Los materiales 2D tienen un enorme potencial en la miniaturización de componentes electrónicos, y también añaden una gran variedad de posibilidades a las tecnologías actuales basadas en silicio. Pero para poder explotar estas oportunidades, necesitamos poder integrar los materiales 2D en las “fab” – las plantas de fabricación de semiconductores. Y es complicado dar este paso. Ahora, un grupo de investigadores alemanes y suecos dentro del proyecto europeo Graphene Flagship, financiado por la Comisión Europea, han encontrado un método que podría acelerar esta integración.

Esta técnica, que acaba de publicarse en la prestigiosa revista Nature Communications, ha sido desarrollada por investigadores del Graphene Flagship en la Universidad RWTH de Aachen, el Bundeswehr de Múnich, la empresa AMO GmbH, en Alemania y el Real Instituto de Tecnología KTH, en Suecia, en colaboración con la empresa Protemics GmbH.
La integración de materiales 2D, como el grafeno, con el silicio (o cualquier otro sustrato utilizado en circuitos integrados) presenta una serie de retos. “Siempre hay un paso crítico cuando transfieres el material 2D del sustrato donde se sintetiza al sustrato final, que vas a utilizar para fabricar componentes electrónicos como, por ejemplo, sensores,” dice Arne Quellmalz, co-autor del trabajo e investigador en KTH, un centro asociado al Graphene Flagship. “Quizás quieras combinar un fotodetector de grafeno para comunicaciones ópticas on-chip con una lectura en circuitos electrónicos de silicio, pero la temperatura para fabricar estos materiales es demasiado alta, no puedes hacer este proceso directamente en el sustrato de los dispositivos electrónicos.”

Hasta ahora, los métodos desarrollados para transferir materiales 2D desde el sustrato donde se sintetizan a los componentes electrónicos no son compatibles con la fabricación en masa, o producen tales defectos en el material 2D que sus propiedades electrónicas se ven perjudicadas. Pero la técnica desarrollada por Quellmalz y su equipo en el Graphene Flagship aprovecha tecnologías y herramientas que ya se utilizan en las “fabs” de semiconductores: utiliza un material dieléctrico estándar llamado bisbenzociclobutano (BCB) y equipamiento para ensamblar obleas de silicio.
“Básicamente, pegamos las dos obleas usando una resina de BDB,” explica Quellmalz. “Calentamos la resina hasta que se vuelve viscosa, como la miel, y entonces pegamos el material 2D.” Cuando vuelve a temperatura ambiente, la resina solidifica y forma una conexión entre el material 2D y la oble de silicio, añade. “Para apilar materiales, simplemente repetimos los pasos de calentamiento y prensado. Al volverse viscosa de nuevo, la resina actúa como un cojín, como una cama de agua que sujeta los materiales 2D, adaptándose a su superficie.”
Los investigadores del Graphene Flagship demostraron su tecnología para la transferencia de grafeno y disulfuro de molibdeno (un material de la familia de los dicalcogenuros metálicos). También fabricaron heteroestructuras de materiales 2D con grafeno, disulfuro de molibdeno y nitruro de boro. Una vez transferidos a la oblea, analizaron los materiales y observaron una altísima calidad. El recubrimiento del silicio era uniforme en obleas de hasta 100 milímetros, y los materiales 2D no mostraban signos de tensión o defectos.

“Nuestro método de transferencia puede aplicarse a cualquier material 2D, independientemente de su tamaño o del sustrato sobre el que se haya sintetizado,” dice Max Lemme, co-autor del artículo e investigador en AMO GmbH y RTWH Aachen, dos centros en Alemania que son miembros del Graphene Flagship. “Además, como utiliza herramientas y métodos que son muy comunes en la industria de los semiconductores, podría acelerar la penetración en el mercado de una nueva generación de dispositivos donde los materiales 2D se integran con circuitos y microchips convencionales. Este trabajo representa un gran paso adelante hacia este objetivo y, aunque todavía quedan retos por solucionar, las posibilidades que abre son enormes: aplicaciones en fotónica, sensores, incluso computación neuromórfica. La integración de materiales 2D podría cambiar las reglas del juego en la industria tecnológica europea.”
Recientemente, la Comisión Europea anunció un proyecto de 20 millones de euros para cerrar las brechas entre los métodos de fabricación de materiales 2D en el laboratorio y la producción de dispositivos electrónicos a gran escala. El proyecto, lanzado dentro del marco del Graphene Flagship, se conoce como “2D Experimental Pilot Line (2D-EPL)”. “Este artículo es un gran ejemplo del trabajo que lleva a cabo el proyecto 2D-EPL,” dice Cedric Huyghebaert, director del programa para nuevos materiales e integración en imec, Bélgica, y director técnico del 2D-EPL. “Esta es una de las tareas pendientes más urgentes, desarrollar herramientas, métodos y manuales para fabricar dispositivos que aprovechen el potencial de los materiales 2D y sean compatibles con los estándares de la industria de los semiconductores,” dice Huyghebaert. “El siguiente paso será demostrar el potencial de estos procesos fabricando sensores y dispositivos optoelectrónicos en una planta piloto.”

Referencia
“Large-area integration of two-dimensional materials and their heterostructures by wafer bonding”, A. Quellmalz, X. Wang, S. Sawallich, B. Uzlu, M. Otto, S. Wagner, Z. Wang, M. Prechtl, O. Hartwig, S. Luo, G. S. Duesberg, M. C. Lemme, K. B. Gylfason, N. Roxhed, G. Stemme, and F. Niklaus, Nature Communications (2021), DOI: 10.1038/s41467-021-21136-0.