Membuka Revolusi 6G dengan Semikonduktor GaN Generasi Berikutnya

Semikonduktor adalah dasar perangkat elektronik dan Internet of Things (IoT) serta peralatan telekomunikasi.

Mereka adalah material yang mengontrol aliran arus listrik. Sifat unik mereka yang memiliki konduktivitas di antara konduktor dan isolator menjadikannya komponen kunci dalam perangkat seperti dioda, transistor, dan sirkuit terpadu.

Permintaan akan semikonduktor meningkat dengan cepat. Mereka digunakan dalam smartphone, komputer, peralatan rumah tangga, peralatan medis, dan perangkat keras gaming. Selain itu, popularitas dan penggunaan teknologi kecerdasan buatan (AI) yang terus berkembang semakin mempercepat kemajuan pengembangan chip dan meningkatkan produksi semikonduktor.

Kecepatan penyebaran 5G yang stabil menjadi faktor lain yang mendorong tren permintaan chip semikonduktor yang sehat.

“Generasi kelima” teknologi jaringan seluler, yang telah diterapkan oleh operator seluler di seluruh dunia sejak 2019, menawarkan kecepatan unduh yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah, memungkinkan komunikasi hampir seketika.

Latensi ultra-rendah dan keandalan tinggi 5G sangat penting untuk kemajuan teknologi tinggi. Jaringan 5G, pada gilirannya, bergantung pada semikonduktor untuk memberikan manfaat tersebut.

Komponen semikonduktor diperlukan di sini untuk memproses sinyal yang membawa data. Dari stasiun pangkalan hingga smartphone dan perangkat IoT, mereka adalah chip yang memungkinkan pemrosesan sinyal cepat, transmisi frekuensi radio (RF) lebar, dan konektivitas yang aman.

Sementara 5G masih dalam tahap penyebaran, pelaku industri telah mulai membahas pengembangan generasi keenam (6G). Namun, hal ini memerlukan kemajuan signifikan dalam teknologi semikonduktor yang dapat menangani latensi yang sangat rendah, kecepatan data ultra-tinggi, efisiensi energi tinggi, dukungan untuk frekuensi terahertz (THz), dan tentu saja konektivitas massal.

Saat perusahaan dan peneliti bekerja meningkatkan kemampuan semikonduktor, terobosan teknologi terbaru menunjukkan potensi besar untuk mengubah cara kita berkomunikasi.

Dengan mempercepat jaringan seluler 6G untuk menawarkan kecepatan lebih tinggi, komunikasi yang lebih efisien, dan cakupan yang jauh lebih luas dibandingkan generasi saat ini (5G), kemajuan terbaru ini menjanjikan masa depan yang akan mewujudkan banyak fiksi ilmiah.

Konsep futuristik seperti merasakan sentuhan orang terkasih yang tinggal di seberang benua atau mendapatkan diagnosis kesehatan secara instan tanpa harus keluar rumah semuanya bergantung pada kemampuan berkomunikasi dan mentransfer data dalam jumlah besar dengan kecepatan jauh lebih tinggi daripada yang dapat dicapai jaringan saat ini.

Fisikawan dari University of Bristol telah menemukan cara baru untuk mempercepat proses mencapai hal ini.

“Dalam dekade mendatang, teknologi yang sebelumnya hampir tidak dapat dibayangkan untuk mengubah berbagai pengalaman manusia dapat tersedia secara luas.”

– Penulis utama bersama Martin Kuball, Profesor Fisika di University of Bristol.

Membicarakan manfaat yang mungkin, yang ia catat sebagai “luas jangkauannya,” Kuball menyoroti kemajuan dalam perawatan kesehatan dengan diagnostik dan operasi jarak jauh, kelas virtual, pariwisata liburan virtual, otomatisasi industri untuk efisiensi lebih tinggi, dan sistem bantuan pengemudi canggih (ADAS) untuk meningkatkan keselamatan jalan.

“Daftar aplikasi 6G yang mungkin tidak ada habisnya, dengan batasannya hanya imajinasi manusia. Jadi penemuan semikonduktor inovatif kami sangat menarik dan akan membantu mendorong perkembangan ini dengan kecepatan dan skala.”

– Kuball 

Apa yang dibutuhkan peralihan ke 6G adalah peningkatan radikal teknologi semikonduktor, sistem, sirkuit, dan algoritma terkait.

Kebangkitan Transistor Berbasis GaN

Dalam sektor semikonduktor yang berkembang pesat, Gallium Nitride (GaN) digunakan sebagai komponen semikonduktor utama.

Semikonduktor senyawa ini sangat keras, stabil secara mekanik, dan memiliki celah pita yang lebar, menjadikannya cocok untuk aplikasi berdaya tinggi dan frekuensi tinggi. Setelah silikon, GaN adalah salah satu semikonduktor paling penting, dan kini semakin banyak diadopsi dalam elektronik konsumen.

GaN sebenarnya dikenal memiliki celah pita yang lebih lebar dibandingkan silikon. Akibatnya, perangkat GaN dapat menangani kepadatan daya yang lebih tinggi, yang menghasilkan desain yang lebih kecil dan ringan serta menawarkan efisiensi lebih tinggi dan keandalan yang lebih baik.

Dalam sistem komunikasi generasi kelima saat ini, perangkat ini semakin menjadi standar baru. Sekarang, peneliti sedang mengeksplorasinya untuk aplikasi infrastruktur seluler dan nirkabel 6G.

Berkat daya keluaran tinggi dan kemampuan beroperasi pada frekuensi tinggi, transistor mobilitas elektron tinggi berbasis GaN (HEMT) telah merevolusi komunikasi nirkabel dan militer.

Hal ini terutama karena parameter material seperti medan listrik kritis yang tinggi, mobilitas pada suhu ruang yang baik, dan kecepatan saturasi yang tinggi. Inovasi dalam desain pelat bidang telah meningkatkan kinerja HEMT GaN lebih jauh, menghasilkan daya hingga 40 W mm⁻¹ pada 4 GHz dan efisiensi daya tambahan 60 %.

Namun hal ini belum cukup untuk memungkinkan aplikasi masa depan. GaN perlu menjadi lebih cepat dan lebih andal, serta memancarkan daya yang lebih besar untuk mendukung generasi keenam komunikasi nirkabel.

Peningkatan daya keluaran diperlukan untuk mempertahankan integritas sinyal pada jarak jauh, dengan proyek ambisius yang sudah menetapkan target mencapai 81 W mm⁻¹.

Dengan latar belakang ini, tim internasional insinyur dan ilmuwan mengembangkan serta menguji arsitektur baru yang meningkatkan kemampuan amplifier GaN khusus.

Hasil tersebut diperoleh dengan menemukan efek latch pada GaN, yang membuka kinerja perangkat frekuensi radio yang sangat tinggi. Generasi berikutnya dari perangkat ini menggunakan saluran paralel yang memerlukan sisi fin berukuran kurang dari 100 nm, jenis transistor yang mengontrol aliran arus yang melewati perangkat.

Dalam penelitian terbaru, tim menggunakan lebih dari 1000 fin dengan lebar kurang dari 100 nm dalam SLCFET untuk membantu mengalirkan arus. Menurut penulis utama bersama Dr. Akhil Shaji, Associate Peneliti Kehormatan di University of Bristol:

“Kami telah menguji teknologi perangkat, bekerja dengan kolaborator, yang disebut superlattice castellated field effect transistors (SLCFETs).” 

SLCFET berbasis GaN berpotensi digunakan untuk mencapai target daya keluaran tinggi (81 W mm⁻¹) yang ditetapkan oleh proyek. SLCFET dengan hingga sepuluh saluran gas elektron dua dimensi (2DEG) yang ditumpuk dapat memberikan peningkatan 10 kali jumlah pembawa muatan dibandingkan HEMT GaN saluran tunggal.

Arsitektur baru, menurut studi, menawarkan tegangan knee yang rendah, menjadikannya sempurna untuk ayunan tegangan keluaran besar yang dipadukan dengan kepadatan arus tinggi.

SLCFET telah menunjukkan daya keluaran lebih dari 10 W mm⁻¹ pada 94 GHz dengan 12 V pada drain dan efisiensi daya tambahan lebih dari 40 %, didukung oleh kepadatan arus 4,8 A mm⁻¹ dengan dispersi minimum dan kolaps arus.

Pada daya sebesar ini, tantangannya adalah mengendalikan disipasi panas, namun tanpa memperbesar jejak perangkat. Meskipun daya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan tegangan drain (VDS), ionisasi tumbukan dapat merusak karakteristik SLCFET.

Kemudian ada latch transistor. Di sini, perangkat tetap dalam keadaan nyala meskipun diberi bias gerbang dalam keadaan mati (VGS), sebuah efek yang dikenal pada perangkat berbasis silikon. Namun, celah pita tinggi GaN meminimalkan ionisasi tumbukan. Peneliti sebelumnya telah mengkonfirmasi terjadinya ionisasi tumbukan dalam operasi keadaan nyala SLCFET.

Meningkatkan Kinerja GaN Melalui Efek Latch

Aluminium gallium nitride (AlGaN) atau SLCFET berbasis gallium nitride (GaN) menunjukkan potensi sebagai dasar untuk amplifier RF berdaya tinggi dan saklar dalam radar canggih masa depan.

Transistor ini telah menunjukkan kinerja terbaik pada rentang frekuensi W-band, yaitu dari 75 GHz hingga 110 GHz. Ilmu di balik hal ini sebelumnya belum diketahui hingga kini.

Menurut studi yang dipublikasikan di jurnal Nature Electronics¹, itu adalah “efek latch pada GaN, yang memungkinkan kinerja frekuensi radio tinggi.”

Dengan efek yang kini diakui, tim melanjutkan untuk menemukan tepat di mana efek tersebut terjadi. Mereka menggunakan pengukuran listrik ultra-presisi dan mikroskopi optik secara bersamaan untuk mempelajari efek tersebut lebih lanjut dan memahaminya dengan lebih baik.

Setelah menganalisis lebih dari 1.000 fin, peneliti menemukan efek tersebut pada fin terlebar. Untuk memverifikasi lebih lanjut pengamatan tersebut, tim membuat model 3D menggunakan simulator.

“Pengukuran arus‑tegangan, simulasi, dan emisi elektroluminesen yang terkait pada kondisi latch menunjukkan bahwa pemicu ionisasi tumbukan terlokalisasi yang bergantung pada lebar fin bertanggung jawab atas latch,” catat studi tersebut, menambahkan bahwa lokalisasi ini disebabkan oleh variasi lebar fin, yang berasal dari variabilitas proses fabrikasi.

Selanjutnya, tim menangani aspek keandalan efek ini untuk aplikasi praktis. Pengujian ketat perangkat selama periode panjang menunjukkan bahwa efek latch tidak memberikan dampak merugikan pada kinerja atau keandalan perangkat.

Kondisi latch, menurut studi, bersifat reversibel serta tidak merusak dan dapat meningkatkan karakteristik transkonduktansi transistor, yang berarti linearitas dan daya yang lebih baik pada amplifier daya frekuensi radio.

“Kami menemukan aspek kunci yang mendorong keandalan ini adalah lapisan tipis pelapis dielektrik di sekitar setiap fin.”

– Profesor Kuball, Ketua Royal Academy of Engineering dalam Teknologi Emerging

Memimpin Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR), Kuball membantu mengembangkan perangkat elektronik semikonduktor generasi berikutnya untuk teknologi komunikasi dan radar, serta mencapai emisi nol bersih. CDTR juga bekerja meningkatkan manajemen termal perangkat, kinerja listriknya, dan keandalannya melalui semikonduktor bercelah pita lebar dan ultra-lebar.

Intisari utama dari penelitian, catat Kuball, “adalah jelas – efek latch dapat dimanfaatkan untuk tak terhitung aplikasi praktis, yang dapat membantu mengubah kehidupan orang dalam banyak cara di tahun-tahun mendatang.”

Sekarang, dalam pekerjaan mendatang, tim akan fokus meningkatkan kepadatan daya yang dapat diberikan perangkat. Hal ini akan memungkinkan mereka menawarkan kinerja yang lebih tinggi lagi dan melayani audiens yang lebih luas.

Selain itu, mitra industri akan membantu menjadikan perangkat generasi berikutnya ini tersedia secara komersial.

Berinvestasi dalam Inovasi Semikonduktor

Ketika berbicara tentang berinvestasi dalam teknologi GaN, MACOM (MTSI ) adalah salah satu dari sedikit perusahaan publik AS yang menawarkan eksposur langsung terhadapnya. Perusahaan ini memanfaatkan teknologi proses GaN-on-SiC dan GaN-on-Si untuk memungkinkan arsitektur sistem generasi berikutnya di berbagai aplikasi. Perusahaan menawarkan amplifier low-noise inovatif, amplifier daya GaN, dan saklar yang mencakup frekuensi dari DC hingga lebih dari 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings adalah produsen produk semikonduktor berperforma tinggi untuk telekomunikasi serta industri lainnya.

Perusahaan melayani lebih dari 6.000 pelanggan setiap tahun dengan portofolio produk luas yang mencakup teknologi semikonduktor analog, microwave, radio frequency (RF), mixed-signal, dan optik. MACOM berspesialisasi dalam aplikasi, fabrikasi semikonduktor senyawa, termasuk GaAs, GaN, InP, dan silikon khusus, desain sirkuit analog dan mixed-signal, kemasan canggih, serta perakitan dan pengujian back-end.

Perusahaan telah memperoleh beberapa sertifikasi, termasuk standar aerospace AS9100D, standar otomotif IATF16949, standar kualitas internasional ISO9001, dan standar manajemen lingkungan ISO14001.

Mengenai kinerja pasar MCOM, dengan kapitalisasi pasar $9 miliar, saham MTSI saat ini diperdagangkan pada $123,41. Meskipun MTSI turun 6,37 % tahun ini sejauh ini, saham tersebut naik 46,7 % dari titik terendah awal April dan hanya sekitar 15,5 % dari puncak yang dicapai pada Januari tahun ini. Dengan itu, EPS (TTM) nya adalah -1,22 dan P/E (TTM) adalah -99,66.

Mengenai keuangan perusahaan, MACOM baru-baru ini melaporkan hasil kuartal kedua fiskal yang berakhir pada 4 April 2025, di mana perusahaan mencatat pendapatan $235,9 juta, meningkat 30,2 % dibandingkan kuartal yang sama tahun sebelumnya.

Pendapatan dari operasi sebesar $34,9 juta, atau 14,8 % dari pendapatan, sementara laba bersih sebesar $31,7 juta, atau $0,42 per saham terdilusi. Margin kotor pada periode ini naik 2,7 % menjadi 55,2 % sementara margin kotor yang disesuaikan naik 0,4 % menjadi 57,5 %.

Mengomentari “kinerja Q2 yang solid” perusahaan, Presiden dan CEO Stephen G. Daly memuji “kerja tim luar biasa di seluruh organisasi MACOM” yang memungkinkan kesuksesan ini.

Angka-angka ini mengikuti “awal yang baik” tahun fiskal pada Q1, di mana Daly mengatakan, fokus perusahaan terus pada melayani pelanggan dan “membangun portofolio produk yang lebih kuat, lebih luas, dan lebih kompetitif.”

Pada 1Q25, pendapatan MACOM sebesar $218,1 juta, naik 38,8 % dari 1Q24, dan pendapatan dari operasi sebesar $17,5 juta, atau 8 % dari pendapatan. Pada kuartal sebelumnya, perusahaan melaporkan kerugian bersih $167,5 juta, atau kerugian $2,30 per saham terdilusi, akibat kerugian satu kali sebesar $193,1 juta pada pelunasan utang.

Sekarang, untuk kuartal ketiga fiskal yang berakhir pada 4 Juli 2025, MACOM memperkirakan pendapatan antara $246 juta dan $254 juta. Perusahaan memperkirakan margin kotor yang disesuaikan antara 56,5 % dan 58,5 % serta laba per saham terdilusi yang disesuaikan antara $0,87 dan $0,91, dengan menggunakan tarif pajak penghasilan non-GAAP sebesar 3 % dan 76,5 juta saham terdilusi beredar.

Di tengah semua ini, MACOM terus memperluas bisnisnya melalui investasi.

Pada Januari tahun ini, MACOM mengumumkan rencana strategis untuk menginvestasikan hingga $345 juta selama lima tahun di fasilitas fabrikasi wafer di Massachusetts dan North Carolina. Tujuan investasi ini adalah memodernisasi fasilitas yang ada dan memperkenalkan kemampuan manufaktur canggih untuk teknologi RF, microwave, dan gelombang milimeter guna meningkatkan penawaran produk MACOM untuk pusat data, telekomunikasi, dan industri pertahanan.

Secara khusus di fasilitas Massachusetts, perusahaan akan memasang kemampuan manufaktur GaN-on-SiC berukuran 150 mm.

“Rencana ini akan memperkuat kemampuan manufaktur semikonduktor domestik MACOM,” kata Daly, menambahkan bahwa hal ini juga akan mempercepat strategi pertumbuhan perusahaan.

Inisiatif ini didukung oleh perjanjian awal dengan CHIPS Program Office, yang telah menyediakan total $39 miliar untuk memberikan insentif investasi pada fasilitas dan peralatan di AS. Program ini mengusulkan $180 juta dalam pendanaan dan kredit pajak untuk MACOM di bawah CHIPS and Science Act.

Beberapa bulan sebelum ini, MACOM mengakuisisi perusahaan semikonduktor fabless bernama ENGIN-IC, yang merancang MMIC GaN (monolithic microwave integrated circuits) canggih dengan tujuan melayani pasar targetnya lebih baik dan memperoleh pangsa pasar yang lebih besar.

Fokus ENGIN-IC sebenarnya pada melayani industri pertahanan AS dan memiliki portofolio produk lebih dari 60 MMIC standar serta banyak lagi MMIC kustom.

“Keahlian desain MMIC dan modul lebar pita serta efisiensi tinggi ENGIN-IC yang luar biasa akan memungkinkan kami mendukung pelanggan bersama dengan lebih baik,” kata Daly pada saat itu, sementara co-founder dan CTO ENGIN-IC Stephen Nelson menyatakan kegembiraannya untuk “menjadi bagian dari upaya MACOM memimpin industri dalam proses dan produk semikonduktor GaN.”

Kesimpulan

6G adalah generasi berikutnya teknologi untuk komunikasi nirkabel yang menjanjikan kecepatan lebih tinggi dan komunikasi yang lebih efisien. Mewujudkan masa depan komunikasi global, otomatisasi, dan pengalaman virtual imersif ini, bagaimanapun, bergantung pada kemajuan semikonduktor. Material semikonduktor, GaN, dengan kualitas uniknya berupa kecepatan lebih tinggi, resistansi lebih rendah, dan tegangan breakdown yang lebih tinggi, menunjukkan potensinya untuk merevolusi elektronik dan komunikasi.

Terobosan terbaru pada SLCFET berbasis GaN, yang memanfaatkan arsitektur transistor baru dan mengungkapkan mekanisme efek latch, mendorong batas apa yang mungkin dalam kinerja semikonduktor frekuensi tinggi.

Inovasi ini membuat jalur menuju realitas 6G lebih jelas daripada sebelumnya dengan mengungkapkan kinerja yang dapat diskalakan dan keandalan yang kuat.

Klik di sini untuk daftar saham peralatan semikonduktor teratas.

Studi yang Dirujuk:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & lainnya. (2025). Gallium nitride multichannel devices with latch-induced sub-60-mV-per-decade subthreshold slopes for radiofrequency applications. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5