5 2
SINTESA MATERIAL SEMIKONDUKTOR BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) Pendahuluan
Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika, digunakan misalnya untuk membuat dioda, transistor, dan IC (integrated circuit). Dewasa ini bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah kristal silikon.Dahulu orang juga menggunakan unsur Germanium. Kedua unsur ini merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal galium-arsenida yang terbentuk dari unsur galium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok IV, sehingga dapat pula digunakan untuk membentuk bahan semikonduktor (Sutrisno, 1986). Pada umumnya semikonduktor bersifat isolator pada suhu dekat 0 oC dan pada suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor murni, yaitu yang terdiri dari unsur silikon saja atau unsur germanium saja yang disebut semikonduktor intrinsik. Semikonduktor yang digunakan untuk membuat dioda dan transistor terdiri dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan unsur kelompok V atau kelompok III. Semikonduktor yang dihasilkan desebut simikonduktor ekstrinsik (Sutrisno, 1986). BST telah dikembangkan secara luas sebagai bahan ferroelektrik yang dapat digunakan dalam perangkat microwave tunable, seperti pada phase shifter, tunable filter, resonator, antenna, dan delay line (Iskandar, 2011). Suhu curie pada barium titanat adalah 130 oC, dengan adanya doping stronsium suhu curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada piranti yang memerlukan suhu kamar (Iskandar, 2011).
Bahan dan Metode Persiapan substrat Substrat yang digunakan adalah silikon tipe-p. Substrat dipotong membentuk persegi dengan ukuran 1 cm x 1 cm sebanyak 18 buah (masingmasing enhancement dan depletion sebanyak 9 buah substrat). Setelah proses pemotongan, kemudian dilanjutkan dengan pencucian menggunakan Asam Flurida (HF) 5% yang dicampur aquabides dengan perbandingan 1 : 5 (volume). Pembuatan larutan Larutan BST yang ditumbuhkan di atas substrat dengan metode CSD dibuat dari 0,3512 g Barium Asetat [Ba(CH3COOH)2, 99%], 0,2314 g Strontium Asetat [Sr(CH3COOH)2, 99%)], 0,7105 g Titanium Isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99%], dan 2,5 ml 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99%] sebagai pelarut untuk mendapatkan 1 M. Kemudian seluruh bahan tersebut kemudian disonikasi dalam ultrasonik model Branson 2210 selama 1 jam (campuran disebut prekursor). Persamaan reaksi film BST dengan fraksi mol 0,55 dan 0,45 untuk Barium dan Stronsium adalah:
6 0,55Ba(CH3COO)2 + 0,45Sr(CH3COO)2 + Ti (OCH(CH3)2)4 + 22O2 Ba0,55Sr0,45TiO3 + 17H2O + 16CO2 Penumbuhan film Proses penumbuhan film dilakukan dengan menggunakan reaktor spin coating, dimana substrat silikon tipe-p yang telah dicuci sebelumnya diletakkan di atas piringan reaktor spin coating yang telah ditempeli dengan double tape pada bagian tengahnya. Kemudian 1/3 permukaan substrat silikon tipe-p yang telah ditempelkan pada permukaan piringan spin coating ditutupi dengan merekatkan seal tape. Perekatan seal tape bertujuan untuk menghindari agar tidak semua permukaan substrat silikon tipe-p terlapisi atau tertutupi oleh larutan BST, dan penempelan double tape bertujuan agar substrat tidak terlepas saat piringan reaktor spin coating berputar. Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coating ditetesi larutan BST sebanyak 3 tetes, kemudian reaktor spin coating diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dilakukan sebanyak 3 kali dengan jeda setiap ulangan adalah 60 detik (Hamdani et al. (2009), Seo et al. (2004), dan Uchino et al (2000)). Setelah penetesan, substrat diambil dengan menggunakan pinset. Proses annealing Proses annealing bertujuan untuk mendifusikan larutan BST dengan substrat. Proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model VulcanTM-3-130 dan dilakukan secara bertahap. Pemanasan dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan yaitu sebesar 800 oC, 850 °C, dan 900 oC dengan kenaikan suhu pemanasan yang disesuaikan (1,7 °C/menit), kemudian suhu annealing ditahan konstan hingga 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang. Proses annealing ditunjukkan pada Gambar 1. T (oC)
Tann Furnace cooling
T0
Hour 9
24
36
Gambar 1. Proses annealing. Pembuatan kontak pada film Lubang kontak pada film dibuat berbetuk persegi dengan ukuran 2 mm x 2 mm pada lapisan BST dan menutup bagian lain dari film BST yang tersisa dengan menggunakan aluminium foil. Poses selanjutnya adalah metalisasi aluminium (Al) sebagai media kontak film yang dilakukan secara evaporasi pada ruang vakum
7 udara. Kemudian pemasangan hidder dan kawat tembaga yang berukuran halus dengan menggunakan pasta perak. Model film BST ditunjukkan pada Gambar 2. Si (100) p-type
fine wires
Glass Preparations
(Al) contacts
Silver Paste
Ba0.55Sr0.45TiO3
Gambar 2. Model film BST
Mulai
Barium asetat Ba(CH3COO)2, 99%
Stronsium asetat Sr(CH3COO)2, 99%
Titanium isopropoksida Ti(C12O4H28), 99%
2-metoksietanol H3COOCH2CH2OH, 99%
Dicampur dan disonikasi selama satu jam dengan Branson 2210
Campuran BST (prekursor)
Spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik di atas substrat Si (100) tipe-p sebanyak 3 tetes
Si (100) tipe-p enhacement
Si (100) tipe-p deplesi
Annealing pada suhu 850 0C
Film Ba0,55Sr0,45TiO3
Gambar 3. Diagram alir pembuatan film BST.
Hasil dan Pembahasan Film BST yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Substrat silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p,
8 sedangkan larutan BST yang ditumbuhkan di atas substrat merupakan semikonduktor tipe-n. Persambungan tipe-p dan tipe-n dikenal dengan istilah p-n junction. Sebuah piranti elektronik memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Ada yang memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi arus tegangan merupakan suatu cara untuk menentukan apakah sebuah piranti elektronik memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Bentuk dioda yang diperoleh berasal dari semikonduktor jenis p (silikon tipe-p) yang dibuat bersambungan dengan semikonduktor jenis n (BST). Penyambungan ini dilakukan saat penumbuhan kristal. Secara skematis dioda sambungan p-n ditunjukkan pada Gambar 4.
Si tipe-p (anoda)
BST (katoda)
Gambar 4. Susunan dioda sambungan p-n Gambar 5 memperlihatkan pola kurva karakterisasi arus tegangan yang dilakukan oleh Putra (2012) setelah dibandingkan dengan literatur, menunjukan bahwa sampel bersifat dioda. Hal ini menunjukan bahwa prinsip dasar persambungan p-n pada sampel bekerja.
10 8 6
Arus Listrik (A) x 10
-4
4 2 0 -30
-20
-10
0
10
20
30
-2 -4
fraksi mol 0,5 fraksi mol 0,6 fraksi mol 0,7 fraksi mol 0,8
-6
Tegangan (V)
Gambar 5. Kurva arus tegangan film BST (Putra, 2012) Kurva karakterisasi arus tegangan yang ditunjukkan pada Gambar 5 adalah kurva untuk film BST dengan fraksi mol 0,5; 0,6; 0,7; dan 0,8. Pada penelitian ini,
9 tidak dilakukan karakterisasi arus tegangan pada film BST dengan fraksi mol 0,55. Namun, berdasarkan penjelasan Gambar 5, dapat diasumsikan film BST dengan fraksi mol 0,55 memiliki karakterisasi arus tegangan bersifat dioda. Perlakuan variasi substrat silikon tipe-p menghasilkan sampel yang diberi label enhancement dan depletion. Sehingga dengan variasi suhu annealing 800 oC diperoleh sampel enhancement-800 oC, depletion-800 oC. Begitu pula dengan sampel suhu annealing 850 oC dan 900 oC. Pengulangan film BST setiap label dilakukan sebanyak 3 kali, sehingga jumlah film BST yang dibuat sebanyak 18 sampel.
Simpulan Telah berhasil dibuat bahan semikonduktor film BST dengan menumbuhkan larutan BST diatas substrat silikon tipe-p. Film yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor (p-n junction) yang memiliki sifat dioda.
