Para peneliti tengah mempelajari bagaimana suhu setinggi 500 derajat Celsius akan memengaruhi perangkat elektronik yang terbuat dari galium nitrida, sebuah langkah penting dalam upaya penelitian mereka selama beberapa tahun untuk mengembangkan perangkat elektronik yang dapat beroperasi di lingkungan yang sangat panas, seperti permukaan Venus. Kredit: MIT News; iStock
Para peneliti beralih ke galium nitrida untuk aplikasi suhu tinggi seperti dewi eksplorasi, karena kemampuannya menahan suhu di atas 500 derajat Celsius.
Sebuah studi baru-baru ini oleh DENGAN dan lembaga lain telah menunjukkan bahwa bahan ini, beserta kontak ohmiknya, tetap stabil secara struktural bahkan pada suhu tinggi ini. Penelitian ini melibatkan pembuatan perangkat galium nitrida dan pengujiannya pada suhu tinggi, yang mengungkapkan hasil yang menjanjikan untuk elektronik masa depan di lingkungan ekstrem.
Eksplorasi Venus dan Galium Nitrida
Di permukaan Venus yang terik, suhunya bisa mencapai 480° Celsius /900° derajat fahrenheitcukup panas untuk melelehkan timah. Hal ini membuat tempat ini tidak ramah bagi manusia dan mesin. Salah satu alasan mengapa para ilmuwan belum dapat mengirim wahana penjelajah ke permukaan planet ini adalah karena perangkat elektronik berbasis silikon tidak dapat beroperasi pada suhu ekstrem seperti itu untuk jangka waktu yang lama.
Untuk aplikasi suhu tinggi seperti eksplorasi Venus, para peneliti baru-baru ini beralih ke galium nitrida, material unik yang dapat menahan suhu 500 derajat atau lebih.
Bahan tersebut sudah digunakan di beberapa perangkat elektronik terestrial, seperti pengisi daya ponsel dan menara telepon seluler, tetapi para ilmuwan belum sepenuhnya memahami bagaimana perangkat galium nitrida akan berperilaku pada suhu di atas 300 derajat, yang merupakan batas operasional perangkat elektronik silikon konvensional.
Temuan Penelitian tentang Galium Nitrida
Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan di Surat Fisika TerapanSebagai bagian dari upaya penelitian selama beberapa tahun, tim ilmuwan dari MIT dan tempat lain berusaha menjawab pertanyaan utama tentang sifat dan kinerja material pada suhu yang sangat tinggi.
Mereka mempelajari dampak suhu pada kontak ohmik dalam perangkat galium nitrida. Kontak ohmik adalah komponen utama yang menghubungkan perangkat semikonduktor ke dunia luar.
Para peneliti menemukan bahwa suhu ekstrem tidak menyebabkan degradasi signifikan pada material galium nitrida atau kontaknya. Mereka terkejut melihat bahwa kontak tersebut tetap utuh secara struktural bahkan ketika ditahan pada suhu 500 derajat Celsius selama 48 jam.
Arah Masa Depan dalam Elektronik Suhu Tinggi
Memahami cara kerja kontak pada suhu ekstrem merupakan langkah penting menuju tujuan kelompok berikutnya untuk mengembangkan transistor berkinerja tinggi yang dapat beroperasi di permukaan Venus. Transistor semacam itu juga dapat digunakan di Bumi dalam bidang elektronik untuk aplikasi seperti mengekstraksi energi panas bumi atau memantau bagian dalam mesin jet.
“Transistor merupakan jantung dari sebagian besar elektronik modern, tetapi kami tidak ingin hanya membuat transistor galium nitrida karena ada banyak hal yang bisa salah. Pertama-tama kami ingin memastikan material dan kontak akan bertahan lama, dan melihat seberapa banyak perubahannya saat suhu meningkat. Kami akan merancang transistor dari blok penyusun dasar ini,” kata John Niroula, mahasiswa pascasarjana di bidang teknik elektro dan ilmu komputer (EECS) dan penulis utama makalah tersebut.
Penulis bersama meliputi Qingyun Xie PhD '24; Mengyang Yuan PhD '22; mahasiswa pascasarjana EECS Patrick K. Darmawi-Iskandar dan Pradyot Yadav; Gillian K. Micale, mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu dan Teknik Material; penulis senior Tomás Palacios, Profesor Clarence J. LeBel di EECS, direktur Laboratorium Teknologi Mikrosistem, dan anggota Laboratorium Penelitian Elektronik; dan kolaborator Nitul S. Rajput dari Institut Inovasi Teknologi Uni Emirat Arab; Siddharth Rajan dari Universitas Negeri Ohio; Yuji Zhao dari Universitas Rice; dan Nadim Chowdhury dari Universitas Teknik dan Teknologi Bangladesh.
Daya Tahan dan Kinerja di Bawah Panas
Meskipun galium nitrida baru-baru ini menarik banyak perhatian, material ini masih tertinggal puluhan tahun dari silikon dalam hal pemahaman para ilmuwan tentang bagaimana sifat-sifatnya berubah dalam berbagai kondisi. Salah satu sifat tersebut adalah resistansi, aliran arus listrik melalui suatu material.
Resistansi keseluruhan suatu perangkat berbanding terbalik dengan ukurannya. Namun, perangkat seperti semikonduktor memiliki kontak yang menghubungkannya ke perangkat elektronik lainnya. Resistensi kontak, yang disebabkan oleh sambungan listrik ini, tetap konstan, terlepas dari ukuran perangkat. Resistensi kontak yang terlalu besar dapat mengakibatkan disipasi daya yang lebih tinggi dan frekuensi operasi yang lebih lambat untuk sirkuit elektronik.
“Khususnya jika Anda menggunakan dimensi yang lebih kecil, kinerja perangkat sering kali dibatasi oleh resistansi kontak. Orang-orang memiliki pemahaman yang relatif baik tentang resistansi kontak pada suhu ruangan, tetapi belum ada yang benar-benar mempelajari apa yang terjadi saat suhu mencapai 500 derajat,” kata Niroula.
Metodologi Pengujian dan Hasil
Untuk penelitian mereka, para peneliti menggunakan fasilitas di MIT.nano untuk membangun perangkat galium nitrida yang dikenal sebagai struktur metode pemindahan panjang, yang terdiri dari serangkaian resistor. Perangkat ini memungkinkan mereka untuk mengukur resistansi material dan kontak.
Mereka menambahkan kontak ohmik ke perangkat menggunakan dua metode umum. Yang pertama melibatkan pengendapan logam ke galium nitrida dan memanaskannya hingga 825 derajat Celsius selama sekitar 30 detik, sebuah proses yang disebut annealing.
Metode kedua melibatkan pembuangan potongan galium nitrida dan penggunaan teknologi suhu tinggi untuk menumbuhkan kembali galium nitrida yang didoping berat di tempatnya, sebuah proses yang dipimpin oleh Rajan dan timnya di Ohio State. Material yang didoping tinggi mengandung elektron ekstra yang dapat berkontribusi pada konduksi arus.
“Metode penumbuhan kembali biasanya menghasilkan resistansi kontak yang lebih rendah pada suhu ruangan, tetapi kami ingin melihat apakah metode tersebut masih berfungsi dengan baik pada suhu tinggi,” kata Niroula.
Stabilitas dan Kinerja pada Suhu Tinggi
Mereka menguji perangkat tersebut dengan dua cara. Rekan mereka di Rice University, yang dipimpin oleh Zhao, melakukan uji coba jangka pendek dengan menempatkan perangkat tersebut dalam hot chuck yang mencapai suhu 500 derajat Celsius dan melakukan pengukuran resistansi secara langsung.
Di MIT, mereka melakukan eksperimen jangka panjang dengan menempatkan perangkat tersebut dalam tungku khusus yang telah dikembangkan oleh kelompok tersebut sebelumnya. Mereka membiarkan perangkat tersebut di dalamnya hingga 72 jam untuk mengukur bagaimana resistansinya berubah sebagai fungsi dari suhu dan waktu.
Stabilitas dan Perbaikan Jangka Panjang
Ahli mikroskop di MIT.nano (Aubrey N. Penn) dan Institut Inovasi Teknologi (Nitul S. Rajput) menggunakan mikroskop elektron transmisi canggih untuk melihat bagaimana suhu tinggi tersebut memengaruhi galium nitrida dan kontak ohmik pada tingkat atom.
“Kami mengira kontak atau material galium nitrida itu sendiri akan terdegradasi secara signifikan, tetapi kami menemukan yang sebaliknya. Kontak yang dibuat oleh kedua metode tersebut tampak sangat stabil,” kata Niroula.
Meskipun sulit untuk mengukur resistansi pada suhu setinggi itu, hasil mereka menunjukkan bahwa resistansi kontak tampak tetap konstan bahkan pada suhu 500 derajat, selama sekitar 48 jam. Dan seperti pada suhu ruangan, proses pertumbuhan kembali menghasilkan kinerja yang lebih baik.
Material tersebut memang mulai rusak setelah 48 jam di dalam tungku, tetapi para peneliti berupaya meningkatkan kinerja jangka panjangnya. Salah satu strateginya adalah menambahkan isolator pelindung untuk mencegah material tersebut terpapar langsung ke lingkungan bersuhu tinggi.
Prospek Masa Depan dalam Mikroelektronika
Ke depannya, para peneliti berencana untuk menggunakan apa yang mereka pelajari dalam percobaan ini untuk mengembangkan transistor galium nitrida suhu tinggi.
“Di kelompok kami, kami berfokus pada penelitian inovatif di tingkat perangkat untuk memajukan batas-batas mikroelektronika, sambil mengadopsi pendekatan sistematis di seluruh hierarki, dari tingkat material hingga tingkat sirkuit. Di sini, kami telah menelusuri hingga ke tingkat material untuk memahami berbagai hal secara mendalam. Dengan kata lain, kami telah menerjemahkan kemajuan tingkat perangkat menjadi dampak tingkat sirkuit untuk elektronik suhu tinggi, melalui desain, pemodelan, dan fabrikasi yang kompleks. Kami juga sangat beruntung telah menjalin kemitraan yang erat dengan kolaborator lama kami dalam perjalanan ini,” kata Xie.
Referensi: “Stabilitas suhu tinggi kontak Ohmik yang tumbuh kembali yang digabungkan dengan heterostruktur AlGaN/GaN hingga 500 °C” oleh John Niroula, Qingyun Xie, Nitul S. Rajput, Patrick K. Darmawi-Iskandar, Sheikh Ifatur Rahman, Shisong Luo, Rafid Hassan Palash, Bejoy Sikder, Mengyang Yuan, Pradyot Yadav, Gillian K. Micale, Nadim Chowdhury, Yuji Zhao, Siddharth Rajan dan Tomás Palacios, 15 Mei 2024, Surat Fisika Terapan.
Nomor Identifikasi Penduduk: 10.1063/5.0191297
Pekerjaan ini didanai, sebagian, oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara AS, Lockheed Martin Corporation, Perusahaan Penelitian Semikonduktor melalui Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan AS, Departemen Energi AS, Intel Corporation, dan Universitas Teknik dan Teknologi Bangladesh.
Pembuatan dan mikroskopi dilakukan di MIT.nano, Laboratorium Epitaksi dan Analisis Semikonduktor di Universitas Negeri Ohio, Pusat Karakterisasi Material Lanjutan di Universitas Oregondan Institut Inovasi Teknologi Uni Emirat Arab.
NewsRoom.id
