Riset Transistor SiC 600°C dari Kyoto University: Terobosan untuk Logika Suhu Ekstrem

Telset.id – Tim peneliti dari Kyoto University berhasil membangun transistor silikon karbida (SiC) yang mampu beroperasi pada suhu 600°C (873 K) menggunakan teknik ion implantasi, sebuah metode doping yang sudah lazim dipakai di pabrik chip komersial. Terobosan ini sekaligus memangkas selisih antara tegangan ambang (threshold voltage) yang dirancang dengan hasil pengukuran menjadi di bawah 0,1V pada suhu 400°C, turun drastis dari selisih lebih dari 2V pada desain konvensional.

Pencapaian ini diumumkan awal bulan ini oleh Mitsuaki Kaneko, Shunya Shibata, dan Tsunenobu Kimoto, serta dipublikasikan di jurnal APL Electronic Devices. Riset tersebut menggabungkan transistor dengan gerbang bawah (bottom-gate) dan struktur isolasi double-well untuk menjaga kestabilan junction field-effect transistor (JFET) SiC hasil implantasi ion pada suhu di mana silikon konvensional sudah berhenti bekerja, yakni di atas sekitar 250°C.

Mengatasi Efek Channeling pada Transistor SiC

Desain bottom-gate menempatkan elektroda gerbang di bawah saluran (channel). Posisi ini berfungsi menangkap dopan yang menyebar lebih dalam dari yang diinginkan selama proses implantasi. Fenomena yang dikenal sebagai efek channeling ini sebelumnya membuat tegangan ambang JFET top-gate konvensional meleset hingga lebih dari 2V. Dengan mengompensasi ekor channeling tersebut, kesenjangan antara tegangan ambang desain dan hasil pengukuran berhasil ditekan ke bawah 0,1V pada suhu 400°C.

Selain itu, struktur double-well mengisolasi setiap perangkat di dalam sambungan pn, alih-alih bergantung pada substrat SiC semi-insulating di bawahnya. Substrat jenis ini kehilangan sifat isolasinya saat memanas dan menyebabkan arus bocor (leakage current) mengalir melalui wafer. Kelompok riset Kaneko melaporkan bahwa sisa kebocoran yang ada kini berada dekat dengan batas teoretis yang ditetapkan oleh sifat material SiC itu sendiri, sehingga hanya ada sedikit ruang untuk peningkatan lebih lanjut di tingkat perangkat.

Sebagai perbandingan, NASA Glenn Research Center telah menjalankan sirkuit terpadu SiC JFET yang membawa lebih dari 175 transistor selama lebih dari setahun pada suhu 500°C di udara, serta 60 hari pada simulasi permukaan Venus pada suhu 460°C dan tekanan 9,3 MPa tanpa pelindung, berdasarkan pengujian yang dipublikasikan badan antariksa tersebut. Chip-chip itu dibangun dari perangkat epitaxial JFET-resistor pada proses khusus.

Yang membedakan riset Kyoto University adalah pencapaian suhu perangkat yang lebih tinggi melalui ion implantasi, metode yang sudah menjadi standar di pabrik-pabrik utama. Hal ini membuat teknologi tersebut cocok dengan produksi massal yang sudah ada. SiC memang sudah berkembang sebagai material wafer untuk perangkat daya, namun logika suhu tinggi adalah ceruk terpisah yang jauh lebih kecil. Material wide-bandgap lain juga tengah dikejar untuk kondisi ekstrem ini, dengan para peneliti baru-baru ini menunjukkan perangkat yang mampu bertahan dari suhu 500°C hingga mendekati nol mutlak pada senyawa lain.

Tantangan Menuju Aplikasi Nyata

Transistor yang dikembangkan bersifat normally-on, artinya perangkat ini menghantarkan arus tanpa tegangan gerbang dan menarik daya siaga (standby power). Logika yang efisien membutuhkan pasangan komplementer yang dibangun dari perangkat normally-off, sementara transistor ini belum memenuhi kriteria tersebut. Kelompok riset Kimoto telah mendemonstrasikan gerbang logika SiC JFET komplementer pada suhu 350°C, dan langkah berikutnya adalah merancang perangkat normally-off dalam struktur baru ini untuk membangun sirkuit komplementer berdaya rendah.

Keandalan jangka panjang pada suhu tinggi dan pengemasan yang tahan panas hanyalah dua tantangan yang harus diatasi para peneliti sebelum teknologi ini bisa diterapkan pada turbin gas atau misi ke Venus. Meski demikian, keberhasilan menggunakan ion implantasi yang kompatibel dengan fabrikasi massal menjadi sinyal penting bagi masa depan elektronika suhu ekstrem.

Perkembangan ini menunjukkan bahwa transistor SiC 600°C bukan lagi sekadar konsep laboratorium, melainkan langkah nyata menuju integrasi dengan lini produksi semikonduktor yang ada. Bagi industri yang membutuhkan elektronik andal di lingkungan panas ekstrem, seperti dirgantara, energi, dan eksplorasi planet, riset ini membuka jalan baru yang lebih praktis dan dapat diproduksi secara luas.