Потенциал применения графина в микроэлектронных устройствах

С тех пор как графин был впервые механически отшелушен в 2004 году, он быстро стал точкой исследования в материаловедения, благодаря тому, что он может быть использован для невероятных вещей. Следующие статьи будут посвящены тому, как это революционизировать полупроводниковой инженерии в ближайшие годы.

Моноляры графена состоят из однотомных углеродных отложений. Из-за того, что ядерные связи удерживают эти атомы вместе, образующиеся структуры обладают необычайной силой. Прочность материала означает, что он может работать в самых сложных условиях эксплуатации (при высоких температурах и больших напряжениях разрушения). Кроме того, графен предлагает более высокий уровень электронной мобильности (более чем в 130 раз выше, чем кремний), что приводит к чрезвычайно привлекательным токопроводящим свойствам.

Значение графена в различных отраслях электронной инженерии

Существует несколько ключевых областей микроэлектроники, в которых использование графена могло бы принести пользу. К их числу относятся:

• Энергетические системы — дополняя широкий диапазон полупроводниковых технологий (например, карбид кремния и нитрид Галлия), графин сможет преодолеть некоторые узкие места в этой области, что приведет к более быстрому переключению и значительному повышению эффективности.

• Оптоэлектроника-высокая оптическая прозрачность графена означает, что он может использоваться в дисплеях (обеспечивая альтернативу используемым в настоящее время пленкам оксида олова индиума).

• 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.

• Существует также большой потенциал рынка, включая интернет вещей (IoT) и другие IoT устройств.

Сенсоры предоставляют очень выгодные возможности для графена. Аналитическая фирма Research and Markets считает, что глобальный бизнес датчиков на основе графики будет стоить около 980 миллионов долларов в год к 2024 году. Основные виды применения, описанные в ее последнем докладе, связаны с использованием биодатчиков и оптоэлектронных устройств. Особенно когда речь идет об электронных сенсорах, графен, как полагают, обладает свойствами, необходимыми для функционирования в ближайшем будущем. Однако успех этого материала в этих областях в значительной степени зависит от наличия эффективного метода производства.

При получении отшелушированных графоленовых хлопок некоторые микроэлектронные устройства могут быть изготовлены небольшими партиями. Однако в силу самой своей природы глобальная микроэлектронная промышленность не работает таким образом. Все это объясняется экономией за счет эффекта масштаба, поскольку большое количество устройств производится по более низким удельным затратам. Для того чтобы графин был успешно интегрирован в новый тип микроэлектронного устройства, процесс синтеза графина должен быть точно таким же, как и процесс, используемый для изготовления полупроводников.

Синтез графена для удовлетворения высокого спроса на урожай

Основными методами, используемыми в настоящее время для синтеза крупногабаритного графена, являются химическое осаждение паров (кп) и плазменное химическое осаждение паров (пехвд). Следует отметить, что оба процесса имеют существенные проблемы, связанные с ними.

При производстве графина методом CVD/PECVD синтез производится на металлическом катализаторе (обычно на медной или никелевой фольге), а не на фактическом полупроводниковом субстре. Синтезированный графин должен быть удален из металлической фольги и перенесен в полупроводниковую субстрату. Поэтому очень трудно обеспечить чистоту и структурную целостность графина, получаемого с помощью этих методов. Наличие загрязняющих веществ создает реальную угрозу. Это может быть металлическая фольга, оставленная после того, как химические вещества, используемые в процессе переноса, или катализатор разъедается. Эти загрязнители или структурные аномалии могут отрицательно влиять на рабочие параметры синтезированного графина.

Процесс метало-органического химического осаждения паров (мокп), разработанный параграф, означает, что кп и пехдд более не являются перспективным методом синтеза графена. Этот запатентованный процесс является поистине уникальным, поскольку он позволяет массовое производство графина и других двухмерных (2D) материалов. В отличие от уже обсуждавшихся механизмов CVD/PECVD, которые требуют переноса с исходного катализатора, MOCVD позволяет производить прямую слойку графеновых материалов на полупроводниковые субstrates. Неудобные шаги переноса можно избежать, так что загрязнение больше не считается проблемой.

Графин может быть помещен непосредственно на полномасштабные полупроводниковые вафли последовательным и полностью повторяемым образом. Это означает, что idm и fabs смогут включить процесс MOCVD в свои уже установленные рабочие процессы без каких-либо сбоев.

Магнитные сенсоры на основе графиков

Одно из первых отверстий графина было на рынке датчиков Hall-effect. Эти датчики, широко используемые в промышленных и автомобильных системах, обеспечивают бесконтактный механизм, с помощью которого можно определить плотность потока магнитного поля.

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".

Проведение различия между истинными и ложными сигналами означает необходимость включения дополнительных элементов в систему кондиционирования сигнала (и, таким образом, увеличения стоимости материалов). В противном случае, возможно, потребуется разработать математические модели, хотя они и не подходят для ситуаций, требующих данных измерений в режиме реального времени (например, системы безопасности транспортных средств и т.д.). Другие недостатки, связанные с традиционными датчиками Hall-effect, включают в себя то, что динамический диапазон и точность зависят от температурных колебаний.

Поскольку графин является двухмерным материалом, он имеет большое преимущество в точном измерении магнитных полей, так как толщину сенсорного элемента не нужно принимать во внимание. Датчики Hall-effect, использующие графеновые монолайеры вместо традиционных датчиков, смогут поддерживать более высокую точность, так как любые ошибки, вызванные эффектом planar Hall, могут быть устранены. Другие преимущества, которые следует рассмотреть, включают в себя более высокую термоустойчивость графина, что означает, что любое устройство, использующее графин в качестве сенсорных элементов, защищено от ошибок, вызванных колебаниями температуры. Это позволит использовать эти устройства при экстремальных температурах.

Электрические параметры датчика Hall-effect умирают при испытании на вафере

Ранее уже были замечены графовые датчики hal -effect, однако эти датчики могут производиться лишь небольшими партиями с большими удельными затратами, что не позволяет достичь необходимой экономии масштаба, о которой говорилось выше. Благодаря процессу MOCVD серия датчиков СГС фирмы Paragraph может производить объемы, ожидаемые промышленными и автомобильными заказчиками. Эти устройства не подвержены воздействию эффекта planar Hall, потому что они полагаются на моноляров графена. Таким образом, они обеспечивают большую точность при определении силы магнитного поля. Они обеспечивают уровни разрешения nT, не требуя дополнительного оборудования для кондиционирования сигнала. Таким образом, сенсорная система является более линейной. Кроме того, они имеют более широкий динамический диапазон по сравнению с обычными датчиками Hall-effect, повышая при этом стабильность температуры и линейность.

Пример датчика эффекта зала параграфа СГС-первый в серии усовершенствованных графических устройств, разработанных параметром

Используя процесс синтеза, изменяющий правила игры, графин (и многие операционные преимущества, которые с ним связаны) может, наконец, использоваться в микроэлектронных устройствах коммерческого производства. В настоящее время производители электронных компонентов могут получать крупногабаритный графин через параграф, не сталкиваясь с проблемами загрязнения. Хотя в прошлом предпринимались многочисленные попытки сделать графин жизнеспособным в микроэлектронной среде, это первый раз, когда он был фактически достигнут таким образом, чтобы удовлетворить высокие производственные потребности, требуемые отраслью.