Proceso escalable revoluciona integración de materiales 2D en fabricación de semiconductores

Los materiales bidimensionales (2D) tienen enorme potencial para dispositivos con tamaño mucho menor y funcionalidades extendidas respecto a lo que logran tecnologías de silicio actuales. Pero para explotar este potencial debemos integrar materiales 2D en líneas de fabricación de semiconductores —un paso notoriamente difícil. Un equipo de investigadores de Graphene Flagship en Suecia y Alemania reporta un nuevo método para lograrlo.

Desafíos de transferencia

La integración de materiales 2D con silicio o sustratos con electrónica integrada presenta retos. "Siempre hay este paso crítico de transferir desde un sustrato de crecimiento especial al sustrato final donde construyes sensores o componentes", dijo Arne Quellmalz, investigador en KTH, miembro asociado de Graphene Flagship. "Podrías querer combinar un fotodetector de grafeno para comunicación óptica on-chip con electrónica de lectura de silicio, pero las temperaturas de crecimiento de esos materiales son demasiado altas, así que no puedes hacerlo directamente en el sustrato del dispositivo."

Hasta ahora, la mayoría de métodos experimentales para transferir materiales 2D desde su sustrato de crecimiento al deseado son incompatibles con fabricación de alto volumen o degradan significativamente el material 2D y sus propiedades electrónicas. La belleza de la solución propuesta por Quellmalz y colaboradores es que reside en los toolkits existentes de fabricación de semiconductores: usar un material dieléctrico estándar llamado bisbenzociclobuteno (BCB), junto con equipo convencional de wafer bonding.

Método: "pegamento" BCB

"Básicamente pegamos los dos wafers con una resina de BCB", dijo Quellmalz. "Calentamos la resina hasta que se vuelve viscosa, como miel, y prensamos el material 2D contra ella." A temperatura ambiente, la resina se solidifica y forma conexión estable entre el material 2D y el wafer. "Para apilar materiales, repetimos calentamiento y prensado. La resina se vuelve viscosa de nuevo y actúa como cojín o colchón de agua, soportando la pila de capas y adaptándose a la superficie del nuevo material 2D."

Resultados y aplicabilidad

Los investigadores demostraron transferencia de grafeno y disulfuro de molibdeno (MoS2), como representativo de dicalcógenos de metales de transición, y apilaron grafeno con nitruro de boro hexagonal (hBN) y MoS2 en heteroestructuras. Todas las capas transferidas y heteroestructuras fueron de alta calidad: cobertura uniforme en wafers de silicio de hasta 100 mm y poca tensión en materiales 2D transferidos.

Según los investigadores, su método de transferencia es en principio aplicable a cualquier material 2D, independiente del tamaño y tipo de sustrato de crecimiento. Y, al basarse solo en herramientas y métodos ya comunes en la industria de semiconductores, podría acelerar sustancialmente la aparición en el mercado de una nueva generación de dispositivos donde materiales 2D se integran sobre circuitos integrados convencionales o microsistemas. Este trabajo es un paso importante hacia esa meta y, aunque quedan muchos retos, el rango de aplicaciones potenciales es grande: fotónica, sensores, computación neuromórfica. La integración de materiales 2D podría ser un verdadero cambio de juego para la industria high-tech europea.