BAB II TINJAUAN PUSTAKA Material semikonduktor adalah

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Material semikonduktor adalah material yang memiliki konduktivitas listrik diantara
konduktor dan isolator (10-8 S/cm < σ < 104 S/cm), σ adalah konduktivitas . Konduktivitas
material ini dapat divariasikan dengan merubah parameter eksternal (misalnya perubahan
temperatur dan eksitasi optik) maupun internal (pemberian doping). Semikonduktor terdiri
dari dua tipe yaitu semikonduktor elemental, contohnya golongan IVA (Si dan Ge), dan
semikonduktor paduan (III-V dan II-VI). Konduktivitas listrik semikonduktor berhubungan
dengan lebar celah pita energinya yang menentukan karakteristik listrik serta optik
semikonduktor.
2.1 Semikonduktor Paduan III-Nitrida
Material III-Nitrida adalah material semikonduktor paduan yang elemennya terdiri dari
atom golongan III (seperti Al, Ga, dan In) dan nitrogen (N) yang berasal dari golongan V
pada sistem periodik unsur. Misalnya AlN, GaN, dan InN.
Dalam penggolongan semikonduktor paduan akan dikenal beberapa istilah, yaitu paduan
binary, ternary, dan quarternary. Penamaan ini bergantung pada jumlah elemen yang
menjadi komponen paduan. AlN, GaN, dan InN terdiri dari dua elemen sehingga disebut
paduan binary. Selanjutnya, untuk paduan dengan tiga elemen disebut paduan ternary,
misalnya AlxGa1-xN dan InxGa1-xN. Paduan yang terdiri dari empat elemen disebut
quarternary, salah satu contohnya adalah InxAlyGa1-x-yN[1,2].
Material III-Nitrida memiliki sifat-sifat dasar yang berpotensi untuk diaplikasikan dalam
piranti elektronik dan optoelektronik. Paduan ini memiliki struktur direct band gap serta
dapat divariasikan berdasarkan fraksi molar komponen paduan tersebut. Misalnya pada
material AlxGa1-xN, band gap paduan ternary ini dapat divariasikan antara 3.4 eV (x=0)
hingga 6.2 eV (x=1) yang bersesuaian dengan panjang gelombang UV (λ ≈ 200 – 365 nm).
5 Berdasarkan karakteristik tersebut, AlGaN tergolong material yang sangat berpotensi untuk
diaplikasikan sebagai fotodetektor UV.
Pengembangan paduan ternary dan III-Nitrida, khususnya AlGaN, bertujuan untuk
menghasilkan semikonduktor dengan daerah kerja pada panjang gelombang UV yang
spesifik. Misalnya, dengan membuat paduan AlGaN yang memiliki band gap sekitar 4.0
eV, diharapkan divais berbasis material tersebut memiliki daerah kerja pada panjang
gelombang sekitar 310 nm. Perubahan band gap III-Nitrida dan III-As terhadap komposisi
elemen dalam paduan ternary ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Perbandingan band gap paduan III-Nitrida terhadap konstanta kisi
[S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett. 70, 1417(1997)]
Dari gambar diatas diperlihatkan adanya perubahan band gap material paduan AlxGa1-xN
serta memberikan informasi penting dalam penggunaan substrat penumbuhan material
AlxGa1-xN. Pada penggunaan substrat silikon, ketidaksesuaian konstanta kisi antara
substrat dan lapisan AlGaN akan semakin besar untuk fraksi molar Al (x) yang besar.
Sehingga, penggunaan substrat Si untuk penumbuhan AlGaN akan memberikan
konsekuensi sulit dihasilkan AlGaN dengan kualitas kristal yang tinggi untuk fraksi molar
Al yang besar.
6 Pada dasarnya ternary AlGaN terdiri dari paduan binary GaN dan AlN. Proses
penumbuhan paduan AlGaN merupakan usaha penggantian atom Ga pada paduan GaN
dengan atom Al tanpa merubah struktur kristal GaN tersebut. Untuk memahami struktur
kristal, sifat listrik, dan optik AlGaN, akan ditinjau beberapa sifat-sifat fisis dan kimia
komponen penyusun paduan AlGaN.
2.1.1 Material GaN
GaN memiliki dua struktur kristal yang stabil secara termodinamik, yaitu struktur
zincblende (kubik) dan wurtzite (heksagonal). Struktur zincblende memiliki mobilitas
pembawa muatan lebih tinggi dibandingkan dengan struktur wurtzite, akan tetapi struktur
wurtzite memiliki keunggulan struktur yang lebih stabil pada temperatur tinggi
dibandingkan dengan struktur zincblende. Jika ditinjau dari lebar celah energi, GaN
dengan struktur wurtzite memiliki band gap 3.4 eV sedangkan GaN struktur zincblende
(3,2-3,3 eV).
Secara alami (undoped) GaN memiliki kerapatan elektron n ≈ 1017 cm-3 pada temperatur
ruang. Donor dominan berasal dari kekosongan nitrogen [pankove et al.(1957)].
Resistivitas material GaN dapat meningkat secara dramatik dengan penambahan atom dari
golongan II; elemen tersebut berperan sebagai akseptor yang menggantikan donor pada
material GaN. Konsentrasi kekosongan nitrogen meningkat dengan adanya elemen dari
golongan II [Monemar, Lagerstedt & Gislanson (1980)].
Gambar 2.2 GaN dengan struktur wurtzite. Parameter kisi a dan c terhadap temperatur
untuk lapisan monolayer. [maruska dan Tietjen(1969)].
7 Gambar2.2 memberikan informasi bahwa konstanta kisi a akan terekspansi secara linear
terhadap peningkatan temperatur sedangkan konstanta kisi c terekpansi kuadratik terhadap
perubahan temperatur. Melting point GaN pada temperatur 25000C dan koefisien ekspansi
termal sebesar 5.27 x10-6 K-1. 3.17x10-6 K-1.
2.1.2 Material AlN
Material AlN memiliki celah energi yang lebar (~6.2 eV), sifat ini menjadi potensi AlN
untuk diaplikasikan dalam divais fotonik [8]. Sifat penting lainnya adalah efek pizoelektrik
(ferroelektrik). Sifat ini menghasilkan polarisasi spontan pada material tanpa pemberian
medan listrik. Efek piezoelektrik didefinisikan sebagai induksi tegangan yang berasal dari
material akibat stress pada struktur kristalnya. Kristal material ini terdiri dari atom yang
saling berbagi elektron, pada material ini terbentuk ikatan ionik dan kovalen. Karena
elektron valensi digunakan bersama, maka kerapatan elektron pada seluruh bagian kristal
tidak seragam dan terdapat dipol listrik yang periodik sesuai dengan periodisitas susunan
atom.
Pada umumnya, kristal material memiliki atom-atom yang terdistribusi merata sehingga
penjumlahan dipol masing-masing atom saat keseimbangan termal adalah nol. Sedangkan
pada material feroelektrik, pada kondisi seimbang termal memiliki penjumlahan dipol yang
tidak nol. Kondisi ini terjadi diakibatkan stress (tekanan) pada kristal kisi yang
menyebabkan munculnya strain (tegangan) didalam kristal, akibatnya terjadi perubahan
posisi atau arah dipol individu tersebut. Hasil dari stress dalam susunan tersebut
menghasilkan piezoelektrik. Kebalikan dari efek ini juga dapat diamati dengan
memberikan medan listrik pada material piezoelektrik.
8 Gambar 2.3 Koefisien ekspansi termal AlN terhadap temperatur [Slack & Bartram (1975)].
Pada peninjauan sifat termal AlN, material ini lebih stabil dibanding GaN. Peninjauan ini
dapat dilihat dari melting point AlN sebesar 3273. Koefisien ekspansi termal AlN lebih
besar dibandingkan GaN (5.27 x10-6 K-1), oleh karena itu pada perlakuan termal tertentu
kisi AlN akan terekspansi lebih besar dibandingkan GaN.
2.1.3
Material AlxGa1-xN
Celah energi paduan ini berada diantara 3.2 hingga 6.2 eV, dengan kata lain berada
diantara GaN dan AlN. Sifat kimia, listrik, dan optik material AlGaN merupakan paduan
dari GaN dan AlN. Parameter utama pada paduan ternary ini adalah kebergantungan celah
energi terhadap konsentrasi Al (x). Sistem paduan ini memberikan cakupan band gap yang
luas dan sedikit perubahan konstanta kisi bagi material AlGaN.
Ketergantungan komposisi terhadap konstanta kisi, direct band gap, dan sifat listrik dari
paduan AlGaN telah diukur oleh Yoshida dkk. Band gap AlGaN dapat dihitung
mengunakan persamaan empirik berikut: E g ( x) = xE g ( AlN ) + (1 − x) E g (GaN ) − bx(1 − x) ,
dimana Eg (GaN) = 3.4 eV, Eg (AlN) = 6.2 eV, x adalah fraksi molar Al dan b adalah
parameter bowing. Persamaan diatas menggambarkan fraksi mol Al berbanding lurus
terhadap celah energi AlxGa1-xN dengan faktor koreksi oleh parameter bowing.
9 Material AlGaN juga memiliki sifat polarisasi yang berasal dari AlN. Dengan membangun
struktur hetero antara GaN/AlGaN, pada daerah persambungan (interface) GaN/AlGaN
terbentuk struktur kuantum well yang berfungsi sebagai perangkap elektron. Rapat
elektron yang terjebak pada daerah persambungan GaN/AlGaN tinggi. Rapat elektron ini
disebut two dimensional electron gas (2DEG).
Gambar 2.4 Struktur pita pada daerah persambungan antara GaN/AlGaN [Ashif Khan et al
(1992)].
Kerapatan pembawa muatan ini terbentuk tanpa adanya proses pendopingan pada AlGaN.
2DEG ini muncul akibat induksi polarisasi pembawa muatan pada daerah interface
AlGaN/GaN. Material AlN menghasilkan polarisasi spontan (SP) sehingga AlGaN juga
memiliki sifat tersebut. Paduan AlGaN juga memiliki konstanta piezoelektrik (seperti
material AlN) yang menyebabkan terjadinya polarisasi piezoelektrik (PE) pada darah
interface GaN/AlGaN (proses mengenai 2DEG tidak akan dibahas lebih lanjut pada
laporan tugas akhir ini).
Selanjutnya, GaN memberikan kontribusi terhadap sifat dasar yang menentukan material
AlGaN menjadi semikonduktor tipe-n tanpa pemberian doping. Hal ini juga menjadi alasan
bahwa AlGaN sulit didoping menjadi semikonduktor tipe-p.
10 2.2 Teori Fotodetektor (Pd) dengan Struktur MSM
Pada sub bab ini akan diuraikan secara detail prinsip operasi Pd dengan struktur MSM
yang dikhususkan pada material semikonduktor dengan tipe-n. Pertimbangan ini
disesuaikan dengan eksperimen yang dilakukan yaitu pemanfaatan AlGaN dengan tipe-n.
2.2.1 Prinsip operasi MSM Pd
MSM Pd terdiri dari dua kontak Schottky yang dideposisikan diatas semikonduktor.
Prinsip operasinya adalah pemberian bias maju pada salah satu kontak dan bias mundur
pada kontak lainnya.
Seperti pada fotodetektor lainnya, divais ini mendeteksi foton dan mengubah fluks foton
tersebut menjadi sinyal listrik. Foton yang memiliki energi lebih besar dari band gap
semikonduktor akan diserap dan menyebabkan terjadinya generasi pasangan elektron-hole
dimana jumlah pembawa muatan yang tergenerasi bergantung pada fluks foton. Dengan
pemberian bias eksternal pada kontak, maka elektron pada pita konduksi dan hole pada pita
valensi akan bergerak dengan arah yang berlawanan.
Ada beberapa kondisi khusus yang dapat dicapai dan perlu diperhatikan pada divais
dengan struktur MSM, yaitu:
•
Kondisi daerah antar finger akan terdeplesi penuh jika bias yang diberikan melebihi
tegangan flatband, kondisi flatband dapat dicapai jika jarak antar finger dibuat sangat
kecil (1-3 µm).
•
Kapasitansi dan resistansi kontak finger terhadap semikonduktor dapat dibuat kecil
dengan mengoptimasi panjang dan lebar finger.
•
Dark current dapat direduksi dengan cara meningkatkan tinggi barrier pada divais.
Dark current disebut juga leakage atau kebocoran pembawa muatan ketika pemberian
bias pada Schottky barrier tanpa penyinaran. Untuk meningkatkan barrier perlu
dilakukan pemilihan metal dengan fungsi kerja yang lebih besar dibandingkan afinitas
11 elektron semikonduktor. Hal yang perlu diperhatikan, tinggi barrier sangat sensitif
terhadap adanya pengotor, oleh karena itu perlu dilakukan proses pembersihan
permukaan semikonduktor sebelum dideposisikan metal.
•
Kecepatan divais dapat ditingkatkan dengan memperkecil jarak antar finger. Jika jarak
elektroda dibuat kecil, maka waktu transit pembawa muatan dari satu elektroda ke
elektroda lainnya akan berkurang, sehingga waktu respon intrinsik (waktu yang
dibutuhkan pembawa muatan mencapai kontak) akan lebih cepat. Akan tetapi, untuk
divais 2-D kecepatan juga bergantung pada ketebalan daerah arbsorbsi (daerah aktif)
material. Untuk lebih jelasnya, skema MSM Pd-UV diperlihatkan pada gambar 2.5.
metal
L
X
W
metal
Semikonduktor
Gambar 2.5 Skema MSM Pd dengan tiga finger metal, x adalah jarak antar finger,
w adalah tebal finger, dan L adalah panjang finger.
Jika x diperkecil, maka daerah aktif akan semakin sempit. Pada daerah aktif (daerah
yang terkena sinar) yang sempit menyebabkan respon menurun. Dengan kata lain,
kecepatan tinggi mungkin dicapai, akan tetapi memperkecil tingkat respon (generasi
pembawa muatan) detektor akan menurun.
12 2.2.2 Parameter operasi MSM Pd
Ada beberapa parameter penting yang akan mempengaruhi performa fotodetektor, yaitu
dark current yang berhubungan dengan gangguan (noise) dan tingkat respon detektor.
Selanjutnya akan dibahas satu-persatu parameter tersebut.
2.2.2.a Dark current
Pada fotodetektor, dark current (Jdark) berhubungan dengan noise yang muncul. Semakin
besar dark current maka noise pada detektor akan semakin besar. Dalam aplikasi divais
optoelektronik, dark current harus direduksi untuk mendapatkan divais dengan performa
yang baik. Performa divais berhubungan dengan presisi detektor tersebut. Gambar 2.6
memperlihatkan diagram energi dari MSM Pd ketika detektor diberi bias dan penyinaran,
serta perbedaan komponen dark current dan photocurrent (Jph).
qΔφBn
EFm
J dark , n
J ph, n
hv
Ec
qV
Ev
J ph , p
EFm
qΔφBp
J dark , p
S
(b)
(a)
Gambar 2.6 Diagram energi dari MSM PD (a) dibawah pengaruh penyinaran tanpa
tegangan
bias
(b)
dibawah
pengaruh
bias
dan
penyinaran,
menunjukkan komponen dark current dan photocurrent.
Dari gambar diatas terlihat bahwa dark current muncul ketika elektron dapat melewati
barrier yang terbentuk pada persambungan metal dan semikonduktor. Dark current
merupakan total arus hole dan elektron . Ilustrasi pada gambar 2.6 terdiri dari beberapa
proses, yaitu :
13 •
Proses transpor pada MSM berbeda dengan dioda schottky tunggal (pemberian bias
secara back to back) [8]. Proses transpor MSM terdiri dari beberapa kondisi, yaitu pada
kondisi keseimbangan termal (tanpa pemberian bias pada temperatur ruang), tegangan
bias (V) lebih kecil dari tegangan reachtrough (VRT), tegangan bias lebih besar dari
tegangan reachtrough hingga mencapai kondisi flat band, dan tegangan bias melebihi
kondisi flat band. Kondisi tersebut akan diuraikan satu-persatu:
¾ Keseimbangan termal (tanpa pemberian bias).
Distribusi muatan pada kondisi keseimbangan termal MSM PD dengan
semikonduktor tipe-n diperlihatkan pada gambar 2.7. Nd adalah konsentrasi ionisasi
impuritas.
Gambar 2.7 (a) Skema diagram struktur MSM, (b) distribusi muatan, (c) medan
listrik, (d) diagram energi pada saaat keseimbangan termal.
14 φ Bn1 dan φ Bn 2 adalah tinggi barrier untuk elektron, φ Bp1 dan φ Bp 2 adalah tinggi
barrier untuk hole. Vbi1 dan Vbi 2 berturut-turut adalah potensial built-in pada kontak
1 dan 2. Untuk struktur MSM yang simetri (menggunakan kontak metal yang sama)
φ Bn1 = φ Bn 2 = φ Bn dan qφ Bn1 + qφ Bn 2 = E g .
¾ Kondisi V < VRT
VRT adalah tegangan bias pada saat daerah aktif terdeplesi penuh (kedua daerah
deplesi bersentuhan). Kondisi ini dapat dicapai jika divais MSM memiliki jarak
antar kontak finger yang sangat kecil (1-3 µm). pada gambar 2.8 diperlihatkan
Distribusi muatan, medan listrik, dan sifat pita energi dibawah pengaruh bias yang
rendah (VRT).
qN D
S
(a )
w1
w2
Em2
x1
− E m1
qφ Bn1
x2
(b)
q(Vbi1 + V1 )
qφ Bp1
qV1
qV
q(Vbi2 +V2 )
x1
qφ Bn 2
x2
qφBp2 + q(Vbi2 − V2 )
S
(c)
Gambar 2.8 (a) distribusi muatan, (b) medan listrik, (c) diagram energi dibawah
pengaruh bias (negatif bias pada kontak 1).
15 kontak 1 dengan tegangan negatif (katoda) dan kontak 2 dengan tegangan positif
(anoda). qV1 adalah beda tingkat energi fermi kontak 1 terhadap tingkat fermi
semikonduktor; qV2 adalah beda tinggat energi fermi kontak 2 terhadap tingkat
enegi fermi semikonduktor.
Arus hole berasal dari emisi termionik hole dari anoda, hole terinjeksi dan berdifusi
dari x2 ke x1 yang menjadi total arus hole. Arus hole jauh lebih kecil dibandingkan
arus elektron karena barrier untuk hole (φ Bp 2 + Vbi1 − V2 ) lebih tinggi dibandingkan
barrier elektron. Oleh karena itu arus yang dominan adalah arus saturasi elektron.
¾ Kondisi V > VRT.
Dengan meningkatkan tegangan bias, maka daerah deplesi pada katoda dan anoda
akan mengecil. Penjumlahan dari daerah deplesi merupakan jarak antar kontak
W1 + W2 = s , seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.9. Pada kondisi ini, medan
listrik akan kontinu secara linear dari x = 0 hingga x = s .
Gambar 2.9 Kondisi reach-through (a) distribusi medan listrik (b) diagram pita
energi.
16 Gambar 2.10 Kondisi flatband (a) distribusi medan listrik (b) diagram energi.
Jika tegangan terus ditingkatkan setelah mencapai tegangan reach-through, maka
medan maksimumnya adalah nol (seperti pada gambar 2.10), kondisi ini dinamakan
flat band (VFB).
¾ Kondisi V > VFB
Pada kondisi ini terjadi fenomena yang disebut breakdown voltage VBD. Kondisi ini
merupakan tegangan maksimum yang diberikan pada divais MSM untuk
diaplikasikan sebagai fotodetektor.
•
Proses terobosan elektron melalui barrier dari metal menuju semikonduktor.
Mekanika terobosan merupakan parameter penting untuk semikonduktor dengan
doping tinggi, pemberian bias tinggi, dan dioperasikan pada temperatur rendah.
•
Generasi pada daerah daerah deplesi (space-charge).
•
Generasi pada derah netral.
•
Generasi pembawa muatan pada daerah forbidden bandgap [4].
Proses ini terjadi akibat adanya lapisan interface pada persambungan metal dengan
kontak. Pada kondisi kontak Schottky ideal tidak terbentuk lapisan interfasial diantara
metal dan semikonduktor. Akan tetapi, lapisan tipis oksida biasanya terbentuk diantara
metal dan semikonduktor yang menyebabkan adanya trap state. Jika lapisan interfasial
sangat tipis, dibawah pengaruh medan listrik yang sangat tinggi dimungkinkan terjadi
17 proses terobosan yang memberi tambahan arus pada dark current. Akhirnya
peningkatan dark current mengakibatkan kebocoran arus dari kontak metal dan daerah
sekitar medan listrik diujung elektroda meningkat [6-7].
Pemahaman tentang dark current pada divais MSM sangatlah penting untuk
memprediksikan daerah kerja divais tersebut. Selain itu, dark current adalah sumber
munculnya noise pada detektor. Semakin besar noise yang muncul akan mengakibatkan
penurunan kepresisian divais.
18