DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

43  Download (0)

Full text

(1)
(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.

(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

G74062168

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(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

:

G74062168

Menyetujui :

Pembimbing 1

Pembimbing 2

Dr. Ir. Irzaman, M.Si

NIP. 19630708 199512 1001

Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si

NIP. 19660907 198802 1006

Mengetahui :

Ketua Departemen

Dr. Ir. Irzaman, M.Si

NIP. 19630708 199512 1001

(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

saat-saat 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.

(6)

RIWAYAT HIDUP

(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 (LiTaO3)………...1 Substrat-Si (Silikon)………...1 Bahan Pendadah………...2 Niobium PentaOksida (Nb2 O5) ………...3 Dioda………...………...3 Fotodioda…………...………...4 XRD………...………...5 Konduktivitas Listrik………...5

Metode Chemical Solution Deposition………...6

Metode Volumetrik………...7

Kapasitor dan Konstanta Dielektrik………...7

Time Constant…………...………...8

BAHAN DAN METODE……..………...8

Tempat dan Waktu Penelitian………….………...8

Alat dan Bahan………..…...9

Metode Penelitian………...9

Pembuatan Film Tipis………...9

Pembuatan Larutan LT dan LNT………...9

Proses Penumbuhan Film Tipis………...9

Proses Annealing……...………...9

Karakterisasi………...11

Karakterisasi XRD……….………...11

Karakterisasi Absorbansi, Reflektansi dan Transmitansi………...11

Karakterisasi Konstanta Dielektrik………...11

Karakterisasi I-V meter………...11

Karakterisasi Konduktivitas Listrik………...11

HASIL DAN PEMBAHASAN.………...11

Karakteristik XRD………...11

Karakteristik Absorbansi, Reflektansi dan Transmitansi………...14

Karakteristik Arus-Tegangan Film Tipis………...14

Karakteristik Konstanta Dielektrik Film Tipis………...16

(8)

KESIMPULAN DAN SARAN.………...18

Kesimpulan………...18

Saran……..………...19

UCAPAN TERIMA KASIH.………...19

DAFTAR PUSTAKA………...19

(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

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Struktur dua dimensi kristal silikon………...2

Gambar 2.2. Struktur pasangan elektron-hole dioda………...3

a) Kondisi awal…...………...3

b) Kondisi setelah terjadi difusi elektron………..…...3

c) Daerah pengosongan…..………...3

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………...………...5

Gambar 2.7. Alat XRD...5

Gambar 2.8. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas………...6

Gambar 2.9. Spin coater………..……….……...6

Gambar 2.10. Rangkaian penentu konstanta dielektrik film tipis……….……...7

Gambar 2.11. Kapasitor Keping Sejajar……….………7

Gambar 3.1. Proses Annealing………... 9

Gambar 3.2. Diagram alir penelitian…...……….……...10

Gambar 4.1. Hasil karakterisasi XRD pada LT……...…...………...12

Gambar 4.2. Hasil karakterisasi XRD pada LT 2,5%....………...12

Gambar 4.3. Hasil karakterisasi XRD pada LT 5%…………...………...13

Gambar 4.4. Hasil karakterisasi XRD pada LT 7,5%.………...13

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 ...………...15

Gambar 4.9. Kurva I-V LNT 2,5%………..…………...15

Gambar 4.10.Kurva I-V LNT 5%...…...15

Gambar 4.11. Kurva I-V LNT 7,5%...15

Gambar 4.12. Input awal sinyal kotak……… ………16

Gambar 4.13. Kurva kapasitor LT ,,,,,,,,,,………...17

Gambar 4.14. Kurva kapasitor LNT 2,5%...17

Gambar 4.15. Kurva kapasitor LNT 5%...17

Gambar 4.16. Kurva kapasitor LNT 7,5%...17

Gambar 4.17. Konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap variasi intensitas cahaya...18

(11)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Literatur JCPDS…………...………...22

Lampiran 2. Data I-V …….…………...………...25

a) Film tipis LT …….………...25

b) Film tipis LNT 2,5%...………...26

c) Film tipis LNT 5% ……….……...………...27

d) Film tipis LNT 7,5% ……….………...…...28

Lampiran 3. Data Konstanta Dielektrik...………...29

a) Film tipis LT pada suhu annealing 850°C………..……..……...29

b) Film tipis LNT 2,5% pada suhu annealing 850°C………...………...29

c) Film tipis LNT 5% pada suhu annealing 850°C……...………...30

d) Film tipis LNT 7,5% pada suhu annealing 850°C………...………...31

(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 sifat-sifatnya 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 105 bit/cm2, sedangkan memori yang terbuat dari ferroelektrik mampu menyimpan hingga 108 bit/cm2. 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 LiTaO3 yang didadah dengan Niobium Penta Oksida (Nb2O5) 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 LiTaO3 pada substrat Si (100) type-p dan didoping Niobium Pentaoksida (Nb2O5), kemudian diuji sifat listrik dari film tipis yang dibuat.

Tujuan khusus dari penelitian adalah:

1) Melakukan penumbuhan film tipis LiTaO3 dan yang didadah dengan Niobium Pentaoksida(Nb2O5) 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 (LiTaO3) memiliki potensi untuk menggantikan lapisan tipis SiO2 pada sirkuit metal oxide

semikonduktor (MOS). Namun konstanta dielektrik yang dimiliki oleh LiTaO3 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 LiTaO3

2LiO2C2H3+Ta2O5+4O2 2LiTaO3 + 3H2O + 4CO2

Substrat-Si (Silikon)

(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 (SiO2) 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/SiO2 yang tinggi (jumlah muatan yang terjebak dalam interlayer <1011/cm). Kualitas interlayer Si/SiO2 ini penting karena merupakan bagian utama channel dimana carrier (baik hole atau elektron) melintas. Sampai saat ini belum ada yang bisa menandingi SiO2 [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 (0oK), 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].

Gambar 2.1. Struktur dua dimensi kristal silikon

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 (doping-p). 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

(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-Nb2O5 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 (Nb2O5.nH2O) atau disebut juga asam niobik dengan menggunakan hidrolisis berdasarkan pengenceran niobium pentaklorida. Pada kapasitor elektrolit padat film tipis Nb2O5 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.

(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 Vin, dimana

tegangan Vin dapat diubah-ubah besarnya,

maka akan didapat tegangan (Vd) dan arus

(Id) 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 di-reverse 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

(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 atom-atom 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.

(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)

(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

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

(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 2.11. 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 muatan-muatan 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 non-konduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan [16].

Gambar 2.10. 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 (ε0). 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

(2.10)

(19)

8

Dari hubungan (2.11) keterangan :

εo = permitivitas relative dalam ruang hampa

= 8.85 x 10-12 C2/N m2 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 1011 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 I0 = ε/R. Muatan lalu bertambah dan arus berkurang, seperti tampak pada persamaan (2.16). Muatan mencapai maksimum Qf = 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 = eA 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 Qf = 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

(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 [(LiO2CH3), 99,9%],Tantalum

[(Ta2O5),99,9%], Niobium

Pentaoksida[(Nb2O5)], 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

¾ Pembuatan Larutan LiTa dan LFT Film tipis LiTaO3 yang ditumbuhi di atas substrat silikon tipe-p ukuran 1 cm x 1 cm dengan metode CSD dibuat dengan menggunakan Lithium Asetat [(LiO2C2H3), 99,9%] + Tantalat [(Ta2O5),99,9%] + Niobium Pentaoksida[(Nb2O5)] + bahan pendadah (untuk LNT) sebagai precursor dan asam asetat [H3COOCH2CH2OH, 99.9%] digunakan sebagai bahan pelarut. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan dikocok beberapa menit.. Setelah itu larutan disaring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen.

¾ 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.

¾ Tabel 3.1 Massa larutan

Larutan Massa (gr) 2LiO2C2H3 0,1319 Ta2O5 0,4418 2LiTaO3 0,4717 Niobium 2,5% 0,0117 Niobium 5% 0,0235 Niobium 7,5% 0,0353

¾ 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 ¾ Proses Annealing

Proses pemanasan substrat yang telah di tumbuhi lapisan tipis pada suhu tinggi atau proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model Vulcan 3-310. 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

(21)

10

LT

Gambar 3.2 Diagram alur penelitian

Analisis dan karakterisasi

(XRD, absorbansi, konstanta dielektrik, kurva I-V, konduktivitas listrik)

SELESAI

Dikocok selama 1 jam menggunakan ultrasonik Precursor LNT 5% Precursor LNT 2,5% Precursor LNT 7,5% Spin coating Annealing Film tipis

LT LNT 2,5% Film tipis Film tipis LNT 5%

Film tipis Film tipis LNT 7,5% Dicampur Dikocok selama 1jam LT LNT 2,5% LNT 5% LNT 7,5% START

(22)

11

¾ Karakterisasi ¾ XRD

Pengukuran XRD

menggunakan alat XRD7000, kemudian dihubungkan dengan program dikomputer. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS.

¾ 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.

¾ 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.

¾ Konstanta Dielektrik

Pada karakterisasi ini, rangkaian yang digunakan adalah rangkaian pada Gambar 2.10. Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan nilai kapasitansi (C) film. Sedangkan untuk penentuan besar konstanta dielektriknya dapat menggunakan persamaan 2.12. ¾ 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

RA

L

=

σ

(3.2)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karakterisasi XRD

(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. 4.5-4.7. 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].

(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 4.8. Kurva I-V LT

Gambar 4.9. Kurva I-V LNT 2,5%

Gambar 4.10. Kurva I-V LNT 5%

(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 statik; yaitu ion-ion 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%.

(26)

17

Gambar 4.13. Kurva kapasitor LT

Gambar 4.14. Kurva kapasitor LNT 2,5%

Gambar 4.15. Kurva kapasitor LNT 5%

Gambar 4.16. 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 2,5% 3,0 68,7 LNT 5% 2,1 47,9 LNT 7,5% 2,4 63,3

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.

(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 4.18. 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% 618 615 620 608 2,5% 1685 1694 1693 1685 5% 2899 2875 2773 2648 7,5% 3998 3998 4000 3990

Gambar 4.17. Konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap variasi intensitas cahaya.

Gambar 4.18. Konduktivitas terhadap doping niobium

KESIMPULAN

(28)

19

SARAN

Pada penelitian selanjutnya

diharapkan untuk mengembangkan film tipis LT sehingga bisa diaplikasikan sebagai sensor.

Pada proses annealing sebaiknya dilakukan secara masing-masing, karena kontaminasi zat akan terjadi pada proses penguapan dan untuk melakukan teknik pendeposisian yang lebih terkontrol dengan cara ruang pendeposisian harus bersih agar dapat mengurangi kontaminasi zat pada proses penguapan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penelitian ini didanai Program Penelitian Ilmu Pengetahuan Terapan/Penelitian Strategis Nasional 2010, DIPA IPB, Republik Indonesia dengan nomor kontrak 2/I3.24.4/SPK/PSN/2010.

DAFTAR PUSTAKA

[1].Sayer, M. & Chivukulas, V. 1995. Hand Book of Thin Film Process Technology. IOP Publishing Ltd.

[2].Seo J.Y, Park S.W. 2004. Chemical Mechanical Planarization Characteristic of Ferroelectric Film for FRAM Applications. Journal of Korean Physics society. Vol 45 (3). 769-772.

[3].Saito, T, Ismunandar. 1996. Kimia Anorganik. Permission of Iwanami Shaten Publishers.

http://www.kimia-unsur-non logam.com

[4].Tanjuang, F. 2003. Perkembangan Struktur dan Material Film Tipis PenyusunSilikon.http://inf.untagsby.ac.id /pustaka/publichtml/Campuran/PDF/fitrc mos.pdf

[5].Endarko. 2008. Piranti Semikonduktor pdf. http://www.geocities.com

[6].Giridharan, N.V, P. Ramasamy, R. Jayavel,. 2001. Structural, Morphoogical and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol-Gel Technique. Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India,

36 (1), 65-72.

[7].Pipek, J. 2003. Semiconductor Optoelectronic Devices. Academic Press. USA.

[8].Darmasetiawan, H. 2005. Optimal Penumbuhan Film Tipis BaTiO3 yang

didadah Indium dan Vanadium (BIVT) serta penerapan

nya sebagai Sel Surya. Institut Pertanian Bogor.

[9].Uchino K. 2000. Ferroelectric Devices. Marcel Dekker, Inc. USA.

[10].Omar, M.A. 2007. Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc .

[11].Arifin, I. 2004. Elektronika 1. (9-12). [12].Hamamatsu. 2007. Silicon Photodiode Technical.www.sales.hamamatsu.com [13].http://orybun.blogspot.com/2010/05/pri

nsip-dasar-spekstroskopi-difraksi.html [14].http://wikipedia.org/wiki/NiobiumPento

xide (24 Nopember 2009)

[15].Hertanto A.S. 2008. Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba0.5Sr0.5tio3 yang Didadah Niobium (BST) Megguakan Metode Chemical Solution Depositio [Skripsi]. Departemen Fisika Fakultas MIPA.IPB; Bogor

[16].Irzaman, Y. Darvina, A. Fuad, P. Arifin, M. Budiman, and M. Barmawi. 2003. Physical and Pyroelectric Properties of Tantalum Oxide Doped Lead Zirconium Titanate [Pb0.9950(Zr0,525Ti0,465Ta0,010)O3] Thin Films and Its Application for IR Sensor. Physica Status Solidi (a), Germany, 199 (3), 416-424.

[17].Smallman, R.E, R.J, Bishop. 2000. Metalurgi Fisik dan Rekayasa Material. Erlangga, Jakarta.

[18].Sze, S.M. 1981. Physics of Semiconductor Devices 2nd edn. John Wiley and Sons. Singapore.

[19].http://batan.go.id/ptbn/html/indo_fasilit as.html

[20].Blackburn, J.A. 2001. Modern Instrumentation for Scientist and Engineers. Spinger-Verlag. New York Inc.

[21].Tipler, P.A. 1991. Physics for Scientist and Engineers. Worth Publisher Inc. [22].Riyanto.2009.Semikonduktivitas.pdf.

http://www.pdffactory.com

[23].Rio, S.R , M. Iida. 1999. Fisika dan Teknologi Semikonduktor. PT. Pradnya Paramita: Jakarta.

[24].Sutrisno. 1986. Elektronika Teori dan Penerapannya. ITB, Bandung

(29)

20

(30)
(31)

Lampiran 1. Data XRD

(32)
(33)
(34)

Lampiran 2. Data I-V

a) Film Tipis LT

Tegangan (V)

Arus kondisi gelap (A)

(35)

b) Film Tipis LNT 2,5%

Tegangan (V)

Arus kondisi gelap (A)

(36)

c) Film Tipis LNT 5%

Tegangan

(V)

Arus kondisi terang (A)

(37)

d) Film Tipis LNT 7,5%

Tegangan

(V)

Arus kondisi terang (A)

(38)

Lampiran 3. Data Konstanta dielektrik

a) Film LT dengan suhu annealing 850o C

Data yang diketahui : Volt/Div = 5 Volt Sec/Div = 250 µs

Peak to Peak (Vmax) = 10 Volt T = 1,001ms, f = 1,000kHz 9,6 Volt x 0,632 = 6,067 Volt

Plotkan nilai 6,067 V ke dalam gambar diatas maka akan didapatkan nilai time constant : t (time constant) = 4 x 10-5 s

Nilai Kapasitansi (C) kita dapatkan dengan perhitungan sebagai berikut :

Menentukan ketebalan Film Tipis dengan menggunakan metode Volumetrik :

Luas Kontak Film Tipis (A) = 0,15 cm x 0,25 cm = 0,0375 cm2 =3,75 x 10-6 m2 Sehingga didapatkan nilai konstanta dielektrik untuk film tipis LT ialah :

b) Film LNT 2,5% dengan suhu annealing 850o C

Data yang diketahui : Volt/Div = 5 Volt Sec/Div = 250 µs

Peak to Peak (Vmax) = 10 Volt T = 1,001ms, f = 1,000kHz 9,2Volt x 0,632 = 5,814 Volt

(39)

Nilai Kapasitansi (C) kita dapatkan dengan perhitungan sebagai berikut :

Menentukan ketebalan Film Tipis dengan menggunakan metode Volumetrik :

Luas Kontak Film Tipis (A) = 0,15 cm x 0,20 cm = 0,03 cm2 =3,0 x 10-6 m2 Sehingga didapatkan nilai konstanta dielektrik untuk film tipis LNT2,5% ialah :

c) Film LNT 5% dengan suhu annealing 850o C

Data yang diketahui : Volt/Div = 5 Volt Sec/Div = 250 µs

Peak to Peak (Vmax) = 10 Volt T = 1,001ms, f = 1,000kHz 10Volt x 0,632 = 6,32 Volt

Plotkan nilai 6,32V ke dalam gambar diatas maka akan didapatkan nilai time constant : t (time constant) = 8 x 10-6 s

Nilai Kapasitansi (C) kita dapatkan dengan perhitungan sebagai berikut :

Menentukan ketebalan Film Tipis dengan menggunakan metode Volumetrik :

(40)

Sehingga didapatkan nilai konstanta dielektrik untuk film tipis LNT 5% ialah :

d) Film LNT 7,5% dengan suhu annealing 850o C

Data yang diketahui : Volt/Div = 5 Volt Sec/Div = 250 µs

Peak to Peak (Vmax) = 10 Volt T = 1,002ms, f =998,0kHz 10Volt x 0,632 = 6,32 Volt

Plotkan nilai 6,32V ke dalam gambar diatas maka akan didapatkan nilai time constant : t (time constant) = 7 x 10-6 s

Nilai Kapasitansi (C) kita dapatkan dengan perhitungan sebagai berikut :

Menentukan ketebalan Film Tipis dengan menggunakan metode Volumetrik :

Luas Kontak Film Tipis (A) = 0,15 cm x 0,20 cm = 0,03 cm2 =3,0 x 10-6 m2 Sehingga didapatkan nilai konstanta dielektrik untuk film tipis LNT 7,5% ialah :

(41)
(42)
(43)

Figure

Gambar 2.1. Struktur dua dimensi kristal     silikon

Gambar 2.1.

Struktur dua dimensi kristal silikon p.13
Gambar 2.2.  Struktur pasangan  elektron – hole  dioda (a)  kondisi awal, (b) kondisi  setelah terjadi difusi elektron,  (c) daerah pengosongan

Gambar 2.2.

Struktur pasangan elektron – hole dioda (a) kondisi awal, (b) kondisi setelah terjadi difusi elektron, (c) daerah pengosongan p.14
Gambar 2.3. Forward bias dan Reversed  bias

Gambar 2.3.

Forward bias dan Reversed bias p.15
Gambar 2.4. Karakteristik diode.

Gambar 2.4.

Karakteristik diode. p.15
Gambar 2.7. Alat XRD  X-Ray Diffraction

Gambar 2.7.

Alat XRD X-Ray Diffraction p.16
Gambar 2.8. Spektrum konduktivitas  listrik dan resistivitas  V = IR                                            (2.1)

Gambar 2.8.

Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas V = IR (2.1) p.17
Gambar 2.10. Rangkaian penentu  konstanta  dielektrik  film tipis [17]

Gambar 2.10.

Rangkaian penentu konstanta dielektrik film tipis [17] p.18
Gambar 3.2 Diagram alur penelitian

Gambar 3.2

Diagram alur penelitian p.21
Gambar 4.5. Absorbansi terhadap panjang  gelombang

Gambar 4.5.

Absorbansi terhadap panjang gelombang p.23
Gambar 4.10. Kurva I-V LNT 5%

Gambar 4.10.

Kurva I-V LNT 5% p.24
Gambar 4.8. Kurva I-V LT

Gambar 4.8.

Kurva I-V LT p.24
Gambar 4.9. Kurva I-V LNT 2,5%

Gambar 4.9.

Kurva I-V LNT 2,5% p.24
Gambar 4.12. Input awal sinyal kotak

Gambar 4.12.

Input awal sinyal kotak p.25
Tabel 4.1.  Nilai  tegangan  knee  film  tipis LT dan LNT

Tabel 4.1.

Nilai tegangan knee film tipis LT dan LNT p.25
Gambar 4.14. Kurva kapasitor LNT  2,5%

Gambar 4.14.

Kurva kapasitor LNT 2,5% p.26
Gambar 4.15. Kurva kapasitor LNT    5%

Gambar 4.15.

Kurva kapasitor LNT 5% p.26
Gambar 4.16. Kurva kapasitor LNT  7,5%

Gambar 4.16.

Kurva kapasitor LNT 7,5% p.26
Gambar 4.17. Konduktivitas listrik setiap  film tipis terhadap variasi   intensitas cahaya

Gambar 4.17.

Konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap variasi intensitas cahaya p.27
Gambar 4.18. Konduktivitas terhadap  doping niobium

Gambar 4.18.

Konduktivitas terhadap doping niobium p.27

References

Related subjects :

Scan QR code by 1PDF app
for download now

Install 1PDF app in