Потенциал на приложение на графен в микроелектронни устройства

Откакто графенът беше механично ексфолиран за първи път през 2004 г., той бързо се превърна в изследователска гореща точка в материалната наука, благодарение на факта, че може да се използва за правене на невероятни неща. Следните статии ще се фокусират върху това как ще революционира полупроводниковото инженерство през идните години.

Графеновите монопластове са съставени от въглеродни отлагания с дебелина един атом. Тъй като ядрените връзки държат тези атоми заедно, получените структури имат изключителна сила. Здравината на материала означава, че той може да работи в най-трудните работни среди (боравене с високи температури и големи напрежения на повреда). В допълнение към това графен предлага по-високо ниво на електронна мобилност (повече от 130 пъти по-голяма от тази на силиций), което се превръща в изключително атрактивни проводими свойства.

Стойността на графина в различните сфери на електронното инженерство

Има няколко ключови области в микроелектрониката, които биха могли да се възползват от използването на графен. Те включват:

• Енергийни системи - Допълвайки широките лентови полупроводникови технологии (напр. силициев карбид и галиев нитрид), графен ще може да пробие някои от пречките в тази област, което ще доведе до по-бързо превключване и значително подобрена ефективност.

• Оптоелектроника - Високата оптична прозрачност на графина означава, че той може да се използва в дисплеи (като алтернатива на филмите от индиев калай оксид, използвани понастоящем).

• Обработка на данни - Добавянето на графен към микропроцесорни ресурси с висока плътност може значително да увеличи производителността. Това ще помогне да се наруши "Законът на Мур", който отдавна определя полупроводниковата индустрия, и да се преодолеят проблемите с изтичането на мощност, причинени от преминаването към по-малки процесни възли.

• Съществува и голям пазарен потенциал, включително Интернет на нещата и други устройства.

Сензорите представят някои много доходоносни възможности за графен. Анализаторската фирма Изследване и пазари изчислява, че глобалният бизнес със сензори, базирани на графен, ще струва около 980 милиона долара годишно до 2024 г. Основните приложения, очертани в последния доклад, са в биосензорите и оптоелектронните устройства. Особено когато става въпрос за електронни сензори, графен се смята, че има свойствата, необходими за функциониране в близко бъдеще. Въпреки това, успехът на този материал в тези области зависи до голяма степен от наличието на ефективен производствен метод.

Чрез получаване на ексфолирани графинови люспи някои микроелектронни устройства могат да бъдат произведени в малки партиди. Въпреки това, по своята същност глобалната микроелектроника индустрия не работи по този начин. Всичко това се дължи на икономиите от мащаба, като голям брой устройства се произвеждат на по-ниски единични разходи. Ако графен трябва успешно да бъде включен в нов вид микроелектронно устройство, процесът, използван за синтезиране на графен, трябва да бъде точно същият като този, използван за полупроводниково производство.

Синтез на графин за високодоходно търсене

Основните методи, използвани понастоящем за синтез на графен с голяма площ, са химическо отлагане на пара (CVD) и плазмено подобрено химическо отлагане на пара (PECVD). Трябва да се отбележи, че и двата процеса имат значителни проблеми, свързани с тях.

При производството на графен по метода синтезата се извършва върху метален катализатор (обикновено медно или никело фолио), а не върху действителния полупроводников субстрат. Синтезираният графен трябва да бъде отстранен от металното фолио и прехвърлен в полупроводниковия субстрат. Ето защо е много трудно да се гарантира чистотата и структурната цялост на графена, произведен по тези методи. Наличието на замърсители представлява реална заплаха. Това може да е металното фолио, останало след като химикалите, използвани в процеса на прехвърляне или катализаторът е корозирал. Тези замърсители или структурни аномалии могат да повлияят неблагоприятно на показателите на синтезирания графен.

Метало-органичният процес на отлагане на пара (МОСВ), разработен от Параграф, означава, че вече не са пътят напред за синтеза на графен. Този патентован процес е наистина уникален, тъй като позволява масовото производство на графен и други двуизмерни (2материали). За разлика от вече обсъдените договорености, които изискват прехвърляне от девствения катализатор, позволява директно наслояване на графенови материали върху полупроводникови субстрати. Неудобните стъпки за прехвърляне могат да бъдат избегнати, така че замърсяването вече не се счита за проблем.

Графенът може да бъде поставен директно върху пълномащабни полупроводникови пластини по последователен и напълно повтарящ се начин. Това означава, че ще могат да включат процеса в вече установените си работни потоци без никакви прекъсвания.

Устройства за магнитни сензори на базата на графин

Едно от ранните отвори за графен беше на пазара на сензори за хол ефект. Широко използвани в промишлените и автомобилните системи, тези сензори осигуряват безконтактен механизъм, чрез който плътността на потока на магнитното поле може да бъде определена.

Конвенционалните устройства имат триизмерен (3сензорен) елемент, където височината на елемента влияе върху получените резултати. Компонентите на магнитното поле, които не са перпендикулярни на посоката на сензорния елемент, могат да окажат въздействие върху откритата якост на магнитното поле, като дават фалшиво число. Това явление се нарича "ефектът на планарната зала".

Различаването на верни и фалшиви сигнали означава, че в веригата за кондициониране на сигнала трябва да бъдат включени допълнителни компоненти (и по този начин да се увеличи материалната листа). В противен случай може да се наложи да се изградят математически модели, въпреки че това не е подходящо за ситуации, които изискват данни за измерване в реално време (като системи за безопасност на превозните средства и т.н.). Други недостатъци, свързани с традиционните сензори за ефект на Хол, включват, че динамичният диапазон и точността се влияят от температурните вариации.

Тъй като графенът е двуизмерен материал, той има голямо предимство при точно измерване на магнитните полета, тъй като дебелината на сензорния елемент не е необходимо да се разглежда. Сензорите за хол-ефект, които използват графинов монопласт вместо традиционни сензорни елементи, ще могат да поддържат по-висока точност, тъй като всички грешки, причинени от планарния хол ефект, могат да бъдат елиминирани. Други предимства, които трябва да се вземат предвид, включват по-високата термична стабилност на графена, което означава, че всяко устройство, използващо графен като сензорен елемент, е имунизирано към грешки, причинени от температурни колебания. Това ще позволи на тези устройства да бъдат разгърнати в приложения с екстремни температури.

Електрически параметри на сензорната матрица, тествана на пластина

Датчиците, базирани на графин, също са били наблюдавани и преди, но тези сензори могат да бъдат произведени само в малки партиди с големи единични разходи, като не могат да постигнат необходимите икономии от мащаба, обсъдени по-рано. Благодарение на процеса серията сензори може да произведе обемите, очаквани от индустриалните и автомобилните клиенти. Тези устройства не са засегнати от планарния ефект Хол, тъй като те разчитат на графен еднослой. Следователно те осигуряват по-голяма точност при определяне на силата на магнитното поле. Те осигуряват нива на разделителна способност без да се изисква допълнителен хардуер за кондициониране на сигнала. Следователно сензорната система е по-линейна. Освен това те имат по-голям динамичен диапазон в сравнение с конвенционалните сензори за ефект на Хол, като същевременно подобряват температурната стабилност и превъзходната линейност.

Пример за сензор за хол ефект на Параграф - първият от серията от усъвършенствани устройства, базирани на графен, разработени от Параграф

Чрез използване на променящ играта процес на синтез графен (и многото оперативни предимства, които идват с него) най-накрая може да се използва в търговски произведени микроелектронни устройства. Производителите на електронни компоненти вече могат да получат графен с голяма площ чрез Параграф, без да бъдат възпрепятствани от проблеми със замърсяването. Въпреки че в миналото е имало много опити графен да бъде жизнеспособен в микроелектроника среда, това е първият път, когато той действително е постигнат по начин, който отговаря на изискванията за производство на големи обеми, изисквани от индустрията.