BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Material semikonduktor adalah material yang memiliki konduktivitas listrik diantara konduktor dan isolator (10-8 S/cm < σ < 104 S/cm), σ adalah konduktivitas . Konduktivitas material ini dapat divariasikan dengan merubah parameter eksternal (misalnya perubahan temperatur dan eksitasi optik) maupun internal (pemberian doping). Semikonduktor terdiri dari dua tipe yaitu semikonduktor elemental, contohnya golongan IVA (Si dan Ge), dan semikonduktor paduan (III-V dan II-VI). Konduktivitas listrik semikonduktor berhubungan dengan lebar celah pita energinya yang menentukan karakteristik listrik serta optik semikonduktor. 2.1 Semikonduktor Paduan III-Nitrida Material III-Nitrida adalah material semikonduktor paduan yang elemennya terdiri dari atom golongan III (seperti Al, Ga, dan In) dan nitrogen (N) yang berasal dari golongan V pada sistem periodik unsur. Misalnya AlN, GaN, dan InN. Dalam penggolongan semikonduktor paduan akan dikenal beberapa istilah, yaitu paduan binary, ternary, dan quarternary. Penamaan ini bergantung pada jumlah elemen yang menjadi komponen paduan. AlN, GaN, dan InN terdiri dari dua elemen sehingga disebut paduan binary. Selanjutnya, untuk paduan dengan tiga elemen disebut paduan ternary, misalnya AlxGa1-xN dan InxGa1-xN. Paduan yang terdiri dari empat elemen disebut quarternary, salah satu contohnya adalah InxAlyGa1-x-yN[1,2]. Material III-Nitrida memiliki sifat-sifat dasar yang berpotensi untuk diaplikasikan dalam piranti elektronik dan optoelektronik. Paduan ini memiliki struktur direct band gap serta dapat divariasikan berdasarkan fraksi molar komponen paduan tersebut. Misalnya pada material AlxGa1-xN, band gap paduan ternary ini dapat divariasikan antara 3.4 eV (x=0) hingga 6.2 eV (x=1) yang bersesuaian dengan panjang gelombang UV (λ ≈ 200 – 365 nm).
5
Berdasarkan karakteristik tersebut, AlGaN tergolong material yang sangat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai fotodetektor UV. Pengembangan paduan ternary dan III-Nitrida, khususnya AlGaN, bertujuan untuk menghasilkan semikonduktor dengan daerah kerja pada panjang gelombang UV yang spesifik. Misalnya, dengan membuat paduan AlGaN yang memiliki band gap sekitar 4.0 eV, diharapkan divais berbasis material tersebut memiliki daerah kerja pada panjang gelombang sekitar 310 nm. Perubahan band gap III-Nitrida dan III-As terhadap komposisi elemen dalam paduan ternary ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Perbandingan band gap paduan III-Nitrida terhadap konstanta kisi [S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett. 70, 1417(1997)] Dari gambar diatas diperlihatkan adanya perubahan band gap material paduan AlxGa1-xN serta memberikan informasi penting dalam penggunaan substrat penumbuhan material AlxGa1-xN. Pada penggunaan substrat silikon, ketidaksesuaian konstanta kisi antara substrat dan lapisan AlGaN akan semakin besar untuk fraksi molar Al (x) yang besar. Sehingga, penggunaan substrat Si untuk penumbuhan AlGaN akan memberikan konsekuensi sulit dihasilkan AlGaN dengan kualitas kristal yang tinggi untuk fraksi molar Al yang besar.
6
Pada dasarnya ternary AlGaN terdiri dari paduan binary GaN dan AlN. Proses penumbuhan paduan AlGaN merupakan usaha penggantian atom Ga pada paduan GaN dengan atom Al tanpa merubah struktur kristal GaN tersebut. Untuk memahami struktur kristal, sifat listrik, dan optik AlGaN, akan ditinjau beberapa sifat-sifat fisis dan kimia komponen penyusun paduan AlGaN. 2.1.1 Material GaN GaN memiliki dua struktur kristal yang stabil secara termodinamik, yaitu struktur zincblende (kubik) dan wurtzite (heksagonal). Struktur zincblende memiliki mobilitas pembawa muatan lebih tinggi dibandingkan dengan struktur wurtzite, akan tetapi struktur wurtzite memiliki keunggulan struktur yang lebih stabil pada temperatur tinggi dibandingkan dengan struktur zincblende. Jika ditinjau dari lebar celah energi, GaN dengan struktur wurtzite memiliki band gap 3.4 eV sedangkan GaN struktur zincblende (3,2-3,3 eV). Secara alami (undoped) GaN memiliki kerapatan elektron n ≈ 1017 cm-3 pada temperatur ruang. Donor dominan berasal dari kekosongan nitrogen [pankove et al.(1957)]. Resistivitas material GaN dapat meningkat secara dramatik dengan penambahan atom dari golongan II; elemen tersebut berperan sebagai akseptor yang menggantikan donor pada material GaN. Konsentrasi kekosongan nitrogen meningkat dengan adanya elemen dari golongan II [Monemar, Lagerstedt & Gislanson (1980)].
Gambar 2.2 GaN dengan struktur wurtzite. Parameter kisi a dan c terhadap temperatur untuk lapisan monolayer. [maruska dan Tietjen(1969)].
7
Gambar2.2 memberikan informasi bahwa konstanta kisi a akan terekspansi secara linear terhadap peningkatan temperatur sedangkan konstanta kisi c terekpansi kuadratik terhadap perubahan temperatur. Melting point GaN pada temperatur 25000C dan koefisien ekspansi termal sebesar 5.27 x10-6 K-1. 3.17x10-6 K-1. 2.1.2 Material AlN Material AlN memiliki celah energi yang lebar (~6.2 eV), sifat ini menjadi potensi AlN untuk diaplikasikan dalam divais fotonik [8]. Sifat penting lainnya adalah efek pizoelektrik (ferroelektrik). Sifat ini menghasilkan polarisasi spontan pada material tanpa pemberian medan listrik. Efek piezoelektrik didefinisikan sebagai induksi tegangan yang berasal dari material akibat stress pada struktur kristalnya. Kristal material ini terdiri dari atom yang saling berbagi elektron, pada material ini terbentuk ikatan ionik dan kovalen. Karena elektron valensi digunakan bersama, maka kerapatan elektron pada seluruh bagian kristal tidak seragam dan terdapat dipol listrik yang periodik sesuai dengan periodisitas susunan atom. Pada umumnya, kristal material memiliki atom-atom yang terdistribusi merata sehingga penjumlahan dipol masing-masing atom saat keseimbangan termal adalah nol. Sedangkan pada material feroelektrik, pada kondisi seimbang termal memiliki penjumlahan dipol yang tidak nol. Kondisi ini terjadi diakibatkan stress (tekanan) pada kristal kisi yang menyebabkan munculnya strain (tegangan) didalam kristal, akibatnya terjadi perubahan posisi atau arah dipol individu tersebut. Hasil dari stress dalam susunan tersebut menghasilkan piezoelektrik. Kebalikan dari efek ini juga dapat diamati dengan memberikan medan listrik pada material piezoelektrik.
8
Gambar 2.3 Koefisien ekspansi termal AlN terhadap temperatur [Slack & Bartram (1975)]. Pada peninjauan sifat termal AlN, material ini lebih stabil dibanding GaN. Peninjauan ini dapat dilihat dari melting point AlN sebesar 3273. Koefisien ekspansi termal AlN lebih besar dibandingkan GaN (5.27 x10-6 K-1), oleh karena itu pada perlakuan termal tertentu kisi AlN akan terekspansi lebih besar dibandingkan GaN. 2.1.3
Material AlxGa1-xN
Celah energi paduan ini berada diantara 3.2 hingga 6.2 eV, dengan kata lain berada diantara GaN dan AlN. Sifat kimia, listrik, dan optik material AlGaN merupakan paduan dari GaN dan AlN. Parameter utama pada paduan ternary ini adalah kebergantungan celah energi terhadap konsentrasi Al (x). Sistem paduan ini memberikan cakupan band gap yang luas dan sedikit perubahan konstanta kisi bagi material AlGaN. Ketergantungan komposisi terhadap konstanta kisi, direct band gap, dan sifat listrik dari paduan AlGaN telah diukur oleh Yoshida dkk. Band gap AlGaN dapat dihitung mengunakan persamaan empirik berikut: E g ( x) = xE g ( AlN ) + (1 − x) E g (GaN ) − bx(1 − x) ,
dimana Eg (GaN) = 3.4 eV, Eg (AlN) = 6.2 eV, x adalah fraksi molar Al dan b adalah parameter bowing. Persamaan diatas menggambarkan fraksi mol Al berbanding lurus terhadap celah energi AlxGa1-xN dengan faktor koreksi oleh parameter bowing.
9
Material AlGaN juga memiliki sifat polarisasi yang berasal dari AlN. Dengan membangun struktur hetero antara GaN/AlGaN, pada daerah persambungan (interface) GaN/AlGaN terbentuk struktur kuantum well yang berfungsi sebagai perangkap elektron. Rapat elektron yang terjebak pada daerah persambungan GaN/AlGaN tinggi. Rapat elektron ini disebut two dimensional electron gas (2DEG).
Gambar 2.4 Struktur pita pada daerah persambungan antara GaN/AlGaN [Ashif Khan et al (1992)]. Kerapatan pembawa muatan ini terbentuk tanpa adanya proses pendopingan pada AlGaN. 2DEG ini muncul akibat induksi polarisasi pembawa muatan pada daerah interface AlGaN/GaN. Material AlN menghasilkan polarisasi spontan (SP) sehingga AlGaN juga memiliki sifat tersebut. Paduan AlGaN juga memiliki konstanta piezoelektrik (seperti material AlN) yang menyebabkan terjadinya polarisasi piezoelektrik (PE) pada darah interface GaN/AlGaN (proses mengenai 2DEG tidak akan dibahas lebih lanjut pada laporan tugas akhir ini). Selanjutnya, GaN memberikan kontribusi terhadap sifat dasar yang menentukan material AlGaN menjadi semikonduktor tipe-n tanpa pemberian doping. Hal ini juga menjadi alasan bahwa AlGaN sulit didoping menjadi semikonduktor tipe-p.
10
2.2 Teori Fotodetektor (Pd) dengan Struktur MSM
Pada sub bab ini akan diuraikan secara detail prinsip operasi Pd dengan struktur MSM yang dikhususkan pada material semikonduktor dengan tipe-n. Pertimbangan ini disesuaikan dengan eksperimen yang dilakukan yaitu pemanfaatan AlGaN dengan tipe-n. 2.2.1 Prinsip operasi MSM Pd
MSM Pd terdiri dari dua kontak Schottky yang dideposisikan diatas semikonduktor. Prinsip operasinya adalah pemberian bias maju pada salah satu kontak dan bias mundur pada kontak lainnya. Seperti pada fotodetektor lainnya, divais ini mendeteksi foton dan mengubah fluks foton tersebut menjadi sinyal listrik. Foton yang memiliki energi lebih besar dari band gap semikonduktor akan diserap dan menyebabkan terjadinya generasi pasangan elektron-hole dimana jumlah pembawa muatan yang tergenerasi bergantung pada fluks foton. Dengan pemberian bias eksternal pada kontak, maka elektron pada pita konduksi dan hole pada pita valensi akan bergerak dengan arah yang berlawanan. Ada beberapa kondisi khusus yang dapat dicapai dan perlu diperhatikan pada divais dengan struktur MSM, yaitu: •
Kondisi daerah antar finger akan terdeplesi penuh jika bias yang diberikan melebihi tegangan flatband, kondisi flatband dapat dicapai jika jarak antar finger dibuat sangat kecil (1-3 µm).
•
Kapasitansi dan resistansi kontak finger terhadap semikonduktor dapat dibuat kecil dengan mengoptimasi panjang dan lebar finger.
•
Dark current dapat direduksi dengan cara meningkatkan tinggi barrier pada divais. Dark current disebut juga leakage atau kebocoran pembawa muatan ketika pemberian bias pada Schottky barrier tanpa penyinaran. Untuk meningkatkan barrier perlu dilakukan pemilihan metal dengan fungsi kerja yang lebih besar dibandingkan afinitas
11
elektron semikonduktor. Hal yang perlu diperhatikan, tinggi barrier sangat sensitif terhadap adanya pengotor, oleh karena itu perlu dilakukan proses pembersihan permukaan semikonduktor sebelum dideposisikan metal. •
Kecepatan divais dapat ditingkatkan dengan memperkecil jarak antar finger. Jika jarak elektroda dibuat kecil, maka waktu transit pembawa muatan dari satu elektroda ke elektroda lainnya akan berkurang, sehingga waktu respon intrinsik (waktu yang dibutuhkan pembawa muatan mencapai kontak) akan lebih cepat. Akan tetapi, untuk divais 2-D kecepatan juga bergantung pada ketebalan daerah arbsorbsi (daerah aktif) material. Untuk lebih jelasnya, skema MSM Pd-UV diperlihatkan pada gambar 2.5.
metal
L
X W
metal Semikonduktor
Gambar 2.5 Skema MSM Pd dengan tiga finger metal, x adalah jarak antar finger, w adalah tebal finger, dan L adalah panjang finger. Jika x diperkecil, maka daerah aktif akan semakin sempit. Pada daerah aktif (daerah yang terkena sinar) yang sempit menyebabkan respon menurun. Dengan kata lain, kecepatan tinggi mungkin dicapai, akan tetapi memperkecil tingkat respon (generasi pembawa muatan) detektor akan menurun.
12
2.2.2 Parameter operasi MSM Pd
Ada beberapa parameter penting yang akan mempengaruhi performa fotodetektor, yaitu dark current yang berhubungan dengan gangguan (noise) dan tingkat respon detektor. Selanjutnya akan dibahas satu-persatu parameter tersebut. 2.2.2.a Dark current
Pada fotodetektor, dark current (Jdark) berhubungan dengan noise yang muncul. Semakin besar dark current maka noise pada detektor akan semakin besar. Dalam aplikasi divais optoelektronik, dark current harus direduksi untuk mendapatkan divais dengan performa yang baik. Performa divais berhubungan dengan presisi detektor tersebut. Gambar 2.6 memperlihatkan diagram energi dari MSM Pd ketika detektor diberi bias dan penyinaran, serta perbedaan komponen dark current dan photocurrent (Jph). qΔφBn
EFm
J dark , n
J ph, n
hv
Ec qV
Ev
J ph , p
EFm qΔφBp J dark , p
S
(b)
(a)
Gambar 2.6 Diagram energi dari MSM PD (a) dibawah pengaruh penyinaran tanpa tegangan
bias
(b)
dibawah
pengaruh
bias
dan
penyinaran,
menunjukkan komponen dark current dan photocurrent.
Dari gambar diatas terlihat bahwa dark current muncul ketika elektron dapat melewati barrier yang terbentuk pada persambungan metal dan semikonduktor. Dark current merupakan total arus hole dan elektron . Ilustrasi pada gambar 2.6 terdiri dari beberapa proses, yaitu :
13
•
Proses transpor pada MSM berbeda dengan dioda schottky tunggal (pemberian bias secara back to back) [8]. Proses transpor MSM terdiri dari beberapa kondisi, yaitu pada kondisi keseimbangan termal (tanpa pemberian bias pada temperatur ruang), tegangan bias (V) lebih kecil dari tegangan reachtrough (VRT), tegangan bias lebih besar dari tegangan reachtrough hingga mencapai kondisi flat band, dan tegangan bias melebihi kondisi flat band. Kondisi tersebut akan diuraikan satu-persatu: ¾ Keseimbangan termal (tanpa pemberian bias).
Distribusi muatan pada kondisi keseimbangan termal MSM PD dengan semikonduktor tipe-n diperlihatkan pada gambar 2.7. Nd adalah konsentrasi ionisasi impuritas.
Gambar 2.7 (a) Skema diagram struktur MSM, (b) distribusi muatan, (c) medan listrik, (d) diagram energi pada saaat keseimbangan termal.
14
φ Bn1 dan φ Bn 2 adalah tinggi barrier untuk elektron, φ Bp1 dan φ Bp 2 adalah tinggi barrier untuk hole. Vbi1 dan Vbi 2 berturut-turut adalah potensial built-in pada kontak 1 dan 2. Untuk struktur MSM yang simetri (menggunakan kontak metal yang sama)
φ Bn1 = φ Bn 2 = φ Bn dan qφ Bn1 + qφ Bn 2 = E g . ¾ Kondisi V < VRT
VRT adalah tegangan bias pada saat daerah aktif terdeplesi penuh (kedua daerah deplesi bersentuhan). Kondisi ini dapat dicapai jika divais MSM memiliki jarak antar kontak finger yang sangat kecil (1-3 µm). pada gambar 2.8 diperlihatkan Distribusi muatan, medan listrik, dan sifat pita energi dibawah pengaruh bias yang rendah (VRT).
qN D
S
(a ) w1
w2
Em2 x1
− E m1
qφ Bn1
x2
(b)
q(Vbi1 + V1 )
qφ Bp1
qV1
qV
q(Vbi2 +V2 )
x1
qφ Bn 2
x2
qφBp2 + q(Vbi2 − V2 )
S
(c)
Gambar 2.8 (a) distribusi muatan, (b) medan listrik, (c) diagram energi dibawah pengaruh bias (negatif bias pada kontak 1).
15
kontak 1 dengan tegangan negatif (katoda) dan kontak 2 dengan tegangan positif (anoda). qV1 adalah beda tingkat energi fermi kontak 1 terhadap tingkat fermi semikonduktor; qV2 adalah beda tinggat energi fermi kontak 2 terhadap tingkat enegi fermi semikonduktor. Arus hole berasal dari emisi termionik hole dari anoda, hole terinjeksi dan berdifusi dari x2 ke x1 yang menjadi total arus hole. Arus hole jauh lebih kecil dibandingkan arus elektron karena barrier untuk hole (φ Bp 2 + Vbi1 − V2 ) lebih tinggi dibandingkan
barrier elektron. Oleh karena itu arus yang dominan adalah arus saturasi elektron. ¾ Kondisi V > VRT.
Dengan meningkatkan tegangan bias, maka daerah deplesi pada katoda dan anoda akan mengecil. Penjumlahan dari daerah deplesi merupakan jarak antar kontak W1 + W2 = s , seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.9. Pada kondisi ini, medan
listrik akan kontinu secara linear dari x = 0 hingga x = s .
Gambar 2.9 Kondisi reach-through (a) distribusi medan listrik (b) diagram pita energi.
16
Gambar 2.10 Kondisi flatband (a) distribusi medan listrik (b) diagram energi. Jika tegangan terus ditingkatkan setelah mencapai tegangan reach-through, maka medan maksimumnya adalah nol (seperti pada gambar 2.10), kondisi ini dinamakan flat band (VFB). ¾ Kondisi V > VFB
Pada kondisi ini terjadi fenomena yang disebut breakdown voltage VBD. Kondisi ini merupakan tegangan maksimum yang diberikan pada divais MSM untuk diaplikasikan sebagai fotodetektor. •
Proses terobosan elektron melalui barrier dari metal menuju semikonduktor. Mekanika terobosan merupakan parameter penting untuk semikonduktor dengan doping tinggi, pemberian bias tinggi, dan dioperasikan pada temperatur rendah.
•
Generasi pada daerah daerah deplesi (space-charge).
•
Generasi pada derah netral.
•
Generasi pembawa muatan pada daerah forbidden bandgap [4]. Proses ini terjadi akibat adanya lapisan interface pada persambungan metal dengan kontak. Pada kondisi kontak Schottky ideal tidak terbentuk lapisan interfasial diantara metal dan semikonduktor. Akan tetapi, lapisan tipis oksida biasanya terbentuk diantara metal dan semikonduktor yang menyebabkan adanya trap state. Jika lapisan interfasial sangat tipis, dibawah pengaruh medan listrik yang sangat tinggi dimungkinkan terjadi
17
proses terobosan yang memberi tambahan arus pada dark current. Akhirnya peningkatan dark current mengakibatkan kebocoran arus dari kontak metal dan daerah sekitar medan listrik diujung elektroda meningkat [6-7]. Pemahaman tentang dark current pada divais MSM sangatlah penting untuk memprediksikan daerah kerja divais tersebut. Selain itu, dark current adalah sumber munculnya noise pada detektor. Semakin besar noise yang muncul akan mengakibatkan penurunan kepresisian divais.
18
