;{
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996
1ANALISA HASIL PENGUKURAN "BARRIER HEIGHT"
DENGAN METODA
KAPASITANSI-TEGANGAN PADA DIODA STRUKTUR METAL-INSULA TOR-SEMIKONDUKTOR (MIS)1 Masno Ginting
2
ABSTRAK ANALISA BASIL PENGUKURAN "BARRIER HEIGHT" DENGAN METODA KAPASITANSI TEGANGAN PADA DIODA STRUKTUR METAL -INSULATOR-SEMIKONDUKTOR (MIS).. Pengukuran barrier-height pada suatu dioda struktur MIS ( ZnO/Zn3P2 dan ZnO/CdTe ) telah dilakukan dengan metoda kapasitansi-tegangan (C-V). Harga tegangan diffusi yang diperoleh dari kurva I/C2 Vs V ( 1.75 V untuk ZnO/Zn3P2 dan I. I 5 V untuk ZnO/CdTe ), masih terlalu tinggi untuk dapat diinterpretasikan sebagai harga tegangan diffusi untuk dioda yang dianalisa. Untuk memperoleh harga barrier-height yang masih dalam batas harga ideal, maka harga dari tegangan diffusi yang diperoleh dari pengukuran telah dianalisa dengan menggunakan teori yang dikemukakan oleh Chattopadhyay dan Daw. Hasil interpretasi dengan menggunakan teori Chattopadhyay dan Daw memberikan harga barrier-height yang ideal untuk ZnO/Zn3P2 adalah antara 0.35 V sid I.IV dan untuk ZnO/CdTe adalah antara 0.36 V sid 1.0 V.
ABSTRACT ANALYSIS OF THE "BARRIER HEIGHT"MEASUREMENT USING CAPACITANCE -VOLTAGE METHODE ON DIODE METAL INSULA TOR-SEMICONDUCTOR (MIS)' STRUCTURE. Barrier-height measurement on the MIS structure diode (ZnO/Zn3P2 and ZnO/CdTe ) has been done using capacitance-voltage (C-V) method. The diffusion voltage value tllat has been obtained from I/c2 Vs V ( 1.75 V for ZnO/Zn3P2 and 1.15 V for ZnO/CdTe) are still too high to be interpreted as the diffusion voltage for tile diode tllat were analysed. In order to obtain the value of the barrier-height in the range of the ideal value, then the measured value of the diffusion voltage has been analysed using the theory of Chattopadhyay and Daw. The interpretation results using Chattopadhyay and Daw theory give the ideal value of the barrier-height between 0.35 V to 1.1 V for ZnO/Zn3P2 and between 0.36 V to 1.0 V for ZnO/CdTe.
PENDAHULUAN Harga tegangan diffusi ataupun barrier-height dari suatu dioda yang difabrikasi
dengan berbagai metoda yang berbeda pada umumnya juga akan menghasilkan basil yang sedikit berbeda pula. Misalnya fabrikasi suatu dioda dengan sistem MBE (metalorganic beam epitaxy) dibandingkan dengan fabrikasi suatu dioda dengan metoda lain seperti vakum depossisi dengan tekanan yang hanya mencapai sekitar 10-6torr. Akan tetapi, basil pengukuran seharusnya masih dalam batas toleransi harga ideal, jika tidak ada pengaruh lain yang perlu diperhatikan dalam pengambilan kesimpulan dari harga yang diperoleh dari pengukuran, seperti effek resistansi yang besar, effek timbulnya suatu lapisan oksida pada sambungan (junction) dari suatu dioda, atau pengaruh dari ohmik kontak yang digunakan.
PROSES PELAPISAN CUPLIKAN yang
ZoO
(metal). Proses pelapisan ZnO pada cuplikan seperti yang diberikan pada gambar I.
Elektroda
Uap Zn
Krusible Karbon Cuplikan
io~:~:~j~~}:~Z~ I...,.,,0".,'
umber ,:O::~t~~.:~:;~~~
Tegangan
Masker SumberZn Oxygen Lobang kecil Elektroda untuk plasma
PADA Gambar
ZnO merupakan suatu semikonduktor non-generate, yang berarti mempunyai
konduktifitas yang sangat tinggi sehingga hampir mempunyai sifat yang mendekati logam
Skhematik Proses pelapisan ZnO pada Cuplikan [I].
Dalam
proses
fabrikasi
divais
ZnO/Zn3PZ dan ZnO/CdTe, dilakukan dengan I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 1996 2 P3FT -LIPI, Komplek PUSPIPTEK, Serpong, 15310 395
~
sistim pencampuran Zn yang diuapkan, dengan Oxygen dalam suatu chamber. Diantara lobang kecil (orriflce) pada krusibel dengan substrat, diberikan suatu medan listrik dengan pengaturan kutub positif clannegatif sedemikian rupa sehingga akan timbul gaya listrik yang mendorong Zn kepermukaan cuplikan yang kemudian bereaksi dengan oxygen membentuk ZnO clan terlapis pada permukaan cuplikan ( polikristal Zn3P2 clan kristal tunggal CdTe)
[I ]. Krusibel Karbon berfungsi sebagai pemanas untuk menguapkan Zn, clan tekanan uap akan cukup tinggi didalam krusible, clan uap Zn akan tersebur keluar kearah cuplikan, bereaksi dengan Oxygen, clan akan terlapis pada cuplikan. Akan tetapi, cuplikan yang walaupun dalam keadaan bersih dari oksida (telah dietsa terlebih dahulu sebelum dimasukkan kedalam sistim ) masih akan teroksidasi akibat oxygen yang dialirkan kedalam sistim, sebelum bereaksi dengan Zn. lnilah yang diduga merupakan penyebab timbulnya lapisan oksida (insulator) antara ZoO dengan cuplikan (Zn3P2 clan CdTe).
Dari gambar2 terlihatbahwa q
Dari Hukum Gauss dapat ditunjukkan bahwa A = (o/ej)(Qsc(V) + Qit(V) + Qr> Dimana Ej adalah permitivitas listrik insulator, Qsc muatan pada lapisan deplesi semikonduktor, Qit muatan yang terperangkap pada interface, daD Qf adalah muatan tetap pada
insulator. Dari analisa lapisan deplesi maka diperoleh : Qsc (V) = -[2q EsNA\lis(V)]
(3)
daD Qit (V) = -q Dit[q
Ij/s(V) + q Vp -qljlo
(4)
Dimana qcJ>o adalah posisi dari energi netral. Dengan menggabungkan Persamaan (1) sampai (4) maka diperoleh persamaan: 'Vs(V) = c!>b -C2V- Vp + [(C1C;/2)-112 {4 C1C; (cI>b-C2V -Vp)
+
(5)
C(2 C24} 1/2]
TEORI Untuk suatu lapisan dengan timbulnya suatu insulator diantara suatu metal dengan semikonduktor maka Chattopadhyay clan Daw [2] menyatakan dalam teorinya bahwa, berdasarkan diagram pita energi maka akan ada tegangan drop pada lapisan insulator ketika tegangan bias diaplikasikan antara kontak ohmik pada semikonduktor clan logam. Pada gambar 2 diberikan diagram pita energi dari struktur MIS dengan mengambil contoh semikonduktor tipe-p.
qL\. qX qct>m
Dimana c!Ib= C2{(E/q)
+x -<\1m)+ (I -C2)
{(I -CJ/(q
DiJ} {Q/q}
<\10 } +
(6)
CJ= (2 q EsNA 82)/E(
(7)
c2= &j/(&j +q2 ~ Dit
(8)
Untuk semiconduktor dengan doping yang rendah clan dengan memberikan tegangan bias yang rendah maka suku terakhir yang berada dalam tanda kurung pada persamaan (5) dapat diabaikan sehingga persamaan tersebut dapat disederhanakanmenjadi :
Er. IJIs(V)
EFM .,-\V 'qV t
--
EFs .qVp
~o
lq\jls ~v
+ 4
0 ~
Gambar2 DiagramPita Energidari strukturMIS [2]
396
= $b -Vp
-C2V
(9)
Jika pacta lapisan oksida terdapat pinholes, maka kapasitansi daTi suatu divais yang terukur merupakan gabungan antara daerah pinhole dan daerah MIS. Kapasitansi dari pinhole dan MIS akan membentuk hubungan serio Pacta umumnya lapisan oksida jauh lebih tipis sehingga kapasitasnya (Cox) jauh lebih besar daripada kapasitansi daerah deplesi (Cdep)suatu dioda, sehingga kapasitansi dari
I/Ceq /C2 1.7:
suatu dioda dapat dianggap hanya diakibatkan oleh kapasitansi daerah deplesi. Oleh karena lapisan oksida dan daerah deplesi dalam hubungan seri maka kapasitansi suatu dioda dapat dituliskan sebagai : = I/Cox + I/Cdep = I/Cdep =l/{(dQsc(V)/d'Vs(V))(d'Vs(V)/dV)}
10) (II)
Dengan mensubstitusikan harga dQsc dan Ij/s pada persamaan (11) maka diperoleh
hubungan: C = C2 {qEsNA/2(cJ>b-C2 V- Vp)} 1/2
(12)
Sedangkan pacta garnbar 3 dan 4 diberikan grafik antara I/C2dengan V untuk divais JZC-2 dan ZXAO-I. Pacta garnbar 3 untuk divais JZC-2, walau grafik telah diberi koreksi dengan effek dari harga resistasi seri [3], narnun rnasih rnenunjukkan harga yang terlalu besar untuk diinterpretasikan sebagai harga tegangan diffusi dari suatu divais. Sedangkan untuk divais ZXAO-I, tidak diberikan harga koreksi dari tahanan seri, bab dari tabel 1 dapat dilihat bahwa harga tahanan seri sarna dengan nolo Sehingga jelaslah bahwa har~a perpotongan dari grafik antara I/C dengan V bukanlah diakibatkan oleh harga tahanan seri, akan tetapi acta effek lain yang menyebabkannya demikian.
sehingga, = 2(CPb-C2V-
Vp)/(C2Q&sNA)
(13)
Dari fersamaan(13), maka kemiringan dari grafikl/C versusV adalah: d(I/C1/dV = 2/( C2QEsNA)
Harga akan selalu lebih kecil dari pada satu, untuk harga cl>bdan V p yang tertentu, sehingga harga perpotongan V akan selalu menjadi lebih besar daripada harga yang
,
'.I'~ II I I III I I IIII.~J:;::::::::::
".1
~ ~-+++j
1.1 ,..
LI
Gambar3. Grafik antara 1/C2 dengan V untuk divais JZC-2, sebelum clan sesudah diberikan koreksi dari effek tahanan seri [3].
'\
-
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA
I~
Hasi\ dari beberapa divais yang te\ah difabrikasi diberikan pada Tabe\ ]. 1\ode Perrot
...1 "'.1 -1.1 -COI'-i.1
-./"
-~IYI
sebenamya.
..
N~
daera! hI
ongan dgn sb V (volt)
deples
i (11m) I
2.41
I i-:-90I 3.30 3.30 0.36
J.9 I
4,7
~
M
(14)
(15)
IiIb=C2V+Vp
~
T
...
,~
Sehingga dari persamaan (14) maka konsentrasi dari pembawa muatan pada semikonduktor dapat diketahui untuk setiap pemberian tegangan bias tertentu. ') Sedangkan perpotongan grafik I/C- versus V dengan sumbu tegangan (sb V) akan terjadi jika harga I/C2= 0, sehingga :
OJIvsis
I"
.~ -
0.27
0.33
Divais ZX.. = ZnO/Zn3P2; JZC.. = ZnO/CdTe
Gambar 4. Grafik antara 1/C2denganV untuk divais ZXAO-l, tanpa perlakuan koreksi dari effek tahanan seri [3]. Oari persamaan (15) sudah terlihat bahwa tingginya harga perpotongan Grafik antara I/C2dengan V adalah akibat dari lapisan
397
oksida antara ZnD dengan CdTe maupun Zn3P2' Akan tetapi untuk dapat menggunakan persamaan (15) untuk menentukan harga "barrier height, <jib" dari Y daD maka haruslah oll:etahui harga C2 daD Y p. Pacta umumnya untuk setiap divais, harga Yp sangatlah kecil, sehingga jika dibandingkan dengan kesalahan dalam eksperimen dapatlah diabaikan, tetapi tentulah harus diketahui harga dari C2. Untuk mengetahui harga C2 maka haruslah diketahui harga dari NA. Namun dalam hal ini, hargajugl'tidak diketahui secara tepat untuk setiap divai3 yang telah difabrikasi, tetapi dari kemiringan grafik antara I/C2dengan Y, yaitu dengan menggunakan persamaan (13) maka akan dapat diperoleh harga dari C2NA. Akan tetapi dapat dicoba untuk mendapatkan batas (range) dari harga C2 clan NA yang akan termasuk dalam harga pengukuran dari C2NA., clan mencoba melihat apakah ada harg.. :jari "barrier hC'ight,<jib" yang
Volt, yaitu untuk 0.1< C2 >0.3 clan harga NA :",tara 2.0 sarnpai 6.0 x 1017crn-3.
Dengan cara yang sarna dengan perlakuan terhadap divais JZC-2, rnaka divais ZXAO-I yang rnernpunyai luas = 4.9IxI0-6 rn2, permittivitas = Ilx8.85xI0'12 F/rn, kerniringan grafik [d(I/C1/dV]= 6.929 x 1019F-2y-l, rnaka dengan rnenggunakan persarnaan(13) diperoleh harga C2NA = 7.60 X 1013 crn-3, rnaka dapat dibuat Tabel variasi antara harga C2 clan NA seperti yang diberikan pada Tabel 3. Tabel 3. Kemungkinan variasi daTiharga Cz dan NA ,dengan harga CzNA = 7.60 x 1013 cm -3dan harga tafsiran daTi c/lbuntuk V = 1.75 V alas dasar daTi teori MIS.
dapat diinterpretasikan ;;t:oagai harga barrier heigt untuk CdTe maupun Zn3P2' Ambil sebagai contoh divais JZC-2, yang mempunyai luas = 3.14 xIO-6 m2, permittivitas = llx8.85xI0-12 F/m, kemiringan grafik [d(1/C1/dY]= 2.203 x 1017F-2y-l, maka dengan menggunakan persamaan (13) diperoleh harga C2NA = 5.91 X 1016 cm-3, maka dapat dibuat Tabel variasi antara harga C2 dan NA seperti yang diberikan pada Tabel 2. Tabel 2. Kemungkinan variasi dari harga C2daD NA ,dengan harga C2NA = 5.91 X 1016 cm-3daD harga tafsiran dari <jibuntuk V = 3.6 V atas dasar dari teori MIS.
NA(cm-")
Cz
«Pb= C2 V
(Volt) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
~
0.\
5.9 x 10'v 6.6 X 10'0
3.60 3.24
-.ohIO
7.4 X 10
2.88
8.4 x 10'0 9.8 X 10
2.52 2.16
1.2xl0'1
1.80
h
h
ohIO
0;'
'hll
~ h
""..7
1.5 X 10
2.0x 10 3.0x lO'l ~
~
'hll
5.9 X 10
1.44
NA( cm-~)
1.0 0.9
7.6 X ]0'-'
8.4 x ]0'"
(Volt) 1.75 1.58
Cz
NA (cm-")
cIIb=C2V
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
1.1 x 10'" ,~
(Volt) 1.23 1.05 0.88 0.70 0.53 0.35 0.18
.~14
1.3 X 10
].5 X 1014 1.9x1014 2.5 X 10'4 3.8 X 1014
7.6 X ]014
Dari Tabel 3 dapat dilihat bagaimana hubungan antara C2, NA dan !jib dapat dilihat bahwa harga yang dapat diinterpretasikan sebagai barrier height adalah : 0.35 1.05 Volt, yaitu untuk 0.2< C2>0.6 daD harga NA antara 1.3 sampai 3.8 x 1014cm-3. Jelas bahwa dengan menggunakan
pendekatan yang dikemukakan oleh Chattophadhiaydan daw, maka harga dari berrier height untuk divais ZnO/CdTe dan ZnO/Zn3P2 dapat diinter-pretasikan untuk harga yang wajar. Dan dapat diketahui bahwa tingginya harga tegangan diffusi yang terukur tidak hanya diakibatkan oleh besarnya harga tahanan seri divais, akan tetapi juga dipengaruhi
banyak oleh adanya lapisan oksida antara
.\.08
sambungan ZnO dengan CdTe maupun dengan
0.72 0.36
ZIl3Pco
OJ1"! Tabel 2 darat dilihJl ba:;:1Imana huhul1gan antara C2, ~ \ Jan
398
cl>b= Cz V
C2
KESIMPULAN Pengukuran barrier-height pacta suatu dioda struktur MIS (ZnO/Zn,P: !c!..lh dtlakukan tl:'J.;ln
b
dcngan )
.H..lr(J.a '"
dan ZnO/CdTe)
metoda te'Tangan '"
kapasitansidiffusl
,
yan -
g
diperoleh dari kurva I/C2 Vs V ( 1.75 V untuk ZnO/Zn3P2 dan 1.15 V untuk ZnO/CdTe ), masih terlalu tinggi untuk dapat diinterpretasikan sebagai harga tegangan diffusi untuk dioda yang dianalisa. Hasil interpretasi dengan menggunakan teori Chattopadhyay dan Daw memberikan harga barrier-height yang ideal untuk ZnO/Zn3P2 adalah antara 0.35 V sid 1.1 V dan untuk ZnO/CdTe adalah antara 0.36 V sid 1.0 V.
UCAPAN TERIMA KASIH
Departement of Physics, University of .Waterloo, Canada yang banyak membantu penul.is datam mengerjakan Thesis untuk 82 dan
83.
DAFTAR PUSTAKA 1. M.GINTING,MSc Thesis,University Of Waterloo,tidak dipublikasikan, 1988. 2. CHAnOPADHYAY P. and DAW A.N. Solid Statelectronics29 (1986),555-560. 3. M.GINTING, TELAAH Jilid XIV No I (1993),1-8
Penulis ingin mengucapkan banyak terimakasih kepada DR. J.D. Leslie, Prof. pada
399
