Processo Escalável Revolucionário Permite Integração de Materiais 2D em Grande Área na Fabricação de Semicondutores

Materiais bidimensionais (2D) têm um enorme potencial para fornecer dispositivos com tamanho muito menor e funcionalidades estendidas em relação ao que pode ser alcançado com as tecnologias de silício atuais. Mas para explorar este potencial, devemos ser capazes de integrar materiais 2D em linhas de fabricação de semicondutores — um passo notoriamente difícil. Uma equipe de pesquisadores do Graphene Flagship na Suécia e Alemanha agora relata um novo método para fazer isso funcionar.

A integração de materiais 2D com silício ou com um substrato com eletrônica integrada apresenta vários desafios. "Sempre há este passo crítico de transferência de um substrato de crescimento especial para o substrato final no qual você constrói sensores ou componentes", disse Arne Quellmalz, pesquisador no Membro Associado do Graphene Flagship KTH. "Você pode querer combinar um fotodetector de grafeno para comunicação óptica on-chip com eletrônica de leitura de silício, mas as temperaturas de crescimento desses materiais são muito altas, então você não pode fazer isso diretamente no substrato do dispositivo."

Até agora, a maioria dos métodos experimentais para transferir materiais 2D de seu substrato de crescimento para a eletrônica desejada são ou incompatíveis com manufatura de alto volume ou levam a uma degradação significativa do material 2D e de suas propriedades eletrônicas. A beleza da solução proposta por Quellmalz e colaboradores é que ela reside nos toolkits existentes da manufatura de semicondutores: usar um material dielétrico padrão chamado bisbenzociclobuteno (BCB), junto com equipamento convencional de wafer bonding.

"Basicamente, colamos os dois wafers juntos com uma resina feita de BCB", disse Quellmalz. "Aquecemos a resina até que se torne viscosa, como mel, e pressionamos o material 2D contra ela." Em temperatura ambiente, a resina se torna sólida e forma uma conexão estável entre o material 2D e o wafer. "Para empilhar materiais, repetimos os passos de aquecimento e pressão. A resina se torna viscosa novamente e se comporta como um amortecedor, ou uma cama d'água, que suporta a pilha de camadas e se adapta à superfície do novo material 2D."

Os pesquisadores demonstraram a transferência de grafeno e dissulfeto de molibdênio (MoS2), como representativo de dicalcogenetos de metais de transição, e empilharam grafeno com nitreto de boro hexagonal (hBN) e MoS2 em heteroestruturas. Todas as camadas transferidas e heteroestruturas eram aparentemente de alta qualidade, ou seja, apresentavam cobertura uniforme sobre wafers de silício de até 100 milímetros e exibiam pouca tensão nos materiais 2D transferidos.

Segundo os pesquisadores, seu método de transferência é em princípio aplicável a qualquer material 2D, independente do tamanho e tipo de substrato de crescimento. E, como depende apenas de ferramentas e métodos já comuns na indústria de semicondutores, poderia acelerar substancialmente o aparecimento no mercado de uma nova geração de dispositivos onde materiais 2D são integrados sobre circuitos integrados convencionais ou microsistemas. Este trabalho é um passo importante rumo a esse objetivo e, embora muitos desafios adicionais permaneçam, a gama de aplicações potenciais é grande: de fotônica, a sensoriamento, a computação neuromórfica. A integração de materiais 2D poderia ser um verdadeiro divisor de águas para a indústria de alta tecnologia europeia.