二維（2D）材料具有巨大的潛力，可以為設(shè)備提供更小的尺寸和擴展的功能（相對于當(dāng)今的硅技術(shù)可以實現(xiàn)的功能）。但是，要開發(fā)這種潛力，我們必須能夠?qū)?D材料集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線中-這是非常困難的一步。瑞典和德國的石墨烯旗艦研究人員團隊現(xiàn)在報告了使這項工作有效的新方法。

 

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2D材料與硅或與具有集成電子設(shè)備的基板的集成提出了許多挑戰(zhàn)。石墨烯旗艦會員KTH的研究員Arne Quellmalz說："從特殊的生長基質(zhì)轉(zhuǎn)移到構(gòu)建傳感器或組件的最終基質(zhì)始終是關(guān)鍵的一步。" "您可能希望將用于光學(xué)片上通信的石墨烯光電檢測器與硅讀出電子設(shè)備相結(jié)合，但是這些材料的生長溫度過高，因此您不能直接在設(shè)備基板上進行這種操作。"

 

到目前為止，大多數(shù)將2D材料從其生長襯底轉(zhuǎn)移到所需電子器件的實驗方法要么與大批量生產(chǎn)不兼容，要么導(dǎo)致2D材料及其電子性能的顯著降低。Quellmalz及其同事提出的解決方案的優(yōu)點在于，它在于現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工具包：使用稱為雙苯并環(huán)丁烯（BCB）的標(biāo)準(zhǔn)介電材料以及傳統(tǒng)的晶圓鍵合設(shè)備。

 

 

 

材料晶圓級傳輸。（1）在目標(biāo)晶圓上旋涂熱固性雙苯并環(huán)丁烯（BCB）作為粘合劑層并對其進行軟烘烤。（2）將2D材料放置在目標(biāo)晶片頂部的其生長襯底上，并使2D材料面向目標(biāo)晶片。（3）通過使用商用半導(dǎo)體晶片鍵合工具對晶片堆疊施加熱量和力來進行粘合劑晶片鍵合，從而在其生長襯底上的2D材料與目標(biāo)晶片之間形成穩(wěn)定的鍵合。（4）去除生長底物。（I）在目標(biāo)晶圓上轉(zhuǎn)移2D材料。b二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成。（1）無需額外處理就重復(fù)使用步驟（I）中的目標(biāo)晶片。（2）將第二種2D材料放置在目標(biāo)晶圓頂部的其生長襯底上，使2D材料面對先前傳輸?shù)?D材料。（3）如a）步驟（3）中的晶片鍵合。（4）去除第二2D材料的生長襯底。（II）在目標(biāo)晶圓上轉(zhuǎn)移的2D材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

 

Quellmalz說："我們基本上將兩種晶片與BCB制成的樹脂粘合在一起。" "我們加熱樹脂，直到像蜂蜜一樣變得粘稠，然后將2D材料壓在它上面。" 在室溫下，樹脂變?yōu)楣腆w，并在2D材料和晶圓之間形成穩(wěn)定的連接。"要堆疊材料，我們重復(fù)加熱和加壓的步驟。樹脂再次變得粘稠，表現(xiàn)得像墊子或水床，支撐層堆疊并適應(yīng)新的2D材料的表面。"

 

研究人員展示了石墨烯和二硫化鉬（MoS2）的轉(zhuǎn)移，作為過渡金屬二鹵化碳的代表，以及具有六方氮化硼（hBN）和MoS2的堆疊石墨烯向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。據(jù)報道，所有轉(zhuǎn)移的層和異質(zhì)結(jié)構(gòu)都是高質(zhì)量的，也就是說，它們在100毫米大小的硅晶片上具有均勻的覆蓋范圍，并且在轉(zhuǎn)移的2D材料中幾乎沒有應(yīng)變。

 

研究人員認(rèn)為，其轉(zhuǎn)移方法原則上適用于任何2D材料，而與生長基質(zhì)的大小和類型無關(guān)。并且，由于它僅依賴于半導(dǎo)體工業(yè)中已經(jīng)普遍使用的工具和方法，因此它可以大大加快新一代設(shè)備在市場上的出現(xiàn)，其中將2D材料集成在常規(guī)集成電路或微系統(tǒng)之上。這項工作是朝著這個目標(biāo)邁出的重要一步，盡管仍然存在許多其他挑戰(zhàn)，但潛在的應(yīng)用范圍很廣：從光子學(xué)，傳感技術(shù)到神經(jīng)形態(tài)計算。二維材料的集成對于歐洲高科技行業(yè)而言可能是真正的游戲規(guī)則改變者。