Procédé évolutif révolutionnaire permet l'intégration à grande surface de matériaux 2D dans la fabrication de semi-conducteurs

Les matériaux bidimensionnels (2D) ont un énorme potentiel pour fournir des dispositifs avec une taille bien plus petite et des fonctionnalités étendues par rapport à ce qu'on peut atteindre avec les technologies silicium actuelles. Mais pour exploiter ce potentiel, nous devons pouvoir intégrer les matériaux 2D dans les lignes de fabrication de semi-conducteurs — une étape notoirement difficile. Une équipe de chercheurs du Graphene Flagship en Suède et Allemagne rapporte maintenant une nouvelle méthode pour y parvenir.

Défis du transfert

L'intégration de matériaux 2D avec du silicium ou un substrat avec électronique intégrée présente plusieurs défis. « Il y a toujours cette étape critique de transfert depuis un substrat de croissance spécial vers le substrat final sur lequel on construit capteurs ou composants », a déclaré Arne Quellmalz, chercheur au membre associé du Graphene Flagship KTH. « Vous pourriez vouloir combiner un photodétecteur graphène pour communication optique sur puce avec de l'électronique de lecture silicium, mais les températures de croissance de ces matériaux sont trop élevées, donc vous ne pouvez pas le faire directement sur le substrat du dispositif. »

Jusqu'ici, la plupart des méthodes expérimentales pour transférer des matériaux 2D de leur substrat de croissance vers l'électronique désirée sont soit incompatibles avec la fabrication à haut volume, soit entraînent une dégradation significative du matériau 2D et de ses propriétés électroniques. La beauté de la solution proposée par Quellmalz et ses collègues réside dans les boîtes à outils existantes de la fabrication de semi-conducteurs : utiliser un matériau diélectrique standard appelé bisbenzocyclobutène (BCB), avec des équipements de collage de wafer conventionnels.

Procédé : collage par résine BCB

« Nous collons essentiellement les deux wafers ensemble avec une résine faite de BCB », a dit Quellmalz. « Nous chauffons la résine jusqu'à ce qu'elle devienne visqueuse, comme du miel, et pressons le matériau 2D contre elle. » À température ambiante, la résine devient solide et forme une connexion stable entre le matériau 2D et le wafer. « Pour empiler des matériaux, nous répétons les étapes de chauffage et de pressage. La résine redevient visqueuse et se comporte comme un coussin, ou un lit d'eau, qui supporte la pile de couches et s'adapte à la surface du nouveau matériau 2D. »

Résultats démontrés

Les chercheurs ont démontré le transfert de graphène et de disulfure de molybdène (MoS₂), comme représentant des dichalcogénures de métaux de transition, et ont empilé graphène avec nitrure de bore hexagonal (hBN) et MoS₂ en hétérostructures. Toutes les couches transférées et hétérostructures étaient rapportées de haute qualité, c'est-à-dire qu'elles présentaient une couverture uniforme sur des wafers silicium jusqu'à 100 millimètres et montraient peu de contrainte 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 elle ne repose que sur des outils et méthodes déjà courants dans l'industrie des semi-conducteurs, elle pourrait accélérer substantiellement l'arrivée sur le marché d'une nouvelle génération de dispositifs où les matériaux 2D sont intégrés au-dessus de circuits intégrés conventionnels ou de microsystèmes. Ce travail est une étape importante vers cet objectif et, bien que de nombreux défis restent, la gamme d'applications potentielles est large : de la photonique, à la détection, au calcul neuromorphique. L'intégration de matériaux 2D pourrait être un vrai game-changer pour l'industrie high-tech européenne.