Questa tecnica, recentemente pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Communications, è stata sviluppata da ricercatori del Graphene Flagship presso l'Università RWTH di Aquisgrana, della Bundeswehr di Monaco, di AMO GmbH in Germania e del KTH Royal Institute of Technology in Svezia, in collaborazione con Protemics GmbH.
L'integrazione di materiali bidimensionali, come il grafene, con il silicio (o qualsiasi altro substrato utilizzato nei circuiti integrati) presenta una serie di sfide. "C'è sempre una fase critica quando si trasferisce il materiale bidimensionale dal substrato in cui viene sintetizzato al substrato finale che verrà utilizzato per fabbricare componenti elettronici come i sensori", afferma Arne Quellmalz, coautore dell'articolo e ricercatore presso il KTH, un centro associato al Graphene Flagship. "Si potrebbe voler combinare un fotorivelatore in grafene per le comunicazioni ottiche su chip con un sistema di lettura su circuiti elettronici in silicio, ma la temperatura per la produzione di questi materiali è troppo elevata; non è possibile eseguire questo processo direttamente sul substrato dei dispositivi elettronici."
Finora, i metodi sviluppati per trasferire materiali 2D dal substrato di sintesi ai componenti elettronici si sono rivelati incompatibili con la produzione di massa o hanno causato difetti nel materiale 2D, compromettendone le proprietà elettroniche. La tecnica sviluppata da Quellmalz e dal suo team presso il Graphene Flagship sfrutta invece tecnologie e strumenti già utilizzati nelle fabbriche di semiconduttori: si avvale di un materiale dielettrico standard chiamato bisbenzociclobutano (BCB) e di apparecchiature per l'assemblaggio di wafer di silicio.
"In pratica, incolliamo i due wafer insieme utilizzando una resina BCB", spiega Quellmalz. "Riscaldiamo la resina fino a renderla viscosa, come il miele, e poi vi incolliamo il materiale 2D". Quando si raffredda a temperatura ambiente, la resina si solidifica e forma un legame tra il materiale 2D e il wafer di silicio, aggiunge. "Per sovrapporre i materiali, ripetiamo semplicemente le fasi di riscaldamento e pressatura. Quando la resina torna viscosa, agisce come un cuscinetto, come un materasso ad acqua, sostenendo i materiali 2D e adattandosi alla loro superficie".
I ricercatori del Graphene Flagship hanno dimostrato la loro tecnologia per il trasferimento di grafene e disolfuro di molibdeno (un materiale appartenente alla famiglia dei dicalcogenuri metallici). Hanno inoltre realizzato eterostrutture di materiali bidimensionali utilizzando grafene, disolfuro di molibdeno e nitruro di boro. Una volta trasferiti sul wafer, i materiali sono stati analizzati e hanno riscontrato una qualità eccezionalmente elevata. Il rivestimento di silicio risultava uniforme su wafer fino a 100 millimetri di diametro e i materiali bidimensionali non presentavano segni di stress o difetti.
“Il nostro metodo di trasferimento può essere applicato a qualsiasi materiale 2D, indipendentemente dalle sue dimensioni o dal substrato su cui è stato sintetizzato”, afferma Max Lemme, coautore dell'articolo e ricercatore presso AMO GmbH e RTWH Aachen, due centri tedeschi membri della Graphene Flagship. “Inoltre, poiché utilizza strumenti e metodi molto comuni nell'industria dei semiconduttori, potrebbe accelerare la penetrazione nel mercato di una nuova generazione di dispositivi in cui i materiali 2D sono integrati con circuiti e microchip convenzionali. Questo lavoro rappresenta un importante passo avanti verso questo obiettivo e, sebbene ci siano ancora delle sfide da superare, le possibilità che apre sono enormi: applicazioni in fotonica, sensori e persino nel calcolo neuromorfico. L'integrazione dei materiali 2D potrebbe cambiare le carte in tavola per l'industria tecnologica europea”.
La Commissione europea ha recentemente annunciato un progetto da 20 milioni di euro per colmare il divario tra i metodi di fabbricazione di materiali 2D in laboratorio e la produzione su larga scala di dispositivi elettronici. Il progetto, avviato nell'ambito del Graphene Flagship, è noto come "2D Experimental Pilot Line (2D-EPL)". "Questo articolo è un ottimo esempio del lavoro svolto dal progetto 2D-EPL", afferma Cedric Huyghebaert, direttore del programma per i nuovi materiali e l'integrazione presso imec, in Belgio, e direttore tecnico del 2D-EPL. "Uno dei compiti più urgenti da portare a termine è lo sviluppo di strumenti, metodi e manuali per la fabbricazione di dispositivi che sfruttino il potenziale dei materiali 2D e siano compatibili con gli standard dell'industria dei semiconduttori", continua Huyghebaert. "Il prossimo passo sarà dimostrare il potenziale di questi processi realizzando sensori e dispositivi optoelettronici in un impianto pilota".
Riferimento
“Integrazione su larga scala di materiali bidimensionali e delle loro eterostrutture mediante incollaggio di wafer”, A. Quellmalz, (2021), DOI: 10.1038/s41467-021-21136-0.
