30
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 eVxxxxEg 1.0)1(86.242.3)( −−+= [31] 3.869 eV
Massa efektif elektron )1(2.033.00
*
xxmm
−+= [32] 0.222116 m0
Konstanta Ricardson 3
2** 4
hqkmA π
= 26.7167 A/K2cm2
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
31
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.
32
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 6000C selama lima menit.
• Melakukan perubahan struktur lapisan untuk mengevaluasi kestabilan material AlGaN.
Untuk mencapai tujuan ini, dilakukan annealing dengan temperatur 800 dan 8500C
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.
33
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 3000C
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 3000C .
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
34
lebih lanjut pengaruh lapisan interface ini, maka dilakukan proses annealing pada
temperatur 5000C.
4.2.2.b Annealing pada temperatur 5000C
Setelah dilakukan annealing pada suhu 5000C, 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.
35
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 6000C, 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 6000C
Karakteristik I-V setiap sampel setelah di-annealing pada temperatur 6000C diperlihatkan
pada gambar 4.5.
Gambar 4.5 Kurva karakteristik I-V MSM dengan variasi 3, 5, 7, dan 22 finger setelah
annealing 6000C.
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 13000C, maka dapat terjadinya sedikit difusi emas sehingga bisa
melewati lapisan interface.
36
0.4651 eV
0.4626 eV
0.4643 eV
0.4598 eV
4.2.3 Penghitungan rapat arus dan analisis tinggi barrier setiap sampel setelah
treatment interface
4.2.3a Perhitungan tinggi barrier sampel setelah annealing 6000C
Dari hasil eksperimen dan asumsi diatas, karakteristik I-V sampel setelah dilakukan
annealing pada temperatur 6000C 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(Js) 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/cm2 (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.
Gambar 4.7 Diagram tinggi barrier kondisi annealing 6000C, dari kiri ke kanan untuk
sampel dengan 3, 5, 7, dan 22 finger.
37
Gambar 4.6 Kurva ekstrapolasi ln(J) setelah annealing 6000C terhadap bias maju (a)
3finger, (b) 5 finger, (c) 7 finger, (d) 22 finger.
(a)
(b)
(c)
(d)
38
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 5000C
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 6000C 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.
39
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.
(a)
(b)
(c)
(d)
40
Selanjutnya dilakukan perhitungan tinggi barrier tiap sampel setelah di-annealing pada
temperatur 5000C. 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/cm2. Dari nilai ln J*s menunjukkan masing-masing nilai yang menurun dibandingkan
dengan kondisi sebelumnya (annealing 6000C). Potensial barrier dengan adanya lapisan
interface *bnφ 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 5000C, 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.
41
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 8000C selama dua menit dan 8500C 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 8000C
Pada proses berikut, setiap sampel di-annealing pada temperatur 8000C selama dua menit.
Karakteristik I-V tiap sampel diperlihatkan oleh gambar 4.8.
(a)
(b)
42
Gambar 4.10 Karakteristik I-V setelah dilakukan annealing pada temperatur 8000C (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 **sJ . Ektrapolasi logaritma rapat arus
ln( **sJ ) masing-masing sampel ditunjukkan pada gambar 4.10.
(c)
(a)
43
Gambar 4.11 Kurva ekstrapolasi ln(J*s) setelah annealing 8000C 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.
Gambar 4.12 Diagram tinggi barrier kondisi annealing 8000C, dari kiri ke kanan
untuk sampel dengan 3, 5, dan 7 finger.
0.6966 0.5966 0.5686
(b)
(c)
44
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 kisi-
kisi 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 masing-
masing 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 23000C dan 33000C. 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.
45
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 8500C
Pada tahap ini dilakukan uji coba annealing pada suhu 8500C 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.
32
32
OGaOAl
metal
Gambar 4.13 Ilustrasi reaksi permukaan pada proses annealing dengan temperatur tinggi.
46
Selama dilakukan annealing pada temperatur tinggi, adanya impuritas residu seperti O2
dan/atau H2O didalam N2 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 N2 atau NOx[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.