从微电子学的角度充分利用石墨烯的潜力

自从 2004 年石墨烯首次被机械剥离以来，它在材料科学领域重新燃起了热情——这要归功于它可以实现的不可思议的事情。下一篇文章将重点介绍未来几年它如何彻底改变半导体工程。

石墨烯单层由单原子厚的碳沉积物制成。由于将这些原子结合在一起的核键，由此产生的结构具有非凡的强度。这种材料的坚固性意味着它能够在最具挑战性的操作环境中发挥作用（处理高温和大击穿电压）。除此之外，石墨烯提供更高水平的电子迁移率（比硅高 130 倍以上），这转化为极具吸引力的导电特性。

石墨烯在电子工程不同分支中的价值 

微电子中有几个关键领域可以从石墨烯的使用中受益。其中包括：

电力系统——补充宽带隙半导体技术（即碳化硅和氮化镓），石墨烯将能够增强其操作。这将导致更快的切换速度和显着提高的效率。

光电子学——石墨烯的高光学透明度意味着它可以用于显示器（提供目前使用的氧化铟锡薄膜的替代品）。

数据处理——将石墨烯添加到高密度微处理器资源中可以大大加快吞吐量数字。通过克服向更小工艺节点转移而出现的功率泄漏问题，这将允许扩展已定义半导体行业数十年的长期存在的“摩尔定律”。

一系列其他细分市场也有相当大的潜力——包括储能、太阳能、穿戴式医疗设备、物联网 (IoT) 和传感器。

传感器为石墨烯提供了一些非常有利可图的机会。分析公司 Research & Markets 估计，到 2024 年，全球基于石墨烯的传感器业务每年将价值约 9.8 亿美元。其最近报告中概述的主要用途包括生物传感器和光电设备。特别是在电子传感器方面，人们认为石墨烯具有在不久的将来有所作为所需的属性。然而，这种材料在这些领域的成功在很大程度上取决于拥有有效的生产方法。

通过获得剥离的石墨烯薄片，可以小批量生产某些微电子设备。然而，就其本质而言，全球微电子行业根本不是这样运作的。由于规模经济，这一切都是关于以低单位成本制造大量设备。如果石墨烯要成功地整合到新型微电子设备中，那么用于其合成的程序必须与半导体制造工艺完全一致。

合成石墨烯以满足高容量要求

目前用于大面积石墨烯合成的主要方法依赖于化学气相沉积 (CVD) 和等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)。必须指出，这两个过程都有与之相关的重大问题。

使用 CVD/PECVD 方法生产石墨烯时，合成发生在金属催化剂（通常是铜箔或镍箔）上，而不是在实际的半导体基板上。然后必须将合成的石墨烯从金属箔上移除并转移到半导体基板上。因此，确保通过这些方法生产的石墨烯的纯度和结构完整性极其困难。污染物的存在构成了真正的威胁。这可能是转移过程中使用的化学品或催化剂被蚀刻掉后残留的金属箔痕迹。这些污染物或结构异常会对合成石墨烯的性能参数产生不利影响。

Paragraf 开发的金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 工艺意味着 CVD 和 PECVD 不再是石墨烯合成的前进方向。这种专有工艺确实独一无二，因为它可以大规模生产石墨烯以及其他二维 (2D) 材料。不同于已经讨论过的 CVD/PECVD 布置，需要从原始催化剂转移，MOCVD 允许石墨烯材料直接分层到半导体衬底上。可以避免不方便的转移步骤，因此污染不再被视为问题。

石墨烯可以以一致且完全可重复的方式直接放置在全尺寸半导体晶片上。这意味着 IDM 和代工厂将能够将 MOCVD 工艺整合到他们已经建立的工作流程中，而不会遇到任何中断。 

基于石墨烯的磁性传感器设备

石墨烯的早期开端之一是霍尔效应传感器市场。这些传感器部署在广泛的工业和汽车系统中，提供了一种非接触式机制，通过该机制可以确定磁场的通量密度。

传统的霍尔效应器件具有三维 (3D) 传感元件，该元件的深度会过度影响获得的结果。不垂直于传感元件方向的磁场分量可能会影响检测到的场强，从而给出错误的数字。这种现象被称为“平面霍尔效应”。

区分真实信号和虚假信号意味着需要在信号调节电路中包含额外的组件（从而增加物料清单成本）。否则可能需要数学建模——尽管这不适用于需要实时测量数据的情况（例如车辆安全系统等）。与传统霍尔效应传感器相关的其他缺点包括受温度变化影响的动态范围和精度相当有限。 

由于石墨烯是一种 2D 材料，它在精确测量磁场方面具有主要优势——因为不需要考虑传感元件的厚度。霍尔效应传感器利用石墨烯单层而不是单层传统的传感器元件将能够支持更高的精度，因为可以消除由平面霍尔效应引起的任何误差。其他需要考虑的优点包括石墨烯具有更高的热稳定性——这意味着任何使用石墨烯作为传感元件的设备都不会受到温度波动引起的不准确的影响。这将允许此类设备部署在需要应对极端温度的应用中。

诚然，基于石墨烯的霍尔效应传感器以前已经见过，但这些传感器只能小批量生产，单位成本高——无法实现之前讨论的必要规模经济。得益于MOCVD工艺，段落的GHS系列传感器可以按工业和汽车客户的预期产量生产。这些器件不受平面霍尔效应的影响，因为它们依赖于石墨烯单层。因此，在确定磁场强度时，它们提供了更高的精确度。它们提供nT分辨率级别，无需额外的信号调节硬件。因此，传感器系统更加精简。此外，它们具有比传统霍尔效应传感器更大的动态范围，以及更好的温度稳定性和优异的线性度。

Paragraf GHS 霍尔效应传感器示例——Paragraf 开发的一系列基于石墨烯的先进器件中的第一个

通过利用改变游戏规则的合成过程，终于可以将石墨烯（以及随之而来的众多操作优势）应用于商业生产的微电子设备。电子元件制造商现在可以通过 Paragraf 获得大面积石墨烯，而不会受到污染问题的阻碍。尽管过去曾多次尝试使石墨烯在微电子领域可行，但这是第一次真正以符合该行业要求的大批量生产要求的方式实现。

审核编辑 黄昊宇