PEMBUATAN DAN I{ARAIilERISASI IIIPISAN TIPIS CdS CARA

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI .....
PEMBUATAN DAN I{ARAIilERISASI IIIPISAN
TIPIS CdS CARA EVAPORASITERMAL
oleh :9r. Eutrisnd k gr. grla;niDjohan.,Vl.t'
Abstroct
Cd,Sthln Lager has been msde on gLasssubstrate ond its chsracterLstlcs
hque been determlned, L.e.the thlcknass of CdSLager using IJU-ULs frlg?spectrophotometel (Wsrlqn ,Iechtron Carg 24I J) agulppad with dato.
processing station DJ I 5 (accuracg t%) snd softw.re or multiscs.n sgstem
and ret'LectancecolcuLstlon. Qeslstluitg of the thin Lager wo,snwasured
using four-contact method Ln order to obtoln the best contact betw,en the
thtn Lager and teh gsuge. rha thtn Lager shouLd be coated with alumtnium
foLL.ffrom four CdSthin Lagersst I 2 nm, 14 nm, 8 nm, s,nd I I nm from the
electrode with 97.4z nm, 96.I4 nm, 9\.64 nm, 96.7J nm thlckness,
respectiuelg, quontLtattvelg, coeobtalned reslstlvlties (p) ol O.SOOCl cm,
O.418e) cm, o.l88Q cm. O.i99e) cm.lResisttvitg(p) is at'unctionot'
electrode length, Lager thickness, and thln Lagar Cd.,Sreststo.nce.
QualitatLvelg, Looklng at the absorption spectrum, tha CdEthin
Iagers absorbed the electromagnetLcwuelangth from 6U) nm to 7JO nm
with the msximum absorptlon of approximatelg 8r%. crhesefabrtcated cd6
thLn lagers couLd not assure uniform charaterlstics.
'Tagwords: CdE thtn Lager, thermaL euaporatlon.
Pendahuluan
Salah satu perkembangan teknologi semikonduktor akhir-akhir ini adalah
teknologi semikonduktor dalam bentuk thin film (ukuran nanometersampai
denganmikrometer).Dalam perjalananny4unhrkmembuatlapisantipis ini dapat
dilakukan dengam berbagai cara.Yang pertamaadalah teknik penyemprotan
secara kimia. Prinsipnyaadalahdengancaramenyemprotkanlarutankimia pada
*
DosenJurusanPendidikanFisikaFPN,IIPAIKIP Malang
*t
DosenJurusanTeknik ElektroFakultasTeknik UKRIDA Jakana
38
Meditek
P E M I ] U A T A N D A N I ( A R A K T ' E I t I S A S I. . . . .
suatusubstrat.misah-rya
kaca.Prosesini temrasukurik, karenasemuaunsir yang
diperlukan telah terkandung dalarn larutan. Teknik kedua adalah pelapisan
menggunakanruang vakum. Teknik ini dibagi nienjadi tiga, yaitu a) teknik
evaporasitermal.b) teknikr'puttering,dan c) teknikelektlongrzn;tergantungdari
bahan-balmryuurgakandigr-makan
sebagaitarget(M. Oluing,l992).
Sebagaicontoh penggunatmlapisantipis senrikonduktor
ini adalahCadrnium
Sulphide(CldS) dan Cadrnir-ur-r
(CdSe).
Selenide
Keduanya digunakan sebagai
sensorradiasitar-npali.
Contohr-rya
sebagaimetercahal,apadakamera.
Unnrk mengetahuilebih jauh mengenaisensor lapisantipis CdS yang peka
terhadapdaerah radiasi tampak, serta penganrhketebalanlapisar-r, jarak antar
elektrodaterhadapbesamyahambatanjenis maupunbesamyaresistansiini, maka
dilaktrkan penelitian denganiudul "Pembu,atan
dan KarakterisasiLapisanTipis
CdS Cara Evaporasi Termal". Diharapkan dari hasil penelitian ini akan
diperolehsuatugambarankarakteristikdetektorcahayatzunpakdari lapisanCdS.
Di mana nantinyadenganmengetahuikarakteristiktersebutakan lebih diperluas
penggunaam-rya
padadetektorradiasitarnpak.
Detektor Fotokonduktif
Elektron dapatdinaikkandari pita valensike pita konduksi/ hantar dalam
suatubal-ransemikonduktoryang mempunyai energigapEg, melaluipenyerapan
fotonberfrekuensiyangdiberikanoleh :
hv>E,
ataudalarnungkapanpanjanggelornbang
r.H
. ..(I)
Panjanggelombanggup-pita(1"*) sebagarpanjanggelombangterbesaryang
bisadicapaidalamtriuismisiini didefinisikansebagai:
.
r",,=
{lte)
t..
,i.
. . . . . . . . . . . . . . . . .I. . (J
Selamaelektrono,up'iinggut dalam pita konduksi ia akan menyebabkan
kenaikan konduktivitas bahzur semikonduktor. Fenomena ini dinamakan
fotokonduktivitas yang menjadi dasar operasi detektor fotokonduktivitas
(J.Wilson.1983).
Untuk mengetahui)"r, pada bahansemil<onduktor
itu dilakukaniradiasimulai
dari panjanggclombangvangrendahsampaipanjanggelombangyangtinggi.Pada
Meditek
39
PT]NlBUATAN
D A N K A R A K T E R I S A S I. . . . .
panjanggelombangyang nlenlenuhisyarat sepertipersamaim2, akan diserap
untuk menaikkanelektrondari pita valensike pita konduksi.Berdasarkanhukum
(t), serlaabsorbsi(a) darigelombang
kekekalanenergipadarefleksi(r), hansrnitan-si
= 100%. Maka bahan
elektomagnetikdi suatubahanyairu r (%) + t ("/r) + a(o/o)
semikonduktoritu peka terhadapgelombangelektromagnetdengan panjang
gelombang)"r. Dalampenelitianini akandicari2"ndarilapisantipis CdS,
Konduktivitaspada Semikonduktor
Untr"k mudahnya bahan semikonduktorberbenhrkslub lebarW.panjangL
dantebalD denganelektrodapadakeduasisi1'angberlar.vzu.urn
ditampalikanpada
Gambarl.
CanrbarI . Geornetri
baqanfotokonduktif
Bila radiasi yang ,ianrh ke slub secara nonnal adalahmonokromatis dan
beriradian I,, . Iradiasi yang ditransmisikan ditentukan oleh koefisien serapanc{.
lewat stnfu persarnaan :
. ()
I : l n e x p ( - c r D ) . . . . . . . . . . . . . .3
Untuk palljang gelornbangdi atas panjarg gelombang gap-pita()", ) koefisien
serapan relatif kecil. Sebaliknyatu-rtuk paniang gelornbangdi bawah l*, cr akan
meningliat secara cepat dan clapatmencapai hargadalzundaerah 10" m-r aLau
lebih besar lagi.
Harga dalarn orde 10" m-' mengeurdungarli bahw'a pasanganelectron-hole
walauptur
akan tumbuh dalam beberapa mikron pada pennukaanscrt-rikondril<tor.
40
Meditek
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI .....
padapanjang gelombangdi dckat tepi pita bisa dikatakanlebih besar.Unftrk
menyederhanakanhal ini diasumsikanbahwa tebal slab cukup besar untuk
menjaminbahwasemuaradiasiyzngjatLrhpadaslahdiserap( hal ini teqiadibila D
jurnlah pasangan
>> o-r ). Sehingga
eleclron-hole
trltalyangtumbuhpadaslab per
rtjf
tl,'W[dari prosesserapan.Laju
di manarl adalahefrsiensikuzurturn
detik adalah
persatuan
volume
r*
didefinisikansebagai:
pertumbuhanrata-ratadari pembawa
r' 8- , --
'lluwlhyWl-l)
""""""""""'\
14\
"/
suatu
Laju rekombinasidari pembawabcrlebih r* terganturgpadakerapatan
populasipembawaberlebih An. Ap (di mana untrrkmuatannetralAn: Ap) dan
:
waktuhiduppembawaminoritasc mentrrutpersalttaun
", g -
_
\n _
r.
\p
Tr ......'."'
/i\
""""'\-/
dengrurlaju pertrunbuhan
Padakeadaansetimbanglaju rekombinasiharussiu-ua
sehingga
. . . . . . . . .(.6 )
A n : A P : r g. r .
dapatdltlllis bzrhwakonduktivitasbahansemikonduktorosebagai:
O = n e f r e+ p e p h
Ao
sehinggadi bawah iluminasi gelap konduktivitasakan meningkatsebesar
yangdiberikanoleh :
Ao=Anep.+Apepn
: r g r c e( p . + p n )
......(7)
PemberianteganganV melintasi elektroda-elektroda(Gambar 1.) akarl
:
menghasilkallamsfoto imbasAi sebesar
Ai = fnov
( 7 ) diperoleh:
persa.lnaan
Dengann-renggunakan
A i = f r * t " e ( p . + p r r ) V. . . . . . . .......... ( 8 )
padabeberapa
Jadi arus foto imbas Ai suatubahansemikonduktortergantr.urg
faktor yaitu: rnobilitaspembawaarusdanjumlah pembawaaruspersatuanvolume
dengankatalain tebal,paniangmaLlplllllebardaribahansemikonduklor.
Meditek
41
PEMBUATANDAN KARAKTERISASI
.....
Hambatan Jenis (Resistivitas)
Potensialekstemal yang diberikanpadaelektrodebiasanyadisediakanoleh
rangkaianyang sederhana seperti diturjukkan dalam Gambar 2. Perubahan
konduktivitas suatu detektor akan menghasilkan kenaikan aliran arus yang
mengitarisirkuit yang selanjutnyaakan menaikkan potensiallintas sepanjang
tahananRL . Hal ini bisa dideteksimenggmakansebuahvoltmeterberimpedansi
tinggi.
t---I
I
_l
l_
IF
,__
P l l c T 0 c u i i D u| o
afi
L
BlAs
I
V0LTAGEI
I
OUTPU-I
r.,/-i| TtrarE
v \/r t. \r rl
Gambar2. Rangkaianbiasfotokonduktif
Berdasarkanhukum Ohm V : I & dapat diperoleh resistansi(R) dari
fotokonduktifdengar-r
mengukurarusyang lewat \ serlamengukurpotensialdi
antarafotokonduktifpadasaatfbtokonduktifdil<enai
cahaya.
jenis p dari lapisantipis CdS sepertiyang
Untuk mendapatkanhambat.en
ditampakkanpadaGambar 1, dapatdiperolehhubunganantararesistansiR dan
jenis p adalah:
hambatan
p : Y R'..'.................................(e)
Jadihambatanjenis tergzurtung
dari resistansiR, lebarW dan tebalD lapisan
jarak
tipis serta
elektrodaL. Parameter-parameter
L, D, W, sertaR dilakukan
pengukuranmaka akan diperolehhambatanjenis p. Didefinisikanpula bahwa
jenis p : j. Di manao adalahkonduktivitasbahansemikonduktor
hambatan
(l-.V.
tuaroll,1978).
A1
Meditek
PEI\{BUATANDAN KAIIAKTEIUSASI .....
ProsedurPelapisanTipis CdS
lapisantipis CdS ini dibr-ratdari bahiut dengankcmurrian
Penrbuaran
o/o
99.99 kristal CdS dengancaraevaporasitl'remtal, dalambejanavakum pada
Leybold Materials
tekanan10" n"rbar.Bahar CdS diperoleh dari pcrLsahazut
(r
dalam
n-rillimeter.
3
mtara
.lennan. L[lLl'an grain atau butirar adalah
pelapisanini, bahan CdS dievaporasidi atassubstratpreparatkacamikroskop.
Preparatkacaterlebihdahuludibersihkandenganproseduryarrg sudahbaku dan
benar. Sehubungandengankeperluankarakterisasiantaraansversustegangan,
maka terlebih dahulu dibuatkan suatu lapisarrpengkor,takandari bahan
altuninium ke atas kaca. Proses ini dilaktrlianclengancaraevaporasithermal.
bahanCdSke atas(kaca plus Aluminiurn)
Langkahberikutnyaadalaher,'aporasi
ke atas (kaca plus Aluminium
Aluminiurn
Selanjutnyadilakukanlagi evaporasi
AlLuliniun juga diperoleh dari Leybold
plus CclS).lvlaterial turtLrkpelapisaur
Ir4aterialJcnlat. Untr.rlilebih jelesnya susunanpelapisaritu ditanrpakkanpada
Gunbar3.
.:.
: ;/..:.'.'
4a:::..::.f
2;/: ,.,/ .:/:'.
p e l a p i s akna c a ,C d S ,d a nA l t r m i n i u m( A l )
G a r n b a3
r . Susunan
Alat evaporasiyang dipakai dalam eksperimenini adalah TNIVEX 450
:
alattnencakr"tp
Jennrul.Kesehuuhan
keluaranLe1'boldl-lerar-s
- universalv(Icumco(lter
- pomparotary Trit'ctcD65B
- pompaturbo.ftr'bt.rvac1000denganlaju 1000literidetik
- pengukurtekaial'ICombivucIT 230
Meditek
43
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI .....
- cvaporasisourceAS-052arusmaksimun200Arnperepadategangan
5 Volt
Pengukuran Ketebalan Lapisan
Ketebalan lapisan diukur dengan INFICON model XTC yang bekerja
berdasarkan piezoelektrikatau menggunakanW-VIS-NIR spektrofotometer
buatanVarianTechh'onCary2415denganpengolahdatastationDS 15eccut'acy
calculation.
systemdanreflentance
1o/oserlaperangkatlunak nttilti,scan
Sampel dimasukkandalam ruang kemudian disinari dengangelombang
cahayamulai dari panjang gelombang800 nm sampai200 nm. Selanjutnya
pantulandari lapisan itu ditangkap oleh detektor.Sehinggadiperolehdata
spekuum arftan reflektansi(r) danpanjanggelombang(7,).
Dengan menganalisis speknum reflektansi yang terjadi pada intensitas
maksimum:
2dn : l.* (N+ I ).......................(i)
intcnsitas
minimtun:
di mma N orde0,1.2,3,....atau
:
2 d n l " - * N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i.i.). . . . . . . . . . (
n adalahindeksbiasdarilapisantipis.
di manaN orde0, l,2,3....serta
N maka akan diperolehtebal d
Dari persamaani dan ii sertarnengeliminasi
adalah:
(lnArn\-
ztl^mn,
-]
600rnr
___l
Gambar4. Spektrumreflektansidari pengukuranketebalanlapisantipis CdS
Keterangan:
n o , 1 .R e f l e k t a n smi a k s i m u mk e l .
n o . 2 .R e f l e k t a n smi i n i m u mk e 1 .
n o . 3 .R e f l e k t a n smi a k s i m u mk e 2 .
44
Meditek
P E M B U A T A N D A N K A R A K T E R I S A S I. . . . .
PengukuranResistansiLapisanTipis
Resistansilapisantipis diukur dengiurmetodeempat kontak,agardidapatkan
kontakyangbaik antaralapisantipis dan alatuhtu'.lapisar-r
tipis hals dilapisi
dengen lapisiul alurninitun.seircrlipadaGambar3 cliur pengukuranresistansi
sepcrlipadaGan-rbar,5.
iI
II
G a r . n b a- r5 .P e n g u k u r arne s i s t a n sl ai p i s a nt i p i sC t l Sd e n g a nm e t o d e4 k o n t a k
Padakonurlike-l clm ke-4dialiriarus.kenrudiarrpada kontakke-3dapke- 4
diukur tega:-rgzurnya.
Sel:ur.jutny,a
aliandipcrolehgralik hubturganantaraarus da1
tegangan. Deu'i grafik ur dipcrolchpersama;m
hr.rtrr-urgiur
eultal'a
tegangalda1
kuat arus. Berdasarkan
hukun Ohn I = (f I V yangmerupakan
persamaan
linear,
makaresistansi
dari lapisurCdSdapatdipcrolch.
Hasil Karakterisasidan Diskusi
Tebal lapisantipisCdS.hasilnyadiperoleh
pada'fabell.
Meditek
45
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI .....
T a b e l l . T e b a ll a p i s a nt i p i s C d S
Nomor
S a r n p enl o r n o r T e b a ll a p i s a nD ( n m )
C d s .n o . l 4
9 1 , 4 2+ l o h
)
C d S .n o . l 6
96,34+ tvo
J
C d s .t l 0 . t 8
9 5 , 6 4+ l o
4
C d s .n o . l 9
96,73+ tyo
Berdasarkandatatersebutterlihat bahwa ketebalannyadari empatsampelitu
didapatkanketebalanyang berbeda-bedasekalipun dalampembuatannyasetiap
melakukan pelapisankeempatsampeldiputarsehinggasetiapsubtratgelasitu
terlapisimeratadandalamrvaktuyang sama.Hal ini menmjukanbahwapabrikasi
lapisantipis CdStidakmenjan-rin
karakterisasi
setiapsarrrpel
sama.
Pengukrran resistansidapat diperoleh dari grafik hubunganantarategangan
elektrodalapisantipis dan arusyang mengalirpadalapisanitu, adapun hasilnya
dapatdilihatpadaTabel2.
T a b e l2 . R e s i s t a n sl ai p i s a nt i p i sC d S .
Nomor
Sampel
Jarakelektrode Teballapisanf)
(mm)
(nm)
Resistansi(R)
(K Ohm)
C d S .n o l - l
t2
91.42
41.0
2
C d S .n o l 6
l4
96.34
35.4
3
C d S .n o I 8
8
95,64
r8 , 0
4
C d S .n o . l 9
lt
L)6,13
)l A
lapisan
PadaTabel2 di atassru.npel
CdS.no.16danCdSno.19untukketebalan
yang hampir sama.akan tetapijarak eleknodaberbedadiperolehresistansiyang
berbedapula. Di sini terlihatbahwaunnk ketebalanlapisanyang sam4 semakin
besarjarak elektrodasemaliinbesarhargaresistansinya.
Berdasarkantabel 1 dan tabel 2 dapal dihitung pula resistivitasQrambatan
jenis) p dari ke empat sarnpeltersebut.denganmengetahui
ketebalanlapisanD,
panjangeleknodaL, scftalebarW: 18mm unflrksemuasampellapisantipis,maka
diperolehhasilpadaTabel3.
46
Meditek
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI .....
T a b e l3 . H a m b a t a jne n i s l a p i s a nt i p i sC d S .
Sampel
Jarakclektrode
L (ntm)
Tebal lapisan
D (nm)
H a m b a t ajne n i s
p (A ohm)
C d S .n o 1 4
9't.42
0,599
C d S .n o 1 6
t2
t4
96.34
0,438
J
C d S .n o l 8
8
+
C d S .n o . l 9
t1
Nomor
')
0,388
96,73
0.399
Tabel2 dan Tabel3 terlilratsampelCdS.no.l6 denganketebalan
Berdasarkan
lapisanpaling besarmempunyairesistansipaling besardiperolehhambatanjenis
paling besarpula sehinggadapatdikatakanhambatansebagaiketebalan.
Pengamatanlapisantipis CdS absorbterhadapcahayatampakdapatdilihat pada
grafik spekturl absorbsiyaitu pada Gambar6.
SFtNiAU
ACf€l
f,EElll(
| Lttl5i
I l,t1!':r1
D'
ic , n
Garnbar6. Grafik spektrumabsorbsicahayadari lapisantipis CdS.
Dari keempatkurva itu terlihat bahwalapisan tipis CdS ini absorbsiterhadap
cahayapada daerahpanjanggelombangantara 600 nm sampai750 nm, dengan
dayaabsorbsirata-ratasekitar8l %. Cahayayangdiserapini digturakan ulnk
Meditek
A4
+!
P E M B T } A T A ND A N K A R A K T E R I S A S I. . . .
bahwalapisiurCdS ini akanpeka
lnenglusilkan arlrs.Jadi dapatdisinrpulkar-r
panjang
gelombang
yang
terhadapcahaya
lnenrpunyai
antara600 nm sampai750
lTn.
Kesimpulan
Berdasarkanuraian hasil percobaansefia diskusi, maka dari penelitian ini
dapatdibuatkesimpulansebagaiberikut:
1. Keempat sampel lapisan tipis CdS yang dibuat telah diukur
ketebalannyarnelalui alat UV-VIS-NIR spektrum yang diperoleh,
97.42nm; 96,34nm: 95,64nm:96,73nm.
masing-masing
2. Resistansidari keempatsampeldiperolehmasin"-masing41 KO ; 35,4
K Q : 1 8K O : 2 1 . 4K Q .
3. Berdasarkanhasil resistansiyang diperolehdan ketebalanlapisandari
adalah
keempatsampelitu didapatkanhambatanjenis(p)masing-masing
0 , 5 9 9O C m ; 0 . 4 3 8 f ) C r n ; 0 . 3 8 8O C m : 0 , 3 3 9O C m .
4. Hambatan jenis (p) sebagai fungsi panjang elektroda dan fungsi
ketebalanlapisansertafungsiresistansilapisantipis CdS.
setiapsampelsama
5. Hasil pabrikasitidak rnenjaminkarakterisasi
6. Secarakualitatif dapat ditunjukkanbahwa lapisanCdS ini menyerap
cahayayang mempunyaipanjanggelombangantara600 nm sampai750
nm, denganabsorbsimaksimumsekitar8l %.
Saran
pembuatzur
pengalarnan
lapisantipis CdS ini, dari 20 sampelyang
Berdasarkan
yang
dianggap
baik
untrlk dilakukan karakterisasi,maka
4
dibuat hanya sampel
penelitianini jauh dari sempuma.Oleh sebabitu perludilakukanpenelitianlebih
lanjut. Flal-hal yar-rgperludiperhatikanadalah:
Pada saat evaporasithennal, supaya diperhatikan dalammemberikan ams
pada evaporator, mengingat yang dibutuhkankistal CdS bukanCd dan S
yang teryisah. Karenatitik lebur keduaunsuritu berbedasehinggapada saat
terjadi pemimaszulsering terjadi S (sulfir) yang menguap lebih dulu. Jadi
diperhatikanbenar-benardalammemberikanarus.
Padasaat pengukuran resistansidengan menggunakanmetodeempatkontak,
supayadibuatkontak yang baik agar diperolehdatayangbenar.
48
Meditek
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI .....
Kepustakaan
1. J.Wilson,J. F. B. Hawkes.Optoelectronics
An Introduction,NewJersy,
Prenticehall InternationalInc., 1983.
2. L.Y"Azaroff, Introduction To Solid State,New York, Mc.Graw-llill
Inc., 1978.
3, M.Ohring. The L[uterials Scienceo/'Thin Film, London, Acadernic
Press.Inc..1992.
Meditek
49