Революционный масштабируемый процесс позволяет крупноплощадную интеграцию 2D материалов в полупроводниковое производство

Двумерные (2D) материалы имеют огромный потенциал для предоставления устройств с гораздо меньшим размером и расширенными функциональностями по сравнению с тем, что может быть достигнуто с сегодняшними кремниевыми технологиями. Но для использования этого потенциала мы должны иметь возможность интегрировать 2D материалы в полупроводниковые производственные линии — неoireзвестно сложный шаг. Команда исследователей Graphene Flagship в Швеции и Германии теперь сообщает о новом методе, чтобы сделать это работающим.

Интеграция 2D материалов с кремнием или с субстратом с интегрированной электроникой представляет ряд вызовов. «Всегда есть этот критический шаг переноса от специального субстрата роста на конечный субстрат, на котором вы строите сенсоры или компоненты», — сказал Арне Квельмальц, исследователь в ассоциированном члене Graphene Flagship KTH. «Вы можете захотеть скомбинировать графеновый фотодетектор для оптической на-чип коммуникации с кремниевой электроникой чтения, но температуры роста этих материалов слишком высоки, поэтому вы не можете сделать это непосредственно на субстрате устройства».

До сих пор большинство экспериментальных методов переноса 2D материалов с их субстрата роста на желаемую электронику либо несовместимы с крупносерийным производством, либо приводят к значительной деградации 2D материала и его электронных свойств. Красота решения, предложенного Квельмальцем и соавторами, в том, что оно лежит в существующих наборах инструментов полупроводникового производства: использование стандартного диэлектрического материала под названием бисбензоциклобутен (BCB) вместе с конвенциональным оборудованием для склеивания wafers.

«Мы по сути клеим два wafers вместе смолой из BCB», — сказал Квельмальц. «Мы нагреваем смолу, пока она не станет вязкой, как мед, и прижимаем 2D материал к ней». При комнатной температуре смола становится твердой и образует стабильную связь между 2D материалом и wafer. «Для наложения материалов мы повторяем шаги нагрева и прижима. Смола снова становится вязкой и ведет себя как подушка или водяное кровать, которая поддерживает слоеную структуру и адаптируется к поверхности нового 2D материала».

Исследователи продемонстрировали перенос графена и дисульфида молибдена (MoS2), как представителя дихалкогенидов переходных металлов, и наложили графен с гексагональным нитридом бора (hBN) и MoS2 в гетероструктуры. Все перенесенные слои и гетероструктуры, как сообщается, были высокого качества, то есть они обладали равномерным покрытием на wafer до 100 мм и демонстрировали малое напряжение в перенесенных 2D материалах.

По словам исследователей, их метод переноса в принципе применим к любому 2D материалу, независимо от размера и типа субстрата роста. И поскольку он опирается только на инструменты и методы, уже распространенные в полупроводниковой отрасли, он может существенно ускорить появление на рынке нового поколения устройств, где 2D материалы интегрированы поверх конвенциональных интегральных схем или микросистем. Эта работа — важный шаг к этой цели и, хотя многие дальнейшие вызовы остаются, диапазон потенциальных применений велик: от фотоники к сенсированию, к нейроморфным вычислениям. Интеграция 2D материалов может стать настоящим гейм-чейнджером для европейской высокотехнологичной индустрии.