BAB IV PERHITUNGAN & ANALSIS HASIL KARAKTERISASI XRD, EDS DAN PENGUKURAN I-V MSM Pada bab sebelumnya telah diperlihatkan hasil karakterisasi struktur kristal, morfologi permukaan, dan komposisi lapisan. Hasil karakterisasi ini akan dimanfaatkan untuk menentukan parameter intrinsik material AlGaN. Data EDS yang menunjukkan fraksi molar Al pada lapisan sekitar 0.162. 4.1 Penentuan Parameter Intrinsik Lapisan Parameter intrinsik lapisan ditinjau melalui pendekatan semi empirik. Parameter-parameter tersebut diperlihatkan pada tabel 4.1. Parameter Intrinsik Persamaan semi empirik Hasil Perhitungan Band gap lapisan Eg( x) = 3.42 + 2.86x x(1 x)0. 1 ev [31] 3.869 ev * m Massa efektif elektron = 0.33x + 0.2(1 x) [32] 0.222116 m 0 m 0 * 2 * 4πm qk Konstanta Ricardson A = 26.7167 A/K 2 cm 2 3 h Tabel 4.1 Parameter intrinsik lapisan AlGaN (sampel B). Hasil perhitungan ini akan dimanfaatkan untuk perhitungan rapat arus saturasi dan tinggi barrier setiap sampel. 4.1.1 Penghitungan konstanta kisi sampel A dan B Dalam pengolahan data XRD, diasumsikan lapisan AlGaN yang terbentuk berstruktur kristal heksagonal. Asumsi ini didasarkan oleh struktur stabil secara termodinamik GaN dan AlN sebagai komponen paduan AlGaN adalah heksagonal [35]. Pengolahan data XRD 30
ditujukan untuk penentuan konstanta kisi tiap sampel. Hasil perhitungan diperlihatkan pada tabel 4.2. Konsentrasi 2θ a c Sample A. Al 20% 32,8357 3,1485 2,726681 Sampel B. Al 30% 32,7988 3,151947 2,729666 Tabel 4.2 Perbedaan konstanta kisi paduan terhadap jumlah atom Al dalam paduan AlGaN. Perbedaan konstanta kisi tiap sampel disebabkan perbedaan kandungan Al masing-masing sampel. Ikatan Al-N lebih panjang dibandingkan Ga-N [30]. Meskipun tidak dilakukan karakterisasi komposisi lapisan untuk sampel A, dari perhitungan konstanta kisi disimpulkan sampel B mengandung Al lebih banyak dibandingkan sampel A. Hasil ini sesuai dengan yang diharapkan pada parameter penumbuhan, yaitu laju alir precursor Al yang lebih besar pada sampel B. 4.2 Pengukuran I-V Ketika diberikan tegangan bias diantara anoda (bias positif) dan katoda (bias negatif), maka daerah dekat kedua elektroda tersebut akan terdeplesi. Sehingga pada daerah absorpsi terbentuk dua daerah, daerah depletion (deplesi) dan undepletion (tidak terdeplesi). Gambar 4.1 Skema alat karakterisasi I-V. 31
pengukuran ini dilakukan dengan berbagai variasi temperatur dan waktu annealing dalam atmosfer nitrogen. Dalam eksperimen ini, proses annealing memiliki dua tujuan utama yaitu: Mereduksi pengaruh interface antara kontak Au dan lapisan tipis AlGaN. Hal ini dapat dicapai dengan memberikan annealing dengan dibawah temperatur penumbuhan. Pada kondisi ini diyakini tidak terjadi perubahan struktur lapisan. Untuk tujuan ini, dilakukan annealing dengan temperatur 300 selama 30 s dilanjutkan dengan annealing pada temperatur 500 dan 600 0 C selama lima menit. Melakukan perubahan struktur lapisan untuk mengevaluasi kestabilan material AlGaN. Untuk mencapai tujuan ini, dilakukan annealing dengan temperatur 800 dan 850 0 C masing-masing selama dua menit dan empat menit. Pengukuran I-V dilakukan setelah sampel didinginkan pada temperatur ruang. Berikut ini akan dibahas satu-persatu hasil pengukuran I-V sebelum dan sesudah annealing. 4.2.1 Pengukuran I-V sebelum dilakukan annealing Pada pengukuran ini, setiap sampel menunjukkan karakteristik sebagai kontak Ohmic. Data yang menunjukkan terjadinya kontak ohmik dengan resistivitas yang berbeda-beda terhadap jumlah finger Seperti yang diperlihatkan pada gambar 4.2. Gambar 4.2 Karakteristik I-V masing-masing divais sebelum dilakukan annealing. 32
Pada dasarnya AlGaN dengan kontak Au akan membentuk sambungan schottky. Fungsi kerja sampel sebagai kontak Ohmic terbentuk oleh kontribusi arus yang berasal dari lapisan interface antara AlGaN dan kontak Au. Lapisan interface yang terbentuk merupakan fase nitrida karena konsentrasi kekosongan nitrogen paling tinggi berada pada daerah interface[24]. Asumsi ini didukung oleh hasil EDS yang memperlihatkan komposisi nitrogen lapisan cukup rendah. 4.2.2 Pengukuran I-V setelah diberikan annealing untuk mereduksi pengaruh lapisan interface Pada kondisi ini dilakukan annealing dibawah temperatur penumbuhan. Kondisi ini merupakan treatment terhadap lapisan interface agar dihasilkan kualitas persambungan kontak yang baik. 4.2.2.a Annealing pada temperatur 300 0 C Setelah dilakukan tahap ini, karakteristik I-V setiap divais masih bersifat Ohmic. Karateristik I-V tiap sampel diperlihatkan oleh gambar 4.3. Gambar 4.3 Karakteristik I-V setelah dilakukan annealing pada temperatur 300 0 C. Dari hasil ini diasumsikan lapisan interface yang terbentuk antara Au dan AlGaN terlalu tebal sehingga arus yang diukur dominan berasal dari lapisan interface. Untuk mengetahui 33
lebih lanjut pengaruh lapisan interface ini, maka dilakukan proses annealing pada temperatur 500 0 C. 4.2.2.b Annealing pada temperatur 500 0 C Setelah dilakukan annealing pada suhu 500 0 C, diamati terjadi perubahan fungsi kerja divais dari ohmik menjadi Schottky. Pada kondisi ini pengaruh lapisan interface tereduksi sehingga diperoleh karakteristik Schottky, karakteristik ini merupakan karakteristik ideal antara AlGaN tipe-n dengan kontak Au. Gambar 4.4 menunjukkan karakteristik I-V tiap sampel yang bersifat Schottky. (a) (b) Gambar 4.4 Perubahan karakteristik fungsi kerja kontak Ohmic menjadi kontak Schottky (a) 3 dan 5 finger (b) 7 dan 22 finger. 34
Pada kondisi ini diasumsikan bahwa lapisan interface menipis dan merapat sehingga terbentuk clusters dengan adanya perlakuan annealing. Pembentukan clusters lapisan interface menyebabkan kontak Au dapat bersentuhan dengan lapisan AlGaN. Akan tetapi, kontak emas belum sepenuhnya melewati lapisan interface, kondisi menyebabkan karaktersitik I-V masih dipengaruhi arus yang berasal dari lapisan interface. Pada tahap selanjutnya dilakukan annealing pada temperatur 600 0 C, pada kondisi ini diharapkan kontak Au terdifusi melewati cluster lapisan interface sehingga diperoleh karakteristik I-V yang berasal dari lapisan AlGaN. 4.2.2.c Annealing pada temperatur 600 0 C Karakteristik I-V setiap sampel setelah di-annealing pada temperatur 600 0 C diperlihatkan pada gambar 4.5. Gambar 4.5 Kurva karakteristik I-V MSM dengan variasi 3, 5, 7, dan 22 finger setelah annealing 600 0 C. Annealing pada temperatur ini menyebabkan kontak emas sedikit terdifusi menuju lapisan AlGaN. Kondisi ini dapat dicapai karena difusi suatu material dapat terjadi jika temperatur pemanasan mendekati setengah melting point material tersebut. Dengan mengetahui melting point Au adalah 1300 0 C, maka dapat terjadinya sedikit difusi emas sehingga bisa melewati lapisan interface. 35
4.2.3 Penghitungan rapat arus dan analisis tinggi barrier setiap sampel setelah treatment interface 4.2.3a Perhitungan tinggi barrier sampel setelah annealing 600 0 C Dari hasil eksperimen dan asumsi diatas, karakteristik I-V sampel setelah dilakukan annealing pada temperatur 600 0 C digunakan sebagai acuan untuk menganalisis pengaruh lapisan interface. Rapat arus masing-masing sampel dihitung menggunakan data hasil pengukuran I-V. Selanjutnya dilakukan perhitungan logaritma natural rapat arus ln(j) masing-masing sampel. Logaritma natural rapat arus saturasi ln(j s ) ditentukan dengan ektrapolasi ln(j) tiap sampel pada tegangan bias V = 0. Ektrapolasi logaritma rapat arus ln(j) masing-masing sampel ditunjukkan pada gambar 4.6. Rapat arus saturasi masing-masing sampel 3, 5, 7, dan 22 adalah -2.666, -3.628, -2.998, dan -4.739 A/cm 2 (tanda minus menunjukkan tipe pembawa muatan adalah elektron). Dari perhitungan ini terlihat perubahan rapat arus saturasi terhadap variasi luasan kontak. Selanjutnya, ditentukan tinggi barrier tiap sampel menggunakan persamaan rapat arus dioda Schottky (pers. 25 Apendiks C). dari perhitungan ini diperoleh tinggi barrier tiap sampel adalah 0.4651, 0.4626, 0.4643, dan 4.598 ev masing-masing untuk 3, 5, 7, dan 22 finger. Diagram tinggi barrier masing-masing sampel diperlihatkan oleh gambar 4.7. 0.4651 ev 0.4643 ev 0.4626 ev 0.4598 ev Gambar 4.7 Diagram tinggi barrier kondisi annealing 600 0 C, dari kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, 7, dan 22 finger. 36
(a) (b) (c) (d) Gambar 4.6 Kurva ekstrapolasi ln(j) setelah annealing 600 0 C terhadap bias maju (a) 3finger, (b) 5 finger, (c) 7 finger, (d) 22 finger. 37
Hasil perhitungan ini menunjukkan adanya perbedaan tinggi barrier untuk masing-masing sampel, hasil ini kurang memenuhi konsep secara teoritik. Meskipun luasan kontak berbeda-beda (jumlah finger berbeda), dengan penggunaan AlGaN yang ditumbuhkan dengan parameter dan proses kontak yang sama (temperatur, tekanan, laju alir precursor, dan pada saat yang sama) mestinya memiliki tinggi barrier yang sama. Kondisi yang paling mungkin untuk menjelaskan fenomena ini adalah ketidakhomogenan distribusi atom Al. Komposisi Al merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi tinggi barrier pada lapisan AlGaN [36]. Meskipun tiap sampel ditumbuhkan dengan parameter dan proses pembuatan kontak yang sama, hasil perhitungan ini menunjukkan distribusi kerapatan atom Al yang berbeda-beda pada tiap sampel. Fenomena ketidakhomogenan distribusi atom Al terjadi disebabkan oleh perbedaan kemampuan berikatan komponen penyusun lapisan AlGaN (Ga-Al > (Ga-Ga = N-N) > Al-Al) [39]. AlGaN yang ditumbuhkan dengan parameter, proses kontak, dan saat yang sama. Jika terjadi perbedaan tinggi barrier tiap lapisan, maka sangat beralasan untuk menyatakan bahwa terjadinya perbedaan kerapatan atom Al dalam lapisan yang menyebabkan terjadinya perbedaan tinggi barrier. Dari hasil ini disimpulkan, sampel dengan 22 finger memiliki kerapatan Al tertinggi dan terendah dimiliki oleh sampel dengan 3 finger. 4.2.3a Perhitungan tinggi barrier sampel setelah annealing 500 0 C Tinggi barrier antara kontak dengan semikonduktor secara ideal hanya dipengaruhi oleh fungsi kerja metal dan afinitas elektron semikonduktor. Akan tetapi pada kondisi nyata hal ini sangat sulit diwujudkan sehingga tinggi barrier yang terbentuk merupakan paduan antara barrier lapisan interface dan lapisan semikonduktor terhadap kontak. Hasil perhitungan rapat arus saturasi pada kondisi annealing 600 0 C dijadikan referensi dalam pengolahan dan analisis data pada kondisi ini. Dengan tahapan yang sama, dilakukan perhitungan untuk menentukan rapat arus saturasi pada kondisi adanya pengaruh interface. 38
(a) (b) (c) (d) Gambar 4.8 Kurva ekstrapolasi ln(j * s) setelah annealing 500 0 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
Selanjutnya dilakukan perhitungan tinggi barrier tiap sampel setelah di-annealing pada temperatur 500 0 C. Sebelumnya telah diasumsikan bahwa karakteristik I-V pada kondisi ini masih dipengaruhi lapisan interface. Persamaan dioda Schottky dengan adanya lapisan interface digunakan untuk menentukan tinggi barrier setiap sampel (pers. 26 Apendiks C). Dari plot grafik diatas dapat ditentukan logaritma natural rapat arus (ln) untuk setiap divais dengan masing-masing 3, 5, 7, dan 22 finger berturut-turut -2.4, -3.433, -2.72, dan -3.881 A/cm 2. Dari nilai ln J * s menunjukkan masing-masing nilai yang menurun dibandingkan dengan kondisi sebelumnya (annealing 600 0 C). Potensial barrier dengan adanya lapisan * interface φ bn untuk masing-masing 3, 5, 7, dan 22 finger berturut-turut adalah 0.441 ev, 0.4676 ev, 0.4492 ev, dan 0.4792 ev. Gambar 4.9 memperlihatkan tinggi barrier tiap sampel. Gambar 4.9 Diagram tinggi barrier kondisi annealing 500 0 C, dari kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, 7, dan 22 finger. Berdasarkan pengolahan ini terlihat jelas adanya penurunan barrier setiap sampel dengan adanya pengaruh lapisan interface. Lapisan interface Au/AlGaN dapat menyebabkan tereduksinya tinggi barrier dan menyebabkan tambahan kebocoran arus[38]. Penurunan barrier ini pada hakikatnya meningkatkan darkcurrent pada tiap sampel. Detektor yang baik harus memiliki nilai darkcurrent yang rendah berhubungan dengan barrier yang tinggi sehingga perlu dilakukan treatment untuk mereduksi dark current. 40
4.2.4 Penghitungan rapat arus dan analisis tinggi barrier setiap sampel setelah treatment perubahan struktur lapisan Perubahan struktur suatu material dapat terjadi jika diberikan annealing diatas temperatur penumbuhan. Pada eksperimen ini dilakukan dengan dua keadaan, yaitu annealing pada temperatur 800 0 C selama dua menit dan 850 0 C selama empat menit. Pada sub bab ini akan dijelaskan mengenai hasil perhitungan I-V dan analisis tinggi barrier setelah dilakukan annealing dalam dua keadaan tersebut. Dari konsistensi data hasil pengukuran sebelumnya, pada eksperimen ini sampel maka dipilih sampel dengan 3, 5, dan 7 finger untuk dilakukan annealing hingga terjadi perubahan struktur lapisan. 4.2.4a Annealing pada temperatur 800 0 C Pada proses berikut, setiap sampel di-annealing pada temperatur 800 0 C selama dua menit. Karakteristik I-V tiap sampel diperlihatkan oleh gambar 4.8. (a) (b) 41
(c) Gambar 4.10 Karakteristik I-V setelah dilakukan annealing pada temperatur 800 0 C (a) 3 finger (b) 5 finger (c) 7 finger. Setelah melalui proses ini, hasil pengukuran I-V tiap sampel menunjukkan dark current yang makin kecil dan tegangan break down yang semakin besar. Karakteristik ini menunjukkan performa sampel yang meningkat. Untuk memahami fenomena ini, maka dilakukan tahap-tahap perhitungan seperti sebelumnya, yaitu perhitungan rapat arus saturasi dan tinggi barrier menggunakan data hasil pengukuran I-V masing-masing sampel. Perhitungan rapat arus saturasi Rapat arus pada kondisi didefinisikan sebagai J * s*. Ektrapolasi logaritma rapat arus ln( J ) masing-masing sampel ditunjukkan pada gambar 4.10. * s* (a) 42
(b) (c) Gambar 4.11 Kurva ekstrapolasi ln(j * s) setelah annealing 800 0 C terhadap bias maju (a) 3finger (b) 5 finger (c) 7 finger. Dari hasil perhitungan ini diperoleh tinggi barrier untuk masing-masing sampel adalah 0.6966 ev, 0.5966 ev, dan 0.5686 ev. Gambar 4.11 memperlihatkan diagram tinggi barrier untuk masing-masing sampel. 0.6966 0.5966 0.5686 Gambar 4.12 Diagram tinggi barrier kondisi annealing 800 0 C, dari kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, dan 7 finger. 43
Dari diagram tinggi barrier pada gambar 4.11, terlihatkan adanya peningkatan tinggi barrier tiap sampel akibat perlakukaan annealing. Secara teoritik perubahan tinggi barrier dapat terjadi oleh perubahan afinitas elektron semikonduktor terhadap fungsi kerja metal. Perubahan afinitas dapat terjadi jika terjadi naiknya fermi level yang disebabkan peningkatan kerapatan pembawa muatan dengan pemberian doping. Pada kasus ini tidak dilakukan pendopingan sehingga fenomena ini paling dimungkinkan oleh perubahan struktur lapisan setiap sampel. Annealing pada temperatur ini dapat menyebabkan adanya ekspansi termal pada kisikisi kristal lapisan yang menyebabkan terdifusinya atom-atom pada lapisan AlGaN. Atom yang terdifusi bergantung pada koefisien ekspansi termal dan jarak ikatan masing-masing atom. Dari hasil pengolahan data XRD, diketahui bahwa ikatan antar atom lapisan dengan konsentrasi Al lebih tinggi akan mengakibatkan lapisan AlGaN memiliki konstanta kisi yang lebih besar, dalam hal ini diakibatkan oleh jarak ikatan antar atom Al-N yang lebih besar dibandingkan Ga-N. Pada bab II, diberikan informasi mengenai koefisien ekspansi termal dan melting point masing-masing komponen AlGaN. Koefisien ekspansi termal GaN dan AlN masingmasing 5.6 x 10-6 K -1 dan 7.3 x 10-6 K -1 [41-42]. Sedangkan melting point GaN dan AlN masing-masing 2300 0 C dan 3300 0 C. Dari informasi diatas dapat diketahui bahwa ikatan antara Ga-N lebih mudah putus dibandingkan Al-N. Sedangkan pelebaran kisi terbesar dialami ikatan Al-N. Dari aspek kelektronegatifan masing-masing atom, Ga memiliki kelektronegatifan yang lebih kecil dibandingkan Al dan kelektropositifan yang berbanding terbalik dengan keelektronegatifannya. Dari tinjauan tersebut dapat diasumsikan beberapa poin, antara lain: o Pada kondisi ini atom Ga mengalami difusi lebih dahulu dibandingkan Al dalam lapisan. o Atom Ga yang berada didalam lapisan akan terdifusi menuju ke permukaan disebabkan kelektropositifannya yang lebih besar. 44
Berdasarkan kedua asumsi diatas, dapat disimpulkan bahwa annealing pada suhu tersebut menyebabkan permukaan lapisan menjadi kaya Ga (Ga-rich) akibat penarikkan atom Ga oleh metal Au. Kondisi ini dapat menjelaskan penyebab tinggi barrier permukaan lapisan meningkat AlGaN akibat perlakuan annealing diatas suhu penumbuhannya. 4.2.4b Annealing pada temperatur 850 0 C Pada tahap ini dilakukan uji coba annealing pada suhu 850 0 C selama empat menit. Pada tahap-tahap sebelumnya terlihat adanya peningkatan kualisas sampel dengan adanya perlakuan annealing. Kualitas ini diperlihatkan dengan penurunan dark current yang berhubungan dengan meningkatnya tinggi barrier tiap sampel. Pada uji coba ini dipilih sampel dengan 3 finger untuk di-annealing pada temperatur ini (data tidak ditampilkan) Dari kurva karakteristik I-V, menunjukkan perubahan karakteristik Schottky menjadi Ohmic terjadi setelah dilakukan annealing pada temperatur tersebut. Fenomena ini diduga akibat adanya reaksi oksidasi pada permukaan lapisan yang dipacu oleh residu impuritas gas nitrogen karena temperatur annealing yang tinggi. Al 2 Ga O 2 3 O 3 metal Gambar 4.13 Ilustrasi reaksi permukaan pada proses annealing dengan temperatur tinggi. 45
Selama dilakukan annealing pada temperatur tinggi, adanya impuritas residu seperti O 2 dan/atau H 2 O didalam N 2 dapat menyebabkan oksidasi pada permukaan AlGaN. Atom N yang berasal dari ikatan Al-N dan Ga-N dapat bereaksi satu dengan yang lain atau dengan atom O membentuk malekul yang dapat menguap misalnya N 2 atau NO x [38] sehingga kekosongan nitrgogen yang sangat tinggi pada permukaan lapisan, akibatnya terdapat residu oksida dan gumpalan logam (metal cluster) pada permukaan, seperti yang diilustrasikan pada gambar 4.13. Selain itu, Ga pada permukaan lapisan menguap sehingga Al menjadi dominan pada permukaan lapisan [38], akibatnya pada permukaan tersisa clusters logam dan oksida Al. Pada kondisi ini sangat dimungkinkan adanya logam Al yang menyentuh kontak Au sehingga terjadi perubahan fungsi kerja Schottky menjadi Ohmic. 46