Tim Peneliti Korea Selatan Kembangkan Teknologi Pertumbuhan Kristal Semikonduktor dengan Tingkat Keberhasilan 99%

Peneliti Korea Selatan mengembangkan teknologi manufaktur semikonduktor yang mampu mengendalikan pembentukan kristal tunggal di 400 area pertumbuhan berpola dengan tingkat keberhasilan lebih dari 99%, teknologi ini diharapkan dapat membantu produsen membangun chip komputasi yang ditumpuk secara vertikal. Teknologi ini memungkinkan peneliti menumbuhkan kristal molibdenum disulfida (MoS2) tunggal di lokasi yang telah ditentukan, semikonduktor yang hanya setebal beberapa lapisan atom, alih-alih membiarkan banyak kristal terbentuk secara acak. Tim yang dipimpin oleh Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), bekerja sama dengan UNIST, Hanyang University, dan TDS Innovation, mengembangkan metode ini, dengan memanfaatkan oksigen yang dilepaskan dari penghalang oksida untuk mengendalikan lokasi awal pertumbuhan kristal.

Mengatasi Hambatan Chip Bertumpuk

Peneliti mengatakan metode ini dapat mengatasi salah satu hambatan utama dalam pembuatan chip bertumpuk, yaitu lapisan semikonduktor harus terbentuk secara presisi di atas sirkuit yang sudah ada untuk menghindari masuknya cacat yang memengaruhi kinerja.

Oksigen mengendalikan pembentukan kristal. Metode pertumbuhan semikonduktor konvensional dapat menentukan area perkiraan pembentukan film tipis, tetapi mengendalikan titik awal tepat setiap kristal masih sulit. Ketika beberapa kristal tumbuh secara independen dan bertemu, mereka membentuk batas butir. Batas butir ini mengganggu susunan atom yang teratur dan dapat mengganggu pergerakan elektron di dalam semikonduktor. Peneliti mengembangkan proses yang disebut etching flux-mediated single-center nucleation (EF-SCN). Nukleasi adalah tahap awal pembentukan kristal, ketika atom mulai tersusun menjadi struktur teratur. Proses ini menggunakan penghalang oksida, misalnya hafnium oxide (HfO2), yang mengelilingi area pertumbuhan yang ditentukan.

Oksigen yang dilepaskan dari penghalang berfungsi sebagai etsa, menekan pembentukan kristal yang tidak perlu. Pengaruh oksigen paling kuat di tepi area berpola dan secara bertahap melemah menuju pusat. Hal ini menciptakan kondisi yang mendukung pembentukan kristal di satu titik pusat. Setelah pertumbuhan dimulai di sana, proses tersebut juga menekan pembentukan kristal tambahan di sekitarnya.

Masa Depan Semikonduktor Dua Dimensi

Dengan metode ini, peneliti berhasil menumbuhkan kristal MoS2 tunggal di posisi pusat yang ditentukan pada lebih dari 99% dari 400 pola. Tim juga mendemonstrasikan deposisi logam selektif menggunakan struktur yang menggabungkan molibdenum disulfida dan molibdenum diselenide (MoSe2). Dalam struktur ini, film logam platinum tipis terbentuk secara selektif di area MoSe2, yang menunjukkan cara lain untuk mengendalikan penempatan material selama proses manufaktur semikonduktor.

Chip bertumpuk semakin mendekat. Karena semikonduktor dua dimensi tetap mempertahankan sifat semikonduktor bahkan ketika hanya setebal beberapa lapisan atom, material ini sedang diteliti sebagai material chip masa depan. Ketebalannya yang tipis dapat memungkinkan produsen menumpuk komponen komputasi dan memori secara vertikal, mengurangi jarak transmisi data di antara keduanya. Memindahkan data di dalam chip mengonsumsi energi dan menyebabkan keterlambatan pemrosesan; menempatkan komponen lebih dekat dapat menurunkan biaya tersebut, terutama pada sistem yang menangani beban kerja komputasi besar. Namun, memproduksi chip seperti itu memerlukan kendali presisi atas pertumbuhan semikonduktor di permukaan yang berisi sirkuit yang telah dibuat sebelumnya.

Teknologi KAIST menawarkan metode yang mungkin, yang dapat menumbuhkan material dua dimensi berkualitas tinggi secara langsung di lokasi yang ditentukan, menghindari kebutuhan untuk membuatnya secara terpisah dan memindahkannya ke chip.

Peneliti memeriksa mekanisme tersebut melalui eksperimen pertumbuhan dan simulasi, tetapi belum mendemonstrasikan prosesor bertumpuk lengkap atau mengukur peningkatan kecepatan komputasi atau konsumsi energi. Studi ini menetapkan kendali atas nukleasi kristal, bukan kinerja chip komersial. Pengembangan lebih lanjut diperlukan untuk menentukan apakah metode ini dapat diintegrasikan secara besar-besaran ke dalam manufaktur semikonduktor. Studi ini diterbitkan di jurnal Nature pada 8 Oktober.

Dampak Potensial Teknologi Baru terhadap Manufaktur Semikonduktor

Pengembangan teknologi ini memiliki arti penting bagi industri semikonduktor karena dapat secara efektif mengatasi masalah kendali presisi dalam pembuatan chip bertumpuk. Seiring munculnya material semikonduktor dua dimensi, teknologi ini tidak hanya dapat meningkatkan efisiensi produksi, tetapi juga mendorong lahirnya komponen komputasi yang lebih mini dan berkinerja tinggi. Hal ini penting untuk pertumbuhan kebutuhan komputasi di masa depan dan penurunan konsumsi energi. Namun, penerapan komersial teknologi ini masih memerlukan verifikasi dan penyempurnaan lebih lanjut, yang akan menentukan nilai aktualnya di pasar.