PEMBUATAN DIODA DARI BA HAN LAPIS TIPIS CdTe YANG DITUMBUHKAN MELALUI METODE PENGUAPAN (VACUUM DEPOSITION)
Ahmad Mulia Rambe
Abstrak: Telah dilakukan pembuatan Dioda Schottky yang berstruktur kontak logam-semikonduktor. Bahan yang digunakan sebagai substrat adalah grafit. Semikonduktor yang digunakan sebagai source adalah CdTe. Dan sebagai dopant adalah logam In dan Al sedangkan sebagai kontak pembentukan dioda digunakan Al. Alat yang digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis semikonduktor CdTe dan penguapan logam In dan Al adalah vacuum tinggi Edward coating System E306 A yang kevakumannya dapat mencapai sekitar 10-5Torr. Karakteristik deviasi yang dipabrikasi dilakukan dengan pengukuran arus tegangan (I-V) dan pengukuran kapasitansi tegangan (C-V). Dari pengukuran arus- tegangan (I-V) diperoleh harga arus nstursdi (Is) sebesar 4.73 x 10-5A, harga ketinggian penghalang (φBN) adalah 0,91eV, faktor idealitas dioda jauh lebih besar dari harga ideal yaitu n > 20. Dari pengukuran kapasitansi tegangan (C-V) diperoleh harga tegangan difusi (Vbi) adalah 0,89V, harga konsentrasi donor (ND) adalah 2.82 x 1016cm-3, dan harga ketebalan lapisan deplesi (W) adalah 0,18μm.
PENDAHULUAN Perkembangan elektronika saat ini maju sangat pesat dan menjadi tulang punggung dalam dunia modernisasi. Kemajuan yang sangat cepat terjadi setelah ditemukannya komponen semikonduktor (zat padat) yang memberikan banyak sifat-sifat listrik yang unik yang hampir dapat memecahkan semua persoalan elektronika. Dengan ditemukannya semikonduktor maka komponen menjadi sangat ringan, sangat kompak, dan persatuan luas mempunyai kepadatan rangkaian yang sangat tinggi, misalnya pada rangkaian terpadu (IC) yang terdapat dalam perangkat komputer. Pada saat ini telah dikenal banyak semikonduktor, diantaranya adalah Silikon, Germanium, GaAs, CdS, CdTe, dan lain sebagainya. Cadmium Telluride (CdTe) merupakan suatu semikonduktor paduan (compound semiconcutor) dari golongan IIB (Cd) dan VIA (Te) dalam tabel unsur-unsur periodik yang menurut teori dapat dibuat dalam bentuk konduktivitas tipe-n dan tipe-p. Semikonduktor CdTe mempunyai sejumlah besar penggunaan dalam alat optoelektronika, foto detektor, laser CO2 daya tinggi dan solar sell. Dalam penelitian ini semikonduktor yang digunakan adalah CdTe. Hal ini karena penggunaan CdTe lebih menguntungkan dibandingkan bahan semikonduktor lainnya. Dan juga biaya memproduksi lapisan tipis CdTe jauh lebih murah CdTe mempunyai harga celah energi yang cukup ideal, dan juga mempunyai koefisien absorbsi yang tinggi sehingga sangat tepat bila digunakan sebagai bahan untuk solar sell. Pembuatan dioda dari lapisan tipis CdTe yang berstruktur loga-
semikonduktor, kontak logam-semikonduktor adalah merupakan divais yang memiliki satu jenis pembawa dominan yang terjadi dalam proses konduksi. Dalam teknologi pembuatan lapisan tipis semikonduktor dikenal berbagai metode penumbuhan antara lain: metode Chemical Vapour Deposition (CVD), metode Penguapan (Vacuum Deposition), metode Plasma Deposition, metode Molecular Beam Epitaxy (MBE), dan lain sebagainya. METODOLOGI PENELITIAN Metodologi ini menjelaskan prosedur penelitian yang dilakukan secara bertahap yang dimulai dari pemotongan substrat, pemolesan substrat, pembersihan/pengeringan substrat, pembuatan masker holder (tempat dudukan substrat), pembuatan masker pembentuk dioda, proses penguapan, dan diakhiri dengan karakterisasi dioda yang terbentuk, yaitu karakterisasi C – V. HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS Dari semua cuplikan yang dihasilkan, hanya dua cuplikan yang memenuhi sebagai sebuah dioda, yaitu cuplikan I dan cuplikan II yang terdiri dari 3 buah dioda dengan masing-masing diameter dioda 3 mm, 2 mm, dan 1 mm. Pada tabel 1 ditampilkan hasil cuplikan I dan cuplikan II, sedangkan hasil dari cuplikan lainnya ditampilkan pada lembar lampiran.
89
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 6 No. 2 April 2005
Tabel 1. Dioda hasil dari cuplikan I dan cuplikan II Tahap
Nama
I
I – DALING - 1 I – DALING - 2 I – DALING - 3 I – DALING - 4 II – DALING - 1 II – DALING - 2 II – DALING – 3 II – DALING - 4
II
Keterangan Tabel :
I.
Dopant
Pemb. dioda
In
A1
A1
A1
100 150 200 250 400 450 400 -
Lama Perlakuan (menit) 120 120 30 10 60 31 10 -
Ket ya x ya x x ya x x
ya = karakteristik dapat diukur x = karakteristik belum dapat diukur
Pengukuran Arus-Tegangan (I – V) Dioda Schottky Pengukuran arus-tegangan (I – V) Dioda Schottky pada temperatur kamar dilakukan untuk mencari arus saturasi pada bias balik (reserve saturation current, I0), harga ketinggian penghalang (barrier height, φBn), dan faktor keidealan dioda (Diode’s ideality factor, n). Data dari hasil pengukuran arus-tegangan untuk dioda I-DAILING-1 diameter 3 mm dapat dilihat pada Tabel 2, sedangkan data untuk dioda yang lain masing-masing diameter 3 mm, 2 mm, dan 1 mm dapat dilihat pada lembar lampiran. Dengan menggunakan hasil pengukuran pada Tabel 2, maka dapat dibuat kurva I-V. Dari kurva tersebut dapat ditentukan besar arus saturasi I0. I0 didapat dengan mengektrapolasi kurva antara In I dengan V pada V = 0 sehingga sesuai dengan rumus I = I0 pada V = 0. Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa kurva karakteristik I-V dioda Schottky hampir sesuai dengan teori pada karakteristik dioda Schottky. Bila dioda Schottky diberi bias maju, hampir tidak ada arus mengalir sampai tegangan 0,5 volt, lewat harga ini, arus naik dengan cepat. Untuk harga V yang kecil harga arus hampir nol, ini disebabkan perkalian n dan p dalam CdTe kecil sehingga kadar pembawa minoritas sangat kecil. Akibatnya aras-aras tak murnian di daerah logam belum terisi penuh. Arasaras ini berfungsi sebagai penangkap elektron. Jadi setelah elektron-elektron menyeberang dari daerah semikonduktor tipe – n ke logam, segera terjadi penangkapan dan tidak ada lagi elektron-elektron bebas untuk membawa arus. Aras-aras tersebut hanya menjadi terisi penuh bila jumlah elektron di pita konduksi daerah logam cukup banyak, dan ini akan terjadi pada harga V sekitar 0,6 volt. Baru pada harga tegangan ini ada persediaan elektron untuk hantaran.
90
Temperatur
Tabel 1. Data hasil pengukuran arus-tegangan (I-V) dengan diameter 3 mm V (volt) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 -0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0
I (mA) 75.30 35.30 15.20 5.80 3.20 2.20 1.80 0.60 0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Dari Tabel 1. dapat dilihat bahwa dioda Schottky yang dhasilkan belumlah dioda ideal, karena terlihat dari gambar besar arus baru sebesar 1,8 mA pada tegangan 2 volt, yang diperkirakan diakibatkan oleh besarnya hambatan seri dioda tersebut. Sehingga harga n juga jauh lebih besar dari harga ideal n-1. Selain hal itu yang menyebabkan harga n sangat besar, antara lain adalah adanya lapisan oksida dipermukaan sampel. Sebagai contoh untuk dioda I – DALING-1 dengan diameter 3 mm, harga n dapat diperoleh sebagai berikut:
Pembuatan Dioda dari Bahan Lapis Tipis CdTe yang Ditumbuhkan Melalui Metode Penguapan (Vacuum Deposition)
Dari Gambar 2 dapat dilihat persamaan garis kurva In I – V yaitu: In I = 1,466 V – 9,9594 jika V = 0 maka ln I = -9,9594, maka I = e-9,9594 jadi diperoleh harga I = I0 4,73 x 10-5 A. Perhitungan di atas adalah untuk dioda I=DALING-1 dengan diameter 3 mm sedangkan untuk dioda yang lain masing-masing diameter, harga I0 dapat dilihat pada Tabel 4.3. Sebagai perbandingan maka sebuah dioda yang ada di pasaran dengan tipe 1N4006 juga telah diukur di mana diperoleh harga arus saturasi I0 = 9,70 x 10-4 A. Dan secara jelas dapat dilihat pada lampiran 13, bahwa untuk dioda 1N4006 terlihat pada tegangan 2 volt besar arus adalah sebesar 2,36 ampere. Sedangkan pada dioda Schottly lapisan tipis CdTe ini pada tegangan 2 volt besar arus 1,80 mA. Sehingga dengan jelas dapat dilihat dari gambar kurva katrakteristiknya, di mana untuk dioda 1 N4006 arus naik dengan cepat mulai tegangan 1 volt sedangkan pada dioda Schottky lapisan tipis CdTe yang dibuat baru pada tegangan 5 volt arus naik dengan cepat. Tabel 3. Harga arus saturasi untuk masing-masing dioda
menurunkan harga resistansi yang besar di mana hal ini terutama disebabkan oleh adanya lapisan oksida pada lapisan dioda. Tabel 4 harga n untuk dioda yang diperoleh dari perhitungan Dioda
Diameter (mm)
N
I-DALING-1
3 2 1 3 2 1 3 2 1
22,855 28,71 29,01 30,18 25,26 34,60 39,42 34,36 16,68
I-DALING-3 II-DALING-2
Dari harga n yang diperoleh untuk semua dioda yang dihasilkan sangatlah jauh dari harga n yang ideal yaitu 1. Dioda yang dihasilkan hanya dapat digunakan untuk divais dengan daya tinggi (high power diode). Dari harga I0 dapat juga dihitung ketinggian penghalang (φBn). dapat dicari ketinggian penghalang (barrier height, φBn) yaitu:
Dioda
Diameter (mm)
I0 (A)
φBn = (kT/q) In {(A* T2)/I0}
I-DALING-1
3 2 1 3 2 1 3 2 1
4,73x10-5 2,88x10-5 1,33x10-5 5,29x10-5 4,47x10-6 8,32x10-7 1,60 x10-5 1,80x10-6 1,84x10-9
φBn = {(1,38 x 10-23) (300)/1,6 x 10-19} In {(1,2 x 106) (300)2/(4,73 x10-5)}
I-DALING-3 II-DALING-2
Untuk mencari harga faktor keidealan dioda (n) maka dipakai cara sebagai berikut. Untuk dioda IDALING-1 diameter 3 mm pada harga V = 5 volt diperoleh I = 75, 30 10-3 A Maka persamaan ditulis: In (I/I0) = (qV/nkT) -3
-5
-23
In (75,30x10 /4,73 x 10 ) = {n (1,38 x 10 ) (300 K)) } -19
φBn = 0,91 eV Perhitungan di atas adalah untuk dioda IDALING-1 diameter 3 mm sedangkan untuk dioda yang lain dapat dilihat pada Tabel 3.5. Dari pengukuran terhadap dioda 1N4006 Tabel 5 Nilai ketinggian penghalang yang diperoleh dari perhitungan Dioda
Diameter (mm)
φBn
I-DALING-1
3 2 1 3 2 1 3 2 1
0,91 0,92 0,94 0,91 0,96 1,01 0,94 1,00 1,17
-23
= { (8,01 x 10 )/(414 x 10 n)}
In 4706,25 (8,46) (n) (414 x
φBn = 0,0258 In 2,2832 x 1015 eV
10-
23)
= 8,01 x 10-19
I-DALING-3 -19
-23
n
= { (8,01 x 10 )/(3501,05 x 10 )}
n
= 22, 85
Untuk dioda 1N4006 diperoleh harga n yang sangat ideal yaitu 1,01. Sedangkan harga n untuk dioda yang lain dapat dilihat pada Tabel 4. Dari sini jelas bahwa dioda yang dibuat ini masih jauh dari kesempurnaan khususnya untuk
II-DALING-2
91
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 6 No. 2 April 2005
Pengukuran Kapasitansi-Tegangan (C – V) Dioda Schottky Pengukuran kapasitansi-tegangan dilakukan untuk mencari besarnya konsentrasi donor (donor concentration, ND), harga tegangan difusi (built-in voltage, Vbi), dan lebar daerah deplesi (region depletion width, W). Hasil pengukuran kapasitansi-tegangan untuk dioda I-DALING-1 dengan diameter 3 mm dapat dilihat pada Tabel 4.6, sedangkan data untuk dioda yang lain dapat dilihat pada lembar lampiran. Dengan menggunakan data dari Tabel 4.6 dapat dibuat kurva hubungan antara 1/C2 dengan V,
seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.3 untuk dioda I-DALING-1 diameter 3 mm. Dari kurva 1/C2 dengan V terlihat bahwa perpotongan antara kurva dengan sumbu tegangan (V) terlihat bahwa perpotongan antara kurva dengan sumbu tegangan (V) jika kurva diinterpolasikan, menunjukkan harga tegangan difusi (Vbi). Misalnya untuk dioda I-DALING-1 diameter 3 mm akan diperoleh harga tegangan difusi 0,89 volt dan untuk dioda yang lain dapat dilihat pada Tabel 6.
Tabel 6. Data hasil pengukuran Kapasitansi-Tegangan dioda Schottky V (Volt) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 - 4.5 -5.0
C (nF) 1.2893 1.3317 1.3909 1.4755 1.5962 1.7381 1.8731 1.9862 2.0758 2.1460 2.1976 2.2050 2.3421 2.4750 2.2050 2.1909 2.1422 2.0860 1.9236 1.7562 1.5223
V (volt) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
1/C2 x 1018 0.602 0.564 0.517 0.459 0.392 0.331 0.285 0.253 0.232 0.217 0.207
Sedangkan untuk dioda 1N4006 diperoleh harga tegangan difusi Vbi 0,75 volt. Tabel 7 Harga tegangan difusi untuk masingmasing dioda
Dioda
Diameter (mm)
Vbi (volt)
I-DALING-1
3 2 1 3 2 1 3 2 1
0,89 0,92 0,95 3,36 3,52 3,09 8,35 16,19 33,51
I-DALING-3 II-DALING-2
92
Secara teori bahwa untuk dioda yang baik (mempunyai tahanan seri yang rendah sehingga dapat diabaikan), tinggi penghalang seharusnya tidak akan berbeda lebih dari beberapa elektro volt dengan nilai tegangan difusi, kalaupun tidak persis sama, hal ini juga terbukti dari dioda 1N4006 di mana diperoleh harga tegangan difusi yang sebanding dengan tinggi penghalang. Sedangkan untuk dioda yang dihasilkan masih jauh dari kesempurnaan khususnya untuk dioda I-DALING-3 dan terutama sekali untuk dioda II-DALING-2 di mana diperoleh harga tahanan seri dari dioda tersebut. Hal lain yang menyebabkan kurva 1/C2 – V terjadi penyimpangan adalah konsentrasi doping yang belum merata pada
Pembuatan Dioda dari Bahan Lapis Tipis CdTe yang Ditumbuhkan Melalui Metode Penguapan (Vacuum Deposition)
semikonduktor dan adanya celah (ruang kosong) di dalam lapisan tipis tersebut. Selanjutnya lebar lapisan deplesi (W) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: W=
(2ε s / q N D )(Vbi )
Sedangkan untuk mencari harga konsentrasi donor (ND) dapat diperoleh dengan mengambil slope kurva 1/C2 dengan V, sbb : Slope = 2/(εs q ND A2) Untuk dioda 1 – DALING –1 dengan diameter 3 mm diperoleh harga slope (S) adalah 0,1045 x 1018 (1/F2.V), sehingga ND dapat dihitung. ND = 2/(εs q S A2) ND = 2/{(9,6) (8.85 x 10-14) (1.602 x 10-19) (0.1045 x 1018) (49,91x10-4) ND = 2,82 x 1016 cm-3 Dalam Tabel 3.8. terlihat harga ND untuk masingmasing dioda. Dan untuk dioda 1N4006 diperoleh harga konsentrasi pembawa adalah 6,59 x 1010 cm-3. Tabel 8. Harga dari ND untuk masing-masing dioda -3
Dioda
Diameter (mm)
ND(cm )
I-DALING-1
3 2 1 3 2 1 3 2 1
2,82 x 1016 1,14 x 1016 1,95 x 1016 4,91 x 1015 2,22 x 1015 3,18 x 1015 0,75 x 1015 0,16 x 1015 0,17 x 1015
I-DALING-3 II-DALING-2
Sehingga harga lebar deplesi (W) diperoleh:
W=
{(151,739 x 10 )/ (4,518 x 10 )} −14
−3
W = 33,588 x 10 −11 cm W = 0,18 μm Perhitungan di atas adalah untuk dioda I-DALING-1 dengan diameter 3 mm, sedangkan untuk dioda yang lain dan untuk masing-masing diameter dapat dilihat pada Tabel 3.9. Dioda 1N4006 diperoleh harga W sebesar 0,12 μm.
Tabel 9 Harga lebar lapisan deplesi untuk masing-masing dioda
Dioda
Diameter (mm)
W (μm)
I-DALING-1
3 2 1 3 2 1 3 2 1
0,18 0,25 0,21 0,85 1,30 1,02 3.42 3.19 4.50
I-DALING-3 II-DALING-2
Harga ketinggian penghalang (φBn) yang diperoleh dari pengukuran I-V dengan harga tegangan difusi yang diperoleh dari pengukuran C-V untuk dioda IDAILING-1 tidak jauh berbeda tetapi untuk dioda yang lain jauh berbeda. Hal ini disebabkan antara lain oleh adanya lapisan oksida pada permukaan sampel, adanya celah (ruang kosong) pada lapisan tipis dan juga doping yang tidak berdifusi secara merata pada semikonduktor CdTe yang diketahui dari harga resistansi yang besar. Timbulnya lapisan oksida ini kemungkinan besar muncul sewaktu alat sistem pelapisan lama sebelum lapisan berikutnya dilakukan, juga sewaktu proses perlakuan panas yang dilakukan pada ruang tekanan 1 atm yang memberikan peluang besar untuk timbulnya lapisan oksida pada permukaan sampel. KESIMPULAN Setelah penelitian tentang pembuatan dioda dari lapisan tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan metode Penguapan, maka hal-hal yang dapat diutarakan sebagai kesimpulan dari penelitian tersebut adalah sebagai berikut: 1. Harga n yang diperoleh dari pengukuran arustegangan (I-V) jauh dari harga n ideal, di mana harga ideal adalah 1 sedangkan dalam penelitian ini diperoleh n antara 16-40. Hal ini disebabkan oleh besarnya harga resistansi seri dioda tersebut. 2. Tingi penghalang (φBn) untuk dioda I-DALING – 1 diperoleh 0,91 eV tidak jauh berbeda dengan harga tegangan difusi (Vbi) yang besarnya 0,89 volt. Hal ini bersesuaian dengan harga yang diperoleh untuk dioda 1N4006 di mana φBn diperoleh 0,89 eV dan harga Vbi adalah 0,75 volt. Tetapi untuk dioda 1-DALING-3 dan IIDALING-2 diperoleh harga Vbi yang jauh lebih besar dari harga φBn. Di mana harga φBn untuk dioda 1-DALING-3 diperoleh 0,91 eV sedangkan harga Vbi sebesar 3,36 volt dan untuk dioda II-DALING –2 harga φBn diperoleh 0,94 eV sedangkan harga Vbi diperoleh 8,35 volt. Hal ini juga disebabkan oleh harga resistansi seri dioda tersebut yang terlalu besar, menyebabkan
93
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 6 No. 2 April 2005
3.
terjadinya penyimpangan pengukuran kapasitansi. Temperatur dan lamanya perlakuan panas sangat mempengaruhi untuk memperoleh dioda yang baik. Dioda yang baik maksudnya mempunyai tahanan seri yang rendah sehingga dapat diabaikan.
DAFTAR PUSTAKA
Kitel C. Introduction to Solid State Physics, fifth edition. New Delhi: Wiley Eastern Limited. Fonash, J. Stephen. 1981. Solar Cell Device Physics. Academic Press, Inc. Ginting, Masno. 1996. Laporan Pengembangan Lapisan Tipis CdTe untuk Bahan Solar Cell dan Sensor Infra Merah. Puslitbang Fisika Terapan. Reka Rio,S. dan Masamori, Iida. 1980. Fisika dan Teknologi Semikonduktor. Jakarta: Pradnya Paramita. Rhoderich, E.H. 1980. Metal-Semiconductor Contacs. Oxford : Claredon Press. Cyril Hilsum. 1972. Handbook on Semiconductors, Device Physics Volume 4. Oxford. Richard Dalven. Introduction to Applied Solid State Physics. New York and London: Plenium Press.
Physics Journal of the Indonesian Physical Society, Vol. I, Nuber I, 1996. Morosanu, C.E. 1990. Thin Films by Chemical Vapour Deposition. Vol. 7 Elsevier.
94
