Potenziale di applicazione del grafene nei dispositivi microelettronici

Dal momento che il grafene è stato esfoliato meccanicamente per la prima volta nel 2004, è rapidamente diventato un hotspot di ricerca nella scienza dei materiali, grazie al fatto che può essere utilizzato per fare cose incredibili. I seguenti articoli si concentreranno su come rivoluzionerà l'ingegneria dei semiconduttori negli anni a venire.

I monostrati di grafene sono composti da depositi di carbonio di spessore singolo atomo. Poiché i legami nucleari tengono insieme questi atomi, le strutture risultanti hanno una forza straordinaria. La robustezza del materiale consente di funzionare negli ambienti operativi più difficili (gestire alte temperature e grandi tensioni di guasto). Oltre a questo, il grafene offre un livello superiore di mobilità elettronica (più di 130 volte superiore a quella del silicio), che si traduce in proprietà conduttive estremamente attraenti.

Il valore del grafene in vari rami dell'ingegneria elettronica

Ci sono diverse aree chiave nella microelettronica che potrebbero beneficiare dell'uso del grafene. Tra questi figurano:

• Sistemi di alimentazione - Completando le tecnologie dei semiconduttori a banda larga (ad esempio carburo di silicio e nitruro di gallio), il grafene sarà in grado di superare alcuni dei colli di bottiglia in questo campo, il che porterà a commutazione più rapida e significativamente migliorata l'efficienza.

• Optoelettronica - L'elevata trasparenza ottica del Graphene significa che può essere utilizzato nei display (fornendo un'alternativa ai film di ossido di stagno di indio attualmente utilizzati).

• Elaborazione dei dati - L'aggiunta di grafene alle risorse del microprocessore ad alta densità può aumentare notevolmente il throughput. Questo aiuterà a superare la "Legge di Moore" che ha definito a lungo l'industria dei semiconduttori e superare i problemi di perdita di potenza causati dal passaggio a nodi di processo più piccoli.

• C'è anche un grande potenziale di mercato, tra cui Internet of Things (IoT) e altri dispositivi IoT.

I sensori presentano alcune opportunità molto redditizie per il grafene. La società di analisi Research and Markets stima che il business globale dei sensori basati su grafene varrà circa 980 milioni di dollari all'anno entro il 2024. Gli usi principali delineati nel suo recente rapporto sono nei biosensori e nei dispositivi optoelettronici. Soprattutto quando si tratta di sensori elettronici, si pensa che il grafene abbia le proprietà necessarie per funzionare nel prossimo futuro. Tuttavia, il successo di questo materiale in questi campi dipende in larga misura dall'avere un metodo di produzione efficiente.

Ottenendo fiocchi di grafene esfoliati, alcuni dispositivi microelettronici possono essere prodotti in piccoli lotti. Tuttavia, per sua stessa natura, l'industria globale della microelettronica non funziona in questo modo. Tutto ciò è dovuto alle economie di scala, con un gran numero di dispositivi fabbricati a costi unitari inferiori. Se il grafene deve essere incorporato con successo in un nuovo tipo di dispositivo microelettronico, il processo utilizzato per sintetizzare il grafene deve essere esattamente lo stesso utilizzato per la fabbricazione dei semiconduttori.

Sintesi del grafene per la domanda ad alto rendimento

I metodi principali attualmente utilizzati per la sintesi del grafene su larga area sono la deposizione chimica di vapore (CVD) e la deposizione chimica di vapore potenziata al plasma (PECVD). Va notato che entrambi i processi hanno problemi significativi associati ad essi.

Quando si produce grafene utilizzando il metodo CVD/PECVD, la sintesi viene effettuata su un catalizzatore metallico (solitamente rame o foglio di nichel) piuttosto che sul substrato semiconduttore effettivo. Il grafene sintetizzato deve essere rimosso dalla lamina metallica e trasferito al substrato semiconduttore. Pertanto, è molto difficile garantire la purezza e l'integrità strutturale del grafene prodotto con questi metodi. La presenza di inquinanti rappresenta una minaccia reale. Questo potrebbe essere il foglio metallico rimasto dopo che le sostanze chimiche utilizzate nel processo di trasferimento o il catalizzatore si è corroso. Questi contaminanti o anomalie strutturali possono influenzare negativamente i parametri di prestazione del grafene sintetizzato.

Il processo di deposizione di vapore chimico metallo-organico (MOCVD) sviluppato da Paragraf significa che CVD e PECVD non sono più la strada da seguire per la sintesi del grafene. Questo processo brevettato è davvero unico perché consente la produzione di massa di grafene e altri materiali bidimensionali (2D). A differenza delle disposizioni CVD/PECVD già discusse, che richiedono il trasferimento dal catalizzatore incontaminato, MOCVD consente la stratificazione diretta dei materiali di grafene su substrati semiconduttori. I passaggi di trasferimento scomodi possono essere evitati, quindi la contaminazione non è più considerata un problema.

Il grafene può essere posizionato direttamente su wafer semiconduttori su scala intera in modo coerente e completamente ripetibile. Ciò significa che idm e fabs saranno in grado di incorporare il processo MOCVD nei loro flussi di lavoro già stabiliti senza alcuna interruzione.

Dispositivi di sensori magnetici a base di grafene

Una delle prime aperture per il grafene era nel mercato dei sensori Hall-effetto. Ampiamente utilizzati nei sistemi industriali e automobilistici, questi sensori forniscono un meccanismo senza contatto attraverso il quale è possibile determinare la densità di flusso di un campo magnetico.

I dispositivi ad effetto Hall convenzionali hanno un elemento di rilevamento tridimensionale (3D), in cui l'altezza dell'elemento influisce sui risultati ottenuti. Componenti del campo magnetico che non sono perpendicolari alla direzione dell'elemento sensibile possono avere un effetto sulla forza del campo magnetico rilevato, dando un numero falso. Questo fenomeno è chiamato "effetto Hall planare".

Distinguere tra segnali veri e falsi significa che componenti aggiuntivi devono essere inclusi nel circuito di condizionamento del segnale (e quindi aumentare la bolletta dei materiali). In caso contrario, potrebbe essere necessario costruire modelli matematici, anche se questo non è adatto a situazioni che richiedono dati di misurazione in tempo reale (come sistemi di sicurezza dei veicoli, ecc.). Altri svantaggi associati ai sensori tradizionali effetto Hall includono che la gamma dinamica e la precisione sono influenzate dalle variazioni di temperatura.

Poiché il grafene è un materiale bidimensionale, ha un grande vantaggio nella misurazione accurata dei campi magnetici, in quanto lo spessore dell'elemento sensibile non deve essere considerato. I sensori ad effetto Hall che utilizzano monostrati di grafene invece degli elementi tradizionali del sensore saranno in grado di supportare una maggiore precisione, in quanto eventuali errori causati dall'effetto Hall planare possono essere eliminati. Altri vantaggi da considerare includono la maggiore stabilità termica del grafene, il che significa che qualsiasi dispositivo che utilizza il grafene come elemento sensibile è immune agli errori causati dalle fluttuazioni di temperatura. Ciò consentirà a questi dispositivi di essere distribuiti in applicazioni a temperature estreme.

Parametri elettrici del sensore Hall-effect die testato su wafer

Sono stati visti anche sensori ad effetto Hall basati su grafene, ma questi sensori possono essere prodotti solo in piccoli lotti con costi unitari elevati, non riuscendo a raggiungere le necessarie economie di scala discusse in precedenza. Grazie al processo MOCVD, i sensori della serie GHS di Paragraph possono produrre i volumi attesi dai clienti industriali e automobilistici. Questi dispositivi non sono influenzati dall'effetto Hall planare perché si basano su monostrati di grafene. Pertanto, forniscono una maggiore precisione nella determinazione della forza del campo magnetico. Forniscono livelli di risoluzione nT senza richiedere hardware aggiuntivo di condizionamento del segnale. Pertanto, il sistema del sensore è più lineare. Inoltre, hanno una gamma dinamica più ampia rispetto ai sensori ad effetto Hall convenzionali, migliorando al contempo la stabilità della temperatura e la linearità superiore.

Esempio di un sensore ad effetto Hall GHS Paragraf - il primo di una serie di dispositivi avanzati a base di grafene sviluppati da Paragraf

Sfruttando un processo di sintesi rivoluzionario, il grafene (e i numerosi vantaggi operativi che ne derivano) può finalmente essere utilizzato in dispositivi microelettronici prodotti commercialmente. I produttori di componenti elettronici possono ora ottenere grafene di grande area attraverso Paragraf senza essere ostacolati da problemi di contaminazione. Mentre ci sono stati molti tentativi di rendere il grafene vitale in un ambiente microelettronico in passato, questa è la prima volta che è stato effettivamente raggiunto in un modo che soddisfa i requisiti di produzione ad alto volume richiesti dall'industria.