Germanium Tertekan: Terobosan untuk Chip Kuantum

Dari Silikon Kembali ke Germanium

Semikonduktor berbasis silikon semakin mendekati berbagai batas teknis. Transistor pada chip tercanggih kini hanya tersusun dari beberapa atom, dan sifat fisik atom silikon sendiri mulai menjadi hambatan yang tidak dapat diatasi untuk peningkatan berikutnya.

Hal ini terutama berlaku pada bentuk komputasi paling maju, seperti spintronika dan komputasi kuantum.

Karena itu, peneliti dan perusahaan semikonduktor beralih ke logam serta unsur lain untuk mencari rancangan baru.

Salah satu unsur yang kembali populer adalah germanium. Germanium digunakan pada transistor paling awal pada 1950-an, tetapi kemudian digantikan oleh silikon karena biaya dan kemudahan produksi.

Saat ini germanium, yang penting bagi elektronik dan optik inframerah, termasuk sensor pada rudal dan satelit pertahanan, terutama dihasilkan sebagai produk sampingan tambang seng dan molibdenum.

Germanium juga dapat digunakan untuk aplikasi lain. Misalnya, kristal besi–germanium magnetik yang membentuk struktur unik dapat dipakai untuk membuat superkonduktor. Lapisan yang hanya terbuat dari germanium juga dapat menjadi superkonduktor.

Germanium juga memiliki sifat fisik unik yang membuatnya berpotensi menggantikan semikonduktor silikon dalam penggunaan tertentu.

Peneliti dari University of Warwick dan National Research (NRC ) Council of Canada menemukan bahwa dalam beberapa aspek germanium dapat berkinerja lebih dari 15.000 kali lebih baik daripada silikon. Hasilnya diterbitkan di Materials Today dengan judul “Mobilitas lubang pada germanium tertekan di atas silikon melampaui 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹”.

Menggerakkan Lubang, Bukan Elektron

Dalam elektronik dan semikonduktor, struktur atom suatu material dapat sama pentingnya dengan unsur penyusunnya.

Hal yang sama berlaku pada germanium. Para peneliti membuat lapisan germanium setebal nanometer yang diberi tekanan kompresif dan ditumbuhkan di atas silikon.

Tujuannya adalah mengoptimalkan transportasi muatan listrik dengan menggunakan «lubang bermobilitas tinggi», bukan pergerakan elektron yang lazim.

Alih-alih mengukur elektron yang bergerak membawa informasi, penelitian ini mengukur seberapa mudah pembawa muatan positif, yaitu «lubang» atau kekosongan elektron, bergerak melalui material di bawah medan listrik.

Dibandingkan pergerakan elektron tradisional, mobilitas lubang memiliki «kopling spin–orbit yang kuat, interaksi hiperhalus yang ditekan, dan kendali spin sepenuhnya elektrik yang efisien».

Dalam bahasa yang lebih sederhana, sifat ini sangat cocok untuk menyandikan informasi dalam sistem spintronika dan komputasi kuantum.

Namun hingga kini, material dengan mobilitas lubang terlalu rentan terhadap gangguan lingkungan untuk digunakan dalam komputasi nyata. Ketidakmurnian dan sulitnya proses produksi semakin menghambat gagasan tersebut.

Germanium Terkompresi

Geser untuk menggulir →

Baru-baru ini muncul metode produksi yang disebut regangan kompresif. Metode ini mengubah struktur kristal semikonduktor sehingga memengaruhi tingkat energi elektron dan transportasi muatan.

Dengan metode tersebut, para peneliti membuat lapisan tipis germanium terkompresi di atas silikon yang menunjukkan mobilitas lubang 7,15 juta cm² per volt-detik, dibandingkan sekitar 450 cm² per volt-detik pada silikon industri.

Nilai tersebut merupakan peningkatan eksponensial dibandingkan perangkat elektronik berbasis germanium sebelumnya.

Sumber: Materials Today

Karena muatan listrik dapat bergerak jauh lebih cepat, lebih dari 15.000 kali, material ini membuka jalan menuju perangkat elektronik yang jauh lebih cepat dan hemat energi.

«Ini menetapkan tolok ukur baru bagi transportasi muatan pada semikonduktor golongan IV, material yang menjadi inti industri elektronik dunia.

Temuan ini membuka jalan bagi elektronik dan perangkat kuantum yang lebih cepat dan hemat energi, serta sepenuhnya kompatibel dengan teknologi silikon yang ada.»

Dr. Sergei Studenikin, pejabat peneliti utama, National Research Council of Canada

Bagaimana Germanium Tertekan Dapat Menggerakkan Chip Kuantum dan Energi Rendah

Platform cs-GoS baru ini secara inheren kompatibel dengan teknologi CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), teknologi utama produksi semikonduktor yang digunakan pada sensor, sirkuit berdaya rendah, dan memori komputer.

Platform ini juga dapat ditingkatkan menjadi lapisan berukuran wafer sehingga langsung dapat diterapkan pada metode manufaktur semikonduktor saat ini.

«Semikonduktor tradisional bermobilitas tinggi seperti galium arsenida (GaAs) sangat mahal dan mustahil diintegrasikan dengan manufaktur silikon arus utama.»

Dr. Sergei Studenikin, pejabat peneliti utama, National Research Council of Canada

Temuan ini membuka jalan bagi penggunaan mobilitas lubang dalam rancangan komputer kuantum, atau integrasi sirkuit berbasis germanium ke dalam chip berdaya rendah dan perangkat spintronika.

Karena itu, mengubah prototipe laboratorium menjadi chip yang diproduksi massal seharusnya tidak sesulit rancangan yang menggunakan material lebih eksotis.

Sumber: Materials Today

«Material kuantum germanium-di-atas-silikon tertekan kompresif (cs-GoS) kami menggabungkan mobilitas terdepan dunia dengan skalabilitas industri, sebuah langkah penting menuju sirkuit terpadu kuantum dan klasik berskala besar yang praktis.»

Dr. Sergei Studenikin, pejabat peneliti utama, National Research Council of Canada

Berinvestasi dalam Manufaktur Semikonduktor

TSMC – Perusahaan Manufaktur Semikonduktor Taiwan

Produksi semikonduktor merupakan industri yang didominasi oleh gabungan keahlian sangat khusus dan kompleks serta kebutuhan untuk memproduksi massal guna menekan biaya.

Tidak ada perusahaan yang lebih berhasil menguasai model bisnis ini daripada TSMC, perusahaan Taiwan yang memimpin dunia dalam produksi chip ultra-canggih.

TSMC terutama memproduksi chip silikon, termasuk node 3 nm dan 2 nm yang paling canggih. Karena menghasilkan chip tercanggih dan termahal, perusahaan menguasai lebih dari separuh pendapatan global industri foundry semikonduktor.

Sumber: Eric Flaningam

TSMC sedang memperluas produksi chip silikon di Amerika Serikat, terutama melalui investasi besar pada foundry baru di Arizona.

TSMC juga memiliki keahlian dalam transistor berbasis germanium canggih dan jenis semikonduktor lainnya.

Walaupun laba TSMC saat ini terutama berasal dari chip canggih dan pembuatan perangkat keras AI untuk perusahaan seperti Nvidia (NVDA ), TSMC juga dapat menjadi salah satu penerima manfaat utama jika metode manufaktur semikonduktor umum dapat menghasilkan chip berkinerja tinggi berbahan germanium.

(Anda juga dapat membaca lebih lanjut mengenai sejarah dan bisnis TSM dalam laporan investasi kami yang khusus membahas perusahaan tersebut.)

Berita dan Perkembangan Saham TSMC (TSM) Terbaru

Studi yang Dirujuk:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). Mobilitas lubang pada germanium terkompresi pada silikon melebihi 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materials Today, 90, 314–321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}