Teknologi Semi-Konduktor

Wilson Walery Wenas

Kemampuan menguasai teknologi tinggi adalah merupakan syarat mutlak bagi suatu negara untuk memasuki negara industri baru. Salah satu bidang teknologi tinggi yang sangat mempengaruhi peradaban manusia di abad ini adalah teknologi semikonduktor dan mikroelektronika. Bidang ini biasanya dianalogikan dengan tiga kata bahasa Inggris yang mempengaruhi kehidupan modern yaitu Computer, Component dan communication. Untuk komputer, topik utama dalam bidang ini adalah bagaimana membuat komputer menjadi lebih cepat, lebih ramping dengan fungsi yang lebih kompleks dan komsumsi daya yang makin kecil. Untuk tujuan tersebut, terdapat dua pendekatan yang saling mendukung yakni dari segi hardware dan software. Dari segi hardware adalah bagaimana membuat transistor sebagai komponen aktif terkecil menjadi semakin kecil dan berkecepatan tinggi. Dari segi software adalah bagaimana mendesain rangkaian terpadu (integrated circuit) yang makin kompleks menjadi semakin ramping dan kompak. Tulisan di bawah ini membahas mengenai pendekatan dari segi hardware yakni perkembangan dari divais-divais elektron (elektron devices) saat ini dan yang akan datang sebagai komponen dasar peralatan semikonduktor/elektronika, dengan tinjauan dari sudut material semikonduktor itu sendiri.

Teknologi Silikon

Pembahasan tentang divais semikonduktor tentunya tidak bisa lepas dari material semikonduktor itu sendiri sebagai bahan dasar pembuatan divais tersebut. Silikon (Si) dengan persediaan yang berlimpah di bumi dan dengan teknologi pembuatan kristalnya yang sudah mapan, telah menjadi pilihan dalam teknologi semikonduktor. Silikon very large scale integration (VLSI) telah membuka era baru dalam dunia elektronika di abad ke-20 ini. Kebutuhan akan kecepatan yang lebih tinggi dan unjuk kerja yang lebih baik dari komputer telah mendorong teknologi silikon VLSI ke silikon ultra high scale integration (ULSI). Saat ini metaloxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) masih dominan sebagai divais dasar teknologi integrated circuit (IC). Dimensi dari MOSFET menjadi semakin kecil dan akan menjadi sekitar 0,1 mikron untuk ukuran giga-bit dynamic random acces memories (DRAMs). Beberapa masalah yang timbul dalam usaha memperkecil dimensi dari MOSFET antara lain efek short channel dan hot carrier yang akan mengurangi unjuk kerja dari transistor itu sendiri.

Walaupun sudah banyak kemajuan yang dicapai, pertanyaan yang selalu muncul adalah sampai seberapa jauh limit pengecilan yang dapat dilakukan ditinjau dari segi proses produksi, sifat fisika dari divais itu sendiri dan interkoneksinya. Banyak masalah dari segi fabrikasi yang dapat menjadi penghambat. Sebagai salah satu contoh keterbatasan dari proses produksi adalah teknik lithography yaitu teknik yang diperlukan untuk merealisasikan desain sirkuit ke lempengan (waver) silikon dalam proses fabrikasi IC. Dengan menggunakan cahaya sebagai sumber berkas, dimensi dari lithography dengan sendirinya akan dibatasi oleh panjang gelombang dari cahaya itu sendiri. Oleh sebab itu dikembangkan teknik lithography yang lain menggunakan sinar-X dan berkas elektron. Dengan menggunakan kedua teknik ini tidak terlalu ekonomis untuk digunakan pada proses produksi IC secara massal. Dari uraian di atas, terlihat masih adanya beberapa masalah yang akan timbul dalam proses fabrikasi IC di masa yang akan datang.

Teknologi berbasis silikon

Seperti diketahui, ditinjau dari struktur elektronikanya, material semikonduktor dapat dibedakan atas dua jenis yaitu yang memiliki celah pita energi langsung (direct bandgap) dan celah pita energi tidak langsung (indirect bandgap). Silikon adalah material dengan celah energi yang tidak langsung, di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari membawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik, sehingga tertutup kemungkinan misalnya membuat IC yang di dalamnya terkandung detektor optoelektronik atau suatu sumber pemamcar cahaya dengan hanya menggunakan material silikon saja. Beberapa usaha telah dilakukan untuk mengatasi hal ini antara lain dengan mengembangkan apa yang dikenal sebagai bandgap engineering. Salah satu contohnya adalah menumbuhkan struktur material SiGe/Si straitned layer superlattice. Parameter mekanik strain yang timbul karena perbedaan konstanta kisi kristal antara lapisan SiGe dan Si tersebut akan mempengaruhi struktur elektronik dari material di atas sehingga muncul efek brillioun-zone folding yang mengubah struktur pitanya menyerupai material dengan celah energi langsung (direct bandgap). Kombinasi dari kedua material tersebut memungkinkan terjadinya pemancaran dan penyerapan cahaya. Cara lain yang juga popular untuk memperbaiki sifat optik dari silikon adalah apa yang dinamakan material silikon porous. Dengan pelarutan secara elektrokimia, pada lempeng silikon dapat berbentuk lubang-lubang yang berukuran puluhan angstrom. Dengan bantuan sinar laser, akan dapat dilihat dengan mata telanjang pemancaran cahaya dari material silikon tersebut. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan menggunakan model two-dimensional quantum confinement. Kelemahan dari teknik ini adalah sifat reproducibility-nya yang rendah. Kemajuan-kemajuan di atas membuka era baru bagi material silikon dan panduannya untuk diaplikasikan pada divais optoelektronika.

Teknologi GaAs

Salah satu hambatan dari teknologi silikon adalah sifat listrik yang berhubungan dengan rendahnya mobilitas pembawa muatan dari material silikon ini. Mobilitas adalah parameter yang menyatakan laju dari pembawa muatan dalam semikonduktor bila diberi medan listrik. Untuk membuat piranti berkecepatan tinggi, galium arsenide (GaAs) dan material-material panduannya telah dipertimbangkan sebagai material pengganti silikon. Selain untuk divais elektron, material ini juga digunakan divais fotonik/laser dan divais gelombang mikro (microwave device). GaAs adalah material semikonduktor dari golongan III-V yang memiliki mobilitas elektron sekitar enam kali lebih tinggi dari silikon pada suhu ruang. Material ini bertipe celah energi langsung. Dengan memanfaatkan kelebihan ini, telah berhasil dibuat transistor yang disebut high electron mobility transistor (HEMT), menyusul transistor yang lebih dahulu popular untuk teknologi GaAs yaitu metal semiconductor field effect transistors (MESFET). Struktur dari HEMT mirip dengan MOSFET, tapi dengan menggunakan teknik modulasi doping, di mana elektron dapat dipisahkan dari ion pengotornya dan bergerak dalam sumur potensial dua dimensi (2DEG) dengan kecepatan tinggi. Pengembangan IC dengan berbasis material GaAs saat ini juga sedang ramai diteliti. Beberapa tahun yang lalu telah berhasil dibuat 64 kb static random access memory (SRAM) yang berkecepatan tinggi sebesar 2ns dengan menggunakan teknologi HEMT berukuran 0,6 mikron. Transistor berkecepatan tinggi lainnya yang sedang dikembangkan adalah heterojunction bipolar transistor (HBT). Struktur dari transistor ini adalah sambungan npn di mana emiter menggunakan material dengan celah energi yang lebih besar dibandingkan dengan base dan kolektor. Pada kondisi ini, diharapkan resistansi dari base dan kapasitansi dari sambungan base-emitter akan dapat direduksi sehingga dapat diperoleh frekuensi maksimum osilasi (fmaks) yang tinggi. Saat ini sudah dibuat HBT dengan fmaks 200 GHz. Walaupun banyak kemajuan yang sudah dicapai, banyak orang meragukan kemampuan teknologi GaAs ini untuk dapat bersaing dengan teknologi silikon dalam orde 0,1 mikron atau yang lebih kecil. Itulah sebabnya, banyak perusahaan semikonduktor terutama di Amerika Serikat yang tidak menganggap teknologi GaAs ini sebagai pengganti silikon.

Divais kuantum

Dewasa ini, perhatian besar juga diberikan pada struktur semikonduktor berdimensi rendah (low-dimensional semiconductor) seperti quantum well (2D), quantum wire (1D) dan quantum dot (0D). Struktur seperti ini adalah pembuka jalan ke era fabrikasi nanoteknologi dan divais kuantum (quantum device). Telah diketahui bahwa bila elektron dikurung dalam daerah potensial dengan dimensi yang sama dengan panjang gelombangnya maka akan muncul sifat gelombang elektron dan berbagai fenomena kuantum akan dapat diamati. Beberapa fenomena kuantum dapat mengurangi performansi dari divais itu sendiri sedangkan fenomena yang lain dapat memacu terciptanya divais kuantum yang baru. Beberapa divais kuantum seperti wire-transistor, single-electron transistor sudah berhasil dibuat dan menunjukkan kecepatan yang tinggi. Permasalahan yang timbul dari divais yang dibuat berdasarkan struktur semikonduktor dimensi rendah ini adalah arus drive yang rendah sehingga masih sulit untuk diaplikasikan. Secara umum, permasalahan yang dihadapi divais kuantum ini adalah operasi kerjanya yang masih harus dilakukan pada suhu rendah (seperti suhu helium cair : 4,2K) agar dapat diamati fenomena kuantum secara jelas. Hal ini tentunya akan menaikkan ongkos pembuatan sehingga belum menarik untuk diproduksi.

Intelligent material

Dari uraian di atas terlihat bahwa meskipun perkembangan divais semikonduktor dewasa ini sangat cepat, beberapa hambatan sudah mulai terlihat. Pertanyaan yang muncul adalah apakah usaha-usaha untuk memperbaiki performasi dari divais semikonduktor dapat terus dilakukan dengan pola yang ada sekarang ini atau harus dicari pola yang lain. Pola yang ada sekarang adalah bahwa dalam teknologi IC, transistor sebagai divais aktif dasar hanya mempunyai satu fungsi saja dan kemudian diubah menjadi berfungsi banyak dengan bantuan disain sirkuit dan software. Dengan berkembangnya permintaan untuk menciptakan suatu rangkaian terpadu yang makin kompleks, beban yang ditanggung oleh disain software akan makin berat sehingga kemungkinan besar sulit untuk direalisasikan. Untuk itu, dari pihak hardware, haruslah dilakukan usaha untuk dapat membantu meringankan beban tersebut. Salah satu usul adalah menciptakan divais yang multifungsi sehingga divais menjadi lebih adaptif. Divais seperti ini dapat direalisasikan dengan menggunakan apa yang disebut sebagai intelligent material. IC yang terbuat dari divais yang adaptif seperti ini akan menjadi bermultifungsi tanpa harus membebani disain software yang makin kompleks.

Tantangan di Indonesia

Jadi terlihat bahwa teknologi semikonduktor berkembang sangat pesat dengan mengeksploitasi fenomena-fenomena fisika yang sebelumnya hanya tertulis dalam texbook semikonduktor atau zat padat saja. Hal ini dimungkinkan karena banyaknya kemajuan yang dicapai dalam pengembangan peralatan-peralatan penumbuh material dalam bentuk film tipis. Hal ini juga diimbangi dengan kemajuan dalam teknik fabrikasi divais dan proses produksi. Sebagai teknologi tinggi, teknologi semikonduktor saat ini hanya terpusat di negara-negara industri dan negara industri baru saja karena memang membutuhkan biaya riset yang besar dan banyak tenaga ahli. Untuk Indonesia, langkah terbaik yang harus dilakukan adalah secepat mungkin terlibat dalam teknologi ini sehingga tidak jauh tertinggal. Prioritas pengembangan harus dapat ditentukan sendiri tanpa harus mengikuti jejak dari negara-negara yang sudah lebih dahulu maju dengan teknologi ini. Hal ini tentunya harus dikaitkan dengan peluang kompetisi yang masih tersisa. Negara-negara industri baru di Asia sudah membuktikan bahwa selalu ada peluang yang dapat ditempuh. Salah satu langkah konkrit yang mendesak saat ini adalah memperbanyak para ahli yang menguasai teknologi ini sehingga dapat terbentuk suatu masyarakat semikonduktor ynag dapat bekerja sama.