自從 2004 年石墨烯首次被機械剝離以來，它在材料科學領域重新燃起了熱情——這要歸功于它可以實現的不可思議的事情。下一篇文章將重點介紹未來幾年它如何徹底改變半導體工程。

石墨烯單層由單原子厚的碳沉積物制成。由于將這些原子結合在一起的核鍵，由此產生的結構具有非凡的強度。這種材料的堅固性意味著它能夠在最具挑戰性的操作環境中發揮作用（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），這轉化為極具吸引力的導電特性。

石墨烯在電子工程不同分支中的價值?

微電子中有幾個關鍵領域可以從石墨烯的使用中受益。其中包括：

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

光電子學——石墨烯的高光學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）。

數據處理——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字。通過克服向更小工藝節點轉移而出現的功率泄漏問題，這將允許擴展已定義半導體行業數十年的長期存在的“摩爾定律”。

一系列其他細分市場也有相當大的潛力——包括儲能、太陽能、穿戴式醫療設備、物聯網 (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會。分析公司 Research & Markets 估計，到 2024 年，全球基于石墨烯的傳感器業務每年將價值約 9.8 億美元。其最近報告中概述的主要用途包括生物傳感器和光電設備。特別是在電子傳感器方面，人們認為石墨烯具有在不久的將來有所作為所需的屬性。然而，這種材料在這些領域的成功在很大程度上取決于擁有有效的生產方法。

通過獲得剝離的石墨烯薄片，可以小批量生產某些微電子設備。然而，就其本質而言，全球微電子行業根本不是這樣運作的。由于規模經濟，這一切都是關于以低單位成本制造大量設備。如果石墨烯要成功地整合到新型微電子設備中，那么用于其合成的程序必須與半導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氣相沉積 (CVD) 和等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)。必須指出，這兩個過程都有與之相關的重大問題。

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

Paragraf 開發的金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 工藝意味著 CVD 和 PECVD 不再是石墨烯合成的前進方向。這種專有工藝確實獨一無二，因為它可以大規模生產石墨烯以及其他二維 (2D) 材料。不同于已經討論過的 CVD/PECVD 布置，需要從原始催化劑轉移，MOCVD 允許石墨烯材料直接分層到半導體襯底上。可以避免不方便的轉移步驟，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的方式直接放置在全尺寸半導體晶片上。這意味著 IDM 和代工廠將能夠將 MOCVD 工藝整合到他們已經建立的工作流程中，而不會遇到任何中斷。?

基于石墨烯的磁性傳感器設備

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

傳統的霍爾效應器件具有三維 (3D) 傳感元件，該元件的深度會過度影響獲得的結果。不垂直于傳感元件方向的磁場分量可能會影響檢測到的場強，從而給出錯誤的數字。這種現象被稱為“平面霍爾效應”。

區分真實信號和虛假信號意味著需要在信號調節電路中包含額外的組件（從而增加物料清單成本）。否則可能需要數學建模——盡管這不適用于需要實時測量數據的情況（例如車輛安全系統等）。與傳統霍爾效應傳感器相關的其他缺點包括受溫度變化影響的動態范圍和精度相當有限。?

由于石墨烯是一種 2D 材料，它在精確測量磁場方面具有主要優勢——因為不需要考慮傳感元件的厚度。霍爾效應傳感器利用石墨烯單層而不是單層傳統的傳感器元件將能夠支持更高的精度，因為可以消除由平面霍爾效應引起的任何誤差。其他需要考慮的優點包括石墨烯具有更高的熱穩定性——這意味著任何使用石墨烯作為傳感元件的設備都不會受到溫度波動引起的不準確的影響。這將允許此類設備部署在需要應對極端溫度的應用中。

誠然，基于石墨烯的霍爾效應傳感器以前已經見過，但這些傳感器只能小批量生產，單位成本高——無法實現之前討論的必要規模經濟。得益于MOCVD工藝，段落的GHS系列傳感器可以按工業和汽車客戶的預期產量生產。這些器件不受平面霍爾效應的影響，因為它們依賴于石墨烯單層。因此，在確定磁場強度時，它們提供了更高的精確度。它們提供nT分辨率級別，無需額外的信號調節硬件。因此，傳感器系統更加精簡。此外，它們具有比傳統霍爾效應傳感器更大的動態范圍，以及更好的溫度穩定性和優異的線性度。

Paragraf GHS 霍爾效應傳感器示例——Paragraf 開發的一系列基于石墨烯的先進器件中的第一個

通過利用改變游戲規則的合成過程，終于可以將石墨烯（以及隨之而來的眾多操作優勢）應用于商業生產的微電子設備。電子元件制造商現在可以通過 Paragraf 獲得大面積石墨烯，而不會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域可行，但這是第一次真正以符合該行業要求的大批量生產要求的方式實現。

審核編輯 黃昊宇