Une méthode évolutive pour l'intégration à grande surface de matériaux 2D

Les matériaux bidimensionnels (2D) ont un énorme potentiel pour fournir des dispositifs avec une taille beaucoup plus petite et des fonctionnalités étendues par rapport à ce qui peut être réalisé avec les technologies de silicium d'aujourd'hui. Mais pour exploiter ce potentiel, nous devons être capables d'intégrer des matériaux 2D dans des lignes de fabrication de semi-conducteurs - une étape notoirement difficile. Une équipe de chercheurs de Graphene Flagship en Suède et en Allemagne rapporte maintenant une nouvelle méthode pour que cela fonctionne.

L'intégration de matériaux 2D avec du silicium ou avec un substrat à électronique intégrée présente de nombreux défis. "Il y a toujours cette étape critique du transfert d'un substrat de croissance spécial au substrat final sur lequel vous construisez des capteurs ou des composants", a déclaré Arne Quellmalz, chercheur chez Graphene Flagship Associate Member KTH. "Vous voudrez peut-être combiner un photodétecteur au graphène pour une communication optique sur puce avec une électronique de lecture en silicium, mais les températures de croissance de ces matériaux sont trop élevées, vous ne pouvez donc pas le faire directement sur le substrat de l'appareil."

Jusqu'à présent, la plupart des méthodes expérimentales de transfert de matériaux 2D de leur substrat de croissance vers l'électronique souhaitée sont soit incompatibles avec une fabrication à grande échelle, soit conduisent à une dégradation importante du matériau 2D et de ses propriétés électroniques. La beauté de la solution proposée par Quellmalz et ses collaborateurs réside dans le fait qu'elle réside dans les boîtes à outils existantes de la fabrication de semi-conducteurs :utiliser un matériau diélectrique standard appelé bisbenzocyclobutène (BCB), ainsi qu'un équipement de collage de plaquettes conventionnel.

"Nous collons essentiellement les deux plaquettes avec une résine en BCB", a déclaré Quellmalz. "Nous chauffons la résine jusqu'à ce qu'elle devienne visqueuse, comme du miel, et pressons le matériau 2D contre elle." A température ambiante, la résine devient solide et forme une connexion stable entre le matériau 2D et la plaquette. « Pour empiler les matériaux, nous répétons les étapes de chauffage et de pressage. La résine redevient visqueuse et se comporte comme un coussin, ou un lit à eau, qui supporte l'empilement de couches et s'adapte à la surface du nouveau matériau 2D."

Les chercheurs ont démontré le transfert du graphène et du disulfure de molybdène (MoS2), en tant que représentant des dichalcogénures de métaux de transition, et du graphène empilé avec du nitrure de bore hexagonal (hBN) et du MoS2 vers des hétérostructures. Toutes les couches et hétérostructures transférées auraient été de haute qualité, c'est-à-dire qu'elles présentaient une couverture uniforme sur des tranches de silicium allant jusqu'à 100 millimètres et présentaient peu de contraintes dans les matériaux 2D transférés.

Selon les chercheurs, leur méthode de transfert est en principe applicable à tout matériau 2D, indépendamment de la taille et du type de substrat de croissance. Et, comme il ne repose que sur des outils et des méthodes déjà courants dans l'industrie des semi-conducteurs, il pourrait considérablement accélérer l'apparition sur le marché d'une nouvelle génération de dispositifs où les matériaux 2D sont intégrés au-dessus des circuits intégrés ou des microsystèmes conventionnels. Ce travail est une étape importante vers cet objectif et, bien que de nombreux autres défis restent à relever, la gamme d'applications potentielles est large :de la photonique à la détection en passant par l'informatique neuromorphique. L'intégration de matériaux 2D pourrait changer la donne pour l'industrie high-tech européenne.