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.