BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Permasalahan
Teknologi semikonduktor telah mengalami kemajuan besar, baik dalam hal penemuan bahan, teknik pembuatan, maupun penerapan serta pengembangannya. Penemuan bahan semikonduktor dimulai dari bahan yang sederhana yaitu silikon (Si) dan germanium (Ge). Bahan semikonduktor yang ditemukan saat ini yaitu bahan semikonduktor paduan seperti GaAs, dan GaN. GaN memiliki direct band gap sehingga cocok diterapkan untuk membuat piranti optoelektronik seperti LED (light emitting diode), LD (laser diode). Bahan ini juga dapat memancarkan warna biru dan violet sehingga dapat diterapkan untuk membuat detektor UV (ultraviolet) (Duboz, 1999). Bahan semikonduktor GaN digunakan sebagai komponen semikonduktor baru yang dapat digunakan sebagai piranti elektronik. Piranti elektronik yang dibutuhkan saat ini merupakan piranti yang berukuran mikro (mikroelektronik). Hal ini bertujuan untuk penghematan bahan dan minimalisasi ukuran. Penerapan bahan semikonduktor ke dalam bidang mikroelektronik memerlukan suatu teknologi penumbuhan bahan dengan ukuran yang kecil. Teknologi penumbuhan bahan tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan teknologi penumbuhan lapisan tipis.
Lapisan tipis adalah suatu lapisan yang sangat tipis dari bahan organik, anorganik, metal maupun campuran metal yang memiliki sifat-sifat konduktor, semikonduktor maupun isolator (Sudjatmoko, 2003). Teknologi penumbuhan
lapisan tipis banyak digunakan dalam pembuatan piranti eletronik seperti kapasitor, transistor, dioda, sel surya silikon amorf, dan teknologi mikroelektronik. Sifat yang mungkin tidak terdapat pada material padatannya (bulk material) dapat dihasilkan dengan melakukan variasi dalam proses deposisi maupun modifikasi sifat-sifat lapisan tipis selama deposisi.
Teknik pembuatan lapisan tipis salah satunya adalah dengan menggunakan teknik deposisi lapisan tipis. Metode yang digunakan dalam deposisi lapisan tipis, yaitu PVD (physical vapour deposition) dan CVD (chemical vapour deposition). Proses PVD diklasifikasikan menjadi dua, yaitu thermal evaporation dan sputtering. Metode sputtering yang saat ini digunakan dan dikembangkan di laboratorium Fisika FMIPA Unnes adalah metode dc magnetron sputtering yang memiliki kelebihan diantaranya (1) lapisan yang terbentuk mempunyai komposisi yang serupa dengan bahan target, (2) kualitas, struktur dan keseragaman hasil lapisan dikendalikan oleh tingkat homogenitas target, (3) mempunyai rapat arus yang besar sehingga memungkinkan terjadinya laju deposisi yang tinggi, (4) lapisan yang terbentuk mempunyai kekuatan rekat yang tinggi terhadap permukaan substrat, dan (5) biaya operasional lebih murah dibandingkan metode yang lain (Sudjatmoko, 2003).
Penerapan bahan semikonduktor tersebut ke dalam bidang elektronik menghasilkan suatu piranti seperti kapasitor, transistor, maupun dioda. Pembentukan piranti-piranti tersebut di atas melibatkan teknologi penumbuhan lapisan tipis dengan struktur yang tertentu. Pengukuran langsung dari sifat listrik bahan semikonduktor dengan sebuah kontak logam (struktur logam-5
semikonduktor) menunjukkan adanya kebocoran arus yang besar (Pearton,1999). Kebocoran arus ini dapat dikurangi dengan menumbuhkan lapisan oksida yang berfungsi sebagai insulator di atas lapisan semikonduktor. Struktur ini paling banyak digunakan dalam penerapan piranti elektronik karena dapat mengurangi konsumsi daya yang digunakan. Struktur lapisan metal-oksida-semikonduktor tersusun oleh tiga lapisan tipis yaitu lapisan semikonduktor, lapisan oksida, dan lapisan metal untuk gate.
Piranti elektronik yang banyak digunakan saat ini merupakan piranti yang berukuran mikro. Kebocoran arus bertambah secara eksponensial terhadap pengurangan ketebalan lapisan oksida. Lapisan oksida yang pertama kali digunakan adalah lapisan oksida SiO2. Lapisan oksida SiO2 memiliki beberapa kekurangan diantaranya banyaknya arus kebocoran yang disebabkan faktor terobosan (Zhu, 2003). Kebocoran arus karena minimalisasi ukuran ini dapat dikurangi dengan menggunakan lapisan oksida yang memiliki konstanta dielektrik tinggi dibandingkan SiO2. Ketebalan lapisan oksida sebanding dengan konstanta dielektrik dari bahan. Struktur MOS dengan oksida Ga2O3 yang ditumbuhkan pada semikonduktor GaAs menunjukkan hasil yang baik pada sifat fotoluminesen dan piranti MOSFET (Tu et al, 1999) Tetapi, pengukuran C-V lapisan oksida Ga2O3 yang ditumbuhkan pada lapisan GaN menunjukkan nilai yang tidak jelas pada daerah inversi kuat ketika diberi bias maju yang lebar (Tu, et al, 2000). Pengukuran I-V lapisan Ga2O3/GaN yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD menghasilkan ketebalan 85 amstrong dan menunjukkan kebocoran arus 10-5 – 10-9 A/cm2 (Pearton, 1999). Piranti yang baik memiliki kebocoran arus lebih kecil atau sama dengan 1 nA. Nilai kebocoran arus pada penelitian Tu et al (2000) menghasilkan kebocoran arus yang lebih kecil dari harga itu, ketika menggunakan oksida Ta2O5 yang ditumbuhkan di atas GaN dengan metode rf magnetron sputtering. Oksida Ta2O5 selain digunakan untuk menambah kerapatan muatan, juga untuk mengurangi kebocoran arus.
Penelitian skripsi ini menggunakan bahan Gallium nitrida (GaN) sebagai lapisan semikonduktor, Tantalum pentoksida (Ta2O5) sebagai lapisan oksida dan aluminium (Al) sebagai metal gate. Struktur bahan ini menjadi objek penelitian karena memiliki sifat listrik yang sesuai dengan sifat struktur MOS yang diinginkan. Semikonduktor GaN memiliki kecepatan elektron yang tinggi terhadap rentang medan listrik yang tinggi (Pearton, 1997) sehingga cocok diterapkan untuk membuat piranti elektonik seperti HEMT (high electron mobility transistor) yang bekerja dengan daya tinggi. Lapisan oksida yang digunakan adalah Ta2O5 (Tantalum pentoksida) yang memiliki konstanta dielektrik tinggi. Konstanta dielektrik bahan yaitu kemampuan dari suatu bahan untuk menyimpan muatan ketika diberikan suatu medan listrik. sehingga dapat mengurangi arus kebocoran (Kuo-Chang, 2000). Konstanta dielektrik tinggi juga digunakan untuk meningkatkan kapasitansi dalam oksida. Kontak logam yang digunakan dalam struktur ini yaitu logam aluminium, karena memiliki fungsi kerja yang tinggi sehingga resistansinya relatif kecil. Hal ini bertujuan untuk mengetahui sifat listrik arus-kapasitansi dari lapisan semikonduktor-oksida. Metode Fabrikasi struktur metal-oksida-semikonduktor Al/Ta2O5/GaN telah dilakukan dengan berbagai metode diantaranya metode dc magnetron sputtering (Ezhilvalavan & Tseng, 1999), dan metode rf magnetron sputtering (Tu et al, 2000).
1.2 Rumusan Masalah
Permasalahan difokuskan untuk mengkaji struktur kristal lapisan Ta2O5 dan pengaruhnya sebagai lapisan oksida untuk fabrikasi struktur metal-oksida-semikonduktor Al/Ta2O5/GaN dengan teknik dc magnetron sputtering.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui struktur kristal Ta2O5 yang baik untuk fabrikasi struktur metal-oksida-semikonduktor Al/Ta2O5/GaN dengan teknik dc magnetron sputtering serta karakterisasi sifat-sifat listrik, sehingga struktur tersebut dapat diaplikasikan ke bidang terapan.
1.4. Manfaat penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang penggunaan lapisan oksida Ta2O5 pada struktur metal-oksida-semikonduktor Al/Ta2O5/GaN dengan menggunakan teknik dc magnetron sputtering. Hasilnya dapat dijadikan sebagai sebuah acuan bagi penelitian selanjutnya untuk membentuk struktur metal-oksida-semikonduktor dengan lapisan oksida yang berbeda ataupun dimanfaatkan oleh dunia industri untuk memenuhi kebutuhan bidang mikroelektronik lainnya di masa yang akan datang.
1.5 Sistematika Skripsi
Skripsi ini dimulai dengan halaman judul, abstrak, halaman pengesahan, halaman motto, halaman persembahan, kata pengantar, daftar isi, daftar gambar dan daftar tabel. Latar belakang masalah penelitian, rumusan masalah, batasan masalah yang akan diteliti, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika skripsi diuraikan pada pendahuluan di bab I. Bab II membahas kajian pustaka yang mendasari penelitian ini berisi penjelasan mengenai struktur metal-oksida-semikonduktor (MOS), struktur metal-semikonduktor, material GaN, oksida Ta2O5, fenomena sputtering, dan sistem dc magnetron sputtering. Bab III membahas metode penelitian yang dilakukan meliputi alur penelitian, pembuatan target GaN dan Ta2O5, preparasi substrat, penumbuhan lapisan tipis, karakterisasi film tipis GaN dan analisis data. Bab IV berisi tentang analisis dan pembahasan dari data hasil penelitian. Analisis dan pembahasan hasil penelitian ini meliputi analisis serta pembahasan dari difraktogram XRD pada lapisan tipis Ta2O5 dan grafik antara kebocoran arus dan tegangan gate pada struktur MOS Al/Ta2O5/GaN. Bab V berisi simpulan hasil penelitian yang telah dilakukan dan saran untuk penelitian lebih lanjut. Bagian akhir skripsi ini adalah bagian penutup yang berisi daftar pustaka bahan kajian pustaka dan lampiran hasil-hasil penelitian.
