二维材料大面积集成到常规集成电路的可扩展方法

日期:2021-04-19     来源:柔智烩    
核心提示:二维(2D)材料具有巨大的潜力,可以为设备提供更小的尺寸和扩展的功能(相对于当今的硅技术可以实现的功能)。不过,到目前为止,大多数将2D材料从其生长衬底转移到所需电子器件的实验方法要么与大批量生产不兼容,要么导致2D材料及其电子性能的显着降低。
二维材料大面积集成的可扩展方法
 
二维(2D)材料具有巨大的潜力,可以为设备提供更小的尺寸和扩展的功能(相对于当今的硅技术可以实现的功能)。但是,要开发这种潜力,我们必须能够将2D材料集成到半导体生产线中-这是非常困难的一步。瑞典和德国的石墨烯旗舰研究人员团队现在报告了使这项工作有效的新方法。
 
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2D材料与硅或与具有集成电子设备的基板的集成提出了许多挑战。石墨烯旗舰会员KTH的研究员Arne Quellmalz说:"从特殊的生长基质转移到构建传感器或组件的最终基质始终是关键的一步。" "您可能希望将用于光学片上通信的石墨烯光电检测器与硅读出电子设备相结合,但是这些材料的生长温度过高,因此您不能直接在设备基板上进行这种操作。"
 
到目前为止,大多数将2D材料从其生长衬底转移到所需电子器件的实验方法要么与大批量生产不兼容,要么导致2D材料及其电子性能的显着降低。Quellmalz及其同事提出的解决方案的优点在于,它在于现有的半导体制造工具包:使用称为双苯并环丁烯(BCB)的标准介电材料以及传统的晶圆键合设备。
 
用于二维(2D)材料的晶圆级转移和2D材料异质结构形成的方法的示意图:
 
 
材料晶圆级传输。(1)在目标晶圆上旋涂热固性双苯并环丁烯(BCB)作为粘合剂层并对其进行软烘烤。(2)将2D材料放置在目标晶片顶部的其生长衬底上,并使2D材料面向目标晶片。(3)通过使用商用半导体晶片键合工具对晶片堆叠施加热量和力来进行粘合剂晶片键合,从而在其生长衬底上的2D材料与目标晶片之间形成稳定的键合。(4)去除生长底物。(I)在目标晶圆上转移2D材料。b二维材料异质结构的形成。(1)无需额外处理就重复使用步骤(I)中的目标晶片。(2)将第二种2D材料放置在目标晶圆顶部的其生长衬底上,使2D材料面对先前传输的2D材料。(3)如a)步骤(3)中的晶片键合。(4)去除第二2D材料的生长衬底。(II)在目标晶圆上转移的2D材料异质结构。
 
Quellmalz说:"我们基本上将两种晶片与BCB制成的树脂粘合在一起。" "我们加热树脂,直到像蜂蜜一样变得粘稠,然后将2D材料压在它上面。" 在室温下,树脂变为固体,并在2D材料和晶圆之间形成稳定的连接。"要堆叠材料,我们重复加热和加压的步骤。树脂再次变得粘稠,表现得像垫子或水床,支撑层堆叠并适应新的2D材料的表面。"
 
研究人员展示了石墨烯和二硫化钼(MoS2)的转移,作为过渡金属二卤化碳的代表,以及具有六方氮化硼(hBN)和MoS2的堆叠石墨烯向异质结构的转移。据报道,所有转移的层和异质结构都是高质量的,也就是说,它们在100毫米大小的硅晶片上具有均匀的覆盖范围,并且在转移的2D材料中几乎没有应变。
 
研究人员认为,其转移方法原则上适用于任何2D材料,而与生长基质的大小和类型无关。并且,由于它仅依赖于半导体工业中已经普遍使用的工具和方法,因此它可以大大加快新一代设备在市场上的出现,其中将2D材料集成在常规集成电路或微系统之上。这项工作是朝着这个目标迈出的重要一步,尽管仍然存在许多其他挑战,但潜在的应用范围很广:从光子学,传感技术到神经形态计算。二维材料的集成对于欧洲高科技行业而言可能是真正的游戏规则改变者。
 
参考资料:
 
"通过晶片键合实现二维材料及其异质结构的大面积集成",A。Quellmalz,X。Wang,S。Sawallich,B。Uzlu,M。Otto,S。Wagner,Z。Wang,M。Prechtl, O.Hartwig,S.Lou,GS Duesberg,MC Lemme,KB Gylfason,N.Roxhed,G.Stemme和F.Niklaus ,Nature Communications(2021),DOI:10.1038 / s41467-021-21136-0。 
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