自從 2004 年石墨烯首次被機(jī)械剝離以來，它在材料科學(xué)領(lǐng)域重新燃起了熱情——這要?dú)w功于它可以實(shí)現(xiàn)的不可思議的事情。下一篇文章將重點(diǎn)介紹未來幾年它如何徹底改變半導(dǎo)體工程。

石墨烯單層由單原子厚的碳沉積物制成。由于將這些原子結(jié)合在一起的核鍵，由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)具有非凡的強(qiáng)度。這種材料的堅(jiān)固性意味著它能夠在最具挑戰(zhàn)性的操作環(huán)境中發(fā)揮作用（處理高溫和大擊穿電壓）。除此之外，石墨烯提供更高水平的電子遷移率（比硅高 130 倍以上），這轉(zhuǎn)化為極具吸引力的導(dǎo)電特性。

石墨烯在電子工程不同分支中的價(jià)值?

微電子中有幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域可以從石墨烯的使用中受益。其中包括：

電力系統(tǒng)——補(bǔ)充寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)（即碳化硅和氮化鎵），石墨烯將能夠增強(qiáng)其操作。這將導(dǎo)致更快的切換速度和顯著提高的效率。

光電子學(xué)——石墨烯的高光學(xué)透明度意味著它可以用于顯示器（提供目前使用的氧化銦錫薄膜的替代品）。

數(shù)據(jù)處理——將石墨烯添加到高密度微處理器資源中可以大大加快吞吐量數(shù)字。通過克服向更小工藝節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)的功率泄漏問題，這將允許擴(kuò)展已定義半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)十年的長期存在的“摩爾定律”。

一系列其他細(xì)分市場(chǎng)也有相當(dāng)大的潛力——包括儲(chǔ)能、太陽能、穿戴式醫(yī)療設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和傳感器。

傳感器為石墨烯提供了一些非常有利可圖的機(jī)會(huì)。分析公司 Research & Markets 估計(jì)，到 2024 年，全球基于石墨烯的傳感器業(yè)務(wù)每年將價(jià)值約 9.8 億美元。其最近報(bào)告中概述的主要用途包括生物傳感器和光電設(shè)備。特別是在電子傳感器方面，人們認(rèn)為石墨烯具有在不久的將來有所作為所需的屬性。然而，這種材料在這些領(lǐng)域的成功在很大程度上取決于擁有有效的生產(chǎn)方法。

通過獲得剝離的石墨烯薄片，可以小批量生產(chǎn)某些微電子設(shè)備。然而，就其本質(zhì)而言，全球微電子行業(yè)根本不是這樣運(yùn)作的。由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這一切都是關(guān)于以低單位成本制造大量設(shè)備。如果石墨烯要成功地整合到新型微電子設(shè)備中，那么用于其合成的程序必須與半導(dǎo)體制造工藝完全一致。

合成石墨烯以滿足高容量要求

目前用于大面積石墨烯合成的主要方法依賴于化學(xué)氣相沉積 (CVD) 和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD)。必須指出，這兩個(gè)過程都有與之相關(guān)的重大問題。

使用 CVD/PECVD 方法生產(chǎn)石墨烯時(shí)，合成發(fā)生在金屬催化劑（通常是銅箔或鎳箔）上，而不是在實(shí)際的半導(dǎo)體基板上。然后必須將合成的石墨烯從金屬箔上移除并轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體基板上。因此，確保通過這些方法生產(chǎn)的石墨烯的純度和結(jié)構(gòu)完整性極其困難。污染物的存在構(gòu)成了真正的威脅。這可能是轉(zhuǎn)移過程中使用的化學(xué)品或催化劑被蝕刻掉后殘留的金屬箔痕跡。這些污染物或結(jié)構(gòu)異常會(huì)對(duì)合成石墨烯的性能參數(shù)產(chǎn)生不利影響。

Paragraf 開發(fā)的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 工藝意味著 CVD 和 PECVD 不再是石墨烯合成的前進(jìn)方向。這種專有工藝確實(shí)獨(dú)一無二，因?yàn)樗梢源笠?guī)模生產(chǎn)石墨烯以及其他二維 (2D) 材料。不同于已經(jīng)討論過的 CVD/PECVD 布置，需要從原始催化劑轉(zhuǎn)移，MOCVD 允許石墨烯材料直接分層到半導(dǎo)體襯底上。可以避免不方便的轉(zhuǎn)移步驟，因此污染不再被視為問題。

石墨烯可以以一致且完全可重復(fù)的方式直接放置在全尺寸半導(dǎo)體晶片上。這意味著 IDM 和代工廠將能夠?qū)?MOCVD 工藝整合到他們已經(jīng)建立的工作流程中，而不會(huì)遇到任何中斷。?

基于石墨烯的磁性傳感器設(shè)備

石墨烯的早期開端之一是霍爾效應(yīng)傳感器市場(chǎng)。這些傳感器部署在廣泛的工業(yè)和汽車系統(tǒng)中，提供了一種非接觸式機(jī)制，通過該機(jī)制可以確定磁場(chǎng)的通量密度。

傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)器件具有三維 (3D) 傳感元件，該元件的深度會(huì)過度影響獲得的結(jié)果。不垂直于傳感元件方向的磁場(chǎng)分量可能會(huì)影響檢測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)，從而給出錯(cuò)誤的數(shù)字。這種現(xiàn)象被稱為“平面霍爾效應(yīng)”。

區(qū)分真實(shí)信號(hào)和虛假信號(hào)意味著需要在信號(hào)調(diào)節(jié)電路中包含額外的組件（從而增加物料清單成本）。否則可能需要數(shù)學(xué)建?！M管這不適用于需要實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的情況（例如車輛安全系統(tǒng)等）。與傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器相關(guān)的其他缺點(diǎn)包括受溫度變化影響的動(dòng)態(tài)范圍和精度相當(dāng)有限。?

由于石墨烯是一種 2D 材料，它在精確測(cè)量磁場(chǎng)方面具有主要優(yōu)勢(shì)——因?yàn)椴恍枰紤]傳感元件的厚度?；魻栃?yīng)傳感器利用石墨烯單層而不是單層傳統(tǒng)的傳感器元件將能夠支持更高的精度，因?yàn)榭梢韵善矫婊魻栃?yīng)引起的任何誤差。其他需要考慮的優(yōu)點(diǎn)包括石墨烯具有更高的熱穩(wěn)定性——這意味著任何使用石墨烯作為傳感元件的設(shè)備都不會(huì)受到溫度波動(dòng)引起的不準(zhǔn)確的影響。這將允許此類設(shè)備部署在需要應(yīng)對(duì)極端溫度的應(yīng)用中。

誠然，基于石墨烯的霍爾效應(yīng)傳感器以前已經(jīng)見過，但這些傳感器只能小批量生產(chǎn)，單位成本高——無法實(shí)現(xiàn)之前討論的必要規(guī)模經(jīng)濟(jì)。得益于MOCVD工藝，段落的GHS系列傳感器可以按工業(yè)和汽車客戶的預(yù)期產(chǎn)量生產(chǎn)。這些器件不受平面霍爾效應(yīng)的影響，因?yàn)樗鼈円蕾囉谑﹩螌?。因此，在確定磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，它們提供了更高的精確度。它們提供nT分辨率級(jí)別，無需額外的信號(hào)調(diào)節(jié)硬件。因此，傳感器系統(tǒng)更加精簡(jiǎn)。此外，它們具有比傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器更大的動(dòng)態(tài)范圍，以及更好的溫度穩(wěn)定性和優(yōu)異的線性度。

Paragraf GHS 霍爾效應(yīng)傳感器示例——Paragraf 開發(fā)的一系列基于石墨烯的先進(jìn)器件中的第一個(gè)

通過利用改變游戲規(guī)則的合成過程，終于可以將石墨烯（以及隨之而來的眾多操作優(yōu)勢(shì)）應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的微電子設(shè)備。電子元件制造商現(xiàn)在可以通過 Paragraf 獲得大面積石墨烯，而不會(huì)受到污染問題的阻礙。盡管過去曾多次嘗試使石墨烯在微電子領(lǐng)域可行，但這是第一次真正以符合該行業(yè)要求的大批量生產(chǎn)要求的方式實(shí)現(xiàn)。

審核編輯 黃昊宇