Semikonduktor Graphene – Apakah Mereka Akhirnya Hadir?

Hari ini, semikonduktor memberi tenaga pada dunia modern. Mereka adalah tulang punggung perangkat elektronik, dan sebuah penemuan bertujuan untuk mengubah industri elektronik secara signifikan. 

Juga disebut sebagai mikrochip atau sirkuit terpadu (IC), semikonduktor adalah material yang memiliki konduktivitas listrik yang berada di antara konduktor seperti aluminium dan tembaga serta isolator seperti keramik dan kaca.

Semikonduktor sensitif terhadap cahaya dan panas, dan resistansinya bervariasi. Resistivitas semikonduktor menurun saat suhu meningkat, berlawanan dengan perilaku logam.

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

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

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

Dengan semikonduktor, kita mendapatkan keuntungan tidak adanya filamen. Oleh karena itu, mereka tidak perlu dipanaskan untuk memancarkan elektron. Ini juga berarti semikonduktor dapat beroperasi secara langsung. Selain itu, mereka berukuran kecil; sehingga kompak, portabel, dan menggunakan daya lebih sedikit. Juga, semikonduktor tidak terlalu mahal.

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

Hal ini menjadikan semikonduktor komponen penting dalam perangkat elektronik untuk memungkinkan kemajuan dalam komputasi, komunikasi, perawatan kesehatan, transportasi, energi bersih, pertahanan, peralatan rumah tangga, perangkat keras game, dan banyak aplikasi lainnya.

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

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

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

Sementara kelas daring, kerja jarak jauh, dan peningkatan digitalisasi menyebabkan pertumbuhan permintaan perangkat elektronik yang luar biasa, kemajuan teknologi baru telah melahirkan teknologi disruptif seperti AI, VR, 5G, big data, dan layanan cloud yang semakin memperburuk situasi. 

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

Penemuan Besar: Semikonduktor Graphene Fungsional Pertama 

Galium arsenida adalah semikonduktor populer yang digunakan dalam sel surya, dioda laser, dan sirkuit terpadu frekuensi gelombang mikro. Namun, semikonduktor paling umum yang digunakan saat ini adalah silikon, yang memainkan peran penting dalam pembuatan sebagian besar sirkuit elektronik. Tetapi material ini mendekati batasnya — ia memerlukan banyak daya, sehingga para ilmuwan mencari alternatif.

Dan ada elemen lain, graphene, yang tidak dianggap sebagai semikonduktor tetapi dapat digunakan untuk membuat chip dan sirkuit. Ini adalah material yang sangat konduktif yang sangat efektif dalam menyebarkan panas, meningkatkan kinerja komponen elektronik. Ia juga memiliki kecepatan dan efisiensi energi yang lebih unggul dibandingkan silikon tanpa memerlukan banyak energi, menjadikannya sangat bermanfaat dalam pembuatan elektronik.

Graphene adalah material yang sangat tipis, hanya satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam bentuk heksagon, dan merupakan dasar dari grafit. Meskipun merupakan material paling tipis yang diketahui manusia, ia sangat kuat (sekitar 200 kali lebih kuat daripada baja) dan fleksibel. 

Tidak hanya itu, lembaran tunggal atom karbon ini merupakan konduktor yang sangat baik untuk panas dan listrik serta memiliki kemampuan penyerapan cahaya yang menarik. Oleh karena itu, material ini berpotensi merevolusi banyak aplikasi, termasuk sensor, sel surya, baterai, dan lainnya.

Namun, material ini tidak tanpa masalah, termasuk konduktivitas listrik graphene yang luar biasa, yang membuatnya sulit digunakan sebagai semikonduktor. Oleh karena itu, ia membutuhkan bandgap, yang memungkinkan semikonduktor menyala dan mati, yang biasanya tidak dimilikinya. Untuk memperkenalkan bandgap pada graphene, para ilmuwan telah memfabricasi graphene dalam bentuk tertentu atau menggunakan material 2D lain yang memiliki bandgap bawaan, namun belum berhasil menghasilkan graphene semikonduktor yang layak. 

Saat para ilmuwan bekerja dengan graphene, sebuah terobosan baru-baru ini berhasil di mana peneliti menunjukkan semikonduktor graphene fungsional pertama, yang berarti mengubah dunia komputasi dan elektronik selamanya. Hal ini dicapai dengan mengatasi hambatan yang mempengaruhi penelitian graphene selama bertahun-tahun, yaitu memperoleh bandgap yang tepat yang dapat menyala dan mati pada rasio yang benar — menandai tahap penting dalam mewujudkan elektronik berbasis chip graphene.

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

Untuk ini, Walter de Heer, seorang profesor fisika di Georgia Institute of Technology, memimpin kelompok riset dan berkolaborasi dengan Universitas Tianjin, China. Dan dia berkata:

“Kami kini memiliki semikonduktor graphene yang sangat kuat dengan mobilitas sepuluh kali lipat dibandingkan silikon, dan juga memiliki sifat unik yang tidak tersedia pada silikon. Namun cerita kerja kami selama sepuluh tahun terakhir adalah, ‘Bisakah kami membuat material ini cukup baik untuk berfungsi?'”

Awal kariernya, De Heer mulai mengeksplorasi material berbasis karbon sebagai semikonduktor potensial, kemudian beralih ke graphene 2D lebih dari dua puluh tahun yang lalu. Tim tersebut “termotivasi oleh harapan memperkenalkan tiga sifat khusus graphene ke dalam elektronik” — material yang sangat kuat, kemampuannya menangani arus sangat besar, dan melakukannya tanpa panas berlebih dan hancur.

Terobosan ini dicapai ketika tim menemukan cara menumbuhkan graphene pada wafer silikon karbida — yang digunakan dalam perangkat elektronik & memungkinkan konversi energi yang efisien — dengan memanfaatkan furnace khusus serta proses pemanasan dan pendinginan khusus. 

Hal ini menghasilkan epitaxial graphene, yaitu lapisan yang tumbuh pada permukaan kristal silikon karbida (senyawa kristal keras yang mengandung silikon dan karbon), yang bila dibuat dengan benar, secara kimia mengikat ke silikon karbida dan menunjukkan sifat semikonduktor.

Untuk membuat transistor fungsional, tim harus memastikan sifatnya tidak rusak ketika material semikonduktor dimanipulasi untuk berfungsi sebagai transistor. Untuk itu, tim pertama-tama harus memeriksa apakah material tersebut konduktor yang baik dan menggunakan teknik doping, dan hal itu berhasil tanpa merusak material atau sifatnya. 

Transisi ke wafer silikon karbida, menurut de Heer, “cukup dapat dilakukan.” Studi tersebut menemukan bahwa semikonduktor graphene mereka memiliki mobilitas jauh lebih tinggi dibandingkan silikon, artinya elektron bergerak dengan resistansi sangat rendah. Dalam elektronik, ini berarti komputasi yang lebih cepat. 

“Ini seperti mengemudi di jalan berkerikil dibandingkan mengemudi di jalan bebas hambatan,” kata de Heer. “Ini lebih efisien, tidak panas berlebih, dan memungkinkan kecepatan lebih tinggi sehingga elektron dapat bergerak lebih cepat.”

Terobosan Revolusioner untuk Mendorong Elektronik Masa Depan

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

Berbicara tentang mewujudkan elektronik graphene, de Heer mencatat:

“Kami harus belajar bagaimana memperlakukan material, bagaimana membuatnya semakin baik, dan akhirnya, bagaimana mengukur sifat-sifatnya. Itu memakan waktu yang sangat, sangat lama.”

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

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

Elektronik berbasis graphene secara sederhana lebih efisien karena membutuhkan daya lebih sedikit untuk menyala dan mati, dan di samping itu, elektron dapat mengalir tanpa menghasilkan panas yang kemudian harus didinginkan dengan energi tambahan. Ini berarti “ponsel dapat bertahan selama berminggu-minggu tanpa kehabisan baterai, mengurangi konsumsi energi di semua aspek kehidupan kita, mengurangi biaya dan polusi dari bahan bakar fosil,” kata Sarah Haigh, profesor material di National Graphene Institute, Universitas Manchester, Inggris, dalam sebuah wawancara.

Ini dapat membuka jalan bagi chip yang mendukung komputer pribadi yang lebih canggih dan komputer kuantum di masa depan. 

Para peneliti mencatat dalam studi bahwa elektron dalam alternatif silikon ini, mirip cahaya, memiliki sifat yang menyerupai gelombang mekanik kuantum. Sifat-sifat ini dapat dimanfaatkan pada suhu sangat rendah. Peneliti kini berencana mengeksplorasi hal ini dalam penelitian selanjutnya.

Epitaxial graphene memungkinkan elektron bergerak dengan resistansi lebih rendah, yang berarti transistor yang dibuat dengan cara ini dapat beroperasi pada frekuensi terahertz. Ini membantu mengatasi batasan silikon, termasuk seberapa cepat transistor dapat menyala dan mati, ukuran terkecil yang dapat dibuat, dan panas yang dihasilkan. 

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

Seperti yang ditunjukkan de Heer, bukan hanya kemampuan graphene untuk “membuat sesuatu lebih kecil dan lebih cepat dengan disipasi panas yang lebih sedikit” tetapi juga memanfaatkan “sifat elektron yang tidak dapat diakses pada silikon,” yang menghadirkan “pergeseran paradigma—ini cara berbeda dalam melakukan elektronik.”

Ini berarti generasi elektronik lain kini sudah di ambang. Selama bertahun-tahun, silikon memimpin elektronik, yang merupakan langkah di atas tabung hampa, yang muncul setelah kabel dan telegraf, dan kini graphene akan memimpin selanjutnya.

“Bagi saya, ini seperti momen Wright brothers,” kata de Heer. “Mereka membangun pesawat yang dapat terbang 300 kaki di udara. Namun para skeptis bertanya mengapa dunia membutuhkan penerbangan ketika sudah memiliki kereta cepat dan kapal. Namun mereka terus berusaha, dan itu menjadi awal dari teknologi yang dapat membawa orang melintasi samudra.”

Selain itu, material ini dapat diskalakan. Sebelumnya, graphene menunjukkan potensi sebagai semikonduktor, tetapi hanya pada skala kecil. Meningkatkan skala semikonduktor graphene ke ukuran chip komputer praktis telah menjadi tantangan. Namun, terobosan terbaru menggunakan proses yang mirip dengan teknik pembuatan chip silikon dan kompatibel dengan metode pemrosesan mikroelektronik konvensional, sehingga lebih memungkinkan untuk meningkatkan skala.

Penelitian tersebut menggunakan wafer, yang menurut David Carey dari University of Surrey, Inggris, “sangat, benar-benar dapat diskalakan,” dan teknologi yang saat ini digunakan oleh industri semikonduktor dapat digunakan untuk “meningkatkan skala proses ini.”

Meskipun demikian, masih harus dilihat apakah semikonduktor graphene terbaru benar-benar dapat berperformasi lebih baik daripada teknologi superkonduktor saat ini. Selain itu, agar dunia beralih ke chip graphene, penelitian baru harus disempurnakan terkait kualitas, ukuran, dan teknik manufaktur. Ini berarti perjalanan akan panjang, dan dapat memakan lebih dari satu dekade untuk mewujudkan implementasi industri semikonduktor graphene secara penuh.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham peralatan semikonduktor terbaik.