Potensi aplikasi graphene dalam perangkat mikroelektronik

Karena graphene pertama kali dihancurkan secara mekanik pada tahun 2004, ia cepat menjadi titik panas penelitian dalam ilmu materi, berkat fakta bahwa dapat digunakan untuk melakukan hal-hal yang luar biasa. Artikel berikut akan fokus pada bagaimana itu akan revolusi insinyur semikonduktor dalam tahun-tahun ke depan.

Grafen monolayers terdiri dari deposit karbon tebal atom tunggal. Karena ikatan nuklir memegang atom-atom ini bersama-sama, struktur hasilnya memiliki kekuatan luar biasa. Kekuatan materi berarti ia dapat melakukan di lingkungan operasi yang paling menantang (menangani suhu tinggi dan tegangan penghancur besar). Selain ini, graphene menawarkan tingkat lebih tinggi mobilitas elektron (lebih dari 130 kali lebih tinggi dari silikon), yang diterjemahkan menjadi properti konduktif yang sangat menarik.

Nilai Grafen dalam Berbagai Branches of Electronic Engineering

Ada beberapa daerah kunci dalam mikroelektronik yang dapat berguna dari penggunaan graphene. Ini termasuk:

• Sistem listrik - Mengumpulkan teknologi semikonduktor bandgap lebar (i.e. karbid silikon dan nitrid gallium), graphene akan dapat memecahkan beberapa batang botol di bidang ini, yang akan menyebabkan perubahan lebih cepat dan meningkat efisiensi yang signifikan.

• Optoelectronics - Transparensi optik tinggi Graphene berarti bahwa dapat digunakan dalam paparan (menyediakan alternatif untuk film oksid tin indium yang sekarang digunakan).

• Proses data - Menambah graphene ke sumber mikroprosesor densitas tinggi dapat meningkat luas. Ini akan membantu melanggar "Hukum Moore" yang telah lama mendefinisikan industri semikonduktor, dan mengatasi masalah pemadaman listrik yang disebabkan oleh pergerakan ke node proses yang lebih kecil.

• Ada juga potensi pasar yang besar termasuk Internet of Things (IoT) dan perangkat IoT lainnya.

Sensor menunjukkan beberapa kesempatan yang sangat lucratif untuk graphene. Perusahaan analis penelitian dan pasar memperkirakan bahwa bisnis sensor berbasis graphene global akan bernilai sekitar 980 juta dolar setahun sampai 2024. Penggunaan utama yang diterangkan dalam laporan baru-baru ini adalah dalam biosensor dan perangkat optoelektronik. Terutama pada sensor elektronik, graphene dipikir memiliki properti yang diperlukan untuk berfungsi di masa depan yang dekat. Namun, sukses dari bahan ini di bidang-bidang tersebut tergantung pada tingkat besar pada memiliki metode produksi efisien.

Dengan mendapatkan flakes grafen eksfoliated, perangkat mikroelektronik tertentu dapat diproduksi dalam batch kecil. Namun, dengan sifat sendiri, industri mikroelektronik global tidak bekerja seperti itu. Ini semua karena ekonomi skala, dengan jumlah besar perangkat yang diproduksi dengan biaya unit yang lebih rendah. Jika graphene berhasil dimasukkan ke dalam jenis baru perangkat mikroelektronik, proses yang digunakan untuk sintesis graphene harus sama persis dengan yang digunakan untuk pembuatan semikonduktor.

Sintesis Graphene for High Yield Demand

Metode utama yang saat ini digunakan untuk sintesis graphene daerah besar adalah deposisi vapor kimia (CVD) dan deposisi vapor kimia yang meningkat plasma (PECVD). Harus dicatat bahwa kedua proses memiliki masalah yang signifikan yang berhubungan dengan mereka.

Ketika memproduksi graphen menggunakan metode CVD/PECVD, sintesis dilakukan pada katalis logam (biasanya tembaga atau folio nikel) daripada pada substrat semikonduktor sebenarnya. Grafen sintesis harus dihapus dari folio logam dan dipindahkan ke substrat semikonduktor. Oleh karena itu, sangat sulit untuk memastikan kebersihan dan integritas struktur graphene yang diproduksi oleh metode ini. Kehadiran penyakit menyebabkan ancaman nyata. Ini bisa menjadi foli logam yang tersisa setelah bahan kimia yang digunakan dalam proses transfer atau katalis telah berkorod. Kontaminan ini atau anomali struktural dapat mempengaruhi negatif parameter prestasi grafin sintesis.

Proses deposisi paru kimia logam-organik (MOCVD) yang dikembangkan oleh Paragraf berarti CVD dan PECVD tidak lagi jalan maju untuk sintesis graphene. Proses paten ini benar-benar unik karena memungkinkan produksi massa grafin dan materi dua dimensi (2D) lainnya. Tidak seperti persediaan CVD/PECVD yang sudah didiskusikan, yang membutuhkan transfer dari katalis asli, MOCVD memungkinkan lapisan langsung dari bahan graphene ke substrat semikonduktor. Langkah transfer yang tidak nyaman dapat dihindari, jadi kontaminasi tidak lagi dianggap masalah.

Grafen dapat ditempatkan langsung pada wafer semikonduktor skala penuh dengan cara konsisten dan sepenuhnya berulang-ulang. Ini berarti idm dan fabs akan dapat memasukkan proses MOCVD ke dalam aliran kerja mereka yang sudah ditetapkan tanpa gangguan apapun.

Perangkat Sensor Magnetik Berdasarkan Grafen

Salah satu pembukaan awal untuk graphene adalah di pasar sensor efek Hall. Lebih luas digunakan dalam sistem industri dan mobil, sensor-sensor ini menyediakan mekanisme non-kontak dengan mana densitas aliran medan magnetik dapat ditentukan.

Perangkat efek Hall konvensional memiliki elemen sensing tiga dimensi (3D), di mana tinggi elemen mempengaruhi hasil yang diperoleh. Komponen medan magnetik yang tidak bertentangan dengan arah elemen sensasi mungkin memiliki efek pada kekuatan medan magnetik yang terdeteksi, memberikan nomor palsu. Fenomen ini disebut "efek Planar Hall".

Memperbedakan antara sinyal benar dan palsu berarti bahwa komponen tambahan perlu termasuk dalam sirkuit kondisionasi sinyal (dan dengan itu meningkatkan tagihan materi). Jika tidak, model matematika mungkin perlu dibangun, meskipun ini tidak cocok untuk situasi yang membutuhkan data pengukuran waktu nyata (seperti sistem keselamatan kendaraan, dll.). Kegagalan lain yang berhubungan dengan sensor efek Hall tradisional termasuk jarak dinamik dan akurasi terpengaruh oleh variasi suhu.

Karena graphene adalah bahan dua dimensi, ia memiliki keuntungan besar dalam mengukur akurat medan magnet, karena tebal elemen sensasi tidak perlu dipertimbangkan. Sensor efek-Hall yang menggunakan graphene monolayers bukan elemen sensor tradisional akan dapat mendukung akurasi yang lebih tinggi, karena semua kesalahan yang disebabkan oleh efek Hall planar dapat dihilangkan. Keuntungan lain untuk mempertimbangkan termasuk stabilitas panas yang lebih tinggi dari graphene, yang berarti bahwa setiap perangkat yang menggunakan graphene sebagai elemen sensasi adalah imun terhadap kesalahan disebabkan oleh variasi suhu. Ini akan memungkinkan perangkat-perangkat ini digunakan dalam aplikasi suhu ekstrim.

Parameter listrik dari sensor efek Hall mati diuji pada wafer

Sensor efek Hall berbasis Grafen juga telah terlihat sebelumnya, tapi sensor-sensor ini hanya dapat diproduksi dalam batch kecil dengan biaya unit besar, gagal mencapai ekonomi skala yang diperlukan dibahas sebelumnya. Berkat proses MOCVD, seri sensor GHS Paragraph dapat menghasilkan volum yang diharapkan oleh pelanggan industri dan mobil. Perangkat ini tidak terpengaruh oleh efek Planar Hall karena mereka bergantung pada graphene monolayers. Oleh karena itu, mereka memberikan lebih akurasi ketika menentukan kekuatan medan magnetik. Mereka menyediakan tingkat resolusi nT tanpa membutuhkan peralatan kondisionasi sinyal tambahan. Jadi, sistem sensor lebih linear. Selain itu, mereka memiliki jangkauan dinamik yang lebih besar dibandingkan dengan sensor efek Hall konvensional, sementara juga meningkatkan stabilitas suhu dan linearitas superior.

Contoh dari Paragraf GHS Hall Effect Sensor - yang pertama dalam seri perangkat terbasis graphene dikembangkan oleh Paragraf

Dengan menggunakan proses sintesis yang mengubah permainan, graphene (dan banyak keuntungan operasional yang datang dengan itu) akhirnya dapat digunakan dalam perangkat mikroelektronik yang dibuat secara komersial. Manufacturer komponen elektronik sekarang dapat mendapatkan grafin daerah besar melalui Paragraf tanpa diganggu oleh masalah kontaminasi. Meskipun ada banyak percobaan untuk membuat graphene rental dalam lingkungan mikroelektronik di masa lalu, ini adalah pertama kalinya yang sebenarnya telah dicapai dengan cara yang memenuhi kebutuhan produksi volum tinggi yang diperlukan oleh industri.