Eine skalierbare Methode zur großflächigen Integration von 2D-Materialien

Zweidimensionale (2D) Materialien haben ein enormes Potenzial für die Bereitstellung von Geräten mit viel geringerer Größe und erweiterten Funktionalitäten im Vergleich zu dem, was mit heutigen Siliziumtechnologien erreicht werden kann. Aber um dieses Potenzial auszuschöpfen, müssen wir in der Lage sein, 2D-Materialien in Halbleiterfertigungslinien zu integrieren – ein notorisch schwieriger Schritt. Ein Team von Graphene Flagship-Forschern in Schweden und Deutschland berichtet jetzt über eine neue Methode, um dies zum Laufen zu bringen.

Die Integration von 2D-Materialien mit Silizium oder mit einem Substrat mit integrierter Elektronik bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. „Es gibt immer diesen kritischen Schritt, von einem speziellen Wachstumssubstrat auf das endgültige Substrat zu übertragen, auf dem Sie Sensoren oder Komponenten bauen“, sagte Arne Quellmalz, Forscher bei Graphene Flagship Associate Member KTH. „Möglicherweise möchten Sie einen Graphen-Fotodetektor für die optische On-Chip-Kommunikation mit Silizium-Ausleseelektronik kombinieren, aber die Wachstumstemperaturen dieser Materialien sind zu hoch, sodass Sie dies nicht direkt auf dem Gerätesubstrat tun können.“

Bisher sind die meisten experimentellen Methoden zum Übertragen von 2D-Materialien von ihrem Wachstumssubstrat auf die gewünschte Elektronik entweder nicht kompatibel mit der Massenfertigung oder führen zu einer signifikanten Verschlechterung des 2D-Materials und seiner elektronischen Eigenschaften. Das Schöne an der von Quellmalz und Mitarbeitern vorgeschlagenen Lösung ist, dass sie in den bestehenden Toolkits der Halbleiterherstellung liegt:die Verwendung eines dielektrischen Standardmaterials namens Bisbenzocyclobuten (BCB) zusammen mit herkömmlicher Wafer-Bonding-Ausrüstung.

„Wir kleben die beiden Wafer grundsätzlich mit einem Harz aus BCB zusammen“, sagt Quellmalz. „Wir erhitzen das Harz, bis es zähflüssig wird, wie Honig, und drücken das 2D-Material dagegen.“ Bei Raumtemperatur wird das Harz fest und bildet eine stabile Verbindung zwischen dem 2D-Material und dem Wafer. „Um Materialien zu stapeln, wiederholen wir die Schritte des Erhitzens und Pressens. Das Harz wird wieder zähflüssig und verhält sich wie ein Kissen bzw. Wasserbett, das den Schichtaufbau stützt und sich an die Oberfläche des neuen 2D-Materials anpasst.“

Die Forscher demonstrierten die Übertragung von Graphen und Molybdändisulfid (MoS2) als Vertreter für Übergangsmetalldichalkogenide und gestapeltes Graphen mit hexagonalem Bornitrid (hBN) und MoS2 auf Heterostrukturen. Alle übertragenen Schichten und Heterostrukturen waren Berichten zufolge von hoher Qualität, d. h. sie wiesen eine gleichmäßige Bedeckung über bis zu 100 Millimeter große Siliziumwafer auf und zeigten nur geringe Spannungen in den übertragenen 2D-Materialien.

Ihr Transferverfahren ist laut den Forschern prinzipiell auf jedes 2D-Material anwendbar, unabhängig von der Größe und Art des Aufwachssubstrats. Und da es sich nur auf Tools und Methoden stützt, die bereits in der Halbleiterindustrie üblich sind, könnte es das Erscheinen einer neuen Generation von Geräten auf dem Markt erheblich beschleunigen, bei denen 2D-Materialien auf herkömmlichen integrierten Schaltkreisen oder Mikrosystemen integriert werden. Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels, und obwohl noch viele weitere Herausforderungen bestehen, ist die Bandbreite potenzieller Anwendungen groß:von der Photonik über die Sensorik bis hin zum neuromorphen Rechnen. Die Integration von 2D-Materialien könnte ein echter Wendepunkt für die europäische Hightech-Industrie sein.