Lapisan Tipis Semikonduktor Amorf
Lapisan Tipis Semikonduktor Amorf - Lapisan tipis semikionduktor amorf dapat ditumbuhkan di atas substrat dengan beberapa teknik penumbuhan, seperti : Evaporasi, Sputtering, CVD, PECVD, dan lain-lain. Mikrostruktur lapisan yang dihasilkan bergantung pada temperatur substrat selama penumbuhan. Sebagai contoh, untuk silikon : (1) pada temperatur penumbuhan diatas 580 0C, akan dihasilkan lapisan poli-kristal dengan ukuran butir (grain size) 600-1000Å, sedangkan pada temperatur penumbuhan 250 – 300 0C, akan diperoleh lapisan mikro-kristal dengan ukuran butir sekitar 50-80 Å.
Jika material silikon ditumbuhkan pada temperatur substrat di bawah 2500C, maka akan diperoleh lapisan amor dengan ukuran butir dibawah 5 Å. Rendahnya temperatur penumbuhan semikonduktor amorf, menyebabkan material ini dapat ditumbuhkan pada berbagai jenis substrat seperti pada bahan polimer, gelas dan lain-lain. Hal inilah yang menyebakan material ini menarik untuk diteliti dari segi saintifiknya. Disamping itu, berdasarkan hasil simulasi, semikonduktor amorf juga mempunyai sifat optik dan listrik yang baik, dan kedua sifat ini sangat menarik untuk diteliti lebih lanjut. Walaupun prosfektif material ini telah diteliti selama kurang lebih 30 tahun, namun demikian sifat listrik dan optiknya belum cukup baik untuk aplikasi teknik jika ditumbuhkan dengan teknik evaporasi dan sputtering. Hal ini disebabkan karena pada saat didoping, konduktivitas gelapnya sulit untuk diukur, walaupun konduktivitas terangnya telah dapat dikontrol. Ini mengindikasikan bahwa jika material ini ditumbuhkan dengan teknik evaporasi dan sputtering, maka lapisan tipis yang dihasilkan mempunyai rapat keadaan terlokalisasi (localized state) yang sangat tinggi, dimana cacat ini sangat mempengaruhi konduktivitas.
Masalah di atas dapat teratasi setelah ditemukan bahwa silikon amorf dapat ditumbuhkan dengan teknik glow discharge, yaitu dengan menguraikan gas silane (SiH4) sehingga membentuk plasma sebelum akhirnya tumbuh di atas permukaan substrat. Dengan teknik ini, diperoleh lapisan silikon amorf dengan fotokonduktivitas tunggi dan konduktivitas listriknya sensitifi terhadap penambahan sedikit gas B2H6atau PH3 selama proses penumbuhan. Dari hasil analisis diketahui bahwa dengan metode glow discharge, maka memungkinkan atom hidrogen yang terlepas selama proses penguraian dapat masuk ke dalam struktur amorf dan memperbaiki struktur sehingga sifat listrik lapisan tipis tersebut meningkat. Penemuan ini adalah sesuatu yang sangat penting sebab dengan demikian, silikon amorf dapat diaplikasikan pada divais elektronik dan fotovoltaik. Sejak saat itu, penelitian tentang struktur dan sifat listrik dari silikon amorf banyak dipelajari oleh para peneliti di seluruh dunia., dan hasil-hasilnya telah dipublikasikan melalui buku dan artikel.
Pada saat silikon amorf telah dapat didoping dengan gas B2H6 untuk membentuk tipe-p, dan gas PH3 untuk tipe-n, maka pada waktu yang hampir bersamaan telah dikembangkan teknik untuk memproduksi sel surya yang dapat digunakan pada konsumsi daya rendah seperti jam dan kalkulator. Saat ini, sel surya dari silikon amorf telah menguasai lebih dari sepertiga pasar dunia untuk fotovoltaik.
1. Struktur dan Sifat Listrik-Optik Silikon Amorf
Banyak konsep tentang struktur dan sifat fisis yang digunakan untuk menjelaskan tentang kristal zat padat tidak dapat lagi digunakan untuk menjelaskan sifat-sifat selikon tidak dapat lagi digunakan untuk menjelaskan struktur dan sifat-sifat semikonduktor dan amorfos. Sebagai contoh, gambaran tentang cacat kisi seperti dislokasi dan jumlah cacat pada struktur yang beraturan seperti pada silikon kristal, menjadi tak berarti dalam struktur yang tidak beraturan seperti silikon amorf. Kekurangan konsep fisika tentang masalah ini menimbulkan tantangan besar bagi para ahli yang menekuni keadaan amorf dari suatu semikonduktor.
Walaupun telah banyak usaha yang telah dilakukan, namun demikian masih banyak kesulitan yang dijumpai dalam memahami sifat fisika dari bahan amorf. Sebagai contoh, pemahaman secara detail tentang degradasi yang terjadi pada saat material diberikan cahaya (light-induced degradation) belum ditemukan. Itulah sebabnya maka khusus dari persfektif sifat fotovoltaik, maka masalah yang sangat pundamental yang akan dibahas adalah gambaran tentang amorf dan struktur pita dari bahan amorf itu sendiri.
2. Keadaan Celah Pita
Seperti telah disebutkan sebelumnya bahwa banya teknik yang dapat digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis semikonduktor, yaitu: CVD, Evaporasi, Sputtering, Glow Discharge, dan lain-lain. Namun demikian khusus lapisan tipis silikon amorf untuk aplikasi sel surya, teknik penumbuhan Glow Discharge adalah yang terbaik. Hal ini disebabkan karena dengan teknik ini, atom hidrogen yang terlepas selama proses penguraian gas silan (SiH4) terinkorporasi ke dalam lapisan yang ditumbuhkan. Dari hasil studi, diperoleh informasi bahwa lapisan tipis silikon amorf yang ditumbuhkan dengan teknik Glow Discharge dapat mengandung 4-40% atom hidrogen, itulah sebanya maka lapisan ini disebut lapisan tipis silikon amorf terhidrogenasi (hidrogenated amorphos silicon, a-Si:H).
Pengaruh masuknya atom hidrogen ke dalam lapisan silikon amorf dapat diperlihatkan melalui proses annealing (pemanasan) pada temperatur sekitar 6000C, .
Temperatur annealing di atas 5000C, atom hidrogen yang berikatan dengan atom silikon mulai terlepas, dan pada saat bersamaan terjadi penurunan fotokonduktivitas. Pada saat temperatur annealing mencapai 6000C, telah terjadi penurunan fotokonduktivitas sampai beberapa orde. Walaupun telah terlihat dengan jelas bahwa hidrogen adalah pemicu terjadinya keadaan cacat didalam lapisan tipis silikon amorf, namun demikian studi tentang sifat-sifat mendasar dari cacat dan interaksinya dengan hidrogen terus dilakukan secara serius dan mendalam.
Pada dasarnya, dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa penurunan atom hidrogen dan konduktivitas pada saat peningkatan temperatur annealing, juga diikuti oleh peningkatan rapat keadaan dari spin elektron yang tak berpasangan. Keadaan ini dapat diukur dengan Elektron Spin Resonant (ESR).
Keadaan amorf dari semikonduktor memiliki ikatan kovalen yang tidak penuh (unsaturate). Ini berdasarkan asumsi bahwa ESR mengukur konsentrasi dari ikatan-ikatan bebas (dangling bond) yang tidak berpasangan (unsaturate). Oleh sebab itu maka hasil pengukuran dengan ESR mengindikasikan bahwa atom hidrogen berikatan (mengisi) rantai kosong (dangling bond) yang merupakan pusat aktivitas elektron sehingga jika keadaan ini tidak berikatan dengan atom tetangga terdekatnya (dangling bond), maka akan mengurangi life time dari pembawa muatan bebas. Prinsip ini sangan berguna untuk mendiskripsikan sifat-sifat dan keadaan semikonduktor amorf.
Untuk kristal dengan struktur sempurnah, semua atom dapat berikatan dengan empat tetangga terdekatnya secara kovalen secara penuh, dan tidak memiliki spin yang tidak berpasangan. Model struktur kristal dari material amorf yang berikatan secara kovalen memperlihatkan bahwa jumlah rata-rata dari tetangga terdekatnya kurang dari empat. Jadi atom-atomnya merupakan koordinat yang terdiri dari tiga atau dua tetangga terdekat seperti terlihat pada gambar-2.