液态金属印刷半导体技术_刘静，李倩，杜邦登著_9787547862346

本书内容讲述：经典半导体制备及器件光刻工艺通常受制于价格高昂的设备、繁琐冗长的制程及严重水电消耗。液态金属印刷半导体技术的出现，以一种自下而上的全新方式实现了对Ga2O3、GaN等第三代、第四代以及更多类型半导体的大面积低成本印制，由此可快速构筑二极管、三极管、晶体管乃至集成电路和功能芯片，这一模式打破了传统半导体制造理念与应用技术瓶颈，正以其普惠化特点展示出巨大发展空间，可望为芯片制造业注入新的活力。

近一个世纪以来，半导体凭借其性能优势及产业带动作用，在推动现代科学技术和社会进步方面发挥了极为重要的引领作用。发展至今，半导体行业主要由四代材料的更迭所驱动。第一代以硅(Si)和锗(Ge)为代表，始于20世

纪50年代；第二代以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等为主，出现于20世纪80年代；第三代主要是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC),可追溯到20世纪末；第四代则以兴起中的氧化镓(Ga₂O₃)为代表。半导体行业一直是资本、人力和技术最为密集的制造业，迄今为止几乎所有经典的半导体生长技术，如分子束外延、脉冲激光沉积、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和原子层沉积(ALD)等，均严重依赖于高温处理和十分苛刻的真空条件、水电资源，一套芯片制程往往涵盖数十道复杂工序，涉及从最初晶片生产到生产线上的切割乃至最终的封装、检查和测试等，环节中发生的任何错误都将导致晶片最终报废以及随后引发的巨大经济损失。

随着现代信息技术的飞速发展，半导体行业对高功率、高频微电子器件提出了前所未有的需求。具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出，以GaN和SiC为代表，正凭借其大幅降低电力传输中能源消耗的显著优势，在功率器件和射频系统等领域大放异彩，成为全球半导体行业关注的焦点。而作为新型超宽禁带半导体材料Ga₂O₃的出现也为此带来了新风向，由此制成的功率器件具有高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特点，应用范围极广。由于这些因素，第三代、第四代半导体技术陆续成为国际热点和大国技术竞争的制高点。

笔者实验室自21世纪初以来长期致力于液态金属物质科学领域的基础研究和应用实践，先后提出了液态金属印刷电子学与印刷半导体的全新理念与技术途径，所倡导的基于液态金属印刷及后处理工序(如氧化、氮化、离子注入和更多化学修饰，以及借助激光、微波或等离子体等辅助手段),以期快速制造图案化半导体如Ga₂O₃、GaN、In₂O₃、SnO等乃至更多衍生半导体、晶体管、功能器件及集成电路的基本技术路线，近年来逐一得到证实，研发的有关液态金属电子制造装备及电子材料产品已陆续实现了规模化产业应用及普及。

不同于传统的是，液态金属印刷理念打开了半导体制造的新视野。众所周知，经典的半导体制造通常受制于价格高昂的设备成本、复杂的前驱体配置及较低的生长速度，使得大规模、低成本及高效率生长材料的生产面临极大挑战。此外，一些关键半导体材料如Ga₂O₃以往主要仅有n型材料，p型Ga₂O₃材料极度欠缺，限制了对功率更高、散热性更强、稳定性更好的大功率器件的实现。针对这一现状，笔者实验室提出了基于液态金属自下而上掺杂、图案化印刷半导体乃至终端功能器件的原理和解决方法，建立了不同于传统光刻路径的直接印制半导体乃至集成电路的变革性方案。比如，在印制n型及p型掺杂Ga₂O₃的新方法中，半导体的合成与掺杂同时发生，由此省去了多步掺杂工艺的繁琐性和复杂度，全部制程可在较低温度下完成，所构建的二极管、整流器、场效应晶体管及光电探测器等展现出优异的性能。这些新方法的提出，为今后更多半导体新材料合成及各种功能器件的大面积、低成本、个性化制造和集成提供了便捷、高效的策略。

另外，液态金属印刷为半导体制备带来了观念性变革。比如，在第三代半导体的制造方面，传统上制备GaN薄膜的经典方法同样需要极高的温度，如MOCVD(约950～1050℃)和ALD(>250℃)。同时，有毒物质往往难以避免。即便如此，要实现1nm厚度GaN半导体薄膜也存在巨大技术挑战。与此不同的是，笔者实验室从自下而上的制造理念出发，建立了等离子体介导的液态金属限域氮化反应原理，在室温下即可实现大面积印刷宽禁带超薄GaN半导体，印制出了厚度从1nm到20nm以上可控的GaN二维薄膜材料继而构筑晶体管，相应发现也改变了传统认识，使得Ga的室温氮化反应成为现实，在无须配置复杂前驱体及高昂设备的情况下直接集成出性能优良的晶体管。室温印制GaN薄膜技术的建立显著节省了第三代半导体工艺的制备成本和能耗，这类方法具有一定的普适性，意味着更多半导体制程可由此迎来一个新的开端，对于制造业节能减排也具有重要现实意义。

总的说来，液态金属印刷半导体技术正为下一代电子器件、集成电路乃至用户端芯片的快速成型开辟新路，可望给半导体制造业注入前所未有的活力。今后，随着液态金属印刷半导体材料家族的持续扩大及更多制程方法的完善和丰富，将促成一系列低成本与节能降耗绿色制造技术以及电子显示、集成电路、芯片制造、光伏发电、功率器件及新能源汽车电子等的迭代和进步，预计会带来重大产业变革。

为促成液态金属印刷半导体领域的繁荣和发展，本书作者基于实验室多年来的研究积累并结合国内外进展，对该领域前期发展起来的典型路线予以介绍，旨在促成学术界和工业界的共同思考、研发和应用，继而推动普惠电子技术的进步。

本书之所以主要从液态金属物理学与材料学角度探索半导体，一切皆因作者专业背景和思维习惯使然，这种交叉对于发现新知识新技术是有益的，但也会因此受自身经验制约而存在短板。限于作者水平和认识的局限性，本书不足甚或谬误之处，恳请读者批评指正。

刘静李倩杜邦登

2023年4月于北京中关村

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