## PENDAHULUAN
Film tipis berdielektrik tinggi diperlukan sebagai dielektrik alternatif untuk menggantikan SiO 2 pada divais Metal-Oxide-Semiconductor ( MOS ). Ketebalan lapisan dielektrik dalam MOS merupakan salah satu faktor yang menentukan kinerja divais. Usaha reduksi ketebalan lapisan dielektrik SiO 2 dalam MOS konvensional menghasilkan peningkatan arus yang tinggi, sehingga secara praktis SiO 2 tidak dapat digunakan lagi [1]. Diantara kandidat material yang diprediksi dapat menjadi dielektrik alternatif adalah kelompok oksida tanah jarang. CeO 2 merupakan salah satu oksida tanah jarang yang telah diakui berpotensi sebagai dielektrik alternatif,
karena memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan SiO 2 , yaitu: konstanta dielektriknya tinggi (~26), stabilitas termodinamiknya cukup baik dan kompatibel dengan Si. Selain CeO 2 , baru-baru ini Nd 2 O 3 mulai dikaji potensinya sebagai dielektrik alternatif [2].
Beberapa peneliti telah mengamati film tipis CeO 2 sebagai dielektrik alternatif yang dideposisikan di atas Si(100) dan Si(111) mengunakan teknik Pulsed-Laser Deposition ( PLD ) [3,4], sputtering [5] dan electron-beam evaporation [6]. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa arus pada film tipis CeO 2 sangat ditentukan oleh kristalinitas dan orientasi film. Di lain pihak, besar arus

## KARAKTERISTIK ARUS FILM TIPIS CeO
2 DAN Nd-CeO 2 YANG DIDEPOSISIKAN DI ATAS SUBSTRAT Si(100) MENGGUNAKAN TEKNIK PULSED-LASER ABLATION DEPOSITION

## ( PLAD )
Iis Nurhasanah 1,2 , Khairurrijal 2 , Mikrajudin Abdullah 2 , BambangAriwahjoedi 3 , Maman Budiman 2 dan Sukirno 2
1 Jurusan Fisika FMIPA - UNDIP Jl. Prof. H. Soedarto, SH, Tembalang, Semarang 50275
2 K.K. Fisika Material Elektroni - ITB Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132
3 K. K. Kimia Inorganik dan Fisik, FMIPA - ITB Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132

## ABSTRAK
KARAKTERISTIK ARUS FILM TIPIS CeO 2 DAN Nd-CeO 2 YANG DIDEPOSISIKAN DI ATAS SUBSTRAT Si(100) MENGGUNAKAN TEKNIK PULSED-LASER ABLATION DEPOSITION ( PLAD ) . Karakteristik arus film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 yang dideposisikan di atas substrat p-Si(100) menggunakan teknik Pulsed-Laser Ablation Deposition ( PLAD ) telah diamati melalui pengukuran arus-tegangan (I-V). Film tipis CeO 2 memiliki rapat arus yang lebih besar 2 orde dari film tipis Nd-CeO 2 . Perbedaan rapat arus dapat dijelaskan berdasarkan perbedaan orientasi kristal, keadaan trap dan tinggi potensial penghalang. Mekanisme konduksi yang terjadi terutama adalah Space-Charge Limited Current ( SCLC ) pada tegangan rendah dan emisi Schottky pada tegangan tinggi. Diketahui pula bahwa potensial penghalang film tipis Nd-CeO 2 lebih besar dari film tipis CeO 2 dan memberikan kontribusi terhadap penurunan rapat arus.
Kata kunci : Dielektrik, Nd-CeO 2 , karakteristik I-V, SCLC , emisi Schottky

## ABSTRACT
CURRENT CHARACTERISTICS OF CeO 2 AND Nd-CeO 2 THIN FILM DEPOSITED ON Si(100) BY PULSED-LASER ABLATION DEPOSITION (PLAD) . Current characteristics of CeO 2 and Nd-CeO 2 thin films deposited on p-Si(100) by using pulsed-laser ablation deposition (PLAD) technique have been investigated by current-voltage (I-V) measurement. The current density of CeO 2 thin film is higher than Nd-CeO 2 thin film of about two orders. The current density difference may be explained by the different of crystal orientation, state of traps and height barrier potential. The main conduction mechanisms were Space Charge Limited Current (SCLC) at low voltage and Schottky emission at high voltage. It was also found that barrier potential of Nd-CeO 2 thin film is higher than CeO 2 thin film and may contribute to reduce current density.
Key words : Dielectric, Nd-CeO 2 , I-V characteristic, SCLC, Schottky emission
Karakteristik Arus Film Tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 yang Dideposisikan di Atas Substrat Si(100) Menggunakan Teknik Pulsed-Laser Ablation Deposition (PLAD) (Iis Nurhasanah)
terutama ditentukan oleh potensial penghalang pada antar muka CeO 2 /Si [6]. Namun demikian untuk dapat merealisasikan film tipis CeO 2 sebagai dielektrik alternatif, penelitian mengenai karakteristik film tipis CeO 2 sampai saat ini masih terus dilakukan.
Dalam makalah ini, karakteristik arus film tipis CeO 2 dan CeO 2 yang didadah Nd (Nd-CeO 2 ) dianalisis agar dipahami proses konduksi arusnya. Dengan demikian dapat diketahui informasi yang lebih detail mengenai faktor-faktor yang dapat mereduksi arus. Pengamatan karakteristik arus film tipis Nd-CeO 2 , khususnya untuk aplikasi sebagai dielektrik alternatif masih jarang dilakukan. Film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 dideposisikan di atas Si(100) menggunakan teknik Pulsed-Laser Ablation Deposition ( PLAD ). PLAD merupakan satu dari teknik deposisi secara fisika ( Physical Vapor Deposition / PVD ) yang dapat menghasilkan film multikomponen dengan komposisi yang hampir sama dengan target dan memungkinkan diperoleh film kristal pada suhu rendah serta secara eksperimen cukup sederhana [7,8].

## METODE PERCOBAAN
Film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 dideposisikan di atas substrat Si(100) tipe-p mengunakan teknik PLAD yang terdapat di laboratorium oksida, Fisika ITB. Substrat Si dibersihkan menggunakan standar RCA cleaning sebelum dimasukkan ke dalam chamber . Jarak target ke substrat adalah 2,5 cm. Target untuk film tipis Nd-CeO 2 dibuat dengan mencampurkan serbuk CeO 2 dan Nd 2 O 3 dengan perbandingan 90 % : 10 %. Deposisi dilakukan pada suhu 400 o C selama 60 menit. Dalam eksperimen ini tidak ada proses annealing yang dilakukan setelah deposisi. Ketebalan film diestimasi dari citra penampang Scanning Electron Microscope (JEOL JSM-6360LA) sekitar 100 nm. Fasa dan strukturmikro film diamati mengunakan X-Ray Diffraktometer ( X’Pert Pro, PANalytical ). Struktur MOS dibuat dengan mendeposisikan Al sebagai kontak logam mengunakan evaporator. Karakteristik arus-tegangan (I-V) diukur menggunakan elektrometer Keithley 617.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Struktur dan orientasi kristal film memberikan kontribusi terhadap karakteristik arus dalam film tipis dielektrik. Pola XRD pada Gambar 1 menunjukkan bahwa untuk masing-masing film selain puncak Si(400) teramati pada 2 ~ 69 o juga tampak adanya satu puncak lain dengan intensitas kecil. Pada film tipis CeO 2 puncak di 2 ~ 75,54 o bersesuaian dengan orientasi (331), sedangkan pada film tipis Nd-CeO 2 puncak di 2 ~ 28 o bersesuaian dengan orientasi (111). Hal ini mengindikasikan bahwa film memiliki fasa tunggal dengan struktur kubik fluorit. Walaupun demikian pada 2 kecil terlihat adanya bumb , sehingga dapat
dikemukakan bahwa sebagian film amorf dan belum sepenuhnya kristal.
Untuk mengetahui karakteristik arus yang terjadi dalam film dilakukan pengukuran arus pada tegangan positif dan negatif. Pada kurva arus terhadap tegangan (I-V) yang ditunjukkan dalam Gambar 2, teramati bahwa nilai rapat arus naik secara tajam terhadap pertambahan tegangan. Nilai dan bentuk kurva I-V film tipis CeO 2 pada tegangan negatif dan positif hampir sama, sedangkan untuk film tipis Nd-CeO 2 nilai rapat arus saat diberi tegangan negatif jauh lebih kecil daripada pada saat diberi tegangan positif. Rapat arus pada tegangan negatif (akumulasi) untuk film tipis Nd-CeO 2 lebih kecil sekitar dua orde dari film tipis CeO 2 . Pada tegangan 1V, rapat arus untuk film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 berturut-turut adalah 4,5 x 10 -7 Acm -2 dan 5,7 x 10 -9 Acm -2 . Penyebab perbedaan rapat arus tersebut, salah satunya dimungkinkan karena pengaruh orientasi dan kristalinitas film. Rapat arus film tipis CeO 2 untuk orientasi (200) dan (111) berbeda sekitar setengah orde [5]. Rapat arus film tipis CeO 2 dengan orientasi (331) yang kami peroleh jauh lebih kecil dibandingkan dengan yang diperoleh sebelumnya, dengan demikian film tipis CeO 2 (331) lebih berpotensi sebagai dielektrik alternatif. Perbedaan rapat arus akibat orintasi kristal dan kristalinitas teramati pula pada dielektrik oksida lainnya. Pada film tipis erbium oksida, perbedaan rapat arus
Gambar 1 . Pola XRD film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 20 30 40 50 60 70 80 90 2 ( o )
Gambar 2 . Variasi rapat arus terhadap tegangan untuk film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 -1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1 0 T e g a n g a n (V) 10 -1 0 10 -6 10 -4 10 -8 10 -9 10 -7 10 -5 10 -3 N d -C e O 2 C e O 2
sebesar 1 orde terjadi karena perbedaan kristalisasi [9] dan perbedaan rapat arus pada film tipis bismut titanat diyakini karena adanya hubungan antara sifat listrik dan orientasi kristal [10].
Kemungkinan lain penyebab perbedaan rapat arus dalam film tipis CeO 2 yang kami amati adalah pemberian dadah. Pemberian sejumlah kecil dadah akseptor dapat mereduksi arus yang cukup besar [11]. Secara umum pada material oksida selalu terjadi kekosongan oksigen dalam kisi kristal film. Kekosongan oksigen tersebut berperilaku sebagai cacat (intrinsik) yang menempati suatu keadaan dalam pita energi. Kekosongan oksigen juga dapat terbentuk akibat pemberian dadah akseptor (cacat ekstrinsik), seperti Nd dalam CeO 2 . Berdasarkan hukum netralitas muatan, pemberian dadah akseptor dapat mengurangi elektron bebas. Dengan demikian konduksi arus dalam film tipis CeO 2 akibat elektron bebas dapat tereduksi.
Untuk mengamati penyebab arus karena kekosongan oksigen dan dadah, karakteristik I-V pada tegangan negatif pada Gambar 2 diplot ke dalam skala log. Pada Gambar 3 tampak, untuk film tipis CeO 2 terdapat tiga daerah yang menunjukkan hubungan linier antara variasi arus terhadap tegangan, yaitu pada daerah tegangan di bawah 0.26 V, m = 0,98 menyatakan bahwa J ~ V dan proses konduksi bersifat ohmik, pada daerah tegangan berikutnya m = 1,98 dan m = 1,94.
Sedangkan untuk film tipis Nd-CeO 2 hanya terdapat satu daerah yang mengikuti hubungan linier dengan m = 1,96. Rapat arus untuk m > 1 dapat dinyatakan sebagai J ~ V n dan proses konduksi dapat dianalisis berdasarkan kerangka teori Space-Charge Limited Current ( SCLC ).
Karakteristik arus seperti ini disebabkan oleh adanya distribusi keadaan trap dalam pita energi yang dinyatakan oleh n = 2 untuk trap dengan tingkat energi diskrit dan n > 2 untuk trap dengan tingkat energi eksponensial.
Distribusi trap yang terdapat dalam pita energi diperkirakan akibat ketidakteraturan struktur dalam kristal film tipis CeO 2 . Trap merupakan keadaan terlokalisasi yang muncul dari dadah atau dislokasi. Keberadaan trap
menghilangkan sebagian pembawa muatan, karena muatan yang terinjeksi dari elektroda terperangkap dalam cacat yang terlokalisasi dan immobile . Dadah Nd dalam CeO 2 menyebabkan kekosongan oksigen semakin besar dan konsentrasi elektron semakin kecil. Dengan demikian konduksi arus dalam film tipis CeO 2 tereduksi dengan adanya dadah Nd.
Karakteristik mekanisme konduksi SCLC dinyatakan oleh persamaan [12, 13]:
3 2 8 9 d V
J o r ...................................... (1) r o adalah d adalah pembawa muatan bebas terhadap konsentrasi trap dan dapat ditentukan berdasarkan[13]:
s r tr o V d en 2
............................................. (2)
n o adalah konsentrasi pembawa muatan, V tr adalah tegangan transisi antara konduksi ohmik dan SCLC yang dikontrol oleh trap dengan keadaan energi diskrit. Dengan mengestimasi V tr = 0,26 dari kurva pada Gambar 3 dan n o = 2,34 x 10 19 /m 3 ditentukan dari
persamaan d V en J tr o
-11 m 2 /Vs [3], maka dengan menggunakan persamaan (2) diperoleh -3 . Rapat keadaan trap dihitung dari tegangan trap-filled limited ( V TFL ) menggunakan:
2 8 9 ed V N TFL o r t ............................... (3)
dengan V TFL = 0.74 V yang diperoleh dari kurva pada Gambar 3, konsentrasi trap total N t = 1,01 x 10 23 /m 3 . Selanjutnya keadaan energi trap dapat dihitung dari persamaan:
kT E E N N c t t c exp ............................. (4)
dengan N c ~ 10 25 /m 3 adalah rapat keadaan efektif pada pita konduksi, k adalah konstanta Boltzman , diperoleh E c - E- t = 0,33 eV. Jadi keadaan trap dalam film tipis CeO 2 terletak 0,33 eV di bawah pita konduksi.
Karakteristik rapat arus untuk film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 pada tegangan tinggi ditentukan oleh mekanisme emisi Schottky . Hal ini dapat dilihat dengan mentransformasikan karakteristik I-V pada Gambar 2 ke dalam bentuk log variasi rapat arus terhadap akar kuadrat tegangan, seperti ditampilkan pada Gambar 4. Mekanisme emisi Schottky diungkapkan oleh persamaan [12].
2 / 1 2 / 1 2 * exp exp V kTd kT e T A J SE SE
...............(5)
dengan A * : konstanta Richardson , T : suhu, SE : tinggi potensial Schottky , d : ketebalan film,
Gambar 3 . Logaritme variasi arus terhadap tegangan pada bias negatif untuk film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 T e g a n g a n (V ) 1 0 -1 0 1 0 -3 1 0 -4 1 0 -5 1 0 -6 1 0 -7 1 0 -8 1 0 -9 N d -C e O 2 C e O 2 1 0 1 1 0 0 10 - 1 m = 0 . 98 m = 1. 9 8 m = 2 . 9 4 m = 1 . 9 6 V T F L = 0 , 7 4 V V tr = 0 , 26 V
Karakteristik Arus Film Tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 yang Dideposisikan di Atas Substrat Si(100) Menggunakan Teknik Pulsed-Laser Ablation Deposition (PLAD) (Iis Nurhasanah)
r o SE e 4 3 .
Dari kurva rapat arus pada Gambar 4, terlihat bahwa variasi rapat arus terhadap tegangan mengikuti konduksi emisi Schottky mulai pada tegangan 1,6 V dan 1 V berturut-turut untuk film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 . Emisi Schottky sangat mungkin terjadi karena celah pita energi film tipis CeO 2 tidak terlalu lebar. Celah pita energi film tipis CeO 2 yang diperoleh dari analisis taucplot adalah ~ 3,27 eV.
Mekanisme emisi Schottky merupakan proses injeksi elektron dari elektoda ke dielektrik film akibat penurunan potensial penghalang karena pemberian tegangan. Proses konduksi ini sangat bergantung pada tinggi potensial penghalang antara elektroda dan dielektrik film. Analisis data dari kurva pada Gambar 4 memberikan nilai potensial penghalang SE = 0,63 eV untuk film tipis CeO 2 dan 0,81 eV untuk Nd-CeO 2 . Terlihat bahwa film tipis Nd-CeO 2 memiliki potensial penghalang lebih besar daripada film tipis CeO 2 .
Dengan demikian dapat dikemukakan bahwa penambahan dadah akseptor ke dalam film tipis CeO 2 meningkatkan tinggi poensial penghalang pada antar muka Al/CeO 2 . Peningkatan potensial penghalang ini berkontribusi terhadap penurunan rapat arus. Hal yang sama terjadi pula pada film tipis oksida barium strontium titanat [14, 15], bahwa pemberian dadah akseptor dapat meningkatkan tingggi potensial barrier dan secara signifikasn mereduksi arus. Selain itu diperoleh pula konstanta dielektrik r sebesar 22 dan 32 untuk film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 berturut-turut.
Konstanta dielektrik film tipis Nd-CeO 2 lebih besar dari film tipis CeO 2 dan dari nilai bulknya. Berdasarkan hasil-hasil tersebut dapat dikemukakan bahwa untuk mereduksi arus film tipis CeO 2 diperlukan film berkristal tunggal dan dapat pula dilakukan pemberian dadah untuk memperbesar tinggi potensial penghalang. Untuk memperoleh nilai optimum konsentrasi dadah terhadap peningkatan potensial penghalang dalam film tipis CeO 2 perlu dilakukan pengamatan lebih lanjut.

## KESIMPULAN
Hasil pengamatan memberikan kesimpulan bahwa proses konduksi yang terjadi dalam film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 terutama karena mekanisme SCLC dan emisi Schottky . Hal yang memberikan kontribusi terhadap rapat arus pada film tipis CeO 2 adalah orientasi kristal, keadaan trap dan tinggi potensial penghalang. Dadah akseptor Nd ke dalam CeO 2 diperkirakan memperbesar tinggi potensial penghalang yang terbentuk pada antar muka Al/CeO 2 dan mereduksi rapat arus. Analisis berdasarkan teori SCLC memberikan hasil konsentrasi trap N t = 1,01 x 10 23 /m 3 dengan keadaan energi berada 0,33 eV di bawah pita konduksi. Potensial penghalang dan konstanta dielektrik diperoleh 0,63 eVdan 0,81 eV dan 22 dan 32 untuk film tipis CeO 2 dan Nd-CeO 2 . Film tipis CeO 2 dengan struktur kristal tunggal dan tinggi potensial penghalang yang besar dapat menghasilkan arus kecil dan menjadi dielektrik alternatif yang baik.

## DAFTAR ACUAN
[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. of Europ. Ceram. Soc ., 24 (2004) 1459-1462
[4]. J. KANG, X. LIU, G. LIAN, Z. ZHANG, G. XIONG, X. GUAN, R. HAN and Y. WANG, Microelectronics Eng ., 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 and R. K. SINGH, Appl. Surf. Sci ., 168 (2000) 123-126
[9]. M.P. SINGH, C. S. THAKUR K. SHALINI, N. BHAT and S. A. SHIVASSHANKAR, Appl. Phys. Lett ., 83 (2003) 2889-2891
[10]. A.R. CHAUDHURI A. LAHA and S. 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 nd Ed.,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)
2554-2556
Gambar 4 . Logaritme variasi rapat arus terhadap akar kuadrat tegangan pada bias negatif. 0 1 2 3 4 Akar ku adrat te gan gan (V 1 /2 ) Ce O 2 Nd-Ce O 2 10 -10 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9