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)級增長，引領(lǐng)人類社會進(jìn)入電子信息時(shí)代，對全球經(jīng)濟(jì)和社會產(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，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。

針對這一挑戰(zhàn)，華中科技大學(xué)武漢光電國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)長鏈包覆，通過離子/配位鍵附著在有機(jī)長鏈上，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。基于該原理，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。上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB1105400）和國家自然科學(xué)基金（61774067，61805094）的支持。