Tim Korea Membuat Komponen Transistor dengan Menukar Atom dalam Film Ultr tipis

Langkah 0,7 nanometer menuju sakelar elektronik yang lebih kecil

Para peneliti Korea Selatan telah membuat komponen utama transistor di dalam satu film tipis dengan mengganti atom-atom tertentu, sehingga mampu mengendalikan arus mendekati batas teoretis transistor konvensional pada suhu ruang. Teknik ini bekerja pada lapisan setebal sekitar 0,7 nanometer dan dapat menyederhanakan pembuatan perangkat elektronik yang sangat kecil.

Tim yang dipimpin Cho Moon-ho, direktur Pusat Padatan Kuantum Van der Waals di Institut Sains Dasar dan profesor terkemuka di Universitas Sains dan Teknologi Pohang, memulai penelitian dengan tungsten diselenida. Dengan mengganti atom seleniumnya menggunakan oksigen, sulfur, atau telurium, para peneliti membuat wilayah yang berfungsi sebagai isolator, menghantarkan arus, atau membantu arus masuk ke semikonduktor.

Transistor yang dihasilkan memerlukan perubahan tegangan gerbang sebesar 61,3 milivolt untuk meningkatkan arus sepuluh kali lipat, dibandingkan batas teoretis sekitar 60 milivolt pada suhu ruang. Arus saat transistor dinyalakan lebih dari 10 juta kali arus saat dimatikan.

Para peneliti juga membuat rangkaian kecil dari transistor yang ditumpuk secara vertikal dan membalik sinyal listrik pada tegangan 1 volt. Secara bersama-sama, hasil ini menghubungkan pengendalian presisi atas tiap lapisan material dengan rangkaian yang berfungsi, sementara pengembangan ke manufaktur semikonduktor masih menjadi tugas besar berikutnya.

Mengapa perakitan material ini sulit

Transistor adalah sakelar yang dikendalikan secara elektrik. Transistor memerlukan kanal semikonduktor tempat arus mengalir, lapisan isolasi yang memungkinkan gerbang mengendalikan kanal tersebut, serta elektroda yang menghubungkan perangkat dengan bagian lain dari rangkaian. Setiap bagian memiliki fungsi berbeda, sehingga batas antarbagiannya harus bekerja dengan baik.

Semikonduktor yang disebut dua dimensi tetap berguna meskipun hanya setebal beberapa lapisan atom. Namun, permukaannya tidak mudah membentuk ikatan kimia dengan material lain. Akibatnya, semikonduktor ini sulit dilapisi secara merata dengan film isolasi. Menempelkan elektroda logam secara langsung juga dapat merusak permukaan kontak atau menimbulkan hambatan listrik yang membatasi arus.

Memindahkan film yang disiapkan secara terpisah lalu menumpuknya menjadi pilihan lain, tetapi menambah tahapan manufaktur. Tim Korea memilih membuat beberapa material yang dibutuhkan langsung di dalam film awal, sehingga mengurangi kebutuhan untuk menyatukan film-film yang berbeda.

Tiga atom pengganti, tiga fungsi berbeda

Tungsten diselenida, dengan rumus WSe2, memiliki lapisan atom tungsten di antara atom selenium di atas dan di bawahnya. Para peneliti mempertahankan tungsten sambil mengganti selenium secara selektif. Perubahan atom di sekelilingnya mengubah sifat kelistrikan tiap wilayah yang diproses.

Oksigen menghasilkan tungsten oksida, yang merupakan isolator. Sulfur menghasilkan tungsten disulfida, semikonduktor tipe-n. Telurium menghasilkan tungsten ditelurida, semilogam konduktif yang digunakan pada sambungan antara elektroda logam dan semikonduktor.

• Tungsten diselenida yang tidak diubah menjadi wilayah semikonduktor tipe-p.
• Tungsten oksida menyediakan isolasi listrik untuk pengendalian gerbang.
• Tungsten disulfida menjadi semikonduktor tipe-n untuk perangkat komplementer.
• Tungsten ditelurida membantu muatan bergerak antara elektroda dan semikonduktor.

Istilah tipe-p dan tipe-n menjelaskan cara muatan listrik bergerak melalui semikonduktor. Dalam material tipe-n, elektron membawa arus. Dalam material tipe-p, arus dijelaskan melalui pergerakan lubang, yakni kekosongan bermuatan positif yang tersisa di tempat elektron tidak ada. Kedua tipe dibutuhkan untuk rangkaian komplementer yang didemonstrasikan tim tersebut.

Bagaimana tim memilih lapisan dan lokasi

Suhu dan tekanan gas reaksi memungkinkan para peneliti mengendalikan seberapa dalam perubahan kimia merambat ke dalam film. Mereka memanfaatkan celah kecil di antara lapisan material sebagai penghalang yang membatasi pergerakan atom reaktif, sehingga membantu mencegah perubahan menjalar ke lapisan berikutnya.

Setiap tahap yang dikendalikan sesuai dengan satu lapisan atom setebal sekitar 0,7 nanometer. Satu nanometer adalah sepersemiliar meter. Angka ini menunjukkan ketebalan lapisan material yang diubah; metode fabrikasi tersebut juga memerlukan pengendalian lokasi perubahan pada permukaan.

Masker pemrosesan semikonduktor memberikan jenis pengendalian kedua. Seperti penutup berpola presisi, masker membuka area tertentu sambil melindungi area lainnya. Dengan menggabungkan masker dan pengendalian kedalaman reaksi, para peneliti dapat membentuk material berbeda di lokasi dan lapisan yang dipilih dalam satu film.

Penghalang lebih rendah di tempat arus masuk

Wilayah kontak tungsten ditelurida mengatasi masalah yang berbeda dari proses menyalakan dan mematikan transistor: memasukkan muatan ke semikonduktor secara efisien. Bahkan kanal yang merespons gerbang dengan baik dapat bekerja buruk jika sambungan listriknya menyulitkan perpindahan muatan.

Para peneliti mengukur penghalang energi sebesar 35,5 milielektronvolt pada sambungan elektroda dan semikonduktor. Mereka menyebut nilai ini sekitar sepertiga dari penghalang pada elektroda logam yang dipasang langsung. Penghalang energi adalah rintangan yang harus dilewati pembawa muatan saat berpindah di antara material.

Jika dinyatakan sebagai perbandingan, penghalang yang turun menjadi sepertiga berarti berkurang sekitar 67 persen. Peningkatan yang diukur ini berkaitan dengan perpindahan muatan pada kontak. Konsumsi daya seluruh rangkaian juga bergantung pada tegangan operasinya, arus bocor, dan aktivitas pensaklaran.

Pensaklaran mendekati batas pada suhu ruang

Pengukuran 61,3 milivolt pada transistor menunjukkan seberapa tajam transistor beralih saat tegangan gerbang berubah. Para insinyur menyebutnya ayunan subambang: perubahan tegangan gerbang yang diperlukan untuk mengubah arus sepuluh kali lipat ketika perangkat bergerak menuju keadaan menghantarkan.

Nilai yang lebih kecil berarti penyesuaian tegangan yang lebih rendah dapat menghasilkan perubahan arus yang besar. Dibandingkan batas perkiraan 60 milivolt pada suhu ruang untuk pengoperasian transistor konvensional, nilai yang diukur hanya 1,3 milivolt lebih tinggi, atau sekitar 2,2 persen di atas tolok ukur tersebut.

Perbandingan arus saat transistor menyala dan mati melebihi 10 juta banding satu. Angka ini mengukur seberapa kuat perangkat membedakan keadaan menghantarkan dan tidak menghantarkan. Arus rendah saat mati penting karena listrik yang bocor melalui transistor yang tidak aktif membuang energi.

Penghalang kontak, respons pensaklaran, dan perbandingan arus menggambarkan tiga aspek kinerja perangkat yang saling terkait. Kontak membantu muatan masuk, gerbang mengatur alirannya, dan selisih arus saat menyala dan mati menunjukkan seberapa efektif transistor berfungsi sebagai sakelar.

Isolasi yang memungkinkan gerbang mengendalikan kanal dari dekat

Wilayah tungsten oksida berfungsi sebagai lapisan isolasi. Lapisan ini harus memisahkan gerbang dari kanal secara elektrik, sekaligus memungkinkan medan listrik dari gerbang mengendalikan arus. Membuat lapisan ini dengan mengubah sebagian material awal mengatasi kesulitan melapisi semikonduktor dua dimensi secara merata.

Tim tersebut menyatakan isolasinya memenuhi target International Roadmap for Devices and Systems, yaitu ketebalan oksida ekuivalen sebesar 1 nanometer atau kurang. Ketebalan oksida ekuivalen, biasanya disingkat EOT, menyatakan kinerja listrik suatu isolator sebagai ketebalan lapisan referensi silikon dioksida yang memiliki kapasitansi sama.

Karena itu, EOT menggambarkan perilaku listrik, bukan sekadar ketebalan fisik material. Para peneliti dikutip menyebut EOT di bawah 1 nanometer; uraian numerik yang dipublikasikan juga mencantumkan 0,3 hingga 0,4 nanometer dan sekitar 1 nanometer. Nilai pastinya belum jelas dalam uraian tersebut, tetapi semuanya menempatkan lapisan isolasi pada atau dalam target peta jalan yang disebutkan.

Rangkaian bertumpuk beroperasi pada 1 volt

Para peneliti melampaui pengujian satu transistor dengan menumpuk transistor tipe-p dan tipe-n secara vertikal untuk membuat inverter komplementer. Inverter adalah rangkaian digital dasar: masukan tinggi menghasilkan keluaran rendah, dan masukan rendah menghasilkan keluaran tinggi.

Rangkaian tersebut membalik sinyal pada tegangan operasi 1 volt. Pembuatannya mengharuskan berbagai tipe semikonduktor bekerja bersama, menghubungkan metode konversi material dengan fungsi dasar yang digunakan dalam elektronika digital.

Konstruksi vertikal juga menghubungkan eksperimen ini dengan rencana tim untuk membuat sirkuit terpadu tiga dimensi. Menata perangkat di atas satu sama lain membuka jalan untuk menempatkan lebih banyak rangkaian dalam luas permukaan yang sama, asalkan material dan prosesnya dapat dikendalikan di seluruh tumpukan.

Cho, direktur pusat IBS sekaligus profesor terkemuka di POSTECH, menjelaskan kaitan antara teknik material dan fabrikasi perangkat:

Studi ini mengintegrasikan teknik dasar ilmu material berupa manipulasi material skala atom dengan teknologi semikonduktor modern,

Publikasi dan langkah menuju wafer yang lebih besar

Makalah penelitian ini berjudul MOSFET van der Waals modular melalui substitusi kalkogen lapis demi lapis. MOSFET adalah nama untuk keluarga transistor yang banyak digunakan dan dikendalikan oleh gerbang berisolasi. Kalkogen adalah kelompok unsur kimia yang mencakup oksigen, sulfur, selenium, dan telurium, unsur-unsur utama dalam proses substitusi ini.

Pengumuman dan tanggal publikasi dijelaskan sebagai berikut:

• 15 Oktober 2026: Kementerian Sains dan TIK disebut mengumumkan penelitian transistor modular tersebut.
• 16 Oktober 2026, pukul 3 pagi Waktu Standar Korea: Kementerian menyebut publikasi di Science terbit pada waktu ini. Uraian lain menyebut tanggal pengumuman publik adalah 16 Oktober.

Tahap berikutnya adalah menerapkan metode ini pada semikonduktor dua dimensi lainnya dan mengembangkannya di seluruh wafer, yakni substrat lebar yang digunakan untuk memproduksi banyak perangkat semikonduktor sekaligus. Penggantian atom secara seragam dan berulang pada permukaan tersebut merupakan syarat untuk penggunaan industri. Tidak ada jadwal penerapan manufaktur yang disampaikan.

Perubahan praktis yang ingin dicapai tim ini cukup spesifik: membuat material yang berguna langsung di tempatnya, alih-alih berulang kali memindahkan dan menyatukan film terpisah. Pada skala yang lebih besar, cara ini dapat mengurangi kerumitan perakitan sekaligus mempertahankan pengendalian gerbang yang presisi dan kontak yang lebih baik, seperti yang diukur pada perangkat eksperimental.

Kim Seong-su, direktur Kantor Kebijakan Litbang Kementerian Sains dan TIK, mengatakan pemerintah akan terus mendukung penelitian dasar dan fondasional agar teknologi orisinal dapat berkontribusi terhadap daya saing industri Korea Selatan. Penelitian lanjutan tim akan berfokus pada area pemrosesan yang lebih luas, material tambahan, dan sirkuit terpadu bertumpuk.

Poin Penting

• Tim Korea membentuk komponen utama transistor dengan mengganti atom selenium secara selektif di dalam tungsten diselenida.
• Suhu, tekanan gas, dan masker mengendalikan konversi pada lapisan setebal sekitar 0,7 nanometer dan di lokasi tertentu pada permukaan.
• Penghalang energi pada kontak turun menjadi 35,5 milielektronvolt, sekitar sepertiga dari nilai pada kontak logam langsung.
• Perubahan tegangan gerbang sebesar 61,3 milivolt meningkatkan arus sepuluh kali lipat, mendekati batas perkiraan 60 milivolt pada suhu ruang.
• Perbandingan arus saat transistor menyala dan mati melebihi 10 juta banding satu.
• Inverter komplementer yang ditumpuk secara vertikal membalik sinyal pada tegangan 1 volt.
• Pemrosesan seragam di seluruh wafer semikonduktor menjadi syarat berikutnya untuk penerapan industri.