A grafén alkalmazási potenciálja mikroelektronikus eszközökben

Mióta a grafént először mechanikusan hámlasztották 2004-ben, gyorsan az anyagtudomány kutatási forrópontjává vált, annak a ténynek köszönhetően, hogy hihetetlen dolgokat lehet használni. A következő cikkek arra összpontosítanak, hogy hogyan fogja forradalmasítani a félvezető mérnöki tervezést az elkövetkező években.

A grafén monorétegek egyatomvastag szénlerakódásokból állnak. Mivel a nukleáris kötések összetartják ezeket az atomokat, a létrejött struktúrák rendkívüli erővel rendelkeznek. Az anyag robusztussága azt jelenti, hogy a legnagyobb kihívást jelentő üzemi környezetekben is teljesíthet (magas hőmérséklet és nagy meghibásodási feszültség kezelése). Ezenkívül a grafén magasabb szintű elektronmobilitást kínál (több mint 130-szor nagyobb, mint a szilícium), ami rendkívül vonzó vezető tulajdonságokat eredményez.

A grafén értéke az elektronikus mérnöki ágazatokban

A mikroelektronika számos kulcsfontosságú területe létezik, amelyek előnyösek lehetnek a grafén használatából. Ezek közé tartozik a következők:

• Energiarendszerek - A széles sávú félvezető technológiák (pl. szilícium-karbid és gallium-nitrid) kiegészítésével a grafén képes lesz áttörni néhány szűk keresztmetszetet ezen a területen, ami gyorsabb kapcsoláshoz és jelentősen javult hatékonysághoz vezet.

• Optoelektronika - A grafén magas optikai átlátszósága azt jelenti, hogy kijelzőkben is használható (alternatívát jelent a jelenleg használt indium ón-oxid filmek).

• Data processing - Adding graphene to high-density microprocessor resources can greatly increase throughput. This will help to break through the "Moore's Law" that has long defined the semiconductor industry, and overcome the power leakage problems caused by the move to smaller process nodes.

• Nagy piaci potenciállal rendelkezik, beleértve a dolgok internetét (IoT) és más IoT eszközöket is.

Az érzékelők nagyon jövedelmező lehetőségeket kínálnak a grafén számára. A Research and Markets elemző cég becslése szerint a globális grafén alapú érzékelő üzlet 2024-re évente körülbelül 980 millió dollárt fog érni. A legutóbbi jelentésben felvázolt főbb felhasználások bioszenzorok és optoelektronikai eszközök. Különösen, ha elektronikus érzékelőkről van szó, úgy gondolják, hogy a grafén rendelkezik a közeljövőben működő tulajdonságokkal. Ennek az anyagnak a sikere ezeken a területeken azonban nagymértékben a hatékony gyártási módszertől függ.

A hámlasztott grafén pelyhek előállításával bizonyos mikroelektronikus eszközöket kis tételekben lehet előállítani. Természetéből adódóan azonban a globális mikroelektronikai ipar nem így működik. Mindez a méretgazdaságosságnak köszönhető, mivel nagyszámú eszközt alacsonyabb egységköltséggel gyártanak. Ahhoz, hogy a grafént sikeresen beépítsük egy új típusú mikroelektronikus eszközbe, a grafén szintetizálásához használt folyamatnak pontosan ugyanannak kell lennie, mint a félvezető gyártáshoz használt folyamatnak.

Grafén szintézise a nagy hozamú keresletre

A nagyterületű grafénszintézis fő módszerei a kémiai gőzlerakódás (CVD) és a plazma-fokozott kémiai gőzlerakódás (PECVD). Meg kell jegyezni, hogy mindkét folyamatnak jelentős problémái vannak velük kapcsolatban.

A grafén CVD/PECVD módszerrel történő előállításakor a szintézis fémkatalizátoron (általában réz vagy nikkelfólia) történik, nem pedig a tényleges félvezető szubsztráton. A szintetizált grafént el kell távolítani a fémfóliából, és át kell vinni a félvezető szubsztrátumba. Ezért nagyon nehéz biztosítani az ilyen módszerekkel előállított grafén tisztaságát és szerkezeti integritását. A szennyezőanyagok jelenléte valódi veszélyt jelent. Ez lehet az átadási folyamatban használt vegyi anyagok vagy a katalizátor korróziója után maradt fémfólia. Ezek a szennyeződések vagy strukturális anomáliák hátrányosan befolyásolhatják a szintetizált grafén teljesítményparamétereit.

A Paragraf által kifejlesztett fém-szerves kémiai gőzlerakódási (MOCVD) folyamat azt jelenti, hogy a CVD és a PECVD már nem jelentik a grafén szintézisének előrehaladását. Ez a szabadalmaztatott eljárás valóban egyedülálló, mert lehetővé teszi a grafén és más kétdimenziós (2D) anyagok tömeggyártását. A már tárgyalt CVD/PECVD elrendezésekkel ellentétben, amelyek az érintetlen katalizátorból történő átvitelt igénylik, a MOCVD lehetővé teszi a grafén anyagok közvetlen rétegezését félvezető szubsztrátokra. A kellemetlen átviteli lépések elkerülhetők, így a szennyeződés már nem tekinthető problémának.

A grafén közvetlenül a teljes méretű félvezető lemezekre helyezhető el következetes és teljesen ismételhető módon. Ez azt jelenti, hogy az idm és a fabs zavarok nélkül beépítheti a MOCVD folyamatot a már létrehozott munkafolyamataikba.

Grafén alapú mágneses érzékelő eszközök

A grafén egyik korai megnyitása a Hall-effektus érzékelő piacon volt. Az ipari és autóipari rendszerekben széles körben használt érzékelők érintésmentes mechanizmust biztosítanak, amellyel meghatározható a mágneses tér fluxussűrűsége.

Conventional Hall effect devices have a three-dimensional (3D) sensing element, where the height of the element affects the results obtained. Magnetic field components that are not perpendicular to the direction of the sensing element may have an effect on the detected magnetic field strength, giving a false number. This phenomenon is called the "planar Hall effect".

A valódi és hamis jelek megkülönböztetése azt jelenti, hogy további komponenseket kell beépíteni a jelkondicionáló áramkörbe (és ezáltal növelni kell az anyagszámlát). Ellenkező esetben matematikai modelleket kell építeni, bár ez nem alkalmas olyan helyzetekre, amelyek valós idejű mérési adatokat igényelnek (például járműbiztonsági rendszerek stb.). A hagyományos Hall-effektus érzékelőkkel kapcsolatos további hátrányok közé tartozik, hogy a dinamikai tartományt és a pontosságot befolyásolják a hőmérséklet-változások.

Mivel a grafén kétdimenziós anyag, nagy előnnyel rendelkezik a mágneses mezők pontos mérésében, mivel az érzékelő elem vastagságát nem kell figyelembe venni. A hagyományos érzékelőelemek helyett grafén monorétegeket használó Hall-effektus érzékelők nagyobb pontosságot tudnak támogatni, mivel a sík Hall hatás által okozott hibák kiküszöbölhetők. További előnyök, amelyeket figyelembe kell venni, közé tartozik a grafén magasabb hőstabilitása, ami azt jelenti, hogy bármely, a grafént érzékelő elemként használó eszköz immunis a hőmérsékleti ingadozások által okozott hibákkal szemben. Ez lehetővé teszi, hogy ezeket az eszközöket extrém hőmérsékletű alkalmazásokban telepítsék.

A Hall-effektus érzékelő elektromos paraméterei lemezen vizsgált

Grafén alapú Hall-effektus érzékelők is láthatók korábban, de ezeket az érzékelőket csak kis tételekben lehet előállítani, nagy egységköltséggel, nem tudják elérni a korábban tárgyalt szükséges méretgazdaságosságot. A MOCVD eljárásnak köszönhetően a Paragrapy GHS sorozatú érzékelői az ipari és autóipari ügyfelek által elvárt mennyiségeket tudják előállítani. Ezeket az eszközöket nem befolyásolja a sík Hall hatás, mert grafén monorétegekre támaszkodnak. Ezért nagyobb pontosságot biztosítanak a mágneses tér erősségének meghatározásakor. NT felbontási szinteket biztosítanak anélkül, hogy további jelkondicionáló hardvert igényelne. Ezért az érzékelőrendszer lineárisabb. Ezenkívül nagyobb dinamikatartománnyal rendelkeznek a hagyományos Hall-effektus érzékelőkhöz képest, miközben javítják a hőmérséklet stabilitását és a kiváló linearitást.

Példa egy Paragraf GHS Hall Effect Sensor - az első a Paragraf által fejlesztett fejlett grafén alapú eszközök sorozatában

A játékot megváltoztató szintézisfolyamat kihasználásával a grafén (és a vele járó számos működési előny) végre felhasználható kereskedelmi forgalomban gyártott mikroelektronikus eszközökben. Az elektronikus alkatrészek gyártói most nagy területű grafént kaphatnak a Paragraf segítségével anélkül, hogy akadályoznák a szennyeződési problémák. Bár a múltban sok kísérlet történt arra, hogy mikroelektronikai környezetben életképessé tegyék a grafén életképességét, ez az első alkalom, hogy ténylegesen olyan módon sikerült elérni, amely megfelel az iparág által megkövetelt nagy mennyiségű termelési követelményeknek.