Potencial de aplicação do grafeno em dispositivos microeletrônicos

Desde que o grafeno foi esfoliado mecanicamente pela primeira vez em 2004, tornou-se rapidamente um ponto quente da pesquisa na ciência dos materiais, graças ao fato de que ele pode ser usado para fazer coisas incríveis. Os seguintes artigos se concentrarão em como revolucionará a engenharia de semicondutores nos próximos anos.

Monocamadas de grafeno são compostas de depósitos de carbono de espessura única. Como as ligações nucleares mantêm estes átomos juntos, as estruturas resultantes têm uma força extraordinária. A robustez do material significa que ele pode executar nos ambientes operacionais mais desafiadores (lidar com altas temperaturas e grandes tensões de ruptura). Além disso, o grafeno oferece um nível mais alto de mobilidade eletrônica (mais de 130 vezes maior do que o silício), o que se traduz em propriedades condutoras extremamente atraentes.

O valor do grafeno em vários ramos da engenharia eletrônica

Existem várias áreas chave na microeletrônica que poderiam beneficiar do uso do graphene. Estes incluem:

• Sistemas de energia - Complementando tecnologias de semicondutores de banda larga (ou seja, carboneto de silício e nitreto de gálio), o grafeno será capaz de romper alguns dos gargalos neste campo, o que levará a comutação mais rápida e eficiência significativamente melhorada.

• Optoelectronics - A alta transparência óptica do grafeno significa que ele pode ser usado em displays (fornecendo uma alternativa aos filmes de óxido de estanho de índio usados atualmente).

• Processamento de dados - A adição de grafeno aos recursos do microprocessador de alta densidade pode aumentar consideravelmente a taxa de transferência. Isso ajudará a romper a "Lei de Moore", que há muito definiu a indústria de semicondutores, e superar os problemas de vazamento de energia causados pela mudança para nós de processo menores.

• Há também um grande potencial de mercado, incluindo Internet das Coisas (IoT) e outros dispositivos IoT.

Os sensores apresentam algumas oportunidades muito lucrativas para o graphene. A empresa de análise Research and Markets estima que o negócio global de sensores baseados em grafeno valerá cerca de US $ 980 milhões por ano até 2024. Os principais usos descritos em seu recente relatório estão em biossensores e dispositivos optoeletrônicos. Especialmente quando se trata de sensores eletrônicos, o grafeno é pensado para ter as propriedades necessárias para funcionar no futuro próximo. No entanto, o sucesso deste material nestes campos depende em grande medida de ter um método de produção eficiente.

Ao obter flocos esfoliados de grafeno, certos dispositivos microeletrônicos podem ser produzidos em pequenos lotes. No entanto, por sua própria natureza, a indústria global de microeletrônica não funciona dessa maneira. Tudo isso se deve a economias de escala, com um grande número de dispositivos sendo fabricados a custos unitários mais baixos. Se o grafeno deve ser incorporado com sucesso em um novo tipo de dispositivo microeletrônico, o processo usado para sintetizar o grafeno deve ser exatamente o mesmo que aquele usado para a fabricação do semicondutor.

Síntese de grafeno para demanda de alto rendimento

Os principais métodos usados atualmente para a síntese de grafeno de grande área são a deposição química de vapor (CVD) e a deposição química de vapor aumentada por plasma (PECVD). Deve-se notar que ambos os processos apresentam problemas significativos associados a eles.

Ao produzir grafeno usando o método CVD/PECVD, a síntese é realizada em um catalisador de metal (geralmente cobre ou folha de níquel) em vez do substrato real do semicondutor. O grafeno sintetizado deve ser removido da folha metálica e transferido para o substrato semicondutor. Portanto, é muito difícil garantir a pureza e integridade estrutural do grafeno produzido por estes métodos. A presença de poluentes representa uma ameaça real. Esta pode ser a folha de metal deixada após os produtos químicos usados no processo de transferência ou o catalisador ter corroído. Estes contaminantes ou anomalias estruturais podem afetar adversamente os parâmetros de desempenho do grafeno sintetizado.

O processo de deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD) desenvolvido pela Paragraf significa que CVD e PECVD não são mais o caminho a seguir para a síntese de grafeno. Este processo patenteado é verdadeiramente único porque permite a produção em massa de grafeno e outros materiais bidimensionais (2D). Ao contrário dos arranjos CVD/PECVD já discutidos, que exigem transferência do catalisador intocado, MOCVD permite a camada direta de materiais de grafeno em substratos semicondutores. Passos de transferência inconvenientes podem ser evitados, portanto a contaminação não é mais considerada um problema.

O grafeno pode ser colocado diretamente em wafers semicondutores em escala completa em uma maneira consistente e totalmente repetível. Isso significa que idm e fabs serão capazes de incorporar o processo MOCVD em seus fluxos de trabalho já estabelecidos sem qualquer interrupção.

Dispositivos de sensores magnéticos baseados em grafeno

Uma das primeiras aberturas para o graphene estava no mercado do sensor do efeito Hall. Amplamente utilizados em sistemas industriais e automotivos, esses sensores fornecem um mecanismo sem contato pelo qual a densidade de fluxo de um campo magnético pode ser determinada.

Os dispositivos convencionais de efeito Hall possuem um elemento sensorial tridimensional (3D), onde a altura do elemento afeta os resultados obtidos. Os componentes do campo magnético que não são perpendiculares à direção do elemento sensor podem ter um efeito sobre a força do campo magnético detectada, dando um número falso. Este fenômeno é chamado de "efeito Hall planar".

Distinguir entre sinais verdadeiros e falsos significa que componentes adicionais precisam ser incluídos no circuito de condicionamento do sinal (e assim aumentar a lista de materiais). Caso contrário, modelos matemáticos podem precisar ser construídos, embora isso não seja adequado para situações que exigem dados de medição em tempo real (como sistemas de segurança de veículos, etc.). Outras desvantagens associadas aos sensores tradicionais de efeito Hall incluem que a faixa dinâmica e a precisão são afetadas por variações de temperatura.

Uma vez que o grafeno é um material bidimensional, tem uma grande vantagem na medição precisa de campos magnéticos, como a espessura do elemento de detecção não precisa ser considerada. Sensores de efeito Hall que usam monocamadas de grafeno em vez de elementos de sensor tradicionais serão capazes de suportar maior precisão, pois quaisquer erros causados pelo efeito Hall planar podem ser eliminados. Outras vantagens a considerar incluem a maior estabilidade térmica do grafeno, o que significa que qualquer dispositivo usando o grafeno como um elemento de detecção é imune a erros causados por flutuações de temperatura. Isso permitirá que esses dispositivos sejam implantados em aplicações de temperatura extrema.

Parâmetros elétricos do sensor Hall-efeito testado em wafer

Sensores Hall-effect baseados em grafeno também foram vistos antes, mas esses sensores só podem ser produzidos em pequenos lotes com grandes custos unitários, não conseguindo alcançar as economias de escala necessárias discutidas anteriormente. Graças ao processo MOCVD, a série GHS da Parágrafo pode produzir os volumes esperados pelos clientes industriais e automotivos. Estes dispositivos não são afetados pelo efeito Hall planar porque dependem de monocamadas de grafeno. Portanto, proporcionam maior precisão na determinação da força do campo magnético. Eles fornecem níveis de resolução nT sem exigir hardware adicional de condicionamento de sinal. Portanto, o sistema de sensores é mais linear. Além disso, eles têm uma faixa dinâmica maior em comparação com sensores convencionais de efeito Hall, ao mesmo tempo que melhoram a estabilidade da temperatura e linearidade superior.

Exemplo de um Sensor de Efeito Hall GHS Paragraf - o primeiro de uma série de dispositivos avançados baseados em grafeno desenvolvidos pela Paragraf

Ao alavancar um processo de síntese de mudança de jogo, grafeno (e as muitas vantagens operacionais que vêm com ele) pode finalmente ser usado em dispositivos microeletrônicos produzidos comercialmente. Os fabricantes de componentes eletrônicos agora podem obter grafeno de grande área através do Paragraf sem serem prejudicados por problemas de contaminação. Embora tenham havido muitas tentativas para tornar o grafeno viável em um ambiente microeletrônico no passado, esta é a primeira vez que foi realmente alcançado de uma maneira que atenda aos requisitos de produção de alto volume exigidos pela indústria.