Revolutionärer skalierbarer Prozess ermöglicht Großflächen-Integration von 2D-Materialien in die Halbleiterfertigung

Zweidimensionale (2D) Materialien haben ein riesiges Potenzial, Geräte mit deutlich kleinerer Größe und erweiterten Funktionalitäten bereitzustellen, verglichen mit dem, was mit heutigen Siliziumtechnologien erreicht werden kann. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, müssen wir 2D-Materialien in Halbleiterfertigungslinien integrieren können – ein notorisch schwieriger Schritt. Ein Team von Graphene Flagship Forschern in Schweden und Deutschland berichtet nun eine neue Methode, um dies zu ermöglichen.

Herausforderungen der Integration

Die Integration von 2D-Materialien mit Silizium oder einem Substrat mit integrierter Elektronikpresents eine Reihe von Herausforderungen. „Es gibt immer diesen kritischen Schritt des Transfers von einem speziellen Wachstumssubstrat auf das finale Substrat, auf dem man Sensoren oder Komponenten baut“, sagte Arne Quellmalz, Forscher bei Graphene Flagship Associate Member KTH. „Man möchte vielleicht einen Graphen-Photodetektor für optische On-Chip-Kommunikation mit Silizium-Auslese-Elektronik kombinieren, aber die Wachstumstemperaturen dieser Materialien sind zu hoch, um dies direkt auf dem Gerätesubstrat durchzuführen.“

Bisher waren die meisten experimentellen Methoden zum Transfer von 2D-Materialien von ihrem Wachstumssubstrat auf die gewünschte Elektronik entweder nicht kompatibel mit Hochvolumenfertigung oder führten zu signifikanter Degradation des 2D-Materials und seiner elektronischen Eigenschaften. Die Schönheit der von Quellmalz und Kollegen vorgeschlagenen Lösung liegt in den bestehenden Werkzeugkästen der Halbleiterfertigung: die Verwendung eines Standard-Dielektrikums namens Bisbenzocyclobuten (BCB) zusammen mit konventioneller Wafer-Bonding-Ausrüstung.

Der BCB-Transferprozess

„Wir kleben die beiden Wafer im Grunde mit einem Harz aus BCB zusammen“, sagte Quellmalz. „Wir erhitzen das Harz, bis es viskös wird, wie Honig, und pressen 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 viskös und verhält sich wie ein Kissen oder Wasserbett, das den Lagestapel stützt und sich der Oberfläche des neuen 2D-Materials anpasst.“

Ergebnisse und Ausblick

Die Forscher demonstrierten den Transfer von Graphen und Molybdändisulfid (MoS₂) als Vertreter für Übergangsmetall-Dichalkogenide und stapelten Graphen mit hexagonalem Bornitrid (hBN) und MoS₂ zu Heterostrukturen. Alle transferierten Lagen und Heterostrukturen wiesen reportedly hohe Qualität auf: gleichmäßige Abdeckung über bis zu 100-Millimeter-Siliziumwafer und geringe Dehnung in den transferierten 2D-Materialien.

Laut den Forschern ist ihre Transfermethode prinzipiell auf jedes 2D-Material anwendbar, unabhängig von Größe und Art des Wachstumssubstrats. Und da sie nur auf Werkzeuge und Methoden zurückgreift, die in der Halbleiterindustrie bereits gängig sind, könnte sie das Erscheinen einer neuen Gerätegeneration, in der 2D-Materialien auf konventionellen integrierten Schaltungen oder Mikrosystemen integriert sind, wesentlich beschleunigen. Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt Richtung dieses Ziels, und obwohl viele weitere Herausforderungen bleiben, ist das Spektrum potenzieller Anwendungen groß: von Photonik über Sensorik bis zu neuromorphischem Computing. Die Integration von 2D-Materialien könnte ein echter Gamechanger für die europäische Hightech-Industrie sein.