FG-FET Berbasis Film Ag 2 O Untuk Pendeteksian H 2 S
1 W. Widanarto, 2 Bilalodin & 3 R. A. Saputro 1,2,3 Program Studi Fisika, FST Unsoed Jl. dr. Soeparno No. 61 Purwokerto
1 wahyu.widanarto@unsoed.ac.id
2 bilalodin@unsoed.ac.id

## Abstrak
Film Ag 2 O telah ditumbuhkan pada top electrode Si/Ti/Pt dengan evaporasi termal.  Proses evaporasi dilakukan  pada  tekanan  2  x  10 -2 mbar  dalam  atmosfir  oksigen  sintetis.  SEM  digunakan  untuk menganalisa struktur permukaan film. Top electrode dilekatkan pada chip FG -FET untuk membentuk sebuah  sensor  gas  yang  sensitif  terhadap  H2S.  Karakterisasi  yang  meliputi  uji  temperatur, konsentrasi,  kelembaban  dan  selektivitas  dilakukan  untuk  mengetahui  kehandalan  sensor.  Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa FG-FET berbasis film Ag 2 O dapat mendeteksi H 2 S pada konsentrasi rendah  dengan  temperatur  operasi  optimum  95°C  dalam  keadaan  kering  maupun  lembab. Penambahan  klaster  Fe  pada  permukaan  film  Ag 2 O  dapat  meningkatkan  unjuk  kerja  sensor  yang ditandai dengan peningkatan sinyal keluaran sensor.

## Kata kunci: FG-FET, Film Ag
2 O, Fe, Fungsi Kerja, H 2 S.

## Abstract
Ag 2 O  film  has  been  grown  on  the  top  electrode  Si/Ti/Pt  by  thermal  evaporation  process.  This evaporation  process  was  processed  at  2  x  10 -2 mbar  atmospheric  pressure using  synthetic  oxygen. SEM has been used to analyze the structure of film surface. Top electrode was  attached to FG-FET chip with the  aim of forming  a gas sensor which is sensitive to H 2 S. Characterization test, including temperature, concentration, humidity and selectivity was conducted to determine the reliability of the sensor. The results showed that FG-FET-based Ag 2 O film is able to detect H 2 S at low concentrations with  with  an  optimum  operating  temperature  95°C  in  dry  or  humid  conditions.  The  addition  of  Fe clusters  on  the  Ag 2 O  film  surface  can  enhance  performance  of  the  sensor,  which  is  noted  by  an increase in the output signal.
Keywords: FG-FET, Ag 2 O film, Fe, performance, H 2 S.

## 1 Pengantar
Pencemaran  lingkungan  merupakan  masalah  yang  serius  dalam  kehidupan  masyarakat saat  ini.  Hal  tersebut  muncul  sebagai  akibat  perkembangan  dunia  industri  yang  sangat pesat dan gas buang kendaraan bermotor. Industri dan kendaraan bermotor mengeluarkan gas-gas  berbahaya  seperti  timbal/timah  hitam   (Pb), suspended particulate matter (SPM), oksida  nitrogen  (NO x ),  hidrokarbon  (HC),  karbon  monoksida  (CO),  oksida  fotokimia  (O x ), hidrosulfur (H 2 S), dan oksida sulfur (SO 2 ). Adanya produksi gas polutan dapat menimbulkan dampak negatif, baik terhadap kesehatan manusia maupun terhadap lingkungan.
Berbagai macam material sensor telah dikembangkan dan direalisasikan untuk mendeteksi gas-gas  polutan.  Sebagian  besar  dari  pengembangan  sensor  tersebut  berbasis  pada perubahan  konduktivitas  material  akibat  interaksi  permukaan  material  dengan  m olekul- molekul gas-gas polutan [1][2][3][4], akan tetapi tingginya  suhu operasi sensor (> 250°C) untuk  mencapai  reaksi  antara  molekul  gas  polutan  dengan  permukaan  lapisan  tipis , menyebabkan  pengembangan  sensor  sulit  diterapkan  pada portable  system akibat keterbatasan penyediaan daya. Oleh karena itu, sistem pendeteksian  gas-gas polutan akan dibuat  dengan  menggunakan  Floating-Gate  Fields  Effect  Transistor  (FG-FET).  Keunggulan dari  sensor  berbasis  FG-FET  yaitu  sensor  dapat  dioperasikan  pada  temperatur  kamar  [5]
dan sangat sensitif terhadap perubahan fungsi kerja ∆Φ dari material film sensitif between proses  interaksi  yang  terjadi  antara  gas  dengan  film  di  dalam  FET  serta  memberikan kelebihan dalam penerapan sensor pada portable system .
Berdasarkan  pada  penelitian  studi  awal  pengukuran  fungsi  kerja  film  Ag 2 O  dengan  Kelvin Probe diperoleh bahwa fungsi kerja film Ag 2 O berubah ketika film  berinteraksi dengan gas H 2 S [6].  Oleh karena itu, film ini akan digunakan sebagai film sensitif dalam sistem sensor FG-FET.  FG-FET  merupakan  suatu  sistem  sensor  gas  yang  berbasis  pada  pengukuran perubahan fungsi kerja film sensitif akibat beriteraksi dengan gas uji. Disain serbaguna dari sebuah FG-FET dengan film sensitif pada bagian elektroda atas ( Top electrode ) ditunjukkan dalam  Gambar  1  [7].  Perubahan  fungsi  kerja  akibat  asorbsi  fisika  atau  kimia  pada  film sensitive  gas  dapat  menghasilkan  sebuah  beda  potensial  yang  reversibel.  Beda  potensial ini  menyababkan  perubahan  tegangan source-Drain dari  sebuah p-channel MOSFET konvensional  melalui  sebuah  pembagi  tegangan  kapasitif.  Rangkaian  elektronik  ekivalen dari FG-FET diberikan dalam Gambar 2.
Gambar 1 Skematik FG-FET
Gambar 2 Rangkaian elektronik ekivalen FG-FET

## 2 Hasil dan Diskusi

## 2.1 Penumbuhan Film Ag2O
Penumbuhan  film  oksida  perak  (Ag 2 O)  dilakukan  setelah top  electrode yang  terbuat  dari Silikon  (Si)  dilapisi  dengan  film  Titanium/  Platinum  (Ti/Pt).  Tujuan  pelapisan  ini  adalah untuk memperkuat  daya rekat film  Ag 2 O pada top electrode . Film  Ti/Pt ditumbuhkan pada top electrode dengan menggunakan DC  Sputtering masing-masing  selama 5 menit dan 10 menit  dengan  daya  350  watt  dan  500  watt.  SEM  digunakan  untuk  melihat  penampang lintang  dan  ketebalan  dari  film  Ti/Pt.  Hasil  SEM  dengan  perbesaran  50.000  kali menunjukkan bahwa lapisan  Ti dan  Pt dengan ketebalan dalam kisaran nanometer terlihat dengan jelas seperti dalam Gambar 3.
Penumbuhan  film  Ag 2 O  pada top  electrode dilakukan  dengan  menggunakan  evaporasi thermal  pada  tekanan  2  10 -2 mbar  dalam  atmosfir  oksigen.  Rata-rata  deposisi  evaporasi dijaga konstan antara 0,5 - 1 nm/detik untuk ketebalan 200 nm. Morfologi permukaan film tipis  Ag 2 O  hasil  penumbuhan  dikarakterisasi  dengan  SEM .  Hasil  SEM  dengan  perbesaran 50.000  kali  menunjukkan  bahwa  permukaan  Ag 2 O  sangat  solid  seperti  terlihat  dalam Gambar 4.
Gambar 3 Penampang melintang film Ti/Pt
Gambar 4 Foto SEM: morfologi permukaan film  Ag 2 O

## 2.2 Efek Temperatur
Temperatur  merupakan  salah  satu  parameter  terpeting  dalam  operasi  sebuah  sensor, karena  adsorbsi  dan  desorbsi  merupakan  proses-proses  yang  bergantung  pada temperature  [8].  Peningkatan  temperatur  dapat  memperbaiki  sensitivitas  sensor  terhadap gas  uji,  tapi  pada  sisi  lain  temperatur  juga  mempunyai  efek  terhadap  sifat-sifat  fisika  dari film  yang  digunakan  dalam  sensor.  Oleh  karena  itu  pengujian  efek  temperatur  terhadap sensor dilakukan untuk memperoleh temperatur operasi optimum.  Pengujian ini dilakukan dengan  mengalirkan  20  ppm  H 2 S  selama  30  menit  pada  tiga  variasi  temperatur  yaitu temperature kamar, 95°C dan 135°C. Gbr. 5 menunjukkan bahwa peningkatan temperatur dapat meningkatkan sensitivitas sensor terhadap H 2 S.  Temperatur operasi optimum sensor dicapai pada 95°C.
0 15 30 45 60 75 90 0 10 20 30 -0,04 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 H 2 S ( p p m ) Waktu (Menit) Temperatur Chip RT 95°C 135°C
0% r. Humidity
 ( V )
Gambar 5 Efek temperatur pada sensor selama pengukuran 20 ppm  H 2 S

## 2.3 Respon Sensor Terhadap H 2 S
Respon sensor terhadap variasi konsentrasi H 2 S diuji pada temperatur operasi 95°C dalam kondisi  kering.  Dalam  beberapa  langkah,  sensor  dialiri  H 2 S  dengan  konsentrasi  yang divariasi  selama  30  menit  dan  oksigen  sintetis  selama  30  menit  diantara  setiap  langkah. Berdasarkan  Gambar 6, sinyal keluaran dari 4 sensor menunjukkan pola yang sama.  sinyal keluaran  meningkat  dengan  meningkatnya  konsentrasi  H 2 S.  Sensitivitas  sensor  terhadap H 2 S  juga  meningkat  dengan  peningkatan  konsentrasi.  Sensor  dapat  mendeteksi  H 2 S dengan baik dalam  ring konsentrasi dari 3 sampai 50 ppm  dengan waktu respon t 80 ~10s. t 80 adalah waktu yang diperlukan untuk  mencapai 80% dari sinyal output maksimum.  Sinyal keluaran sensor  yang  reversibel juga dapat diamati selama pengujian. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi antara film dan H 2 S tidak menyembabkan perubahan pada film baik secara fisik maupun kimiawi.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 10 20 30 40 50 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 H 2 S ( p p m ) Waktu (Jam) Temperatur Chip: 95°C Ag 2 O_sensor1 Ag 2 O_sensor2 Ag 2 O_sensor3 Ag 2 O_sensor4 0% Kelembaban relatif  ( V )
Gambar 6 Respon sensor terhadap H 2 S pada temperatur 95°C dalam kondisi kering

## 2.4 Selektivitas Sensor
Selektivitas sensor merupakan salah satu parameter penting dalam pembuatan sensor gas. Selektivitas menunjukkan kemampuan sensor dalam mendeteksi gas uji tertentu dalam hal ini  hanya  H 2 S.  Karakterisasi  selektivitas  sensor  dilakukan  dengan  mengalirkan  10  macam gas  uji  pada  konsentrasi  yang  sesuai  dengan maximum  allowed  concentration .  Gas-gas dialirkan  secara  seri  ke  sensor  pada  temperatur  95°C.  Setiap  gas  dialirkan  selama  30 menit dan  diikut dengan pembersihan chamber dengan oksigen sintetik  selama 30 menit. Hal ini dimaksudkan untuk mengetahui stabilitas sensor terhadap  gas polutan tertentu dan menyakinkan  tidak  terjadi  pengotoran  oleh  gas  sebelumnya.  Hasil  karakterisasi menunjukkan bahwa sensor memberikan respon ketika terjadi interaksi dengan H 2 S, NH 3 , dan NO 2 seperti terlihat dalam Gambar 7. Perubahan sinyal keluaran yang positif, reversibel dan signifikan dari 4 sensor hanya terjadi ketika sensor berinteraksi dengan H 2 S.
0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5 12,0 13,5 15,0 16,5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 Methan CO 2 CO H 2 S SO 2 NH 3 NO 2 H 2 O H 2 S H 2 x100 O 2 Ga s ( p p m ) Waktu (Jam) Temperatur Chip: 95°C Ag 2 O_sensor1 Ag 2 O_sensor2 Ag 2 O_sensor3
Ag 2 O_sensor4 0% r.H  ( V )

## Gambar 7 Selektivitas sensor pada 95°C dalam kondisi kering

## 2.5 Efek Kelembaban
Investigasi  efek  kelembaban  dilakukan  dengan  mengalirkan  10  ppm  H 2 S  ke  sensor  pada temperatur  95°C  dengan  variasi  kelembaban  relatif  mulai  dari  0  sampai  80%.  Gambar  8 menunjukkan  bahwa  sinyal  keluaran  sensor  menu run  dengan  meningkatnya  kelembaban relatif dan tidak stabil.  Hal ini disebabkan karena medan listrik  yang dihasilkan oleh dipol - dipol molekul air mengurangi medan listrik yang dihasilkan oleh beda potensial luar. Namun demikian sensor masih dapat digunakan  untuk mendeteksi H 2 S dalam kondisi lembab.
0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 0 2 4 6 8 10 -0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0 20 40 60 80 H 2 S ( p p m ) Waktu (Jam) Ag2O_tr1 Ag2O_tr2 Ag2O_tr5  ( V ) K e le m b a b a n r e l. %
Gambar 8 Efek kelembaban pada sensor selama pengukuran 10 ppm H 2 S pada temperatur 95°C

## 2.6 Efek Penambahan Klaster Besi (Fe)
Penambahan  klaster  Fe  pada  permukaan  film  Ag 2 O  ditujukan  untuk  meningkatkan  jumlah oksigen  pada  permukaan  film  karena  Fe  merupakan  salah  satu  material  yang  mudah mengikat ion oksigen bebas. Oksigen-oksigen pada permukaan Ag 2 O (semikonduktor tipe n) dapat  menciptakan  keadaan  permukaan  akseptor  karena  oksigen-oksigen  tersebut mengambil  elektron-elektron  pada  pita  konduksi.  Hal  ini  menyebabkan  pelebaran  lapisan deplesi  dalam  semikonduktor  dekat  permukaan  sehingga  fungsi  kerja  film  meningkat  [8]. Proses serapan oksigen dan penangkapan elektron dapat ditulis sebagai berikut [9].
  ads O O  2 2 1 (1)     ads ads O e O     2 2 (2)
Penambahan  klaster  Fe  pada  permukaan  film  Ag 2 O  dilakukan  dengan  menggunakan evaporasi  termal.  Nampak  pada  Gambar  9  klaster-klaster  Fe  tersebar  dipermukaan  film dengan  bentu,  ukuran  dan  jarak  antar  klaster  yang  berbeda-beda.  Tentunya  hal  ini  akan lebih menarik jika klaster-klaster tersebut dapat  dikontrol  baik itu ukuran, bentuk maupun jarak antar klaster.
Gambar 9 Foto SEM: Klaster Fe pada permukaan Ag 2 O
Gambar  10  menunjukkan  bahwa  sinyal  keluaran  sensor  dengan  penambahan  klater  Fe lebih baik dibandingkan sinyal keluaran sensor tanpa klaster Fe. Sinyal keluaran lebih tinggi 8 mvolt untuk pengukuran 20 ppm  H 2 S.
0 1 2 3 4 5 6 0 10 20 30 40 50 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 H 2 S (p p m ) Waktu (Jam) Ag2O-Fe_tr1 Ag2O-Fe_tr2 Ag2O-Fe_tr3 Ag2O-Fe_tr4 Ag2O-Fe_tr5  (Vol t)
Gambar 10 Efek penambahan klaster Fe pada sensor selama pengukuran konsentrasi- konsentrasi H 2 S pada temperatur 95°C dalam  kondisi kering

## 3 Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  karakterisasi  menunjukkan  bahwa  FG-FET  berbasis  film  Ag 2 O  dapat digunakan  untuk   mendeteksi  H 2 S  pada  konsentrasi  rendah  dengan  temperatur  operasi optimum  95°C  dalam  keadaan  kering  maupun  lembab.  Penambahan  klaster  Fe  pada permukaan  film  Ag 2 O  dapat  meningkatkan  unjuk  kerja  sensor  yang  ditandai  dengan peningkatan sinyal keluaran sensor.

## 4 Daftar Pustaka
[1] G. Telipan, A thick film semiconductor NO x detector, IEEE, 1997.
[2] J.  Y.  Yun,  CO-Gas  sensing  characteristics  of  Pt/SnO2  thin  composite  film,  Pusan National University, Korea, 2000.
[3] J.  Tamaki,  Detection  of  dilute  nitrogen  dioxide  and  thickness  effect  of  tungsten  oxide thin film sensors, Sensors and Actuators B 95, 111-115, 2003.
[4] Z.  Ling,  The  effect  of  relative  humidity  on  the  NO2  sensitivity  of  a  SnO2/WO3 heterojunction gas sensor, Sensors and Actuators B 102, 102-106, 2004.
[5] I.  Eisele,  Low  power  gas  detection  with  FET  sensors,  Sensors  and  Actuators  B  78,  19, 2001.
[6] W. Widanarto, Pemanfaatn oksida logam sebagai film sensitif gas polutan pada FG -FET, laporan hibah bersaing Dikti tahun pertama, 2009.
[7] M.  Burgmair,  Field  effect  tranduscers  for  work  function  gas  measurements:  device improvements and comparison of performance, Sensors and Actuators, B 95, 183-188, 2003
[8] S. R. Morrison, The chemical physics of surfaces, Plenum Press, New York, 1977.
[9] Gaskov,  A.M.,  Rumyantseva,  M.N.,  Materials  for  Solid -State  Gas  Sensors,  Inorganic Materials, Vol.36, No.3, 239-301, 2000.