ศักยภาพของการใช้กราฟีนในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์

นับตั้งแต่กราฟีนถูกลอกด้วยเครื่องจักรครั้งแรกในปี 2004 มันกลายเป็นจุดร้อนในการวิจัยด้านวัสดุศาสตร์อย่างรวดเร็วเนื่องจากสามารถใช้ทําสิ่งที่เหลือเชื่อ บทความต่อไปนี้จะเน้นวิธีการที่จะปฏิวัติวิศวกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในปีต่อ ๆ ไป

ชั้นเดียวของกราฟีนประกอบด้วยตะกอนคาร์บอนที่มีความหนาของอะตอมเดี่ยว เนื่องจากพันธะนิวเคลียร์เชื่อมต่ออะตอมเหล่านี้เข้าด้วยกัน โครงสร้างที่สร้างขึ้นจึงมีความแข็งแรงเป็นพิเศษ ความแข็งแรงของวัสดุนี้หมายความว่าสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมการทำงานที่ท้าทายที่สุด (จัดการกับอุณหภูมิสูงและแรงดันไฟฟ้าพังทลายขนาดใหญ่) ยิ่งไปกว่านั้นกราฟีนยังมีระดับการย้ายถิ่นทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงขึ้น (มากกว่า 130 เท่าของซิลิคอน) ซึ่งแปลเป็นคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่น่าสนใจ

คุณค่าของกราฟีนในทุกสาขาของวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์

มีหลายประเด็นสำคัญในเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถได้รับประโยชน์จากการใช้กราฟีน ซึ่งรวมถึง:

• ระบบไฟฟ้า - เป็นส่วนเสริมของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างบรอดแบนด์ (เช่นซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์) กราฟีนจะสามารถฝ่าฟันคอขวดบางส่วนในสาขานี้ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเร็วในการเปลี่ยนและเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมาก

• ความโปร่งใสทางแสงสูงของออปโตอิเล็กทรอนิกส์ - กราฟีนหมายความว่าสามารถใช้ในการแสดงผลได้ (เป็นทางเลือกสำหรับฟิล์มอินเดียมออกไซด์ที่ใช้ในปัจจุบัน)

• การประมวลผลข้อมูล - การเพิ่มกราฟีนลงในทรัพยากรไมโครโปรเซสเซอร์ความหนาแน่นสูงสามารถเพิ่มปริมาณงานได้อย่างมาก สิ่งนี้จะช่วยฝ่าฟัน "กฎของมัวร์" ที่กําหนดอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มาเป็นเวลานานและเอาชนะปัญหาการรั่วไหลของไฟฟ้าที่เกิดจากการถ่ายโอนไปยังโหนดกระบวนการที่เล็กลง

• Internet of Things (IoT) และอุปกรณ์ IoT อื่น ๆ ก็มีศักยภาพทางการตลาดที่ดี

เซ็นเซอร์ให้ graphene บางโอกาสที่ทำกำไรได้มาก บริษัทวิเคราะห์ Research and Markets ประมาณการว่าภายในปี 2024 ธุรกิจเซ็นเซอร์กราฟีนทั่วโลกจะมีมูลค่าต่อปีประมาณ 980 ล้านดอลลาร์สหรัฐ การใช้งานหลักที่ระบุไว้ในรายงานล่าสุดคือเซ็นเซอร์ชีวภาพและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะเซ็นเซอร์อิเล็กตรอน กราฟีนถือว่ามีคุณสมบัติที่จำเป็นต่อการทำงานในอนาคตอันใกล้ อย่างไรก็ตามความสำเร็จของวัสดุในพื้นที่เหล่านี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับว่ามีวิธีการผลิตที่มีประสิทธิภาพหรือไม่

ไมโครอิเล็กทรอนิกส์บางชนิดสามารถผลิตได้ในปริมาณขนาดเล็กโดยการได้รับเกล็ดกราฟีนปอกเปลือก อย่างไรก็ตาม ในสาระสําคัญแล้ว อุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ทั่วโลกไม่ได้เป็นเช่นนั้น ทั้งหมดเป็นเพราะการประหยัดจากขนาด (Scale Economy) อุปกรณ์จำนวนมากถูกผลิตขึ้นด้วยต้นทุนต่อหน่วยที่ต่ำลง หากจะรวมกราฟีนเข้ากับไมโครอิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ได้สำเร็จกระบวนการที่ใช้ในการสังเคราะห์กราฟีนจะต้องเหมือนกับที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การสังเคราะห์กราฟีนที่ให้ผลผลิตสูง

วิธีการหลักที่ใช้ในการสังเคราะห์กราฟีนในพื้นที่ขนาดใหญ่ในปัจจุบันคือการสะสมไอสารเคมี (CVD) และการสะสมไอสารเคมีที่เพิ่มขึ้นด้วยพลาสมา (PECVD) ต้องชี้ให้เห็นว่ากระบวนการทั้งสองมีปัญหาสำคัญที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้

เมื่อผลิตกราฟีนโดยใช้วิธี CVD / PECVD การสังเคราะห์จะดำเนินการบนตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ (มักจะฟอยล์ทองแดงหรือฟอยล์นิกเกิล) มากกว่าพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ที่เกิดขึ้นจริง กราฟีนสังเคราะห์ต้องถูกลบออกจากฟอยล์โลหะและถ่ายโอนไปยังพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะรับประกันความบริสุทธิ์และความสมบูรณ์ของโครงสร้างของกราฟีนที่ผลิตโดยวิธีการเหล่านี้ การมีอยู่ของมลพิษเป็นภัยคุกคามที่แท้จริง นี่อาจเป็นแผ่นโลหะที่ทิ้งไว้หลังจากการกัดกร่อนของสารเคมีหรือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการถ่ายโอน สารปนเปื้อนเหล่านี้หรือความผิดปกติของโครงสร้างสามารถส่งผลเสียต่อพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของกราฟีนสังเคราะห์

กระบวนการสะสมไอของสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) ที่พัฒนาโดย Paragraf หมายความว่า CVD และ PECVD ไม่ใช่ทิศทางของการสังเคราะห์แกรฟีนอีกต่อไป กระบวนการที่จดสิทธิบัตรนี้ไม่ซ้ำกันเนื่องจากความสามารถในการผลิตกราฟีนและวัสดุสองมิติ (2D) อื่น ๆ ในปริมาณมาก ซึ่งแตกต่างจากการจัดเรียง CVD / PECVD ที่กล่าวถึงแล้วซึ่งต้องการการถ่ายโอนจากตัวเร่งปฏิกิริยาเดิม MOCVD ช่วยให้วัสดุกราฟีนซ้อนโดยตรงกับพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ ขั้นตอนการถ่ายโอนที่ไม่สะดวกสามารถหลีกเลี่ยงได้ดังนั้นมลพิษจึงไม่ถือว่าเป็นปัญหาอีกต่อไป

กราฟีนสามารถวางโดยตรงบนแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดเต็มในลักษณะที่สอดคล้องและทำซ้ำได้อย่างสมบูรณ์ นั่นหมายความว่า ไอดีเอ็มและเวเฟอร์จะสามารถนำกระบวนการ MOCVD เข้าสู่กระบวนการทำงานที่พวกเขาได้จัดตั้งขึ้นได้โดยไม่ต้องหยุดชะงัก

อุปกรณ์เซ็นเซอร์แม่เหล็กที่ใช้กราฟีน

หนึ่งในตลาดแรกของกราฟีนคือตลาดเซ็นเซอร์ผลกระทบฮอลล์ เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบอุตสาหกรรมและยานยนต์มีกลไกแบบไม่สัมผัสซึ่งสามารถกำหนดความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กของสนามแม่เหล็ก

อุปกรณ์ Hall Effect แบบดั้งเดิมมีองค์ประกอบการตรวจจับสามมิติ (3D) ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้รับจากผลกระทบสูงขององค์ประกอบ องค์ประกอบของสนามแม่เหล็กที่ไม่ตั้งฉากกับทิศทางขององค์ประกอบที่ตรวจจับอาจมีผลต่อความแรงของสนามแม่เหล็กที่ตรวจพบซึ่งจะให้ตัวเลขที่ไม่ถูกต้อง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "เอฟเฟกต์ฮอลล์ระนาบ"

แยกแยะสัญญาณจริงและสัญญาณเท็จหมายความว่าจำเป็นต้องรวมส่วนประกอบเพิ่มเติมในวงจรควบคุมสัญญาณ (จึงเพิ่มรายการวัสดุ) มิฉะนั้นอาจต้องสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แม้ว่าจะไม่เหมาะสมสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการการวัดข้อมูลแบบเรียลไทม์ (เช่นระบบความปลอดภัยของยานพาหนะ ฯลฯ ) ข้อเสียอื่น ๆ ของเซ็นเซอร์ผลกระทบฮอลล์แบบดั้งเดิมรวมถึงช่วงไดนามิกและความแม่นยำได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

เนื่องจากกราฟีนเป็นวัสดุสองมิติจึงมีข้อได้เปรียบหลักในการวัดสนามแม่เหล็กอย่างแม่นยำเนื่องจากไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงความหนาขององค์ประกอบการตรวจจับ เซ็นเซอร์ Hall Effect ที่ใช้ graphene single-layer แทนองค์ประกอบเซ็นเซอร์แบบดั้งเดิมจะสามารถรองรับความแม่นยำสูงขึ้นเนื่องจากข้อผิดพลาดใด ๆ ที่เกิดจากผลกระทบฮอลล์เครื่องบินสามารถกำจัดได้ ข้อดีอื่น ๆ ที่ควรพิจารณา ได้แก่ กราฟีนมีเสถียรภาพทางความร้อนที่สูงขึ้นซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ใด ๆ ที่ใช้กราฟีนเป็นองค์ประกอบตรวจจับจะไม่ได้รับผลกระทบจากข้อผิดพลาดที่เกิดจากความผันผวนของอุณหภูมิ ซึ่งจะช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้สามารถปรับใช้ในการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูง

การทดสอบพารามิเตอร์ไฟฟ้าของเวเฟอร์เซ็นเซอร์ผลกระทบฮอลล์

เซ็นเซอร์ Hall Effect ตาม Graphene เคยเห็นมาก่อน แต่เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถผลิตได้ในปริมาณขนาดเล็กที่มีต้นทุนต่อหน่วยขนาดใหญ่และไม่สามารถบรรลุการประหยัดจากขนาดที่จำเป็นที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ด้วยกระบวนการ MOCVD เซ็นเซอร์ซีรีย์ GHS ของ Paragraph สามารถผลิตได้ตามที่ลูกค้าอุตสาหกรรมและยานยนต์คาดหวัง อุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้รับผลกระทบจากผลกระทบฮอลล์ระนาบเนื่องจากขึ้นอยู่กับชั้นเดียวของกราฟีน ดังนั้นจึงให้ความแม่นยำสูงในการกำหนดความเข้มของสนามแม่เหล็ก พวกเขาให้ระดับความละเอียด nT โดยไม่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์ปรับสัญญาณเพิ่มเติม ส่งผลให้ระบบเซ็นเซอร์เป็นเส้นตรงมากขึ้น นอกจากนี้ยังมีช่วงไดนามิกที่ใหญ่กว่าเซ็นเซอร์ Hall Effect แบบดั้งเดิมในขณะที่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของอุณหภูมิและความเป็นเส้นตรงที่เหนือกว่า

ตัวอย่างเซ็นเซอร์ Hall Effect ของ Paragraf GHS - ตัวแรกในกลุ่มอุปกรณ์ที่ใช้กราฟีนขั้นสูงที่พัฒนาโดย Paragraf

ด้วยการใช้กระบวนการสังเคราะห์ที่เปลี่ยนเกม กราฟีน (และข้อได้เปรียบในการปฏิบัติงานมากมาย) ในที่สุดก็สามารถใช้ในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ได้ ขณะนี้ผู้ผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์สามารถรับกราฟีนในพื้นที่ขนาดใหญ่ผ่าน Paragraf ได้โดยไม่ถูกขัดขวางจากปัญหามลพิษ แม้จะมีความพยายามมากมายที่จะทำให้กราฟีนเป็นไปได้ในสภาพแวดล้อมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ผ่านมานี่เป็นครั้งแรกที่ graphene ประสบความสำเร็จในลักษณะที่ตอบสนองความต้องการการผลิตขนาดใหญ่ที่อุตสาหกรรมต้องการ