Um método escalável para a integração de grandes áreas de materiais 2D

Os 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 esse potencial, devemos ser capazes de integrar materiais 2D em linhas de fabricação de semicondutores – uma etapa notoriamente difícil. Uma equipe de pesquisadores do Graphene Flagship na Suécia e na Alemanha agora relata um novo método para fazer isso funcionar.

A integração de materiais 2D com silício ou com substrato com eletrônica integrada apresenta vários desafios. “Sempre há essa etapa crítica de transferência de um substrato de crescimento especial para o substrato final no qual você constrói sensores ou componentes”, disse Arne Quellmalz, pesquisador da Graphene Flagship Associate Member KTH. “Você pode combinar um fotodetector de grafeno para comunicação óptica no chip com eletrônicos 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 incompatíveis com a fabricação 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 está nos kits de ferramentas existentes de fabricação de semicondutores:usar um material dielétrico padrão chamado bisbenzociclobuteno (BCB), juntamente com equipamentos convencionais de colagem de wafer.

“Basicamente colamos os dois wafers com uma resina feita de BCB”, disse Quellmalz. “Aquecemos a resina, até ficar viscosa, como mel, e pressionamos o material 2D contra ela.” À temperatura ambiente, a resina torna-se sólida e forma uma conexão estável entre o material 2D e o wafer. “Para empilhar materiais, repetimos as etapas de aquecimento e prensagem. A resina torna-se viscosa novamente e se comporta como uma almofada, ou um colchão 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 representante de dicalcogenetos de metais de transição, e grafeno empilhado com nitreto de boro hexagonal (hBN) e MoS2 para heteroestruturas. Todas as camadas e heteroestruturas transferidas eram de alta qualidade, ou seja, apresentavam cobertura uniforme sobre pastilhas 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, independentemente do tamanho e do tipo de substrato de crescimento. E, por contar apenas com ferramentas e métodos já comuns na indústria de semicondutores, poderia acelerar substancialmente o surgimento no mercado de uma nova geração de dispositivos onde os materiais 2D são integrados em cima de circuitos integrados convencionais ou microssistemas. Este trabalho é um passo importante para esse objetivo e, embora muitos desafios ainda permaneçam, a gama de aplicações potenciais é grande:de fotônica, sensoriamento e computação neuromórfica. A integração de materiais 2D pode ser um verdadeiro divisor de águas para a indústria europeia de alta tecnologia.