与当今的硅技术相比，二维（2D）材料在提供尺寸更小、功能更强的设备方面潜力巨大。但是，要挖掘这一潜力，我们必须能够将二维材料集成到半导体生产线中，这是一个众所周知的困难步骤。来自瑞典和德国的研究团队现在报告了一种实现这一目标的新方法。
图片：A. Quellmalz
斯德哥尔摩 KTH 皇家理工学院的研究人员与亚琛工业大学、慕尼黑联邦大学、德国 AMO 有限公司和 Protemics 有限公司合作，在《自然-通讯》上发表了这项技术。
将二维材料与硅或集成电子元件的基底进行集成面临着许多挑战。”KTH的光子微系统研究员、本文第一作者Arne Quellmalz说：”从特殊生长基底到最终基底（在其上制造传感器或元件）的转换过程始终是一个关键步骤。”您可能想将用于片上光学通信的石墨烯光电探测器与硅读出电子元件结合起来，但这些材料的生长温度太高，因此您无法直接在设备基板上实现这一目标。
迄今为止，大多数将二维材料从其生长基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，要么会导致二维材料及其电子特性的显著退化。Quellmalz 及其合作者提出的解决方案的美妙之处在于，它可以利用现有的半导体制造工具包：使用一种名为双苯并环丁烯（BCB）的标准介电材料和传统的晶圆键合设备。
Quellmalz 解释说：”我们基本上是用 BCB 树脂将两个晶片粘合在一起。”我们加热树脂，直到它变得像蜂蜜一样粘稠，然后将二维材料压在它上面”。他说，在室温下，树脂会变成固体，并在二维材料和晶片之间形成稳定的连接。”要堆叠材料，我们要重复加热和加压的步骤。树脂再次变得粘稠，就像一个垫子或水床，支撑着层堆叠，并适应新的二维材料表面。
研究人员展示了石墨烯和二硫化钼（MoS2）（过渡金属二卤化物的代表）的转移，并将石墨烯与六方氮化硼（hBN）和 MoS2 堆叠成异质结构。据报道，所有转移层和异质结构的质量都很高，也就是说，它们在最大 100 毫米大小的硅片上覆盖均匀，而且转移的二维材料几乎没有应变。
AMO GmbH 和亚琛工业大学的 Max Lemme 教授说：”我们的转移方法原则上适用于任何二维材料，与生长基底的尺寸和类型无关。”而且，由于它只依赖于半导体工业中已经很常见的工具和方法，因此可以大大加快新一代设备的上市速度，在传统集成电路或微系统上集成二维材料。这项工作是朝这一目标迈出的重要一步，尽管仍存在许多进一步的挑战，但其潜在应用范围非常广泛：从光子学、传感到神经形态计算。二维材料的集成可能会真正改变欧洲高科技产业的游戏规则”。
“imec探索性材料和模块集成项目经理兼2D-EPL项目技术负责人Cedric Huyghebaert说：”这篇论文是石墨烯旗舰项目2D实验先导线（2D-EPL）目前开展的工作的一个很好的例子。这是欧盟委员会于 2020 年 10 月启动的一个耗资 2000 万欧元的项目，旨在缩小基于二维材料的电子设备从实验室规模制造到大批量生产之间的差距。”Huyghebaert说：”目前，我们的紧迫任务之一是开发工具包和设计手册，用于制造与半导体工业标准兼容的基于二维材料的设备。”下一步将是在试验生产线上展示这些工艺在生产创新传感器和光电设备方面的潜力”。
参考文献信息
“Large-area integration of two-dimensional materials and their heterostructures by wafer bonding”, A. Quellmalz, X. Wang, S. Sawallich, B. Uzlu, M. Otto, S. Wagner, Z. Wang, M. Prechtl, O. Hartwig, S. Luo, G. S. Duesberg, M. C. Lemme, K. B. Gylfason, N. Roxhed, G. Stemme, and F. Niklaus, Nature Communications 12, 917 (2021).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-21136-0
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