DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Transkripsi

1 Uji Sifat Listrik Film Tipis Ferroelektrik Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Didadah Niobium Pentaoksida (Nb 2 O 5 ) Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition Agus Ismangil DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKAA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010

2 Agus Ismangil. Uji Sifat Listrik Film Tipis Ferroelektrik Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Didadah Niobium Pentaoksida (Nb 2 O 5 ) Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition. Dibimbing oleh Irzaman dan Akhiruddin Maddu ABSTRAK Telah dilakukan penumbuhan film tipis LiTaO 3 (LT) dan LiTaO 3 yang didadah Niobium Pentaoksida Nb 2 O 5 (LNT) dengan variasi pendadah 2,5%, 5%, dan 7,5% diatas substrat Si (100) tipe-p dengan menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) dengan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Film tipis LiTaO 3 dibuat dengan konsentrasi 1 M dan annealing pada suhu 850 o C untuk substrat Si. Film tipis diatas substrat silikon tipe-p dilakukan karakterisasi XRD, absorbansi, reflektansi, transmitansi, I-V, konduktansi, dan konstanta dielektrik. Hasil karakterisasi konduktivitas film tipis LT dan LNT berada pada rentang material semikonduktor. Konstanta dielektrik yang terdapat pada film tipis diatas substrat silikon tipe-p bervariasi sesuai dengan penambahan pendadahan yang digunakan yaitu 2,5%, 5%,7,5%. Pada karakterisasi kurva I-V menghasilkan film tipis LT, LNT 2,5% dan LNT 5% bersifat dioda, sedangkan LNT 7,5% bersifat resistor. Pada karakterisasi absorbansi, reflektansi, dan transmitansi terjadi pada panjang gelombang 360 nm atau pada sinar UV. Dan karakterisasi XRD menghasilkan bentuk Kristal. Kata Kunci : LNT, film tipis, CSD, spin coating, konduktivitas listrik, XRD

3 Uji Sifat Listrik Film Tipis Ferroelektrik Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Didadah Niobium Pentaoksida (Nb 2 O 5 ) Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor Oleh: Agus Ismangil G DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010

4 LEMBAR PENGESAHAN Judul Skripsi : Uji Sifat Listrik Film Tipis Ferroelektrik Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Didadah Niobium Pentaoksida (Nb 2 O 5 )Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition Nama : Agus Ismangil NIM : G Menyetujui : Pembimbing 1 Pembimbing 2 Dr. Ir. Irzaman, M.Si NIP Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si NIP Mengetahui : Ketua Departemen Dr. Ir. Irzaman, M.Si NIP Tanggal Lulus :

5 KATA PENGANTAR Alhamdulilah, puji syukur ke hadirat Allah SWT, atas selesainya penyusunan skripsi ini sebagai syarat untuk meraih gelar Sarjana Sains.Skripsi ini merupakan rangkaian terakhir dari sekian banyak tugas yang penulis harus jalani ketika menempuh pendidikan di Departemen Fisika IPB. Topik penelitian yang penulis angkat pada kesempatan kali ini adalah mengenai ferroelektrik. Topik ini cukup menarik karena beberapa tahun belakangan ini banyak dibicarakan mengenai ferroelektrik karena material ini sangat menjanjikan terhadap perkembangan device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Pada kesempatan kali ini penulis tak lupa mengucapkan terima kasih kepada Dr. Irzaman dan Dr. Akhiruddin Maddu yang telah dengan sabar membimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Penulis menyampaikan apresiasi yang setinggitingginya kepada mereka berdua. Dan kepada Fauzan A. S.Si, M.Si atas diskusi dan saran sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa tidak ada kesuksesan yang diraih tanpa dukungan dari rekan-rekan penulis. Oleh karena itu penulis tak lupa mengucapkan terima kasih kepada para kolega penulis di fisika material dan teman-teman penulis lainnya di Departemen Fisika IPB, khususnya angkatan 43 untuk saatsaat menyenangkan selama kuliah. Pada akhirnya, penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua dan kakak-adik penulis dan terkhusus pada silviani yuliasari atas dukungan motivasi semangat dan doanya selama ini. Semoga Allah SWT membalas kebaikan kalian semua. Tiada diskusi melainkan pengayaan pemikiran dan perenungan. Terus berpikir berarti terus hidup. Sedangkan terus berpikir dan berbuat berarti hidup dalam kesejatian.

6 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Kebumen pada tanggal 22 Agustus 1987 dari pasangan Bapak Margono dan Ibu Siti Aziyah. Penulis merupakan putra ketiga dari lima bersaudara. Penulis menempuh pendidikan di TK Pertiwi ( ), SDN Mrinen ( ) SLTP Muh Kebumen ( ), SMAN 1 Kutowinangun ( ), dan tahun 2006 penulis masuk ke Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor melalui jalur USMI. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah aktif sebagai Koordinator Departemen Kebijakan DPM KM IPB, Anggota SERUM-G FMIPA IPB, Sekretaris ROHIS Kelas. Selain itu, penulis pernah menjadi asisten praktikum Fisika Dasar ( ), Penulis juga aktif mengajar mata pelajaran Fisika dan Matematika SMA di Lembaga Bimbingan Belajar Bintang Pelajar Regional Bogor (2007-Sekarang).

7 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK i LEMBAR JUDUL......ii LEMBAR PENGESAHAN.. iii RIWAYAT HIDUP...iv KATA PENGANTAR v DAFTAR ISI.vi DAFTAR TABEL vii DAFTAR GAMBAR..viii DAFTAR LAMPIRAN..x PENDAHULUAN..1 Latar Belakang...1 Tujuan Penelitian...1 TINJAUAN PUSTAKA...1 LitiumTantalat (LiTaO 3 )...1 Substrat-Si (Silikon)...1 Bahan Pendadah...2 Niobium PentaOksida (Nb 2 O 5 )...3 Dioda Fotodioda XRD Konduktivitas Listrik...5 Metode Chemical Solution Deposition...6 Metode Volumetrik...7 Kapasitor dan Konstanta Dielektrik...7 Time Constant BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian....8 Alat dan Bahan Metode Penelitian...9 Pembuatan Film Tipis...9 Pembuatan Larutan LT dan LNT...9 Proses Penumbuhan Film Tipis...9 Proses Annealing Karakterisasi...11 Karakterisasi XRD Karakterisasi Absorbansi, Reflektansi dan Transmitansi...11 Karakterisasi Konstanta Dielektrik...11 Karakterisasi I-V meter...11 Karakterisasi Konduktivitas Listrik...11 HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik XRD...11 Karakteristik Absorbansi, Reflektansi dan Transmitansi...14 Karakteristik Arus-Tegangan Film Tipis...14 Karakteristik Konstanta Dielektrik Film Tipis...16 Karakteristik Konduktivitas Listrik Film Tipis..17

8 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan...18 Saran UCAPAN TERIMA KASIH DAFTAR PUSTAKA...19 LAMPIRAN...21

9 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Jari-Jari ion pendadah yang dapat digunakan sebagai soft doping dan hard doping...2 Tabel 3.1 Massa larutan bahan...9 Tabel 3.2 Proses Pencucian Film Tipis...9 Tabel 4.1 Nilai tegangan knee film tipis LT dan LNT...16 Tabel 4.2. Nilai konstanta dielektrik film Ttipis LT dan LNT...17 Table. 4.3 Konduktivitas listrik...18

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Struktur dua dimensi kristal silikon...2 Gambar 2.2. Struktur pasangan elektron-hole dioda...3 a) Kondisi awal b) Kondisi setelah terjadi difusi elektron c) Daerah pengosongan Gambar 2.3. Forward bias dan Reversed bias....4 Gambar 2.4. Karakteristik dioda....4 Gambar 2.5. Penampang melintang fotodioda...5 Gambar 2.6. Keadaan fotodioda persambungan p-n Gambar 2.7. Alat XRD...5 Gambar 2.8. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas...6 Gambar 2.9. Spin coater Gambar Rangkaian penentu konstanta dielektrik film tipis....7 Gambar Kapasitor Keping Sejajar. 7 Gambar 3.1. Proses Annealing... 9 Gambar 3.2. Diagram alir penelitian Gambar 4.1. Hasil karakterisasi XRD pada LT Gambar 4.2. Hasil karakterisasi XRD pada LT 2,5% Gambar 4.3. Hasil karakterisasi XRD pada LT 5% Gambar 4.4. Hasil karakterisasi XRD pada LT 7,5% Gambar 4.5. Absorbansi terhadap panjang gelombang...14 Gambar 4.6. Reflektansi terhadap panjang gelombang...14 Gambar 4.7. Transmitansi terhadap panjang gelombang...14 Gambar 4.8. Kurva I-V LT Gambar 4.9. Kurva I-V LNT 2,5% Gambar 4.10.Kurva I-V LNT 5% Gambar Kurva I-V LNT 7,5%...15 Gambar Input awal sinyal kotak 16 Gambar Kurva kapasitor LT,,,,,,,,,,...17 Gambar Kurva kapasitor LNT 2,5%...17 Gambar Kurva kapasitor LNT 5%...17 Gambar Kurva kapasitor LNT 7,5%...17 Gambar Konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap variasi intensitas cahaya...18 Gambar Konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap doping niobium... 18

11 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Literatur JCPDS Lampiran 2. Data I-V a) Film tipis LT b) Film tipis LNT 2,5% c) Film tipis LNT 5% d) Film tipis LNT 7,5% Lampiran 3. Data Konstanta Dielektrik a) Film tipis LT pada suhu annealing 850 C b) Film tipis LNT 2,5% pada suhu annealing 850 C c) Film tipis LNT 5% pada suhu annealing 850 C d) Film tipis LNT 7,5% pada suhu annealing 850 C Lampiran 4. Data Konduktivitas Listrik

12 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Penelitian terhadap material ferroelektrik banyak menarik perhatian para ahli fisika karena material ferroelektrik ini sangat menjanjikan terhadap perkembangan piranti baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Yaitu dapat digunakan untuk Ferroelectric Random Access Memory (FRAM). Penerapan material ferroelektrik berdasarkan sifatsifatnya adalah sifat histeresis dan tetapan dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM), sifat piezo-elektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah. Ferroelektrik merupakan material elektronik khususnya dielektrik yang terpolarisasi spontan dan memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya. Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik. Penggunaan film tipis ferrolektrik sebagai memori keuntungannya bila dibandingkan dengan sistem magnetik. Sistem magnetik hanya mampu menyimpan 10 5 bit/cm 2, sedangkan memori yang terbuat dari ferroelektrik mampu menyimpan hingga 10 8 bit/cm 2. Keuntungan lain adalah sebagai memori permanen yang mampu menekan kehilangan informasi selama proses berulang [1]. Metode pembuatan lapisan tipis secara umum dikelompokkan menjadi dua yaitu metode vakum dan non-vakum. Untuk metode vakum terdiri dari PVD, Laser Ablasi, Ion Planting, dan CVD. Sedangkan untuk metode non vakum yaitu Chemical Solution Deposition (CSD). Keunggulan dari metode Chemical Solution Deposition (CSD) adalah dapat mengontrol stokiometri film dengan kualitas yang baik, prosedur yang mudah dan membutuhkan biaya yang relatif murah. Spin coater yang digunakan memakai kecepatan putar 3000 rpm dan waktu putar selama 30 detik [2]. Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan film tipis LiTaO 3 yang didadah dengan Niobium Penta Oksida (Nb 2 O 5 ) dengan metode CSD yang kemudian akan dilakukan karakterisasi yaitu, pengujian konduktivitas listrik, dielektrik film tipis, kurva I-V, absorbansi, reflektansi, transmitansi, dan XRD. Tujuan Penelitian Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk menumbuhkan film tipis LiTaO 3 pada substrat Si (100) type-p dan didoping Niobium Pentaoksida (Nb 2 O 5 ), kemudian diuji sifat listrik dari film tipis yang dibuat. Tujuan khusus dari penelitian adalah: 1) Melakukan penumbuhan film tipis LiTaO 3 dan yang didadah dengan Niobium Pentaoksida(Nb 2 O 5 ) diatas substrat Si (100) type-p dengan pelarut 2-metoksietanol 2) Melakukan karakterisasi arus tegangan (I-V) pada setiap film tipis. 3) Menguji sifat dielektrik film tipis. 4) Menguji sifat konduktivitas. 5) Menguji struktur material dengan XRD 6) Menguji absorbansi, reflektansi, dan transmitansi. TINJAUAN PUSTAKA Litium Tantalat (LT) Litium Tantalat atau yang biasa disebut dengan LT dapat diaplikasikan dalam berbagai macam piranti seperti; konstanta dielektrik yang tinggi membuat LT dapat digunakan sebagai (Dynamic Access Random Memories). Selain itu, LT dipilih karena pembuatannya dapat dilakukan di laboratorium dengan peralatan sederhana, biaya murah dan dilakukan dalam waktu yang relative singkat. Bahan Litium Tantalat (LiTaO 3 ) memiliki potensi untuk menggantikan lapisan tipis SiO 2 pada sirkuit metal oxide semikonduktor (MOS). Namun konstanta dielektrik yang dimiliki oleh LiTaO 3 tersebut masih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya. Hal ini berkaitan dengan mikro butir yang baik, tingkat tekanan yang baik, kekosongan oksigen, formasi lapisan interfacial dan oksidasi pada bottom elektrode atau Silikon (Si). Berikut ini merupakan persamaan reaksi untuk LiTaO 3 2LiO 2 C 2 H 3 +Ta 2 O 5 +4O 2 2LiTaO 3 + 3H 2 O + 4CO 2 Substrat-Si (Silikon) Silikon adalah unsur yang paling melimpah ruah kedua di kerak bumi setelah

13 2 oksigen. Sebagian besar unsur bebas silikon tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk pengunaan semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona kristal czochralski. Kristal silikon ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan [3]. Silikon oksida (SiO 2 ) digunakan sebagai gate dielektrik karena bentuk non kristal (amorphous) yang sesuai dengan insulator, dengan daya tahan terhadap medan listrik yang tinggi (sekitar 10 MV/cm), kestabilan terhadap panas, dan lebih lagi karena kualitas interlayer Si/SiO 2 yang tinggi (jumlah muatan yang terjebak dalam interlayer <1011/cm). Kualitas interlayer Si/SiO 2 ini penting karena merupakan bagian utama channel dimana carrier (baik hole atau elektron) melintas. Sampai saat ini belum ada yang bisa menandingi SiO 2 [4]. Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0 o K), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada Gambar 2.1. Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik [5]. Bahan Pendadah Pendadah adalah bahan yang digunakan untuk menambah jumlah elektron atau hole pada suatu material semikonduktor. Penambahan bahan pendadah dapat menyebabkan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektro-optik, dan sifat pyroelektrik dari keramik film tipis [6]. Untuk menaikkan konsentrasi elektron atau hole, diperlukan impuritas dalam kristal semikonduktor. Dopan-dopan tersebut memiliki energi sedikit lebih besar diatas pita valensi (akseptor) atau sedikit lebih rendah dibawah pita konduksi (donor). Akseptor menerima penambahan elektron dari pita valensi dan termuati ion-ion negatif sehingga membentuk sebuah hole (dopingp). Donor melepaskan sebuah elektron ke dalam pita konduksi dan termuati ion-ion positif (doping-n). Konsentrasi pembawa minoritas menjadi jauh lebih kecil dibandingkan konsentrasi pembawa mayoritas [7]. Tabel 2.1 menunjukkan jari-jari ion pendadah yang dapat digunakan sebagai Soft doping dan Hard doping dimana bahan pendadah material ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft dopant dan hard dopant. Ion soft dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi soften, seperti koefisien elastis menjadi lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah. Soft dopant disebut juga dengan istilah donor dopant karena penyumbang valensi yang berlebih pada struktur kristal LT [8]. Tabel 2.1 Jari-jari ion pendadah yang dapat digunakan sebagai Soft doping dan Hard doping Soft doping Hard doping Ion r (Å) Ion r (Å) Ti 4+ 0,68 Ti 4+ 0,68 Zr 4+ 0,79 Zr 4+ 0,79 Nb 5+ 0,69 Fe 3+ 0,67 Ta 5+ 0,68 Al 3+ 0,57 Gambar 2.1. Struktur dua dimensi kristal silikon Sb 5+ 0,63 Ga 3+ 0,62 W 6+ 0,65 In 3+ 0,85

14 3 Ion hard dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih hardness, loss dielektrik yang rendah, bulk resistivitas yang rendah, sifat medan koersif yang lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi, dan faktor kualitas listrik lebih tinggi [9]. Hard dopant sering juga disebut dengan istilah acceptor dopant karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur Kristal LT. Bahan pendadah jenis hard dopant merupakan bahan pendadah yang dapat menghasilkan film tipis yang pembawa mayoritasnya adalah hole atau membuat film tipis cenderung bertipe p. Niobium Penta Oksida (Nb2O5) Niobium Pentoksida merupakan material kimia yang paling banyak diproduksi untuk keperluan kapasitor, lithium niobate, dan gelas optik. Niobium Pentoksida mempunyai berbagai bentuk polymorphic berdasarkan koordinat oktahedral. Berbagai bentuk tersebut diidentifikasi dengan melakukan variasi ikatan. Paling banyak dijumpai dalam bentuk monoklinik H-Nb 2 O 5 yang mana mempunyai struktur yang kompleks dimana sebuah unit sel terdiri dari 28 atom niobium (27 atomnya berbentuk oktahedral dan satu atom berbentuk tetrahedral) dan 70 atom oksigen. Niobium Pentoksida dapat dihasilkan dari hidrat padat (Nb 2 O 5.nH 2 O) atau disebut juga asam niobik dengan menggunakan hidrolisis berdasarkan pengenceran niobium pentaklorida. Pada kapasitor elektrolit padat film tipis Nb 2 O 5 berbentuk lapisan dielektrik dan lapisan ini dapat ditumbuhkan melalui electrolytically diatas lelehan niobium monoksida[10]. Dioda Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi anoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada dioda ideal. Pada dioda faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V [11]. Pada saat dioda tidak diberikan panjar tegangan (unbiased) seperti ditunjukkan Gambar 2.2, terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction, sehingga akan tercipta ion positif pada daerah n dan ion negatif pada daerah p. Jika ion-ion ini bertambah banyak, maka daerah di sekitar junction akan terjadi kekosongan dari elektron bebas dan hole. Daerah ini disebut dengan depletion region. Pada suatu saat, depletion region akan berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui junction. Diperlukan tegangan tertentu agar elektron dapat menembus penghalang tersebut, yang dikenal dengan istilah tegangan offset. Jika dioda diberi tegangan seperti pada Gambar 2.3, dimana kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan tipe-p dan kutub negatifnya dihubungkan dengan bahan tipe-n, maka rangkaian ini disebut dengan forward biased atau prategangan maju. Bila tegangan ini melebihi tegangan yang diakibatkan oleh daerah pengosongan maka forward biased dapat menghasilkan arus yang besar. Gambar 2.2. Struktur pasangan elektron hole dioda (a) kondisi awal, (b) kondisi setelah terjadi difusi elektron, (c) daerah pengosongan

15 4 Gambar 2.3. Forward bias dan Reversed bias Kutub negatif dari sumber dapat mendorong elektron pada bahan tipe-n menuju junction. Elektron ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada bahan tipe-p yang ada menuju kutub positif baterai. Sebaliknya, jika sumber tegangan tersebut dibalik polaritasnya, maka rangkaian yang tampak pada Gambar 2.3. itu disebut dengan reverse biased. Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah n berpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan hole di dalam daerah p juga bergerak menjauhi junction ke arah terminal negatif. Gerakan ini akan membuat lapisan pengosongan semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga sumber tegangan. Namun pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, arus pembawa minoritas, atau disebut arus balik (reverse current), IS. Disamping itu juga terdapat arus bocor permukaan, ISL. Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage. Jika sebuah dioda dihubungkan dengan sumber tegangan V in, dimana tegangan V in dapat diubah-ubah besarnya, maka akan didapat tegangan (V d ) dan arus (I d ) pada dioda yang berbeda-beda pula. Dengan menghubungkan titik-titik tegangan dan arus dioda (Begitu halnya jika jika dibalik tegangan panjarnya), maka akan didapat grafik dioda seperti pada Gambar 2.4. Gambar ini menjelaskan karakteristik dioda, yaitu sebagai komponen non-linear. Bila diberikan forward biased dioda menjadi sangat tidak konduk sebelum tegangannya melampaui potensial barier, sehingga arusnya sangat kecil sekali. Gambar 2.4. Karakteristik diode. Ketika tegangannya mendekali potensial barier, pasangan elektron-hole mulai melintasi junction. Di atas 0,7 volt, biasa disebut tegangan lutut (knee voltage), Vg, atau tegangan offset, dioda menjadi sangat konduk dan mengalirkan arus yang besar. Semakin besar tegangannya, arus bertambah dengan sangat cepat pula. Hal ini menunjukkan, bahwa dioda memiliki tahanan tertentu, disebut tahanan bulk (bulk resistance). Sebaliknya, pada saat dioda direverse biased, terdapat arus balik yang sangat kecil. Jika tegangan ini ditambah, akan dicapai tegangan breakdown, dimana terjadi peningkatan arus yang sangat besar, yang dapat merusakkan dioda. Sehingga diperlukan kehati-hatian untuk memberikan tegangan dioda, jangan sampai jatuh ke daerah breakdown. Fotodioda Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Fotodioda dapat dianggap sebagai baterai solar, tetapi biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra violet sampai dengan sinar-x. Pada Gambar 2.7 memperlihatkan penampang bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki daerah permukaan aktif yang ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada akhirnya akan menghasilkan persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang ditumbuhkan bisanya memiliki ketebalan 1 µm atau lebih kecil lagi dan pada daerah persambungan lapisan-p dan lapisan-n tedapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif

16 5 dari fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping [12]. Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energi band gap (Eg), elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada Gambar 2.5 menunjukkan keadaan fotodioda persambungan p-n, terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisan-n. Di dalam lapisan deplesi, medan listrik mempercepat elektron-elektron ini menuju lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan elektron - hole dihasilkan di dalam lapisan-n, bersamaan dengan elektron yang datang dari lapisan-p sama-sama akan menuju pita konduksi di sebelah kiri (pita konduksi). Pada saat itu juga hole didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan dikumpulkan pada pita valensi lapisan-p. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisan-n. Muatan positif dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatif pada lapisan-n. Jika lapisan-p dan lapisan-n dihubungkan dengan rangkaian luar, elektron akan mengalir dari lapisan-n dan hole akan mengalir dari lapisan-p [12]. Gambar 2.5. Penampang melintang Fotodioda.[12] Gambar 2.6. Keadaan fotodioda persambungan p-n. [12] Gambar 2.7. Alat XRD X-Ray Diffraction XRD atau X-Ray Diffraction merupakan salah satu alat yang digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. Disamping itu, sinar X dapat juga digunakan untuk menghasilkan pola difraksi tertentu yang dapat digunakan dalam analisis kualitatif dan kuantitatif material. Pada saat material dikenai sinar X, maka intensitas sinar yang ditransmisikan lebih rendah dari intensitas sinar datang. Hal ini disebabkan adanya penyerapan oleh material dan juga penghamburan oleh atomatom dalam material tersebut.berkas sinar X yang dihamburkan tersebut ada yang saling menghilangkan karena fasanya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasanya sama. Berkas sinar X yang saling menguatkan itulah yang disebut sebagai berkas difraksi[13]. Sinar X dihasilkan dari tumbukan antara elektron kecepatan tinggi dengan logam target. Dari prinsip dasar, maka dibuatlah berbagai jenis alat. Konduktivitas Listrik Material alami maupun buatan yang terdapat di alam dapat diklasifisikan menjadi tiga yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Nilai dari konduktivitas listrik ketiga material tersebut berbeda seperti pada Gambar 2.8. yang menunjukkan spektrum konduktivitas listrik. Material semikonduktor sendiri mempunyai nilai konduktivitas pada selang antara ( )S/cm. Resistansi suatu material bergantung pada panjang, luas penampang lintang, tipe material dan temperatur. Pada material ohmik resistansinya tidak bergantung pada arus dan hubungan empiris ini disebut dengan hukum Ohm yang dinyatakan dengan persamaan (2.1):

17 6 Gambar 2.8. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas V = IR (2.1) Untuk material nonohmik, arus tidak sebanding dengan tegangan. Resistansinya bergantung pada arus, didefinisikan dengan persamaan (2.2) : (2.2) Kurva hubungan arus dan tegangan pada material Ohmik adalah linear sedangkan material nonohmik kurva hubungannya tidak linear. Resistansi suatu kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang lintang seperti dilihat pada persamaan (2.3) : (2.3) Dimana ρ disebut resistivitas material penghantar. Satuan resistivitas adalah ohm meter (Ωm). Kebalikan dari resistivitas disebut konduktivitas. Adapun nilai konduktivitas suatu material bergantung dari sifat material tersebut.. Konduktivitas listrik adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Persamaan (2.4)dan (2.5) berikut merupakan rumus konduktivitas listrik: (2.4) dipreparasi dengan coating pada kecepatan putar tertentu biasanya digunakan kecepatan putar 3000 rpm[14]. Spin coating adalah cara yang mudah dan efektif dalam pelapisan film tipis diatas substrat datar. Spin Coating pelapisan bahan dengan cara menyebarkan larutan keatas substrat kemudian diputar dengan kecepatan konstan untuk memperoleh lapisan baru yang homogen. Spin Coating melibatkan akselerasi dari genangan cairan diatas substrat yang berputar. Material pelapis dideposisi di tengah substrat. Ilmu fisika yang melatarbelakanginya melibatkan keseimbangan antara gaya sentrifugal yang diatur oleh kecepatan putar dan viskositas[15]. Beberapa parameter yang terlibat dalam coating adalah: a. Viskositas larutan b. Kandungan padatan c. Kecepatan angular d. Waktu putar Pada Gambar 2.9. diperlihatkan contoh dari alat Spin Coating yang digunakan. Proses pembentukan film dipengaruhi oleh dua parameter bebas yaitu kecepatan putar dan viskositas. Rentang ketebalan film yang dihasilkan oleh spin coating adalah 1-200µm[15]. Untuk film yang lebih tebal dibutuhkan material berviskositas tinggi, kecepatan putar yang lebih rendah dan waktu putar yang lebih pendek. Dalam prakteknya, Spin Coating memiliki beberapa kelebihan, yaitu : a. Ketebalan lapisan dapat diatur b. Biaya relatif murah c. Mudah dalam pembuatan d. Menggunakan material dan peralatan yang sederhana (2.5) Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Metode Chemical Solution Deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, yang Gambar 2.9. Simple Variable Spin Coat[15]

18 7 Metode Volumetrik Metode ini dapat dipakai dengan tepat jika film tipis yang ditumbuhkan diatas substrat terdeposisi secara merata. Metode ini dilakukan dengan cara menimbang massa substrat sebelum dilapisi film tipis dan menimbang substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis di atasnya, sehingga akan didapatkan massa film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat. Ketebalan film tipis dari metode ini menggunakan rumus (2.6) : (2.6) keterangan : = Massa substrat sebelum ditumbuhkan film tipis = Massa substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis diatasnya A = Luas permukaan film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat = Massa jenis film tipis yang terdeposisi Kapasitor dan Konstanta Dielektrik Kapasitor adalah piranti yang berfungsi untuk menyimpan muatan dan energi listrik. Kapasitor terdiri dari dua konduktor yang berdekatan tetapi terisolasi satu dengan lainnya dan membawa muatan yang sama besar namun berlawanan. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik seperti terlihat pada Gambar Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara, vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatanmuatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang nonkonduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatanmuatan positif dan negatif di awan [16]. Gambar Rangkaian penentu konstanta dielektrik film tipis [17] Kemampuan material untuk polarisasi dinyatakan sebagai permisivitas (ε), dan permitivitas relative (κ) adalah rasio antara permitivitas material (ε) dengan permitivitas vakum (ε 0 ). Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan [17]. Contoh perhitungan konstanta dielektrik dapat dilakukan dengan persamaan (2.7) sebagai berikut : (2.7) Nilai maksimum dterlihat pada persamaan (2.8) dan (2.9) yaitu terjadi pada saat :, (2.8) (2.9) Sehingga didapat hubungan melalui persamaan (2.10) dan (2.11) yaitu: t = RC atau Gambar Kapasitor Keping (2.10) Sejajar

19 8 Dari hubungan (2.11) keterangan : ε o = permitivitas relative dalam ruang hampa = 8.85 x C 2 /N m 2 A = luas kontak aluminium d = ketebalan film tipis sehingga didapatkan konstanta dielektrik film tipis seperti pada persamaan (2.12) : (2.12) Time Constant Time konstan atau yang biasa disebut sebagai konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan muatan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya yang biasanya disimbolkan dengan τ dan dirumuskan sebagai τ = RC [18]. Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan litrik yang tinggi sekitar ohm untuk mencegah aliran muatan di antara pelat kapasitor. Kapasitor dapat digunakan untuk pengisian dan pengosongan muatan. Proses pengisian muatan pada kapasitor dapat Kita asumsikan mula-mula kapasitor tidak bermuatan. Saklar, terbuka pada awalnya, ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal kirchoff memberikan hubungan : atau Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat seperti pada persamaan : (2.15) Substitusikan persaman (2.15) ke (2.14) sehinggadidapatkan persamaan : (2.16) Pada saat t=0, muatan pada kapasitor nol dan arusnya I 0 = ε/r. Muatan lalu bertambah dan arus berkurang, seperti tampak pada persamaan (2.16). Muatan mencapai maksimum Q f = Cε ketika arus I sama dengan nol.persamaan (2.16) diubah menjadi bentuk persamaan : RCdQ/dt=Cε-Q (2.17) Lalu pisahkan variable-variabel Q dan t dengan mengalikan tiap sisi dengan dt/rc dan membaginya dengan Cε Q seperti persamaan : (2.18) Dengan mengintegralkan tiap sisi diperoleh persamaan : -ln (Cε-Q)= t/rc+ A (2.19) Dimana A adalah konstanta sembarang dengan mengeksponensialkan persamaan (2.19) didapat persamaan : (2.20) Dimana B = e A adalah konstanta lainnya. Nilai B ditentukan oleh kondisi awal Q = 0 pada t = 0, dengan membuat t = 0 dan Q = 0 dalam persamaan (2.20) memberikan persamaan yaitu : 0 = Cε B (2.21) atau B = Cε (2.22) Dengan mensubstitusikan persamaan (2.20) ke persamaan (2.22) maka didapatkan persamaan yaitu : (2.23) Dimana Q f = Cε adalah muatan akhir. Arus diperoleh dengan mendifferensialkan persamaan (2.23) sehingga didapatkan persamaan : (2.24) atau ) = (2.25) dimana τ = konstanta waktu BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Material, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor dari bulan Desember 2009 sampai dengan bulan Juni 2010.

20 9 Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coater, mortal, pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, pemanas, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, LCR meter, I-V meter, osiloskop,sinyal generator, sinar X, Ocean Optics USB2000, Keithley. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Lithium Asetat [(LiO 2 CH 3 ), 99,9%],Tantalum [(Ta 2 O 5 ),99,9%], Niobium Pentaoksida[(Nb 2 O 5 )], pelarut 2- metoksietanol, substrat Si (100) tipe-p, aquades, HF (asam florida), kaca preparat dan alumunium foi, Aseton Pa, Metanol Pa, DI Water. Metode Penelitian Pembuatan Larutan LiTa dan LFT Film tipis LiTaO 3 yang ditumbuhi di atas substrat silikon tipe-p ukuran 1 cm x 1 cm dengan metode CSD dibuat dengan menggunakan Lithium Asetat [(LiO 2 C 2 H 3 ), 99,9%] + Tantalat [(Ta 2 O 5 ),99,9%] + Niobium Pentaoksida[(Nb 2 O 5 )] + bahan pendadah (untuk LNT) sebagai precursor dan asam asetat [H 3 COOCH 2 CH 2 OH, 99.9%] digunakan sebagai bahan pelarut. Setelah bahanbahan dicampur, larutan dikocok beberapa menit.. Setelah itu larutan disaring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen. Proses Penumbuhan Film Tipis Substrat yang telah dibersihkan diletakan di atas piringan reaktor spin coater yang telah di tempel dengan isolasi ditengahnya, kemudian substrat ditetesi larutan LT dan LNT sebanyak 1 tetes 3 lapisan. Kemudian dilakukan pemutaran reaktor spin coater yang diset 3000 rpm selama 30 detik. Proses selanjutnya adalah annealing yaitu pemanasan substrat pada suhu tinggi yakni pada suhu 850 C untuk subtrat Si (100) selama 15 jam yang bertujuan untuk mendifusikan larutan LT dan LNT dengan substrat. Tabel 3.1 Massa larutan Larutan Massa (gr) 2LiO 2 C 2 H 3 0,1319 Ta 2 O 5 0,4418 2LiTaO 3 0,4717 Niobium 2,5% 0,0117 Niobium 5% 0,0235 Niobium 7,5% 0,0353 Tabel 3.2 Proses Pencucian Film Tipis No Perlakuan 1 Substrat dimasukan ke Aseton Pa Kemudian di Ultrasonik 10 menit 2 Lalu Substrat dimasukan ke DI Water Kemudian di Ultrasonik 10 menit 3 Lalu Substrat dimasukan ke Metanol Pa Kemudian di Ultrasonik 10 menit 4 Lalu Substrat dimasukan ke HF + DI Water Kemudian di Ultrasonik 10 menit 5 Kemudian Substrat dimasukan ke DI Water Kemudian di Ultrasonik 10 menit Proses Annealing Proses pemanasan substrat yang telah di tumbuhi lapisan tipis pada suhu tinggi atau proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model Vulcan substrat Si (100) tipe-p di annealing pada suhu yang berbeda yaitu 850 C. Proses annealing dilakukan secara bertahap. Pemanasan dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan. Setelah kenaikan suhu selama 9 jam kemudian pemanas disesuaikan dengan suhu annealing secara konstan selama 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang selama 12 jam. Gambar proses annealing dapat di lihat pada Gambar 3.1 Gambar 3.1 Proses annealing

21 10 START Litium asetat Tantalum 2-metoksietanol Nb 2 O 5 2, 5%, 5% dan 7,5% Dicampur Dikocok selama 1jam LT LNT 2,5% LNT 5% LNT 7,5% Dikocok selama 1 jam menggunakan ultrasonik LT Precursor LNT 2,5% Precursor LNT 5% Precursor LNT 7,5% Spin coating Annealing Film tipis LT Film tipis LNT 2,5% Film tipis LNT 5% Film tipis LNT 7,5% Film tipis Analisis dan karakterisasi (XRD, absorbansi, konstanta dielektrik, kurva I-V, konduktivitas listrik) SELESAI Gambar 3.2 Diagram alur penelitian

22 11 Karakterisasi XRD Pengukuran XRD menggunakan alat XRD7000, kemudian dihubungkan dengan program dikomputer. Puncakpuncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-x untuk semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS. Absorbansi, Reflektansi, Transmitansi Pengukuran Absorbansi, Reflektansi, dan transmitansi menggunakan alat Ocean Optics USB2000 kemudian dihubungkan dengan program komputer. Data keluaran dari program komputer merupakan nilai absorbansi, reflektansi, dan transmitansi kemudian dapat dibuat grafik menggunakan Microsoft Excel. I-V Pengukuran hubungan arus dan tegangan menggunakan alat Keithley, kemudian dihubungkan dengan program dikomputer. Data keluaran dari program komputer merupakan nilai arus dan tegangan, kemudian dapat dibuat grafik hubungan tegangan dan arus menggunakan Microsoft Excel. Dari grafik hubungan tersebut dapat diketahui karakteristik film tipis yang dibuat. Konstanta Dielektrik Pada karakterisasi ini, rangkaian yang digunakan adalah rangkaian pada Gambar Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan nilai kapasitansi (C) film. Sedangkan untuk penentuan besar konstanta dielektriknya dapat menggunakan persamaan Konduktivitas Pengukuran nilai konduktivitas dan resistansi menggunakan alat LCR meter. Dari alat tersebut didapatkan nilai konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan dari persamaan R = 1/G (3.1) sedangkan nilai konduktivitas dapat dicari dari persamanan L σ = (3.2) RA HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi XRD Prinsip kerja XRD secara umum terdiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar-x, tempat objek yang diteliti, dan detektor. Sinar X dihasilkan di tabung sinar X yang berisi katoda memanaskan filamen, sehingga menghasilkan elektron. Perbedaan tegangan menyebabkan percepatan elektron akan menembaki objek. Ketika elektron mempunyai tingkat energi yang tinggi dan menabrak elektron dalam objek sehingga dihasilkan pancaran sinar X. Objek dan detektor berputar untuk menangkap dan merekam intensitas refleksi sinar X. Detektor merekam dan memproses sinyal sinar X dan mengolahnya dalam bentuk grafik. Dasar dari prinsip pendifraksian sinar X yaitu difraksi sinar-x terjadi pada hamburan elastis fotonfoton sinar-x oleh atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-x dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaandifraksi sinar-x untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg. Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-x di jatuhkan pada sampel kristal,maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-x yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-x untuk hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS[19].

23 14 Karakterisasi, Absorbansi Reflektansi, dan Transmitansi Alat yang digunakan pada pengukuran ini yaitu dengan Ocean Optics USB2000 dengan cara menembakkan alat tersebut kearah film, maka akan didapat Gambar Terlihat bahwa proses serapan film dengan semakin besar panjang gelombang maka semakin tinggi nilai absorbansinya. Sedangkan untuk reflektansi atau pemantulan yaitu terjadi atau muncul nilai reflektansi pada panjang gelombang 350 nm dengan semakin besar panjang gelombang nilai pemantulannya semakin menurun. Dan pada transmitansi atau penerusan terjadi pada panjang gelombang 350 nm dengan semakin besar panjang gelombang semakin kecil nilai transmitansinya. Gambar 4.5. Absorbansi terhadap panjang gelombang Gambar 4.6. Reflektansi terhadap panjang gelombang Gambar 4.7. Transmitansi terhadap panjang gelombang Karakterisasi Arus-Tegangan Film Tipis Pengukuran kurva arus-tegangan (I- V) menggunakan alat Keithley. Pengukuran tersebut dilakukan dengan dua perlakuan yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang disinari lampu neon 100 watt. Tegangan yang pada sumbu horizontal merupakan variabel bebas. Pada perlakuan yang dilakukan, tegangan yang diberikan sampai 10 V dengan interval 0,5 V. Data keluaran dari alat tersebut adalah nilai arus dan tegangan. Dari data tersebut dibuat hubungan antara tegangan dan arus menggunakan Microsoft Excel. Kurva yang diperoleh dari hubungan arus dan tegangan menunjukkan film tipis LT dan LNT yang ditumbuhkan pada substrat Si tipe-p memiliki sifat dioda akan tetapi pada film tipis LNT 7,5% bersifat sebagai resistor. Film tipis yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p, sedangkan lapisan tipis LT dan LNT merupakan semikonduktor tipe-n. Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction [20]. Dengan adanya p-n junction, maka karakteristik dari film tipis yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda yang merupakan gabungan antara dua elektroda yaitu anoda dan katoda [21]. Tegangan yang menyebabkan arusnya mulai naik disebut dengan tegangan knee. Untuk bahan semikonduktor tertentu, mempunyai tegangan knee yang berbeda seperti bahan semikonduktor Silikon 0,7 V dan Germanium 0,3 V. Nilai tegangan knee berturut-turut untuk film tipis LT dan LNT dapat dilihat pada Gambar 4.7 sampai Gambar Untuk film tipis LT murni didapatkan tegangan knee sebesar 3,5 V

24 15 sedangkan untuk film tipis LNT dengan doping 2,5% dan 5% didapatkan tegangan kneenya berturut-turut sebesar 1,5 V dan 4,5 V. Khusus untuk doping 7,5%, tidak didapatkan nilai tegangan knee. Hal ini karena kurva I-V yang dihasilkan berbentuk resistor sehingga jika diberi tegangan berapapun arusnya akan naik dan ini kemungkinan terjadi karena niobium merupakan bahan konduktor sehingga dengan semakin banyaknya pendadah niobium energi yang dihasilkan pada pita akseptor akan sama atau melebihi energi fermi yang dihasilkan dalam semikonduktor tipe p tersebut dan mendekati pita konduksi sehingga dapat bersifat sebagai konduktor. Prinsip kerja I-V sendiri yaitu terjadi karena saat film tipis yang memiliki dua muatan yaitu positif dan negatif diberikan tegangan maka elektron dan hole akan menghasilkan arus. Adanya doping menyebabkan semakin banyaknya elektron bebas dan hole pada kristal [22]. Dengan banyaknya elektron bebas pada film tipis maka menyebabkan film tipis menjadi konduktif. Pemberian cahaya pada film tipis menyebabkan film tersebut menjadi lebih konduktif. Terjadinya sifat konduktif pada film tipis karena adanya energi foton yang diserap oleh elektron sehingga menyebabkan arusnya menjadi besar. Dari karakteristik I- V yang dilakukan maka dapat diketahui bahwa film tipis yang dibuat mempunyai sifat sebagai dioda. Selain itu dengan adanya perbedaan kurva ketika diberikan cahaya dan tanpa cahaya, maka film tipis yang dibuat juga mempunyai sifat sebagai fotodioda. Gambar 4.9. Kurva I-V LNT 2,5% Gambar Kurva I-V LNT 5% Gambar Kurva I-V LNT 7,5% Gambar 4.8. Kurva I-V LT

25 16 Tabel 4.1. Nilai tegangan knee film tipis LT dan LNT Film tipis Tegangan knee LT 3,5 LNT 2,5% 1,5 LNT 5% 4,5 LNT 7,5% Tidak ada Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis Perhitungan konstanta dielektrik dari film tipis LT dan LNT menggunakan rangkaian pada Gambar 2.1. Hasil keluaran osiloskop dari Gambar 2.12 akan menentukan nilai konstanta dielektrik yang didapat. Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Dari gambar hasil keluaran pada osiloskop dapat dilihat bahwa kelengkungan pada sinyal kotak menunjukkan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut (lihat hasil tampilan osiloskop pada Gambar 4.13 sampai Gambar 4.16). Pada gambar tersebut faktor yang mempengaruhi besarnya nilai konstanta dielektrik adalah banyaknya pendadah ferium oksida yang diberikan pada film tipis tersebut. Meninjau dari persambungan p-n yang terbentuk pada film tipis dan substrat, film tipis yang bertipe n memiliki muatan negatif bebas serta ion positif statik sedangkan substrat memiliki muatan positif bebas dan ion negatif statik. Tepat pada daerah sambungan dan sekitarnya, terjadi difusi muatan bebas yaitu elektron menuju tipe p dan hole menuju tipe n. Peristiwa difusi tersebut disertai terjadinya rekombinasi, yaitu penggabungan elektron dan hole lalu hilang. Dengan rekombinasi ini, disekitar daerah sambungan tidak ada lagi muatan-muatan bebas, dan yang tertinggal hanyalah ion-ion statik; yaitu ionion dari atom donor dan akseptor. Daerah sambungan seperti ini disebut dengan lapisan deplesi. Karena daerah deplesi mengandung muatan positif statik pada salah satu sisi dan muatan negatif pada sisi lain, maka timbul medan listrik pada daerah deplesi tersebut dan ini dapat dipandang sebagai keping sejajar [23]. Dengan demikian daerah deplesi memiliki nilai kapasitansi. Selain itu, karena hole dalam tipe p lebih tinggi konsentrasinya daripada hole dalam tipe n maka mereka berdifusi dari daerah tipe p ke tipe n dan proses ini juga terjadi pada elektron akan tetapi tidak terjadi terus menerus. Jika hole meninggalkan daerah tipe p dan hilang ke dalam daerah tipe n karena berekomendasi, sebuah akseptor akan diionisasikan menjadi negatif dalam daerah tipe-p membentuk ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada elektron yang meninggalkan muatan ruang positif pada daerah tipe n, ini membangkitkan medan listrik yang mulai dari ruang bermuatan positif, berakhir pada ruang bermuatan negatif. Medan listrik ini menghambat hole untuk berdifusi dari daerah tipe p ke tipe n, juga demikian pada elektron terhambat berdifusi dari tipe n ke tipe p [24]. Dari Tabel 4.2 dibawah terlihat bahwa konstanta dielektrik akan meningkat seiring dengan besarnya ketebalan film. Ini disebabkan doping niobium akan menambah konsentrasi pembawa muatan positif yang menyebabkan medan listrik dalam daerah deplesi berkurang dan menurunkan nilai kapasitansi, sehingga dengan semakin besarnya ketebalan film tipis menyebabkan nilai konstanta dielektriknya bertambah besar. Pada film tipis LT nilai dielektrik terbesar terjadi pada LNT yang didadah niobium sebanyak 2,5%. Hal ini disebabkan ketebalan pada LNT 2,5% lebih besar daripada LT 0% ataupun yang didadah niobium sebanyak 5% dan 7,5%. Gambar Input awal sinyal kotak

26 17 Gambar Kurva kapasitor LT Gambar Kurva kapasitor LNT 7,5% Tabel 4.2. Nilai konstanta dielektrik film Ttipis LT dan LNT Film Tipis Ketebalan (μm) Konstanta Dielektrik LT 0,3 45,2 LNT 3,0 68,7 2,5% LNT 2,1 47,9 5% LNT 7,5% 2,4 63,3 Gambar Kurva kapasitor LNT 2,5% Gambar Kurva kapasitor LNT 5% Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Tipis Pengukuran nilai konduktivitas listrik film tipis dilakukan dalam 5 kondisi yang berbeda yaitu gelap (0 watt), dengan lampu 25 watt, 50 watt, 75 watt dan 100 watt. Adapun hasil perhitungannya dapat dilihat pada Tabel 4.3. Secara umum nilai konduktivitas ordenya ialah 10-5 S/cm yang berarti dapat dikatakan bahwa film tipis yang kita buat merupakan suatu material semikonduktor. Dari tabel diketahui bahwa nilai konduktivitas listrik meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya. Peningkatan konduktivitas ini dikarenakan tereksitasinya elektron pada pita valensi ke pita konduksi [19]. Elektron pada pita konduksi bebas bergerak dibawah pengaruh medan listrik sehingga semakin banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi akibat disinari cahaya yang menyebabkan arus akan meningkat dengan demikian konduktivitas listriknya juga meningkat [24]. Adapun untuk data nilai konduktivitas masing-masing film tipis dapat dilihat pada Tabel 4.3 dan Lampiran 4.

27 18 Gambar 4.17 menunjukkan kurva konduktivitas listrik film tipis LT dan LNT sebagai fungsi dari intensitas cahaya. Kurva konduktivitas tersebut menunjukkan konduktivitas relatif stabil sebagai fungsi intensitas cahaya dan penambahan dopan niobium akan meningkatkan nilai konduktivitas. Secara umum penambahan doping niobium akan meningkatkan konduktivitas listrik film tipis seperti terlihat pada Gambar Peningkatan konduktivitas listrik akibat penambahan doping niobium terjadi karena atom trivalent memiliki tiga elektron pada pita valensi sedangkan ion silikon memiliki empat elektron valensi dengan demikian ada ikatan kovalen yang kosong (hole). Kekurangan elektron ini menyebabkan semikonduktor menjadi tipe p. Selain itu, jika semikonduktor intrinsik (semikonduktor yang dibuat dengan metode khusus untuk meningkatkan kemurniannya setinggi mungkin, sehingga hasilnya bisa dianggap sebagai semikonduktor murni) didoping dengan sejumlah kecil atom trivalent, maka setiap atom doping akan mengkontribusikan tiga elektron dan menyisakan satu hole pada ikatan kovalen. Zat pendoping seperti ini disebut akseptor atau ketidakmurnian tipe p. Penambahan akseptor pada semikonduktor intrinsik akan menimbulkan tambahan tingkat energi sedikit diatas pita valensi. Kecilnya selisih tingkat energi pita valensi dan pita konduksi menyebabkan banyaknya elektron naik ke pita konduksi, meninggalkan hole pada pita valensi yang menjadi carrier terbesar pada suatu bahan semikonduktor sehingga nantinya akan meningkatkan nilai konduktivitas listrik film tipis LT dan LNT. Table. 4.3 Konduktivitas listrik Film tipis LT Konduktivitas Listrik (ns/cm) 0Watt 25Watt 50Watt 75Watt 0% ,5% % ,5% Gambar Konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap variasi intensitas cahaya. Gambar Konduktivitas terhadap doping niobium KESIMPULAN Dari hasil yang didapatkan berdasarkan eksperimen yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa Doping niobium yang diberikan akan merubah tegangan knee untuk setiap film tipis dan penambahan niobium sebanyak 5% akan merubah karakteristik film tipis menjadi dioda. Konstanta dielektrik meningkat terjadi pada pendadah niobium 2,5%. Dari kurva arustegangan film tipis LT dan LNT, film tipis yang ditumbuhkan bersifat sebagai fotodioda dan pada LNT 7,5% bersifat sebagai resistor. Nilai konduktivitas listrik film tipis meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya menunjukkan bahwa film tipis LT dan LNT yang dibuat merupakan material semikonduktor. Sifat absorbansi, reflektansi, dan transmitansi LT dan LNT terjadi pada sinar UV.