Menjelajahi Prospek Masa Depan Chip Semikonduktor Silikon

Apa yang mendefinisikan peran semikonduktor dalam teknologi?

Bahan dapat diklasifikasikan berdasarkan konduktivitas listriknya—arus mengalir dengan mudah pada konduktor tetapi tidak dapat mengalir pada isolator. Semikonduktor termasuk di antara keduanya: mereka dapat menghantarkan listrik dalam kondisi tertentu, menjadikannya sangat berguna dalam komputasi. Dengan memanfaatkan semikonduktor sebagai fondasi mikrochip, kita dapat mengontrol aliran listrik di dalam perangkat, sehingga memungkinkan semua fungsi luar biasa yang kita andalkan saat ini.

Sejak awal mereka,silikontelah mendominasi industri chip dan teknologi, sehingga memunculkan istilah “Silicon Valley”. Namun, ini mungkin bukan material yang paling cocok untuk teknologi masa depan. Untuk memahami hal ini, kita harus meninjau kembali fungsi chip, tantangan teknologi saat ini, dan material yang dapat menggantikan silikon di masa depan.

Bagaimana microchip menerjemahkan input ke dalam bahasa komputer?

Microchip diisi dengan saklar kecil yang disebut transistor, yang menerjemahkan input keyboard dan program perangkat lunak ke dalam bahasa komputer—kode biner. Ketika saklar terbuka, arus dapat mengalir, melambangkan '1'; ketika ditutup, tidak bisa, mewakili '0'. Segala sesuatu yang dilakukan komputer modern pada akhirnya bermuara pada saklar-saklar ini.

Selama beberapa dekade, kami telah meningkatkan daya komputasi dengan meningkatkan kepadatan transistor pada microchip. Meskipun mikrochip pertama hanya berisi satu transistor, saat ini kita dapat merangkum miliaran saklar kecil ini dalam chip seukuran kuku.

Microchip pertama terbuat dari germanium, namun industri teknologi segera menyadarinyasilikonadalah bahan unggul untuk pembuatan chip. Keunggulan utama silikon mencakup kelimpahannya, biaya rendah, dan titik leleh yang lebih tinggi, yang berarti silikon bekerja lebih baik pada suhu tinggi. Selain itu, silikon mudah “diolah” dengan bahan lain, sehingga para insinyur dapat menyesuaikan konduktivitasnya dengan berbagai cara.

Tantangan apa yang dihadapi silikon dalam komputasi modern?

Strategi klasik untuk menciptakan komputer yang lebih cepat dan bertenaga dengan terus mengecilkan transistorsilikonchip mulai goyah. Deep Jariwala, seorang profesor teknik di Universitas Pennsylvania, menyatakan dalam sebuah wawancara dengan The Wall Street Journal pada tahun 2022, “Meskipun silikon dapat bekerja pada dimensi sekecil itu, efisiensi energi yang diperlukan untuk komputasi telah meningkat, sehingga sangat tidak berkelanjutan. Dari sudut pandang energi, hal ini tidak lagi masuk akal.”

Untuk terus meningkatkan teknologi tanpa semakin merusak lingkungan, kita harus mengatasi masalah keberlanjutan ini. Dalam upaya ini, beberapa peneliti meneliti dengan cermat chip yang terbuat dari bahan semikonduktor selain silikon, termasuk galium nitrida (GaN), senyawa yang terbuat dari galium dan nitrogen.

Mengapa galium nitrida mendapat perhatian sebagai bahan semikonduktor?

Konduktivitas listrik semikonduktor bervariasi, terutama disebabkan oleh apa yang dikenal sebagai “celah pita”. Proton dan neutron berkumpul di dalam inti atom, sedangkan elektron mengorbit di sekelilingnya. Agar suatu bahan dapat menghantarkan listrik, elektron harus mampu berpindah dari “pita valensi” ke “pita konduksi”. Energi minimum yang diperlukan untuk transisi ini menentukan celah pita material.

Dalam konduktor, kedua wilayah ini tumpang tindih, sehingga tidak ada celah pita—elektron dapat melewati bahan-bahan ini dengan bebas. Pada isolator, celah pita sangat besar, sehingga menyulitkan elektron untuk melintasi bahkan dengan energi yang diberikan secara signifikan. Semikonduktor, seperti silikon, menempati jalan tengah;silikonmemiliki celah pita 1,12 elektron volt (eV), sedangkan galium nitrida memiliki celah pita 3,4 eV, mengkategorikannya sebagai “semikonduktor celah pita lebar” (WBGS).

Bahan WBGS lebih dekat dengan isolator dalam spektrum konduktivitas, sehingga membutuhkan lebih banyak energi bagi elektron untuk bergerak di antara dua pita, sehingga tidak cocok untuk aplikasi tegangan sangat rendah. Namun, WBGS dapat beroperasi pada tegangan, suhu, dan frekuensi energi yang lebih tinggi dibandingkanberbasis silikonsemikonduktor, memungkinkan perangkat yang memanfaatkannya berjalan lebih cepat dan efisien.

Rachel Oliver, direktur Cambridge GaN Centre, mengatakan kepada Freethink, “Jika Anda meletakkan tangan Anda di atas pengisi daya telepon, tangan Anda akan terasa panas; itulah energi yang terbuang oleh chip silikon. Pengisi daya GaN terasa lebih sejuk saat disentuh—energi yang terbuang jauh lebih sedikit.”

Gallium dan senyawanya telah digunakan dalam industri teknologi selama beberapa dekade, termasuk dalam dioda pemancar cahaya, laser, radar militer, satelit, dan sel surya. Namun,galium nitridasaat ini menjadi fokus para peneliti yang berharap dapat membuat teknologi lebih bertenaga dan hemat energi.

Apa implikasi galium nitrida bagi masa depan?

Seperti yang disebutkan Oliver, pengisi daya telepon GaN sudah ada di pasaran, dan para peneliti bertujuan untuk memanfaatkan bahan ini untuk mengembangkan pengisi daya kendaraan listrik yang lebih cepat, sehingga mengatasi kekhawatiran konsumen yang signifikan terhadap kendaraan listrik. “Perangkat seperti kendaraan listrik dapat mengisi daya lebih cepat,” kata Oliver. “Untuk segala hal yang membutuhkan daya portabel dan pengisian cepat, galium nitrida memiliki potensi yang signifikan.”

Galium nitridajuga dapat meningkatkan sistem radar pesawat militer dan drone, memungkinkan mereka mengidentifikasi target dan ancaman dari jarak yang lebih jauh, dan meningkatkan efisiensi server pusat data, yang sangat penting untuk menjadikan revolusi AI terjangkau dan berkelanjutan.

Mengingat bahwagalium nitridaunggul dalam banyak aspek dan telah ada selama beberapa waktu, mengapa industri microchip terus berkembang berdasarkan silikon? Jawabannya, seperti biasa, terletak pada biaya: chip GaN lebih mahal dan rumit untuk diproduksi. Mengurangi biaya dan meningkatkan produksi akan memakan waktu, namun pemerintah AS secara aktif berupaya untuk memulai industri yang sedang berkembang ini.

Pada bulan Februari 2024, Amerika Serikat mengalokasikan $1,5 miliar kepada perusahaan manufaktur semikonduktor GlobalFoundries di bawah CHIPS dan Science Act untuk memperluas produksi chip dalam negeri.

 Sebagian dari dana ini akan digunakan untuk meningkatkan fasilitas manufaktur di Vermont, sehingga memungkinkannya berproduksi secara massalgalium nitrida(GaN) semikonduktor, sebuah kemampuan yang saat ini belum terealisasi di AS. Menurut pengumuman pendanaan, semikonduktor ini akan digunakan pada kendaraan listrik, pusat data, telepon pintar, jaringan listrik, dan teknologi lainnya. 

Namun, bahkan jika AS berhasil memulihkan operasi normal di sektor manufakturnya, produksinya akan tetap samaGaNchip bergantung pada pasokan galium yang stabil, yang saat ini tidak dijamin. 

Meskipun galium bukanlah hal yang langka—galium terdapat di kerak bumi pada tingkat yang sebanding dengan tembaga—galium tidak terdapat dalam deposit besar yang dapat ditambang seperti tembaga. Meskipun demikian, sejumlah kecil galium dapat ditemukan dalam bijih yang mengandung aluminium dan seng, sehingga memungkinkan pengumpulannya selama pemrosesan unsur-unsur ini. 

Pada tahun 2022, sekitar 90% galium dunia diproduksi di Tiongkok. Sementara itu, AS belum memproduksi galium sejak tahun 1980an, dengan 53% galiumnya diimpor dari Tiongkok dan sisanya bersumber dari negara lain. 

Pada Juli 2023, Tiongkok mengumumkan akan mulai membatasi ekspor galium dan bahan lain, germanium, demi alasan keamanan nasional. 

Peraturan Tiongkok tidak secara langsung melarang ekspor galium ke AS, namun mewajibkan calon pembeli untuk mengajukan izin dan mendapatkan persetujuan dari pemerintah Tiongkok. 

Kontraktor pertahanan AS hampir pasti akan menghadapi penolakan, terutama jika mereka terdaftar dalam “daftar entitas yang tidak dapat diandalkan” di Tiongkok. Sejauh ini, pembatasan ini tampaknya berdampak pada kenaikan harga galium dan perpanjangan waktu pengiriman pesanan bagi sebagian besar produsen chip, dibandingkan dengan kelangkaan galium secara langsung, meskipun Tiongkok mungkin memilih untuk memperketat kendali atas bahan ini di masa depan. 

AS telah lama menyadari risiko yang terkait dengan ketergantungannya yang besar pada Tiongkok untuk mineral penting—selama perselisihan dengan Jepang pada tahun 2010, Tiongkok untuk sementara waktu melarang ekspor logam tanah jarang. Ketika Tiongkok mengumumkan pembatasannya pada tahun 2023, AS sudah menjajaki metode untuk memperkuat rantai pasokannya. 

Alternatif yang mungkin dilakukan adalah dengan mengimpor galium dari negara lain, seperti Kanada (jika negara tersebut mampu meningkatkan produksinya), dan mendaur ulang bahan dari limbah elektronik—penelitian di bidang ini didanai oleh Advanced Research Projects Agency (Badan Proyek Penelitian Lanjutan) Departemen Pertahanan AS. 

Membangun pasokan galium dalam negeri juga merupakan salah satu pilihan. 

Nyrstar, sebuah perusahaan yang berbasis di Belanda, mengindikasikan bahwa pabrik sengnya di Tennessee dapat mengekstraksi cukup galium untuk memenuhi 80% permintaan AS saat ini, namun pembangunan fasilitas pemrosesan tersebut akan menelan biaya hingga $190 juta. Perusahaan saat ini sedang bernegosiasi dengan pemerintah AS untuk pendanaan ekspansi.

Sumber galium yang potensial juga mencakup deposit di Round Top, Texas. Pada tahun 2021, Survei Geologi A.S. memperkirakan bahwa deposit ini mengandung sekitar 36.500 ton galium—sebagai perbandingan, Tiongkok memproduksi 750 ton galium pada tahun 2022. 

Biasanya, galium terdapat dalam jumlah kecil dan sangat tersebar; namun, pada bulan Maret 2024, American Critical Materials Corp. menemukan deposit dengan konsentrasi galium berkualitas tinggi yang relatif tinggi di Hutan Nasional Kootenai di Montana. 

Saat ini, galium dari Texas dan Montana belum diekstraksi, namun para peneliti dari Idaho National Laboratory dan American Critical Materials Corp. sedang berkolaborasi untuk mengembangkan metode ramah lingkungan untuk memperoleh bahan ini. 

Gallium bukan satu-satunya pilihan bagi AS untuk meningkatkan teknologi mikrochip—Tiongkok dapat memproduksi chip yang lebih canggih dengan menggunakan beberapa bahan yang tidak dibatasi, yang dalam beberapa kasus mungkin mengungguli chip berbasis galium. 

Pada bulan Oktober 2024, produsen chip Wolfspeed mendapatkan pendanaan hingga $750 juta melalui CHIPS Act untuk membangun fasilitas manufaktur chip silikon karbida (juga dikenal sebagai SiC) terbesar di AS.galium nitridanamun lebih disukai untuk aplikasi tertentu, seperti pembangkit listrik tenaga surya berdaya tinggi. 

Oliver mengatakan kepada Freethink, “Gallium nitrida bekerja sangat baik pada rentang tegangan tertentusilikon karbidaberkinerja lebih baik pada orang lain. Jadi itu tergantung pada voltase dan daya yang Anda hadapi.” 

AS juga mendanai penelitian mikrochip berdasarkan semikonduktor celah pita lebar, yang memiliki celah pita lebih besar dari 3,4 eV. Bahan-bahan ini termasuk intan, aluminium nitrida, dan boron nitrida; Meskipun harganya mahal dan sulit untuk diproses, chip yang terbuat dari bahan-bahan ini suatu hari nanti mungkin menawarkan fungsi baru yang luar biasa dengan biaya lingkungan yang lebih rendah.

 “Jika Anda berbicara tentang jenis tegangan yang mungkin terlibat dalam transmisi tenaga angin lepas pantai ke jaringan darat,galium nitridamungkin tidak cocok, karena tidak dapat menahan tegangan tersebut,” jelas Oliver. “Bahan seperti aluminium nitrida, yang memiliki celah pita lebar, bisa.”