Un método escalable para la integración de áreas grandes de materiales 2D

Los materiales bidimensionales (2D) tienen un gran potencial para proporcionar dispositivos con un tamaño mucho más pequeño y funcionalidades extendidas con respecto a lo que se puede lograr con las tecnologías de silicio actuales. Pero para explotar este potencial, debemos ser capaces de integrar materiales 2D en las líneas de fabricación de semiconductores, un paso notoriamente difícil. Un equipo de investigadores de Graphene Flagship en Suecia y Alemania ahora informa un nuevo método para hacer que esto funcione.

La integración de materiales 2D con silicio o con un sustrato con electrónica integrada presenta una serie de desafíos. "Siempre existe este paso crítico de transferir de un sustrato de crecimiento especial al sustrato final sobre el que se construyen sensores o componentes", dijo Arne Quellmalz, investigador de Graphene Flagship Associate Member KTH. "Es posible que desee combinar un fotodetector de grafeno para la comunicación óptica en el chip con la electrónica de lectura de silicio, pero las temperaturas de crecimiento de esos materiales son demasiado altas, por lo que no puede hacerlo directamente en el sustrato del dispositivo".

Hasta el momento, la mayoría de los métodos experimentales para transferir materiales 2D desde su sustrato de crecimiento a la electrónica deseada no son compatibles con la fabricación de gran volumen o conducen a una degradación significativa del material 2D y de sus propiedades electrónicas. La belleza de la solución propuesta por Quellmalz y colaboradores es que se basa en los conjuntos de herramientas existentes de fabricación de semiconductores:usar un material dieléctrico estándar llamado bisbenzociclobuteno (BCB), junto con equipos de unión de obleas convencionales.

“Básicamente, pegamos las dos obleas con una resina hecha de BCB”, dijo Quellmalz. “Calentamos la resina, hasta que se vuelve viscosa, como la miel, y presionamos el material 2D contra ella”. A temperatura ambiente, la resina se vuelve sólida y forma una conexión estable entre el material 2D y la oblea. “Para apilar materiales, repetimos los pasos de calentamiento y prensado. La resina vuelve a volverse viscosa y se comporta como un cojín, o una cama de agua, que soporta la pila de capas y se adapta a la superficie del nuevo material 2D”.

Los investigadores demostraron la transferencia de grafeno y disulfuro de molibdeno (MoS2), como representante de los dicalcogenuros de metales de transición, y grafeno apilado con nitruro de boro hexagonal (hBN) y MoS2 a heteroestructuras. Según los informes, todas las capas y heteroestructuras transferidas eran de alta calidad, es decir, presentaban una cobertura uniforme sobre obleas de silicio de hasta 100 milímetros de tamaño y presentaban poca tensión en los materiales 2D transferidos.

Según los investigadores, su método de transferencia es, en principio, aplicable a cualquier material 2D, independientemente del tamaño y el tipo de sustrato de crecimiento. Y, dado que se basa únicamente en herramientas y métodos que ya son comunes en la industria de los semiconductores, podría acelerar sustancialmente la aparición en el mercado de una nueva generación de dispositivos donde los materiales 2D se integren sobre circuitos integrados o microsistemas convencionales. Este trabajo es un paso importante hacia ese objetivo y, aunque aún quedan muchos desafíos, la gama de aplicaciones potenciales es amplia:desde fotónica hasta detección y computación neuromórfica. La integración de materiales 2D podría ser un verdadero cambio de juego para la industria europea de alta tecnología.