PENDAHULUAN Latar Belakang Peningkatan

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.