Makalah Pemilihan Dosen Berprestasi Nasional 2011

Makalah disajikan pada Pemilihan Dosen Berprestasi Tingkat Nasional (Hotel Menara Peninsula Jakarta, 14-18 Agustus 2011)

Pengembangan Material dan Devais MOS Silikon serta Penggunaannya di Indonesia: Sejumlah Inovasi

Makalah Ilmiah untuk disajikan pada

Pemilihan Dosen Berprestasi Tingkat Nasional

di Jakarta, 14-18 Agustus 2011

Khairurrijal

Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung

Jalan Ganesa 10, Bandung 40132

E-mail: krijal@fi.itb.ac.id

Abstrak

Riset material dan transistor MOS (metal-oxide-semiconductor) silikon, yang sangat penting bagi mikroprosesor dan memori, bergerak sangat cepat guna memenuhi keperluan industri komputer global. Kinerja mikroprosesor dan memori, yang meliputi kerapatan dan kecepatan, terus meningkat disebabkan oleh miniaturisasi transistor MOS silikon tersebut. Sebagai akibatnya, mikroprosesor dan memori atau komputer secara keseluruhan semakin berharga murah. Salah satu masalah global dalam riset material dan transistor MOS silikon tersebut adalah arus bocor yang melalui oksida gerbang dari transistor MOS tersebut. Karena keterbatasan perlengkapan eksperimen dan peralatan karakterisasi, darma penelitian dari Tri Darma Perguruan Tinggi dilakukan dengan cara membuat inovasi-inovasi dalam pemodelan arus bocor baik yang melalui oksida gerbang SiO₂ maupun oksida gerbang dielektrik K tinggi. Untuk tetap dapat melakukan eksperimen meskipun dengan banyak keterbatasan, sistem sintesis lapisan tipis dengan teknik sputtering dan pulsed-laser ablation deposition (PLAD) telah dibangun sendiri. Devais MOS silikon telah berhasil dibuat meskipun dengan kualitas masih di bawah yang dibuat oleh universitas di negara maju. Harapannya, suatu saat nanti, bila keterbatasan tersebut sudah tidak ada, maka kami dapat langsung mencapai kualitas hasil yang setara dengan yang dibuat oleh universitas di negara maju. Inovasi-inovasi dalam pemodelan tersebut telah dapat berkontribusi global karena diterbitkan di jurnal-jurnal internasional dan menjadi acuan para peneliti di seluruh dunia.

Mikroprosesor dan memori berbasis transistor MOS silikon tersebut telah juga dimanfaatkan untuk membuat mikrokontroler komersial. Mikrokontroler-mikrokontroler komersial tersebut digunakan untuk memecahkan masalah-masalah lokal yaitu kekurangan bahkan ketiadaan kit-kit dan modul-modul praktikum untuk membantu pembelajaran mahasiswa serta alat-alat karakterisasi yang sangat diperlukan para peneliti di universitas maupun lembaga penelitian. Darma pendidikan dan darma pengabdian kepada masyarakat dijalankan dengan usaha-usaha memecahkan masalah-masalah tersebut sehingga Tri Darma dilaksanakan dengan paripurna. Di dalam darma pendidikan, telah dihasilkan dan digunakan modul pembelajaran karakteristik dioda dan resistor dengan resistansi sangat tinggi, kit sistem pengukuran, kit praktikum spektroskopi, dan kit praktikum kontrol. Di dalam darma pengabdian kepada masyarakat, telah dihasilkan I-V Meter, C-V Meter, dan P-E Meter. Meskipun berawal dari masalah-masalah lokal, inovasi-inovasi yang disematkan dalam kit-kit serta alat-alat karakterisasi tersebut dapat menembus jurnal-jurnal internasional.

Miniaturisasi transistor MOS terus berlanjut dan inovasi-inovasi yag dilakukan mengarah ke transistor NWFET (nanowire field-effect transistor). Di dalam transistor NWFET tersebut, inovasi-inovasi tersebut meliputi rekayasa geometri kanal dari planar menjadi nanokawat dan rekayasa material dari silikon menjadi silikon-germanium atau GaN atau InAs. Inovasi-inovasi dalam pemodelan arus bocor yang kami telah kembangkan sebelumnya sangat mungkin diterapkan pada transistor NWFET tersebut. Selanjutnya, pembuatan kit-kit atau modul-modul praktikum dan alat-alat karakterisasi masih akan tetap dilanjutkan. Dengan usaha-usaha tersebut, kami berharap Tri Darma dapat terlaksana dengan paripurna. Inovasi-inovasi yang ada di dialam usaha-usaha tersebut diharapkan dapat diterbitkan di jurnal-jurnal internasional.

1.  PENDAHULUAN

Kehidupan moderen sekarang ini sangat bergantung pada produk-produk elektronik yang mengandung mikroprosesor dan memori. Pendapatan dari pengapalan mikroprosesor setiap tahun terus meningkat guna memenuhi keperluan industri komputer global. Pada tahun 2010, pendapatan tersebut telah menjadi 36,3 milyar dolar dengan komposisi 80,7% Intel, 19% AMD, dan 0,3% Via Technologies [Eweek Europe, 2011].  Bahkan perusahaan riset pasar International Data Corp. (IDC) memperkirakan bahwa pendapatan tahun 2011 akan terus tumbuh menjadi 43 milyar dolar [EE Times, 2011].

Di dalam mikroprosesor dan memori tersebut terdapat rangkaian terpadu atau integrated circuit (IC). Devais aktif utama yang ada di dalam IC tersebut adalah metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) silikon, atau dikenal sebagai transistor MOS silikon, yang bekerja sebagai sebuah saklar kecil. Digit biner (binary digit=bit) 0 dan 1 diwakili oleh transistor MOS dalam keadaan off atau on, secara berurutan. Untuk menambah jumlah transistor MOS yang ada pada chip tunggal silikon tanpa memengaruhi harga pembuatan chip tersebut sehingga harga per transistornya lebih murah, maka transistor tersebut harus dibuat lebih kecil. Miniaturisasi tersebut juga menyebabkan waktu penyaklarannya berkurang sehingga laju keluaran fungsional IC meningkat. Keuntungan lainnya adalah reduksi konsumsi daya yang sangat bermanfaat untuk memperpanjang umur baterai bagi sistem-sistem portabel.

Miniaturisasi transistor MOS tersebut mengikuti hukum Moore yang menyatakan bahwa jumlah transistor dan kecepatan per IC komputer berlipat dua setiap 24 bulan [Moore, 1965]. Berdasarkan capaian industri semikonduktor pada tahun-tahun berikutnya, hukum Moore kemudian direvisi menjadi berlipat dua setiap 18 bulan. Sekarang panjang transistor MOS tersebut telah tereduksi kurang dari 100 nm sehingga kadangkala disebut sebagai transistor nanoMOS silikon. Untuk tetap melanjutkan proses miniaturisasi tersebut, sebuah peta jalan teknologi transistor MOS silikon telah dibuat [ITRS, 2009]. Peta jalan ini mengidentifikasi jalan-jalan yang mungkin dari evolusi mikroelektronika berbasis transistor MOS silikon tersebut sehingga transistor tersebut berukuran semakin kecil, semakin cepat, dan semakin rendah dayanya. Setelah 40 tahun, jumlah transistor MOS silikon di mikroprosesor dan memori meningkat eksponensial menjadi sejuta kali dan empat juta kali lipat, secara berurutan, dibandingkan pada tahun 1970. Riset tentang transistor nanoMOS silikon terus berjalan dan produk komersialnya telah kita nikmati. Tahun 2004, pertama kali Intel merilis mikroprosesor Pentium 4 dengan transistor nanoMOS 90 nm, kemudian Core 2 Duo 45 nm pada tahun 2007, dan Core i7 32 nm pada tahun 2010.

Makalah ini akan memaparkan sejumlah inovasi yang kami lakukan untuk mengembangkan material dan devais MOS silikon serta penggunaannya di Indonesia dalam rangka melaksanakan Tri Darma Perguruan Tinggi dengan paripurna. 

2.  TUJUAN

Di sini akan dilaporkan serangkaian riset untuk mengembangkan material dan devais MOS silikon serta penggunaannya di Indonesia dengan berbagai keterbatasan-keterbatasan yang ada. Keterbatasan-keterbatasan tersebut telah menjadi pemicu bagi kami untuk menghasilkan solusi-solusi kreatif dan inovatif bagi kemandirian bangsa dan keparipurnaan pelaksanaan Tri Darma Perguruan Tinggi. Luaran-luaran riset tersebut tidak hanya menjangkau ke langit untuk berkontribusi global, tetapi juga menghunjam ke bumi untuk berkontribusi lokal Indonesia.

Dalam menjalankan darma penelitian dari Tri Darma tersebut, riset difokuskan pada transistor MOS silikon dan miniaturisasinya meskipun tidak memiliki peralatan sintesis dan alat karakterisasi yang canggih seperti di negara-negara maju. Luaran-luaran riset ini, yang berupa berbagai inovasi model yang dituangkan ke dalam makalah-makalah di jurnal internasional, diharapkan menjangkau ke langit untuk berkontribusi global. Sedangkan yang menghunjam ke bumi untuk berkontribusi lokal, riset diarahkan pada penerapan IC dan mikroprosesor/mikrokontroler komersial yang berisi transistor-transistor MOS untuk menjalankan darma pendidikan dan pengabdian kepada masyarakat. Di dalam darma pendidikan/pembelajaran, luaran-luaran risetnya berupa prototip kit-kit atau modul-modul pembelajaran laboratorium yang murah untuk memperkuat penjelasan pokok-pokok bahasan di dalam kelas. Luaran-luaran riset di dalam darma pengabdian kepada masyarakat adalah prototip berbagai sistem karakterisasi murah yang sangat diperlukan para peneliti material di seluruh Indonesia. Berbagai inovasi di dalam darma pendidikan dan darma pengabdian kepada masyarakat kemudian disebarkan ke masyarakat global melalui makalah-makalah yang diterbitkan di jurnal-jurnal internasional.

3.  LANDASAN TEORI

Terkait dengan pengembangan material dan devais MOS silikon serta penggunaannya, ada permasalahan-permasalahan yang dihadapi global (dunia) dan lokal (Indonesia). Salah satu permasalahan global adalah arus bocor yang melalui lapisan oksida dari transistor MOS silikon. Di sisi lain, permasalahan lokal yang ada di Indonesia adalah kekurangan atau bahkan ketiadaan kit/modul praktikum yang menunjang pembelajaran di kelas dan alat-alat karakterisasi yang sangat diperlukan para peneliti material di institusi-institusi pendidikan dan penelitian Indonesia.

3.1. Pemodelan Arus Bocor dalam Transistor MOS Silikon: Masalah Global

Di bawah teori skala umum dari Baccarani [Baccarani, dkk., 1984] seperti dilukiskan dalam Gambar 1, seluruh dimensi transistor MOS silikon menyusut termasuk panjang gerbang (L), tebal oksida gerbang (T_ox), dan kedalaman sambungan (x_j) [Davari, dkk., 1995; Frank, dkk., 2001; Frank & Taur, 2002; Taur, dkk., 1997; Wind, dkk., 1996; Wong, dkk., 1999].

Gambar 1. Miniaturisasi transistor MOS dengan skala penciutan l dan reduksi tegangan k. Tegangan di gerbang dan drain adalah V_G dan V_DD, secara berurutan.

Ketika pertama kali diterapkan, teori skala umum tersebut sukses mewujudkan transistor MOS submikrometer dengan panjang kanal 0,25 mikrometer dari kanal sebelumnya 1 mikrometer [Baccarani, dkk., 1984]. Miniaturisasi transistor MOS submikrometer tersebut terus berlangsung dan telah menjadi transistor nanoMOS silikon dengan beberapa batasan dan isu teknologi transistor nanoMOS berikut ini: [Hori, 1997; Taur, dkk., 1997]

a)        Efek kanal pendek

Efek kanal pendek adalah penurunan  tegangan ambang (threshold voltage) di transistor MOS silikon kanal pendek karena sharing muatan elektrostatik dua dimensi antara daerah gerbang dan  sumber-drain. Untuk menghindari efek kanal pendek, tebal oksida gerbang dan lebar deplesi yang dikontrol gerbang di dalam substrat silikon harus direduksi sebanding dengan panjang kanal.

b)        Efek tebal lapisan inversi berhingga

Akibat reduksi tebal oksida gerbang kurang dari 10 nm, maka kapasitansi gerbang total lebih kecil dari kapasitansi oksidanya karena nilai kapasitansi oksida hampir sama dengan nilai kapasitansi lapisan inversi. Ini berakibat lebih lanjut pada penurunan transkonduktansi transistor tersebut.

c)        Kinerja terbatas di bawah medan listrik tinggi

Karena tegangan panjar transistor tersebut tidak diskala sebanding dengan panjang kanalnya, kuat medan listrik menjadi semakin tinggi dengan pengecilan devais. Efek medan listik tinggi di dalam substrat silikon meliputi efek kuantum atas tegangan ambang (threshold voltage), efek terobosan pita ke pita (band to band tunneling) yang menyebabkan arus bocor drain yang diinduksi gerbang (gate-induced drain leakage current), degradasi mobilitas, dan pembangkitan pembawa berenergi tinggi (hot carrier).

d)       Reliabilitas oksida gerbang.

Semua batasan dan isu tersebut berpangkal dari lapisan oksida gerbang SiO₂. Karena transistor nanoMOS tersebut berfungsi sebagai saklar on-off, sangat penting untuk mengetahui arus bocor yang melalui oksida gerbang tersebut ketika gerbang (G) tetap diberi panjar sedangkan transistor tersebut dalam keadaan off (beda potensial antara drain (D) dan sumber (S) sama dengan nol). Arus bocor ini sering juga disebut arus stand-by dan akan menghasilkan daya disipasi dalam bentuk panas pada transistor tersebut meskipun transistor tersebut sedang tidak bekerja. 

Kondisi transistor nanoMOS dalam keadaan off namun gerbang (G) tetap diberi panjar dapat direpresentasikan oleh sebuah kapasitor nanoMOS yang ditunjukkan dalam Gambar 2(a). Layaknya sebuah kapasitor, elektroda M diberikan oleh gerbang yang terbuat dari polikristal Si tipe n dengan dadah tinggi (n⁺ poli-Si), elektroda S diwakili oleh substrat Si tipe p (p-Si) berorientasi (100), dan sebuah dielektrik SiO₂. Dalam representasi diagram pita energi sebagai fungsi ketebalan, kapasitor nanoMOS yang diberi panjar negatif (-V_g) pada gerbang tersebut menjadi Gambar 2(b). Lambang E_C, E_V, dan E_F adalah tepi pita konduksi, tepi pita valensi, dan energi Fermi dari material terkait, secara berurutan. Lapisan SiO₂ dengan ketebalan T_ox menjadi potensial penghalang dengan ketinggian f_e bagi elektron-elektron yang berada di gerbang. Adanya tegangan panjar -V_g tersebut membuat potensial penghalang tersebut membungkuk sebesar eV_ox.

Arus elektron, dengan rapat arus j_z, kemudian mengalir dari gerbang melalui oksida gerbang SiO₂ dan tiba di substrat Si karena terobosan (tunneling) kuantum sehingga arus bocor tersebut seringkali disebut sebagai arus terobosan kuantum. Bila tegangan panjar –V_g sehingga eV_ox masih di atas E_F, maka terobosan kuantum tersebut dinamakan terobosan langsung (direct tunneling). Dengan pemberian tegangan panjar yang berlebih, maka eV_ox menjadi di bawah E_F dan terobosannya disebut sebagai terobosan Fowler-Nordheim (Fowler-Nordheim tunneling).

Gambar 2. Kapasitor nanoMOS. (a) tegangan panjar V_g negatif yang diterapkan kepada gerbang n⁺ poli-Si, (b) diagram pita energi akibat tegangan V_g.

Beberapa model arus terobosan telah dikembangkan sebelumnya [Nagano, dkk., 1994; Schenk & Heiser, 1997; Yoshida, dkk., 1995]. Namun tidak satupun yang cukup baik menjelaskan arus bocor terukur yang melalui lapisan oksida gerbang SiO₂ apalagi meramalkan arus bocor bila ketebalan oksida gerbang tersebut direduksi. Atas dasar itu, sebuah model arus terobosan kuantum yang inovatif kemudian dibuat dengan menerapkan pendekatan Harrison-Bardeen [Harrison, 1961; Bardeen, 1961] dan tanpa memerhatikan hukum kekekalan momentum [Weinberg, 1982] agar dapat menjelaskan arus bocor tersebut lebih baik dari sebelumnya. Transmitansi elektron melalui oksida gerbang SiO₂ diberikan oleh Persamaan (1) [Khairurrijal, dkk., 2000a; Khairurrijal, dkk., 2000b].

                                            (1)

dengan h adalah tetapan Planck tereduksi, m_ox dan m_z adalah massa efektif elektron di dalam oksida gerbang dan di gerbang, secara berurutan, T_ox adalah ketebalan oksida gerbang, E_F dan E_z adalah energi Fermi dan energi elektron searah sumbu z, secara berurutan.

Rapat arus terobosan kuantum kemudian dihitung menggunakan Persamaan (2) [Khairurrijal, dkk., 2000a; Khairurrijal, dkk., 2000b].

                                                               (2)

Sayangnya, miniaturisasi transistor nanoMOS silikon, yang berarti reduksi ketebalan oksida gerbang SiO₂, meningkatkan arus bocor secara eksponensial dan karena itu menaikkan daya disipasi keadaan off dari transistor tersebut. Berdasarkan arus bocor yang diperkenankan agar daya disipasi tidak berlebihan dan kehandalan (realibility) oksida gerbang SiO₂, ketebalan fisis oksida gerbang SiO₂ terbatas hingga sekira 0,7 nm (sekira 4-5 lapis atom) dan tidak dapat dibuat lebih tipis lagi [Muller, dkk., 1999; Schulz, dkk., 1999]. Karena itu, oksida gerbang SiO₂ harus diganti dengan oksida gerbang lain yang setara agar miniaturisasi dapat terus berlanjut.

Perlu dicatat bahwa kapasitansi diberikan oleh C= e₀KA/T. Di sini, e₀ adalah permitivitas vakum, K adalah tetapan dielektrik, A adalah luas permukaan, dan T adalah ketebalan. Penggantian oksida gerbang SiO₂ dengan dielektrik alternatif mempersyaratkan waktu tunda RC harus tetap sehingga kapasitansi harus juga tetap. Jadi, C_SiO2= C_alt, dengan subskrip SiO₂ dan alt adalah untuk oksida gerbang SiO₂ dan oksida gerbang K tinggi, secara berurutan, sehingga T_SiO2=(K_SiO2/K_alt)T_alt. Ketebalan oksida gerbang dengan K tinggi, T_alt, tersebut disebut setara dengan ketebalan oksida gerbang SiO₂, T_SiO2, dan karena itu dinamakan dengan ketebalan oksida setara (equivalent oxide thickness=EOT) yang dapat dituliskan sebagai EOT=(3,9/K_alt)T_alt, dengan K_SiO2= 3,9 untuk oksida gerbang SiO₂. Akhirnya, ketebalan fisis oksida gerbang dengan K tinggi, T_alt, yang lebih tinggi dari EOT SiO₂ real mengakibatkan arus bocor menjadi lebih rendah.

Selain itu, oksida gerbang pengganti SiO₂ harus memiliki kestabilan termal yang tinggi, alignment pita energi yang baik dengan silikon (Si), dan keadaan antarmuka (interface states) yang rendah. Ada beberapa material dielektrik yang memenuhi persyaratan tersebut. Di sisi lain, lapisan sangat tipis SiO₂ mudah terbentuk di permukaan Si. Secara proses fabrikasi, lapisan sangat tipis (sekira 0,5-1 nm) SiO₂ di atas Si tak dapat dihindari. Karena itu kapasitor nanoMOS konvensional, yang merupakan sandwich M/SiO₂/Si, berubah menjadi kapasitor nanoMOS lanjut (advanced nanoMOS capacitor) berupa sandwich M/(dielektrik K tinggi/SiO₂)/Si yang lapisan oksidanya berupa tumpukan (stack) dielektrik K tinggi dan SiO₂ dan seringkali disebut singkat saja dengan tumpukan dielektrik K tinggi (high K dieletric stack).

Beberapa tahun lalu, sejumlah material dielektrik K tinggi seperti ZrO₂, Ta₂O₅, La₂O₃, Al₂O₃, HfO₂, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, Lu₂O₃ telah dikaji untuk menggantikan oksida gerbang SiO₂ [Copel, dkk., 2000; Ferrari, dkk., 2007; Green, dkk., 2001; Wilk, dkk., 2001]. Oksida-oksida berbasis hafnium (Hf) menunjukkan kandidat yang potensial di antara berbagai material alternatif disebabkan sifat dielektrik dan stabilitas termal yang baik di atas Si [Gusev, dkk., 2003; Kim, dkk., 2005].  Dibandingkan dengan HfO₂, Hf-silikat dan paduan nitridanya memiliki tetapan dielektrik K moderat sekitar 8-15, yang bergantung pada kandungan Hf, tetapi memiliki stabilitas termal lebih tinggi, karakteristik arus bocor lebih baik, ketakstabilan ambang yang terperbaiki, dan degradasi mobilitas lebih rendah [Chowdhury & Misra, 2007]. Karena alasan-alasan itulah, silikat-silikat berbasis Hf lebih diharapkan untuk menggantikan oksida gerbang SiO₂.

Akhirnya, di tahun 2007, perusahaan Intel merilis untuk pertama kali prosesor Intel^® Core^TM2 Duo yang menggunakan technology node (jarak antara ujung sumber dan ujung drain) 45 nm [Intel, 2011]. Transistor nanoMOS di dalam mikroprosesor tersebut menggunakan lapisan oksida gerbang berbasis Hf dengan panjang gerbang sekira 20-30 nm. Namun demikian, arus bocor yang melewati oksida gerbang dielektrik K-tinggi tersebut masih belum dapat dijelaskan dengan baik oleh model-model sebelumnya [Mizubayashi, dkk., 2004; Vexler, dkk., 2009].

Berbasis model arus terobosan sebelumnya [Khairurrijal, dkk., 2000a; Khairurrijal, dkk., 2000b] dan memasukkan inovasi yang mempertimbangkan kopling energi transversal dan longitudinal serta massa anisotropik, model arus terobosan baru yang lebih baik untuk menjelaskan arus bocor yang melalui oksida gerbang dielektrik K-tinggi [Khairurrijal, dkk., 2008; Khairurrijal, dkk., 2009].

3.2.  Ketiadaan Kit/Modul Praktikum dan Alat Karakterisasi: Masalah Lokal

Salah satu masalah umum di institusi pendidikan di Indonesia adalah keterbatasan bahkan ketiadaan alat-alat dan modul-modul praktikum yang membantu pengajaran konsep-konsep di kelas. Para mahasiswa diharapkan dapat mempelajari konsep-konsep tersebut dengan mudah melalui  praktikum-praktikum terkait dan karena itu mereka dapat lebih menyerap konsep-konsep tersebut. Ini sesuai dengan hasil riset yang mendapati bahwa para mahasiswa menyerap hanya 25% dari apa yang mereka dengar, 45% dari apa yang mereka dengar dan lihat, dan 70% jika mereka menggunakan metoda belajar sambil berbuat (learning-by-doing) [Rickel, 1989].

Di matakuliah Elektronika, yang merupakan salah satu matakuliah wajib program sarjana, Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA), Institut Teknologi Bandung (ITB), ada sebuah pokok bahasan tentang karakteristik dioda. Beberapa contoh pertanyaan yang muncul dalam pengajaran di kelas adalah sebagai berikut. Pertama, berapa arus bocor dioda ketika ia diberi tegangan panjar mundur? Pengajar mengatakan bahwa arus bocor tersebut kecil sekali dan hampir sama dengan nol. Kedua, berapa tegangan Zener dari sebuah dioda Zener? Pengajar mengatakan bahwa tegangan Zener dapat dilihat dari kode yang tertera di badan dioda tersebut. Ketiga, berapa tegangan panjar maju LED saat pertama ia menyala? Pengajar mengatakan bahwa tegangan panjar tersebut dapat diterka dari warna yang dipancarkannya. Terakhir, berapa nilai hambatan suatu resistor bernilai sangat tinggi di atas 100 megaohm? Pengajar mengatakan bahwa ohmmeter biasa tidak dapat digunakan. Dengan programmable voltage source dan programmable electrometer yang tersedia komersial [Agilent, 2009; Keithley, 1984], seluruh pertanyaan mahasiswa tersebut dapat dijawab. Sayang sekali harga alat tersebut cukup mahal sehingga tak dapat dibeli untuk keperluan praktikum mahasiswa.

Di mata kuliah wajib Sistem Instrumentasi untuk mahasiswa program sarjana, Program Studi Fisika, FMIPA, ITB, ada pokok bahasan tentang sistem pengukuran. Praktikum yang membantu penjelasan teoretik sistem pengukuran tidak ada karena ketiadaan kit dan modul praktikumnya. Seandainya ada kemampuan finansial, kit untuk praktikum tersebut dapat dibeli dari perusahaan penyedia alat-alat pendidikan terkenal [Festo,  2011; Leybold, 2011]. Karena ketakmampuan finansial, kit yang cukup mahal tersebut tidak dapat dibeli. 

Matakuliah wajib Eksperimen Fisika, untuk mahasiswa program sarjana, Program Studi Fisika, FMIPA, ITB, berisi sebuah pokok bahasan tentang spektroskopi. Hands-on experiment sangat bermanfaat untuk membantu pemahaman teori yang diajarkan di kelas. Spektrofotometer dari perusahaan penyedia alat-alat pendidikan terkenal [Festo,  2011; Leybold, 2011] tidak dapat dibeli karena ketakmampuan finansial.

Matakuliah pilihan Kapita Selekta Instrumentasi, untuk mahasiswa program sarjana, Program Studi Fisika, FMIPA, ITB, memiliki sebuah pokok bahasan tentang kontrol yang sangat penting tidak hanya di bidang teknik tetapi juga fisika [Bechhoefer, 2005]. Untuk meningkatkan pemahaman teori yang diberikan di kelas, hands-on experiment juga sangat diperlukan. Sekali lagi karena ketakmampuan finansial, kit untuk pembelajaran kontrol dari perusahaan penyedia alat-alat pendidikan terkenal [Festo, 2011; Leybold, 2011] tidak dapat dibeli.

Diyakini masih banyak lagi pokok-pokok bahasan di berbagai matakuliah yang diberikan di universitas-universitas di Indonesia belum memiliki kit-kit dan modul-modul praktikum untuk mendukung perkuliahan di kelas. Keterbatasan finansial menjadi penghambat untuk memiliki kit dan modul praktikum yang sangat penting untuk membantu mahasiswa menyerap lebih banyak pengetahuan yang diajarkan di kelas. Karena itu, sejumlah inovasi harus dilakukan agar dapat dihasilkan alat-alat dan modul-modul praktikum yang murah sehingga terjangkau oleh kemampuan finansial universitas-universitas tersebut.

Selanjutnya, banyak institusi pendidikan dan penelitian di Indonesia tidak memiliki peralatan karakterisasi material yang diperlukan seperti I-V Meter, C-V Meter, dan P-E Meter karena peralatan tsb cukup mahal bila dibeli dari perusahaan komersial. Sekali lagi, berbagai inovasi harus dilakukan agar peralatan karakterisasi tersebut murah sehingga penelitian material dapat tetap terus berjalan maju.

Kami akan menggunakan IC dan mikroprosesor/mikrokontroler komersial berbasis devais MOS tersebut untuk untuk melaksanakan darma pendidikan dan darma pengabdian kepada masyarakat

4.  SEJUMLAH INOVASI UNTUK MENDAPATKAN SOLUSI

Untuk mengembangkan material dan devais MOS silikon, idealnya kajian-kajian teori dan eksperimen dilakukan semua. Karena keterbatasan finansial, kajian-kajian eksperimen seperti di negara-negara maju belum dapat dilakukan di Indonesia. Dengan kondisi Indonesia sekarang ini, yang dapat dilaksanakan untuk berkontribusi global adalah melakukan sejumlah inovasi dalam memodelkan arus bocor melalui oksida gerbang. Hal lain yang tetap harus dilakukan adalah membangun sendiri sistem sintesis material dan devais MOS meskipun masih di bawah standar negara-negara maju. Ini agar akumulasi pengetahuan yang telah diperoleh tersebut dapat langsung/mudah menjalankan sistem sintesis seperti negara maju sesaat setelah memiliki kemampuan finansial.

Di samping itu, penggunaan IC dan mikroprosesor/mikrokontroler komersial berbasis transistor-transistor silikon untuk membuat kit-kit atau modul-modul praktikum dan alat-alat karakterisasi telah membantu penyelenggaraan pendidikan di universitas-universitas dan pelaksanaan penelitian di institusi-institusi pendidikan dan penelitian, secara berurutan, untuk menjadi lebih baik lagi.

Di sini akan diuraikan secara singkat 10 inovasi yang kami telah lakukan dalam melaksanakan Tri Darma Perguruan Tinggi secara paripurna dengan kontibusi baik lokal maupun global.

4.1. Model Arus Bocor melalui Oksida Gerbang SiO₂

Hasil komputasi berdasarkan model inovatif yang telah dijelaskan sebelumnya dan menggunakan Persamaan (2) diberikan dalam Gambar 3. Ditunjukkan bahwa rapat arus terobosan langsung (direct tunneling) yang diperoleh dari hasil komputasi sangat cocok dengan rapat arus bocor yang diukur untuk lapisan oksida gerbang SiO₂ dengan ketebalan antara 3,90 hingga 1,65 nm. Fabrikasi devais kapasitor nanoMOS tersebut dan pengukurannya dilakukan di Research Center for Nanodevices and Systems (sekarang bernama Research Institute for Nanodevice and Bio Systems), Universitas Hiroshima, Jepang. Model inovatif ini dapat meramalkan arus bocor yang melalui oksida gerbang SiO₂ yang lebih tipis dari 1,65 nm. Inovasi dalam pemodelan tersebut telah dipublikasikan di jurnal internasional dan memiliki sitasi lebih dari 80 [Khairurrijal, dkk, 2000a; Khairurrijal, dkk, 2000b].

Gambar 3. Rapat arus terobosan langsung sebagai fungsi tegangan oksida. Hasil perhitungan cocok dengan data pengukuran untuk tebal oksida gerbang SiO₂ 1,65-3,90 nm.  

Efek terobosan kuantum seperti waktu terobosan serta dinamika paket gelombang elektron melalui potensial penghalang oksida gerbang SiO₂ juga telah dikaji secara teoretik dan dipublikasikan di jurnal-jurnal internasional dan nasional [Khairurrijal, dkk., 2005; Hamida, dkk., 2006; Noor, dkk., 2007; Noor, dkk., 2010c].  

4.2. Sintesis Dielektrik K-Tinggi Pengganti SiO₂

Dibandingkan dengan fasilitas eksperimen untuk pembuatan kapasitor nanoMOS silikon di negara-negara maju, fasilitas yang ada di Kelompok Keahlian Fisika Material Nano dan Elektronik, FMIPA ITB, masih sangat jauh dari memadai. Meskipun demikian, sintesis lapisan tipis oksida gerbang K tinggi di atas wafer silikon membentuk kapasitor MOS biasa beserta karakterisasinya masih dapat dilakukan dengan berbagai keterbatasan. Lapisan tipis oksida gerbang dengan tetapan dielektrik tinggi seperti CeO₂ dan CeO₂ didadah Nd telah diperoleh dengan menggunakan teknik sputtering dan pulsed-laser ablation deposition (PLAD) yang dibangun sendiri (Gambar 4) dan dikarakterisasi struktur mikroskopik, kristalinitas, dan sifat listriknya. Begitu juga dengan lapisan tipis oksida gerbang SrTiO₃ dan SrTiO₃ didadah Mn dengan menggunakan teknik PLAD.

Gambar 4. Sistem sintesis yang dibangun sendiri. (Kiri) Sputtering dan (Kanan) Pulsed-laser ablation deposition (PLAD).

Inovasi-inovasi dalam sintesis material tetapan dielektrik tinggi CeO₂ dan SrTiO₃ (Gambar 5) untuk membentuk devais MOS silikon biasa dengan fasilitas yang dibangun sendiri tersebut telah dipresentasikan di seminar internasional dan dipublikasikan di jurnal nasional [Darsikin, dkk., 2004; Darsikin, dkk., 2005a; Darsikin, dkk., 2005b; Khairurrijal, dkk., 2004; Nurhasanah, dkk., 2005; Nurhasanah, dkk., 2006a; Nurhasanah, dkk., 2006b].

                                             (a)                                               (b)

Gambar 5. Citra SEM dari (a) Lapisan tipis CeO₂ dan (b) lapisan tipis SrTiO₃ di atas Si (100) yang disintesis dengan sistem sintesis yang dibangun sendiri.

4.3. Model Arus Terobosan melalui Dielektrik K-Tinggi

Hasil komputasi berdasarkan model inovatif yang mempertimbangkan kopling energi transversal dan longitudinal serta massa anisotropik tersebut ditunjukkan dalam Gambar 6. Arus bocor yang diukur melalui lapisan tumpukan oksida gerbang HfSiO_xN/SiO₂ dengan ketebalan SiO₂ 0,5 nm dan HfSiO_xN 2,5 dan 3,5 nm diperoleh dari Research Institute for Nanodevice and Bio Systems, Universitas Hiroshima, Jepang. Didapatkan bahwa hasil komputasi sangat cocok dengan rapat arus bocor yang diukur. Terlihat bahwa ada arus elektron terjadi ketika tegangan oksida cukup tinggi di atas 0,5 V. Hasil lain yang sangat penting adalah bahwa arus lubang (hole) sangat dominan ketika ketika tegangan oksida kurang dari 0,5 V. 

Gambar 6. Rapat arus terobosan sebagai fungsi tegangan oksida. Hasil perhitungan cocok dengan data pengukuran untuk tumpukan oksida gerbang HfSiO_xN/SiO₂. Selain arus elektron, ada juga arus lubang (hole) pada tegangan oksida yang rendah.

            Inovasi dalam pemodelan arus bocor melalui oksida gerbang dielektrik K-tinggi telah mengantarkan penulis sebagai salah seorang pembicara undangan pada konferensi internasional tahunan International Union of Materials Research Societies (IUMRS) di Nagoya, Jepang, tahun 2008 [Khairurrijal, dkk., 2008] dan 2nd International Conference on Computation for Science and Technology di Nigde, Turki, tahun 2012 mendatang [Khairurrijal, dkk., 2012]. Inovasi tersebut juga telah dipublikasikan di jurnal-jurnal internasional [Khairurrijal, dkk., 2009; Noor, dkk., 2010a; Noor, dkk., 2010b].

Gambar 7. Rapat arus terobosan sebagai fungsi tegangan oksida untuk oksida gerbang SiO₂ dengan ketebalan 1,65-3,90 nm. Hasil perhitungan dengan model sekarang lebih mendekati data pengukuran.

Untuk membuktikan bahwa model arus bocor melalui oksida gerbang dielektrik K-tinggi berlaku umum, model tersebut juga diterapkan untuk arus bocor melalui oksida gerbang SiO₂. Ditunjukkan di dalam Gambar 7 bahwa hasil komputasi dengan menggunakan model tersebut lebih baik dibandingkan model yang dikembangkan terdahulu [Noor, dkk., 2010c].

4.4. I-V Meter

Penelitian tentang teknologi vakum, material, biologi hingga ruang angkasa sangat seringmenggunakan elektrometer yang dapat mengukur arus sangat rendah dalam jangkauan fA hingga mA [Acharya, 2006]. Khusus dalam penelitian material maupun devais, elektrometer digunakan untuk mengukur arus di dalam devais dua elektroda seperti dioda, kapasitor metal-insulator-metal (MIM), dan metal-semikonduktor-metal (MSM), serta devais aktif tiga elektroda transistor MOS [Chui, dkk., 2006; Evangelou, dkk., 2007].

Berapa banyak elektrometer di perguruan tinggi dan lembaga penelitian di Indonesia? Ternyata jumlahnya kurang dari jumlah jari sebelah tangan. Ketika dulu melakukan penelitian di Kelompok  Keahlian Fisika Material Elektronik, FMIPA ITB, para mahasiswa pascasarjana dapat bebas menggunakan I-V Meter, yang merupakan kombinasi Programmable Electrometer dan Programmable Voltage Source komersial milik ITB yang ada di FMIPA maupun di Pusat Mikroelektronika. Namun setelah pulang kembali ke perguruan tinggi asal, mereka tidak dapat lagi mengakses dengan mudah I-V Meter tersebut.

Dengan hibah penelitian kompetitif saat ini, sangat sukar bagi bagi mereka untuk memiliki I-V Meter tersebut. Banyak mantan mahasiswa pascasarjana dari Kelompok  Keahlian Fisika Material Elektronik, FMIPA ITB yang telah kembali ke perguruan tinggi asal mereka sangat ingin memiliki I-V Meter dengan harga murah.  Dengan hibah finansial dari sekelompok alumni S1 Fisika FMIPA ITB angkatan 80an, kegiatan rancang bangun I-V Meter dilakukan untuk menghasilkan prototip I-V Meter yang baik dan murah sebagai bagian dari darma pengabdian kepada masyarakat. Metodologi penelitian diterapkan agar mendapatkan kebaruan dalam rancang bangunnya sehingga diharapkan dapat dipublikasikan di jurnal internasional.  

Dari Gambar 8, cara kerja sistem I-V Meter adalah sebagai berikut. Pertama, mikrokontroler SoC 8051F006, yang berisi mikroprosesor dengan transistor MOS,  mengeluarkan bit-bit digital yang diubah menjadi tegangan DC oleh pengubah digital ke analog (DAC/digital to analog converter) sehingga menjadi sumber tegangan terprogram yang keluarannya diatur oleh mikrokontroler. Tegangan keluaran tersebut diterapkan kepada devais uji dan arus mengalir di dalam devais uji tersebut. Arus tersebut dibaca oleh elektrometer arus yang keluarannya berupa tegangan, diubah menjadi digital oleh ADC (analog to digital converter), dan kemudian diberikan ke mikrokontroler.

Dalam satu siklus ini mikrokontroler memiliki sepasang data yaitu tegangan (V) yang diberikan ke devais uji dan arus (I) yang mengalir di dalam devais uji tersebut. Siklus tersebut diulangi lagi untuk tegangan yang berbeda hingga seluruh tegangan yang diinginkan selesai. Pasangan-pasangan data (V,I) tersebut selanjutnya diolah oleh mikrokontroler dan dikirimkan ke komputer melalui protokol komunikasi serial RS232 untuk disimpan atau diperagakan di display dalam bentuk kurva I-V.

Gambar 8. Diagram blok sistem I-V Meter Made in ITB untuk menghasilkan kurva arus-tegangan dari sebuah devais uji.

Elektrometer digital dan sumber tegangan DC terprogram dari sistem I-V Meter Made in ITB tersebut dikalibrasi dengan menggunakan Kalibrator Fluke seri 5100B [Fluke, 1992]. Akhirnya, prototip I-V Meter Made in ITB tersebut selesai dibangun seperti diperlihatkan dalam Gambar 9. Selanjutnya devais uji berupa dua jenis kapasitor MOS disiapkan. Kapasitor MOS pertama dibuat dari MOSFET komersial BS250 dengan elektroda drain (D) dan sumber (S) digabung ke tanah sehingga membentuk kapasitor MOS dengan 2 elektroda. Kapasitor MOS lain difabrikasi di Laboratorium Oksida, KK Fisika Material Elektronik, dengan urutan proses berikut: (a) penyiapan substrat Si, (b) deposisi material oksida SrTiO₃ pada substrat Si tersebut dengan metoda deposisi sputtering, dan (c) metalisasi pada oksida tersebut dengan metoda evaporasi [Darsikin, dkk., 2005a].

Gambar 9. Tampilan I-V Meter Made in ITB. Kurva I-V langsung ditampilkan di layar komputer.

Evaluasi kinerja atas I-V Meter Made in ITB tersebut dilakukan dengan cara membandingkannya dengan Programmable Electrometer Keithley 617. Hasil pembandingan (benchmark) ditunjukkan oleh kurva I-V dari dua kapasitor MOS berbeda, yaitu kapasitor MOS buatan sendiri (Al/SrTiO₃/Si) dan kapasitor MOS dari MOSFET BS250 [Vishay, 2004]. Didapatkan bahwa kedua kurva I-V untuk kedua kapasitor MOS tersebut berhimpit sempurna seperti diberikan dalam Gambar 10, yang menyatakan bahwa kinerja I-V Meter Made in ITB tersebut sama dengan I-VMeter komersial Programmable Electrometer Keithley 617.

Gambar 10. Karakteristik I-V dari kapasitor MOS (a) Al/SrTiO₃/Si dan (b) MOSFET BS250, yang dihasilkan oleh I-V Meter Made in ITB dan Programmable Electrometer Keithley 617.

Akhirnya, prototip I-V Meter murah Made in ITB dengan kebaruan yang inheren di dalamnya menyebabkan deskripsi rancang bangun serta pengujian alat ukur tersebut dapat dipublikasikan di jurnal internasional [Khairurrijal, dkk., 2007a].

Sekarang ini, I-V Meter Made in ITB tersebut telah digandakan lebih dari 20 buah dan ada di 12 universitas yang tersebar di Sumatera, Jawa, dan Sulawesi dan dapat dipandang sebagai usaha menjadi mandiri dan substitusi impor I-V Meter komersial. Selain ada di Institut Teknologi Bandung, I-V Meter tersebut sekarang ada juga di Institut Pertanian Bogor, Universitas Gadjah Mada, Universitas Negeri Padang, Universitas Sriwijaya, Universitas Pendidikan Indonesia, Universitas Islam Negeri Sunan Gunung Djati, Universitas Diponegoro, Universitas Negeri Semarang, Universitas Negeri Sebelas Maret, Universitas Negeri Makassar, dan Universitas Tadulako.

4.5. C-V Meter

Di samping I-V Meter, alat karakterisasi yang populer untuk mengkaji material semikonduktor dan memantau fabrikasi devais semikonduktor adalah C-V Meter. Dengan alat ini, muatan bergerak di dalam oksida, cebakan-cebakan antarmuka, waktu hidup pembawa muatan minoritas, dan profil dadah di silikon dapat diketahui dengan mudah [Schroder, 1990; Sze, 1981]. Alat ini pun lebih sedikit lagi jumlahnya di Indonesia dibanding I-V Meter dan harganya cukup mahal sehingga tak mungkin dibeli dengan dana hibah penelitian biasa yang ada sekarang.  Karena keprihatian tersebut, kegiatan rancang bangun C-V Meter dilakukan untuk menghasilkan prototip C-V Meter yang baik dan murah sebagai bagian dari darma pengabdian kepada masyarakat. Metodologi penelitian juga diterapkan agar mendapatkan kebaruan dalam rancang bangunnya sehingga diharapkan dapat dipublikasikan di jurnal internasional.

Diagram blok dari perangkat keras C-V Meter Made in ITB ditunjukkan dalam Gambar 11. Ia terdiri dari (i) capacitance meter dengan penguat muatan umpan balik dan rangkaian penguat mutlak, (ii) sumber tegangan yang dibangkitkan oleh digital to analog converter (DAC) dari SoC 8051F006, yang berisi mikroprosesor dengan transistor-transistor MOS, dengan sumber tangga tegangan dan penguat jumlah, (iii) komputer dengan komunikasi serial RS-232 dimana tegangan yang diterapkan ke devais uji dan kapasitansinya yang dibaca oleh capacitance meter disimpan ke dalam komputer via komunikasi serial RS-232 tersebut.

Gambar 11. Diagram blok sistem C-V Meter Made in ITB untuk menghasilkan kurva kapasitansi-tegangan dari sebuah devais uji.

                                      

Gambar 12. Kurva C-V dari kapasitor (a). (33±5%) pF dan (b). (1000±15%) pF.

Capacitance meter dan sumber tegangan DC terprogram dari sistem C-V Meter Made in ITB tersebut dikalibrasi dengan menggunakan Kalibrator Fluke seri 5100B [Fluke, 1992]. Akhirnya, prototip C-V Meter tersebut selesai dibangun dan selanjutnya devais uji berupa berbagai kapasitor dan dioda disiapkan. Dengan menerapkan tangga tegangan 20 mV dan waktu tunda 500 ms ke kapasitor 33 pF dan 1000 pF, kurva C-V diperoleh seperti diberikan dalam Gambar 12. Karena kedua kapasitor tersebut adalah kapasitor biasa yang kapasitansinya tak bergantung tegangan, maka Gambar 12 tersebut menegaskan karakteristik tersebut. Variasi nilai kapasitansinya juga masih di dalam batas toleransi yang diizinkan.

Gambar 13. Dioda penyearah 1N4002 yang dipanjar mundur dengan tangga tegangan 10 mV dan waktu tunda 1000 ms. (a) Kurva C-V dan  (b) Plot 1/C² vs V.

Karakteristik C-V dari dioda penyearah umum 1N4002 dengan pemberian tegangan panjar mundur yang menerapkan tangga tegangan 10 mV dan waktu tunda 1000 ms diperlihatkan dalam Gambar 13.(a). Kapasitansi dioda yang terukur pada frekuensi sangat rendah berubah terhadap tegangan panjar mundurnya. Plot 1/C² terhadap tegangan seperti diberikan dalam Gambar 13.(b) menyatakan bahwa dioda tersebut memiliki tipe sambungan abrupt [Sze, 1981].  

Akhirnya, prototip C-V Meter murah Made in ITB dengan kebaruan yang inheren di dalamnya menyebabkan deskripsi rancang bangun serta pengujian alat ukur tersebut dapat dipresentasikan di seminar internasional [Rahmawati, dkk., 2009]. Penyempurnaan masih harus dilakukan agar hasil pengukuran dapat dibandingkan (benchmark) dengan C-V Meter komersial dan kemudian inovasi tersebut dapat disebarkan melalui publikasi di jurnal internasional.

4.6. P-E Meter

Material feroelektrik seperti timbal zirkonium titanat (PZT) atau barium titanat adalah senyawa oksida kompleks dengan sifat-sifat nonlinearits tinggi. Material tersebut memiliki histeresis polarisasi listrik dan sensitivitas terhadap perubahan gaya, perpindahan, dan temperatur sehingga bermanfaat sebagai material memori dan sensor. Di Indonesia, penelitian tentang material feroelektrik cukup hangat terutama untuk digunakan sebagai sensor. Untuk mengkaji material feroelektrik digunakan  P-E Meter, yang memberikan kurva antara polarisasi listrik (P) terhadap medan listrik (E). Jumlah P-E Meter di Indonesia lebih sedikit dibanding I-V Meter dan harganya juga cukup mahal sehingga tak mungkin dibeli dengan dana hibah penelitian biasa yang ada sekarang.  Karena keprihatian tersebut, kegiatan rancang bangun P-E Meter dilakukan dengan Hibah Riset ITB 2011 untuk menghasilkan prototip P-E Meter yang baik dan murah sebagai bagian dari darma pengabdian kepada masyarakat. Dengan menerapkan metodologi penelitian, kebaruan dalam rancang bangunnya akan diperoleh sehingga diharapkan dapat dipublikasikan di jurnal internasional.

Diagram blok dari P-E Meter yang dirancang diberikan dalam Gambar 14. Untuk mendapatkan kurva P-E, rangkaian Sawyer-Tower digunakan. Sebuah sinyal, yang dibangkitkan oleh pembangkit sinyal (SG), diberikan ke rangkaian akuisisi data yang terdiri dari analog to digital converter (ADC), pencacah sinyal (counter), memori statik (SRAM), dan dikendalikan oleh SoC 8051F006 yang berisi mikproprosesor dengan transistor-transistor MOS. Data yang telah diakuisisi tersebut kemudian dikirim melalui komunikasi serial RS-232 ke komputer untuk ditampilkan di layar komputer dalam bentuk kurva P-E.

Gambar 14. Diagram blok P-E Meter Made in ITB yang menggunakan rangkaian Sawyer-Tower untuk menghasilkan kurva P-E.

            Papan rangkaian tercetak yang ditunjukkan dalam Gambar 15 dan Gambar 16 adalah foto-foto sisi atas dan sisi bawah, secara berurutan, yang merupakan terjemahan dari diagram blok dalam Gambar 14. Setiap bagian dari rangkaian tersebut kemudian dikalibrasi dengan menggunakan Kalibrator Fluke seri 5100B [Fluke, 1992] untuk menjamin keakuratan pengukuran. 

Gambar 15. Papan utama pandangan atas : (1) Catu daya; (2) Port masukan ADC1 dan ADC 2; (3) IC Counter untuk pengalamatan pada SRAM; (4) Tegangan keluaran menuju pengkondisi sinyal; (5) Port untuk mengunduh program mikrokontroler; (6) DB9 komunikasi dengan computer

Gambar 16. Papan utama pandangan bawah : (1) Catu daya; (2) RS-232 (MAX232); (3) ADC (AD7656); (4) SoC C8051F005; (5) SRAM

Gambar 17. Kurva P-V yang diperoleh dengan P-E Meter untuk sebuah sampel material PZT dengan luas area 100.000 mikron² dengan frekuensi 500 Hz. Sumbu datar seharusnya kuat medan listrik E, yang diperoleh dari tegangan V dibagi tebal sampel material.

Hasil pengukuran sampel material PZT dengan luas 100.000 mikron² memberikan kurva polarisasi listrik (P) terhadap tegangan (V) seperti diberikan dalam Gambar 17. Sumbu datar seharusnya kuat medan listrik E, yang diperoleh dari tegangan (V) dibagi tebal sampel tersebut. Karena tebal sampel belum sempat diukur maka sumbu datar tetap dinyatakan dalam V tanpa banyak memengaruhi hasil. Bentuk kurva P-V tersebut telah memenuhi harapan sehingga kami yakin bahwa P-E Meter Made in ITB yang baik dan murah akan segera terwujud. Setelah tebal sampel tersebut diketahui, maka kurva P-E diperoleh dan akan dibandingkan (benchmark) dengan P-E Meter komersial dari Radiant Technologies [Radiant, 2011]. Dengan kebaruan yang ada di dalam rancangan P-E Meter Made in ITB tersebut maka kami yakin inovasi tersebut dapat disebarkan melalui publikasi di jurnal internasional.

4.7. Kit Praktikum Karakterisasi Dioda dan Resistor dengan Resistansi Sangat Tinggi

Setelah mengetahui teori tentang komponen elektronik seperti resistor, dioda silikon, dan dioda Zener dari kuliah yang diberikan di kelas, para mahasiswa program sarjana yang mengambil mata kuliah Elektronika di Program Studi Fisika, FMIPA ITB, seyogianya diperkuat dengan praktikum di laboratorium.

Mereka telah mengetahui ada resistansi yang sangat tinggi 100 MΩ ke atas, tetapi tidak mengetahui bagaimana cara mengukurnya. Mereka juga telah diceritakan di dalam kelas bahwa ada arus saturasi yang sangat rendah mendekati nol saat dioda diberi panjar mundur, namun tidak mengetahui berapa besar sesungguhnya. Lebih dari itu, mereka juga telah mengetahui tegangan Zener yang ada di dioda Zener hanya dari kode yang tertera.

Karena potensi I-V Meter Made in ITB tersebut, kegiatan merancang pembelajaran laboratorium yang dapat menjawab ketidaktahuan para mahasiswa yang mengambil mata kuliah Elektronika tersebut dilakukan sebagai bagian dari darma pendidikan/pembelajaran. Sekali lagi, seperti pada kegiatan di darma pengabdian kepada masyarakat, metodologi penelitian juga diterapkan di sini untuk mendapatkan teknologi pembelajaran inovatif. Diharapkan deskripsi tentang teknologi pembelajaran inovatif tersebut dapat juga diterbitkan di jurnal internasional.

Kurva karakteristik I-V untuk resistor 99 MΩ ± 1% dari Ohmite Mfg. Co., dioda silikon 1N4002, dan dioda Zener silikon 1N5918 akan dihasilkan. Dengan menjadikan komponen elektronik sebagai devais uji dan menerapkan tegangan dari sumber tegangan terprogram dari I-V Meter Made in ITB, arus akan mengalir melalui devais uji tersebut dan electrometer digitalnya akan mengukur arus tersebut. Pasangan tegangan yang diterapkan dan arus terukur tersebut dikirim ke komputer.Perangkat lunak komputer kemudian memroses pasangan data tersebut untuk menghasilkan kurva I-V.

Gambar 18 memberikan karakteristik listrik resistor 99 MΩ ± 1% tersebut.Ditunjukkan bahwa arus terukur lebih rendah dari 9x10^-8ampereuntuk tegangan yang diterapkan kurang dari 9 volt.Juga didapatkan bahwa kurva I-V tersebut diberikan oleh persamaan garis lurus I=10^-8 V dengan koefisien regresi linear 0,9995. Karena itu resistansi terukurnya adalah 100 MΩ, yang berada dalam jangkauan 99 MΩ ± 1%.

Gambar 18. Kurva karakteristik resistor 99 MΩ ± 1%.

Kurva I-V dioda silikon 1N4002 yang diberi panjar mundur diperlihatkan dalam Gambar 19. Arus saturasi sekarang terlihat dengan jelas dan semakin membesar bila tegangan panjar mundurnya diperbesar. Pada tegangan mundur 9 V, arus saturasinya sebesar -2×10^-8 A dan dapat mencapai -5×10^-6 A pada tegangan mundur puncak 100 V [Won-Top, 2002].

Gambar 19. Kurva karakteristik dioda silikon 1N4002 yang diberi panjar mundur.

Kurva I-V dioda Zener 1N5918 di bawah panjar mundur diberikan dalam Gambar 20. Didapatkan bahwa tegangan Zenernya adalah 5,1 V. Diperoleh juga arus lutut (knee current) diode tersebut sekira 0,7×10^-3 A. Kedua hasil tersebut memberikan verifikasi atas spesifikasi yang tertulis di datasheet (tegangan Zener 5,1 V dan arus lutut sebesar 1×10^-3 A) [Microsemi, 2011].

Gambar 20. Kurva karakteristik dioda Zener 1N5918 dengan tegangan Zener 5,1 V di bawah panjar mundur.

Inovasi di dalam teknologi pembelajaran tersebut kemudian ditulis dan menghasilkan publikasi di jurnal internasional [Khairurrijal, dkk., 2006]. Modul praktikum akhirnya dibuat dan sekarang digunakan sebagai bagian dari tidak hanya matakuliah wajib Elektronika tetapi juga matakuliah wajib Eksperimen Fisika di Laboratorium Fisika Lanjut, Program Studi Fisika, FMIPA ITB. Modul praktikum ini juga sangat menarik perhatian para kolega di Universitas Pendidikan Indonesia untuk dikaji lebih mendalam.

4.8. Kit Praktikum Sistem Pengukuran

Untuk sistem pengukuran automatik, komputer diperlukan agar automasi dapat berjalan. Komputer dalam bentuk yang sederhana adalah komputer papan tunggal (KPT) yang diagram bloknya diberikan dalam Gambar 21. Tampak depan dari papan rangkaian tercetaknya diperlihatkan  dalam Gambar 22. 

Sebagai jantung dari KPT yang telah dibuat adalah mikrokontroler AT89S52 (kode 1 di dalam Gambar 22), yang berisi mikroprosesor dengan transistor-transistor MOS, dengan periferal lainnya yang cukup lengkap seperti saklar DIP (2),  sebuah pushbutton (3), sebuah keypad (4), 8 light emitting diode (LED) (5), peraga 7-segment (6), sebuah liquidcrystal display (LCD) (7), sebuah analog to digital converter (ADC) (8), 2 potensiometer untuk catu tegangan ke ADC (9), konektor eksternal (10), multiplekser analog (11), dan port komunikasi serial (12) serta parallel (13).

Gambar 21. Diagram blok komputer papan tunggal (KPT) berbasis mikrokontroler AT89S52.

Gambar 22. Tampak muka komputer papan tunggal (KPT) berbasis mikrokontroler AT89S52.

KPT tersebut kemudian dimanfaatkan sebagai sebuah sistem pengukuran seperti diberikan dalam Gambar 23. Temperatur lingkungan dibaca oleh sensor temperatur dan kemudian diakuisisi oleh KPT tersebut. Dengan menghubungkan  KPT tersebut ke program komersial LabView yang ada di komputer, maka data hasil pengukuran temperatur sebagai fungsi waktu dapat diperagakan di bawah LabView.

Gambar 23. Sistem instumentasi untuk pengukuran temperatur air. Kiri: alur sistem pengukuran. Kanan: Sistem pengukuran temperatur. Temperatur sebagai fungsi waktu diperagakan dengan menggunakan LabView.

Modul pembelajaran ini digunakan di matakuliah wajib Sistem Instrumentasi, Program Studi Fisika, FMIPA, ITB, dan inovasi ini kemudian disebarkan melalui publikasi di jurnal internasional [Khairurrijal, dkk., 2007b].

4.9. Kit Praktikum Spektroskopi

            Sebuah spektrofotometer pada dasarnya terdiri dari sebuah spektroskop dan sebuah perekam spektrum yang dihasilkan sepektroskop. Spektrofotometer sederhana telah dirancang menggunakan spektroskop karton keras (Gambar 24) dengan kisi yang dibuat dari potongan DVD (Gambar 25). Untuk merekam spektrumnya, sebuah sensor CMOS yang tersemat pada setiap kamera digital seperti diberikan dalam Gambar 26. Beberapa contoh spektrum yang dihasilkan dari (a) Lampu Philips TLD10W/54, (b) Lampu lucutan cadmium, (c) Lampu lucutan helium diperlihatkan dalam Gambar 27.

   

Gambar 24. (a) Diagram skematik dan (b) foto spektroskop yang dirancang. Kisi (grating) ditempatkan pada kedudukannya dan dilindungi oleh pelindung berbentuk untuk menghalangi cahaya yang mengganggu.

Gambar 25. Kisi di sebelah kanan terbuat dari potongan DVD.

Gambar 26. Spektrofotometer keseluruhan. Kamera digital yang menggunakan sensor CMOS digunakan untuk merekam spektrum yang dihasilkan spektroskop tersebut.

Gambar 27. Citra spektrum yang diambil dengan kamera digital Fujifilm A100 dengan ukuran citra 5 megapiksel: (a) Lampu Philips TLD10W/54, (b) Lampu lucutan cadmium, (c) Lampu lucutan helium.

.

Untuk mendapatkan spektrum yang lebih kuantitatif, kami juga telah membuat program yang dijalankan di komputer untuk hal tersebut sehingga panjang gelombang dan intensitas dari setiap spektrum dapat ditentukan.

Inovasi ini direncanakan akan digunakan untuk matakuliah wajib Eksperimen Fisika, Program Studi Fisika, FMIPA, ITB dan telah dipublikasikan di jurnal internasional baru-baru ini. [Widiatmoko, dkk., 2011].

4.10. Kit Praktikum Kontrol

Sebuah proses yang dikontrol oleh sistem kontrol lup tertutup  dilukiskan secara skematik oleh Gambar 28. Sebuah masukan dan keluaran dari sistem kontrol lup tertutup tersebut adalah set point r(t) dan variabel proses y(t), secara berurutan. Nilai r(t) harus dicapai oleh y(t) yang menjadi variabel untuk dikontrol. Kotak elemen pengukuran (measuring element) digunakan untuk mengukur variabel proses y(t) dan keluaran dari kotak elemen pengukuran tersebut adalah z(t). Selisih antara r(t) dan z(t), yang dinamakan galat e(t), diumpankan ke kotak pengontrol (controller) dengan sebuah aksi kontrol untuk menghasilkan sinyal kontrol u(t). Akhirnya, sinyal kontrol tersebut diberikan ke proses untuk memengaruhi keluaran proses y(t).

Gambar 28. Diagram blok sistem kontrol lup tertutup.

Gambar 29. (a) Diagram blok sistem kontrol temperatur berbasis mikrokontroler PIC 16F877 dan (b) tampak depan sistem kontrol tersebut beserta kotak termalnya.

Sistem kontrol tertutup tersebut diwujudkan dengan membangun sebuah kotak termal sebagai proses dan pengontrol berbasis mikrokontroler PIC 16F877 yang berisi mikroprosesor dengan transistor-transistor MOS. Kotak termal tersebut sangat sederhana; ia terdiri dari sebuah kotak plastik yang mengurung udara dan dilengkapi dengan kipas kecil dan lampu sebagai pemanas. Untuk mengontrol temperatur udara di dalam kotak termal tersebut digunakan dua aktuator dan sebuah sensor temperatur.

 Kit ini telah digunakan dalam pengajaran kontrol di matakuliah pilihan Kapita Selekta Instrumentasi dan mendapat sambutan yang positif dari para mahasiswa. Inovasi ini kemudian disebarkan melalui publikasi di jurnal internasional [Khairurrijal, dkk., 2011].

5.  PERSPEKTIF MASA DEPAN TRANSISTOR NANOMOS

Para peneliti di seluruh dunia sedang bekerja keras untuk terus menciutkan transistor nanoMOS sehingga semakin kecil, murah, dan cepat  serta melepaskan diri dari masalah yang dihadapi dengan miniaturisasi tersebut. Puncaknya, di tahun 2007, transistor nanoMOS dengan tumpukan SiO₂/dielektrik K telah mereduksi harga prosesor berkinerja tinggi dari Intel Corp.  Dapatkah transistor nanoMOS tersebut diciutkan lebih jauh lagi? Tentu saja mungkin hingga ukuran atom dan molekul yang merupakan batas fisik yang tak dapat dilewati lagi. Namun demikian, miniaturisasi lebih lanjut dengan tetap menjaga konsumsi daya sekarang mengarahkan kita mencari geometri atau material alternatif untuk kanal transistor MOS [Ieong, dkk., 2004; Service, 2009].

5.1. Rekayasa Geometri Kanal Transistor nanoMOS

Penanggulangan masalah efek kanal pendek dilakukan dengan merekayasa geometri kanalnya. Salah satu geometri kanal yang menjanjikan adalah nanokawat (nanowire) silikon. Kanal transistor nanoMOS konvensional yang berbentuk planar (bidang) seperti dalam Gambar 30 digantikan dengan nanokawat. Transistor nanoMOS dengan kanal berupa nanokawat semikonduktor tersebut dinamakan MOSFET nanokawat (nanowire MOSFET= NW MOSFET) atau sering disingkat saja sebagai FET nanokawat (nanowire FET=NW FET). Untuk kanal dengan nanokawat silikon (Si) seringkali disingkat dengan SNW MOSFET/FET (silicon nanowire MOSFET/FET) [Cui, dkk., 2003; Duan, dkk., 2003; ITRS, 2009].

Tiga konfigurasi dasar yang mungkin bagi SNW FET diberikan dalam Gambar 31 [Lu dan Lieber, 2008]. Gambar 31.(a) adalah SNW FET dengan gerbang di belakang (back gate) yang memiliki urutan komponen dari bawah ke atas: gerbang (G), lapisan oksida planar, dan nanokawat silikon (Si). Dengan memberikan elektroda sumber (S) dan drain (D) di kedua ujung nanokawat Si tersebut, maka nanokawat Si tersebut berfungsi sebagai kanal. SNW FET dengan gerbang atas setengah silinder (semicylindrical top gate) seperti ditunjukkan dalam Gambar 31.(b) memiliki urutan komponen dari bawah ke atas: lapisan oksida planar, nanokawat Si, lapisan oksida yang menyelimuti setengah lingkaran nanokawat Si tersebut, dan lapisan elektroda gerbang (G) setengah lingkaran yang menyelimuti lapisan oksida setengah lingkaran tersebut. Elektroda sumber (S) dan elektroda drain (D) diberikan di kedua ujung kanal nanokawat Si tersebut. Yang terakhir, Gambar 31.(c) adalah SNW FET dengan gerbang atas silinder penuh (cylindrical gate-all-around). Strukturnya sama dengan yang diberikan dalam Gambar 31.(b) hanya saja lapisan oksida dan gerbangnya menyelimuti lingkaran penuh nanokawat Si tersebut. 

Gambar 30. Transistor nanoMOS konvensional dengan geometri bidang. Sekarang lapisan oksida tersebut berupa tumpukan SiO₂/dielektrik K tinggi atau dielektrik K tinggi saja.

Gambar 31. Skema SNW FET dengan beberapa konfigurasi. (a) gerbang belakang (back gate), (b) gerbang atas setengah silinder (semicylindrical top gate), dan (c) gerbang silinder penuh (cylindrical gate-all-around) [Lu dan Lieber, 2008].

Di samping nanokawat Si yang rebah di atas suatu bidang seperti dijelaskan sebelumnya, nanokawat Si dapat juga berdiri tegak seperti pilar-pilar. Landasan pilar-pilar nanokawat Si tersebut berfungsi sebagai drain (D). Dengan mengoksidasi sebagian sekeliling pilar nanokawat Si sehingga diperoleh oksida SiO₂ dan kemudian membalut oksida tersebut dengan gerbang (G). Di ujung atas pilar nanokawat Si tersebut berfungsi sebagai elektroda sumber (S). Devais yang diperoleh disebut sebagai SNW VSGFET (silicon nanowire vertical surround-gate field-effect transistor) [Goldberger, dkk., 2006; Schmidt, dkk., 2006] seperti diberikan oleh skematik dalam Gambar 32. Salah satu wujud devais ini telah dibuat oleh [Björk, dkk., 2007] seperti diperlihatkan dalam Gambar 33.

Gambar 32. Skematik dari MOSFET kanal-p konvensional (kiri) dan SNW VSGFET (silicon nanowire vertical surround-gate field-effect transistor) [Schmidt, dkk., 2006].

Gambar 33. Contoh sebuah SNW VSGFET. Nanokawat Si berdiameter 60 nm diselubungi oleh SiO₂ setebal 25 nm (kiri). Nanokawat Si/selubung SiO₂ yang dibungkus dengan gerbang Al (tengah). Skematik SNW VSGFET dengan panjang gerbang L_G (kanan) [Bjӧrk, dkk., 2007].

5.2.  Rekayasa Material Kanal Transistor nanoMOS

Selain dengan melakukan rekayasa geometrinya, usaha-usaha yang dilakukan untuk menanggulangi masalah miniaturisasi transistor nanoMOS tersebut dan sekaligus meningkatkan kecepatannya adalah dengan memadukan rekayasa geometri transistor nanoMOS dan material kanalnya. Sebelumnya telah ditunjukkan devais geometri baru berbasis silikon seperti SNWFET dengan nanokawat Si horizontal dan SNW VSGFET yang menggunakan nanokawat Si vertikal. Artinya, nanokawat semikonduktor selain Si dapat digunakan. Beberapa material yang sudah terbukti dapat meningkatkan kecepatan devais, karena mobilitas material tersebut tinggi, adalah SiGe dan semikonduktor III-V seperti GaN, GaP, GaAs, InN, InP, dan InAs.   

Gambar 34. NWFET dengan nanokawat kulit/inti Si/Ge. (a) Skematik nanokawat kulit/inti Si/Ge. (b) Diagram penampang lintang  nanokawat yang menunjukkan profil potensialnya (c) Skematik devais NWFET. (d) Citra SEM tampak atas devais NWFET dengan gerbang (G) bertumpang tindih dengan elektroda sumber (S)/drain (D). Panjang batang skala adalah 500 nanometer. (e) Citra TEM dari penampang lintang devais NW FET dengan ZrO₂ 7 nanometer. Garis-garis titik adalah panduan bagi mata yang menunjukkan batas antara dua material. Panjang batang skala adalah 10 nanometer [Xiang, dkk., 2006].

Devais NWFET dengan nanokawat yang terdiri dari kulit Si dan inti Ge, disingkat kulit/inti Si/Ge, telah direalisasikan dalam eksperimen [Xiang, dkk., 2006]. Nanokawat Si/Ge seperti ditunjukkan dalam Gambar 34.(a) dibuat untuk membentuk gas lubang (hole) di dalam sumur kuantum inti Ge yang dikurung oleh kulit Si (Gambar 34.(b)). Gambar 34.(c) memberikan diagram skematik NWFET dengan elektroda sumber dan drain dari logam Ni serta gerbang Au. Kanalnya terbuat dari nanokawat Si/Ge dan oksidanya adalah ZrO₂. Tampak atas devais tersebut diperoleh dengan SEM seperti diperlihatkan dalam Gambar 34.(d). Gerbang (G) bertumpang tindih dengan elektroda sumber (S) dan drain (D). Nanokawat Si/Ge terlihat melintang dari elektroda S ke D. Gambar 34.(e) memberikan citra TEM dari penampang lintang devais tersebut. Dengan menggunakan batang skala yang panjangnya 10 nm, terlihat bahwa nanokawat Si/Ge dalam devais NWFET tersebut memiliki diameter sekira 15 nm. Nanokawat dengan material campuran Si dan Ge (paduan SiGe) juga telah digunakan sebagai kanal dalam NWFET [Fang, dkk., 2007; Jiang, dkk., 2008; Qi, dkk., 2008].

       Dari rekayasa geometri kanal, yang semula planar kemudian menjadi kawat, dan juga rekayasa material kanal, yang semula silikon (Si) menjadi silikon-germanium (SiGe) atau GaN atau InAs, maka inovasi-inovasi model arus terobosan yang telah diberikan sebelumnya sanagt mungkin untuk diterapkan pada NWFET. Kami sedang bekerja ke arah ini agar tetap dapat berkontribusi global dari darma penelitian meskipun dari Indonesia yang masih memiliki banyak keterbatasan. 
      Pembuatan kit-kit atau modul-modul praktikum masih tetap dilanjutkan sebagai bagian dari pelaksanaan darma pendidikan. Pembuatan alat-alat karakterisasi dan alat-alat ukur murah dan baik yang dapat membantu para peneliti di Indonesia masih akan tetap dilakukan sebagai bagian dari pelaksanaan darma pengabdian kepada masyarakat. Diseminasi inovasi dari adanya kit-kit dan alat-alat karakterisasi tersebut melalui jurnal-jurnal internasional juga tetap berlanjut.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada kolega di KK Fisika Material Elektronik, FMIPA, ITB khususnya alm. Prof. Sukirno, Prof. Mikrajuddin Abdullah, dan Dr. Maman Budiman atas kerja sama yang begitu baik dalam rangka melaksanakan Tri Darma Perguruan Tinggi secara paripurna. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada seluruh mahasiswa kami khususnya Dr. Darsikin (Universitas Tadulako, Palu), Dr. Iis Nurhasanah (Universitas Diponegoro, Semarang), Dr. Lilik Hasanah (Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung), Dr. Fatimah A. Noor (Institut Teknologi Bandung), Dr. Muhammad M. Munir (Institut Teknologi Bandung), Dr. Adibagus Suryamas (Universitas Hiroshima, Jepang), Indra W. Fathona, M.Si. (Universitas Hiroshima, Jepang), Eko Widiatmoko, M.Si. (wiraswasta), dan Arif Surachman, M.Si. (wiraswasta), yang telah bekerja keras bahu-membahu untuk berkontribusi lokal maupun global. Akhirnya, tak lupa penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Prof. Emeritus M. Barmawi (Institut Teknologi Bandung) yang telah menunjukkan kepada kami lapangan riset di bidang frontier, Prof. Emeritus M. Hirose (Jepang) yang telah banyak berperan membentuk karakter sebagai peneliti yang pantang menyerah dan putus asa, Prof. Seiichi Miyazaki (sebelumnya di Universitas Hiroshima dan sekarang di Universitas Nagoya, Jepang) dan Prof. Kikuo Okuyama (Universitas Hiroshima) yang terus melakukan kolaborasi riset dengan kami.  

DAFTAR PUSTAKA

[Acharya, 2000] Y. B. Acharya, “A Wide Range Linear Electrometer”,Review of Scientific Instruments, Vol. 71 (2000), hh. 2585-2588.

[Agilent, 2009] Agilent Technologies, Inc. (2009). “Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer Data Sheet”.

[Baccarani, dkk., 1984] G. Baccarani, M. R. Wordeman, dan R. H. Dennard, “Generalized Scaling Theory and Its Application to a ¼ Micrometer MOSFET Design”, IEEE Transactions Electron Devices, Vol. 31 (1984), hh. 452-462.

[Bardeen, 1961] J. Bardeen, “Tunnelling from a Many-Particle Point of View”, Physical Reviews Letters, Vol. 6 (1961), hh. 57-59.

[Bechhoefer, 2005] J. Bechhoefer, Feedback for Physicists: A Tutorial Essay on Control, Review of Modern Physics, Vol. 77 (2005), hh. , 783–836.

[Björk, dkk., 2007] M. T. Björk, O. Hayden, H. Schmid, H. Riel, dan W. Riess, “Vertical Surround Gated Silicon Nanowire Impact Ionization Field-effect Transistors”, Applied Physics Letters, Vol. 90 (2007), hh. 142110-1/3.

[Chowdry & Misra, 2007] N. A. Chowdhury & D. Misra, “Charge Trapping at Deep States in Hf–Silicate Based High-k Gate Dielectrics”, Journal of Electrochemical Society, Vol. 154 (2007), hh. G30-G37.

[Chui, dkk., 2006] C. O. Chui, F. Ito, dan K. C. Saraswat, “Nanoscale Germanium MOS Dielectrics – Part I: Germanium Oxynitrides”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 53 (2006), hh. 1501-1508.

[Copel, dkk., 2000] M. Copel, M. Gribelyuk, dan E. Gusev, “Structure and Stability of Ultrathin Zirconium Oxide Layers on Si(001)”, Applied Physics Letters,  Vol. 76 (2000), hh. 436-438.

[Cui, dkk., 2003] Y. Cui, Z. Zhong, D. Wang, W. U. Wang, and C. M. Lieber, “High Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors”, Nano Letters, Vol. 3 (2003), hh. 149-152.

[Darsikin, dkk., 2004] Darsikin, Khairurrijal, Sukirno, dan M. Barmawi, “Pengaruh Doping Mn Terhadap Karakteristik Kebocoran Arus Film Tipis SrTiO₃”, Seminar MIPA IV   (Bandung, 6-7 Oktober 2004), hh. 61-63.

[Darsikin, dkk., 2005a] Darsikin, Khairurrijal, Sukirno, dan M. Barmawi, “Sifat Listrik Film Tipis SrTiO₃ untuk Kapasitor MOS”, Jurnal Matematika & Sains, Vol. 10 (2005), hh. 87-91.

[Darsikin, dkk., 2005b] Darsikin, I.Nurhasanah, Khairurrijal, Sukirno, dan M. Barmawi, “Electronic Conduction Mechanisms in SrTiO₃ Thin Films for Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Capacitors”, International Conference on Instrumentation, Communication, and Information Technology (ICICI) 2005 (Bandung, 3-5 August 2005), h. 769.

[Davari, dkk., 1995] B. Davari, R. H. Dennard, dan C. G. Shahidi, “CMOS Scaling for High Performance and Low Power—the Next Ten Years”, Proceedings of  IEEE, Vol. 83 (1995), hh. 595–606.

[Duan, dkk., 2003] X. Duan, C. Niu, V. Sahi, J. Chen, J. W. Parce, S. Empedocles, and J. L. Goldman, “High-performance Thin-film Transistors Using Semiconductor Nanowires and Nanoribbons”, Nature, Vol. 425(6955) (2003), hh. 274-278.

[EE Times, 2011]

http://www.eetimes.com/electronics-news/4215751/PC-processor-market-up-17-6--in-2011--says-IDC# (Situs diakses 6 Mei 2011).

[Evangelou, dkk., 2007] E. K. Evangelou, G. Mavrou, A. Dimoulas, dan N. Konofaos, “Rare Earth Oxides as High-k Dielectrics for Ge Based MOS Devices: An Electrical Study of Pt/Gd₂O₃/Ge Capacitors”, Solid State Electronics, Vol. 51 (2007), hh. 164-169.

[Eweek Europe, 2011]

http://www.eweekeurope.co.uk/news/idc-sees-slowing-growth-of-pc-processor-shipments-22081 (Situs diakses 6 Mei 2011).

[Fang, dkk., 2007] W. W. Fang, N. Singh, L. K. Bera, H. S. Nguyen, S. C. Rustagi, G. Q. Lo, N. Balasubramanian, dan D.-L. Kwong, “Vertically Stacked SiGe Nanowire Array Channel CMOS Transistors”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 28(3) (2007), hh. 211-213.

[Ferrari, dkk., 2007] G. Ferrari, J. R. Watling, S. Roy, J. R. Barker, dan A. Asenov, “Beyond SiO₂ Technology: Simulation of the Impact of High-k Dielectrics on Mobility”, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 353 (2007), hh. 630-634.

[Festo, 2011] Festo Didactic Home Page. Laman: http://www.festo-didactic.com/int-en/ (Situs diakses 6 Agustus 2011).

[Fluke, 1992] Fluke Corp. (1992), “5100B Series Calibrator Instruction Manual”.

[Frank, dkk., 2001] D. J. Frank, R. H. Dennard, E. Nowak, P. M. Solomon, Y. Taur, dan H.-S. P. Wong, ”Device Scaling Limits of Si MOSFETs and Their Application Dependencies”, Proceedings of IEEE, Vol. 89 (2001), hh. 259–288.

[Frank & Taur, 2002] D. J. Frank dan Y. Taur, “Design Considerations for CMOS Near the Limits of Scaling”, Solid State Electronics, Vol. 46 (2002), hh. 315–320.

[Goldberger, dkk., 2006] J. Goldberger, A. I. Hochbaum, R. Fan, dan P. Yang, “Silicon Vertically Integrated Nanowire Field Effect Transistors”, Nano Letters, Vol. 6(5) (2006), hh.973-977.

[Green, dkk., 2001] M. L. Green, E. P. Gusev, R. Degraeve, dan E. Garfunkel, “Ultrathin (<4 nm) SiO₂ and Si-O-N Gate Dielectric Layers for Silicon  Microelectronics: Understanding the Processing, Structure, and Physical and Electrical Limits”, Journal of Applied Physics, Vol. 90 (2001), hh. 2057-2121.

[Gusev, dkk., 2003] E. P. Gusev, C. Cabral Jr, M. Copel, C. D. Emic, dan M. Gribelyuk, “Ultrathin HfO2 Films Grown on Silicon by Atomic Layer Deposition for Advanced Gate Dielectrics Applications”, Microelectronic Engineering, Vol. 69 (2003), hh. 145-151.

[Hamida, dkk., 2006] M. Hamida, Khairurrijal, dan Mikrajuddin, “Dinamika Paket Gelombang Elektron yang Menerobos Penghalang Trapesium dengan Ketebalan Nanometer”, Jurnal Matematika & Sains, Vol. 11 (2006), hh.65-69.

[Harrison, 1961] W. A. Harrison, “Tunneling from an Independent-Particle Point of View”, Physical Reviews, Vol. 123 (1961), hh. 85-89.

[Hori, 1997] T. Hori, Gate Dielectrics and MOS ULSIs: Principles, Technologies, and Applications (New York, Springer, 1997), hh. 105-134.

[Ieong, dkk., 2004] M. Ieong, B. Doris, J. Kedzierski, K. Rim, dan M. Yang, “Silicon Device Scaling to the Sub-10-nm Regime”, Science, Vol. 306 (2004), hh. 2057-2060.

[Intel, 2011]

http://www.intel.com/technology/45nm/index.htm?iid=tech_sil+45nm] (Situs diakses pada 4 Mei 2011).

[ITRS, 2009] International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) – 2009 Edition.

Situs:    http://www.itrs.net/links/2009ITRS/Home2009.htm

[Jiang, dkk., 2008] Y. Jiang, N. Singh, T. Y. Liow, W. Y. Loh, S. Balakumar, K. M. Hoe, C. H. Tung, V. Bliznetsov, S. C. Rustagi, G. Q.   Lo, D. S. H. Chan, dan D. L. Kwong, “Ge-Rich (70%) SiGe Nanowire MOSFET Fabricated Using Pattern-Dependent Ge-Condensation Technique”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 29(6) (2008), hh. 595-598.

[Keithley, 1984] Keithley Instruments (1984), “Model 617 Programmable Electrometer User Manual”, Keithley Instruments Inc, Ohio.

[Khairurrijal, dkk., 2000a] Khairurrijal, W. Mizubayashi, S. Miyazaki, dan M. Hirose, “Analytic Model of Direct Tunnel Current through Ultrathin Gate Oxides”, Journal of Applied Physics, Vol. 87 (2000), hh. 3000-3005.

[Khairurrijal, dkk., 2000b] Khairurrijal, W. Mizubayashi, S. Miyazaki, dan M. Hirose, “Unified Analytic Model of Direct and Fowler-Nordheim Tunnel Currents through Ultrathin Gate Oxides”, Applied Physics Letters, Vol. 77 (2000), hh. 3580-3582.

[Khairurrijal, dkk., 2004] Khairurrijal, Darsikin, dan M. Budiman, “Kapasitor MOS dengan Dielektrik Ceria Amorf”, Jurnal Matematika & Sains, Vol. 9 (2004), hh. 269-272.

[Khairurrijal, dkk., 2005] Khairurrijal, F. A. Noor, dan Sukirno, “Electron Direct Tunneling Time in Heterostructures with Nanometer-Thick Trapezoidal Barriers”, Solid State Electronics, Vol. 49 (2005), hh. 923-927.

[Khairurrijal, dkk., 2006] Khairurrijal, M. Abdullah, M. M. Munir, A. Surachman, dan A. Suhendi, “Low Cost and User-friendly Electronic Components Characterization System for Undergraduate Students”, WSEAS Transactions on Advances in Engineering Education, Vol. 3 (2006), hh. 971-976.

[Khairurrijal, dkk., 2007a] Khairurrijal, M. Abdullah, A. Suhendi, M. M. Munir, dan A. Surachman, “A Simple Microcontroller-Based Current Electrometer Made from LOG112 and C8051F006 for Measuring Current in Metal-Oxide-Semiconductor Devices”, Measurement Science and Technology,  Vol. 18 (2007), hh. 3019-3024.

[Khairurrijal, dkk., 2007b] Khairurrijal, M. M. Munir, A. Suhendi, H. Thaha, dan M. Budiman, “An AT89S52 Microcontroller-based Single Board Computer for Teaching an Instrumentation System Course”, Computer Applications in Engineering Education, Vol. 15 (2007), 166-173.

[Khairurrijal, dkk., 2008] Khairurrijal, F. A. Noor, M. Abdullah, Sukirno, dan S. Miyazaki, “Model of Tunnel Current through High-K Dielectric Stack in MOS with Anisotropic Masses and Parallel-Perpendicular Kinetic Energy Coupling”, IUMRS International Conference in Asia 2008 (IUMRS-ICA 2008)  (Nagoya, 9-13 Desember 2008) [Makalah Undangan].

[Khairurrijal, dkk., 2009] Khairurrijal, F. A. Noor, M. Abdullah,  Sukirno, dan S. Miyazaki, “Theoretical Study on Leakage Current in MOS with High-k Dielectric Stack: Effects on In-Plane-Longitudinal Kinetic Energy Coupling and Anisotropic Masses”, Transactions of Materials Research Society of Japan, Vol. 34 (2009), hh. 291-293.

[Khairurrijal, dkk., 2011] Khairurrijal, M. Abdullah, dan M. Budiman, “Home-Made PIC 16F877 Microcontroller-Based Temperature Control System for Learning Automatic Control”, Computer Applications in Engineering Education, Vol. 19(1) (2011), hh. 10-17.

[Khairurrijal, dkk., 2012] Khairurrijal, F. A. Noor, dan M. Abdullah, “Modeling Leakage Current in an Advanced MOS with High-k Dielectric Stack by Considering Anisotropic Masses and Parallel-Perpendicular Kinetic Energy Coupling”, 2nd International Conference on Computation for Science and Technology (Nigde, Turkey, 9-11 July 2012) [Makalah Undangan].

[Kim, dkk., 2005] M–S.Kim, Y–D. Ko, M. Yun, J-H. Hong, M-C. Jeong, J-M. Myoung, dan I.Yun, “Characterization and Process Effects of HfO₂ Thin Film Grown by Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy”, Materials Science and Engineering B, Vol. 123 (2005), hh. 20-30.

[Leybold, 2011] Leybold Didactic Home Page. Laman: www.leybold-didactic.de/data_e/index.html (Situs diakses 6 Agustus 2011).

[Lu dan Lieber, 2006] W. Lu dan C. M. Lieber, “Semiconductor Nanowires”, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 39 (2006), hh. R387–R406.

[Microsemi, 2011] Microsemi Corp., 1N5913B thru 1N5956B Silicon 1.5 Watt Zener Diodes Datasheet.

[Mizubayashi, dkk., 2004] W. Mizubayashi, N. Yasuda, H. Hisamatsu, K. Iwamoto, K. Tominaga, K. Yamamoto, H. Ota, T. Horikawa, T. Nabatame, dan A. Toriumi, “Effect of the Interfacial SiO2 Layer Thickness on the Dominant Carrier Type in Leakage Currents through HfAlOx∕SiO2 Gate Dielectric Films”, Applied Physics Letters, Vol. 85 (2004), hh. 6227-6229.

[Moore, 1965] G. Moore, “Cramming More Components onto Integrated Circuits”, Electronics, Vol. 38(8), (April 19, 1965).

[Muller, dkk., 1999] D. A. Muller, T. Sorsch, S. Moccio, F. H. Baumann, K. Evans-Lutterodt, and G. Timp, “The Electronic Structure at the Atomic Scale of Ultrathin Gate Oxides”, Nature, Vol. 399 (1999), hh. 758-761.

[Nagano, dkk., 1994] S. Nagano, M. Tsukiji, E. Hasegawa, and A. Ishitani, "Mechanism of Leakage Current Through the Nanoscale SiO2 Layer", Journal of Applied Physics, Vol. 75(7) (1994), hh. 3530-3535.

[Noor, dkk., 2007] F. A. Noor, M. Abdullah, Sukirno, dan Khairurrijal, “Comparison of Electron Direct Tunneling Time in a Heterostructure with a Nanometer-Thick Trapezoidal Barrier Calculated Using Exponential and Airy Wavefunctions”, Indonesian Journal of Physics, Vol. 18 (2007), hh. 1-4.

[Noor, dkk., 2010a] F. A. Noor, M. Abdullah, Sukirno, Khairurrijal, A. Ohta, dan S. Miyazaki, “Electron and Hole Components of Tunneling Currents through an Interfacial Oxide-High-k Gate Stack in Metal-Oxide-Semiconductor Capacitors”, Journal of Applied Physics, Vol. 108(9) (2010), hh. 093711-1 – 093711-5.

[Noor, dkk., 2010b] F. A. Noor, M. Abdullah, Sukirno, dan Khairurrijal, “Comparison of Electron Transmittances and Tunneling Currents in an Anisotropic TiNx/HfO2/SiO2/p-Si(100) Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Capacitor Calculated Using Exponential- and Airy-Wavefunction Approaches and a Transfer Matrix Method”, Journal of Semiconductors, Vol. 31, No. 12 (2010), hh. 124002-1 – 124002-5.

[Noor, dkk., 2010c] F. A. Noor, M. Abdullah, Sukirno, dan Khairurrijal, “Analysis of Electron Direct Tunneling Current through Very-Thin Gate Oxides in MOS Capacitors with the Parallel-Perpendicular Kinetic Energy Components and Anisotropic Masses”, Brazilian Journal of Physics, Vol. 40(4) (2010), hh. 404 – 407.

[Nurhasanah, dkk., 2005] I. Nurhasanah, Darsikin, Khairurrijal, M. Budiman dan Sukirno, “Structural and Electrical Characteristics of Al/CeO₂/Si Structures Fabricated by Using Pulsed-Laser Ablation Deposition Technique”, International Conference on Instrumentation, Communication, and Information Technology (ICICI) 2005 (Bandung, 3-5 Agustus 2005), hh. 459-462.

[Nurhasanah, dkk., 2006a] I. Nurhasanah, Khairurrijal, M. Abdullah, B. Ariwahjoedi, M. Budiman, dan Sukirno, “Karakteristik Arus Film Tipis CeO₂ dan Nd-CeO­₂ yang Dideposisikan di atas Substrat Si(100) Menggunakan Teknik Pulsed-Laser Ablation Deposition (PLAD)”, Jurnal Sains Materi Indonesia, Edisi Khusus (Oktober 2006), hh. 250-253.

[Nurhasanah, dkk., 2006b] I. Nurhasanah, Khairurrijal, M. Abdullah, B. Ariwahjoedi, M. Budiman, dan Sukirno, “Deposisi Film Tipis Ceria Didadah Nd Menggunakan Teknik Pulsed-Laser Ablation Deposition (PLAD)”, Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia, Vol. 7 (2006), hh. 123-130.

[Qi, dkk., 2008] C. Qi, Y. Rangineni, G. Goncher, R. Solanki, K. Langworthy, J. Jordan, “SiGe Nanowire Field Effect Transistors”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 8(1) (2008), hh. 457-460.

[Radiant, 2011] Radiant Technologies, Inc. http://www.ferrodevices.com/1/297/index.asp (Diakses 8 Agustus 2011).

[Rahmawati, dkk., 2009] E. Rahmawati, R. Ekawita, M. Abdullah, dan Khairurrijal, “Low Cost C-V Meter Based on C8051F006 SoC for Characterizing Electronic Materials”, 3rd Asian Physics Symposium (APS 2009) (Bandung, 22 - 23 July 2009), hh. 311-315.

[Rickel, 1989] J. W. Rickel, “Intelligent Computer-aided Instruction: A Survey Organized around System Components”, IEEE Transactions on Systems, Man & Cybernetics, Vol. 19 (1989), hh. 40-57.

[Schenk & Heiser, 1997] A. Schenk & G. Heiser, “Modeling and Simulation of Tunneling through Ultra-thin Gate Dielectrics”, Journal of Applied Physics, Vol. 81 (1997), hh. 7900-7998. 

[Schmidt, dkk. 2006] V. Schmidt, H. Riel, S. Senz, S. Karg, W. Riess, dan U. Gösele, “Realization of a Silicon Nanowire Vertical Surround-Gate Field-Effect Transistor”, Small, Vol. 2(1) (2006), hh. 85-88.

[Schroder, 1990] D. K. Schroder, “Semiconductor Material and Device Characterization”, John Wiley & Sons, Canada, 1990.

[Schulz, 1999] M. Schulz, “The End of the Road for Silicon?”, Nature, Vol. 399 (1999), hh. 729-730.

[Sze, 1981] S. M. Sze, “Physics of Semiconductor Devices”, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Canada, 1981.

[Service, 2009] R. F. Service, “Is Silicon’s Reign Nearing Its End?”, Science, Vol. 323 (2009), hh. 1000-1002.

[Taur, dkk., 1997] Y. Taur, D. A. Buchanan, W. Chen, D. J. Frank, K. E. Ismail, S.-H. Lo, G. A. Sai-Halasz, R. G. Viswanathan, H. C. Wann, S. J. Wind, dan H.-S. P. Wong, “CMOS Scaling into the Nanometer Regime”, Proceedings of IEEE, Vol. 85 (1997), hh. 486–504.

[Vexler, dkk., 2009] M. I. Vexler, A. Kuligk, dan B. Meinerzhagen," Simulation of Hole and Electron Tunnel Currents in MIS Devices Adopting the Symmetric Franz-type Dispersion Relation for the Charged Carriers in Thin Insulators " Solid-State Electronics, Vol. 53 (2009), hh. 364-370.

[Vishay, 2004] Vishay Siliconix, (2004) “TP0610L/T, VP0610L/T, BS250 P-Channel 60-V (D-S) MOSFET Data Sheet”.

[Weinberg, 1982] Z. A. Weinberg, “On Tunneling in Metal-Oxide-Silicon Structures”, Journal of Applied Physics, Vol. 53 (1982), hh. 5052-5056.

[Widiatmoko, dkk., 2011] E. Widiatmoko, Widayani, M. Budiman, M. Abdullah, dan Khairurrijal, “A Simple Spectrophotometer Using Common Materials and a Digital Camera”, Physics Education, Vol. 46(3) (2011), hh. 332-339.

[Wilk, dkk., 2001] G. D. Wilk, R. M. Wallace, and J. M. Anthony, “High-k Gate Dielectrics: Current Status and Materials Properties Considerations”, Journal of Applied Physics, Vol. 89 (2001), hh. 5243-5275.

[Wind, dkk., 1996] S. J. Wind, D. J. Frank, dan H.-S. Wong, “Scaling Silicon MOS Devices to Their Limits”, Microelectronic Engineering, Vol. 32 (1996), hh. 271–282.

[Wong, dkk., 1999] H.-S. P. Wong, D. J. Frank, P. M. Solomon, C. H. J. Wann, dan J. J. Welser, “Nanoscale CMOS”, Proceedings of IEEE, Vol. 87 (1999), hh. 537–570.

[Won-Top, 2002] Won-Top Electronics, “1N4001-1N4007 1.0 A Silicon Rectifiers Datasheet”, (2002).

[Xiang, dkk., 2006] J. Xiang, W. Lu, Y. Hu, Y. Wu, H. Yan, dan C. M. Lieber, “Ge/Si Nanowire Heterostructures as High-performance Field-effect Transistors”, Nature, Vol. 441(7092) (2006), hh. 489–493.

[Yoshida, dkk., 1995] T. Yoshida, D. Imafuku, J. L. Alay, S. Miyazaki and M. Hirose, "Quantitative Analysis of Tunneling Current through Ultrathin Gate Oxides", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 34(2B) (1995), hh. L903-L906.