Templat tesis dan disertasi

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.