DEPOSISI LAPISAN TIPIS DUA LAPIS ZnO DAN Al UNTUK
MEMBUAT SAMBUNGAN P-N DENGAN TEKNIK
SPUTTERING
Yunanto, Trimardji Atmono, Wirjoadi
Puslitbang Teknologi Maju Batan Yogyakarta
ABSTRAK
DEPOSISI LAPISAN TIPIS DUA LAPIS ZnO DAN Al UNTUK MEMBUAT SAMBUNGAN P-N DENGAN TEKNIK SPUTTERING Telah dilakukan deposisi lapisan tipis dua lapis ZnO dan Al pada substrat Al untuk membuat sambungan N dengan teknik sputtering. Penelitian ini bertujuan untuk membentuk sambungan P-N antara lapisan tipis dengan ZnO dengan lapisan tipis Al. Untuk mendapatkan hasil sambungan P-P-N yang baik telah dilakukan variasi waktu deposisi utuk lapisan tipis ZnO dan daya RF untuk lapisan tipis Al. Untuk pengamatan hasil penelitian, telah dilakukan pengukuran tahanan maju dan mundur sambungan P-N dengan digital multi meter. Pengamatan tebal lapisan tipis dilakukan dengan SEM, pengamatan struktur kristal menggunakan XRD. Dari hasil pengukuran tahanan maju dan mundur diperoleh tahanan maju dan mundur yang berbeda yaitu 951 ohm dan 15,1 k ohm, pengamatan tebal lapisan tipis ZnO 1,5 µm dan lapisan tipis Al 1 µm, struktur kristal lapisan tipis ZnO dan Al hampir sama struktur kristal target dengan sudut 24,470 dan 34,310.
ABSTRACT
DEPOSITION OF THE BILAYER ZnO AND SINGLE LAYER Al TO PRODUCE PN-JUNCTION BY USING SPUTTERING TECHNIQUE. The deposition of bilayer ZnO and single layer Al to on Al -substrat to produce PN-Junction between ZnO and Al has been carried out.To achieve the best result, i.e the right PN-junction, the optimation of the prepared thin films has been done, namely the variation of depositon time and the power at the sputtering process. In order to get the properties of the sample, the following characterizations done were measuring of the forward-and backward resistance of the PN-junction with digital multimeter, observing of the crystal structure and the thickness of thin films with SEM and EDX, respectively. The results of the measurement show the different of the forward- and the backward resistance, 951Ω for the forward and 15.1 Ω for the backward. This indicates the formation of PN-Junction. The thickness of the ZnO bilayer was 1.5 µm and that of Al was 1 µm. The crystal structure of the films was the same with that of the target, it was identified at the peak of the XRD measurement, i.e. at the angle of 24.47o for ZnO and 34.31o for Al.
PENDAHULUAN
ntuk membuat sambungan P-N biasanya digunakan bahan silikon atau germanium yang masih murni yang bersifat intrisik. Bahan yang masih murni ini harus diberi pengotor dahulu agar dapat berubah sifat listriknya menjadi tipe P atau tipe N. Pembuatan semikonduktor tipe P atau N dapat dilakukan antara lain dengan cara difusi, dimana pengotor didifusikan ke dalam silikon pada suhu tinggi, atau cara epiktasi yaitu gas silan dicampur dengan gas pengotor. Untuk membuat tipe P pada bahan silikon, dapat dilakukan dengan memberikan pengotor trivalen yaitu boron, aluminium atau galium, sedangkan untuk membuat tipe N diberi pengotor pentavalen phospor Jadi pemberian
pengotor untuk bahan semikonduktor yang masih murni harus dilakukan dua kali.[1]
Bahan ZnO adalah semikonduktor jenis N yang akhir-akhir ini banyak diteliti di negara maju. Bahan ini mempunyai sifat piezoelektrik dengan kopling mekanik yang besar, sehingga dapat digunakan sebagai sensor tekanan gas, penentu frekuensi tinggi, tapis frekuensi tinggi ataupun elektroda tembus cahaya untuk sel surya.[2]
Bahan ZnO termasuk oksida seng, bila berada dalam atmosfir akan kehilangan oksigen dan terjadi reduksi. Akan tetapi dalam hal ini kekosongan oksigen tidak terbentuk, atom ZnO terdiri dari atom Zn dan O tetapi mempunyai kelebihan atom Zn, sehingga ion Zn menduduki tempat interstisi pada
kristal ZnO yang berbentuk heksagonal. Ion Zn+ yang memiliki kelebihan satu elektron, dibandingkan dengan ion Zn2+ lainnya. Ion-ion kontinyu ini dapat memberikan elektron pada pita konduksi yang akan menghasilkan semikonduktor tipe N. Dengan demikian bahan ZnO dapat digunakan untuk sambungan P-N dengan proses lebih singkat yaitu hanya satu kali pemberian pengotornya.[3]
Pembuatan sambungan P-N dari bahan semikonduktor ZnO dapat dilakukan dengan cara memberi pengotor yang mempunyai valensi tiga misalnya aluminium dimana bahan tersebut dapat dicari dengan mudah dengan harga yang relatip murah. Untuk mendapa tkan sambungan P-N yang baik, diantara sambungan lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al harus bersih dari kotoran yang berasal dari udara bebas. Bahan ZnO sebelum diberi pengotor Al dibuat lapisan tipis terlebih dahulu dengan susbstrat Al, kemudian dideposisi lagi dengan lapisan tipis Al tanpa membuka tabung reaktor plasma, sehingga diantara lapisan tipis ZnO dengan lapisan tipis Al tidak dikotori partikel dari udara bebas tersebut.
Semikonduktor tipe N yang ditambahkan dengan ketidak murnian aseptor akan mempunyai konsentrasi hole yang jauh lebih besar dari pada konsentrasi elektron. Oleh karena arus listrik lebih banyak dibawa oleh hole, maka jenis konduktivitas semikonduktor ini adalah positip yaitu semi-konduktor jenis P Dengan demikian akan terjadi sambungan P-N antara ZnO dan Al.[4]
Untuk memberi pengotor bahan semi -konduktor intrisik maupun ekstrisik, dapat dilakukan dengan berbagai metode, antara lain : metode paduan, metode difusi, metode epiktasi, metode sputering dan metode implatasi ion.
Sambungan P-N yang baik mempunyai tahanan maju dalam orde ratusan ohm, tahanan mundur dalam orde ratusan kilo ohm, tegangan maju dalam orde volt, tegangan dadal mundur ratusan volt, resistivitas keping puluhan ohm/cm2 .[1] Dengan demikian sambungan P-N ini dapat digunakan sebagai diode yang mempunyai tegangan dadal yang cukup tinggi
Teknik sputtering yang digunakan disini adalah teknik RF sputtering, karena target yang digunakan dari bahan semikonduktor. Tegangan tinggi RF yang diberikan pada elektroda menyeba b-kan ion positip bergerak dari anoda menuju katoda, sedangkan ion negatip bergerak menuju anoda. Dalam pergerakan menuju katoda, ion positip tersebut akan dipercepat oleh medan listrik karena adanya beda tegangan.. Selanjutnya ion positip mendapat percepatan dari gaya yang ditimbulkan
oleh medan listrik kemudian akan bergerak menuju katoda dan menumbukinya dengan tenaga yang tinggi, dengan diikuti tumbukan berikutnya secara terus-menerus.[2]
Massa ion penumbuk dari gas argon adalah lebih besar dari atom yang ditumbuk yaitu atom ZnO dan Al sehingga akan meninggalkan tempat tumbukan menuju ke arah bagian dalam permukaannya. Dengan demikian atom permukaan ZnO dan Al memperoleh tenaga yang cukup untuk melepaskan dari permukaan target. Atom ZnO dan Al yang terhambur dari permukaan target akibat ditumbuki ion argon tersebut membentuk lapisan tipis di atas substrat. Dengan melakukan variasi waktu deposisi lapisan tipis ZnO pada substrat Al dan variasi daya pada deposisi lapisan tipis Al pada lapisan tipis ZnO diharapkan akan terbentuk sambungan P-N ZnO-Al yang paling baik.
TATA KERJA
Dalam penelitian ini dilakukan beberapa tahapan yang meliputi : penyiapan cuplikan, pendeposisian lapisan tipis dua lapis, pengukuran tahanan maju dan mundur, pengukuran struktur kristal .dan pengamatan struktur mikro.
Penyiapan Cuplikan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah target ZnO yang dibeli dalam bentuk target dengan diameter 75 mm tebal 2 mm, demikian juga target Al dengan ukuran yang sama. Sedangkan bahan untuk substrat digunakan Al dipotong dengan diameter 15 mm.
Pendeposisian Lapisan Tipis
Peralatan sistem RF sputtering yang digunakan terdiri dari : tabung reaktor plasma dengan dua target ZnO dan Al, pompa vakum rotari, pompa vakum turbo, vakum meter, sumber tegangan RF, pendingin target, pendingin sumber RF dan sumber gas argon.
Target ZnO dan Al diletakkan pada tempat target yang berbeda, dimana keduanya berfungsi sebagai katoda di dalam tabung reaktor plasma. Substrat Al dan kaca diletakkan pada anoda yang berada di atas katoda dan dapat dipindahkan di atas target ZnO maupun target Al. Untuk pengamatan struktur mikro dan struktur kristal digunakan sub -strat kaca, untuk mempermudah dalam pelaksanaan pengamatan struktur mikro dengan SEM yang memerlukan ukuran substrat yang relatip kecil.
Tabung reaktor plasma divakumkan sampai 5.10-6 torr dengan pompa vakum rotari dan turbo (untuk membersihkan partikel yang tidak di-kehendaki), kemudian gas argon dialirkan ke dalam tabung reaktor plasma melalui kran yang digunakan untuk mengatur tekanan gas. Tekanan gas akan naik menjadi 8.10-2 torr. Posisi substrat Al pertama kali ditempatkan di atas target ZnO Kemudian sumber tegangan RF dihidupkan, maka gas argon akan terionisasi, ion argon akan menumbuk target ZnO.
Substrat Al dan kaca akan mendapat percikan ion ZnO dengan tenaga yang cukup besar, sehingga sebagian ion ZnO menyisip pada susunan atom substrat Al dan kaca. Segera setelah susbstrat Al dan kaca terdeposisi dengan lapisan tipis ZnO maka susbstrat Al dan kaca dipindahkan ke atas target Al. Dengan demikian maka akan terbentuk lapisan tipis dua lapis ZnO dan Al tanpa dikotori partikel lain. Untuk mendapatkan sambungan P-N yang paling baik, maka dilakukan variasi waktu deposisi lapisan tipis ZnO dari 15 menit sampai 40 menit (untuk mendapatkan lapisan tipis ZnO paling tebal) dan variasi daya RF dideposisi lapisan tipis Al. dari 135 watt sampai dengan 175 watt dengan waktu deposisi 2 menit.
Pengukuran Tahanan Maju dan Mundur
Keadaan Terbuka
Sambungan P-N mempunyai tahanan maju dan mundur yang berbeda. Untuk sambungan P-N yang baik mempunyai tahanan maju yang kecil dan tahanan mundur yang besar. Untuk mengetahui tahanan maju dan mundur pada keadaan terbuka, dilakukan pengamtan dengan multi meter digital.
Pengukuran Ketebalan Lapisan Tipis Dengan
SEM
Pengamatan ketebalan lapisan tipis dua lapis lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al yang terdeposisi di atas substrat kaca dilakukan dengan menggunakan SEM. (merk Jeol milik Kantor Deptamben Bandung). Pengamatan ketebalan lapisan tipis dua lapis ZnO dan Al dilakukan bukan dari arah permukaan substrat tetapi dengan arah melintang, sehingga dapat diamati dua lapisan tipis.
Pengamatan Struktur Kristal Dengan XRD
Terbentuknya sambungan P-N yang baik ditandai dengan fakta bahan struktur kristal lapisan tipis ZnO dan Al harus sesuai atau mendekati struktur kristal target ZnO dan target Al. Untuk mengamati struktur kristal lapisan tipis ZnO dan Al
digunakan XRD. Alat XRD yang digunakan adalah milik Balai Penelitian Keramik Bandung.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil dari pengukuran dan pengamatan hasil disajikan seperti pada Gambar 1 sampai dengan Gambar 5
Terbentuknya lapisan tipis ZnO dan Al pada substrat Al dapat dapat diamati dengan SEM seperti pada Gambar 1. Untuk dapat mengamati ketebalan lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al , substrat kaca yang sudah dideposisi dengan lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al dipotong melintang dan dipoles lagi sampai halus.
KACA ZnO Al UDARA
Gambar 1. Penampang lintang dari ketebalan lapisan
tipis ZnO dan Al pada substrat kaca.
Tumbukan ion argon dengan tenaga yang cukup besar mampu melepaskan atom ZnO dan terpecik pada susbtrat Al dan kaca. Demikian juga tumbukan ion argon dapat melepaskan susunan atom Al terpecik pada lapisan tipis ZnO, sehingga membentuk dua lapisan tipis. Dengan mengamati menggunakan SEM penampang melintang substrat yang sudah dideposisi, maka terlihat adanya lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al setebal 1,5 µm dan 1
µm berwarna putih sedikit gelap dan putih terang pada permukaan.
Pengamatan ini menunjukkan telah terbentuk lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al pada permukaan substrat kaca. Lapisan tipis ZnO terlihat sebagian masuk pada substrat akibat peristiwa difusi, sehingga lapisan tipis ZnO terikat kuat pada substrat Al. Sedangkan diantara lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al tidak terlihat lapisan tipis pengotor yang lain. Pemotretan dengan SEM ini dipilih pada kondisi parameter waktu deposisi yang
paling lama, sehingga jelas terlihat bahwa telah terbentuk dua lapisan tipis tanpa ada lapisan pengotor lain.
Untuk mengetahui struktur kristal lapisan tipis ZnO, struktur kristal Al, struktur kristal lapisan tipis ZnO dan Al hasil sputtering dilakukan peng-ujian dengan XRD. Pengujian XRD ini terutama dimaksudkan untuk mengetahui apakah struktur kristal yang terbentuk pada substrat kaca sama atau mendekati struktur kristal target. Pada Gambar 2 ditunjukkan hasil pengujian XRD dari lapisan tipis ZnO. Teramati dua puncak spektrum pada sudut 34,370 dengan jarak antar bidang 2,61 Å (diambil dari hasil alat XRD, sehingga tidak dapat diamati pada gambar) dengan arah bidang 002. Arah bidang 002 menunjukkan bahwa arah bidang ini tegak lurus dengan sumbu c.[2] Hasil ini hampir sama dengan
spektrum standard ZnO yaitu jarak antar bidangnya 2,602 Å.[5] Sedangkan pergeseran puncak ke sudut yang lebih kecil disebabkan karena sewaktu ion ZnO menumbuk susunan atom kaca sebagian menyisip dengan tenaga yang cukup besar pada susunan atom substrat kaca. Hal ini menyebabkan susunan atom kaca, merenggang akibat geseran antar atom kaca dan ion ZnO. Selain itu disebabkan juga perbedaan koefisien muai antara substrat kaca dan lapisan tipis ZnO[6]
Pada Gambar 3 spektrum struktur kristal lapisan tipis Al dan terlihat puncak pada sudut 24,61o dengan jarak antar bidang 3,61 Å dengan arah bidang 100 adalah sudut AlFeO. Unsur Fe dan O ini kemungkinan disebabkan karena ada kebocoran saluran gas argon, sehingga ada unsur O yang masuk. Sedangkan unsur Fe kemungkinan berasal dari percikan yang berasal dari elektroda.
Gambar 3. Spektrum struktur kristal lapisan tipis Al pada substrat kaca.
Gambar 4. Spektrum struktur kristal lapisan tipis Al pada substrat kaca.
Pada Gambar 4 disajikan spektrum struktur kristal lapisan tipis dua lapis ZnO dan Al dan terlihat puncak pada sudut 24,47o. Sudut tersebut adalah indikasi dari Al FeO dengan jarak antar bidang 3,63 Å dan arah bidang 100. Sudut ini berbeda sedikit dengan sudut lapisan tipis Al standard seperti Gambar 3. Hal ini kemungkinan disebabkan lapisan tipis Al berada di atas lapisan tipis ZnO dimana sebagian kecil atom Al dan ZnO bereaksi. Sedangkan sudut 34,350 dengan jarak antar bidang 3,61 Å dengan arah bidang 001 serta sudut 42,010 dengan jarak antar bidang 2,14 Å adalah karakter ZnO. Intensitas spektrum ZnO pada gambar ini terlihat lebih rendah, hal ini disebabkan karena lapisan tipis ZnO terletak di bawah lapisan tipis Al. Puncak spektrum untuk lapisan tipis Al juga rendah, mungkin disebabkan karena tipisnya Al. Sedangkan
untuk puncak ZnO hampir sama dengan pengamatan pada lapisan tipis ZnO tanpa lapisan tipis Al.
Untuk mengetahui terbentuknya sambungan P-N dilakukan pengukuran tahanan maju dan mundur lapisan tipis yang dideposisikan pada subs-trat Al.. Pengukuran ini dilakukan dengan menggu -nakan digital multi meter yang hasilnya ditampil-kan pada Gambar 5. Lapisan tipis ZnO berfungsi sebagai semikonduktor tipe N, sedangkan lapisan tipis Al sebagai pengotor semikonduktor tipe N, sehingga akan terbentuk sambungan P-N. Lapisan tipis ZnO dibuat setebal mungkin, dibandingkan lapisan tipis pengotor Al. Untuk mendapatkan lapisan tipis ZnO tebal maka dilakukan variasi waktu deposisi, sedangkan untuk mendapat lapisan tipis Al setipis mungkin dilakukan variasi daya dengan waktu deposisi selama 2 menit.
Gambar 5. Grafik hubungan antara daya RF dengan tahanan maju dan mundur
sambungan P-N.
Pada Gambar 5 disajikan grafik hubungan antara daya RF dengan tahanan maju dan mundur sambungan P-N dan terlihat tahanan maju bertambah besar dengan peningkatan daya RF, sedangkan tahanan mundurnya akan berkurang. Hal ini disebabkan karena dengan naiknya daya RF maka rapat arus ion akan naik, demikian juga tenaganya. Ion Al akan lebih banyak dan lebih dalam menyisip pada susunan atom lapisan tipis ZnO, sehingga akan memudahkan aliran elektron (hampir sama dengan konduktor). Dengan daya yang kecil dan waktu deposisi yang pendek, maka ion Al akan berfungsi sebagai pengotor yang dapat membentuk sambungan P-N yang baik.
KESIMPULAN
Dari hasil percobaan, pengamatan dan analisa yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu :
1. Berdasarkan pengamatan visual dengan SEM bisa disimpulkan telah terbentuk lapisan tipis dua lapis lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al dengan ketebalan masing-masing 1,5 µm dan 1
µm.
2. Kristal ZnO menunjukkan struktur yang hampir sama dengan ZnO standard dan hanya terjadi sedikit perubahan sudut puncak spektrum, sedangkan struktur kristal lapisan tipis Al berbeda sedikit dengan struktur kristal Al. Perubahan dari pengamtan ini masih dalam toleransi kesalahan / ralat eksperimen.
3. Telah terbentuk sambungan P-N anatar lapisan tipis ZnO dan lapisan tipis Al dengan tahanan maju 953 ohm dan tahanan mundur 15,1 k ohm yang ditandai timbulnya perbedaan tahanan maju dan mundur.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepda Sdr. Giri Slamet yang telah membantu membuat lapisan tipis dua lapis ZnO dan Al.
DAFTAR PUSTAKA
1. MILLMAN, HALKIAS, Integrated Electro-nics, Mc Graw Hill Inc, New York, 1971.
2. KIYOTAKA W, SHIGER H, Handbook Sputter
Deposition Technology, Noyes Publi -cation, New
Yersey, 1991.
3. LAWRENCE, H VAN VLACK, Element of
Materials Science and Engeneering, Addision
Wesley Publishing Company, Reading Mass, Michigan, 1985.
4. REKA RIO, MASAMORI, Fisika dan Tek-nologi
Semikonduktor, PT Pradnya Paramita, Jakarta,
1982.
5. MARLENE C, HOWARD F, Mc MURDIE,
Powder Diffraction Data, Joint Committee on
Difraction Standard, 1601 Park Lane, 1976. 6. MICHIORI MIURA, Crystalographic Charac-ter of
ZnO Thin Film Format at Low Sputtering Gas Pressure, Japanese Journal of Applied Physics,
Vol. 21, No 2 February, 1982.
TANYA JAWAB
Sayono
− Mengapa pembuatan sambungan P-N (ZnO dan Al) tidak memakai substrat semikonduktor langsung, sehingga akan lebih mudah dalam aplikasinya.
− Berapa besaran parameter deposisi untuk menghasilkan lapisan ZnO-Al yang optimum.
Yunanto
− Pembuatan sambungan P-N tidak memakai substrat semikonduktor sehingga akan mudah dalam aplikasinya karena substrat Al berfungsi sebagai elektrode.
− Besaran parameter yang menghasilkan lapisan tipis yang optimum pada daya 135 watt, waktu deposisi 20 menit, tekanan gas 9 × 10-2 torr.
Sunardi
− Mohon klarifikasi kesimpulan 1, diterangkan secara visual, tetapi muncul angka kedalaman ...
− Bagaimana struktur kristal setelah diamati dengan XRD, karena dalam XRD hanya tertampil s pektrum. Bagaimana hubungan spektrum dengan struktur kristal.
Yunanto
− Ketebalan lapisan tipis ZnO dan Al pada penelitian ini memang diamati dengan SEM secara melintang sehingga dapat diukur ketebalan lapisan tipis ZnO dan Al.
− Struktur kristal lapisan tipis ZnO dan Al hampir sama dengan target ZnO dan Al. Pergeseran sudut antara sudut target dengan lapisan tipis karena ada perbedaan koefisien muai antara substrat dan lapisan tipis. Hubungan spektrum dengan struktur kristal adalah munculnya puncak (sinyal), sedangkan bila sudah terjadi kristal maka tidak muncul puncak.
Djoko Sujono
− Seberapa jauh peran teknik sputtering ini bisa mendukung industri, menyejahterakan masya-rakat, berikan c ontoh!
Yunanto
− Peranan teknik sputtering dalam industri dalam bidang kedo kteran untuk pisau operasi dengan lapisan tipis TiN. Selain bidang mekanik pembuatan mata bor yang tajam dan harus dengan TiN
Bambang Siswanto
− Dalam abstrak Bapak katakan : unsur memperekat sambungan P-N yang baik dilakukan variasi waktu deposisi untuk ZnO dan daya RF untuk lapisan Al, setahu saya untuk target yang berbeda para meter proses yang optimum juga berbeda, jadi apakah parameter proses yang tidak divariasi sudah pada kon disi optimum. Mohon penjelasan.
Yunanto
− Parameter yang sudah divariasi sudah meng-hasilkan yang optimum.
Saminto
− Dapatkah tahanan mundur yang diperoleh tersebut ditingkatkan lebih tinggi lagi? Bagaimana caranya? Karena yang ada dipasaran, sebagai contoh diode (P-N), mempunyai tahanan mundur yang tinggi (dalam orde ratusan K ohm).
Yunanto
− Tahanan mundur sambungan P-N dapat ditingkatkan dengan cara menambah ketebalan lapisan tipis ZnO dan mengurangi dosis pengotor yaitu lapisan tipis Al. Bisa juga antara lapisan tipis ZnO dan Al diberi sekat (lapisan tipis isolator) misalnya dengan lapisan oksida, lapisan silikon nitride.
