Penelitian yang terbit dalam jurnal Nature pada 11 November 2026 menawarkan pendekatan baru untuk membuat chip yang lebih kecil dan hemat energi. Studi tersebut menggabungkan semikonduktor dua dimensi dengan lapisan dielektrik kristal tunggal untuk mengurangi kebocoran arus pada transistor.
Selama beberapa dekade, industri semikonduktor meningkatkan kemampuan chip dengan memperkecil transistor agar lebih banyak komponen dapat dimuat dalam satu cip. Namun, pengaturan aliran listrik menjadi lebih sulit ketika ukuran transistor terus diperkecil.
Kebocoran arus menjadi tantangan transistor kecil
Salah satu persoalan utama pada transistor berukuran sangat kecil ialah kebocoran arus. Listrik masih dapat mengalir meski transistor seharusnya berada dalam posisi tidak aktif. Kondisi ini dapat menaikkan penggunaan energi, menghasilkan panas, serta memengaruhi kinerja chip dengan kepadatan transistor tinggi.
Semikonduktor dua dimensi memiliki ketebalan setara tingkat atom atau hanya beberapa lapisan atom. Sifat tersebut memungkinkan elektroda pengatur arus mengendalikan kanal konduksi secara lebih efektif dibandingkan sejumlah struktur semikonduktor konvensional.
Material dua dimensi juga umumnya mempunyai celah pita energi yang relatif besar. Karakteristik ini membantu membatasi arus yang bocor ketika transistor dimatikan, sehingga menjadi penting bagi pengembangan komponen elektronik berdaya rendah.
Meski demikian, penerapan semikonduktor dua dimensi pada transistor selama ini terkendala kualitas bidang kontak antara kanal semikonduktor dan lapisan dielektrik pengendali. Lapisan dielektrik yang berada di antara elektroda gerbang dan kanal berfungsi mengatur aliran arus melalui medan listrik.
Apabila permukaan pertemuan kedua material dipenuhi cacat, muatan listrik dapat terperangkap atau terlepas secara tidak stabil. Keadaan itu meningkatkan histeresis, membuat transistor kurang akurat, dan menyulitkan pengendaliannya.
Lapisan TiO₂ kristal tunggal memperbaiki antarmuka
Untuk menangani kendala tersebut, tim peneliti membuat lapisan titanium dioksida atau TiO₂ anatase kristal tunggal. Lapisan ini dapat dipindahkan ke permukaan semikonduktor dua dimensi dengan metode integrasi van der Waals.
Metode tersebut menghasilkan bidang kontak yang lebih bersih dan seragam, sekaligus mengurangi cacat yang kerap muncul saat dua material berbeda disambungkan. Dengan antarmuka yang lebih baik, transistor dapat mencapai kemiringan di bawah batas termal teoretis, menekan histeresis secara berarti, dan meningkatkan kestabilan operasi.
Kemiringan subambang atau subthreshold swing menunjukkan besarnya perubahan tegangan gerbang yang dibutuhkan transistor untuk menaikkan arus sebesar satu orde. Nilai yang lebih rendah berarti transistor dapat berpindah kondisi secara lebih efisien pada tegangan rendah.
Berlandaskan struktur tersebut, para ilmuwan membuat transistor efek medan komplementer atau CFET dengan dua jenis kanal konduksi, yakni kanal-n dan kanal-p. Dalam arsitektur CMOS konvensional, transistor n dan p dipasangkan untuk membentuk rangkaian logika, dengan satu transistor menghantarkan arus ketika transistor lain tidak aktif agar konsumsi daya saat kondisi stabil dapat ditekan.
Tim peneliti kemudian membangun inverter dari transistor itu dan mencatat penggunaan daya statis di bawah satu pikowatt. Sumber penelitian menyebut satu pikowatt setara dengan satu triliun watt, yang memperlihatkan potensi penghematan energi dari struktur tersebut.
Selain berdaya rendah, inverter itu memperlihatkan penguatan tegangan tinggi dan ketahanan besar terhadap gangguan. Kedua aspek tersebut penting untuk membangun rangkaian logika yang tetap stabil saat tegangan pasokan diturunkan.
Penelitian ini menitikberatkan bukan hanya pada penggunaan semikonduktor dua dimensi, melainkan juga perbaikan antarmuka antara kanal konduksi dan dielektrik, yang menjadi salah satu hambatan utama pemanfaatan material baru dalam pembuatan komponen elektronik.
Teknologi ini berpotensi digunakan pada perangkat yang harus beroperasi terus-menerus dengan ketersediaan daya terbatas. Namun, hasilnya masih berada pada tahap riset komponen dan sirkuit eksperimental; pembuatan transistor pada wafer belum berarti teknologi tersebut siap memasuki produksi chip komersial.