GaAs mempunyai sitem kisi kristal kubik dengan tipe struktur zincblende ZnS. Susunan atom kristal GaAs membentuk kisi face center cubic FCC
dengan basisnya satu atom galium dan satu atom arsenik. Ga mempunyai empat tetangga terdekat As begitu juga sebaliknya. Konfigurasi elektron terluar untuk
masing-masing atom Ga dan As adalah 4s
2
4p dan 4s
2
4p
3
. dalam satu unit sel yang terdiri dari 8 atom Ga menyumbangkan 3 atom terluarnya dan As
menyumbangkan 5 atom terluarnya. Jika masing-masing elektron terluar ini didistribusikan secara merata dalam sel satuan, bagaimanapun juga, +5 atom
terluar As tidak akan cukup dinetralisir dengan -4 elektron lingkungannya, sedangkan +3 atom terluar Ga akan kelebihan -1 elektron. Dengan demikian +1
atom As akan dinetralisir oleh kelebihan +1 elektron dari lingkungan Ga, sehingga muatan elektron di sekitar As lebih besar dari muatan elektron disekitar Ga. Bahan
GaAs sangat efisien digunakan dalam pembuatan quantum dot dikarenakan memilki mobilitas yang tinggi yakni laju muatannya sangat tinggi bila diberikan
medan listrik Ida Haminah, 2006.
3.2 Fabrikasi dan Peralatan Eksperimen Sistem Quantum Dot
Kata kuantum pada sistem ini bermakna bahwa perilaku fisis quantum dot digambarkan oleh mekanika kuantum, yang dibangun untuk menggambarkan sifat
fisis atomistik berskala panjang 10
-9
samapai 10
-10
meter. Quantum dot merupakan struktur kecil dalam padatan yang sengaja dibuat manusia dengan rentang ukuran
dari skala namometer samapai beberapa mikron [L.P. Kouwenhoven dkk, 2001]. Sistem ini terdiri sejumlah kecil elektron terkontrol dengan muatan terperangkap
untuk semua arah dalam ruangan. Ukuran dan bentuk dot dapat dengan mudah dimodifikasi sesuai kemajuan teknologi nano-fabrikasi.
Adapun peralatan yang digunakan dalam pembuatan quantum dot adalah Molecular Beam Epitaxy MBE, seperti gambar berikut
http:www.sp.phy.cam.ac.ukSPWebresearchMBE
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.2: Molecular Beam Epitaxy MBE
Molecular Beam Epitaxy MBE memiliki bagian-bagian berikut http:www.sp.phy.cam.ac.ukSPWebresearchMBE :
1. The C MBE Growth Chamber
Gambar 3.3: The C MBE Growth Chamber
Universitas Sumatera Utara
Chamber VG V80H diproduksi pada tahun 1986, telah secara komprehensif diperbarui dan dimodifikasi dengan keseragaman tinggi, terdiri dari jendela tindak
yang lembut dan foil pemanas substrat tunggal. Hal ini dipompa oleh 400 l s pompa ion dan Leybold 1500 ls cryopump, nitrogen cair terus diberikan ke
cryopanel tersebut. Memiliki sumber padatan konvensional yang terdiri dari terdiri Gallium, Aluminium, Indium, Arsenik dan antimoni, sebuah Silikon K-sel
menyediakan doping tipe-n. Ruangan ini juga dilengkapi dengan sebuah berkas sistem pemfokus ion yang digunakan untuk membius kristal yang tumbuh di
daerah-daerah pilihan yang menggunakan ion silikon.
Penumbuhan di dalam C MBE Growth Chamber dibagi di antara beberapa proyek. GaAs AlGaAs heterostruktur yang tumbuh digunakan untuk
program kerja yang melibatkan ion resolusi tinggi pada sistem berkas dan sistem dekontaminasi permukaan. Mobilitas elektron suhu rendah secara rutin dicapai. Di
samping itu sistem bahan GaSb AlSb InAs digunakan untuk penumbuhan elektron dan lubang. Sistem ini digunakan untuk membuat perangkat elektronik
baru.
2. The A Growth Chamber
Gambar3.4: The A MBE Growth Chamber
Universitas Sumatera Utara
Sama halnya dengan C MBE Growth Chamber, hanya saja system dalam ruangan A MBE Growth Chamber dikendalikan oleh perangkat computer.
3. High Energy Ga+ Focused Ion Beam System
Gambar 3.5: High Energy Ga+ Focused Ion Beam System
Specifications :
•
UHV focused ion column with Ga
+
source
•
Beam Energy 10 - 50 kV
•
Spot size 100 nm
•
Vibration isolated UHV sample chamber with UHV interconnects to MBE system
•
Laser interferometer controlled stage with in-vacuo stepper motors
•
Computer control allowing lithography of complex devices with stitching of fields for large devices and step and repeat across wafer
Universitas Sumatera Utara
Operating Parameters:
•
Typical sample current 100 pA
•
Using a dose of ~10
13
ions cm
-2
a 50 nm n
+
layer becomes highly resistive
•
A wafer of 36 devices takes approximately six hours to pattern Typical Device Fabrication Procedure:
•
A 50 nm n
+
layer is grown on a S.I. GaAs substrate by MBE
•
The wafer is transferred under UHV to the FIB system, where it is patterned into conducting and insulating regions
•
The wafer is returned to the MBE chamber for growth of the remaining structure e.g. 2x2DEG
•
The wafer is removed from the MBE system for normal processing Devices Fabricated:
•
Independent contacts to coupled gases using a combination of patterned back and front gates
•
Split back-gated electron gases
•
Hot electron transistors HETs 3.
The Scanning Tunnelling Microscope STM
Gambar 3.6: Scanning Tunnelling Microscope STM
Universitas Sumatera Utara
Bagian ini telah mencapai resolusi atom lateral yang secara rutin digunakan untuk mengamati bahan nanostruktur. Telah digunakan untuk beberapa proyek,
termasuk pengamatan struktur permukaan MBE pada penumbuhan GaSb sebagai fungsi temperatur dan analisis cacat permukaan yang dibuat dengan 40kV pada
implantasi Ga ke GaAs.
Ada beberapa metode yang sering digunakan untuk membuat quantum dot,
antara lain L.P. Kouwenhoven, C.Marcus, 1998:
1. Mangetsa;
batang tipis dan sumur kuantum dapat dipotong dengan kombinasi teknik litografi berkas elektron dan mengetsa, sehingga elektron
yang tadinya terkungkung dalam bidang sumur kuantum menjadi lebih terbatasi hanya pada area batang terpotong tersebut. Elektron dapat
diletakan pada bagian atas dan bawah batang untuk mengontrol jumlah elektron yang terkungkung. Material yang sering digunakan untuk
membuat quantum dot semacam ini adalah GaAs. 2.
Memodulasi medan listrik; pemakaian tegangan tertentu menghasilkan
medan listrik termodulasi yang dapat digunakan untuk mengungkung elektron-elektron pada daerah tertentu dalam sumur kuantum.
3. Interdifusi antara tanggul dan sumur kuantum;
pemanasan sumur kuantum dengan laser menyebabkan interdifusi cepat beberapa atom
antara sumur dan tanggul. Hal ini menyebabkan madulasi lokal struktur pita material, yaitu tanggul potensial yang mengelilingi area tak tersinari.
4. Semikonduser mikrokristal; quantum dot
dibuat dalam bentuk semikonduktor mikrokristal yang disenamkan dalam matriks gelas
dielektrik. 5.
Selective Growth; penumbuhan dibatasi pada area tertentu dengan pelapis,
yang selanjutnya dietsa. Penumbuhan quantum dot akan terjadi pada area yang terselubungi pelapis tersebut.
6. Self-organized Growth;
ketika material dengan kosntanta kisi berbeda tertumpuk maka akan terbentuk strain. Pada ketebalan tertentu, strain
Universitas Sumatera Utara
cukup kuat untuk merusak keteraturan struktur dan membentuk pulau island yang cukup kecil dengan distribusi random yang disebut dot.
Model quantum dot yang dikaji dalam tesis ini adalah quantum dot yang dibuat dengan cara membatasi gas elektron dua dimensi 2DEG yang terbentuk
dalam semikondukor Galium Arsenida GaAs dan Aluminium Galium Arsenida AlGaAs merupakan semikonduktor dengan konstanta kekisi hampir sama =5,65
A untuk GaAs, sehingga dapat digabung bersama membentuk struktur heterogen
heterostruktur. Pada temperatur kamar GaAs memiliki energi bandgap 1.424 eV, sedangkan energi bandgap AlGaAs bergantung pada faktor campuran yang
diberikan, yaitu E x = 1,424 + 1,429 x – 0,14x
2
dengan 0 x 0,44 sehingga energi bandgap AlGaAs bervariasi antara 1,424 – 2,026 eV, yang memberikan
diskontinuitas pada permukannya Abraha Kamsul, 2007. Gambar 3.7
menunjukkan proses pembentukan 2DEG dari GaAs dan AlGaAs.
Gambar 3.7: Gas elektron 2 dimensi yang dibentuk oleh pengungkungan elektron
diantara dua bahan semikonduktor Abraha Kamsul, 2007.
Pada pita konduksi logam ataupun semikonduktor, elektron-elektron dapat bergerak bebas ke semua dimensi arah dalam ruang. Elektron dikungkung ke
dalam quantum dot dengan cara mempersempit volume ruang gerak. Konsep pengungkungan elektron diawali oleh perkembangan struktur superlattice pada
tahun 1970- an yang kemudian berhasil menunjukkan pengurangan dimensi gerak
Universitas Sumatera Utara
pada sumur kuantum GaAs-AlGaAs selanjutnya, miniaturisasi elektronik berbasis sistem gas elektron dua dimensi two dimensional elektron gas, 2DEG dilakukan
dengan menerapkan pola gerbang metallic atau teknik mengetsa. Hal ini memungkinkan untuk membatasi gas elektron dua dimensi menjadi sistem dengan
geometri terkungkung satu dimensi dawai atau sistem terkungkung untuk semua arah sistem nol-dimensi, disebut dot. Pembarian doping pada Al, Ga, As
dengan donor Si membuat elektron konduksi begerak kelapisan GaAs karena memiliki pita yang lebih rendah. Elektron- elektron ini akan tertarik oleh donor
posotif pada AlGaAs tetapi tidak tepat kembali menyeberang ke heterojunction karena adanya diskontinuitas pita konduksi pada temperatur rendah. Semua
elektron berada pada aras terendah yang berkaitan dengan pergerakan elektron pada bidang yang sejajar dengan heterojunction sehingga akhirnya membentuk
sistem 2DEG Wahyu Tri Cahyanto dkk, 2007.
Selanjutnya dengan membatasi 2DEG dapat dibuat quantum wire ataupun quantum dot. Kerapatan gas elektron dua dimensi dapat dikontrol dengan
menempatkan gerbang logam metallic gates diatas struktrur heterogen tersebut
sehingga terbentuk kapasitor antara gerbang dan 2DEG Gambar 3.7. Pada
tegangan gerbang negatif 2DEG terjepit secara elektrostatik sehingga elektron- elektron terkungkung dalam bidang x-y. Dengan mengubah litografi tegangan
gerbang pemisah, 2DEG dapat tereduksi menjadi quantum wire dan quantum dot.
Gambar 3.8: 2DEG dalam heterostruktur GaAs-AlGaAs pemberian potensial
negatif pada gerbang gates mengakibatkan elektron terkandung pada lapisan tipis dibawah AlGaAs membentuk quantum dot
Wahyu Tri Cahyanto dkk, 2007.
Universitas Sumatera Utara
Perilaku dot yang berisi beberapa elektron dapat dipahami dengan cara mengamati aras energi quantum dot yang terdiri dari satu elektron. Atom buatan
diletakkan cukup dekat dengan salah satu keping untuk memungkinkan elektron dapat menerobos atau meloncat kearah dekat keping kapasitor. Dinyatakan juga
bahwa realisasi eksperimen pembuatan quantum dot sebagai struktur tipis berlapis-lapis. Lapisan pertama adalah Galium Arsenida GaAs yang didoping
dengan Silikon Si untuk membuat lapisan bersifat logam sehingga berfungsi sebagai keping kapasitor. Lapisan diatasnya adalah tanggul tipis AlGaAs yang
bersifat isolator yang dibuat tipis sehingga memungkinkan elektron dapat menembusnya. Diatasnya lagi berturut-turut dibuat sumur kuantum GaAs untuk
tempat pembentukan quantum dot dan lapisan AlGaAs yang cukup tebal. Bagian paling atas adalah lapisan GaAs yang dideposisi dengan Kromium Cr untuk
membentuk keping kapasitor atas, yang sering dibuat juga ‘gerbang’ gate. Sumur kuantum GaAs diantara dua lapisan AlGaAs digunakan untuk
mengungkung elektron secara vertikal artinya elektron hanya bisa bergerak dalam arah menyamping. Sumur kuantum dibuat cukup tipis, sehingga pada temperatur
rendah elektron hanya akan mengisi keadaan energi kuantum terrendah pada sumur kuantum. Selanjutnya, dengan menerapkan gerbang elektrostatik pada
permukaan pelapis-pelapis diatas maka gas elektron dua dimensi 2DEG tersebut akan terkungkung secara menyamping dan terbentuklah sistem quantum dot.
Dengan mengubah-ubah tegangan antara elektroda atas dan bawah, elektron- elektron dapat ditambahkan atau dipindahkan dari dot Wahyu Tri Cahyanto dkk,
2007 dan Abraha Kamsul, 2007.
3.3 Blokade Coulumb dan Transport Elektron
