Saat ini, riset tentang divais elektronik yang memakai bahan organik banyak dilakukan. Divais elektronik organik memiliki banyak  kelebihan dibandingkan dengan divais elektronik silikon seperti kelenturan dan lain-lain. Untuk kali ini, akan dijelaskan pengaruh ketebalan lapisan isolator gerbang (G) SiO2  terhadap karakteristik transfer (ID-VG) dan karakteristik penguatan (ID-VD) dari  transistor efek medan organik yang telah difabrikasi. Pertama, lapisan isolator SiO2  ditumbuhkan dengan menggunakan metode oksidasi termal dengan ketebalan 100 nm - 500 nm. Selanjutnya, sebagai bahan semikonduktor organik, pentacene dideposisikan dengan ketebalan 50 nm pada suhu ruang dengan metode evaporasi termal pada kevakuman 8×10-6 Torr. Terakhir, terminal source dan drain dibentuk dari emas dengan metode evaporasi termal dengan ketebalan 30 nm. Panjang kanal dan lebar kanal dari transistor masing-masing adalah 200  µm dan 500  µm. Hasil pengukuran karakteristik ID-VD menunjukkan bahwa mobilitas lubang meningkat dari 0.03 cm2/(Vs) ke 0.1 cm2/(Vs) seiring berkurangnya ketebalan SiO2 dari 500 nm ke 100 nm

Fadliondi, F. (Fadliondi)

Gagani, P. (Prian)

Isyanto, H. (Haris)

Saat ini, riset tentang divais elektronik yang memakai bahan organik banyak dilakukan. Divais elektronik organik memiliki banyak  kelebihan dibandingkan dengan divais elektronik silikon seperti kelenturan dan lain-lain. Untuk kali ini, akan dijelaskan pengaruh ketebalan lapisan isolator gerbang (G) SiO2  terhadap karakteristik transfer (ID-VG) dan karakteristik penguatan (ID-VD) dari  transistor efek medan organik yang telah difabrikasi. Pertama, lapisan isolator SiO2  ditumbuhkan dengan menggunakan metode oksidasi termal dengan ketebalan 100 nm - 500 nm. Selanjutnya, sebagai bahan semikonduktor organik, pentacene dideposisikan dengan ketebalan 50 nm pada suhu ruang dengan metode evaporasi termal pada kevakuman 8×10-6 Torr. Terakhir, terminal source dan drain dibentuk dari emas dengan metode evaporasi termal dengan ketebalan 30 nm. Panjang kanal dan lebar kanal dari transistor masing-masing adalah 200  µm dan 500  µm. Hasil pengukuran karakteristik ID-VD menunjukkan bahwa mobilitas lubang meningkat dari 0.03 cm2/(Vs) ke 0.1 cm2/(Vs) seiring berkurangnya ketebalan SiO2 dari 500 nm ke 100 nm.  Kata kunci: pentacene, semikonduktor, organik, elektronika, transistor film tipi

Fadliondi, Fadliondi

Isyanto, Haris

Gagani, Prian

Prosiding Semnastek

Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2016 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 8 November 2016 1     Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek TE - 015 p- ISSN : 2407  –  1846 e-ISSN : 2460 – 8416    PENGARUH KETEBALAN LAPISAN ISOLATOR SiO2 TERHADAP MOBILITAS LUBANG DARI TRANSISTOR EFEK MEDAN ORGANIK PENTACENE    Fadliondi1, Haris Isyanto2, Prian Gagani3 1,2,3Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Jakarta Jalan Cempaka Putih Tengah 27 Jakarta Pusat, 10510 E-mail : fadliondi@yahoo.com   ABSTRAK  Saat ini, riset tentang divais elektronik yang memakai bahan organik banyak dilakukan. Divais elektronik organik memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan divais elektronik silikon seperti kelenturan dan lain-lain. Untuk kali ini, akan dijelaskan pengaruh ketebalan lapisan isolator gerbang (G) SiO2 terhadap karakteristik transfer (ID-VG) dan karakteristik penguatan (ID-VD) dari transistor efek medan organik yang telah difabrikasi. Pertama, lapisan isolator SiO2 ditumbuhkan dengan menggunakan metode oksidasi termal dengan ketebalan 100 nm - 500 nm. Selanjutnya, sebagai bahan semikonduktor organik, pentacene dideposisikan dengan ketebalan 50 nm pada suhu ruang dengan metode evaporasi termal pada kevakuman 8×10-6 Torr. Terakhir, terminal source dan drain dibentuk dari emas dengan metode evaporasi termal dengan ketebalan 30 nm. Panjang kanal dan lebar kanal dari transistor masing-masing adalah 200 µm dan 500 µm. Hasil pengukuran karakteristik ID-VD menunjukkan bahwa mobilitas lubang meningkat dari 0.03 cm2/(Vs) ke 0.1 cm2/(Vs) seiring berkurangnya ketebalan SiO2 dari 500 nm ke 100 nm.  Kata kunci: pentacene, semikonduktor, organik, elektronika, transistor film tipis   ABSTRACT  Recently, researches on electronic devices using organic materials have been widely conducted. Organic electronic devices have many advantages such as flexibility, etc compared to silicon electronic devices. This time, the effect of thickness of SiO2 toward the transfer characteristic (ID-VG) and the amplification characteristic (ID-VD) of the OFETs will be explained. First, the SiO2 gate insulator was formed using thermal oxidation method with thickness of 100 nm - 500 nm. After that, as an active layer, pentacene was deposited with thickness of 50 nm using thermal evaporation method at room temperature at vacuum pressure of 8×10-6 Torr. Finally, source and drain electrodes were formed from gold using thermal evaporation method with thickness of 30 nm. The channel length and the channel wide of the transistors were 200 µm and 500 µm, respectively. The ID-VD characteristic showed that the effective hole mobility increased from 0.03 cm2/(Vs) to 0.1 cm2/(Vs) with decreasing SiO2 thickness from 500 nm to 100 nm.   Keywords : pentacene, semiconductor, organic, electronics, thin film transistor   PENDAHULUAN Transistor film tipis organik memiliki potensi untuk penggunaan pada aplikasi elektronika yang biayanya rendah, permukaannya luas, ringan dan fleksibel. Lebih lagi, transistor film tipis organik bisa difabrikasi dengan proses suhu rendah seperti evaporasi termal dan spin coating. Selain itu, ada juga grup laboratorium yang sudah memfabrikasi inverter yang menggunakan tranistor film tipis organik (Wei, 2011). Pentacene telah menjadi perhatian khusus karena ketersediaannya secara komersil, performa divais dan stabilitas lingkungannya. Transistor film tipis organik yang mengandung film tipis pentacene yang memiliki mobilitas 0.01 - 1 cm2/(Vs) sudah banyak dilaporkan pada banyak literatur. Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2016 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 8 November 2016 2     Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek TE - 015 p- ISSN : 2407  –  1846 e-ISSN : 2460 – 8416    Pentacene juga memiliki nilai mobilitas hampir mendekati silikon amorf.  Pentacene, yang merupakan bahan semikonduktor organik yang sangat sensitif terhadap kelembaban, juga diharapkan bisa diaplikasikan untuk sensor kelembababan (Zu, 2002), (Tardy, 2012). Pentacene dan SiO2 memiliki energi permukaan masing-masing 38 mJ/m2 dan 60 mJ/m2 (Hsiao, 2007).  METODE Pertama, lapisan isolator SiO2 ditumbuhkan dengan menggunakan metode oksidasi termal dengan ketebalan 100 nm dan 500 nm. Di sini, oksidasi termal dipakai untuk menumbuhkan SiO2 karena SiO2 yang  ditumbuhkan dengan metode oksidasi termal memberikan mobilitas dan ukuran kristal  pentacene yang lebih besar daripada SiO2 yang ditumbuhkan dengan metode plasma enhanced chemical vapor deposition atau (PECVD)(Knipp, 2002). Selanjutnya, sebagai bahan semikonduktor organik aktif, pentacene dideposisikan dengan ketebalan 50 nm pada suhu ruang dengan metode evaporasi termal pada kevakuman 8×10-6 Torr. Metode evaporasi termal dipilih karena memiliki uniformity yang lebih baik daripada metode spin coating dan karena bisa menghasilkan film yang lebih tipis. Selanjutnya, terminal source dan drain dibentuk dari Au dengan metode evaporasi termal dengan ketebalan 30 nm. Au dipilih karena memiliki tingkat Fermi yang hampir sama dengan tingkat orbital molekul tertinggi yang ditempati (highest occupied molecular orbital HOMO) pada pentacene sehingga mempermudah injeksi pembawa lubang (Akichika, 2013). Panjang kanal dan lebar kanal dari transistor masing-masing adalah 200 µm dan 500 µm. Terakhir, pengukuran karakteristik listrik dan kristalinitas pentacene dilakukan.  HASIL DAN PEMBAHASAN Transistor film tipis organik pada umumnya memiliki 2 jenis struktur yaitu top contact dan bottom contact. Pada penelitian kali ini, struktur top contact dipakai karena fabrikasi divaisnya mudah, mobilitas lubangnya lebih besar dan performanya lebih baik (Kumar, 2013). Gambar 1 menunjukkan gambar skematik struktur transistor film tipis untuk top contact dan bottom contact.      (a)                            (b) *OS : organic semiconductor Gambar 1 Struktur transistor film tipis organic (a) top contact (b) bottom contact Gambar 2 menunjukkan pengaruh ketebalan SiO2 terhadap kristalinitas pentacene. Di sini kita melihat bahwa kritalinitas pentacene bertambah ketika ketebalan dari lapisan SiO2 berkurang dari 500 nm ke 100 nm. Ada kemungkinan keteraturan susunan molekulnya meningkat sehingga kristalinitasnya meningkat.  Gambar 3 menunjukkan pengaruh ketebalan SiO2 terhadap kekasaran permukaan pentacene. Di sini kita melihat bahwa kekasaran permukaan pentacene berkurang ketika ketebalan dari lapisan SiO2 berkurang dari 500 nm ke 100 nm. SiO2 sendiri ketika ketebalannya bertambah, kekasarannya permukaannya juga bertambah sehingga kekasaran film tipis yang ditumbuhkan di atas SiO2 juga dipengaruhi oleh kekasaran SiO2 itu sendiri.  Gambar 4 menunjukkan pengaruh ketebalan SiO2 terhadap arus drain pada karakteristik arus drain-tegangan drain. Saat tegangan drain sama dengan tegangan gate sama dengan -5 V, arus drain bertambah dari 9 nA ke 70 nA. Dari Gambar 4 dan rumus pada Tabel 1,  mobilitas lubang terhitung meningkat dari 0.03 cm2/(Vs) ke 0.1 cm2/(Vs) ketika ketebalan dari lapisan SiO2 berkurang dari 500 nm ke 100 nm. Nilai mobilitas ini hampir mendekati nilai simulasi yakni 0.125 cm2/(Vs) (Kumar, 2013).  Pentacene merupakan semikonduktor jenis p yang pembawa mayoritasnya adalah lubang. Hamburan kekasaran permukaan yang disebabkan ketidakberaturan antarmuka bisa mengurangi mobilitas lubang pada antarmuka. Dengan demikian besar arus yang berbanding lurus dengan mobilitas juga akan berkurang.  Gambar 5 menunjukkan pengaruh ketebalan SiO2 terhadap arus drain pada karakteristik arus drain-tegangan gate. Saat tegangan drain = tegangan gate = -5 V, arus drain bertambah dari 9 nA ke 70 nA. Selain itu, tegangan thresholdnya bergeser dari 1 V ke S DOSINSULATORGS OS DINSULATORGSeminar Nasional Sains dan Teknologi 2016 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 8 November 2016 3     Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek TE - 015 p- ISSN : 2407  –  1846 e-ISSN : 2460 – 8416    -1.1 V. Ketika ketebalan SiO2 berkurang menjadi 100 nm, arus bocor pada tegangan 2 V berkurang secara signifikan dari 1×10-10 A menjadi 3 × 10-11 A. Saat ketebalan SiO2 bertambah dari 100 nm ke 500 nm, kecacatan kristal SiO2 diperkirakan bertambah sehingga tegangan tembus SiO2 nya menjadi berkurang dan karakteristik insulasinya berkurang. Jika karakteristik insulasinya berkurang, arus bocor akan meningkat sehingga mengurangi on off ratio Sementara menurut literatur , tegangan tembus SiO2 dan pentacene masing-masing adalah sekitar 8 MV/cm dan 1 MV/cm (Chang Hyun, 2011).   5 10 15 20 25100 nm500 nm2θ [degree]Intensity [a.u.](001)(002)(003)(004) Gambar 2 Pengaruh ketebalan SiO2 terhadap kristalinitas pentacene 0 200 400 600 800 10000102030405060Distance [µm]Height [nm](a) 0 200 400 600 800 10000102030405060Distance [µm]Height [nm](b) Gambar 3 Pengaruh ketebalan SiO2 terhadap kekasaran pentacene (a) SiO2 500 nm (b) SiO2 100 nm -10-8-6-4-20-5 -4 -3 -2 -1 0-70-60-50-40-30-20-100-5 -4 -3 -2 -1 0VDS (V)I DS(nΑ)µ : 0.03 cm2/(Vs)VGS : 0 V ~ -5 V (-1 V step)L/W : 200 µm/500 µm(a) -70-60-50-40-30-20-100-5 -4 -3 -2 -1 0VDS (V)I DS(nΑ)L/W : 200 µm/500 µmµ : 0.1 cm2/(Vs)VGS : 0 V ~ -5 V (-1 V step)(b) Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2016 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 8 November 2016 4     Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek TE - 015 p- ISSN : 2407  –  1846 e-ISSN : 2460 – 8416    Gambar 4 Pengaruh ketebalan SiO2 terhadap arus drain pada karakteristik arus drain-tegangan drain dari transistor efek medan organik pentacene (a) SiO2 500 nm (b) SiO2 100 nm 10-1110-1010-910-810-7-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2Si O2 500 nmSi O2 100 nmVGS (V)|I DS|(Α) VDS :  -5 V0 1001 10-42 10-43 10-4-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2Si O2 500 nmSi O2 100 nmVGS (V)|I DS1/2|(Α1/2 ) VDS :  -5 V Gambar 5 Pengaruh ketebalan SiO2 terhadap arus drain pada karakteristik arus drain-tegangan gate dari transistor efek medan organik pentacene (a) ID-VG (b) |ID|1/2-VG  Tabel 1 Rumus transistor efek medan kanal p Kondisi Tegangan Arus Cut off VSG ≤ |VT| ISD = 0 Linier VSG > |VT| , VSD ≤ VSG − |VT| ISD = µCoxWL �VSG − |VT|VSD − VSD22 � Saturation VSG > |VT| , VSD > VSG − |VT| ISD = µCoxWL (VSG − |VT|)22     SIMPULAN DAN SARAN Transistor film tipis organik pentacene yang berstruktur top contact telah difabrikasi. Hasil menunjukkan bahwa mobilitas lubang dari pentacene untuk meningkat dari 0.03 cm2/(Vs) ke menjadi 0.1 cm2/(Vs) ketika ketebalan lapisan insulator gate berkurang dari 500 nm menjadi 100 nm. Kesimpulannya adalah karakteristik pentacene sangat bergantung terhadap jenis lapisan dimana ia ditumbuhkan.  UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih ditujukan kepada            Tokyo Institute of Technology yang telah memberikan kontribusi dalam penelitian ini.  DAFTAR PUSTAKA Akichika, Kumatani. 2013. On Practical Charge Injection at the Metal/Organic Semiconductor Interface. London. Nature. Chang Hyun, Kim. 2011. Capacitive behavior of pentacene-based diodes. Maryland : American Institute of Physics. D. Knipp. 2002. Polycrystalline pentacene thin films for large area electronic applications. Amsterdam. Elsevier. Hsiao-Wen, Zan. 2007. Low-voltage organic thin film transistors with hydrophobic aluminum nitride film as gate insulator. Amsterdam. Elsevier. Kumar, Brijesh. 2013. Modeling of top and bottom contact structure organic field effect transistors. New York. AVS Science & Technology of Materials, Interfaces, and Processing.  Mandal, Tapendu. 2013. Thin film transistors fabricated by evaporating pentacene under electric field. Maryland : American Institute of Physics. Neamen, D.A., 2003. Semiconductor Physics and Devices. New York: McGraw Hill Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2016 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 8 November 2016 5     Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek TE - 015 p- ISSN : 2407  –  1846 e-ISSN : 2460 – 8416    Tardy, Jacques. 2013. Stability of pentacene transistors under concomitant influence of water vapor and bias stress. Amsterdam. Elsevier. Wei, Chia-Yu. 2011. Low-Operating-Voltage Pentacene-Based Transistors and Inverters With Solution-Processed Barium Zirconate Titanate Insulators. New Jersey. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS. Zhu, Zheng Tao. 2002. Humidity sensors based on pentacene thin-film transistors. New York : Applied Physics Letters. 

Indonesian

PENGARUH KETEBALAN LAPISAN ISOLATOR SiO2 TERHADAP MOBILITAS LUBANG DARI TRANSISTOR EFEK MEDAN ORGANIK PENTACENE

https://jurnal.umj.ac.id/index.php/semnastek/article/download/689/620

Pengaruh Ketebalan Lapisan Isolator Sio2 terhadap Mobilitas Lubang dari Transistor Efek Medan Organik Pentacene

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Prosiding Semnastek