中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院楊亮研究員課題組開發(fā)了一套金屬氧化物半導(dǎo)體激光微納制造新方法，實(shí)現(xiàn)了亞微米精度的ZnO半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的激光打印，并且將其與金屬激光打印相結(jié)合，首次驗(yàn)證了二極管、三極管、憶阻器及加密電路等微電子元器件和電路的一體化激光直寫，從而將激光微納加工的應(yīng)用場景推廣到微電子領(lǐng)域，在柔性電子、先進(jìn)傳感器，智能微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。該研究成果近期以“Laser Printed Microelectronics”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

印刷電子是利用打印的方法制造電子產(chǎn)品的新興技術(shù)，滿足了新一代電子產(chǎn)品柔性與個(gè)性化的特征需求，將為微電子行業(yè)帶來新的技術(shù)革命。在過去的20年里，噴墨打印、激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移(LIFT)或其他打印技術(shù)取得了長足發(fā)展，能夠在不需要潔凈室的環(huán)境下制造功能性有機(jī)物和無機(jī)微電子器件。然而，以上打印方式典型特征尺寸通常在幾十微米量級，而且常常需要高溫后處理工藝，或者依賴多種工藝結(jié)合以實(shí)現(xiàn)功能器件的加工。激光微納加工技術(shù)利用激光脈沖與材料的非線性作用，可以<100 nm精度實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)和器件的增材制造。但是，目前大部分激光微納加工結(jié)構(gòu)是單一的聚合物材料或金屬材料。半導(dǎo)體材料激光直寫方法的缺失也導(dǎo)致目前激光微納加工技術(shù)的應(yīng)用難以拓展至微電子器件領(lǐng)域。

圖1:金屬/半導(dǎo)體材料激光復(fù)合打印。a,d:金屬鉑；b,e:氧化鋅半導(dǎo)體; c,f:金屬銀。

在這篇論文中，楊亮研究員與德國及澳大利亞的研究人員合作，創(chuàng)新性地開發(fā)了激光打印作為一種功能性電子器件打印技術(shù)，在單一激光加工系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體(ZnO) 和導(dǎo)體（Pt 和 Ag）等多種材料的復(fù)合激光打印（圖1），并且完全不需要任何高溫后處理工藝步驟，最小特征尺寸<1 μm。 這一突破使得可以根據(jù)微電子器件的功能對導(dǎo)體和半導(dǎo)體，甚至是絕緣材料的布局進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)和打印，極大地提高了微電子器件打印的精度、靈活性、可控性。在此基礎(chǔ)上研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了二極管、憶阻器和物理不可復(fù)制加密電路的一體化激光直寫（圖2）。該技術(shù)與傳統(tǒng)的噴墨打印等技術(shù)兼容，并且有望推廣至多種P型、N型半導(dǎo)體金屬氧化物材料的打印，為復(fù)雜、大尺寸、三維功能微電子器件的加工提供了系統(tǒng)的新方法。

圖2:基于激光打印技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了憶阻器及物理不可復(fù)制加密電路等功能微電子器件的一體化打印。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院的楊亮研究員為論文的第一作者和共同通訊作者，合作者包括德國卡爾斯魯爾大學(xué)、德國海德堡大學(xué)以及澳大利亞昆士蘭大學(xué)的研究人員。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金以及德國聯(lián)邦科學(xué)基金的支持。