1
PENDAHULUAN
TINJAUAN PUSTAKA
Latar Belakang Peningkatan produksi film tipis dipengaruhi dua kejadian. Pertama-tama, penemuan HTSC (super konduktor panas tinggi) yang menunjukkan kerapatan arus yang lebih besar jika dideposisikan sebagai film tipis. Kedua, pengetahuan memori semikonduktor-ferroelectric yang dipakai untuk meningkatkan teknologi semikonduktor silikon. Dua ide ini mendorong ke arah satu usaha riset dan pengembangan di seluruh dunia dalam rangka mengintegrasikan film tipis electroceramic dengan chip. Film tipis ferroelectric menghadirkan pembaharuan untuk aplikasi elektronik sejak 1989. dan menghasilkan ferroelectric non-volatile misalnya. FeRAMs [random access memory feroelektrik]) dan hal ini diikuti oleh pengembangan film tipis ferroelectric di tahap paraelectric, untuk dipakai sebagai dielectric permitivitas tinggi untuk DRAM (random access memory dinamis).[5] Film tipis BST merupakan material dielektrik dan telah dipakai untuk beberapa aplikasi seperti kapasitor dan dynamic random access memory (DRAM) karena konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas penyimpanan muatan.[4] Perilaku ferroelectric BST terjadi karena material tersebut dipengaruhi suhu serta perbandingan barium dan stronsium. sifat listrik bahan BST berhubungan pada fitur mikrostruktural, suhu pemanggangan, dan proses pembuatan BST. . Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Melakukan penumbuhan film tipis dengan perubahan molaritas BST (0,75 M, 1.25 M, 1.75 M) murni diatas substrat Si tipe-p dengan metode chemical solution deposition (CSD). 2. Menguji konduktivitas listrik film tipis dengan LCR meter. 3. Menghitung konstanta dielektrik 4. Menetukan sifat kelistrikan suatu film tipis BST dengan menggunakan I-V meter. 5. Menguji reflektansi film tipis yang tumbuh pada silikon tipe-p
Semikonduktor Semikonduktor mempunyai hambat jenis antara 10-3 Ω∙cm – 108 Ω∙cm, konduktivitas sebuah semikonduktor bertambah jika ada kenaikan suhu dan adanya irradiasi atau tumbukan cahaya. Konduktor mempunyai pita valensi dan pita konduksi yang saling tumpang tindih. Sehingga energi elektron untuk meloncat dari pita valensi ke pita konduksi sangat kecil atau hampir tidak membutuhkan energi. Seluruh elektron valensi dapat bebas berpindah ke bagian konduksi sehingga konduktivitas konduktor kecil. Isolator mempunyai band gap sekitar 6 eV yang memisahkan pita valensi dengan pita konduksi. Jika elektron tidak mempunyai energi sebesar 6 eV maka elektron tidak bisa bereksitasi ke pita konduksi. Band gap pada semikonduktor umunya 3 eV pada suhu kamar, pada BST band gap sekitar 3 eV. Pada suhu suhu 0 K, pita valensi penuh dengan elektron sedangkan pita konduksi tidak ada elektron, maka semikonduktor menjadi sebuah isolator. Jika suhu naik maka elektron mempunyai energi termal. Pada suhu ruang, elektron valensi mempunyai energi tambahan. Ini menunjukan bahwa semikonduktor mempunyai koefisien suhu negatif. Jika sebuah elektron menghilang pada pita kovalen maka dalam pita kovalen posisi dari elektron digantikan oleh hole, hole bermuatan positif. Pembentukan elektron-hole sebanding dengan transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi.
Gambar 1.
Level energi : (a). Konduktor (b). Semikonduktor (c). Isolator
2
Kapasitor dielektrik bisa menyimpan banyak muatan listrik karena polarisasi dielektrik P seperti gambar 4. jumlahnya tergantung muatan listrik yang tersimpan per unit area yang disebut electric displecement D, dan berelasi dengan medan listrik E. D = ε0E + P = ε0 ε E
Gambar 2.
Nilai konduktivitas material semikonduktor.
Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang murni, sifat kristal hanya ditentukan oleh atom material semikonduktor itu sendiri. Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor di doping dengan sebagian kecil atom lain, Ferroelectric Material ferroelectric adalah device material yang bisa mengeluarkan output berupa arus listrik jika diberi input berupa tekanan, panas dan cahaya. Material ferroelectric digunakan sebagai dielektrik permitivitas tinggi, sensor pyroelectric (panas), sensor piezoelectric (tekanan), device electrooptic, PTC (konstanta temperature positif), kadang kadang dikomersialkan sebagai sensor cahaya, aplikasi memory, dan display optik. Material dielektrik berisikan atomatom yang mampu berionisasi. Dalam kristal ionik, saat medan listik muncul, kation bergerak menuju katoda dan anion bergerak menuju anoda maka terjadi interaksi elektrostatik. Awan-awan elektron terbentuk karena dipole-dipole listrik. Fenomena ini dikenal sebagai polarisasi listrik dielektrik, polarisasi sebanding dengan jumlah dipoledipole listrik per unit volume [C/m2]. Polarisasi material tergantung frekuensi medan yang timbul. Material ferroelectric dengan dipole permanen tidak bisa dipakai pada material-material dielektrik gelombang mikro. Permitivitas dari ferroeletric bertipikal tinggi pada frekuensi rendah (dalam orde KHz), tetapi menurun signifikan dengan kenaikan frekuensi medan listrik yang timbul.
Bergantung pada struktur kristal, muatan positif dan negatif tersebar acak ketika tidak ada muatan listrik eksternal. polarisasi spontan adalah ketika ada medan listrik eksternal maka muatan-muatan tersebut terpolarisasi. Material ferroelectric, jika diberi tegangan atau panas maka material tersebut mengalami regangan. Material ferroelectric menimbulkan arus listrik karena deformasi. Fenomena ini disebut medan listrik disebabkan regangan. Jika sebuah medan listrik eksternal muncul pada kristal. Kristal mengalami perubahan dimensi. Maka kerapatan berkurang dan refraktif indeks bertambah. Fenomena ini disebut efek electrooptic.
Gambar 3.
Efek yang terjadi pada material ferroelectric.
Gambar 4.
Akumulasi muatan pada kapasitor [1].
3
listrik naik pada arah yang berlawanan, polarisasi menjadi jenuh. Medan listrik menghilang maka polarisasi menjadi -Pr. Ketika, Medan listrik timbul kembali dengan arah seperti semula dan pada sebuah nilai medan lsitrik tertentu, medan koersif (Ec) jumlah polarisasi menjadi 0.
Gambar 5.
Temperatur berpengaruh terhadap polarisasi spontan dan permitivitas dalam sebuah material ferroelectric BaTiO3[1].
Gambar 6.
Kurva histerisis polarisasi terhadap medan listrik dalam ferroelectric PbTiO3[2].
Fase ferroelectric memunculkan histerisis karena transisi polarisasi spontan antara positif dan negatif. Material-material ferroelectric memberikan respon polarisasi non-linear terhadap medan listrik yang timbul. Kurva histerisis film ferroelectric dengan domains medan listrik. polarisasi menjadi linier dengan medan yang timbul. Maka kenaikan medan listrik, polarisasi mengalami kenaikan lebih cepat. Ketika semua berorientasi pada arah yang sama polarisasi menjadi jenuh. maka kenaikan medan listrik tidak akan membuat perbedaan pada nilai polarisasi maksimum. Ps, ketika sebuah medan E menghilang polarisasi menurun menuju ke arah nilai tertentu, Pr yaitu polarisasi sisa; jumlah polarisasi saat medan listrik 0. Ketika timbul medan listrik yang berlawanan arah dan pada sebuah nilai medan lsitrik tertentu, medan koersif (-Ec) jumlah polarisasi menjadi 0. Ketika medan
Barium stronsium titanat ((BaxSr1-xTiO3)) BaTiO3 mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi. Penambahan Sr pada BaTiO3 menyebabkan temperatur curie menurun dari 130 ˚C menjadi suhu ruang. BST mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi, loss dielectric, tegangan breakdown dielektrik tinggi dan komposisinya tergantung pada temperatur curie. Penelitian pada BST tidak berpusat pada konsentrasi film tipis dan polycrystalline. Namun, juga diteliti komposisi, stokiometri, mikrostruktur, ketebalan, karakteristik material elektroda dan homogenitas. Teknik penumbuhan BST berpengaruh terhadap komposisi, stokiometri, kristalinitas, dan ukuran serbuk sehingga mempengaruhi dielectric properties. Metode yang dipakai untuk penumbuhan BST seperti rfsputtering, laser ablation, metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), metalorganic deposition (MOD), dan sol-gel processing. Metode-metode diatas ada kekurangan dan kelebihan yang dimiliki masing-masing.
4
Tabel 1. Kentungan dan keterbatasan masing-masing metode penumbuhan BST Metode Keuntungan Keterbatasan · Inexpensive, low capital investment Chemical · Rapid · Phase control Solution sampling of · Morphology Deposition materials · Reproducibility · Homogeneity · Low processing temperatures · Morphology · Point defect · Rapid concentration Pulsed sampling of · Scalability Laser materials (small areas Deposition · Quickly only) produce new · Uniformity materials · High residual stress
Sputtering
MOCVD
· Cost · Uniformity · Scalability · Standard IC processing · Low growth temperatures · Uniformity · Morphology · Small · Scalability
· Point defect concentration · Residual stresses · Stoichiometry control · Slow deposition rate for oxides · Immature technology · Precursor stability · Precursor availability · Expensive
Jika BST dibawah temperature curie, pada suhu ruang untuk komposisi mol % Sr 0,25, struktur cubic perovskite, dan selain mol % Sr 0,25 struktur tetragonal perovskite.
Gambar 7.
Perubahan parameter kisi terhadap daerah stabil ferroelectric dan paraelectric BST dengan komposisi Sr.
Gambar 8.
Konstanta dielektrik terhadap temperatur pada Ba0,7Sr0,3TiO3
Ketidakhadiran kondisi ferroelectric disebabkan : 1. Ukuran serbuk dibawah ukuran kritis serbuk (120 nm). 2. Heterogen. 3. Tertragonality (c/a) BST menurun dengan kenaikan komposisi Sr dan nilai (c/a) kecil tidak cukup untuk membuat pemisahan muatan dan polarisasi spontan Berikut Persamaan reaksi BST yang digunakan pada penelitian ini : 0.25Ba(CH3COO)2 + 0.75Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2 Ba0.25Sr0.75TiO3 + 16CO2 + 17H2O Metode chemical solution deposition Metode chemical solution deposition mempunyai keuntungan yaitu kontrol, homogen, dan murah. Prinsip dasar CSD adalah pembuatan larutan dan coating larutan pada substrat. Precursor yang dipakai untuk membuat larutan solid adalah alkoxides dengan komposisi umumnya
5
M(O-R)n dimana R alkyl radical (CH3, C2H5, dll). properties dan efek reaksi menentukan ciri khas material. Precursors yang dipakai harus memenuhi kriteria : precursors metal tinggi. Kelarutan tinggi. Precursors sesuai untuk reaksi kimia. Murah dan efektif untuk produksi. Decompose termal tanpa penguapan, mencair atau kehilangan deposit karbon. Kriteria zat pelarut : Pelarut harus mempunyai kecepatan menguap tinggi. Pelarut harus mempunyai konsentrasi yang dibutuhkan, viskositas dan tegangan permukaan yang sesuai. Homogen pada larutan sangat penting agar atom-atom dalam susunan lebih berdekatan sehingga menghasilkan fase crystalline. Spin coating mempunyai empat tahapan, yaitu : deposition, spin-up, spinoff, dan evaporation. Pada tahap deposition larutan ditumbuhkan pada substrat. Pada tahap spinup substrat diberi percepatan rotasi sehingga sehingga larutan dapat menyebar secara merata pada substrat. Pada tahap spin-off larutan menyebar merata pada substrat, larutan berangsur-angsur menjadi menipis. Gaya viskositas mempengaruhi kelakuan penipisan. Pada tahap evaporation larutan menjadi film tipis karena evaporation. Keuntungan spin coating adalah sebuah larutan cenderung mempunyai ketebalan seragam selama spin-off. Kecenderungan ini disebabkan keseimbangan antara sentrifugal dan gaya viskositas.
Gambar 9.
Empat tahapan pada spin coating
Fotodioda Fotodioda beroperasi jika menyerap foton atau partikel bermuatan. Fotodioda bisa dipakai untuk mendeteksi ada atau tidaknya cahaya dan bisa dikalibrasi untuk pengukuran yang akurat dari intensitas dibawah 1 pW/cm2 sampai intensitas diatas 100 mW/cm2. Fotodioda digunakan pada spectroscopy, photography, instrumentasi analisis, sensor posisi optik, arah sinar, karakterisasi permukaan, penentu intensitas laser, komunikasi optik, dan instrumen imaging medis. Fotodioda adalah semikonduktor p-n junction beroperasi pada daerah reversebias berdasarkan fenomena efek fotovoltaic. Dalam kondisi ini, hole dan elektron menjauhi daerah junction sehingga menyebabkan pelebaran daerah deplesi. Ketika reverse-bias mulai naik, pembawa muatan mayoritas menjadi tidak bisa melewati potensial junction dan arus pembawa mayoritas berkurang. Karena jumlah arus dari daerah tipe-n ke tipe p meningkat. Kenaikan arus dengan kenaikan tegangan reverse bias berlanjut pada sampai titik dimana pembawa muatan mayoritas melewati junction. Arus konstan melewati junction adalah sama dengan arus pembawa muatan minoritas dan dikenal arus saturasi reverse. Karena dalam reverse-bias. dioda mempunyai hambatan tinggi untuk arus. Sebuah tegeangan kritis dikenal sebagai tegangan breakdown, dimana arus naik meningkat secara tajam. Dua parameter yang digunakan untuk menggambarkan sensitivitas photovoltaic yaitu: efisiensi kuantum η, jumlah pembawa muatan pada junction dan hambatan pada tegangan voltage zero-bias. (
Gambar 10.
)
Karakteristik reverse bias
I-V
pada
6
Maka arus total yang mengalir pada fotodioda adalah It = - IP + Id photocurrent berlawanan arah dengan arus forward-bias. Photocurrent didefinisikan sebagai: Dimana : Ip : arus photocurrent e : muatan elektron η : efisiensi kuantum Q : jumlah foton per detik Fotokonduktif Sebuah semikonduktor mempunyai kemampuan untuk menjadi sebuah konduktor jika diberi panas, listrik, cahaya, dan lain-lain. Elektron yang berada pada sebuah semikonduktor akan mempunyai energi untuk loncat ke pita konduksi jika diberi energi. Sebuah plat fotokonduktif dengan panjang l, lebar w, dan ketebalan d, seperti gambar di bawah ini. Dengan R hambatan device.
Ketika sebuah cahaya hadir pada suhu ruang di fotokonduktor maka hambatan pada fotokonduktor berubah. Elektron yang sebelumnya tidak mempunyai energi menjadi mempunyai energi karena mendapatkan energi dari foton yang menumbuk fotokonduktor. Karena adanya penambahan jumlah elektron dan hole maka akan mempengaruhi konduktivitas bahan, perubahan konduktivitas berbanding terbalik dengan perubahan hambatan. Perubahan hambatan fotokonduktor berbanding terbalik dengan daya cahaya yang hadir. Konstanta dielektrik Gambar 13. memperlihatkan sebuah rangkaian untuk mengisi kapasitor, yang kita asumsikan mula-mula tak bermuatan. Saklar tebuka awalnya, pada saat t = 0 muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor (gambar 13). Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff memberikan (1) Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat.
σ w d l σd σb σs e n0 p0 µn µp nb η τn τp Js
= konduktivitas bahan = lebar plat fotokonduktivitas = tebal plat fotokonduktivitas = panjang plat fotokonduktivitas = konduktivitas gelap = konduktivitas termal = konduktivitas terang = muatan elektron 1,6∙10-19 C = kerapatan elektron = kerapatan hole = mobilitas elektron = mobilitas hole = kerapatan pasangan elektron-hole = efisiensi kuantum = half-time elektron = half-time hole = jumlah foton per unit area dan unit waktu
Gambar 11. Plat fotokonduktif
Subtitusikan +dQ/dt untuk I dalam persamaan (1) memberikan (2) Pada saat t = 0 muatan pada kapasitor nol dan arusnya I0 = ε/R. muatan lalu bertambah dan arus berkurang. Muatan mencapai nilai maksimum Qf = Cε ketika I sama dengan nol. Kalikan setiap suku dengan C pada persamaan (2).
∫
∫
(3) Dengan A adalah konstanta sembarang. Dengan mengeksponensialkan tiap sisi persamaan (3) (4) Dimana B adalah konstanta. Nilai B ditentukan oleh kondisi awal Q = 0 pada t = 0.
