Integration of Two-Dimensional Materials for Electronics and Photonics
Tid: On 2022-06-15 kl 14.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Arne Quellmalz , Mikro- och nanosystemteknik
Opponent: Dr. Cedric Huyghebaert, Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC)
Handledare: Kristinn Gylfason, Mikro- och nanosystemteknik; Frank Niklaus, Mikro- och nanosystemteknik
QC 20220520
Abstract
Tvådimensionella (2D) material med en tjocklek på atomskala tros fortsätta trenden med ökad prestanda inom elektronik, fotonik och sensorer. Trots att individuella chip slår nya rekord så är det kommersiella nyttjandet av dessa material begränsat. Den här begränsningen beror delvis på utmaningar inom integreringstekniker för att tillverka dessa chip.
Den här avhandlingen presenterar tillverkningsmetoder för överföring och mönstring av 2D-material. På chip-nivå utforskar den hur miljöfaktorer påverkar de elektriska kontakterna och materialegenskaperna. Slutligen demonstrerar den integration av fotodetektorer för integrerade fotoniska kretsar.
Syntesen av 2D-material kräver höga processtemperaturer för att uppnå hög kvalitet på materialet, vilket utesluter syntes direkt på ovansidan av en device wafer. Tillverkningen kräver därför en överföring av 2D-materialet från ett dedikerat substrat för tillväxt till en device wafer. Den här avhandlingen introducerar en universell metod för överföring av 2D-material genom wafer bonding. Metoden är tänkt att innefatta integrering ovanpå elektroniska kretsar vid slutet av processen i halvledarfabriker. En variation av metoden leder till suspenderade frihängande membran av 2D-material och staplar lager av dessa för att bilda heterostrukturer av 2D-material.
Mönstringen av 2D-material är en fundamental del i chiptillverkningen. Standardiserade litografiska metoder skapar dock rester av skyddande fotoresist som degraderar prestandan hos chipen. Den här avhandlingen presenterar en metod för att mönstra 2D-material som är kontakt- och fotoresistfri och som uppnår nanometer-precision genom direkt lasermönstring med ett kommersiellt tillgängligt system.
Den elektroniska kontaktresistansen mellan metallelektroder och 2D-material har en signifikant påverkan på chipens prestanda. Den här avhandlingen undersöker hur luftfuktighet påverkar kontakt- och skiktresistansen av grafen. Denna insikt är viktig för prestandan i vanliga miljöer utan inkapsling eller hermetisk förslutning.
Multilager av platinadiselenid (PtSe2) är ett semi-metalliskt 2D-material som kan syntetiseras under 450 degree Celsius. Den här avhandlingen demonstrerar integrationen av fotodetektorer i PtSe2 med vågledare i kisel genom direkt tillväxt på chip-substratet. Dessa fotodetektorer opererar i infraröda våglängder, vilket är lovande för integrerade fotoniska kretsar.