Institut Teknologi Bandung

Prof. Pepen membuka orasinya dengan menilik kembali Hadiah Nobel 2014 di bidang Fisika: penemuan efficient blue light emitting diode atau LED biru yang efisien oleh Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, dan Shuji Nakamura. Dengan adanya penemuan tersebut, cahaya putih–gabungan cahaya merah, hijau, dan biru–dapat menjadi lebih terang dan hemat energi. Mengingat pemanfaatan cahaya putih yang luas, penemuan tersebut memiliki dampak besar di berbagai bidang.

Beliau lalu menyoroti komponen semikonduktor pada LED dan sedikit tentang teori bandgap energy “energi celah pita”. Setiap semikonduktor memiliki dua pita energi, yaitu konduksi dan valensi, dengan lebar celah pita yang berbeda-beda. Saat elektron berpindah dari pita konduksi ke valensi, foton akan dihasilkan dengan warna yang bergantung pada lebar celah pita yang dilaluinya. LED biru sendiri menggunakan material tipis berlapis yang terdiri atas galium nitrida (GaN), aluminium galium nitrida (AlGaN), dan indium galium nitrida (InGaN).

Lebih dalam terkait GaN, untuk dapat dimanfaatkan sebagai komponen LED, galium nitrida diharapkan memiliki struktur kristal tunggal. Namun demikian, pembuatan via pelelehan stoikiometri sulit dilakukan karena kondisi pelelehan ekstrem yang dimiliki senyawa tersebut.

Alternatifnya, metode MOCVD yang menumbuhkan kristal GaN di atas substrat dari reaksi antara amonia dengan bahan metalorganik, seperti trimetilgalium (TMGa). Setelah TMGa dipanaskan pada suhu sekitar 400 derajat Celsius dan amonia pada sekitar 1000 derajat Celsius, atom-atom galium dan nitrogen akan bergabung dengan substrat. Metode ini populer karena dapat menghasilkan lapisan tipis GaN berkualitas tinggi. Namun, suhu penumbuhan yang tinggi memiliki risiko interdifusi, segregasi, dan interkorporasi atom-atom sehingga kualitasnya tidak selalu baik.

Solusinya, Prof. Pepen bersama timnya mengembangkan metode plasma-assisted MOCVD (PA-MACVD). Daripada amonia, digunakan plasma nitrogen yang diperoleh dari gas nitrogen murni yang diberikan gelombang mikro. Penggunakan plasma nitrogen memungkinkan penumbuhan semikonduktor dilakukan pada suhu yang lebih rendah, yaitu 680 °C.

Untuk semikonduktor paduan lainnya, seperti GaSb dan GaAs, Prof. Pepen menjelaskan secara selayang pandang bahwa penumbuhannya dilakukan dengan sistem dan prinsip yang mirip. Secara umum, telah dikembangkan tiga sistem reaktor untuk MOCVD, yaitu dengan dengan bantuan plasma, termal, dan yang khusus untuk semikonduktor oksida.

Perjalanan penelitian tim Prof. Pepen dalam semikonduktor telah menghasilkan banyak tonggak pencapaian, seperti penumbuhan GaN, GaAs, dan GaSb pertama kali di Indonesia pada 1999–2000; penumbuhan semikonduktor terner, yaitu AlGaSb dan AlGaN, yang diapresiasi oleh Umesh Mishra; menumbuhkan GaNaS, dan GaAsSb; dan menumbuhkan diluted magnetic semiconductor yang potensial untuk spintronik.

Beliau lalu menceritakan tantangan-tantangan yang dihadapi selama penelitian, seperti harga mesin MOCVD dan sumber TMGa yang mahal, perlunya fasilitas clean room untuk pembuatan divais, dan komunitas penelitian terkait MOCVD yang masih kecil.

“Banyak sekali kesulitan, di tengah-tengah kesulitan, banyak sekali kesempatan-kesempatan,” ujarnya, interpretasi dari kutipan Albert Einstein. Beliau juga mengutip perkataan Guy Kawasaki, bahwa ide-ide memang sederhana, tetapi implementasinya sulit.

Berasal dari Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik, Prof. Pepen aktif melakukan penelitian di topik-topik terkait, seperti semikonduktor paduan dan oksida, film tipis ferroelektrik, serta deposisi film tipis. Atas dedikasinya tersebut, beliau telah menerima banyak penghargaan, seperti Ganesa Wira Adiutama pada 2020 dan Satyalancana Karya Satya pada 2022.

Reporter: Reza Pahlawan (Aktuaria, 2020)