半导体功能器件三维化：超快激光3D打印精细复杂半导体微纳结构

来源：华中科技大学

在过去的半个多世纪里，半导体产业按照摩尔定律呈指数级增长，引领人类社会进入电子信息时代，对全球经济和社会产生了革命性影响。然而，近年来，由于不断增加的生产成本、技术壁垒和物理定律限制，传统的摩尔定律逐渐走向终结。当前大多数半导体制造工艺正面临着未来不断增长的芯片性能和高集成密度需求的挑战，导致人工智能（AI）、5G/6G、物联网（IoT）等新兴技术的发展面临巨大危机。

当前，在半导体领域正呈现出两个重要的发展趋势，并被认为具有解决上述挑战的潜力：1）传统的二维平面半导体器件与制造工艺正逐渐朝三维化半导体集成器件以及三维制造工艺方向发展转变；2）单一的硅基半导体器件及集成制造工艺正逐渐朝着更多半导体功能材料的集成组装以及高密度集成制造方向发展，这有望将单一的集成电路扩展为具有更多功能性的集成系统，例如光电融合芯片，集传感、计算、自驱动或自执行器的智能集成系统等。因此研究如何实现高精度异质异构三维半导体微纳结构及其功能器件的制造对未来实现更高功能性、更高密度的三维集成系统研发具有重要意义。

在众多的3D打印技术中，基于双光子聚合（TPP）的飞秒激光3D打印由于结合了真3D制造和亚微米空间分辨率的优势已发展成为一种富有前景的制造技术。功能性光敏树脂的研发一直是支撑TPP技术走向应用的一个关键方面。然而，目前实现功能性光敏树脂的常规做法是将功能性纳米材料掺杂到有机树脂中，从而实现具有不同功能特性的3D微纳结构。但是这类方法往往需要含有高负载纳米颗粒掺杂剂的光敏树脂，在TPP处理过程中会造成严重的光吸收和光散射效应，从而导致难以避免的微粒团聚、微爆炸和相对较低的空间分辨率。因此，开发一种能用于3D半导体纳米制造的高性能光敏树脂仍然是一个亟待解决的问题。

针对这一挑战，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授团队利用金属有机框架（MOF）前驱体开发了一类多功能、可定制的金属键合复合光敏树脂，通过TPP飞秒激光3D打印和随后的热解工艺实现了氧化锌（ZnO）和四氧化三钴（Co3O4）3D半导体微纳结构的增材制造，并制备了基于ZnO的2D和3D微型紫外探测器，探讨了该技术实现3D半导体器件的可能性。

熊伟教授研究团队提出的多功能和可定制的金属键合复合光敏树脂可由多种MOF前驱体和树脂单体（如丙烯酸酯、环氧树脂和水溶性单体）制备而成，其中的金属离子通过配位键与丙烯酸基团相键合形成金属丙烯酸。由于金属丙烯酸的不饱和C=C双键，在双光子聚合过程中可作为单体实现聚合，因此所制备的聚合物中，金属离子被有机长链包覆，通过离子/配位键附着在有机长链上，从而在显影的过程中避免了金属离子的流失，保证了后续热解结构的形状保真度。基于该原理，研发团队探索了两种MOF材料前驱体（ZIF-8和ZIF-67），分别制备了含锌和含钴的金属键合复合光敏树脂，利用TPP飞秒激光3D打印和热解工艺制备了具有高空间分辨率（170 nm）、高形状保真度和高表面质量的ZnO和Co3O4复杂3D微结构。同时，展示了该方法在2D和3D器件制备方面的潜力，制备了基于ZnO的2D和3D微型紫外探测器。该研究为制备多种功能材料如复合金属氧化物甚至金属微纳结构开辟了一条道路，有望促进微纳光子学、电子学、MEMS、储能等领域的3D集成功能器件的发展。

相关工作以“3D Printing Nano-Architected Semiconductors Based on Versatile and Customizable Metal-Bound Composite Photoresins”为题，发表在Advanced Materials Technologies（DOI：10.1002/admt.202101230）上，华中科技大学刘敬伟博士为该论文的第一作者，华中科技大学熊伟教授为该论文的通讯作者。上述研究得到了国家重点研发计划（2018YFB1105400）和国家自然科学基金（61774067，61805094）的支持。