Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

1 ANALISA HASIL PENGUKURAN "BARRIER HEIGHT" DENGAN METODA

KAPASITANSI-TEGANGAN PADA DIODA STRUKTURMETAL-INSULA TOR-SEMIKONDUKTOR (MIS)1

2Masno Ginting

ABSTRAKANALISA BASIL PENGUKURAN "BARRIER HEIGHT" DENGAN METODA KAPASITANSI TEGANGAN

PADA DIODA STRUKTUR METAL -INSULATOR-SEMIKONDUKTOR (MIS).. Pengukuran barrier-height pada suatudioda struktur MIS ( ZnO/Zn3P2 dan ZnO/CdTe ) telah dilakukan dengan metoda kapasitansi-tegangan (C-V). Harga tegangandiffusi yang diperoleh dari kurva I/C2 Vs V ( 1.75 V untuk ZnO/Zn3P2 dan I. I 5 V untuk ZnO/CdTe ), masih terlalu tinggi untukdapat diinterpretasikan sebagai harga tegangan diffusi untuk dioda yang dianalisa. Untuk memperoleh harga barrier-height yangmasih dalam batas harga ideal, maka harga dari tegangan diffusi yang diperoleh dari pengukuran telah dianalisa denganmenggunakan teori yang dikemukakan oleh Chattopadhyay dan Daw. Hasil interpretasi dengan menggunakan teoriChattopadhyay dan Daw memberikan harga barrier-height yang ideal untuk ZnO/Zn3P2 adalah antara 0.35 V sid I.IV danuntuk ZnO/CdTe adalah antara 0.36 V sid 1.0 V.

ABSTRACTANALYSIS OF THE "BARRIER HEIGHT"MEASUREMENT USING CAPACITANCE -VOLTAGE

METHODE ON DIODE METAL INSULA TOR-SEMICONDUCTOR (MIS)' STRUCTURE. Barrier-height measurement onthe MIS structure diode (ZnO/Zn3P2 and ZnO/CdTe ) has been done using capacitance-voltage (C-V) method. The diffusionvoltage value tllat has been obtained from I/c2 Vs V ( 1.75 V for ZnO/Zn3P2 and 1.15 V for ZnO/CdTe) are still too high to beinterpreted as the diffusion voltage for tile diode tllat were analysed. In order to obtain the value of the barrier-height in the rangeof the ideal value, then the measured value of the diffusion voltage has been analysed using the theory of Chattopadhyay andDaw. The interpretation results using Chattopadhyay and Daw theory give the ideal value of the barrier-height between 0.35 V to1.1 V for ZnO/Zn3P2 and between 0.36 V to 1.0 V for ZnO/CdTe.

(metal). Proses pelapisan ZnO pada cuplikanseperti yang diberikan pada gambar I.

PENDAHULUANHarga tegangan diffusi ataupun

barrier-height dari suatu dioda yang difabrikasidengan berbagai metoda yang berbeda padaumumnya juga akan menghasilkan basil yangsedikit berbeda pula. Misalnya fabrikasi suatudioda dengan sistem MBE (metalorganic beamepitaxy) dibandingkan dengan fabrikasi suatudioda dengan metoda lain seperti vakumdepossisi dengan tekanan yang hanya mencapaisekitar 10-6 torr. Akan tetapi, basil pengukuranseharusnya masih dalam batas toleransi hargaideal, jika tidak ada pengaruh lain yang perludiperhatikan dalam pengambilan kesimpulandari harga yang diperoleh dari pengukuran,seperti effek resistansi yang besar, effektimbulnya suatu lapisan oksida pada sambungan(junction) dari suatu dioda, atau pengaruh dariohmik kontak yang digunakan.

Elektroda Uap Zn Krusible Karbon

Cuplikan

io~:~:~j~~}:~Z~I...,., ,0".,'

,:O::~t~~.:~:;~~~

;{

umber

Tegangan

Masker

Sumber ZnOxygen

Lobang kecilElektroda untuk plasma

PROSES PELAPISAN ZoO PADACUPLIKAN

ZnO merupakan suatu semikonduktor

yang non-generate, yang berarti mempunyai

konduktifitas yang sangat tinggi sehinggahampir mempunyai sifat yang mendekati logam

Gambar Skhematik Prosespelapisan ZnO pada

Cuplikan [I].

Dalam proses fabrikasi divaisZnO/Zn3PZ dan ZnO/CdTe, dilakukan dengan

I Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962 P3FT -LIPI, Komplek PUSPIPTEK, Serpong, 15310

395

sistim pencampuran Zn yang diuapkan, denganOxygen dalam suatu chamber. Diantara lobangkecil (orriflce) pada krusibel dengan substrat,diberikan suatu medan listrik denganpengaturan kutub positif clan negatif sedemikianrupa sehingga akan timbul gaya listrik yangmendorong Zn kepermukaan cuplikan yangkemudian bereaksi dengan oxygen membentukZnO clan terlapis pada permukaan cuplikan( polikristal Zn3P2 clan kristal tunggal CdTe)

[I ].

Dari gambar 2 terlihat bahwa

q<Pm + qA = qX + Eg -q\j/s -q v p -qV

Dari Hukum Gauss dapat ditunjukkan bahwa

A = (o/ej)(Qsc(V) + Qit(V) + Qr>

Krusibel Karbon berfungsi sebagaipemanas untuk menguapkan Zn, clan tekananuap akan cukup tinggi didalam krusible, clanuap Zn akan tersebur keluar kearah cuplikan,bereaksi dengan Oxygen, clan akan terlapis padacuplikan. Akan tetapi, cuplikan yang walaupundalam keadaan bersih dari oksida (telahdietsa terlebih dahulu sebelum dimasukkankedalam sistim ) masih akan teroksidasi akibatoxygen yang dialirkan kedalam sistim, sebelumbereaksi dengan Zn. lnilah yang didugamerupakan penyebab timbulnya lapisan oksida(insulator) antara ZoO dengan cuplikan (Zn3P2clan CdTe).

Dimana Ej adalah permitivitas listrikinsulator, Qsc muatan pada lapisan deplesisemikonduktor, Qit muatan yang terperangkappada interface, daD Qf adalah muatan tetap padainsulator.Dari analisa lapisan deplesi maka diperoleh :

(3)Qsc (V) = -[2q Es NA \lis (V)]

daDQit (V) = -q Dit[q Ij/s(V) + q Vp -qljlo (4)

Dimana qcJ>o adalah posisi dari energi netral.Dengan menggabungkan Persamaan (1) sampai(4) maka diperoleh persamaan:

'Vs(V) = c!>b -C2V- Vp + [(C1C;/2)-112

{4 C1C; (cI>b- C2V -Vp) +

C(2 C24} 1/2] (5)TEORI

Untuk suatu lapisan dengan timbulnyasuatu insulator diantara suatu metal dengansemikonduktor maka Chattopadhyay clan Daw[2] menyatakan dalam teorinya bahwa,berdasarkan diagram pita energi maka akan adategangan drop pada lapisan insulator ketikategangan bias diaplikasikan antara kontakohmik pada semikonduktor clan logam. Padagambar 2 diberikan diagram pita energi daristruktur MIS dengan mengambil contohsemikonduktor tipe-p.

qL\.

Dimana

c!Ib = C2{(E/q) +x -<\1m) + (I -C2) <\10 } +

{(I -CJ/(q DiJ} {Q/q} (6)

CJ = (2 q Es NA 82 )/E( (7)

c2= &j/(&j +q2 ~ Dit (8)

Untuk semiconduktor dengan dopingyang rendah clan dengan memberikan teganganbias yang rendah maka suku terakhir yangberada dalam tanda kurung pada persamaan (5)dapat diabaikan sehingga persamaan tersebutdapat disederhanakan menjadi :

qXqct>m

Er.(9)IJIs(V) = $b -Vp -C2V

EFM'qV.,-\V t --

.qVp

~o lq\jls ~v

EFs

~

Jika pacta lapisan oksida terdapatpinholes, maka kapasitansi daTi suatu divaisyang terukur merupakan gabungan antaradaerah pinhole dan daerah MIS. Kapasitansidari pinhole dan MIS akan membentukhubungan serio

Pacta umumnya lapisan oksida jauhlebih tipis sehingga kapasitasnya (Cox) jauhlebih besar daripada kapasitansi daerah deplesi(Cdep) suatu dioda, sehingga kapasitansi dari

+4 0 ~

Gambar 2 Diagram Pita Energi daristruktur MIS [2]

396

suatu dioda dapat dianggap hanya diakibatkanoleh kapasitansi daerah deplesi. Oleh karenalapisan oksida dan daerah deplesi dalamhubungan seri maka kapasitansi suatu diodadapat dituliskan sebagai :

Sedangkan pacta garnbar 3 dan 4diberikan grafik antara I/C2dengan V untukdivais JZC-2 dan ZXAO-I. Pacta garnbar 3untuk divais JZC-2, walau grafik telah diberikoreksi dengan effek dari harga resistasi seri[3], narnun rnasih rnenunjukkan harga yangterlalu besar untuk diinterpretasikan sebagaiharga tegangan diffusi dari suatu divais.Sedangkan untuk divais ZXAO-I, tidakdiberikan harga koreksi dari tahanan seri, babdari tabel 1 dapat dilihat bahwa harga tahananseri sarna dengan nolo Sehingga jelaslah bahwahar~a perpotongan dari grafik antaraI/C dengan V bukanlah diakibatkan oleh hargatahanan seri, akan tetapi acta effek lain yangmenyebabkannya demikian.

I/Ceq

= I/Cox + I/Cdep 10)= I/Cdep

=l/{(dQsc(V)/d'Vs(V))(d'Vs(V)/dV)} (II)

Dengan mensubstitusikan harga dQscdan Ij/s pada persamaan (11) maka diperoleh

hubungan:

C = C2 {qEsNA/2(cJ>b -C2 V- Vp)} 1/2(12)

sehingga,

I"T ~ ~

/C2

= 2(CPb -C2V- Vp)/(C2Q&sNA) (13) -.~-,~

M,Dari fersamaan (13), maka kemiringan

dari grafikl/C versus V adalah : ...d(I/C1/dV = 2/( C2QEsNA) (14) -./"

'.I'~

II I I III I I I III.~J:;:::::::::: ~ ~-+++j".1 ...1 "'.1 -1.1 -COI' -i.1 1.1 ,.. LI

-~IYI

Sehingga dari persamaan (14) makakonsentrasi dari pembawa muatan padasemikonduktor dapat diketahui untuk setiappemberian tegangan bias tertentu.

')

Sedangkan perpotongan grafik I/C- versus Vdengan sumbu tegangan (sb V) akan terjadi jikaharga I/C2= 0, sehingga : Gambar 3. Grafik antara 1/C2 dengan

V untuk divais JZC-2, sebelum clansesudah diberikan koreksi dari effektahanan seri [3].

IiIb=C2V+Vp (15)

Harga akan selalu lebih kecil dari padasatu, untuk harga cl>b dan V p yang tertentu,sehingga harga perpotongan V akan selalumenjadi lebih besar daripada harga yang

sebenamya.

-'\-I~..N~

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISAHasi\ dari beberapa divais yang te\ah

difabrikasi diberikan pada Tabe\ ].1\

OJPerrotongandgn sb

V(volt)

daera! hI

deplesi (11m)

I 2.41

Gambar 4. Grafik antara 1/C2dengan Vuntuk divais ZXAO-l, tanpa perlakuankoreksi dari effek tahanan seri [3].

1.7:

3.30I i-:-90I

3.30

0.36I 0.27

J.9Oari persamaan (15) sudah terlihat

bahwa tingginya harga perpotongan Grafikantara I/C2dengan V adalah akibat dari lapisan

4,7 0.33Divais ZX.. = ZnO/Zn3P2; JZC.. = ZnO/CdTe

397

odeIvsis

Volt, yaitu untuk 0.1< C2 >0.3 clan harga NA:",tara 2.0 sarnpai 6.0 x 1017 crn-3.

Dengan cara yang sarna denganperlakuan terhadap divais JZC-2, rnaka divaisZXAO-I yang rnernpunyai luas = 4.9IxI0-6 rn2,permittivitas = Ilx8.85xI0'12 F/rn, kerniringan

grafik [d(I/C1/dV]= 6.929 x 1019 F-2y-l, rnaka

dengan rnenggunakan persarnaan (13) diperolehharga C2NA = 7.60 X 1013 crn-3, rnaka dapat

dibuat Tabel variasi antara harga C2 clan NAseperti yang diberikan pada Tabel 3.

Tabel 3. Kemungkinan variasi daTi harga Cz dan13NA ,dengan harga CzNA = 7.60 x 10

cm -3 dan harga tafsiran daTi c/lb untuk V

= 1.75 V alas dasar daTi teori MIS.

C2 NA( cm-~) cl>b = Cz V

(Volt)1.00.9Cz

7.6 X ]0'-'

8.4 x ]0'"

NA (cm-")

1.751.58

cIIb=C2V

(Volt)0.70.60.50.40.30.20.1

1.1 x 10'",~ .~141.3 X 10

].5 X 1014

1.9x1014

2.5 X 10'4

3.8 X 1014

7.6 X ]014

1.231.050.880.700.530.350.18

oksida antara ZnD dengan CdTe maupun Zn3P2'Akan tetapi untuk dapat menggunakan

persamaan (15) untuk menentukan harga"barrier height, <jib " dari Y daD maka haruslah

oll:etahui harga C2 daD Y p.Pacta umumnya untuk setiap divais,

harga Yp sangatlah kecil, sehingga jikadibandingkan dengan kesalahan dalameksperimen dapatlah diabaikan, tetapi tentulahharus diketahui harga dari C2. Untukmengetahui harga C2 maka haruslah diketahuiharga dari NA. Namun dalam hal ini, hargajugl'-tidak diketahui secara tepat untuk setiap divai3yang telah difabrikasi, tetapi dari kemiringangrafik antara I/C2dengan Y, yaitu denganmenggunakan persamaan (13) maka akan dapatdiperoleh harga dari C2NA.

Akan tetapi dapat dicoba untukmendapatkan batas (range) dari harga C2 clanNA yang akan termasuk dalam hargapengukuran dari C2NA., clan mencoba melihatapakah ada harg.. :jari "barrier hC'ight, <jib " yang

dapat diinterpretasikan ;;t:oagai harga barrierheigt untuk CdTe maupun Zn3P2'

Ambil sebagai contoh divais JZC-2,yang mempunyai luas = 3.14 xIO-6 m2,permittivitas = llx8.85xI0-12 F/m, kemiringan

grafik [d(1/C1/dY]= 2.203 x 1017 F-2y-l, maka

dengan menggunakan persamaan (13) diperolehharga C2NA = 5.91 X 1016 cm-3, maka dapat

dibuat Tabel variasi antara harga C2 dan NAseperti yang diberikan pada Tabel 2.

Tabel 2. Kemungkinan variasi dari harga C2 daDNA ,dengan harga C2NA = 5.91 X 1016

cm-3 daD harga tafsiran dari <jib untuk V= 3.6 V atas dasar dari teori MIS.

Dari Tabel 3 dapat dilihat bagaimanahubungan antara C2, NA dan !jib dapat dilihatbahwa harga yang dapat diinterpretasikansebagai barrier height adalah : 0.35<!jIb > 1.05Volt, yaitu untuk 0.2< C2>0.6 daD harga NAantara 1.3 sampai 3.8 x 1014 cm-3.

Jelas bahwa dengan menggunakanpendekatan yang dikemukakan olehChattophadhiay dan daw, maka harga dariberrier height untuk divais ZnO/CdTe danZnO/Zn3P2 dapat diinter-pretasikan untuk hargayang wajar. Dan dapat diketahui bahwatingginya harga tegangan diffusi yang terukurtidak hanya diakibatkan oleh besarnya hargatahanan seri divais, akan tetapi juga dipengaruhibanyak oleh adanya lapisan oksida antarasambungan ZnO dengan CdTe maupun dengan

ZIl3Pco

Cz NA(cm-") «Pb = C2 V

(Volt)1.00.90.80.70.60.50.40.3~

0.\

5.9 x 10'v6.6 X 10'0-.ohIO7.4 X 10

8.4 x 10'0h h ohIO9.8 X 10

1.2xl0'10;' 'hll1.5 X 10~ h ""..72.0x 103.0x lO'l~ ~ 'hll5.9 X 10

3.603.242.882.522.161.80

1.44

.\.08

0.720.36

KESIMPULANPengukuran barrier-height pacta suatu

dioda struktur MIS (ZnO/Zn,P: dan ZnO/CdTe)

!c!..lh dtlakukan dcngan metoda kapasitansi-

tl:'J.;ln<raJ1 (C-V ) .H..lr(J.a te'Tangan diffusl yang~ b '" '" , -

OJ1"! Tabel 2 darat dilihJl ba:;:1Imana

huhul1gan an tara C2, ~ \ Jan <PI carat dilihat

ban\\a hargJ Y:.111g Japm diil1lt:ipreta'lkd11sebagai barrier ht:lic;hl :ld,1IaIJ l!:~~o iPi, i 08

398

diperoleh dari kurva I/C2 Vs V ( 1.75 V untukZnO/Zn3P2 dan 1.15 V untuk ZnO/CdTe ),masih terlalu tinggi untuk dapatdiinterpretasikan sebagai harga tegangan diffusiuntuk dioda yang dianalisa. Hasil interpretasidengan menggunakan teori Chattopadhyay danDaw memberikan harga barrier-height yangideal untuk ZnO/Zn3P2 adalah antara 0.35 V sid1.1 V dan untuk ZnO/CdTe adalah an tara 0.36 Vsid 1.0 V.

Departement of Physics, University of.Waterloo, Canada yang banyak membantupenul.is datam mengerjakan Thesis untuk 82 dan

83.

DAFTAR PUSTAKA1. M.GINTING,MSc Thesis, University Of

Waterloo, tidak dipublikasikan, 1988.2. CHAnOPADHYAY P. and DAW A.N.

Solid State lectronics 29 (1986),555-560.3. M.GINTING, TELAAH Jilid XIV No I

(1993), 1-8UCAP AN TERIMA KASIHPenulis ingin mengucapkan ban yak

terimakasih kepada DR. J.D. Leslie, Prof. pada

399