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
10204008
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
BANDUNG 2008
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: 10204008
Disetujui dan disahkan oleh Dosen Pembimbing Tanggal: YUDI DARMA Ph.D NIP. 132230106 Dr EUIS SUSTINI NIP. 132230106
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
ii
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 5000C 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 6000C selama lima menit. Kondisi maksimum yang terkait dengan dark current yang paling rendah dan barrier yang paling tinggi dicapai setelah dibreikan annealing pada suhu 8000C selama dua menit, kondisi ini didominasi oleh perubahan struktutr lapisan. Reaksi oksidasi terbentuk pada permukaan lapisan setelah diannealing pada suhu 8500C selama lima emepat menit oleh sisa-sisa pengotor didalam gas nitrogen.
Kata kunci: AlGaN, PA-MOCVD, annealing, karakteristik I-V, tinggi barrier, dark current.
iii 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-organic-vapour-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 5000C 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 6000C 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 8000C 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 8500C for four minutes by residual impurity of niyrogen gas.
Keyword: AlGaN, PA-MOCVD, annealing, I-V characteristic, barrier height, dark current.
iv 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-vapour-deposition 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
v
• 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)
vi DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN i ABSTRAK ii PRAKATA iv DAFTAR ISI vi DAFTAR TABEL ix DAFTAR GAMBAR x BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang dan Motivasi 1
1.2 Sistematika Penulisan 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Semikonduktor Paduan III-Nitrida 5
2.1.1 Material GaN 7
2.1.2 Material AlN 8
2.1.3 Material AlxGa1-xN 9
2.2 Teori Fotodetektor (Pd) dengan Struktur MSM 11
2.2.1 Prinsip operasi MSM Pd 11
2.2.2 Parameter operasi MSM Pd 13
vii
BAB III EKSPERIMEN & KARAKTERISASI
3.1 Metode MOCVD dan PA-MOCVD 19
3.2 Parameter dan Proses Penumbuhan 21
3.3 Karakterisasi Lapisan Tipis AlGaN 23
3.3.1 X-Rays diffraction(XRD) 24
3.3.2 Scanning electron microsecope(SEM) 25
3.4 Pembuatan Kontak MSM Berbasis Material Au/AlGaN 26
3.4 Proses Annealing 29
BAB IV PERHITUNGAN & ANALSIS HASIL KARAKTERISASI XRD, EDS DAN I-V MSM
4.1 Penentuan Parameter Intrinsik Lapisan 30
4.1.1 Penghitungan konstanta kisi sampel A dan B 30
4.2 Pengukuran I-V 31
4.2.1 Pengukuran I-V sebelum dilakukan annealing 32
4.2.2 Pengukuran I-V setelah diberikan annealing
untuk mereduksi pengaruh lapisan interface 33
4.2.2.a Annealing pada temperatur 3000C 33
4.2.2.b Annealing pada temperatur 5000C 34
4.2.2.c Annealing pada temperatur 6000C 35
4.2.3 Penghitungan rapat arus dan analisis
tinggi barrier setiap sampel setelah treatmentinterface 36
4.2.3a Perhitungan tinggi barrier sampel
setelah annealing 6000C 36
4.2.3a Perhitungan tinggi barrier sampel
viii
4.2.4 Penghitungan rapat arus dan analisis tinggi barrier
setiap sampel setelah treatment perubahan
struktur lapisan 41
4.2.4a Annealing pada temperatur 8000C 41
4.2.4b Annealing pada temperatur 8500C 45
BAB V SIMPULAN DAN SARAN
6.1 Simpulan 47 6.2 Saran 48 REFERENSI xii LAMPIRAN LAMPIRAN A xiv LAMPIRAN B xvii LAMPIRAN C xviii
ix
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
x
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)
xi
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 N2 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 3000C . 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 6000C. 35 Gambar 4.6 Kurva ekstrapolasi ln(J) setelah annealing 6000C
terhadap bias maju (a) 3finger, (b) 5 finger, (c) 7
xii
Gambar 4.7 Diagram tinggi barrier kondisi annealing 6000C, dari kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, 7, dan 22
finger. 36 Gambar 4.8 Kurva ekstrapolasi ln(J*s) setelah annealing 5000C
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 5000C, 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 8000C (a) 3 finger (b) 5 finger (c) 7 finger. 42 Gambar 4.11 Kurva ekstrapolasi ln(J*s) setelah annealing 8000C
terhadap bias maju (a) 3finger (b) 5 finger (c) 7
finger. 43 Gambar 4.12 Diagram tinggi barrier kondisi annealing 8000C, dari
kiri ke kanan untuk sampel dengan 3, 5, dan 7 finger. 43 Gambar 4.13 Ilustrasi reaksi permukaan pada proses annealing
