Grafeeni kasutamise potentsiaal mikroelektroonilistes seadmetes

Alates sellest, kui grafeen esmakordselt mehaaniliselt kooriti 2004. aastal, on sellest kiiresti saanud materjaliteaduse uuringute kuumpunkt tänu asjaolule, et seda saab kasutada uskumatute asjade tegemiseks. Järgmised artiklid keskenduvad sellele, kuidas see pöörab pooljuhtide inseneri revolutsiooni tulevastel aastatel.

Grafeeni monokihid koosnevad ühe aatomi paksustest süsiniku ladestustest. Kuna tuumasidemed hoiavad neid aatome koos, on saadud struktuuridel erakordne tugevus. Materjali vastupidavus tähendab, et see suudab toimida kõige keerulisemates töökeskkondades (kõrgete temperatuuride ja suurte purunemispingetega toimetulek). Lisaks sellele pakub grafeen kõrgemat elektronide liikuvust (rohkem kui 130 korda suuremat kui räni), mis tähendab äärmiselt atraktiivseid juhtivaid omadusi.

Grafeeni väärtus erinevates elektroonika valdkondades

Mikroelektroonikas on mitmeid võtmevaldkondi, mis võiksid grafeeni kasutamisest kasu saada. Nende hulka kuuluvad:

• Elektrisüsteemid – Täiendades laia ribavahe pooljuhtide tehnoloogiat (nt ränikarbiid ja galliumnitriid), suudab grafeen läbi murda mõned kitsaskohad selles valdkonnas, mis viib kiirema vahetamise ja märkimisväärse tõhususe.

• Optoelektroonika - Grafeeni suur optiline läbipaistvus tähendab, et seda saab kasutada ekraanides (pakkudes alternatiivi praegu kasutatavatele indiumtinaoksiidikilele).

• Andmetöötlus - Grafeeni lisamine suure tihedusega mikroprotsessori ressurssidele võib oluliselt suurendada läbilaskevõimet. See aitab murda läbi "Moore'i seaduse", mis on pikka aega määratlenud pooljuhtitööstust, ja ületada väiksematele protsessisõlmedele ülemineku põhjustatud võimsuslekkeprobleemid.

• Samuti on olemas suur turupotentsiaal, sealhulgas asjade internet (IoT) ja muud IoT seadmed.

Andurid pakuvad grafeenile väga tulusaid võimalusi. Analüüsibüroo Research and Markets hinnangul on globaalne grafeenil põhinev andurite äri 2024. aastaks väärt umbes 980 miljonit dollarit aastas. Hiljutises aruandes kirjeldatud peamised kasutusalad on biosensorites ja optoelektroonilistes seadmetes. Eriti elektrooniliste andurite puhul arvatakse, et grafeenil on lähitulevikus toimimiseks vajalikud omadused. Kuid selle materjali edukus nendes valdkondades sõltub suures osas tõhusast tootmismeetodist.

Kooritud grafeenihelveste saamisel saab teatavaid mikroelektroonilisi seadmeid toota väikestes partiides. Ülemaailmne mikroelektroonika tööstus ei tööta siiski oma olemuselt nii. See kõik on tingitud mastaabisäästust, kus suur hulk seadmeid toodetakse madalama ühikukuludega. Kui grafeen soovitakse edukalt integreerida uut tüüpi mikroelektroonilise seadmega, peab grafeeni sünteesimiseks kasutatav protsess olema täpselt sama, mida kasutatakse pooljuhtide valmistamisel.

Grafeeni süntees suure tootlikkusega nõudluse jaoks

Peamised meetodid, mida praegu kasutatakse suure ala grafeeni sünteesiks, on keemiline aurusadestamine (CVD) ja plasma-tõhustatud keemiline aurusadestamine (PECVD). Tuleb märkida, et mõlemal protsessil on nendega seotud märkimisväärsed probleemid.

Grafeeni tootmisel CVD/PECVD meetodi abil toimub süntees pigem metallikatalüsaatoril (tavaliselt vask- või nikkelfooliumil) kui tegelikul pooljuhtkonstraadil. Sünteesitud grafeen tuleb metallifooliumist eemaldada ja üle kanda pooljuht substraadile. Seetõttu on nende meetodite abil toodetud grafeeni puhtuse ja struktuurilise terviklikkuse tagamine väga raske. Saasteainete olemasolu kujutab endast tõelist ohtu. See võib olla metallifoolium, mis jääb üle pärast ülekandeprotsessis kasutatud kemikaalide või katalüsaatori söövitamist. Need saasteained või struktuurilised anomaaliad võivad negatiivselt mõjutada sünteesitud grafeeni jõudlusparameetreid.

Paragrafi poolt välja töötatud metalli-orgaaniline keemiline auru sadestamise protsess (MOCVD) tähendab, et CVD ja PECVD ei ole enam tee grafeeni sünteesi. See patenteeritud protsess on tõeliselt unikaalne, sest see võimaldab grafeeni ja muude kahemõõtmeliste (2D) materjalide massitootmist. Erinevalt juba arutatud CVD/PECVD korraldustest, mis nõuavad ülekandmist puutumatult katalüsaatorilt, võimaldab MOCVD grafeenimaterjalide otsest kihistamist pooljuhtpindadele. Ebamugavaid ülekandesamme saab vältida, nii et saastumist ei peeta enam probleemiks.

Grafeeni saab paigutada otse täismahulistele pooljuhtplaatidele järjepidevalt ja täielikult korratavalt. See tähendab, et idm ja fabs saavad MOCVD protsessi oma juba väljakujunenud töövoogudesse segamata kaasata.

Grafeenipõhised magnetiandurid

Grafeeni üks varajastest avadest oli Hall-efekti andurite turul. Laialdaselt kasutatavad need andurid tööstus- ja autotööstussüsteemides, pakuvad kontaktivaba mehhanismi, mille abil saab määrata magnetvälja voolutiheduse.

Tavapärastel Hall efektiseadmetel on kolmemõõtmeline (3D) sensorielement, kus elemendi kõrgus mõjutab saadud tulemusi. Magnetvälja komponendid, mis ei ole sensorielemendi suunaga risti, võivad mõjutada tuvastatud magnetvälja tugevust, andes valearvu. Seda nähtust nimetatakse planaarseks Halli efektiks.

Tõeliste ja valesignaalide eristamine tähendab, et signaali konditsioneerimisahelasse tuleb lisada täiendavad komponendid (ja seega suurendada materjalide arvet). Vastasel juhul võib olla vaja ehitada matemaatilisi mudeleid, kuigi see ei sobi olukordades, kus on vaja reaalajas mõõtmisandmeid (nt sõiduki ohutussüsteemid jne). Teised traditsiooniliste Hall-efekti anduritega seotud puudused on see, et temperatuurimuutused mõjutavad dünaamilist vahemikku ja täpsust.

Kuna grafeen on kahemõõtmeline materjal, on sellel suur eelis magnetväljade täpsel mõõtmisel, kuna sensorielemendi paksust ei ole vaja arvestada. Hall-efekti andurid, mis kasutavad grafeeni monokihte traditsiooniliste andurielementide asemel, suudavad toetada suuremat täpsust, sest tasapinnalisest Hall-efektist tulenevad vead on võimalik kõrvaldada. Teised eelised, mida tuleb kaaluda, on grafeeni kõrgem termiline stabiilsus, mis tähendab, et iga seade, mis kasutab grafeeni sensorina, on immuunne temperatuurikõikumistest tingitud vigadele. See võimaldab neid seadmeid kasutada äärmusliku temperatuuriga rakendustes.

Hall-efekti anduri surve elektrilised parameetrid testitud plaadil

Grafeenipõhiseid Hall-efekti andureid on ka varem nähtud, kuid neid saab toota ainult väikestes partiides suurte ühikukuludega, mis ei saavuta vajalikku mastaabisäästu, mida varem arutati. Tänu MOCVD protsessile suudavad paragrahvi GHS-seeria andurid toota tööstus- ja autotööstusklientide oodatavaid mahtusid. Neid seadmeid ei mõjuta tasakaalne Hall efekt, sest nad tuginevad grafeeni monokihtidele. Seetõttu tagavad nad magnetvälja tugevuse määramisel suurema täpsuse. Need tagavad nT eraldusvõime tasemed ilma täiendava signaali konditsioneerimise riistvara vajamata. Seetõttu on andurisüsteem lineaarsem. Lisaks on neil tavapäraste Hall-efekti anduritega võrreldes suurem dünaamiline vahemik, parandades samas temperatuuristabiilsust ja suurepärast lineaarsust.

Paragraf GHS Hallefekti anduri näide – esimene Paragrafi arendatud grafeenipõhiste seadmete seeriast

Võimendades mängu muutvat sünteesiprotsessi, saab grafeeni (ja paljusid sellega kaasnevaid operatiivseid eeliseid) lõpuks kasutada kaubanduslikult toodetud mikroelektroonilistes seadmetes. Elektrooniliste komponentide tootjad saavad nüüd Paragrafi kaudu suure pindalaga grafeeni, ilma et neid takistaks saastumise probleemid. Kuigi varem on olnud palju katseid teha grafeen elujõuliseks mikroelektroonika keskkonnas, on see esimene kord tegelikult saavutatud viisil, mis vastab tööstuse nõutavatele suurte tootmismahtude nõuetele.