在過去的半個多世紀里，半導體產(chǎn)業(yè)按照摩爾定律呈指數(shù)級增長，引領人類社會進入電子信息時代，對全球經(jīng)濟和社會產(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)。當前大多數(shù)半導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)，導致人工智能(AI)、5G/6G、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等新興技術的發(fā)展面臨巨大危機。

當前，在半導體領域正呈現(xiàn)出兩個重要的發(fā)展趨勢，并被認為具有解決上述挑戰(zhàn)的潛力：1)傳統(tǒng)的二維平面半導體器件與制造工藝正逐漸朝三維化半導體集成器件以及三維制造工藝方向發(fā)展轉(zhuǎn)變;2)單一的硅基半導體器件及集成制造工藝正逐漸朝著更多半導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。因此研究如何實現(xiàn)高精度異質(zhì)異構三維半導體微納結(jié)構及其功能器件的制造對未來實現(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。功能性光敏樹脂的研發(fā)一直是支撐TPP技術走向應用的一個關鍵方面。然而，目前實現(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樹脂中，從而實現(xiàn)具有不同功能特性的3D微納結(jié)構。但是這類方法往往需要含有高負載納米顆粒摻雜劑的光敏樹脂，在TPP處理過程中會造成嚴重的光吸收和光散射效應，從而導致難以避免的微粒團聚、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半導體納米制造的高性能光敏樹脂仍然是一個亟待解決的問題。

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

熊偉教授研究團隊提出的多功能和可定制的金屬鍵合復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現(xiàn)聚合，因此所制備的聚合物中，金屬離子被有機長鏈包覆，通過離子/配位鍵附著在有機長鏈上，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)構的形狀保真度。

基于該原理，研發(fā)團隊探索了兩種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復雜3D微結(jié)構。同時，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合金屬氧化物甚至金屬微納結(jié)構開辟了一條道路，有望促進微納光子學、電子學、MEMS、儲能等領域的3D集成功能器件的發(fā)展。

(關鍵字：半導體)