Grafens tillämpningspotential i mikroelektroniska produkter

Sedan grafen först exfolierades mekaniskt 2004 har det snabbt blivit en forskningshotspot inom materialvetenskap, tack vare det faktum att det kan användas för att göra otroliga saker. Följande artiklar kommer att fokusera på hur det kommer att revolutionera halvledarteknik under de kommande åren.

Grafenmonoskikt består av enstatomtjocka kolavlagringar. Eftersom kärnbanden håller ihop dessa atomer har de resulterande strukturerna extraordinär styrka. Materialets robusthet gör att det kan prestera i de mest krävande driftsmiljöer (hantera höga temperaturer och stora driftspänningar). Utöver detta erbjuder grafen en högre nivå av elektronmobilitet (mer än 130 gånger större än kiselmobilitet), vilket resulterar i extremt attraktiva ledande egenskaper.

Värdet av grafen i olika grenar av elektronisk teknik

Det finns flera nyckelområden inom mikroelektronik som skulle kunna dra nytta av användningen av grafen. Dessa omfattar följande:

• Kraftsystem - Som komplement till breda bandgap halvledarteknologier (dvs kiselkarbid och galliumnitrid), grafen kommer att kunna bryta igenom några av flaskhalsarna inom detta område, vilket kommer att leda till snabbare växling och avsevärt förbättrad effektivitet.

• Optoelektronik - Grafens höga optiska transparens innebär att den kan användas i skärmar (vilket ger ett alternativ till indiumtennoxidfilmer som används för närvarande).

• Databehandling - Att lägga till grafen till mikroprocessorresurser med hög densitet kan avsevärt öka genomströmningen. Detta kommer att bidra till att bryta igenom "Moores lag" som länge har definierat halvledarindustrin, och övervinna de strömläckageproblem som orsakas av övergången till mindre processnoder.

• Det finns också stor marknadspotential, inklusive Internet of Things (IoT) och andra IoT-enheter.

Sensorer ger några mycket lukrativa möjligheter för grafen. Analysföretaget Research and Markets uppskattar att den globala grafenbaserade sensorverksamheten kommer att vara värd cirka 980 miljoner dollar per år 2024. De huvudsakliga användningsområdena som beskrivs i rapporten är biosensorer och optoelektroniska enheter. Speciellt när det gäller elektroniska sensorer anses grafen ha de egenskaper som behövs för att fungera inom en snar framtid. Framgången för detta material inom dessa områden beror dock till stor del på att ha en effektiv produktionsmetod.

Genom att erhålla exfolierade grafenflingor kan vissa mikroelektroniska enheter produceras i små satser. Men till sin natur fungerar den globala mikroelektronikindustrin inte så. Allt detta beror på stordriftsfördelar, med ett stort antal enheter som tillverkas till lägre enhetskostnader. Om grafen ska integreras framgångsrikt i en ny typ av mikroelektronisk enhet, måste processen som används för att syntetisera grafen vara exakt densamma som den som används för halvledartillverkning.

Syntes av grafen för efterfrågan på hög avkastning

De viktigaste metoderna för grafensyntes med stora ytor är kemisk ångdeposition (CVD) och plasmaförstärkt kemisk ångdeposition (PECVD). Det måste noteras att båda processerna har betydande problem förknippade med dem.

Vid framställning av grafen med CVD/PECVD-metoden utförs syntesen på en metallkatalysator (vanligtvis koppar eller nickelfolie) snarare än på själva halvledarsubstratet. Det syntetiserade grafenet måste avlägsnas från metallfolien och överföras till halvledarsubstratet. Därför är det mycket svårt att säkerställa renheten och strukturell integritet hos grafen som produceras med dessa metoder. Förekomsten av föroreningar utgör ett verkligt hot. Detta kan vara metallfolien som blir kvar efter kemikalierna som används i överföringsprocessen eller katalysatorn har korroderat. Dessa föroreningar eller strukturella avvikelser kan påverka prestandaparametrar för syntetiserat grafen negativt.

Processen för metallorganisk kemisk ångdeposition (MOCVD) som utvecklats av Paragraf innebär att CVD och PECVD inte längre är vägen framåt för grafensyntes. Denna patenterade process är verkligen unik eftersom den möjliggör massproduktion av grafen och andra tvådimensionella (2D) material. Till skillnad från de CVD/PECVD arrangemang som redan diskuterats, som kräver överföring från den orörda katalysatorn, MOCVD tillåter direkt skiktning av grafenmaterial till halvledarsubstrat. Olämpliga överföringssteg kan undvikas, så kontaminering anses inte längre vara ett problem.

Grafen kan placeras direkt på fullskaliga halvledarplattor på ett konsekvent och fullt repeterbart sätt. Detta innebär att idm och fabs kommer att kunna införliva MOCVD-processen i sina redan etablerade arbetsflöden utan avbrott.

Grafenbaserade magnetiska sensorenheter

En av de tidiga öppningarna för grafen var på marknaden för Hall-effekt sensorer. Dessa sensorer används ofta i industri- och fordonssystem och ger en kontaktfri mekanism genom vilken flödestätheten i ett magnetfält kan bestämmas.

Konventionella halleffektenheter har ett tredimensionellt (3D) avkänningselement, där elementets höjd påverkar de erhållna resultaten. Magnetfältskomponenter som inte är vinkelräta mot sensorelementets riktning kan påverka den detekterade magnetiska fältstyrkan och ge ett falskt nummer. Detta fenomen kallas för "planar Hall effekt".

Att skilja mellan sanna och falska signaler innebär att ytterligare komponenter måste ingå i signalkonditioneringen (och därmed öka materialräkningen). Annars kan matematiska modeller behöva byggas, även om detta inte är lämpligt för situationer som kräver mätdata i realtid (t.ex. fordonssäkerhetssystem etc.). Andra nackdelar förknippade med traditionella Hall-effektsensorer är att dynamiskt omfång och noggrannhet påverkas av temperaturvariationer.

Eftersom grafen är ett tvådimensionellt material har det en stor fördel vid noggrann mätning av magnetfält, eftersom tjockleken på sensorelementet inte behöver beaktas. Hall-effektsensorer som använder grafenmonolager istället för traditionella sensorelement kommer att kunna stödja högre noggrannhet, eftersom eventuella fel som orsakas av den plana Hall-effekten kan elimineras. Andra fördelar att överväga är grafens högre termiska stabilitet, vilket innebär att alla enheter som använder grafen som ett avkännande element är immuna mot fel som orsakas av temperaturfluktuationer. Detta gör det möjligt för dessa enheter att distribueras i extrema temperaturapplikationer.

Elektriska parametrar för Hall-effekt sensor die testad på wafer

Grafenbaserade Hall-effektsensorer har också setts tidigare, men dessa sensorer kan endast tillverkas i små satser med stora enhetskostnader, vilket inte lyckas uppnå de nödvändiga stordriftsfördelar som diskuterats tidigare. Tack vare MOCVD-processen kan Paragraphs GHS-sensorserie producera de volymer som förväntas av industri- och fordonskunder. Dessa enheter påverkas inte av den plana halleffekten eftersom de är beroende av grafen monoskikt. Därför ger de större noggrannhet vid bestämning av styrkan i magnetfältet. De ger nT-upplösningsnivåer utan att behöva ytterligare signalkonditionerande hårdvara. Därför är sensorsystemet mer linjärt. Dessutom har de ett större dynamiskt omfång jämfört med konventionella Hall-effektsensorer, samtidigt som de förbättrar temperaturstabilitet och överlägsen linjäritet.

Exempel på en Paragraf GHS Hall Effect Sensor - den första i en serie avancerade grafenbaserade enheter utvecklade av Paragraf

Genom att utnyttja en spelförändrande syntesprocess kan grafen (och de många operativa fördelar som följer med det) äntligen användas i kommersiellt producerade mikroelektroniska enheter. Elektroniska komponenttillverkare kan nu få stor yta grafen genom Paragraf utan att hindras av kontamineringsproblem. Även om det har gjorts många försök att göra grafen livskraftigt i en mikroelektronikmiljö tidigare, är detta första gången det faktiskt uppnåtts på ett sätt som uppfyller de stora produktionskrav som krävs av industrin.