Cette technique, récemment publiée dans la prestigieuse revue Nature Communications, a été mise au point par des chercheurs du Graphene Flagship de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, de la Bundeswehr à Munich, d'AMO GmbH en Allemagne et du KTH Royal Institute of Technology en Suède, en collaboration avec Protemics GmbH.
L'intégration de matériaux 2D, tels que le graphène, avec du silicium (ou tout autre substrat utilisé dans les circuits intégrés) présente plusieurs défis. « Le transfert du matériau 2D du substrat où il est synthétisé vers le substrat final servant à la fabrication de composants électroniques, comme des capteurs, constitue toujours une étape critique », explique Arne Quellmalz, co-auteur de l'article et chercheur au KTH, un centre associé au Graphene Flagship. « On pourrait vouloir combiner un photodétecteur en graphène pour les communications optiques sur puce avec un système de lecture sur des circuits électroniques en silicium, mais la température de fabrication de ces matériaux est trop élevée ; ce procédé ne peut donc pas être réalisé directement sur le substrat des dispositifs électroniques. »
Jusqu'à présent, les méthodes de transfert des matériaux 2D de leur substrat de synthèse vers les composants électroniques étaient soit incompatibles avec la production de masse, soit engendraient des défauts dans le matériau 2D, compromettant ainsi ses propriétés électroniques. La technique mise au point par Quellmalz et son équipe au Graphene Flagship exploite des technologies et des outils déjà utilisés dans les usines de semi-conducteurs : elle utilise un matériau diélectrique standard, le bisbenzocyclobutane (BCB), et des équipements d'assemblage de plaquettes de silicium.
« En résumé, nous collons les deux plaquettes ensemble à l'aide d'une résine BDB », explique Quellmalz. « Nous chauffons la résine jusqu'à ce qu'elle devienne visqueuse, comme du miel, puis nous y collons le matériau 2D. » En refroidissant à température ambiante, la résine se solidifie et forme une liaison entre le matériau 2D et la plaquette de silicium, ajoute-t-il. « Pour empiler les matériaux, il suffit de répéter les étapes de chauffage et de pressage. Lorsque la résine retrouve sa viscosité, elle agit comme un coussin, tel un matelas d'eau, soutenant les matériaux 2D et épousant leur surface. »
Des chercheurs du Graphene Flagship ont présenté leur technologie de transfert du graphène et du disulfure de molybdène (un matériau de la famille des dichalcogénures métalliques). Ils ont également fabriqué des hétérostructures de matériaux 2D à partir de graphène, de disulfure de molybdène et de nitrure de bore. Une fois transférés sur la plaquette, les matériaux ont été analysés et ont présenté une qualité exceptionnelle. Le revêtement de silicium était uniforme sur des plaquettes allant jusqu'à 100 millimètres de diamètre, et les matériaux 2D ne présentaient aucun signe de contrainte ni de défaut.
« Notre méthode de transfert est applicable à tous les matériaux 2D, indépendamment de leur taille ou du substrat sur lequel ils ont été synthétisés », explique Max Lemme, co-auteur de l'article et chercheur chez AMO GmbH et RTWH Aachen, deux centres allemands membres du Graphene Flagship. « De plus, grâce à l'utilisation d'outils et de méthodes très courants dans l'industrie des semi-conducteurs, elle pourrait accélérer la commercialisation d'une nouvelle génération de dispositifs intégrant des matériaux 2D à des circuits et microprocesseurs conventionnels. Ces travaux constituent une avancée majeure vers cet objectif et, malgré les défis à relever, les perspectives qu'ils ouvrent sont immenses : applications en photonique, capteurs et même informatique neuromorphique. L'intégration des matériaux 2D pourrait révolutionner l'industrie technologique européenne. »
La Commission européenne a récemment annoncé un projet de 20 millions d'euros visant à faciliter le passage des méthodes de fabrication des matériaux 2D en laboratoire à la production à grande échelle de dispositifs électroniques. Lancé dans le cadre du programme phare Graphene Flagship, ce projet est connu sous le nom de « Ligne pilote expérimentale 2D (2D-EPL) ». « Cet article illustre parfaitement le travail réalisé dans le cadre du projet 2D-EPL », déclare Cédric Huyghebaert, directeur du programme Nouveaux matériaux et intégration chez imec (Belgique) et directeur technique de 2D-EPL. « L’une des tâches les plus urgentes à accomplir est le développement d’outils, de méthodes et de manuels pour la fabrication de dispositifs exploitant le potentiel des matériaux 2D et compatibles avec les normes de l’industrie des semi-conducteurs », poursuit M. Huyghebaert. « La prochaine étape consistera à démontrer le potentiel de ces procédés en fabriquant des capteurs et des dispositifs optoélectroniques dans une usine pilote. »
Référence
« Intégration à grande échelle de matériaux bidimensionnels et de leurs hétérostructures par collage de plaquettes », A. Quellmalz, (2021), DOI : 10.1038/s41467-021-21136-0.
