Peneliti Taiwan Kembangkan Lapisan Tipis Atomik untuk Mencegah Kebocoran Transistor Generasi Berikutnya

Para peneliti Taiwan telah mengembangkan jenis lapisan "primer" baru yang sangat tipis pada tingkat atomik, yang dapat diterapkan pada molybdenum disulfide (MoS₂), sehingga memungkinkan penempatan dielektrik gerbang yang sangat tipis di atasnya tanpa meninggalkan lubang pada lapisan isolasi atau mengganggu aliran elektron di bawahnya. Transistor modern pada dasarnya adalah sakelar yang dikendalikan oleh listrik, biasanya terdiri dari saluran semikonduktor (dalam hal ini, lapisan MoS₂ yang sangat tipis pada tingkat atomik) dan "gerbang" logam yang terletak di atasnya. Di antara gerbang dan semikonduktor terdapat bahan isolasi listrik yang disebut dielektrik gerbang. Pemberian tegangan pada gerbang akan menghasilkan medan listrik dalam bahan isolasi, yang menentukan apakah elektron dapat mengalir dari sumber ke saluran pembuangan.

Karena gerbang mengontrol saluran melalui elektrostatik, semakin dekat jarak antara gerbang dan saluran, semakin kuat pengaruhnya. Misalnya, bayangkan menggunakan satu magnet untuk mengontrol magnet lainnya; pada jarak 10 cm, efek kontrolnya buruk; tetapi pada jarak 1 mm, kontrolnya bisa jauh lebih tepat.

Namun, jarak dalam transistor modern sudah mendekati hanya beberapa atom saja. Menanggapi tantangan ini, penulis koresponden penelitian, Profesor Zhang Wenhao dari Universitas Sains dan Teknologi Chung Hua, menyatakan, "Membuat bahan isolasi menjadi lebih tipis hanyalah sebagian dari tantangan. Kita juga perlu melindungi semikonduktor atomik tipis di bawahnya. Pendekatan kami adalah merancang antarmuka yang dapat mencapai keduanya sekaligus, memfasilitasi pembentukan lapisan isolasi yang merata, dan menyediakan lapisan penyangga untuk mempertahankan aliran elektron yang efektif."

Menyelesaikan Masalah Kebocoran Transistor

MoS₂ membuat masalah menjadi lebih kompleks karena permukaannya kekurangan banyak ikatan kimia yang menggantung yang dimiliki oleh permukaan semikonduktor tradisional. Oleh karena itu, bahan isolasi tradisional mengalami kesulitan dalam membentuk lapisan yang halus dan kontinu di atasnya. Cacat antarmuka yang dihasilkan dapat menyebabkan kebocoran arus, serta menghamburkan elektron yang melewati MoS₂, mengurangi mobilitas pembawa muatan. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti menyisipkan lapisan penyangga yang sangat tipis di antara semikonduktor dan lapisan isolasi utama. Mereka pertama-tama mengendapkan sekitar 0,3 nanometer aluminium pada MoS₂, kemudian mengoksidasinya dengan hati-hati untuk menghasilkan lapisan aluminium oksida yang kontinu dengan ketebalan sekitar 0,42 nanometer.

Meskipun lapisan ini hanya setebal beberapa atom, ia melakukan dua fungsi penting: pertama, menyediakan permukaan yang sesuai sehingga dielektrik utama dapat terbentuk secara merata, menghilangkan celah kecil yang mungkin menyebabkan kebocoran; kedua, membantu melindungi saluran MoS₂ dari gangguan listrik dari dielektrik di atasnya, memungkinkan elektron bergerak lebih bebas melalui semikonduktor.

Dampak Potensial Teknologi

Para peneliti menggunakan teknologi ini untuk membuat transistor MoS₂, yang dilengkapi dengan dielektrik gerbang yang memberikan kemampuan kontrol listrik setara dengan sekitar 1 nanometer silikon dioksida, sambil mempertahankan kebocoran rendah dan transportasi pembawa muatan yang kuat. Mereka menjelaskan bahwa pencapaian ini memecahkan masalah kompromi tiga arah yang sulit dalam elektronik dua dimensi: produksi dielektrik gerbang yang sangat tipis, kontrol elektrostatik yang kuat, dan mobilitas elektron yang tinggi. Lebih luas lagi, hasil ini menyoroti perubahan yang mungkin terjadi dalam pengembangan transistor seiring perangkat mendekati ukuran atom. Insinyur mungkin perlu semakin banyak mengontrol antarmuka antara bahan-bahan yang ada pada tingkat atom, daripada hanya mencari bahan semikonduktor baru.

Namun, masih ada tantangan manufaktur yang signifikan. Proses eksperimen melibatkan transfer MoS₂, pengendapan dalam vakum ultra-tinggi, dan oksidasi yang dikontrol dengan tepat, yang semuanya perlu disederhanakan dan diperluas agar teknologi ini dapat memasuki produksi semikonduktor komersial. Profesor Zhang menambahkan, "Ketika komponen transistor hanya setebal beberapa lapisan atom, antarmuka menjadi bagian penting dari perangkat, bukan hanya sebuah batas. Menguasai kontrol antarmuka pada tingkat atom dapat memungkinkan insinyur untuk meningkatkan transistor dengan meningkatkan sinergi bahan, bukan hanya mengeksplorasi bahan baru." Anda dapat melihat penelitian ini di jurnal Nature Electronics.

Tantangan Masa Depan Teknologi Lapisan Tipis Atomik

Seiring dengan menyusutnya ukuran transistor, mengontrol antarmuka pada tingkat atom menjadi sangat penting. Teknologi lapisan tipis atomik yang baru dikembangkan tidak hanya dapat meningkatkan pembentukan dielektrik gerbang, tetapi juga secara efektif mengurangi kebocoran, yang sangat penting untuk meningkatkan kinerja komponen elektronik. Namun, tantangan manufaktur dalam proses eksperimen masih perlu diatasi, termasuk pengoptimalan teknik transfer dan pengendapan bahan. Jika tantangan ini dapat diatasi, hal itu mungkin akan mendorong perkembangan lebih lanjut dalam industri semikonduktor dan memfasilitasi komersialisasi perangkat elektronik dengan kinerja yang lebih tinggi.