah merupakan celah energi GaSb (0,725 eV). Sedangkan fotorespon yang mengalami penurunan pada energi foton hv mendekati 0,843 eV adalah merupakan celah energi lapisan bahan semikonduktor AlxGa1-xSb. Puncak fotorespon terjadi pada energi 0,765 eV. Hasil ini menunjukkan bahwa dengan mengubah komposisi kandungan Al pada bahan paduan AlxGa1-xSb, maka akan didapat fotorespons yang disesuikan dengan penggunaannya.

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan.