Metode yang Dapat Diskalakan untuk Integrasi Area Besar dari Material 2D

Bahan dua dimensi (2D) memiliki potensi besar untuk menyediakan perangkat dengan ukuran yang jauh lebih kecil dan fungsionalitas yang diperluas sehubungan dengan apa yang dapat dicapai dengan teknologi silikon saat ini. Tetapi untuk memanfaatkan potensi ini, kita harus dapat mengintegrasikan material 2D ke dalam lini manufaktur semikonduktor — langkah yang sangat sulit. Sebuah tim peneliti Graphene Flagship di Swedia dan Jerman sekarang melaporkan metode baru untuk membuat ini berhasil.

Integrasi bahan 2D dengan silikon atau dengan substrat dengan elektronik terintegrasi menghadirkan sejumlah tantangan. “Selalu ada langkah penting untuk mentransfer dari substrat pertumbuhan khusus ke substrat akhir tempat Anda membangun sensor atau komponen,” kata Arne Quellmalz, peneliti di Graphene Flagship Associate Member KTH. “Anda mungkin ingin menggabungkan fotodetektor graphene untuk komunikasi on-chip optik dengan elektronik pembacaan silikon, tetapi suhu pertumbuhan material tersebut terlalu tinggi, sehingga Anda tidak dapat melakukannya langsung pada substrat perangkat.”

Sejauh ini, sebagian besar metode eksperimental untuk mentransfer material 2D dari substrat pertumbuhannya ke elektronik yang diinginkan tidak kompatibel dengan manufaktur volume tinggi atau menyebabkan degradasi signifikan material 2D dan sifat elektroniknya. Keunggulan dari solusi yang diusulkan oleh Quellmalz dan rekan kerja adalah terletak pada toolkit manufaktur semikonduktor yang ada:menggunakan bahan dielektrik standar yang disebut bisbenzocyclobutene (BCB), bersama dengan peralatan bonding wafer konvensional.

“Pada dasarnya kami merekatkan kedua wafer dengan resin yang terbuat dari BCB,” kata Quellmalz. “Kami memanaskan resin, sampai menjadi kental, seperti madu, dan menekan bahan 2D di atasnya.” Pada suhu kamar, resin menjadi padat dan membentuk hubungan yang stabil antara bahan 2D dan wafer. “Untuk menumpuk bahan, kami mengulangi langkah pemanasan dan pengepresan. Resin menjadi kental kembali dan berperilaku seperti bantalan, atau alas air, yang menopang tumpukan lapisan dan beradaptasi dengan permukaan material 2D yang baru.”

Para peneliti mendemonstrasikan transfer graphene dan molibdenum disulfida (MoS2), sebagai perwakilan untuk dichalcogenides logam transisi, dan graphene bertumpuk dengan boron nitrida heksagonal (hBN) dan MoS2 ke heterostruktur. Semua lapisan dan heterostruktur yang ditransfer dilaporkan berkualitas tinggi, yaitu, menampilkan cakupan seragam hingga wafer silikon berukuran 100 milimeter dan menunjukkan sedikit ketegangan pada material 2D yang ditransfer.

Menurut para peneliti, metode transfer mereka pada prinsipnya berlaku untuk bahan 2D apa pun, terlepas dari ukuran dan jenis substrat pertumbuhan. Dan, karena hanya mengandalkan alat dan metode yang sudah umum di industri semikonduktor, ini dapat secara substansial mempercepat kemunculan perangkat generasi baru di pasar di mana bahan 2D terintegrasi di atas sirkuit terpadu konvensional atau sistem mikro. Pekerjaan ini merupakan langkah penting menuju tujuan itu dan, meskipun masih banyak tantangan lebih lanjut, berbagai aplikasi potensial sangat besar:mulai dari fotonik, penginderaan, hingga komputasi neuromorfik. Integrasi materi 2D dapat menjadi pengubah permainan nyata bagi industri teknologi tinggi Eropa.