Aplikační potenciál grafenu v mikroelektronických zařízeních

Vzhledem k tomu, že grafen byl poprvé mechanicky exfoliován v letech 2004, se rychle stal výzkumným hotspotem v materiálové vědě, díky tomu, že může být použit k neuvěřitelným věcem. Následující články se zaměří na to, jak bude revoluce polovodičového inženýrství v nadcházejících letech.

Monovrstvy grafenu jsou složeny z uhlíkových usazenin tlustých jednotlivých atomů. Protože jaderné vazby drží tyto atomy pohromadě, výsledné struktury mají mimořádnou sílu. Robustnost materiálu znamená, že může fungovat i v těch nejnáročnějších provozních prostředích (zvládání vysokých teplot a velkých poruchových napětí). Kromě toho grafen nabízí vyšší úroveň elektronové mobility (více než 130 krát větší než křemík), což se přenáší do extrémně atraktivních vodivých vlastností.

Hodnota grafenu v různých oborech elektronického inženýrství

Existuje několik klíčových oblastí v mikroelektronice, které by mohly mít prospěch z použití grafenu. Mezi ně patří:

• V doplnění širokých polovodičových technologií (např. karbid křemíku a nitrid gallium) bude grafen schopen prolomit některá z úzkých míst v této oblasti, což povede k rychlejšímu spínání a výrazně zlepšení účinnosti.

• Vysoká optická transparentnost grafene znamená, že může být použita v displejích (poskytuje alternativu k indickým oxidům cínu v současnosti používaným).

• Přidáním grafenu do zdrojů mikroprocesorů s vysokou hustotou může výrazně zvýšit propustnost. To pomůže prolomit "Moorův zákon", který dlouho definoval polovodičový průmysl, a překonat problémy s únikem energie způsobené přesunem na menší procesní uzly.

• Existuje také velký tržní potenciál včetně Internetu věcí (IoT) a dalších IoT zařízení.

Senzory představují velmi lukrativní příležitosti pro grafen. Analytická firma Research and Markets odhaduje, že globální obchod se senzory založenými na grafenu bude mít hodnotu cca 980 milionů ročně do 2024. Hlavní využití uvedené v nedávné zprávě jsou v biosenzorech a optoelektronických zařízeních. Zejména pokud jde o elektronické senzory, grafen má vlastnosti potřebné k fungování v blízké budoucnosti. Úspěch tohoto materiálu v těchto oblastech však do značné míry závisí na efektivní výrobní metodě.

Získáním exfoliovaných grafenových vloček lze určitá mikroelektronická zařízení vyrábět v malých sériích. Nicméně globální mikroelektronický průmysl svou podstatou tak nefunguje. To vše je díky úsporám z rozsahu, kdy se vyrábí velké množství zařízení za nižší jednotkové náklady. Pokud má být grafen úspěšně začleněn do nového typu mikroelektronického zařízení, proces syntetizace grafenu musí být přesně stejný jako proces používaný pro výrobu polovodičů.

Syntéza grafenu pro vysokou výtěžnost poptávky

Hlavními metodami, které se v současnosti používají pro velkoplošnou syntézu grafenu, jsou chemická depozice parou (CVD) a plazmově zvýšená chemická depozice parou (PECVD). Je třeba poznamenat, že oba procesy mají s nimi spojené významné problémy.

Při výrobě grafenu metodou CVD/PECVD se syntéza provádí na kovovém katalyzátoru (obvykle měděné nebo niklové fólii) spíše než na skutečném polovodičovém substrátu. Syntetizovaný grafen musí být odstraněn z kovové fólie a přenesen na polovodičový substrát. Proto je velmi obtížné zajistit čistotu a strukturální integritu grafenu vyrobeného těmito metodami. Přítomnost znečišťujících látek představuje skutečnou hrozbu. Může to být kovová fólie, která zbyla po zkorodování chemikálií použitých při přenosovém procesu nebo katalyzátor. Tyto kontaminanty nebo strukturální anomálie mohou nepříznivě ovlivnit výkonnostní parametry syntetizovaného grafenu.

Proces kovově-organické chemické parní depozice (MOCVD) vyvinutý společností Paragraf znamená, že CVD a PECVD již nejsou cestou vpřed pro syntézu grafenu. Tento patentovaný proces je skutečně jedinečný, protože umožňuje hromadnou výrobu grafenu a dalších dvourozměrných (2D) materiálů. Na rozdíl od již diskutovaných CVD/PECVD uspořádání, která vyžadují přenos z nedotčeného katalyzátoru, MOCVD umožňuje přímé vrstvení grafenových materiálů na polovodičové substráty. Lze se vyhnout nepříjemným krokům přenosu, takže kontaminace již není považována za problém.

Grafen lze umístit přímo na plnohodnotné polovodičové destičky konzistentním a plně opakovatelným způsobem. To znamená, že idm a fabs budou moci začlenit proces MOCVD do již zavedených pracovních postupů bez jakéhokoliv narušení.

Magnetická senzorová zařízení na bázi grafenu

Jeden z prvních otevřených míst pro grafen byl na trhu snímačů Hallových efektů. Tyto senzory jsou široce používané v průmyslových a automobilových systémech a poskytují bezkontaktní mechanismus, pomocí kterého lze určit hustotu toku magnetického pole.

Konvenční Hallová efektová zařízení mají trojrozměrný (3D) snímací prvek, kde výška prvku ovlivňuje získané výsledky. Součásti magnetického pole, které nejsou kolmé na směr snímacího prvku, mohou mít vliv na sílu detekovaného magnetického pole a uvádět falešné číslo. Tento jev se nazývá "plochý Hall efekt".

Rozlišování mezi skutečným a falešným signálem znamená, že do obvodu úpravy signálu musí být zahrnuty další komponenty (a tím zvýšení počtu materiálů). V opačném případě může být nutné vytvořit matematické modely, ačkoli to není vhodné pro situace, které vyžadují měřicí údaje v reálném čase (například bezpečnostní systémy vozidel apod.). Další nevýhody spojené s tradičními snímači Hallového efektu zahrnují, že dynamický rozsah a přesnost jsou ovlivněny změnami teploty.

Vzhledem k tomu, že grafen je dvourozměrný materiál, má velkou výhodu při přesném měření magnetických polí, protože tloušťka snímacího prvku není třeba brát v úvahu. Hallové senzory, které používají grafenové monovrstvy namísto tradičních senzorových prvků, budou schopny podporovat vyšší přesnost, protože veškeré chyby způsobené rovinným Hallovým efektem lze eliminovat. Další výhody, které je třeba zvážit, zahrnují vyšší tepelnou stabilitu grafenu, což znamená, že každé zařízení používající grafen jako snímací prvek je imunní vůči chybám způsobeným kolísáním teploty. To umožní nasazení těchto zařízení v extrémních teplotách.

Elektrické parametry Hallového senzoru testované na destičce

Snímače Hallového efektu na bázi grafenu byly také viděny již dříve, ale tyto senzory mohou být vyráběny pouze v malých sériích s velkými jednotkovými náklady, což nedokáže dosáhnout potřebných úspor z rozsahu, které byly diskutovány dříve. Díky procesu MOCVD dokáže Paragraph snímače GHS produkovat objemy očekávané průmyslovými a automobilovými zákazníky. Tato zařízení nejsou ovlivněna rovinným Hallovým efektem, protože spoléhají na grafenové monovrstvy. Proto poskytují větší přesnost při určování síly magnetického pole. Poskytují úrovně rozlišení nT bez nutnosti dalšího hardwaru pro úpravu signálu. Proto je senzorový systém lineárnější. Navíc mají větší dynamický rozsah ve srovnání s konvenčními snímači Hallového efektu a zároveň zlepšují teplotní stabilitu a vynikající linearitu.

Příklad snímače hallového efektu Paragraf GHS je první ze série pokročilých grafenových zařízení vyvinutých společností Paragraf

Díky využití procesu syntézy, který mění hru, může být grafen (a mnoho provozních výhod, které s ním souvisejí) konečně použit v komerčně vyráběných mikroelektronických zařízeních. Výrobci elektronických komponent mohou nyní získat velkoplošný grafen prostřednictvím Paragrafu, aniž by jim bránili problémy s kontaminací. Zatímco v minulosti bylo mnoho pokusů udělat grafen životaschopný v mikroelektronickém prostředí, je to poprvé, co bylo skutečně dosaženo způsobem, který splňuje velkoobjemové výrobní požadavky vyžadované průmyslem.