41
BAB V Simulasi Electronic Charged State Individual Quantum dot Berbasis Silikon Pada bagian ini akan dibahas hasil simulasi electronic charged state pada individual quantum dot berbasis material Silikon. Simulasi ini bermanfaat untuk pengembangan devais elektronik khususnya floating gate MOS memories. 5.1
Simulasi Electronic Charged State Individual Silikon Quantum dot
Diagram pita energi MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) berbasis Silikon quantum dot diperlihatkan pada gambar 5.1. Elektron/hole yang diinjeksi akan terlokalisasi dalam dot dan menempati level-level energi tertentu. Elektron/hole yang diinjeksi ke dalam dot akan merubah distribusi potensial permukaan dalam dot. Distribusi potensial permukaan tersebut terkait dengan jumlah elektron/hole yang diinjeksi ke dalam dot, ukuran dot, serta interaksi elektron/hole dalam dot.
Gambar 5.1: Diagram pita energi MOS berbasis Silikon quantum dot pada kondisi equilibrum. Sebelum elektron/hole diinjeksikan ke dalam dot berukuran 6 nm, distribusi potensial permukaan yang seragam dalam dot teramati (gambar 5.2a). Setelah 2
41
42
hole diinjeksikan ke dalam dot, perubahan potensial permukaan dalam dot teramati (gambar 5.2b).
(a)
(b)
(c) Gambar 5.2: Profil perubahan potensial permukaan Si dot berukuran 6 nm. (a) sebelum injeksi elektron (b) setelah injeksi 2 hole (c) setelah injeksi 4 hole.
42
43
Perubahan potensial permukaan hanya teramati dalam dot yang mengindikasikan bahwa elektron/hole terlokalisasi dalam dot. Interaksi antar muatan dalam dot berupa interaksi Coulomb dapat terlihat jelas dari pola distribusi potensial permukaan. Nilai perubahan potensial permukaan yang teramati di pinggiran dot lebih besar dibandingkan dengan di pusat dot menandakan terjadi interaksi Coulomb antar muatan dalam dot (gambar 5.2b). Namun, efek interaksi Coulomb sangat sulit diamati setelah 4 hole diinjeksikan ke dalam dot berukuran 6 nm (gambar 5.2c). Hal tersebut berkaitan dengan ruang gerak elektron/hole untuk saling bertolakan satu sama lain sangat terbatas yang dipengaruhi oleh ukuran dot (elektron/hole terlokalisasi dalam dot).
(a)
(b)
Gambar 5.3: Profil potensial permukaan Si quantum dot berdiameter 4 nm setelah injeksi (a) 1 elektron (b) 1 hole.
43
44
Perbedaan polaritas muatan antara elektron dan hole menyebabkan profil geometris perubahan potensial permukaan pada dotnya pun menjadi berbeda (gambar 5.3). Injeksi elektron ke dalam dot akan memberikan perubahan potensial permukaan yang bernilai negatif sementara injeksi hole akan memberikan nilai yang positif.
Gambar 5.4: Rapat elektron pada Si quantum dot.
Gambar 5.5: Perubahan potensial permukaan setelah injeksi satu dan dua elektron ke dalam Si dot.
44
45
Gambar 5.4 memberikan informasi yang menarik tentang berbagai variasi rapat elektron terhadap jumlah elektron yang diinjeksikan ke dalam dot pada Silikon quantum dot berukuran 12 nm. Puncak-puncak pada gambar 5.4 menggambarkan probabilitas menemukan elektron pada titik tersebut lebih besar dibandingkan pada daerah lainnya. Munculnya dua puncak atau lebih yang simetris untuk berbagai jumlah elektron yang diinjeksikan ke dalam dot menandakan elektron dalam Silikon quantum dot membentuk formasi Wigner dimana elektron yang saling berinteraksi Coulomb tersebut akan mencari suatu konfigurasi dengan energi paling minimum. Elektron yang terlokalisasi dalam dot dapat terlihat dengan jelas pada gambar 5.4. Semakin jauh dari pusat dot, probabilitas menemukan elektron semakin kecil bahkan menuju nol. Gambar 5.5 memperlihatkan penampang lintang perubahan potensial permukaan setelah injeksi satu dan dua elektron ke dalam Si dot.
Gambar 5.6: Nilai maksimum perubahan potensial permukaan untuk berbagai ukuran Si dot setelah injeksi 1, 2, dan 4 elektron.
45
46
Gambar 5.7: Nilai maksimum perubahan potensial permukaan untuk berbagai ukuran Si dot setelah injeksi 1, 2, dan 4 hole. Gambar 5.6 dan 5.7 menunjukkan grafik kebergantungan nilai perubahan potensial permukaan pada Si dot. Semakin besar ukuran dot, semakin kecil nilai maksimum perubahan potensial permukaannya. Hal tersebut dapat dimengerti karena pada dot dengan ukuran besar, elektron/hole lebih mudah membentuk formasi Wigner dibandingkan pada dot berukuran kecil. 5.2
Simulasi Electronic Charged State Individual Si Quantum dot Dengan Inti Germanium
Diagram pita energi MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) struktur hetero Si/Ge/Si quantum dot pada kondisi equilibrum diperlihatkan pada gambar 5.8. Perbedaan pita energi antara Si dan Ge membuat semacam compound well baru selain antara Si dan SiO2.
46
47
Gambar 5.8: Diagram pita energi MOS berbasis Silikon quantum dot dengan inti Germainum pada kondisi equilibrum. Gambar 5.9a menunjukkan profil distribusi potensial permukaan dot berukuram 12 nm sebelum injeksi elektron/hole. Tidak ada perubahan potensial permukaan sebelum elektron/hole diinjeksikan ke dalam dot. Namun setelah 2 hole diinjeksikan ke dalam dot, terjadi perubahan potensial permukaan dalam dot (gambar 5.9b). Nilai maksimum perubahan potensial permukaan muncul di pusat dot mirip dengan kasus injeksi 1 hole ke dalam Si dot (gambar 5.3b).
(a)
47
48
(b)
(c) Gambar 5.9: Profil perubahan potensial permukaan (a) sebelum injeksi elektron (b) setelah injeksi 2 hole (c) setelah injeksi 2 elektron. Berbeda dengan kasus injeksi hole, ketika 2 elektron diinjeksikan ke dalam Si/Ge/Si dot, perubahan potensial permukaan lebih besar teramati pada Si dibandingkan dengan pada inti Ge (gambar 5.9c). Nilai maksimum perubahan potensial permukaan berkaitan erat dengan puncak tertinggi rapat elektron/hole dalam dot. Dengan kata lain, probabilitas menemukan hole di inti Ge lebih besar dibandingkan pada Si dan sebaliknya, probabilitas menemukan elektron pada Si lebih besar dibandingkan pada inti Ge. Hal tersebut dapat dijelaskan dengan meninjau kembali pita energi struktur Si/Ge/Si quantum dot (gambar 5.8). Terbentuknya sumur potensial di bawah pita energi valensi pada struktur Si/Ge
48
49
memungkinkan hole terjebak di sana sehingga probabilitas menemukan hole di sana lebih besar dibandingkan pada Si.
Gambar 5.10: Nilai maksimum perubahan potensial permukaan untuk berbagai ukuran Si/Ge/Si dot (ukuran Ge dibuat tetap 4 nm) setelah injeksi 2, dan 4 elektron.
Gambar 5.11: Nilai maksimum perubahan potensial permukaan untuk berbagai ukuran Si/Ge/Si dot (ukuran Ge dibuat tetap 4 nm) setelah injeksi 1, 2, dan 4 hole.
49
50
Kebergantungan nilai perubahan potensial permukaan pada Si/Ge/Si ditunjukkan pada gambar 5.10 dan gambar 5.11. Nilai maksimum perubahan potensial permukaan dot setelah injeksi hole selalu lebih besar dibandingkan dengan injeksi elektron. Kemiringan kurva gambar 5.10 lebih besar dibandingkan dengan kemiringan kurva gambar 5.11. Nilai maksimum perubahan potensial permukaan setelah injeksi hole berubah secara lambat berbeda dengan kasus setelah injeksi yang berubah secara lebih cepat terhadap ukuran dot. Hal tersebut mengindikasikan bahwa hole terkurung pada inti Ge sementara elektron terkurung pada Si.
50
