Een schaalbare methode voor de integratie van 2D-materialen op grote oppervlakken

Tweedimensionale (2D) materialen hebben een enorm potentieel om apparaten te voorzien van veel kleinere afmetingen en uitgebreide functionaliteiten met betrekking tot wat kan worden bereikt met de huidige siliciumtechnologieën. Maar om dit potentieel te benutten, moeten we 2D-materialen kunnen integreren in productielijnen voor halfgeleiders - een notoir moeilijke stap. Een team van Graphene Flagship-onderzoekers in Zweden en Duitsland rapporteert nu een nieuwe methode om dit te laten werken.

De integratie van 2D-materialen met silicium of met een substraat met geïntegreerde elektronica brengt een aantal uitdagingen met zich mee. "Er is altijd een cruciale stap om over te stappen van een speciaal groeisubstraat naar het uiteindelijke substraat waarop je sensoren of componenten bouwt", zegt Arne Quellmalz, onderzoeker bij Graphene Flagship Associate Member KTH. "Misschien wil je een grafeen-fotodetector combineren voor optische on-chip communicatie met silicium uitleeselektronica, maar de groeitemperaturen van die materialen zijn te hoog, dus je kunt dit niet rechtstreeks op het substraat van het apparaat doen."

Tot nu toe zijn de meeste experimentele methoden voor het overbrengen van 2D-materialen van hun groeisubstraat naar de gewenste elektronica ofwel niet compatibel met grootschalige productie of leiden ze tot een aanzienlijke degradatie van het 2D-materiaal en van zijn elektronische eigenschappen. Het mooie van de door Quellmalz en collega's voorgestelde oplossing is dat deze ligt in de bestaande toolkits voor de productie van halfgeleiders:het gebruik van een standaard diëlektrisch materiaal genaamd bisbenzocyclobuteen (BCB), samen met conventionele apparatuur voor het hechten van wafels.

"We lijmen de twee wafels eigenlijk aan elkaar met een hars gemaakt van BCB", zegt Quellmalz. "We verhitten de hars, totdat deze stroperig wordt, zoals honing, en drukken het 2D-materiaal er tegenaan." Bij kamertemperatuur wordt de hars vast en vormt een stabiele verbinding tussen het 2D-materiaal en de wafer. “Om materialen te stapelen, herhalen we de stappen van verhitten en persen. De hars wordt weer stroperig en gedraagt ​​zich als een kussen, of een waterbed, dat de lagenstapel ondersteunt en zich aanpast aan het oppervlak van het nieuwe 2D-materiaal.”

De onderzoekers demonstreerden de overdracht van grafeen en molybdeendisulfide (MoS2), als vertegenwoordiger voor overgangsmetaaldichalcogeniden, en gestapeld grafeen met hexagonaal boornitride (hBN) en MoS2 naar heterostructuren. Alle overgedragen lagen en heterostructuren waren naar verluidt van hoge kwaliteit, dat wil zeggen, ze hadden een uniforme dekking over tot 100 millimeter grote siliciumwafels en vertoonden weinig spanning in de overgedragen 2D-materialen.

Volgens de onderzoekers is hun transfermethode in principe toepasbaar op elk 2D-materiaal, onafhankelijk van de grootte en het type groeisubstraat. En omdat het alleen vertrouwt op tools en methoden die al gebruikelijk zijn in de halfgeleiderindustrie, zou het de opkomst op de markt van een nieuwe generatie apparaten aanzienlijk kunnen versnellen waarin 2D-materialen worden geïntegreerd bovenop conventionele geïntegreerde schakelingen of microsystemen. Dit werk is een belangrijke stap in de richting van dat doel en hoewel er nog veel uitdagingen blijven bestaan, is het scala aan potentiële toepassingen groot:van fotonica tot detectie tot neuromorfisch computergebruik. De integratie van 2D-materialen kan een echte game-changer zijn voor de Europese hightechindustrie.