Kleinere, meer krachtige apparaten mogelijk met nieuwe techniek

Nog verder krimpen van halfgeleiders zou een geheel nieuwe siliciumrevolutie mogelijk maken. Maar omdat dat onmogelijk is, is de volgende beste hoop de integratie van halfgeleiders met 2-D atomair dunne materialen, zoals grafeen, waarop op ongelooflijk kleine schaal circuits kunnen worden gemaakt. Een onderzoeksteam rapporteert een nieuwe methode om deze notoir moeilijke combinatie op industriële schaal te laten werken.

De techniek werd vandaag gerapporteerd in Nature Communications door onderzoekers van KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, in samenwerking met RWTH Aachen University, Universität der Bundeswehr München, AMO GmbH en Protemics GmbH, in Duitsland.

Een betrouwbare, industrieel schaalbare methode om 2D-materialen zoals grafeen te integreren met siliciumhalfgeleiders zou de schaal van elektronica helpen verkleinen en nieuwe mogelijkheden voor sensortechnologie en fotonica inluiden.

De integratie van 2-D-materialen in de halfgeleider of een substraat met geïntegreerde elektronica brengt echter een aantal uitdagingen met zich mee. “Er is altijd deze cruciale stap: de overgang van een speciaal groeisubstraat naar het uiteindelijke substraat waarop je sensoren of componenten bouwt”, zegt Arne Quellmalz, een onderzoeker in fotonische microsystemen bij KTH.

“Misschien wil je een grafeenfotodetector voor optische communicatie op de chip combineren met siliciumuitleeselektronica”, zegt Quellmalz. “Maar de groeitemperaturen van die materialen zijn te hoog, dus je kunt dit niet rechtstreeks op het apparaatsubstraat doen.”

Experimentele methoden voor het overbrengen van gegroeid 2-D-materiaal naar de gewenste elektronica worden gekenmerkt door een aantal tekortkomingen, zoals degradatie van het materiaal en zijn elektronische transporteigenschappen, of door vervuiling van het materiaal.

Quellmalz zegt dat de oplossing ligt in de bestaande toolkits voor de productie van halfgeleiders: het gebruik van een standaard diëlektrisch materiaal genaamd bisbenzocyclobuteen (BCB), samen met conventionele apparatuur voor het lijmen van wafels.

“We lijmen de twee wafers in feite aan elkaar met een hars gemaakt van BCB”, zegt hij. “We verhitten de hars, totdat het stroperig wordt als honing, en drukken het 2D-materiaal ertegenaan.”

Bij kamertemperatuur wordt de hars vast en vormt hij een stabiele verbinding tussen het 2-D-materiaal en de wafel, zegt hij. “Om materialen te stapelen, herhalen we de stappen van verwarmen en persen. De hars wordt weer stroperig en gedraagt ​​zich als een kussen, of een waterbed, dat de lagenstapel ondersteunt en zich aanpast aan het oppervlak van het nieuwe 2D-materiaal.”

De onderzoekers toonden de overdracht van grafeen en molybdeendisulfide (MoS₂), als vertegenwoordiger voor overgangsmetaaldichalcogeniden en gestapeld grafeen met hexagonaal boornitride (hBN) en MoS₂ tot heterostructuren. Alle overgebrachte lagen en heterostructuren waren naar verluidt van hoge kwaliteit, dat wil zeggen, ze hadden een uniforme dekking over tot 100 millimeter grote siliciumwafels en vertoonden weinig spanning in de overgebrachte 2-D-materialen, stelt het papier.