2D-Materialien für die Großserienproduktion elektronischer Bauteile

11.02.2021

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RWTH-Professor Max Lemme und Forschungspartner veröffentlichen in „Nature Communications“.

 

Zweidimensionale Materialien haben ein enormes Potenzial, Bauelemente mit deutlich geringerer Größe und erweiterten Funktionalitäten im Vergleich zu den heutigen Siliziumtechnologien zu ermöglichen. Hierzu müssen jedoch 2D-Materialien in Halbleiterfertigungslinien integriert werden, bislang ein schwieriger Schritt. Ein Team aus Schweden und Deutschland beschreibt nun unter dem Titel „Large-area integration of two-dimensional materials and their heterostructures by wafer bonding“ in der Zeitschrift „Nature Communications“ eine Methode, mit der dies gelingen kann. An den Forschungsarbeiten waren Professor Max Lemme vom Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der RWTH Aachen, das KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, die Universität der Bundeswehr München, die AMO GmbH und die Protemics GmbH beteiligt.

Aktuell sind die meisten experimentellen Methoden, 2D-Materialien von ihrem Wachstumssubstrat auf die gewünschte Elektronik zu übertragen, nicht kompatibel mit der Großserienfertigung. Außerdem führen sie zu einer erheblichen Verschlechterung des 2D-Materials und seiner elektronischen Eigenschaften. Bei der neuen Methode werden Bisbenzocyclobuten (BCB) und konventionelle Wafer-Bonding-Geräte genutzt. BCB wird erhitzt bis es zähflüssig ist, dann wird das 2D-Material dagegen gedrückt. Bei Raumtemperatur entsteht eine stabile Verbindung zwischen dem 2D-Material und dem Wafer. Um Materialien zu stapeln, werden die Schritte des Erhitzens und Pressens wiederholt.

Das Team demonstriert den Transfer von Graphen und Molybdändisulfid (MoS2), als Vertreter der Übergangsmetall-Dichalkogenide, und stapelt Graphen mit hexagonalem Bornitrid (hBN) und MoS2 zu Heterostrukturen. Alle übertragenen Schichten und Heterostrukturen sind von hoher Qualität, sie weisen eine gleichmäßige Bedeckung über bis zu 100 Millimeter große Silizium-Wafer auf und zeigten nur geringe Spannung in den übertragenen 2D-Materialien.

„Die Transfermethode ist im Prinzip auf jedes 2D-Material anwendbar, unabhängig von Größe und Art des Wachstumssubstrats“, so RWTH-Professor Lemme von der RWTH, der auch die AMO GmbH leitet. Er ergänzt: „Da die Methode nur auf Werkzeuge und Methoden zurückgreift, die in der Halbleiterindustrie bereits üblich sind, könnte schnell eine neue Generation von Bauelementen entstehen, bei denen 2D-Materialien auf konventionellen integrierten Schaltkreisen oder Mikrosystemen integriert werden. Die Bandbreite der möglichen Anwendungen ist riesig: von der Photonik über die Sensorik bis hin zum neuromorphen Computing."

Die Arbeiten der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erfolgten im Rahmen des Projekts 2D Experimental Pilot Line (2D-EPL). Dieses wird seit Oktober 2020 von der Europäischen Kommission mit 20 Millionen Euro finanziert. Ziel ist, die Lücke zwischen der Fertigung im Labormaßstab und der Großserienproduktion von elektronischen Bauelementen auf Basis von zweidimensionalen Materialien zu schließen.

Redaktion: Presse und Kommunikation