KARAKTERISTIK ARUS FILM TIPIS CeO DAN Nd-CeO ... - JUSAMI

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Sciencesebesar 1 orde terjadi karena perbedaan kristalisasi [9]dan perbedaan rapat arus pada film tipis bismut titanatdiyakini karena adanya hubungan antara sifat listrik danorientasi kristal [10].Kemungkinan lain penyebab perbedaan rapatarus dalam film tipis CeO 2yang kami amati adalahpemberian dadah. Pemberian sejumlah kecil dadahakseptor dapat mereduksi arus yang cukup besar [11].Secara umum pada material oksida selalu terjadikekosongan oksigen dalam kisi kristal film. Kekosonganoksigen tersebut berperilaku sebagai cacat(intrinsik) yang menempati suatu keadaan dalampita energi. Kekosongan oksigen juga dapat terbentukakibat pemberian dadah akseptor (cacat ekstrinsik),seperti Nd dalam CeO 2. Berdasarkan hukum netralitasmuatan, pemberian dadah akseptor dapat mengurangielektron bebas. Dengan demikian konduksi arusdalam film tipis CeO 2akibat elektron bebas dapattereduksi.Untuk mengamati penyebab arus karenakekosongan oksigen dan dadah, karakteristik I-V padategangan negatif pada Gambar 2 diplot ke dalam skalalog. Pada Gambar 3 tampak, untuk film tipis CeO 2terdapat tiga daerah yang menunjukkan hubungan linierantara variasi arus terhadap tegangan, yaitu pada daerahtegangan di bawah 0.26 V, m = 0,98 menyatakan bahwaJ ~ V dan proses konduksi bersifat ohmik, pada daerahtegangan berikutnya m = 1,98 dan m = 1,94.Sedangkan untuk film tipis Nd-CeO 2hanya terdapat satu daerah yang mengikutihubungan linier dengan m = 1,96. Rapat arus untukm > 1 dapat dinyatakan sebagai J ~ V n dan proseskonduksi dapat dianalisis berdasarkan kerangkateori Space-Charge Limited Current (SCLC).Karakteristik arus seperti ini disebabkan olehadanya distribusi keadaan trap dalam pita energiyang dinyatakan oleh n = 2 untuk trap dengan tingkatenergi diskrit dan n > 2 untuk trap dengan tingkatenergi eksponensial.Distribusi trap yang terdapat dalam pita energidiperkirakan akibat ketidakteraturan struktur dalam kristalfilm tipis CeO 2. Trap merupakan keadaan terlokalisasiyang muncul dari dadah atau dislokasi. Keberadaan trap10 -310 -410 -510 -610 -7C e O 2V TF L = 0,74 VT e g a n g a n (V )m = 2.94m = 1.9810 -1 10 0m = 0. 9810 -8V tr = 0,26 V10 -9 m = 1.96Nd -Ce O 210 -1 0Gambar 3. Logaritme variasi arus terhadap teganganpada bias negatif untuk film tipis CeO 2dan Nd-CeO 210 1Edisi Khusus Oktober 2006, hal : 250 - 253ISSN : 1411-1098menghilangkan sebagian pembawa muatan, karenamuatan yang terinjeksi dari elektroda terperangkap dalamcacat yang terlokalisasi dan immobile. Dadah Nd dalamCeO 2menyebabkan kekosongan oksigen semakin besardan konsentrasi elektron semakin kecil. Dengan demikiankonduksi arus dalam film tipis CeO 2tereduksi denganadanya dadah Nd.Karakteristik mekanisme konduksi SCLCdinyatakan oleh persamaan [12, 13]:J9rro8d3V2...................................... (1)o adalahd adalahpembawa muatan bebas terhadap konsentrasi trap dandapat ditentukan berdasarkan[13]:enod2 ............................................. (2)Vtrrsn oadalah konsentrasi pembawa muatan, V tradalah tegangan transisi antara konduksi ohmikdan SCLC yang dikontrol oleh trap dengan keadaanenergi diskrit. Dengan mengestimasi V tr= 0,26 dari kurvapada Gambar 3 dan n o= 2,34 x 10 19 /m 3 ditentukan daripersamaanJenoVtrd-11m 2 /Vs[3], maka dengan menggunakan persamaan (2) diperoleh-3. Rapat keadaan trap dihitung dari tegangantrap-filled limited (V TFL) menggunakan:9r oVTFLNt 2 ............................... (3)8eddengan V TFL= 0.74 V yang diperoleh dari kurva padaGambar 3, konsentrasi trap total N t= 1,01 x 10 23 /m 3 .Selanjutnya keadaan energi trap dapat dihitung daripersamaan:Nc EtEcexpN kT............................. (4)tdengan N c~ 10 25 /m 3 adalah rapat keadaan efektif padapita konduksi, k adalah konstanta Boltzman, diperolehE c- E- t= 0,33 eV. Jadi keadaan trap dalam film tipis CeO 2terletak 0,33 eV di bawah pita konduksi.Karakteristik rapat arus untuk film tipis CeO 2danNd-CeO 2pada tegangan tinggi ditentukan olehmekanisme emisi Schottky. Hal ini dapat dilihat denganmentransformasikan karakteristik I-V pada Gambar 2 kedalam bentuk log variasi rapat arus terhadap akar kuadrattegangan, seperti ditampilkan pada Gambar 4. Mekanismeemisi Schottky diungkapkan oleh persamaan [12].J* 2A TexpekTSEexpkTdSE1 / 2V1 / 2dengan A * : konstanta Richardson, T : suhu,potensial Schottky, d : ketebalan film,...............(5)SE : tinggi252

Karakteristik Arus Film Tipis CeO 2dan Nd-CeO 2yang Dideposisikan di Atas Substrat Si(100) Menggunakan TeknikPulsed-Laser Ablation Deposition (PLAD) (Iis Nurhasanah)SE4e3or.Dari kurva rapat arus pada Gambar 4, terlihatbahwa variasi rapat arus terhadap tegangan mengikutikonduksi emisi Schottky mulai pada tegangan 1,6 V dan1 V berturut-turut untuk film tipis CeO 2dan Nd-CeO 2.Emisi Schottky sangat mungkin terjadi karena celah pitaenergi film tipis CeO 2tidak terlalu lebar. Celah pita energifilm tipis CeO 2yang diperoleh dari analisis taucplotadalah ~ 3,27 eV.10 -310 -410 -510 -610 -710 -810 -910 -100 1 2 3 4Akar kuadrat te gangan (V 1/2 )CeO 2Nd-Ce O 2Gambar 4. Logaritme variasi rapat arus terhadap akarkuadrat tegangan pada bias negatif.Mekanisme emisi Schottky merupakan prosesinjeksi elektron dari elektoda ke dielektrik film akibatpenurunan potensial penghalang karena pemberiantegangan. Proses konduksi ini sangat bergantung padatinggi potensial penghalang antara elektroda dandielektrik film. Analisis data dari kurva pada Gambar 4memberikan nilai potensial penghalang SE= 0,63 eVuntuk film tipis CeO 2dan 0,81 eV untuk Nd-CeO 2. Terlihatbahwa film tipis Nd-CeO 2memiliki potensial penghalanglebih besar daripada film tipis CeO 2.Dengan demikian dapat dikemukakan bahwapenambahan dadah akseptor ke dalam film tipis CeO 2meningkatkan tinggi poensial penghalang pada antarmuka Al/CeO 2. Peningkatan potensial penghalang iniberkontribusi terhadap penurunan rapat arus. Hal yangsama terjadi pula pada film tipis oksida barium strontiumtitanat [14, 15], bahwa pemberian dadah akseptor dapatmeningkatkan tingggi potensial barrier dan secarasignifikasn mereduksi arus. Selain itu diperoleh pulakonstanta dielektrik rsebesar 22 dan 32 untuk film tipisCeO 2dan Nd-CeO 2berturut-turut.Konstanta dielektrik film tipis Nd-CeO 2lebihbesar dari film tipis CeO 2dan dari nilai bulknya.Berdasarkan hasil-hasil tersebut dapat dikemukakanbahwa untuk mereduksi arus film tipis CeO 2diperlukanfilm berkristal tunggal dan dapat pula dilakukanpemberian dadah untuk memperbesar tinggi potensialpenghalang. Untuk memperoleh nilai optimumkonsentrasi dadah terhadap peningkatan potensialpenghalang dalam film tipis CeO 2perlu dilakukanpengamatan lebih lanjut.KESIMPULANHasil pengamatan memberikan kesimpulan bahwaproses konduksi yang terjadi dalam film tipis CeO 2danNd-CeO 2terutama karena mekanisme SCLC dan emisiSchottky. Hal yang memberikan kontribusi terhadaprapat arus pada film tipis CeO 2adalah orientasi kristal,keadaan trap dan tinggi potensial penghalang. Dadahakseptor Nd ke dalam CeO 2diperkirakan memperbesartinggi potensial penghalang yang terbentuk pada antarmuka Al/CeO 2dan mereduksi rapat arus. Analisisberdasarkan teori SCLC memberikan hasil konsentrasitrap N t= 1,01 x 10 23 /m 3 dengan keadaan energi berada0,33 eV di bawah pita konduksi. Potensial penghalangdan konstanta dielektrik diperoleh 0,63 eVdan 0,81 eVdan 22 dan 32 untuk film tipis CeO 2dan Nd-CeO 2. Filmtipis CeO 2dengan struktur kristal tunggal dan tinggipotensial penghalang yang besar dapat menghasilkanarus kecil dan menjadi dielektrik alternatif yang baik.DAFTARACUAN[1]. G.D. WILK, R.M.WALLACE and J.M.ANTHONY,J. Appl. Phys., 89 (2001) 5243-5275[2]. A.A. DAKHEL, J. of Alloys and Compounds, 376(2004)38-42[3]. J. LAPPALAINEN, D. KEK and H.L. TULLER, J.ofEurop. Ceram. Soc., 24 (2004) 1459-1462[4]. J. KANG, X. LIU, G. LIAN, Z. ZHANG, G. XIONG,X. GUAN, R. HAN and Y. WANG, MicroelectronicsEng., 56 (2001)191-194[5]. L. KIM, J. KIM, H, LEE, D. JUNG and Y. ROH, Jpn.J. Appl. Phys., 40 (2001) L564- L566[6]. Y. NISHIKAWA, N. TUKUSHIMA, N. YASUDA,K. NAKAYAMA and S. IKEGAWA, Jpn. J.Appl.Phys., 41 (2002) 2480-2483[7]. M.J.SCHONING,Y.G.MOURZINA,J.SCHUBERT,W. ZANDER, A. LEGIN, Y. G. VLASOV and H.LUTH, Electroanalysis, 13 (2001) 727-732[8]. V. CRACIUN, J. M. HOWARD, N. D. BASSIM andR. K. SINGH, Appl. Surf. Sci., 168 (2000) 123-126[9]. M.P.SINGH,C.S.THAKURK.SHALINI,N.BHATand S. A. SHIVASSHANKAR, Appl. Phys. Lett.,83 (2003) 2889-2891[10]. A.R. CHAUDHURI A. LAHA andS. B. KRUPANIDHI, Solid State Commun. 133(2005 ) 611-614[11]. T. L. CHEN, X. M. LI, W. B. WU, W. D. YU,X.D. GAO and X. ZHANG, Appl. Phys. Lett., 86(2005)132902-1-132902-3.[12]. S.M. SZE, Physics of Semiconductor Devices, 2 ndEd.,Wiley, NewYork, (1981)[13]. A. O. ODUOR and R. D. GOULD, Thin Solid Film,317 (1998) 409-412[14]. K. H. AHN, S. BAIK and S.S. KIM, J. Appl. Phys.,92 (2002) 2651-2654[15]. S.S. KIM and C. PARK, Appl. Phys. Lett., 75 (1999)2554-2556253