グラフェンのマイクロエレクトロニクスデバイスへの応用可能性

グラフェンは、2004年に初めて機械的に剝離されて以来、驚くべきことを行うために使用できるという事実のおかげで、急速に材料科学の研究のホットスポットになりました。以下の記事では、この技術が今後どのように半導体工学に革命をもたらすかに焦点を当てます。

グラフェン単層は、原子1個分の厚さの炭素堆積物で構成されている。核結合がこれらの原子を一緒に保持しているため、得られる構造は並外れた強さを持つ。この材料の堅牢性は、最も困難な動作環境(高温および大きな破壊電圧に対応)でも性能を発揮できることを意味します。さらに、グラフェンはシリコンの130倍以上の高い電子移動度を持ち、非常に魅力的な導電特性を示します。

電子工学の様々な分野におけるグラフェンの価値

グラフェンを利用することで、マイクロエレクトロニクスにはいくつかの重要なメリットがある。ibm社は

• パワーシステム—シリコンカーバイドや窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体技術を補完するグラフェンは、この分野のボトルネックのいくつかを打破することができ、スイッチングの高速化と効率の大幅な改善につながります。

• オプトエレクトロニクス—グラフェンの高い光学透明性は、ディスプレイに使用できることを意味する(現在使用されているインジウムスズ酸化膜の代替となる)。

• 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.

• また、iot (internet of things)やその他のiotデバイスなど、大きな市場の可能性もあります。

センサーはグラフェンにとって非常に有益な機会を提供している。アナリスト会社のresearch and marketsは、世界のグラフベースのセンサー事業が2024年までに年間約9億8000万ドルの価値になると予測しています。最近のレポートで概説されている主な用途は、バイオセンサーと光電子デバイスです。特に電子センサーの分野では、グラフェンは近い将来に必要とされる特性を持っていると考えられています。しかし、これらの分野でのこの材料の成功は、効率的な生産方法を持つことに大きく依存しています。

剝離されたグラフェンフレークを得ることによって、特定のマイクロエレクトロニクスデバイスを少量のバッチで製造することができる。しかし、世界のマイクロエレクトロニクス産業は、その性質上、そのようには機能しません。これはすべて、低単価で大量のデバイスが製造されているという規模の経済のためです。グラフェンを新しいタイプのマイクロエレクトロニクスデバイスに組み込むためには、グラフェンの合成プロセスが半導体製造プロセスと全く同じでなければなりません。

高収率要求のためのグラフェンの合成

現在、大面積グラフェン合成に使用されている主な方法は、化学気相成長(cvd)とプラズマ強化化学気相成長(pecvd)である。両方のプロセスには、それらに関連した重大な問題があることに注意しなければなりません。

cvd / pecvd法でグラフェンを製造する場合、実際の半導体基板上ではなく、金属触媒(通常は銅またはニッケル箔)上で合成する。合成されたグラフェンは、金属箔から除去され、半導体基板に転写される。したがって、これらの方法で製造されたグラフェンの純度や構造完全性を確保することは非常に困難です。汚染物質の存在は本当の脅威をもたらします。これは、移動プロセスで使用される化学薬品や触媒が腐食した後に残された金属箔である可能性があります。これらの汚染物質や構造異常は、合成グラフェンの性能パラメータに悪影響を及ぼす可能性があります。

パラグラフ社が開発した金属有機化学気相成長(mocvd)法は、cvdやpecvdがグラフェン合成のための前進手段ではなくなったことを意味する。グラフェンなどの2次元(2 d)材料の大量生産を可能にするという点で、この特許取得プロセスは極めてユニークです。前述のcvd / pecvd配列とは異なり、mocvdはグラフェン材料を半導体基板上に直接層化することができます。不便な移動手順を避けることができるため、汚染はもはや問題とはみなされません。

グラフェンは、フルスケールの半導体ウエハー上に、一貫性のある完全再現性のある方法で直接配置することができます。つまり、idmと工場は、中断することなくmocvdプロセスを既存のワークフローに組み込むことができます。

グラフベースの磁気センサーデバイス

グラフェンの初期の市場はホール効果センサー市場だった。産業用および車載システムで広く使用されているこれらのセンサは、磁場の磁束密度を測定する非接触機構を提供します。

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".

真の信号と偽の信号を区別することは、信号調整回路に追加の部品を含める必要があることを意味します(そのため、部品表が増加します)。そうでなければ、数学モデルを構築する必要があるかもしれませんが、これはリアルタイムの測定データを必要とする状況(車両安全システムなど)には適していません。従来のホール効果センサに付随するその他の欠点としては、ダイナミックレンジと精度が温度変化の影響を受けることが挙げられます。

グラフェンは2次元材料であるため、検出素子の厚さを考慮する必要がないため、磁場を正確に測定することができます。従来のセンサー素子の代わりにグラフェン単層を使用したホール効果センサーは、平面ホール効果に起因する誤差を排除できるため、より高い精度をサポートすることができます。また、グラフェンの熱安定性が高いことも考慮すべき利点です。これは、グラフェンをセンシング素子として使用するデバイスは、温度変動による誤差の影響を受けないことを意味します。これにより、これらのデバイスを極端な温度のアプリケーションに展開することができます。

ウェーハ上で試験されたホール効果センサダイの電気的パラメータ

グラフェンを使用したホール効果センサも以前から存在していましたが、これらのセンサは大きな単位コストと小ロットでしか製造できず、前述のようなスケールメリットを達成できませんでした。mocvdプロセスのおかげで、段落のghsシリーズのセンサは、産業および自動車の顧客が期待する量を生産することができます。これらのデバイスはグラフェン単層に依存しているため、平面ホール効果の影響を受けません。そのため、磁場の強さを決定する際の精度が向上します。これらのデバイスは、追加のシグナル・コンディショニング・ハードウェアを必要とせずにnt分解能レベルを提供します。したがって、センサシステムはよりリニアになります。さらに、従来のホール効果センサに比べてダイナミックレンジが大きく、温度安定性が向上し、直線性にも優れています。

ghsホール効果センサーの一例- paragrafによって開発された一連の高度なグラフェンベースのデバイスの最初のものです

革新的な合成プロセスを活用することで、グラフェン(およびそれに伴う多くの操作上の利点)を、最終的に商業的に製造されるマイクロエレクトロニクスデバイスに使用することができます。電子部品メーカーは、汚染問題に悩まされることなく、パラグラフを通じて大面積グラフェンを得ることができるようになりました。グラフェンをマイクロエレクトロニクス環境で実用化しようとする試みはこれまでにも数多く行われてきたが、産業界が要求する大量生産の要件を満たす方法で実現されたのは今回が初めてだ。