Grafen stanowi atrakcyjną propozycję dla niemalże każdej możliwej dyscypliny inżynieryjnej, od wytrzymałych powłok po mechanizmy filtracji wody. Jednak światowy biznes półprzewodników wart obecnie prawie pół biliona dolarów rocznie, jest miejscem, w którym ten wyjątkowy materiał może mieć największy wpływ. W poniższym artykule przyjrzymy się, jakie konsekwencje może mieć grafen, zarówno w perspektywie krótkoterminowej, jak i znacznie dalszej, dla tego ogromnego, globalnego przemysłu.
Grafen składa się z atomów węgla połączonych w arkusz o grubości jednego atomu - atomy są połączone ultrasilnymi wiązaniami atomowymi. Materiał ten zapewnia bardzo wysoką ruchliwość elektronów, czyli prędkość, z jaką elektrony poruszają się przez materiał po przyłożeniu napięcia. Analitycy branżowi z McKinsey szacują, że do 2030 roku roczny rynek półprzewodników na bazie grafenu osiągnie wartość około 70 miliardów dolarów. Istnieje perspektywa powstania cyfrowych układów scalonych, dyskretnych układów zasilania, wyświetlaczy i transceiverów optycznych, a także różnych form urządzeń czujnikowych nowej generacji, z których wszystkie skorzystają na stosowaniu grafenu do ich produkcji.
Korzystając z grafenu, można by zwiększyć częstotliwość pracy procesorów i wydłużyć trwałość dysków półprzewodnikowych używanych do przechowywania danych. Możliwe będzie wyprodukowanie urządzeń bezprzewodowych, które będą wykorzystywać wyższą część widma częstotliwości radiowych, a jednocześnie pozostaną kompaktowe i niedrogie. Ogólna niezawodność tych urządzeń mogłaby zostać znacznie poprawiona dzięki podwyższonym temperaturom roboczym, a także większej odporności na przejściowe napięcia i wyładowania elektrostatyczne.
Niesamowita zdolność grafenu do przewodzenia generowanego ciepła spowoduje, że mechanizmy zarządzania ciepłem będą musiały zajmować mniej miejsca. Jego doskonała tolerancja na promieniowanie sprawi, że będzie nieoceniony w zastosowaniach kosmicznych, a połączenie jego właściwości optycznych i elektrycznych będzie miało kluczowe znaczenie dla rozwoju fotoniki — umożliwiając szybszą modulację sygnałów optycznych i wyższy stopień czułości.
Biorąc więc pod uwagę, że grafen został po raz pierwszy pomyślnie wyizolowany przez uniwersytecki zespół badawczy już w 2004 roku, a teraz mamy rok 2021 – dlaczego ten powszechnie celebrowany „cudowny materiał” nadal nie jest szeroko stosowany przez producentów chipów?
Nadrzędnym problemem jest to, że chociaż grafen jest stosunkowo łatwy do wytworzenia na małą skalę w stabilnym środowisku laboratoryjnym, migracja jego produkcji do zakładów produkcji masowej wiąże się ze znacznymi wyzwaniami technicznymi. Jest to jednak coś, czego wyraźnie będą wymagać główni gracze w branży półprzewodników. Tutaj inwestycje w sprzęt produkcyjny są ogromne, więc akceptowalne marże zysku można osiągnąć tylko wtedy, gdy ilości wyjściowe są wystarczająco wysokie. Dlatego też synteza grafenu musi być wykonana w sposób całkowicie skalowalny.
Lekcje wyciągnięte z historii
Kluczem do zapewnienia przyjęcia grafenu w tym sektorze będzie zdolność do pomyślnego dostosowania procesu jego produkcji do ustalonych procesów wytwarzania półprzewodników. Musi istnieć odpowiednia receptura, aby można było zwiększyć produkcję do bardzo dużych ilości, a nie ograniczać się tylko do małych partii w zbyt wysokich cenach. W tym celu potrzebna jest metoda, za pomocą której można osadzić grafen na dużym obszarze.
Są tu wyraźne podobieństwa do tego, co wydarzyło się w branży półprzewodników wiele dekad temu. Wczesne prototypy układów scalonych zestawione przez Jacka Kilby'ego dały pewne wyobrażenie o tym, co było możliwe, ale nie zbliżyły się do zaoferowania opłacalnego produktu końcowego. Dopiero odkrycie wydajnego sposobu wytwarzania tych urządzeń w dużych ilościach pozwoliło naprawdę zacząć działać sektorowi półprzewodnikowemu. Gdy w końcu udało się to osiągnąć, kilka lat później, sprzedaż układów scalonych rosła z roku na rok — nie stopniowo, ale w tempie bardzo zbliżonym do wykładniczego. Przyjęło się wówczas również słynne prawo Moore'a, a ze względu na przewidywane zwiększenie gęstości tranzystorów, koszty jednostkowe wciąż spadały.
To, co było potrzebne, aby układy scalone odniosły sukces, to metody do ich łatwej produkcji w bardzo dużych ilościach przy niewielkich kosztach własnych — i jest to taka sama dynamika, która ma miejsce, gdy mówimy dzisiaj o grafenie. Dzięki znalezieniu efektywnej metody masowej produkcji grafenu, która jest odpowiednia do integracji półprzewodników, możliwe będzie wykorzystanie ekonomii skali, która napędza cały przemysł chipów.
Ponowna ocena metodologii syntezy
Obecnie komercyjna produkcja monowarstw grafenu o dużej powierzchni polega na chemicznym osadzeniu warstwy na katalizatorze metalowym (najczęściej w postaci folii miedzianej lub niklowej). Jeśli grafen ma zostać nałożony na użyteczne podłoże półprzewodnikowe, należy przeprowadzić procedurę transferu. Oznacza to konieczność wytrawienia warstwy miedzi, zebranie warstwy grafenu i przeniesienie jej na podłoże półprzewodnikowe, takiej jak krzem. Miedź z katalizatora, na którym pierwotnie wyrosła monowarstwa grafenu, może zostać zabrana ze sobą. Zanieczyszczenia pozostające w warstwie grafenu są szkodliwe i ograniczają niezawodność i parametry urządzenia. Ponadto często obserwuje się niespójności konstrukcyjne, które ograniczają maksymalne możliwe do osiągnięcia parametry układu.
Poza wymienionymi powyżej kwestiami jakości, proces transferu jest bardzo pracochłonny. Utrudnia to integrację procesu z istniejącymi zakładami produkcyjnymi, a tym samym podnosi koszty. Wszystkie zasoby włożone w chemiczne osadzanie grafenu na miedzianym podłożu nie zdołały wytworzyć skalowalnego procesu, który wytwarza grafen o jakości wymaganej przez przemysł.
Nowe podejście
Firma Paragraf była pionierem alternatyw dla wadliwych metod osadzania chemicznego, które wspierają wielkopowierzchniową syntezę grafenu, jednocześnie zapewniając czystość produktu. Ich opatentowana technika metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD) oznacza, że grafen może być hodowany bezpośrednio na podłożu półprzewodnikowym, zamiast konieczności przenoszenia, co pozwala uniknąć wszelkich problemów związanych z takimi działaniami. MOCVD zapewnia konsekwentnie powtarzalne wyniki i dostosowuje syntezę grafenu do standardowych procesów, które stanowią największy udział w dzisiejszej produkcji półprzewodników. Wytworzony grafen wykazuje wysoki stopień jakości struktury, unikając jednocześnie problemów związanych z zanieczyszczeniami, które są związane z innymi metodami.
Osadzanie grafenu jest punktem wyjścia do szerokiego zastosowania tego materiału w zastosowaniach półprzewodnikowych. Od tego momentu wzrost dielektryków na lub pod grafenem, litografia i wytwarzanie kontaktów metodami depozycji próżniowej odgrywają rolę w projektowaniu danego urządzenia. Przyjęcie nowych metod wzrostu grafenu otwiera branżę na wykorzystanie jego właściwości i opracowanie komplementarnych technologii wytwarzania urządzeń.
Możliwe jest zastosowanie szerokiej gamy różnych podłoży półprzewodnikowych – takich jak krzem (Si), azotek galu (GaN), węglik krzemu (SiC) i german-krzem (SiGe). Wszystkie rodzaje produktów półprzewodnikowych można zatem ulepszyć poprzez włączenie do nich elementów grafenowych. Co więcej, proces będzie prosty dla producentów chipów, a nakłady potrzebne, aby przyswoić nowe metodologie pracy będą minimalne.
Przyszłość grafenu w półprzewodnikach
Obecne możliwości produkcyjne pozwalają na produkcję tylko niewielkich ilości urządzeń półprzewodnikowych z grafenem. Jednak nowe i istniejące partnerstwa w branży półprzewodników umożliwią rozszerzenie zdolności do pełnego poziomu produkcji. Produkty na bazie grafenu pozostaną droższe niż ich alternatywy w perspektywie krótkoterminowej, dopóki łańcuchy dostaw nie zostaną w pełni rozwinięte i nie zostaną zrealizowane korzyści wynikające z ekonomii skali. Nastąpi jednak natychmiastowa, skokowa zmiana w parametrach urządzeń dostępnych z urządzeń opartych na grafenie.
Grafenowe czujniki Halla opracowane przez firmę Paragraf są obecnie coraz częściej stosowane w przemyśle, a fizyka cząstek o wysokiej energii jest jednym z obszarów o największej jak dotąd skali ich zastosowania. Opublikowana współpraca między Paragraf i CERN wykazała, że grafenowe czujniki Halla (GHS) wykazują znikomy planarny efekt Halla, redukujący dokładność pomiaru. Ta właściwość, która oddziela grafen od innych materiałów, umożliwia wykorzystanie nowych rodzajów technik charakteryzowania pól magnetycznych o wysokiej dokładności. Oczekuje się, że wkrótce zaczną pojawiać się również komponenty RF wzmocnione grafenem oraz modulatory optyczne. Półprzewodniki oparte na grafenie będą nadal nabierać rozpędu w nadchodzących latach, w miarę stopniowego dojrzewania tego sektora.
Źródło: https://www.eetimes.com/charting-graphenes-progress/
Grafen składa się z atomów węgla połączonych w arkusz o grubości jednego atomu - atomy są połączone ultrasilnymi wiązaniami atomowymi. Materiał ten zapewnia bardzo wysoką ruchliwość elektronów, czyli prędkość, z jaką elektrony poruszają się przez materiał po przyłożeniu napięcia. Analitycy branżowi z McKinsey szacują, że do 2030 roku roczny rynek półprzewodników na bazie grafenu osiągnie wartość około 70 miliardów dolarów. Istnieje perspektywa powstania cyfrowych układów scalonych, dyskretnych układów zasilania, wyświetlaczy i transceiverów optycznych, a także różnych form urządzeń czujnikowych nowej generacji, z których wszystkie skorzystają na stosowaniu grafenu do ich produkcji.
Korzystając z grafenu, można by zwiększyć częstotliwość pracy procesorów i wydłużyć trwałość dysków półprzewodnikowych używanych do przechowywania danych. Możliwe będzie wyprodukowanie urządzeń bezprzewodowych, które będą wykorzystywać wyższą część widma częstotliwości radiowych, a jednocześnie pozostaną kompaktowe i niedrogie. Ogólna niezawodność tych urządzeń mogłaby zostać znacznie poprawiona dzięki podwyższonym temperaturom roboczym, a także większej odporności na przejściowe napięcia i wyładowania elektrostatyczne.
Niesamowita zdolność grafenu do przewodzenia generowanego ciepła spowoduje, że mechanizmy zarządzania ciepłem będą musiały zajmować mniej miejsca. Jego doskonała tolerancja na promieniowanie sprawi, że będzie nieoceniony w zastosowaniach kosmicznych, a połączenie jego właściwości optycznych i elektrycznych będzie miało kluczowe znaczenie dla rozwoju fotoniki — umożliwiając szybszą modulację sygnałów optycznych i wyższy stopień czułości.
Biorąc więc pod uwagę, że grafen został po raz pierwszy pomyślnie wyizolowany przez uniwersytecki zespół badawczy już w 2004 roku, a teraz mamy rok 2021 – dlaczego ten powszechnie celebrowany „cudowny materiał” nadal nie jest szeroko stosowany przez producentów chipów?
Nadrzędnym problemem jest to, że chociaż grafen jest stosunkowo łatwy do wytworzenia na małą skalę w stabilnym środowisku laboratoryjnym, migracja jego produkcji do zakładów produkcji masowej wiąże się ze znacznymi wyzwaniami technicznymi. Jest to jednak coś, czego wyraźnie będą wymagać główni gracze w branży półprzewodników. Tutaj inwestycje w sprzęt produkcyjny są ogromne, więc akceptowalne marże zysku można osiągnąć tylko wtedy, gdy ilości wyjściowe są wystarczająco wysokie. Dlatego też synteza grafenu musi być wykonana w sposób całkowicie skalowalny.
Lekcje wyciągnięte z historii
Kluczem do zapewnienia przyjęcia grafenu w tym sektorze będzie zdolność do pomyślnego dostosowania procesu jego produkcji do ustalonych procesów wytwarzania półprzewodników. Musi istnieć odpowiednia receptura, aby można było zwiększyć produkcję do bardzo dużych ilości, a nie ograniczać się tylko do małych partii w zbyt wysokich cenach. W tym celu potrzebna jest metoda, za pomocą której można osadzić grafen na dużym obszarze.
Są tu wyraźne podobieństwa do tego, co wydarzyło się w branży półprzewodników wiele dekad temu. Wczesne prototypy układów scalonych zestawione przez Jacka Kilby'ego dały pewne wyobrażenie o tym, co było możliwe, ale nie zbliżyły się do zaoferowania opłacalnego produktu końcowego. Dopiero odkrycie wydajnego sposobu wytwarzania tych urządzeń w dużych ilościach pozwoliło naprawdę zacząć działać sektorowi półprzewodnikowemu. Gdy w końcu udało się to osiągnąć, kilka lat później, sprzedaż układów scalonych rosła z roku na rok — nie stopniowo, ale w tempie bardzo zbliżonym do wykładniczego. Przyjęło się wówczas również słynne prawo Moore'a, a ze względu na przewidywane zwiększenie gęstości tranzystorów, koszty jednostkowe wciąż spadały.
To, co było potrzebne, aby układy scalone odniosły sukces, to metody do ich łatwej produkcji w bardzo dużych ilościach przy niewielkich kosztach własnych — i jest to taka sama dynamika, która ma miejsce, gdy mówimy dzisiaj o grafenie. Dzięki znalezieniu efektywnej metody masowej produkcji grafenu, która jest odpowiednia do integracji półprzewodników, możliwe będzie wykorzystanie ekonomii skali, która napędza cały przemysł chipów.
Ponowna ocena metodologii syntezy
Obecnie komercyjna produkcja monowarstw grafenu o dużej powierzchni polega na chemicznym osadzeniu warstwy na katalizatorze metalowym (najczęściej w postaci folii miedzianej lub niklowej). Jeśli grafen ma zostać nałożony na użyteczne podłoże półprzewodnikowe, należy przeprowadzić procedurę transferu. Oznacza to konieczność wytrawienia warstwy miedzi, zebranie warstwy grafenu i przeniesienie jej na podłoże półprzewodnikowe, takiej jak krzem. Miedź z katalizatora, na którym pierwotnie wyrosła monowarstwa grafenu, może zostać zabrana ze sobą. Zanieczyszczenia pozostające w warstwie grafenu są szkodliwe i ograniczają niezawodność i parametry urządzenia. Ponadto często obserwuje się niespójności konstrukcyjne, które ograniczają maksymalne możliwe do osiągnięcia parametry układu.
Poza wymienionymi powyżej kwestiami jakości, proces transferu jest bardzo pracochłonny. Utrudnia to integrację procesu z istniejącymi zakładami produkcyjnymi, a tym samym podnosi koszty. Wszystkie zasoby włożone w chemiczne osadzanie grafenu na miedzianym podłożu nie zdołały wytworzyć skalowalnego procesu, który wytwarza grafen o jakości wymaganej przez przemysł.
Nowe podejście
Firma Paragraf była pionierem alternatyw dla wadliwych metod osadzania chemicznego, które wspierają wielkopowierzchniową syntezę grafenu, jednocześnie zapewniając czystość produktu. Ich opatentowana technika metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD) oznacza, że grafen może być hodowany bezpośrednio na podłożu półprzewodnikowym, zamiast konieczności przenoszenia, co pozwala uniknąć wszelkich problemów związanych z takimi działaniami. MOCVD zapewnia konsekwentnie powtarzalne wyniki i dostosowuje syntezę grafenu do standardowych procesów, które stanowią największy udział w dzisiejszej produkcji półprzewodników. Wytworzony grafen wykazuje wysoki stopień jakości struktury, unikając jednocześnie problemów związanych z zanieczyszczeniami, które są związane z innymi metodami.
Osadzanie grafenu jest punktem wyjścia do szerokiego zastosowania tego materiału w zastosowaniach półprzewodnikowych. Od tego momentu wzrost dielektryków na lub pod grafenem, litografia i wytwarzanie kontaktów metodami depozycji próżniowej odgrywają rolę w projektowaniu danego urządzenia. Przyjęcie nowych metod wzrostu grafenu otwiera branżę na wykorzystanie jego właściwości i opracowanie komplementarnych technologii wytwarzania urządzeń.
Możliwe jest zastosowanie szerokiej gamy różnych podłoży półprzewodnikowych – takich jak krzem (Si), azotek galu (GaN), węglik krzemu (SiC) i german-krzem (SiGe). Wszystkie rodzaje produktów półprzewodnikowych można zatem ulepszyć poprzez włączenie do nich elementów grafenowych. Co więcej, proces będzie prosty dla producentów chipów, a nakłady potrzebne, aby przyswoić nowe metodologie pracy będą minimalne.
Przyszłość grafenu w półprzewodnikach
Obecne możliwości produkcyjne pozwalają na produkcję tylko niewielkich ilości urządzeń półprzewodnikowych z grafenem. Jednak nowe i istniejące partnerstwa w branży półprzewodników umożliwią rozszerzenie zdolności do pełnego poziomu produkcji. Produkty na bazie grafenu pozostaną droższe niż ich alternatywy w perspektywie krótkoterminowej, dopóki łańcuchy dostaw nie zostaną w pełni rozwinięte i nie zostaną zrealizowane korzyści wynikające z ekonomii skali. Nastąpi jednak natychmiastowa, skokowa zmiana w parametrach urządzeń dostępnych z urządzeń opartych na grafenie.
Grafenowe czujniki Halla opracowane przez firmę Paragraf są obecnie coraz częściej stosowane w przemyśle, a fizyka cząstek o wysokiej energii jest jednym z obszarów o największej jak dotąd skali ich zastosowania. Opublikowana współpraca między Paragraf i CERN wykazała, że grafenowe czujniki Halla (GHS) wykazują znikomy planarny efekt Halla, redukujący dokładność pomiaru. Ta właściwość, która oddziela grafen od innych materiałów, umożliwia wykorzystanie nowych rodzajów technik charakteryzowania pól magnetycznych o wysokiej dokładności. Oczekuje się, że wkrótce zaczną pojawiać się również komponenty RF wzmocnione grafenem oraz modulatory optyczne. Półprzewodniki oparte na grafenie będą nadal nabierać rozpędu w nadchodzących latach, w miarę stopniowego dojrzewania tego sektora.
Źródło: https://www.eetimes.com/charting-graphenes-progress/
Fajne? Ranking DIY
