KARAKTERSASI STRUKTUR DAN SIFAT LISTRIK MSM BERBASIS MATERIAL ALGaN YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE PA-MOCVD

Transkripsi

1 KARAKTERSASI STRUKTUR DAN SIFAT LISTRIK MSM BERBASIS MATERIAL ALGaN YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE PA-MOCVD TUGAS AKHIR Diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjana di Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung Tahun Akademik 2007/2008 Oleh Juli Cha Tarido PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG BANDUNG 2008

2 KARAKTERISASI SRTUKTUR DAN SIFAT LISTRIK METAL-SEMIKONDUKTOR- METAL (MSM) BERBASIS MATERIAL AlGaN YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE PA-MOCVD TUGAS AKHIR Laporan tugas akhir ini sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana dari Institut Teknologi Bandung Oleh JULI CHA TARIDO NIM: Tanggal: Disetujui dan disahkan oleh Dosen Pembimbing YUDI DARMA Ph.D NIP Dr EUIS SUSTINI NIP PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

3 ABSTRAK Telah diselidiki pengaruh annealing terhadap sifat listrik untuk mempelajari kestabilan termal, pengaruh lapisan interface, dan reaksi oksidasi pada AlGaN yang ditumbuhkan diatas substrat Si (111) dengan teknik metal-organic-vapour-deposition berbantuan plasma (PA-MOCVD) sebagai kontak Schottky metal-semikonduktor-metal (MSM). Telah dihitung kebergantungan dark current yang berhubungan dengan tinggi barrier untuk tiap sampel sebelum dan sesudah diberikan annealing. Meskipun setiap sampel ditumbuhkan dengan parameter dan proses pembuatan kontak Au yang sama, ternyata karakteristik I-V bergantung pada distribusi atom-atom Al pada lapisan tipis yang ditinjau melalui tinggi barrier masing-masing divais. Setelah annealing pada suhu C selama lima menit menunjukan dark current masih dipengaruhi dominan oleh kebocoran arus yang disebabkan interface kontak dan lapisan. Hasil berikutnya menunjukkan dark current setiap sampel menurun yang berkebalikan terhadap tinggi barrier setelah diaanealing pada suhu C selama lima menit. Kondisi maksimum yang terkait dengan dark current yang paling rendah dan barrier yang paling tinggi dicapai setelah dibreikan annealing pada suhu C selama dua menit, kondisi ini didominasi oleh perubahan struktutr lapisan. Reaksi oksidasi terbentuk pada permukaan lapisan setelah diannealing pada suhu C selama lima emepat menit oleh sisa-sisa pengotor didalam gas nitrogen. Kata kunci: AlGaN, PA-MOCVD, annealing, karakteristik I-V, tinggi barrier, dark current. ii

4 ABSTRACT The effect of annealing on electrical properties to study thermal stability, interface effect, and oxidation reaction of AlGaN grown on Si (111) by plasma-assisted metal-organicvapour-deposition (PA-MOCVD) method as metal-semiconductors-metal (MSM) Schottky contact was investigated. The dependence of dark current to barrier height on material properties after and before giving annealing of samples were calculated. Although the samples were grown with the same parameters and the Au evaporation process, I-V characteristic seems depend on the distribution of Al atoms in thin film that was evaluated from barrier height of each sample. After Annealling at C for five minutes, I-V characteristic shown the dark current predominantly influenced by leakage current as interface effect between AlGaN and Au. The other result confirms that for giving annealing at C for five minutes the dark current decrease inversly to barrier height for each sample. Maximum condition due to the lowest dark current and highest barrier height was achieved after giving annealing at C for two minutes, that condition was dominated by the structure alteration at thin film. Finally, the oxidation reaction was formed at thin film surface for annealing at C for four minutes by residual impurity of niyrogen gas. Keyword: AlGaN, PA-MOCVD, annealing, I-V characteristic, barrier height, dark current. iii

5 PRAKATA Penulis mungucapkan puji dan syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan kesabaran dan kekuatan serta rahmat hidayah-nya untuk menyelesaikan karya ilmiah ini. Karya tulis ini aku persembahkan untuk Ayahanda, Ibunda, dan Adikku tercinta yang telah memberi dukungan dan kerjasama dalam rangka menyelesaikan pendidikan hingga tingkat sarjana. Karya tulis ini berjudul Karakterisasi Sruktur dan Sifat Listrik Metal- Semikonduktor-Metal (MSM) Berbasis Material AlGaN yang Ditumbuhkan dengan Metode PA-MOCVD yang berisi tentang karakteristik permukaan, struktur kristal, dan sifat listrik hasil penumbuhan lapisan AlGaN dengan teknik metal-organic-vapourdeposition berbantuan plasma (PA-MOCVD) yang telah dikembangkan oleh KK FisMaTel ITB dalam berbagai kondisi dan variasi jumlah finger MSM serta temperatur annealing. Selain itu, karya tulis ini dilengkapi dengan teori-teori guna kelanjutan riset mengenai lapisan AlGaN selanjutnya. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Yudi Darma Ph.D dan Dr. Euis Sustini selaku pembimbing yang mengajarkan konsistensi dalam mempelajari, memilih, dan mengerjakan topik yang menjadi tugas akhir. Dan tak lupa untuk Bu Silvi yang selalu memberikan dukungan secara fisik dan spirit selama menjalani kuliah serta menjalani kehidupan di Bandung. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada pihak-pihak yang terlibat dalam rangka penyelesaian tugas akhir ini antara lain: Buat Hamzah dan Madrid yang mengajak kejalan sesat cepet-cepet ngambil TA. Pak Heri atas pembuatan sampel. Pak Agus dan Pak Edi atas diskusi dan eksperimen selama ini. Pak Mul yang membantu lithografi. Pak Ahmad Nurrudin (Dosen FT) yang memberi jalan untuk belajar di PAU meskipun hasilnya tidak lancar. Agus Suroso yang bikin sebel tiap ketemu nanyain::::gimana TA-nya Jul GRrrr. Ga penting banget. He3x iv

6 BiJa (Bimo & Teja), Mamang, Bobby, etc HIDUP RELATIF!!!! Satrio yang selalu kasi support, nge-rokok bareng, diskusi (Ga ding, lebih tepatnya debat)..hahaha. Widi yang jadi korban waktu fisika kuantum. Aldo atas obat jerawatnya. Seramika atas buku panduan melukisnya. Nirmin yang senasib. Bang Yo dan Alil (bingung atas apa Yach???). atas traktirannya aja deh. Ibu kos atas BON listrik & air. Dan untuk semua temen-temen yang kenal aku. Kalian dah kasi kontribusi secara langsung n ga langsung. Tq a lot. Bandung, Maret 2008 Best regard (Juli Cha Tarido) v

7 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK PRAKATA i ii iv DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR vi ix x BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang dan Motivasi Sistematika Penulisan 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Semikonduktor Paduan III-Nitrida Material GaN Material AlN Material Al x Ga 1-x N Teori Fotodetektor (Pd) dengan Struktur MSM Prinsip operasi MSM Pd Parameter operasi MSM Pd a Dark current 12 vi

8 BAB III EKSPERIMEN & KARAKTERISASI 3.1 Metode MOCVD dan PA-MOCVD Parameter dan Proses Penumbuhan Karakterisasi Lapisan Tipis AlGaN X-Rays diffraction (XRD) Scanning electron microsecope (SEM) Pembuatan Kontak MSM Berbasis Material Au/AlGaN Proses Annealing 29 BAB IV PERHITUNGAN & ANALSIS HASIL KARAKTERISASI XRD, EDS DAN I- V MSM 4.1 Penentuan Parameter Intrinsik Lapisan Penghitungan konstanta kisi sampel A dan B Pengukuran I-V Pengukuran I-V sebelum dilakukan annealing Pengukuran I-V setelah diberikan annealing untuk mereduksi pengaruh lapisan interface a Annealing pada temperatur C b Annealing pada temperatur C c Annealing pada temperatur C Penghitungan rapat arus dan analisis tinggi barrier setiap sampel setelah treatment interface a Perhitungan tinggi barrier sampel setelah annealing C a Perhitungan tinggi barrier sampel setelah annealing C 38 vii

9 4.2.4 Penghitungan rapat arus dan analisis tinggi barrier setiap sampel setelah treatment perubahan struktur lapisan a Annealing pada temperatur C b Annealing pada temperatur C 45 BAB V SIMPULAN DAN SARAN 6.1 Simpulan Saran 48 REFERENSI LAMPIRAN LAMPIRAN A LAMPIRAN B LAMPIRAN C xii xiv xvii xviii viii

10 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Parameter penumbuhan AlGaN dengan reaktor PA-MOCVD. 22 Tabel 4.1 Parameter intrinsik lapisan AlGaN (sampel B) 29 Tabel 4.2 Perbedaan konstanta kisi paduan terhadap jumlah atom Al dalam paduan AlGaN. 30 ix

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Perbandingan band gap paduan III-Nitrida terhadap konstanta kisi [S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett. 70, 1417(1997)]. 6 Gambar 2.2 GaN dengan struktur wurtzite. Parameter kisi a dan c terhadap temperatur untuk lapisan monolayer. [maruska dan Tietjen(1969)]. 7 Gambar 2.3 Koefisien ekspansi termal AlN terhadap temperatur [Slack & Bartram (1975)]. 9 Gambar 2.4 Struktur pita pada daerah persambungan antara GaN/AlGaN [Ashif Khan et al (1992)]. 10 Gambar 2.5 Skema MSM Pd dengan tiga finger metal, x adalah jarak antar finger, w adalah tebal finger, dan L adalah panjang finger. 12 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. 13 Gambar 2.7 (a) Skema diagram struktur MSM, (b) distribusi muatan, (c) medan listrik, (d) diagram energi pada saaat keseimbangan termal. 14 Gambar 2.8 (a) distribusi muatan, (b) medan listrik, (c) diagram energi dibawah pengaruh bias (negatif bias pada kontak 1). 15 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. 17 Gambar 3.1 Skema penumbuhan AlGaN dengan reaktor MOCVD (a) precursor (b) reaksi pada permukaan substrat (c) pirolisis (d) terbentuknya lapisan (e) desorpsi lapisan. 20 x

12 Gambar 3.2 Struktur lewis precursor AlGaN dengan metode MOCVD konvensional. 20 Gambar 3.3 Skema penumbuhan lapisan AlGaN dengan metode PA-MOCVD (a) precursor (b) penembakan N 2 dengan gelombang mikro sehingga nitrogen menjadi reaktif N * (c) terbentuknya ikatan (d) lapisan terdeposisi. 21 Gambar 3.4 Crossection lapisan tipis AlGaN yang ditumbuhkan diatas Si (111). 23 Gambar 3.5 Hasil karakterisasi XRD (a) lapisan tipis AlGaN dengan konsentrasi Al 20% (b) Hasil XRD lapisan tipis AlGaN dengan konsentrasi Al 20%. 24 Gambar 3.6 (a) & (b) Morfologi permukaan lapisan tipis dengan konsentrasi Al 20%. (c) & (d) Morfologi permukaan lapisan tipis dengan konsentrasi Al 30%. 26 Gambar 3.7 Disain MSM Au/AlGaN dengan variasi 3, 5, 7, dan 22 finger. 27 Gambar 3.8 Skema tahap pembuatan kontak MSM. 27 Gambar 4.1 Skema alat karakterisasi I-V. 31 Gambar 4.2 Karakteristik I-V masing-masing divais sebelum dilakukan annealing. 32 Gambar 4.3 Karakteristik I-V setelah dilakukan annealing pada temperatur C. 33 Gambar 4.4 Perubahan karakteristik fungsi kerja kontak Ohmic menjadi kontak Schottky (a) 3 dan 5 finger (b) 7 dan 22 finger. 34 Gambar 4.5 Kurva karakteristik I-V MSM dengan variasi 3, 5, 7, dan 22 finger setelah annealing C. 35 Gambar 4.6 Kurva ekstrapolasi ln(j) setelah annealing C terhadap bias maju (a) 3finger, (b) 5 finger, (c) 7 finger, (d) 22 finger. 37 xi

13 Gambar 4.7 Diagram tinggi barrier kondisi annealing C, dari kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, 7, dan 22 finger. 36 Gambar 4.8 Kurva ekstrapolasi ln(j * s) setelah annealing C terhadap bias maju (a) 3finger, (b) 5 finger, (c) 7 finger, (d) 22 finger. J * s adalah rapat arus saturasi dengan adanya lapisan interface. 39 Gambar 4.9 Diagram tinggi barrier kondisi annealing C, dari kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, 7, dan 22 finger. 40 Gambar 4.10 Karakteristik I-V setelah dilakukan annealing pada temperatur C (a) 3 finger (b) 5 finger (c) 7 finger. 42 Gambar 4.11 Kurva ekstrapolasi ln(j * s) setelah annealing C terhadap bias maju (a) 3finger (b) 5 finger (c) 7 finger. 43 Gambar 4.12 Diagram tinggi barrier kondisi annealing C, dari kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, dan 7 finger. 43 Gambar 4.13 Ilustrasi reaksi permukaan pada proses annealing dengan temperatur tinggi. 45 xii