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Graphen im ersten Großeinsatz

22. Oktober 2020, 12:00 Uhr   |  Simon Thomas, CEO von Paragraf

Graphen im ersten Großeinsatz
© Paragraf

Graphen wurde erstmals im Jahr 2004 synthetisiert. Doch dessen großtechnische Herstellung blieb eine Herausforderung. Mit einem neuen Verfahren lassen sich nun komplette Halbleiterwafer bis 200 mm Durchmesser mit Graphen direkt beschichten. Hall-Effekt-Sensoren sind das erste Einsatzgebiet dafür.

Graphen besitzt einzigartige Eigenschaften. Seine Zugfestigkeit ist 200 Mal so hoch wie die von Stahl, seine elektrische Leitfähigkeit ist eine Größenordnung besser als die von Kupfer, und es hat die höchste Wärmeleitfähigkeit aller derzeit bekannten Materialien. Damit hat Graphen das Potenzial, die verschiedensten Produkte nachhaltig zu verbessern.

Doch diese viel beschworene Aussicht auf eine Leistungssteigerung in elektronischen Bauteilen muss noch effektiv nutzbar gemacht werden. Der Grund dafür liegt in der Art und Weise, wie dieses Material hergestellt und verarbeitet wird. Ein innovativer neuartiger Ansatz bei der Herstellung von Graphen könnte die Situation jetzt ändern, wobei magnetische Sensoren als Erstes eine bedeutende wirtschaftliche Bedeutung erlangen könnten.

Hall-Effekt-Sensoren sind seit Langem ein fester Bestandteil vieler elektronischer Systeme. Sie erfassen die in ihrer Umgebung vorhandenen Magnetfelder und helfen den Systemen dadurch, mechanische Teile zu positionieren oder zu bewegen. Beispiele dafür sind die Servolenkung eines Autos oder der Rotor in einem industriellen Antrieb. Andernorts werden diese Bauelemente eingesetzt, um Ströme zu überwachen, die durch die elektrische Infrastruktur fließen, beispielsweise durch Fotovoltaikmodule.

Dies ist ein Riesengeschäft. Der ohnehin schon beträchtliche Weltmarkt für magnetische Sensoren, von denen Hall-Effekt-Sensoren den größten Teil ausmachen, wächst stetig und wird laut den Analysten von Global Market Insights bis 2025 voraussichtlich einen Wert von 3,5 Milliarden Dollar erreichen. Trotz ihrer bereits weit verbreiteten Verwendung lässt sich die Nutzung von Hall-Effekt-Sensoren in vielen Anwendungen noch weiter erhöhen. Dies gilt insbesondere für leistungsstärkere Bauteile, und dies ist eine einmalige Chance für Graphen, seinen Wert zu zeigen.

Schwächen konventioneller Hall-Effekt-Sensoren

Eines der Hindernisse bei herkömmlichen Hall-Effekt-Sensoren aus Silizium ist die Dicke des Sensormaterials. Dies führt dazu, dass auch Magnetfeldkomponenten erfasst werden, die nicht senkrecht zur Erfassungsrichtung stehen. Dies verfälscht das Messsignal. Dies bezeichnet man als »planaren Hall-Effekt«. Solche fehlerhaften Signale erwecken den Eindruck, dass zusätzliche Magnetpole vorhanden sind, was in Wirklichkeit natürlich nicht der Fall ist. Diese als Pseudo-Multipole bezeichneten Signale führen dazu, dass die Messgenauigkeit abnimmt.

Obwohl sich die echten und die falschen Signale durch eine zusätzliche Beschaltung voneinander trennen lassen, steigt dadurch die Komplexität und Stromaufnahme des Systems erheblich, der Betriebstemperaturbereich wird eingeschränkt und die Kosten steigen. Weitere Nachteile bei konventionellen Hall-Effekt-Sensoren sind ein begrenzter Dynamikbereich und eine begrenzte Messbandbreite sowie eine geringe Messauflösung, die grundsätzlich durch die thermische Drift und ein hohes thermisches Grundrauschen begrenzt wird.

Da Graphen zweidimensional ist und nur aus einer einzigen atomaren Monoschicht aus Kohlenstoff besteht, hat es keinen planaren Hall-Effekt und weist ein sehr geringes thermisches Grundrauschen auf. Sein Einsatz in der Magnetfeldmessung gestattet daher wesentlich genauere Ergebnisse. Erwähnenswert ist auch, dass die thermische Stabilität von Graphen die thermische Drift vermindert. Dazu kommen wir weiter unten noch detaillierter.

Schwierigkeiten bei der Graphen-Herstellung

Die gegenwärtig am weitesten verbreiteten Verfahren zur Herstellung von Graphen eignen sich nicht sehr gut auf die Anforderungen der industriellen Großserienfertigung von Elektronik. Grundsätzlich gibt es zwei Optionen. Die erste Option ist das Abschälen von Graphit. Dies kann zwar qualitativ hochwertiges Graphen liefern, aber dabei handelt es sich in der Regel um eine sehr kleine Fläche, es kann nicht an die spezifischen Anforderungen der Endanwendung angepasst werden und kann mehrlagig und inhomogen sein. Diese Eigenschaften schränken seine Eignung im Kontext der Mikroelektronik ernsthaft ein.

Die andere Option ist die Synthese von Graphen auf einer Art Metallsubstrat, meist einer Kupferfolie. Das auf diese Weise hergestellte Graphen muss anschließend auf ein für die Elektronik kompatibles Substrat übertragen werden. Es gibt mehrere verschiedene Transferprozesse, die zu diesem Zweck eingesetzt werden können – keiner davon ist jedoch ideal. Sie können sich möglicherweise negativ auf die Funktion des Graphens in einem elektronischen Bauteil auswirken, indem diese Transferprozesse entweder das Graphen verunreinigen oder seine Struktur beschädigen.

Bei vielen der Transferprozesse ist es schlicht unmöglich, alle Kupferatome zu entfernen. Die bei Nass-Transferprozessen verwendeten Chemikalien können ebenfalls vorhanden bleiben. Diese metallischen und chemischen Verunreinigungen beeinträchtigen die Eigenschaften des Graphens und damit die Leistungsfähigkeit der Bauteile. Umgekehrt können »trockene« Transferprozesse zu Defekten innerhalb des Graphens selbst führen. Somit entspricht die Qualität des Graphens nicht dem erwarteten Niveau und seine Eigenschaften können nicht in vollem Umfang genutzt werden.

Paragraf, Graphene, Hall Effect Sensors
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Bild 1: Messung an einem komplett mit einem Monolayer Graphen überzogenen Wafer.

Ein neuer Ansatz zur Herstellung von Graphen

Ziel von der Firma Paragraf, einer Ausgründung der Cambridge University, ist es, die einzigartigen Eigenschaften von Graphen nutzbar macht. Durch den neuartigen, skalierbaren Prozess lassen sich ein Atom dicke Graphen-Schichten direkt auf weitverbreiteten Halbleiter-Wafersubstraten wie Silizium, Siliziumkarbid (SiC), Saphir und Galliumnitrid (GaN) herstellen (Bild 1). Folglich lassen sich die Probleme mit Verunreinigungen umgehen, die durch Transferprozesse entstehen. Als Ergebnis lassen sich kommerziell nutzbare Graphen-Bauteile in großen Stückzahlen fertigen.

Das mit diesem Verfahren hergestellte Graphen kann einen großen Bereich abdecken, denn es ist gelungen, 200-mm-Wafer (8 Zoll) in voller Größe mit einer viel höheren Uniformität zu beschichten als bislang möglich. Auch die Reproduzierbarkeit ist gewährleistet, sodass es nur geringe Abweichungen in der Qualität des Endprodukts gibt. Außerdem ist der Prozess mit den bestehenden Fertigungsverfahren und -anlagen für elektronische Bauteile kompatibel. Während andere Herstellungs- und Transferprozesse für Graphen wenig Flexibilität bieten, erlaubt es der Prozess von Paragraf, die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des hergestellten Graphens bereits bei der Erzeugung abzustimmen. Der Einsatz von teuren Nachbearbeitungsverfahren lässt sich so vermeiden.

Graphen-Hall-Effekt-Sensoren

Die mit diesem proprietären Verfahren hergestellten Hall-Effekt-Sensoren könnten neue Maßstäbe in puncto Leistungsfähigkeit setzen. Da das aktive Sensorelement in jedem Bauelement aus einer einzigen, nur ein Atom dicken Graphen-Monoschicht besteht, entfällt der Einfluss des planaren Hall-Effekts vollständig.

Paragraf, Graphene, Hall Effect Sensors
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Bild 2: Ein Graphen-basierter Hall-Effekt-Sensor der Serie GHS von Paragraf wird über Bonddrähte mit den Anschlüssen am Chipgehäuse kontaktiert.

Die Sensoren der Serie GHS von Paragraf unterstützen eine Auflösung bis in den Bereich unter 100 nT, ohne dass Flusskonzentratoren oder zusätzliche Signalkonditionierungs-ICs (zum Verstärken oder Filtern des Signals) erforderlich sind (Bild 2). Dies bedeutet, dass die Komplexität des Systems sinkt und die Materialkosten insgesamt unter Kontrolle gehalten werden können.

Diese Bauelemente können in einem breiten Bereich von Magnetfeldern bis hin zu ±9 T eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Ladungsträgermobilität im Graphen können sie schneller reagieren und benötigen für den Betrieb weniger Energie. Es genügen Versorgungsströme von nur 10 nA, was einer Verlustleistung im Picowatt-Bereich entspricht. Das bedeutet, dass sie kryogene Umgebungen nicht aufheizen. Sie sind auch viel linearer, da ihre Nichtlinearität mit weniger als 0,5 Prozent über ±1T spezifiziert ist und mit einem Polynom dritter Ordnung auf 0,01 Prozent korrigiert werden kann.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Graphen-basierten Hall-Effekt-Sensoren ist der große Temperaturbereich, den sie unterstützen können. Die Sensoren können wie bereits angedeutet in kryogenen Anwendungen bei Temperaturen von –271 °C (1,8 K) bis hin zu +80 °C eingesetzt werden, die in Automobil- und Industrieanwendungen erwartet werden. Varianten für noch höhere Temperaturen werden derzeit entwickelt.

Dank der mechanischen Festigkeit von Graphen weisen diese neuen Hall-Effekt-Sensoren eine außergewöhnliche Robustheit auf, wodurch sie eine lange Gebrauchsdauer haben. Durch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) lassen sie sich in höchst anspruchsvollen Umgebungen einsetzen, beispielsweise kryogene Umgebungen. Aufgrund all dieser Vorteile werden sie für die wissenschaftliche Forschung, das Gesundheitswesen, die Avionik, die Automobilindustrie, die Fertigung von Satelliten, die Robotik und zahlreiche andere Industriezweige interessant sein. 

Fazit

Herkömmliche Hall-Effekt-Sensoren haben gewisse Defizite. Dies betrifft die Empfindlichkeit, die Genauigkeit und die Betriebstemperatur. Die neuen Graphen-basierten Sensoren der Serie GHS von Paragraf unterstützen Betriebsparameter, die weit über das hinausgehen, was herkömmliche Sensoren erreichen können.

Da Graphen ein 2D-Material ist, hat es nicht die Probleme mit dem planaren Hall-Effekt, die man normalerweise zu verzeichnen hätte, da das Sensorelement ausschließlich das senkrechte Magnetfeld erfasst. Dadurch verbessert sich die Genauigkeit, ohne dass Störsignale induziert werden. Graphen-basierte Hall-Effekt-Sensoren bieten daher eine energiesparende Lösung, die sich bei der Bestimmung von Magnetfeldern als weitaus besser erweist und gleichzeitig die Skaleneffekte berücksichtigt, die eine Massenfertigung ermöglicht.

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