Forschung Sichere Integration fragiler 2D-Materialien in ICs

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Dieser Fortschritt eröffnet einen Weg zu Elektronikkomponenten der nächsten Generation und sogar mit einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften.

Zweidimensionale Materialien, die nur wenige Atome dick sind, können einige unglaubliche Eigenschaften aufweisen, so zum Beispiel die Fähigkeit, elektrische Ladungen extrem effizient zu transportieren, was die Leistung elektronischer Geräte der nächsten Generation erheblich steigern könnte.

Aber die Integration von 2D-Materialien in Geräte und Systeme wie Computerchips ist jedoch bekanntermaßen schwierig. Diese ultradünnen Strukturen können durch herkömmliche Herstellungsverfahren beschädigt werden, die oft auf Chemikalien, hohe Temperaturen oder zerstörerische Prozesse wie Ätzen angewiesen sind.

Um diese Herausforderung zu meistern, haben MIT-Forscher und andere Institute eine neue Technik entwickelt, mit der sich 2D-Materialien in einem einzigen Schritt in Bauelemente integrieren lassen, wobei die Oberflächen der Materialien und die entstehenden Grenzflächen unversehrt und frei von Defekten bleiben.

Ihre Methode beruht auf der Entwicklung von Oberflächenkräften im Nanobereich, die es ermöglichen, das 2D-Material physisch auf andere vorgefertigte Bauelementeschichten zu stapeln. Da das 2D-Material unbeschädigt bleibt, können die Forscher seine einzigartigen optischen und elektrischen Eigenschaften voll ausnutzen.

Sie nutzten diesen Ansatz, um Arrays von 2D-Transistoren herzustellen, die im Vergleich zu Bauteilen, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren produziert wurden, neue Funktionalitäten aufweisen. Ihre Methode, die so vielseitig ist, dass sie mit vielen Materialien verwendet werden kann, könnte vielfältige Anwendungen in den Bereichen Hochleistungscomputer, Sensorik und flexible Elektronik finden.

Entscheidend für die Erschließung dieser neuen Funktionen ist die Fähigkeit, saubere Grenzflächen zu bilden, die durch spezielle Kräfte zusammengehalten werden, die zwischen allen Materien existieren. Es handelt sich dabei um die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte.

Eine solche Van-der-Waals-Integration von Materialien in voll funktionsfähige Geräte ist jedoch nicht immer einfach, sagte Farnaz Niroui, Assistenzprofessorin für Elektrotechnik und Informatik (EECS), Mitglied des Research Laboratory of Electronics (RLE) und Hauptautorin eines neuen Forschungsberichtes, der die Arbeit beschreibt.

„Die Van-der-Waals-Integration hat eine fundamentale Grenze“, erklärt sie. „Da diese Kräfte von den intrinsischen Eigenschaften der Materialien abhängen, können sie nicht ohne weiteres modifiziert werden. Daher gibt es einige Materialien, die sich nicht direkt miteinander integrieren lassen, sofern man nur ihre van-der-Waals-Wechselwirkungen nutzt. Wir haben daher eine Plattform entwickelt, um diese Grenze zu überwinden und die van-der-Waals-Integration vielseitiger zu gestalten, um die Entwicklung von Geräten auf der Basis von 2D-Materialien mit neuen und verbesserten Funktionen zu fördern.“

Niroui schrieb die Arbeit zusammen mit dem Hauptautor Peter Satterthwaite, einem Doktoranden der Elektrotechnik und Informatik, Jing Kong, Professor für EECS und Mitglied von RLE, und anderen Mitarbeitern des MIT, der Boston University, der National Tsing Hua University in Taiwan, des National Science and Technology Council of Taiwan und der National Cheng Kung University in Taiwan. Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature Electronics“ veröffentlicht.

Vorteilhafte Anziehungskraft

Die Herstellung komplexer Systeme, wie zum Beispiel eines Computerchips mit herkömmlichen Fertigungstechniken kann sehr schwierig werden. In der Regel wird ein starres Material wie Silizium bis auf die Nanoskala heruntergemeißelt und dann mit anderen Komponenten wie Metallelektroden und Isolierschichten verbunden, um ein aktives Bauelement zu bilden. Eine solche Verarbeitung kann die verwendeten Materialien beschädigen.

In letzter Zeit haben sich die Forscher darauf konzentriert, Bauelemente und Systeme von unten nach oben aufzubauen, indem sie 2D-Materialien und ein Verfahren verwenden, das eine sequenzielle physikalische Stapelung erfordert. Anstatt chemische Klebstoffe oder hohe Temperaturen zu verwenden, um ein zerbrechliches 2D-Material mit einer herkömmlichen Oberfläche wie Silizium zu verbinden, nutzen die Forscher bei diesem neuen Ansatz die Van-der-Waals-Kräfte, um eine Schicht aus 2D-Material physisch in ein Bauelement zu integrieren.

Van-der-Waals-Kräfte sind natürliche Anziehungskräfte, die zwischen aller Materie existieren. So können beispielsweise die Füße eines Geckos aufgrund von Van-der-Waals-Kräften vorübergehend an der Wand haften. Obwohl alle Materialien eine van-der-Waals-Wechselwirkung aufweisen, sind die Kräfte je nach Material nicht immer stark genug, um sie zusammenzuhalten.

Ein bekanntes halbleitendes 2D-Material, Molybdändisulfid, haftet beispielsweise an Gold, einem Metall, lässt sich aber nicht direkt auf Isolatoren wie Siliziumdioxid übertragen, wenn es nur mit der Oberfläche in Kontakt kommt.

Heterostrukturen, die durch die Integration von Halbleitern und Isolierschichten entstehen, sind jedoch wichtige Bausteine eines elektronischen Geräts. Bisher wurde diese Integration dadurch ermöglicht, dass das 2D-Material an eine Zwischenschicht wie Gold gebunden wurde, die dann dazu diente, das 2D-Material auf den Isolator zu übertragen, bevor die Zwischenschicht durch Chemikalien oder hohe Temperaturen entfernt wurde.

Anstatt diese Opferschicht zu verwenden, betten die MIT-Forscher den Isolator mit geringer Haftung in eine Matrix mit hoher Haftung ein. Diese adhäsive Matrix sorgt dafür, dass das 2D-Material an der eingebetteten Oberfläche mit geringer Adhäsion haftet, und stellt die Kräfte bereit, die zur Schaffung einer van-der-Waals-Grenzfläche zwischen dem 2D-Material und dem Isolator erforderlich sind.

Herstellung der Matrix

Zur Herstellung elektronischer Bauelemente bildet man eine hybride Oberfläche aus Metallen und Isolatoren auf einem Trägersubstrat. Diese Oberfläche wird dann abgezogen und umgedreht, sodass eine völlig glatte Oberseite zum Vorschein kommt, die die Bausteine des gewünschten Bauelements enthält.

Diese Glätte ist wichtig, da Lücken zwischen der Oberfläche und dem 2D-Material die Van-der-Waals-Wechselwirkungen behindern können. Anschließend bereiten die Forscher das 2D-Material separat in einer völlig sauberen Umgebung vor und bringen es in direkten Kontakt mit dem vorbereiteten Bauelementestapel.

„Sobald die hybride Oberfläche mit der 2D-Schicht in Kontakt gebracht wird, kann sie die 2D-Schicht aufnehmen und in die Oberfläche integrieren, ohne dass hohe Temperaturen, Lösungsmittel oder Opferschichten erforderlich sind. Auf diese Weise ermöglichen wir eine van-der-Waals-Integration, die traditionell verboten wäre, jetzt aber möglich ist und die Bildung voll funktionsfähiger Komponenten in einem einzigen Schritt erlaubt“, erklärte Satterthwaite.

Bei diesem einstufigen Verfahren bleibt die 2D-Materialoberfläche völlig sauber, sodass das Material seine grundlegenden Leistungsgrenzen erreichen kann, ohne durch Defekte oder Verunreinigungen behindert zu werden.

Und da die Oberflächen ebenfalls unberührt bleiben, können die Forscher die Oberfläche des 2D-Materials so gestalten, dass sie Merkmale oder Verbindungen zu anderen Komponenten bildet. Mit dieser Technik konnten die Forscher zum Beispiel p-Typ-Transistoren herstellen, die mit 2D-Materialien im Allgemeinen nur schwer zu realisieren sind. Ihre Transistoren sind besser als jene in früheren Studien und können eine Plattform für die Erforschung und Erzielung der für die praktische Elektronik erforderlichen Performance bieten.

Ihr Ansatz kann in großem Maßstab angewandt werden, um größere Elementearrays herzustellen. Die Klebstoffmatrixtechnik kann auch mit einer Reihe von Materialien und sogar mit anderen Kräften verwendet werden, um die Vielseitigkeit dieser Plattform zu erhöhen.

So haben die Forscher beispielsweise Graphen in ein Bauelement integriert und die gewünschten van-der-Waals-Grenzflächen mit einer Matrix aus einem Polymer gebildet. In diesem Fall beruht die Adhäsion auf chemischen Wechselwirkungen und nicht allein auf van-der-Waals-Kräften.

In Zukunft wollen die Forscher auf dieser Plattform aufbauen, um die Integration einer Vielzahl von 2D-Materialien zu ermöglichen, ihre intrinsischen Eigenschaften ohne den Einfluss von Verarbeitungsschäden zu untersuchen und neue Geräteplattformen zu entwickeln, die diese überlegenen Funktionalitäten nutzen.

Diese Forschung wird zum Teil von der U.S. National Science Foundation, dem U.S. Department of Energy, dem BUnano Cross-Disciplinary Fellowship der Boston University und dem U.S. Army Research Office finanziert. Die Herstellungs- und Charakterisierungsverfahren wurden größtenteils in den gemeinsam genutzten Einrichtungen des MIT.nano durchgeführt. (mbf)

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Quelle: MIT

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