半導(dǎo)體功能器件三維化：超快激光3D打印精細(xì)復(fù)雜半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)

來源：華中科技大學(xué)

在過去的半個(gè)多世紀(jì)里,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)按照摩爾定律呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，引領(lǐng)人類社會(huì)進(jìn)入電子信息時(shí)代,，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)產(chǎn)生了革命性影響,。然而，近年來,，由于不斷增加的生產(chǎn)成本,、技術(shù)壁壘和物理定律限制,，傳統(tǒng)的摩爾定律逐漸走向終結(jié)。當(dāng)前大多數(shù)半導(dǎo)體制造工藝正面臨著未來不斷增長(zhǎng)的芯片性能和高集成密度需求的挑戰(zhàn),，導(dǎo)致人工智能（AI）,、5G/6G、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等新興技術(shù)的發(fā)展面臨巨大危機(jī),。

當(dāng)前,，在半導(dǎo)體領(lǐng)域正呈現(xiàn)出兩個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，并被認(rèn)為具有解決上述挑戰(zhàn)的潛力：1）傳統(tǒng)的二維平面半導(dǎo)體器件與制造工藝正逐漸朝三維化半導(dǎo)體集成器件以及三維制造工藝方向發(fā)展轉(zhuǎn)變,；2）單一的硅基半導(dǎo)體器件及集成制造工藝正逐漸朝著更多半導(dǎo)體功能材料的集成組裝以及高密度集成制造方向發(fā)展,，這有望將單一的集成電路擴(kuò)展為具有更多功能性的集成系統(tǒng)，例如光電融合芯片,，集傳感,、計(jì)算、自驅(qū)動(dòng)或自執(zhí)行器的智能集成系統(tǒng)等,。因此研究如何實(shí)現(xiàn)高精度異質(zhì)異構(gòu)三維半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)及其功能器件的制造對(duì)未來實(shí)現(xiàn)更高功能性,、更高密度的三維集成系統(tǒng)研發(fā)具有重要意義。

在眾多的3D打印技術(shù)中,，基于雙光子聚合（TPP）的飛秒激光3D打印由于結(jié)合了真3D制造和亞微米空間分辨率的優(yōu)勢(shì)已發(fā)展成為一種富有前景的制造技術(shù),。功能性光敏樹脂的研發(fā)一直是支撐TPP技術(shù)走向應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵方面。然而,，目前實(shí)現(xiàn)功能性光敏樹脂的常規(guī)做法是將功能性納米材料摻雜到有機(jī)樹脂中,，從而實(shí)現(xiàn)具有不同功能特性的3D微納結(jié)構(gòu)。但是這類方法往往需要含有高負(fù)載納米顆粒摻雜劑的光敏樹脂,，在TPP處理過程中會(huì)造成嚴(yán)重的光吸收和光散射效應(yīng),，從而導(dǎo)致難以避免的微粒團(tuán)聚、微爆炸和相對(duì)較低的空間分辨率,。因此,，開發(fā)一種能用于3D半導(dǎo)體納米制造的高性能光敏樹脂仍然是一個(gè)亟待解決的問題。

針對(duì)這一挑戰(zhàn),，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心熊偉教授團(tuán)隊(duì)利用金屬有機(jī)框架（MOF）前驅(qū)體開發(fā)了一類多功能,、可定制的金屬鍵合復(fù)合光敏樹脂，通過TPP飛秒激光3D打印和隨后的熱解工藝實(shí)現(xiàn)了氧化鋅（ZnO）和四氧化三鈷（Co3O4）3D半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)的增材制造,，并制備了基于ZnO的2D和3D微型紫外探測(cè)器,，探討了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D半導(dǎo)體器件的可能性。

熊偉教授研究團(tuán)隊(duì)提出的多功能和可定制的金屬鍵合復(fù)合光敏樹脂可由多種MOF前驅(qū)體和樹脂單體（如丙烯酸酯,、環(huán)氧樹脂和水溶性單體）制備而成,，其中的金屬離子通過配位鍵與丙烯酸基團(tuán)相鍵合形成金屬丙烯酸。由于金屬丙烯酸的不飽和C=C雙鍵,，在雙光子聚合過程中可作為單體實(shí)現(xiàn)聚合,，因此所制備的聚合物中,，金屬離子被有機(jī)長(zhǎng)鏈包覆，通過離子/配位鍵附著在有機(jī)長(zhǎng)鏈上,，從而在顯影的過程中避免了金屬離子的流失,，保證了后續(xù)熱解結(jié)構(gòu)的形狀保真度�,；�于該原��,，研發(fā)團(tuán)隊(duì)探索了兩種MOF材料前驅(qū)體（ZIF-8和ZIF-67）,，分別制備了含鋅和含鈷的金屬鍵合復(fù)合光敏樹脂,，利用TPP飛秒激光3D打印和熱解工藝制備了具有高空間分辨率（170 nm）、高形狀保真度和高表面質(zhì)量的ZnO和Co3O4復(fù)雜3D微結(jié)構(gòu),。同時(shí),，展示了該方法在2D和3D器件制備方面的潛力，制備了基于ZnO的2D和3D微型紫外探測(cè)器,。該研究為制備多種功能材料如復(fù)合金屬氧化物甚至金屬微納結(jié)構(gòu)開辟了一條道路,，有望促進(jìn)微納光子學(xué)、電子學(xué),、MEMS,、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的3D集成功能器件的發(fā)展。

相關(guān)工作以“3D Printing Nano-Architected Semiconductors Based on Versatile and Customizable Metal-Bound Composite Photoresins”為題,，發(fā)表在Advanced Materials Technologies（DOI：10.1002/admt.202101230）上,，華中科技大學(xué)劉敬偉博士為該論文的第一作者，華中科技大學(xué)熊偉教授為該論文的通訊作者,。上述研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB1105400）和國(guó)家自然科學(xué)基金（61774067,，61805094）的支持。