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(kāi)發(fā)了一套金屬氧化物半導體激光微納制造新方法，實(shí)現了亞微米精度的ZnO半導體結構的激光打印，并且將其與金屬激光打印相結合，首次驗證了二極管、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(xiě)，從而將激光微納加工的應用場(chǎng)景推廣到微電子領(lǐng)域，在柔性電子、先進(jìn)傳感器，智能微機電系統等領(lǐng)域具有重要的應用前景。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(mǎn)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(lái)新的技術(shù)革命。在過(guò)去的20年里，噴墨打印、激光誘導轉移(LIFT)或其他打印技術(shù)取得了長(cháng)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物和無(wú)機微電子器件。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(lài)多種工藝結合以實(shí)現功能器件的加工。激光微納加工技術(shù)利用激光脈沖與材料的非線(xiàn)性作用，可以<100 nm精度實(shí)現傳統方法難以實(shí)現的復雜功能結構和器件的增材制造。但是，目前大部分激光微納加工結構是單一的聚合物材料或金屬材料。半導體材料激光直寫(xiě)方法的缺失也導致目前激光微納加工技術(shù)的應用難以拓展至微電子器件領(lǐng)域。
圖1:金屬/半導體材料激光復合打印。a,d:金屬鉑；b,e:氧化鋅半導體; 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(kāi)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中實(shí)現了半導體(ZnO) 和導體（Pt 和 Ag）等多種材料的復合激光打印（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微電子器件的功能對導體和半導體，甚至是絕緣材料的布局進(jìn)行定制化設計和打印，極大地提高了微電子器件打印的精度、靈活性、可控性。在此基礎上研究團隊成功實(shí)現了二極管、憶阻器和物理不可復制加密電路的一體化激光直寫(xiě)（圖2）。該技術(shù)與傳統的噴墨打印等技術(shù)兼容，并且有望推廣至多種P型、N型半導體金屬氧化物材料的打印，為復雜、大尺寸、三維功能微電子器件的加工提供了系統的新方法。
圖2:基于激光打印技術(shù)成功實(shí)現了憶阻器及物理不可復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。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36722-7
（蘇州高等研究院、科研部）
