二維材料大面積整合的可擴充套件方法

二維（2D）材料具有巨大的潛力，可以為裝置提供更小的尺寸和擴充套件的功能（相對於當今的矽技術可以實現的功能）。但是，要開發這種潛力，我們必須能夠將2D材料整合到半導體生產線中-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在報告了使這項工作有效的新方法。

2D材料與矽或與具有整合電子裝置的基板的整合提出了許多挑戰。石墨烯旗艦會員KTH的研究員Arne Quellmalz說："從特殊的生長基質轉移到構建感測器或元件的最終基質始終是關鍵的一步。" "您可能希望將用於光學片上通訊的石墨烯光電檢測器與矽讀出電子裝置相結合，但是這些材料的生長溫度過高，因此您不能直接在裝置基板上進行這種操作。"

到目前為止，大多數將2D材料從其生長襯底轉移到所需電子器件的實驗方法要麼與大批次生產不相容，要麼導致2D材料及其電子效能的顯著降低。Quellmalz及其同事提出的解決方案的優點在於，它在於現有的半導體制造工具包：使用稱為雙苯並環丁烯（BCB）的標準介電材料以及傳統的晶圓鍵合裝置。

用於二維（2D）材料的晶圓級轉移和2D材料異質結構形成的方法的示意圖：

材料晶圓級傳輸。（1）在目標晶圓上旋塗熱固性雙苯並環丁烯（BCB）作為粘合劑層並對其進行軟烘烤。（2）將2D材料放置在目標晶片頂部的其生長襯底上，並使2D材料面向目標晶片。（3）透過使用商用半導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材料與目標晶片之間形成穩定的鍵合。（4）去除生長底物。（I）在目標晶圓上轉移2D材料。b二維材料異質結構的形成。（1）無需額外處理就重複使用步驟（I）中的目標晶片。（2）將第二種2D材料放置在目標晶圓頂部的其生長襯底上，使2D材料面對先前傳輸的2D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）在目標晶圓上轉移的2D材料異質結構。

Quellmalz說："我們基本上將兩種晶片與BCB製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，然後將2D材料壓在它上面。" 在室溫下，樹脂變為固體，並在2D材料和晶圓之間形成穩定的連線。"要堆疊材料，我們重複加熱和加壓的步驟。樹脂再次變得粘稠，表現得像墊子或水床，支撐層堆疊並適應新的2D材料的表面。"

研究人員認為，其轉移方法原則上適用於任何2D材料，而與生長基質的大小和型別無關。並且，由於它僅依賴於半導體工業中已經普遍使用的工具和方法，因此它可以大大加快新一代裝置在市場上的出現，其中將2D材料整合在常規積體電路或微系統之上。這項工作是朝著這個目標邁出的重要一步，儘管仍然存在許多其他挑戰，但潛在的應用範圍很廣：從光子學，感測技術到神經形態計算。二維材料的整合對於歐洲高科技行業而言可能是真正的遊戲規則改變者。

參考資料：

"透過晶片鍵合實現二維材料及其異質結構的大面積整合"，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。