Perkembangan Terkini Teknologi Semikonduktor

Oleh : Iwan Sugihartono
(Alumni Fisika UI dan mahasiswa program doktoral di Electrical Engineering-NTU, Singapura)

Nanoteknologi merupakan teknologi yang dibangun dengan orde 10 pangkat -9 meter alias 0.000000001 m =10-9 m atau sama dengan 1 nanometer. Bisa dibayangkan sebuah ukuran yang amat sangat kecil. Bandingkan dengan diamater sebuah atom yang berkisar 0.00000000010 m atau 10-10 m. Jadi dalam fabrikasi dan karakterisasinya dibutuhkan alat yang resolusinya ber orde nano juga. Untuk fabrikasi material based on nano pada umumnya digunakan alat molekular beam epitaxy (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD, lebih komersil), phase vapor transport (VPT), magnetic sputtering, hydrothermal (menggunakan efek temperatur), Deposisi menggunakan LASER, dsb. Sedangkan untuk fabrikasinya, digunakan transmission elektron mikroskopi (TEM) yang memiliki resolusi berkisar 100-200 kV, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), field emission SEM (FESEM), dsb.




















Gambar 1, menunjukkan contoh dari image mikroskopis material semikonduktor GaAs. Image yang dihasilkan sebanding dengan jumlah atom dari Ga dan As. Terlihat dari gambar bahwa jarak sumbu pusat antara dua buah atom tersebut adalah 1.4 x 10-10 m. Bila resolusi yang dimiliki oleh scanning TEM/STEM sebesar 200 kV, maka kira-kira dapat dihasilkan pancaran electron dengan panjang gelombang 0.0025 nm. Dengan demikian karakterisasi nano sekarang ini sudah sangat maju, karena kita dapat melihat struktur kristal dari material. Nah dari hasil fabrikasinya kita akan mengenal berbagai jenis bentuk nanostructure, seperti : nano tube, nano wire, nano pilar, nano rod, nano comb (ZnO nano comb dapat digunakan sebagai sensor biologi untuk mendeteksi kadar glukosa), dsb. Sebagai contoh terlihat pada gambar 2, gambar tersebut menunjukkan bentuk dari material nano, yaitu nano tube (Disebut nano tube karena bentuknya seperti tabung yang dibentuk oleh rangkaian struktur kristal. Saat ini nano tube yang terkenal adalah karbon nano tube. Karbon nano tube adalah molekul-molekul dari ikatan karbon (C) yang membentuk sebuah tube yang berukuran nano. Karbon nano tube dapat digunakan untuk membuat fiber yang sangat kaku dan kuat. Hebatnya karbon nano tube disinyalir memiliki sifat elektronik yang menakjubkan dan karakter spesifik lainnya. Saat ini ribuan paper yang menganalisis tentang karbon nanotube telah dibuat para ilmuwan dari berbagai disiplin ilmu seperti, fisika, kimia, teknik metalurgi, teknik material, teknik mesin, dan teknik elektro, tiap tahunnya telah diterbitkan. Namun secara komersil masih belum banyak, hal ini dikarenakan biaya produksi yang masih cukup tinggi untuk mendapatkan kualitas karbon nano tube yang diinginkan).

Mengapa ilmu nano dan teknologinya penting? Begini, dalam perkembangan teknologi saat ini, yang dibutuhkan adalah improvisasi alat/device. Untuk mendapatkan material yang berkualitas tinggi baik dari segi sifat listrik mapun optisnya, maka analisis nano memegang peranan yang penting. Ketika kita menganalisis material dalam ukuran nano, maka kita akan melihat bagaimana distribusi dari elektron yang terlihat dari image yang yang diperoleh Image tersebut dapat diperoleh menggunakan alat seperti STEM/TEM, FESEM, High Resolotion TEM, SEM, dan AFM untuk melihat morfologi material dalam ukuran nano. Para ilmuwan Fisika termasuk ilmuwan dalam bidang material dan elektronik saat ini tengah berusaha menciptakan material untuk menghasilkan material yang berguna dalam industri optoelektronik. Tentu dasarnya adalah teknologi semikonduktor yang sudah dikenal lama seperti semikonduktor Si, GaAs, GaN dsb.Sedangkan bahan dasar material semikonduktor sedang hangat-hangatnya dikembangkan adalah berbasiskan pada paduan GaAsN dan ZnO. Dalam perkembangannya, teknologi semikonduktor mampu menghasilkan dioda, lalu transistor bahkan yang lebih kompleks lagi yaitu integrated circuit (IC) yang dikembangkan menjadi mikroprosesor. Peralatan/Devices tersebut sangat berperan dalam penemuan komputer, handphone, dan lebih advance telah dan akan dikembangkan sebuah piranti berbasiskan mikroprosesor yang tersusun dari berbagai fungsi elektronik dalam sebuah semikonduktor tunggal yang terintegrasi (single semiconducting integrated circuit).

Analisis nano berperan cukup penting untuk mengimprove metode-metode yang digunakan saat ini. Analisis tersebut tidak hanya digunakan para eksperimentalis saja, namun juga para teoritis yang tergabung dalam kelompok riset Fisika Zat Mampat atau Condensed Matter Physics (CMP). Mereka menggunakan persamaan fisika (Persamaan Schrodinger, bandstructure, fungsi gelombang Bloch, nearly free electron model, dan density functional theory) yang mampu memprediksikan besar energi band yang dapat dihasilkan oleh material yang diinginkan.












Dari pernyataan di atas penulis mengambil contoh image dari material ZnO (sebuah material semikonduktor masa depan) yang fabrikasinya menggunakan Vapour Phase Transport (VPT) seperti yang terlihat pada gambar 3. Dengan menggunakan metode VPT secara nano scale terlihat bahwa material ZnO tersebut membentuk pilar yang hampir uniform di setiap titiknya. Di dalam sebuah pilar probabilitas terdapat electron akan semakin besar. Untuk memahami ini dibutuhkan pengetahuan tentang mekanika kuantum seperti yang penulis sebutkan di paragraph sebelumnya. Dari hasil fabrikasi dan karakterisasi tersebut lalu hasilnya dikonfirmasi dengan pengukuran Hall (Hall effect) untuk melihat sifat listrik (jenis pembawa muatan) dari material semikonduktor. Dari hasil pengukuran, sebuah nanopilar ZnO dapat menghasilkan hambatan spesifik sebesar 8 x 10-2 Ωcm, bila diasumsikan mobilitas dari electron sebesar 100 cm2/Vs maka akan menghasilkan konsentrasi pembawa electron sebesar 8 x 1017 cm-3 [4]. Secara teori apabila jumlah konsentrasi pembawa elektronnya besar maka proses generasi dan rekombinasi akan sebanding dengan jumlah tersebut. Sehingga untuk menghasilkan kualitas cahaya (seperti pada : light diode, LD atau light emitting diode (LED)) yang berasal dari material ZnO akan sesuai dengan yang diharapkan. Dalam uji optik, digunakan pengukuran photoluminescence (PL) dari material ZnO/Zn(0.9)Mg(0.1)O berbasiskan quantum well (quantum well adalah representasi dari potensial sumur yang berfungsi sebagai perangkap buat electron, dapat dipelajari dengan menggunakan konsep persamaan Schrodinger dan fungsi gelombang Bloch) seperti terlihat pada gambar 4.











Dalam gambar tersebut terlihat bahwa panjang gelombang dari material ZnO/Zn(0.9)Mg(0.1)O dapat menghasilkan energi foton sebesar 3.36 eV pada temperature 8 Kelvin dengan intensitas yang cukup tinggi pada kedalaman sumur (well thickness) 3 nm. Sedangkan untuk kedalaman sumur 14 nm pada temperature 8 Kelvin terdapat dua buah puncak (peak) dengan energi foton masing-masing 3.35 eV dan 3.51 eV, hal ini mengindikasikan adanya efek kuantum confinement [5]. Secara general kuantum confinement merupakan sebuah perangkap buat electron atau hole dari material semikonduktor yang tergantung dimensi. Misal, kuantum dot adalah confinement 3 dimensi, kuantum wire adalah confinement 2 dimensi, dan kuantum well adalah confinement 1 dimensi. Sekali lagi untuk lebih memahami fenomena tersebut kita harus mengenal konsep mekanika kuantum terutama persamaan Schrodinger (sebuah persamaan yang mengacu kepada hukum kekekalan energi).

Saat ini para ilmuwan dan insinyur sedang melakukan riset untuk mengimprove teknologi semikonduktor berbasiskan material ZnO. Material tersebut memiliki energi gap (energi antara pita valensi dan konduksi) sebesar 3.34 eV dalam temperatur ruang dan energi eksiton (pasangan electron dan hole) sebesar 60 meV. Sehingga material tersebut berpotensi untuk dikembangkan dalam aplikasi optoelektronik dan lapisan tipis transparent conductive oxide (TCO) seperti dalam aplikasi UV laser, UV LED dan elektroda solar cell atau photovoltaic. Oleh karena itu material ini diprediksikan akan menggeser kejayaan material GaN dalam aplikasi optoelektronik yang sudah berkembang. Secara ekonomis, karena harga produksinya juga lebih kecil maka peluang ZnO semakin besar untuk menggantikan GaN.

Dari uraian di atas penulis yakin bahwa riset dibidang fabrikasi dan karakterisasi nano pada material semikonduktor untuk aplikasi optoelektronika memiliki peluang yang baik untuk dikembangkan. Mengacu pada pidato pengukuhan guru besar Prof. Dr.rer.nat. Rosari Saleh dari Fakultas Matematika Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia pada tanggal 1 Agustus 2007 silam yang menyatakan bahwa :
“Peran CMP mengembangkan alternatif sumber energi, khususnya solar energi, atau photovoltaic/PV (devais semikondutor yang berkonversi energi matahari (photon) menjadi listrik) menjadi topik utama. Hal ini dipicu oleh menipisnya sumber energi fosil (minyak, batubara, gas) dan meningkatnya kebutuhan energi dunia yang telah menimbulkan masalah, termasuk peperangan di dunia. Kebutuhan enargi dunia saat ini adalah 13 terawatt, dan di perkirakan menjadi 30 terawatt pada tahun 2050” [6], penulis beranggapan bahwa pengembangan teknologi devices semikonduktor dimungkinkan akan lebih tepat untuk mengatasi kebutuhan akan sumber energi di Indonesia. Alasannya adalah teknologi ini lebih beresiko kecil, natural resourses tersedia dan kesiapan sumber daya manusianya sudah ada. (iwan0002@ntu.edu.sg)

References
1. Iwan Sugihrtono, diploma thesis CMP program in the Abdus Salam International Centre for Theretical Physics, 2005
2. http://www.personal.rdg.ac.uk/
3. SM Sze. Semiconductor Devices, John Wiley and Sons, 1985
4. A. Bakin et all, phys. Stat. sol © 4, no 1, 158-161 (2007)
5. HP He et all, J. applied physics 40 (2007) 5039-5043
6. http://www.ns.ui.ac.id/mipa/?val=berita&id=1186109234