Масштабируемый метод интеграции 2D-материалов на больших площадях

Двумерные (2D) материалы обладают огромным потенциалом для создания устройств гораздо меньшего размера и с расширенными функциональными возможностями по сравнению с тем, что может быть достигнуто с помощью современных кремниевых технологий. Но чтобы использовать этот потенциал, мы должны быть в состоянии интегрировать 2D-материалы в производственные линии полупроводников — это, как известно, сложный шаг. Группа исследователей Graphene Flagship из Швеции и Германии сообщает о новом методе, позволяющем реализовать эту задачу.

Интеграция двумерных материалов с кремнием или подложкой со встроенной электроникой сопряжена с рядом проблем. «Всегда есть критически важный этап перехода от специальной подложки для выращивания к конечной подложке, на которой вы строите датчики или компоненты», — сказал Арне Келлмальц, исследователь Graphene Flagship Associate Member KTH. «Возможно, вам захочется объединить графеновый фотодетектор для оптической связи на кристалле с кремниевой считывающей электроникой, но температура выращивания этих материалов слишком высока, поэтому вы не можете сделать это непосредственно на подложке устройства».

До сих пор большинство экспериментальных методов переноса 2D-материалов с подложки для выращивания на желаемую электронику либо несовместимы с крупносерийным производством, либо приводят к значительному ухудшению 2D-материала и его электронных свойств. Прелесть решения, предложенного Quellmalz и его коллегами, заключается в том, что оно заключается в существующих наборах инструментов для производства полупроводников:использовать стандартный диэлектрический материал, называемый бисбензоциклобутен (BCB), наряду с обычным оборудованием для соединения пластин.

«Мы в основном склеиваем две пластины смолой, сделанной из BCB», — сказал Квеллмалз. «Мы нагреваем смолу, пока она не станет вязкой, как мед, и прижимаем к ней 2D-материал». При комнатной температуре смола становится твердой и образует стабильное соединение между 2D-материалом и пластиной. «Для укладки материалов мы повторяем этапы нагрева и прессования. Смола снова становится вязкой и ведет себя как подушка или водяная подушка, которая поддерживает набор слоев и адаптируется к поверхности нового 2D-материала».

Исследователи продемонстрировали перенос графена и дисульфида молибдена (MoS2) в качестве представителей дихалькогенидов переходных металлов, а также многослойного графена с гексагональным нитридом бора (hBN) и MoS2 в гетероструктуры. Сообщается, что все перенесенные слои и гетероструктуры были высокого качества, то есть они имели равномерное покрытие на кремниевых пластинах размером до 100 миллиметров и демонстрировали небольшую деформацию в перенесенных двумерных материалах.

По словам исследователей, их метод переноса в принципе применим к любому 2D-материалу, независимо от размера и типа ростовой подложки. А поскольку он опирается только на уже распространенные в полупроводниковой промышленности инструменты и методы, он мог бы существенно ускорить появление на рынке устройств нового поколения, в которых 2D-материалы интегрируются поверх обычных интегральных схем или микросистем. Эта работа является важным шагом на пути к этой цели, и, хотя остается еще много проблем, диапазон потенциальных приложений велик:от фотоники до сенсорики и нейроморфных вычислений. Интеграция 2D-материалов может изменить правила игры в европейской индустрии высоких технологий.