Menembus Batas Kecepatan Elektronik Setipis Atom
Peneliti China mengumumkan terobosan manufaktur yang dapat mengubah lanskap semikonduktor global. Mereka mengembangkan metode untuk menumbuhkan material semikonduktor dua dimensi dengan kecepatan sekitar 1.000 kali lebih tinggi daripada teknik konvensional. Inovasi yang dipimpin ilmuwan dari National University of Defence Technology dan Chinese Academy of Sciences ini mengatasi hambatan utama yang selama ini menghalangi kelayakan komersial chip generasi berikutnya.
Daftar Isi
Tim peneliti yang dipimpin Zhu Mengjian, bersama koleganya Ren Wencai dan Xu Chuan dari Institute of Metal Research, menerbitkan temuan mereka di jurnal National Science Review pada 26 Maret. Penelitian tersebut menunjukkan teknik deposisi uap kimia yang dimodifikasi untuk menghasilkan lembaran tungsten silikon nitrida berukuran besar dengan kecepatan sekitar 20 mikrometer per menit. Ini merupakan peningkatan tajam dibandingkan tolok ukur sebelumnya, yang membutuhkan lima jam untuk menumbuhkan hanya 0,001 milimeter.
Silicon Mulai Kehabisan Ruang untuk Berkembang
Selama lebih dari lima dekade, industri elektronik mengikuti Hukum Moore, yaitu pengamatan bahwa jumlah transistor pada mikrocip berlipat ganda kira-kira setiap dua tahun, sementara biayanya menurun. Pola ini mendorong perkembangan segala sesuatu, mulai dari ponsel pintar hingga superkomputer, dan membangun industri bernilai triliunan dolar yang bertumpu pada silicon. Namun, ketika dimensi transistor mendekati skala atom, hukum fisika dasar mulai menjadi kendala.
Di bawah ukuran sekitar 5 nanometer, elektron dalam silicon mulai menunjukkan perilaku mekanika kuantum yang mengganggu komputasi klasik. Tunneling kuantum memungkinkan elektron merembes melalui penghalang isolasi yang seharusnya menahannya, sementara pembuangan panas semakin sulit dikendalikan seiring makin rapatnya komponen. Kendala fisik ini mengancam kemajuan yang selama ini menopang perkembangan teknologi modern.
Kebutuhan akan daya komputasi terus meningkat pesat, terutama didorong oleh sistem kecerdasan buatan dan model bahasa besar yang memerlukan kemampuan pemrosesan jauh lebih tinggi. Menurut proyeksi industri, kebutuhan komputasi AI dapat meningkat 1.000 kali lipat pada 2030 dibandingkan tingkat pada 2023. Kesenjangan yang kian lebar antara permintaan dan keterbatasan fisik silicon ini memicu pencarian global terhadap material alternatif yang dapat memperpanjang umur atau menggantikan manufaktur semikonduktor tradisional.
Potensi Material Dua Dimensi
Semikonduktor dua dimensi merupakan salah satu jalur paling menjanjikan untuk melampaui silicon konvensional. Material ini terkadang hanya setebal satu atom dan menghantarkan listrik dengan cara yang secara mendasar berbeda dari kristal tiga dimensi. Tidak seperti silicon padat, yang kanal penghantar arusnya harus dibentuk dengan mengikis blok material, semikonduktor 2D pada dasarnya sudah tipis sehingga material tidak perlu dikikis secara fisik untuk membuat fitur berskala nano.
Efek pengurungan kuantum pada lapisan ultra-tipis ini justru dapat meningkatkan sifat listrik, bukan menurunkannya. Ketika pergerakan elektron dibatasi dalam dua dimensi, energi minimumnya meningkat sehingga celah pita yang mengatur kondisi transistor menyala atau mati menjadi lebih lebar. Artinya, pada skala yang setara, material 2D berpotensi mencapai efisiensi daya yang lebih baik dan arus bocor yang lebih rendah daripada silicon, sehingga cocok untuk teknologi node di bawah 5 nanometer.
Sejumlah material 2D telah menunjukkan karakteristik kinerja yang kuat. Molibdenum disulfida dan molibdenum diselenida, senyawa yang digolongkan sebagai dikalkogenida logam transisi, memiliki celah pita alami yang memungkinkan keduanya beralih antara kondisi konduktif dan isolatif. Material tipe-n ini, yang menghantarkan arus listrik melalui elektron, relatif mudah diproduksi di laboratorium. Namun, pembuatan sirkuit terpadu yang praktis membutuhkan pasangan material yang saling melengkapi.
Mengatasi Krisis Material Tipe-p
Arsitektur transistor modern bergantung pada perpaduan dua jenis semikonduktor: tipe-n, yang menggunakan elektron sebagai pembawa muatan, dan tipe-p, yang mengandalkan hole (ketiadaan elektron dalam kisi kristal) untuk menghantarkan muatan positif. Arsitektur semikonduktor metal-oksida komplementer ini, yang dikenal sebagai CMOS, menjadi dasar seluruh logika digital masa kini. Setiap gerbang NAND, NOR, dan NOT memerlukan kedua jenis material tersebut untuk bekerja bersama.
Semikonduktor 2D tipe-n telah banyak tersedia, tetapi material tipe-p yang stabil dan berkinerja tinggi masih sulit ditemukan. Zhu Mengjian menyebut kelangkaan ini sebagai hambatan utama sekaligus medan persaingan sengit dalam riset semikonduktor. Tanpa material tipe-p yang andal, insinyur tidak dapat membangun gerbang logika dasar yang menopang komputasi, betapapun unggulnya material tipe-n.
Tim China mengidentifikasi tungsten silikon nitrida sebagai solusi atas ketimpangan tersebut. Material ini secara alami bersifat tipe-p tanpa memerlukan proses doping eksternal yang kerap menimbulkan ketidakstabilan. Film yang dihasilkan memiliki mobilitas hole tinggi, rapat arus kuat, serta kekuatan mekanis dan konduktivitas termal yang baik. Sifat-sifat ini menunjukkan bahwa material tersebut dapat bertahan dalam proses litografi komersial yang terdiri atas banyak tahap tanpa retak atau terkelupas dari substrat.
Profesor Peng Hailin dari Peking University, yang mengerjakan proyek transistor 2D terpisah tetapi terkait dengan menggunakan bismut oksiselenida, menjelaskan pentingnya keseimbangan doping ini. Dalam penelitian tersebut, yang juga mengarah pada arsitektur pasca-silicon, timnya mencapai kecepatan 40% lebih tinggi daripada chip 3nm terbaru Intel dengan konsumsi daya 10% lebih rendah. Kelompok Peking University menggambarkan pengembangan mereka sebagai berpindah jalur, bukan mengambil jalan pintas, yang menandakan pergeseran mendasar dari rancangan berbasis silicon.
Inovasi Emas dan Tungsten
Inovasi utama yang memungkinkan terobosan kecepatan produksi ini adalah perancangan ulang proses deposisi uap kimia untuk menumbuhkan film semikonduktor 2D. Teknik CVD tradisional mengalirkan gas prekursor di atas substrat yang dipanaskan, lalu menunggu atom mengkristal selapis demi selapis. Proses ini selama ini sangat lambat, sehingga peningkatan skala dari sampel laboratorium berukuran milimeter ke wafer 300 milimeter yang digunakan dalam manufaktur komersial tidak layak secara ekonomi.
Tim peneliti mengganti substrat padat standar dengan lapisan ganda emas cair dan tungsten. Permukaan emas cair menghilangkan batas butir sehingga menyediakan templat yang rata dan seragam bagi nukleasi kristal. Hal ini memungkinkan atom prekursor berdifusi jauh lebih cepat di permukaan dibandingkan pada substrat padat konvensional. Sementara itu, lapisan tungsten di bawahnya memasok salah satu unsur yang dibutuhkan untuk membentuk film tungsten silikon nitrida, sehingga mengurangi ketergantungan pada mekanisme pemasokan melalui fase gas yang kerap membatasi laju pertumbuhan.
Modifikasi substrat ini memungkinkan pertumbuhan film monolapis berukuran sekitar 36 kali 18 milimeter, membawa semikonduktor 2D ke tahap manufaktur skala wafer. Material yang dihasilkan menunjukkan kinerja listrik, ketahanan, dan kemampuan menangani panas yang kuat, yang penting untuk aplikasi chip canggih. Kecepatan produksi meningkat dari sekitar 0,00004 inci dalam lima jam menjadi sekitar 0,0008 inci per menit, atau seribu kali lebih cepat, sehingga menarik perhatian industri.
Metode ini juga memberikan kendali yang presisi atas sifat doping, sehingga insinyur dapat mengatur karakteristik listrik film yang dihasilkan. Kemampuan penyesuaian ini penting untuk mengintegrasikan material 2D ke dalam arsitektur CMOS yang sudah ada, sebuah langkah yang masih diperlukan untuk penerapan komersial. Kompatibilitas dengan infrastruktur semikonduktor saat ini dapat mempermudah integrasi di masa depan, meski tantangan teknis besar masih harus diatasi untuk meningkatkan skala dari demonstrasi saat ini ke wafer produksi penuh.
Persaingan Global dan Implikasi Strategis
Terobosan semikonduktor ini terjadi di tengah persaingan teknologi yang semakin ketat antara kekuatan ekonomi utama. Menurut data dari CAS Content Collection, institusi China mencatat peningkatan tajam dalam publikasi jurnal dan paten terkait mikroelektronika, dengan negara itu menghasilkan banyak pengajuan kekayaan intelektual yang berorientasi komersial. Sementara itu, Amerika Serikat menempuh strategi agresif untuk mempertahankan kepemimpinan melalui CHIPS and Science Act, yang mengalokasikan US$52,7 miliar untuk memperkuat kemampuan manufaktur dan riset dalam negeri.
Ketegangan geopolitik telah memperumit rantai pasok global. Kontrol ekspor yang diberlakukan pada Oktober 2022 membatasi akses China terhadap peralatan semikonduktor canggih dan chip komputasi. Pembatasan ini bertujuan menghambat kemajuan China dalam teknologi AI dan pertahanan, tetapi juga mendorong inisiatif riset domestik untuk mencapai kemandirian teknologi. Kemajuan semikonduktor 2D ini merupakan contoh riset dasar yang dapat membantu China menghindari hambatan peralatan konvensional dengan mengembangkan platform material alternatif.
Pasar peralatan semikonduktor global, yang diperkirakan bernilai sekitar US$111,84 miliar pada 2025, diproyeksikan mencapai US$268,06 miliar pada 2034 menurut analisis pasar. Pertumbuhan ini didorong oleh peralihan ke node canggih di bawah 5 nanometer, yang membutuhkan litografi ultraviolet ekstrem dan material baru. Saat ini, kawasan Asia-Pasifik menguasai hampir 69% pangsa pasar, meski Eropa dan Amerika Utara berinvestasi besar-besaran untuk mendiversifikasi produksi agar tidak bergantung pada rantai pasok yang terkonsentrasi.
Pakar industri mencatat bahwa peralihan dari demonstrasi laboratorium ke produksi komersial membutuhkan upaya selama beberapa tahun dan kolaborasi antara ilmuwan material, insinyur proses, dan fisikawan perangkat. Kepadatan cacat harus ditekan hingga tingkat yang memungkinkan miliaran transistor bekerja secara andal dalam satu chip, sementara material baru harus terbukti kompatibel dengan proses litografi, etsa, dan metalisasi yang sudah ada. Pendekatan substrat logam cair yang dikembangkan tim China dapat memengaruhi prinsip rekayasa di seluruh industri, terlepas dari material spesifik mana yang akhirnya diproduksi massal.
Tantangan Menuju Komersialisasi
Meski hasil laboratorium menjanjikan, masih ada sejumlah kendala besar antara pencapaian saat ini dan produk konsumen yang menggunakan transistor 2D. Menjaga keseragaman di area wafer yang lebih luas menjadi semakin sulit seiring peningkatan skala produksi. Peralihan dari film berukuran 36 kali 18 milimeter ke wafer produksi 300 milimeter bukan sekadar memperbesar ruang deposisi uap kimia; presisi tingkat atom harus tetap terjaga pada area permukaan yang jauh lebih luas.
Pengelolaan panas juga menjadi pertimbangan penting. Meski tungsten silikon nitrida memiliki sifat termal yang lebih baik dibandingkan sejumlah alternatif, material ultra-tipis pada dasarnya memiliki penampang terbatas untuk mengalirkan panas. Ketika transistor dikemas semakin rapat, pembuangan panas berlebih menjadi penting untuk menjaga kinerja dan mencegah kerusakan termal pada struktur yang rapuh. Material 2D juga harus cukup kuat secara mekanis untuk menahan tekanan fisik dari proses fabrikasi, termasuk etsa, deposisi, dan pembersihan yang dapat merusak lapisan setipis atom.
Kekurangan tenaga kerja terampil memperberat tantangan teknis ini. Semiconductor Industry Association memperkirakan bahwa Amerika Serikat saja akan kekurangan sekitar 67.000 teknisi, insinyur, dan ilmuwan terampil pada 2030. Kekurangan serupa juga terjadi di pusat-pusat manufaktur di seluruh dunia dan berpotensi memperlambat penerapan teknologi baru, bahkan setelah kelayakannya terbukti dalam riset.
Isu lingkungan juga menjadi perhatian besar dalam rencana ekspansi. Satu pabrik semikonduktor modern yang memproduksi wafer 12 inci mengonsumsi sekitar 10 juta galon air setiap hari. Kekeringan parah di Taiwan pada 2021 menyoroti kerentanan manufaktur semikonduktor terhadap keterbatasan sumber daya. Produsen semakin banyak mengadopsi teknologi daur ulang dan praktik berkelanjutan, tetapi kebutuhan energi dan air yang tinggi untuk produksi chip tetap menjadi pertimbangan penting saat industri merencanakan pembangunan fasilitas baru guna mengakomodasi material inovatif.
Intinya
- Peneliti China mengembangkan teknik deposisi uap kimia yang menumbuhkan material semikonduktor 2D 1.000 kali lebih cepat daripada metode sebelumnya, dengan kecepatan sekitar 20 mikrometer per menit.
- Terobosan ini menggunakan substrat lapisan ganda emas cair dan tungsten untuk menghasilkan lembaran tungsten silikon nitrida skala wafer, sekaligus mengatasi kelangkaan material 2D tipe-p berkinerja tinggi yang diperlukan sebagai pasangan transistor CMOS.
- Inovasi ini hadir saat silicon mendekati batas fisik fundamental pada ukuran di bawah 5 nanometer. Tunneling kuantum dan pembuangan panas mengancam menghentikan puluhan tahun peningkatan kinerja yang stabil berdasarkan Hukum Moore.
- Semikonduktor dua dimensi yang hanya setebal beberapa atom berpotensi memungkinkan transistor terus diperkecil dengan efisiensi energi yang lebih baik dibandingkan silicon tiga dimensi konvensional.
- Pengembangan ini berlangsung di tengah persaingan global yang ketat untuk mendominasi industri semikonduktor. China meningkatkan hasil riset, sementara Amerika Serikat dan Eropa menginvestasikan miliaran dolar melalui CHIPS Acts untuk mengamankan rantai pasok domestik.
- Peralihan dari demonstrasi laboratorium ke produksi komersial memerlukan penyelesaian tantangan terkait kepadatan cacat, pengelolaan panas, keseragaman manufaktur, dan integrasi dengan infrastruktur fabrikasi yang ada.
- Pasar peralatan manufaktur semikonduktor diproyeksikan tumbuh dari US$111,84 miliar pada 2025 menjadi US$268 miliar pada 2034, didorong kebutuhan komputasi AI, node canggih, dan material baru termasuk semikonduktor 2D.
