Semikonduktor Grafin – Apakah Mereka Akhirnya Hadir?

Hari ini, semikonduktor membangkitkan dunia modern. Mereka adalah tulang punggung perangkat elektronik, dan sebuah penemuan bertujuan untuk mengubah industri elektronik secara substansial.

Juga disebut sebagai mikrochip atau sirkuit terintegrasi (IC), semikonduktor adalah bahan yang memiliki konduktivitas listrik yang jatuh di antara konduktor seperti aluminium dan tembaga dan isolator seperti keramik dan kaca.

Semikonduktor sensitif terhadap cahaya dan panas, dan resistansinya bervariasi. Resistivitas semikonduktor menurun ketika suhunya meningkat, berbeda dengan cara logam berperilaku.

Beberapa contoh semikonduktor termasuk silikon dan germanium, yang merupakan unsur murni dan dapat dengan mudah ditemukan di alam. Kemudian, ada senyawa seperti kadmium selenida dan galium arsenida. Juga, untuk mengubah konduktivitas atau sifat bahan, sejumlah kecil impuritas ditambahkan ke semikonduktor murni melalui proses yang disebut doping.

Jadi, tergantung pada kemurniannya, semikonduktor diklasifikasikan menjadi — semikonduktor intrinsik, yang merupakan bahan alami yang terbuat dari satu jenis atom dan dapat digunakan langsung dalam perangkat, dan semikonduktor ekstrinsik, yang perlu didoping terlebih dahulu untuk digunakan dalam perangkat. Mengubah semikonduktor intrinsik membawa dua jenis semikonduktor ekstrinsik: N-tipe atau donor dan P-tipe atau akseptor.

Semikonduktor digunakan untuk dioda, yang mengubah arus bolak-balik menjadi transistor atau arus searah, dan sirkuit elektronik, yang sangat penting dalam pembuatan berbagai jenis perangkat elektronik.

Dengan semikonduktor, kita mendapatkan keuntungan dari tidak adanya filamen. Sehingga, mereka tidak perlu dipanaskan untuk mengemisikan elektron. Ini juga berarti bahwa semikonduktor dapat dioperasikan segera. Selain itu, mereka kecil dalam ukuran; sehingga, mereka kompak, portabel, dan menggunakan lebih sedikit daya. Juga, semikonduktor tidak terlalu mahal.

Semikonduktor merupakan bagian integral dari kehidupan kita, karena tanpa mereka, tidak akan ada TV, radio, komputer, smartphone, mobil, kulkas, dan permainan video. Semikonduktor pada dasarnya memungkinkan penciptaan saklar kecil yang dapat dihidupkan dan dimatikan untuk mengontrol aliran listrik karena listrik yang mengalir melalui sirkuit listrik memungkinkan perangkat elektronik berfungsi.

Hal ini membuat semikonduktor menjadi komponen penting dari perangkat elektronik untuk memungkinkan kemajuan dalam komputasi, komunikasi, kesehatan, transportasi, energi bersih, pertahanan, peralatan, perangkat keras game, dan banyak aplikasi lainnya.

Selama beberapa dekade terakhir, perkembangan teknologi semikonduktor telah membuat perangkat elektronik tidak hanya lebih kecil tetapi juga lebih cepat dan lebih canggih, kompatibel, dan dapat diandalkan.

Perusahaan yang bekerja dengan semikonduktor umumnya mengatur kegiatan mereka baik di sekitar desain atau manufaktur. Mereka yang fokus pada desain disebut sebagai perusahaan “fabless”, sedangkan mereka yang hanya fokus pada manufaktur disebut “foundry”, dan mereka yang melakukan keduanya disebut Integrated Device Manufacturers, atau IDMs.

Selama beberapa tahun terakhir, telah terjadi krisis semikonduktor. Sejak akhir 2020, setelah pandemi dan lockdown, karena permintaan perangkat elektronik meningkat, telah terjadi kekurangan mikrochip dan sirkuit elektronik secara global.

Sementara kelas online, kerja jarak jauh, dan peningkatan digitalisasi menyebabkan pertumbuhan besar dalam permintaan perangkat elektronik, kemajuan teknologi baru telah menyebabkan teknologi yang merusak seperti AI, VR, 5G, big data, dan layanan cloud yang lebih memperburuk situasi.

Sebagai respons, perusahaan di seluruh dunia menginvestasikan sejumlah besar sumber daya untuk menemukan solusi untuk masalah ini.

Penemuan Besar: Semikonduktor Grafin Fungsional Pertama

Galium arsenida adalah semikonduktor populer yang digunakan dalam sel surya, laser dioda, dan sirkuit terintegrasi frekuensi mikro. Semikonduktor paling umum yang digunakan saat ini, bagaimanapun, adalah Silikon, yang memainkan peran kritis dalam fabrikasi sebagian besar sirkuit elektronik. Namun, bahan ini mencapai batasnya — memerlukan sejumlah besar daya, yang membuat para ilmuwan bekerja untuk menemukan alternatif.

Dan ada unsur lain, grafin, yang tidak dianggap sebagai semikonduktor tetapi dapat digunakan untuk membuat chip dan sirkuit. Ini adalah bahan yang sangat konduktif yang sangat efektif mendispersikan panas, meningkatkan kinerja komponen elektronik. Ini juga memiliki kecepatan dan efisiensi energi yang unggul dibandingkan dengan silikon tanpa memerlukan sejumlah besar energi, membuatnya sangat bermanfaat untuk digunakan dalam menciptakan elektronik.

Grafin adalah bahan yang sangat tipis, hanya satu lapisan atom karbon yang disusun dalam heksagon, dan merupakan dasar untuk grafit. Meskipun menjadi bahan tertipis yang diketahui manusia, ini sangat kuat (sekitar 200 kali lebih kuat dari baja) dan fleksibel.

Tidak hanya itu, satu lapisan atom karbon ini adalah konduktor panas dan listrik yang baik dan memiliki beberapa kemampuan penyerapan cahaya yang menarik. Oleh karena itu, bahan ini memiliki potensi untuk merevolusi banyak aplikasi, termasuk sensor, sel surya, baterai, dan banyak lagi.

Namun, bahan ini tidak tanpa masalah, yang termasuk konduktivitas listrik grafin yang luar biasa, yang membuatnya sulit digunakan sebagai semikonduktor. Jadi, perlu memiliki celah pita, yang memungkinkan semikonduktor untuk dihidupkan dan dimatikan, yang biasanya tidak dimiliki. Untuk memperkenalkan celah pita ke grafin, para ilmuwan telah membuat grafin dalam bentuk tertentu atau menggunakan bahan 2D lain yang memiliki celah pita bawaan dengan bahan tersebut tetapi gagal menghasilkan grafin semikonduktor yang layak.

Ketika para ilmuwan bekerja dengan grafin, terjadi terobosan baru di mana peneliti mendemonstrasikan semikonduktor grafin fungsional pertama, yang berarti mengubah dunia komputasi dan elektronik selamanya. Ini dicapai dengan mengatasi hambatan yang mempengaruhi penelitian grafin selama bertahun-tahun, memiliki celah pita yang tepat yang dapat dihidupkan dan dimatikan pada rasio yang tepat — menyajikan tahap penting dalam membuat elektronik berbasis chip grafin menjadi kenyataan.

Semikonduktor grafin dengan celah pita tidak hanya fungsional tetapi juga dapat diintegrasikan ke dalam proses manufaktur yang ada. Dipublikasikan di Nature pada minggu pertama 2024, studi menunjukkan semikonduktor grafin fungsional yang dapat digunakan dalam nanoelektronik.

Untuk ini, Walter de Heer, profesor fisika di Georgia Institute of Technology, memimpin sebuah grup peneliti dan berkolaborasi dengan Universitas Tianjin, Cina. Dan dia mengatakan:

“Kami sekarang memiliki semikonduktor grafin yang sangat kuat dengan mobilitas sepuluh kali lipat dari silikon, dan yang juga memiliki sifat unik yang tidak tersedia di silikon. Namun, cerita dari pekerjaan kami selama sepuluh tahun terakhir telah menjadi, ‘Apakah kita bisa membuat bahan ini cukup baik untuk bekerja?'”

Awal dalam karirnya, De Heer memulai dengan mengeksplorasi bahan berbasis karbon sebagai semikonduktor potensial, kemudian beralih ke grafin 2D lebih dari dua puluh tahun yang lalu. Tim ini “termotivasi oleh harapan untuk memperkenalkan tiga sifat khusus grafin ke dalam elektronik” — bahan yang sangat kuat, kemampuannya untuk menangani arus yang sangat besar, dan untuk melakukan itu tanpa memanas dan hancur.

Terobosan ini dicapai ketika tim menemukan cara untuk menumbuhkan grafin pada wafer silikon karbida — yang digunakan dalam perangkat elektronik dan memungkinkan konversi energi yang efisien — dengan menggunakan tungku khusus serta proses pemanasan dan pendinginan khusus.

Hal ini menyebabkan grafin epitaksial, yang merupakan lapisan yang tumbuh pada wajah kristal silikon karbida (sebuah senyawa kristal keras yang mengandung silikon dan karbon), yang, ketika dibuat dengan benar, berikatan kimia dengan silikon karbida dan menunjukkan sifat semikonduktor.

Untuk membuat transistor fungsional, tim harus memastikan bahwa sifatnya tidak rusak ketika bahan semikonduktor dimanipulasi untuk bekerja sebagai transistor fungsional. Untuk ini, tim harus pertama-tama melihat apakah bahan tersebut merupakan konduktor yang baik dan menggunakan teknik doping untuk melakukan itu, dan itu berhasil tanpa merusak bahan atau sifatnya.

Transisi ke wafer silikon karbida, menurut de Heer, “cukup layak.” Studi menemukan bahwa semikonduktor grafin mereka memiliki mobilitas yang jauh lebih besar daripada silikon, yang berarti elektron bergerak dengan resistansi yang sangat rendah. Dalam elektronik, ini diterjemahkan menjadi komputasi yang lebih cepat.

“Ini seperti mengemudi di jalan kerikil versus mengemudi di jalan bebas hambatan,” kata de Heer. “Ini lebih efisien, tidak memanas terlalu banyak, dan memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi sehingga elektron dapat bergerak lebih cepat.”

Terobosan Revolusioner untuk Menggerakkan Elektronik Masa Depan

Setelah sepuluh tahun penelitian, studi terbaru menemukan cara untuk menumbuhkan grafin pada chip silikon karbida khusus. Tim ini mengubah sifat kimia grafin untuk mencapai struktur yang diinginkan sehingga grafin dapat bertindak seperti semikonduktor berkualitas tinggi.

Berbicara tentang membuat elektronik grafin menjadi kenyataan, de Heer mencatat:

“Kami harus belajar bagaimana mengobati bahan, bagaimana membuatnya lebih baik dan lebih baik, dan akhirnya, bagaimana mengukur sifatnya. Itu membutuhkan waktu yang sangat, sangat lama.”

Semikonduktor ini saat ini hanya dua dimensi (2D) dengan semua sifat yang diperlukan untuk digunakan dalam nanoelektronik. Sifat listriknya juga jauh lebih unggul daripada semikonduktor dua dimensi lain yang saat ini sedang dikembangkan. Para ahli percaya bahwa penemuan ini dapat mengubah wajah industri elektronik dengan memungkinkan kita untuk menciptakan semikonduktor grafin baru yang kuat yang menggunakan lebih sedikit energi daripada silikon.

“Penelitian ini tidak hanya mempertahankan stabilitas grafin yang luar biasa tetapi juga memperkenalkan sifat elektronik baru, membuka jalan bagi chip berbasis grafin,” kata Science and Technology Daily yang berbasis di Beijing.

Elektronik berbasis grafin sederhana lebih efisien karena mereka memerlukan lebih sedikit daya untuk dihidupkan dan dimatikan, dan di atas itu, elektron dapat mengalir tanpa menghasilkan panas yang kemudian perlu didinginkan dengan energi tambahan. Ini berarti “ponsel bisa bertahan selama minggu tanpa kehabisan baterai, mengurangi konsumsi energi di semua aspek kehidupan kita, mengurangi biaya dan polusi dari bahan bakar fosil,” kata Sarah Haigh, profesor bahan di National Graphene Institute, Universitas Manchester, dalam sebuah wawancara.

Hal ini dapat membuka jalan bagi chip yang memungkinkan komputer pribadi dan komputer kuantum yang lebih maju di masa depan.

Para peneliti mencatat dalam studi bahwa elektron dalam alternatif silikon ini, seperti cahaya, memiliki sifat yang menyerupai gelombang kuantum mekanik. Sifat ini dapat digunakan dengan baik pada suhu yang sangat rendah. Para peneliti sekarang berencana untuk mengeksplorasi ini dalam penelitian selanjutnya.

Grafin epitaksial memungkinkan elektron untuk bergerak dengan resistansi yang lebih rendah, yang berarti transistor yang dibuat dengan cara ini dapat beroperasi pada frekuensi terahertz. Ini membantu mengatasi keterbatasan silikon, yang termasuk seberapa cepat transistor dapat dihidupkan dan dimatikan, seberapa kecil mereka dapat dibuat, dan panas yang dihasilkan.

Dengan cara ini, bahan baru ini dapat menyebabkan pergeseran paradigma dalam bidang elektronik, yang memungkinkan sifat gelombang kuantum mekanik elektron untuk digunakan, sebuah persyaratan untuk komputasi kuantum. Langkah besar menuju generasi komputasi berikutnya, ini dapat membuka pintu bagi cara baru untuk membangun elektronik yang lebih kecil dan lebih cepat.

Seperti yang ditunjukkan oleh de Heer, ini tidak hanya kemampuan grafin untuk “membuat hal-hal lebih kecil dan lebih cepat dan dengan sedikit dissipasi panas” tetapi menggunakan “sifat elektron yang tidak dapat diakses di silikon,” menyajikan “pergeseran paradigma — ini adalah cara yang berbeda untuk melakukan elektronik.”

Ini berarti generasi elektronik lainnya sekarang sudah dekat. Selama waktu yang lama, silikon telah memimpin elektronik, yang merupakan langkah di atas tabung vakum, yang datang setelah kawat dan telegraf, dan sekarang grafin akan memimpin jalan berikutnya.

“Bagi saya, ini seperti momen Wright bersaudara,” kata de Heer. “Mereka membangun pesawat yang bisa terbang 300 kaki melalui udara. Tapi para skeptis bertanya mengapa dunia membutuhkan penerbangan ketika sudah memiliki kereta api dan kapal yang cepat. Tapi mereka bersikeras, dan itu adalah awal dari teknologi yang dapat membawa orang melintasi lautan.”

Selain itu, ini dapat diskalakan. Sebelumnya, grafin telah menunjukkan janji sebagai semikonduktor, tetapi hanya pada skala kecil. Mengupgrade semikonduktor grafin ke ukuran chip komputer yang praktis telah menjadi tantangan. Namun, terobosan terbaru menggunakan proses yang serupa dengan teknik yang digunakan dalam membuat chip silikon dan kompatibel dengan metode pemrosesan mikroelektronik konvensional, membuatnya lebih layak untuk diskalakan.

Penelitian ini menggunakan wafer, yang, menurut David Carey di Universitas Surrey, Inggris, “benar-benar dapat diskalakan,” dan teknologi yang digunakan oleh industri semikonduktor saat ini dapat digunakan untuk “mengupgrade proses ini.”

Namun, perlu dilihat apakah semikonduktor grafin terbaru dapat benar-benar berperforma lebih baik daripada teknologi superkonduktif saat ini. Selain itu, untuk dunia beralih ke chip grafin, penelitian baru harus diperbarui dalam hal kualitas, ukuran, dan teknik manufaktur. Ini berarti akan menjadi perjalanan panjang, dan dapat memakan waktu lebih dari satu dekade untuk sepenuhnya merealisasikan implementasi industri semikonduktor grafin.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham peralatan semikonduktor terbaik untuk dukungan manufaktur.