Sinds grafeen in 2004 voor het eerst mechanisch geërfolineerd werd, is het snel een onderzoekshotspot in de materiaalwetenschap geworden, dankzij het feit dat het kan worden gebruikt om ongelooflijke dingen te doen. De volgende artikelen zullen focussen op hoe het de komende jaren de halfgeleidertechniek zal revolutioneren.
Grafeenmonolagen zijn samengesteld uit koolstofafzettingen met één atoom. Omdat de nucleaire bindingen deze atomen bij elkaar houden, hebben de resulterende structuren buitengewone sterkte. De robuustheid van het materiaal betekent dat het kan presteren in de meest uitdagende werkomgevingen (omgaan met hoge temperaturen en grote storingsspanningen). Daarnaast biedt grafeen een hoger niveau van elektronenmobiliteit (meer dan 130 keer groter dan die van silicium), wat zich vertaalt in extreem aantrekkelijke geleidende eigenschappen.
Er zijn verschillende belangrijke gebieden in micro-elektronica die kunnen profiteren van het gebruik van grafeen. Deze omvatten:
Als aanvulling op halfgeleidertechnologieën met brede bandgap (d.w.z. siliciumcarbide en galliumnitride), zal grafeen enkele van de knelpunten op dit gebied kunnen doorbreken, wat zal leiden tot snellere schakelingen en aanzienlijk verbeterde efficiëntie.
De hoge optische transparantie van Graphene betekent dat het kan worden gebruikt in displays (een alternatief voor de momenteel gebruikte indiumtinoxide films).
Het toevoegen van grafeen aan microprocessorbronnen met hoge dichtheid kan de doorvoer aanzienlijk verhogen. Dit zal helpen om de "Moore's Law" te doorbreken die de halfgeleiderindustrie lang heeft gedefinieerd, en de stroomlekproblemen die worden veroorzaakt door de verhuizing naar kleinere procesknooppunten te overwinnen.
Er is ook een groot marktpotentieel, waaronder Internet of Things (IoT) en andere IoT-apparaten.
Sensoren bieden een aantal zeer lucratieve mogelijkheden voor grafeen. Analistenbureau Research and Markets schat dat de wereldwijde grapheen-gebaseerde sensorbusiness ongeveer $980 miljoen per jaar met 2024 waard zal zijn. De belangrijkste toepassingen die in het recente rapport worden beschreven, zijn biosensoren en opto-elektronische apparaten. Vooral als het gaat om elektronische sensoren, wordt gedacht dat grafeen de eigenschappen heeft die nodig zijn om in de nabije toekomst te functioneren. Het succes van dit materiaal op deze gebieden hangt echter grotendeels af van een efficiënte productiemethode.
Door het verkrijgen van geërfolieerde grafeenvlokken, kunnen bepaalde microelektronische apparaten in kleine batches worden geproduceerd. De wereldwijde micro-elektronica-industrie werkt echter niet op die manier. Dit alles komt door schaalvoordelen, waarbij grote aantallen apparaten tegen lagere eenheidskosten worden vervaardigd. Als grafeen succesvol in een nieuw type microelektronisch apparaat moet worden opgenomen, moet het proces dat wordt gebruikt om grafeen te synthetiseren precies hetzelfde zijn als dat dat wordt gebruikt voor halfgeleiderfabricatie.
De belangrijkste methoden die momenteel worden gebruikt voor grote-area grafeensynthese zijn chemische dampdepositie (CVD) en plasma-versterkte chemische dampdepositie (PECVD). Opgemerkt moet worden dat beide processen aanzienlijke problemen met zich meebrengen.
Bij het produceren van grafeen met behulp van de CVD/PECVD-methode, wordt de synthese uitgevoerd op een metaalkatalysator (meestal koper- of nikkelfolie) in plaats van op het werkelijke halfgeleidersubstrat. Het gesynthetiseerde grafeen moet uit de metaalfolie worden verwijderd en naar het halfgeleidersubstrat worden overgebracht. Daarom is het zeer moeilijk om de zuiverheid en structurele integriteit van grafeen geproduceerd door deze methoden te verzekeren. De aanwezigheid van verontreinigende stoffen vormt een reële bedreiging. Dit kan de metaalfolie zijn die overblijft nadat de chemicaliën die worden gebruikt in het transferproces of de katalysator is gecorrodeerd. Deze verontreinigingen of structurele anomalieën kunnen de prestatieparameters van gesynthetiseerd grafeen negatief beïnvloeden.
Het metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) proces ontwikkeld door Paragraf betekent dat CVD en PECVD niet langer de weg vooruit zijn voor grafeensynthese. Dit gepatenteerde proces is echt uniek omdat het de massaproductie van grafeen en andere tweedimensionale (2D) materialen mogelijk maakt. In tegenstelling tot de reeds besproken CVD/PECVD-regelingen, die overdracht van de ongerepte katalysator vereisen, staat MOCVD de directe gelaagdheid van grafeenmaterialen op halfgeleidersubstraten toe. Onhandige overdrachtsstappen kunnen worden vermeden, zodat verontreiniging niet langer als een probleem wordt beschouwd.
Grafeen kan op een consistente en volledig herhaalbare manier rechtstreeks op full-scale halfgeleiderwafers worden geplaatst. Dit betekent dat idm en fabs het MOCVD-proces zonder onderbreking kunnen integreren in hun reeds bestaande workflows.
Een van de vroege openingen voor grafeen was in de Hall-effect sensor markt. Deze sensoren worden veel gebruikt in industriële en automobielsystemen en bieden een contactloos mechanisme waarmee de fluxdichtheid van een magnetisch veld kan worden bepaald.
Conventionele Hall-effectapparaten hebben een driedimensionaal (3D) sensorelement, waarbij de hoogte van het element de verkregen resultaten beïnvloedt. Magnetische veldcomponenten die niet loodrecht op de richting van het meetelement staan, kunnen een effect hebben op de gedetecteerde magnetische veldsterkte, waardoor een vals getal wordt gegeven. Dit fenomeen wordt het "planar Hall effect" genoemd.
Het onderscheid maken tussen echte en valse signalen betekent dat extra componenten in het signaalconditioneringscircuit moeten worden opgenomen (en dus de materiaallijst moeten verhogen). Anders moeten mogelijk wiskundige modellen worden gebouwd, hoewel dit niet geschikt is voor situaties die realtime meetgegevens vereisen (zoals voertuigveiligheidssystemen, enz.). Andere nadelen van traditionele Hall-effect sensoren zijn dat het dynamische bereik en de nauwkeurigheid worden beïnvloed door temperatuurschommelingen.
Aangezien grafeen een tweedimensionaal materiaal is, heeft het een groot voordeel bij het nauwkeurig meten van magnetische velden, omdat de dikte van het meetelement niet hoeft te worden overwogen. Hall-effectsensoren die grafeenmonolagen gebruiken in plaats van traditionele sensorelementen kunnen hogere nauwkeurigheid ondersteunen, omdat eventuele fouten veroorzaakt door het vlakke Hall-effect kunnen worden geëlimineerd. Andere voordelen om te overwegen omvatten de hogere thermische stabiliteit van grafeen, wat betekent dat elk apparaat dat grafeen als waarnemingselement gebruikt immuun is voor fouten veroorzaakt door temperatuurschommelingen. Hierdoor kunnen deze apparaten worden ingezet in extreme temperatuurtoepassingen.
Elektrische parameters van Hall-effect sensor die getest is op wafer
Graphenen gebaseerde Hall-effect sensoren zijn ook eerder gezien, maar deze sensoren kunnen alleen in kleine series met grote eenheidskosten worden geproduceerd, waardoor de noodzakelijke schaalvoordelen die eerder besproken werden niet worden bereikt. Dankzij het MOCVD-proces kan de GHS-serie van Paragraph de volumes produceren die worden verwacht door industriële en automobielklanten. Deze apparaten worden niet beïnvloed door het vlakke Hall-effect omdat ze afhankelijk zijn van grafeenmonolagen. Daarom bieden ze een grotere nauwkeurigheid bij het bepalen van de sterkte van het magnetische veld. Ze bieden nT-resolutieniveaus zonder extra signaalconditionering hardware nodig te hebben. Daarom is het sensorsysteem lineair. Bovendien hebben ze een groter dynamisch bereik in vergelijking met conventionele Hall-effect sensoren, terwijl ze ook de temperatuurstabiliteit en superieure lineariteit verbeteren.
Voorbeeld van een Paragraf GHS Hall Effect Sensor als eerste in een reeks geavanceerde grafeen gebaseerde apparaten ontwikkeld door Paragraf
Door gebruik te maken van een revolutionair syntheseproces, kan grafeen (en de vele operationele voordelen die ermee gepaard gaan) eindelijk worden gebruikt in commercieel geproduceerde microelektronische apparaten. Fabrikanten van elektronische componenten kunnen nu grote oppervlakte grafeen verkrijgen via Paragraf zonder te worden gehinderd door verontreinigingsproblemen. Hoewel er in het verleden veel pogingen zijn geweest om grafeen levensvatbaar te maken in een micro-elektronische omgeving, is dit de eerste keer dat het daadwerkelijk is bereikt op een manier die voldoet aan de hoge productievereisten die door de industrie worden vereist.
Home
Bellen