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本書內(nèi)容講述：經(jīng)典半導體制備及器件光刻工藝通常受制于價格高昂的設備、繁瑣冗長的制程及嚴重水電消耗。液態(tài)金屬印刷半導體技術的出現(xiàn)，以一種自下而上的全新方式實現(xiàn)了對Ga2O3、GaN等第三代、第四代以及更多類型半導體的大面積低成本印制，由此可快速構筑二極管、三極管、晶體管乃至集成電路和功能芯片，這一模式打破了傳統(tǒng)半導體制造理念與應用技術瓶頸，正以其普惠化特點展示出巨大發(fā)展空間，可望為芯片制造業(yè)注入新的活力。

近一個世紀以來，半導體憑借其性能優(yōu)勢及產(chǎn)業(yè)帶動作用，在推動現(xiàn)代科學技術和社會進步方面發(fā)揮了極為重要的引領作用。發(fā)展至今，半導體行業(yè)主要由四代材料的更迭所驅(qū)動。第一代以硅(Si)和鍺(Ge)為代表，始于20世

紀50年代；第二代以砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等為主，出現(xiàn)于20世紀80年代；第三代主要是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC),可追溯到20世紀末；第四代則以興起中的氧化鎵(Ga₂O₃)為代表。半導體行業(yè)一直是資本、人力和技術最為密集的制造業(yè)，迄今為止幾乎所有經(jīng)典的半導體生長技術，如分子束外延、脈沖激光沉積、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和原子層沉積(ALD)等，均嚴重依賴于高溫處理和十分苛刻的真空條件、水電資源，一套芯片制程往往涵蓋數(shù)十道復雜工序，涉及從最初晶片生產(chǎn)到生產(chǎn)線上的切割乃至最終的封裝、檢查和測試等，環(huán)節(jié)中發(fā)生的任何錯誤都將導致晶片最終報廢以及隨后引發(fā)的巨大經(jīng)濟損失。

隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，半導體行業(yè)對高功率、高頻微電子器件提出了前所未有的需求。具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出，以GaN和SiC為代表，正憑借其大幅降低電力傳輸中能源消耗的顯著優(yōu)勢，在功率器件和射頻系統(tǒng)等領域大放異彩，成為全球半導體行業(yè)關注的焦點。而作為新型超寬禁帶半導體材料Ga₂O₃的出現(xiàn)也為此帶來了新風向，由此制成的功率器件具有高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特點，應用范圍極廣。由于這些因素，第三代、第四代半導體技術陸續(xù)成為國際熱點和大國技術競爭的制高點。

筆者實驗室自21世紀初以來長期致力于液態(tài)金屬物質(zhì)科學領域的基礎研究和應用實踐，先后提出了液態(tài)金屬印刷電子學與印刷半導體的全新理念與技術途徑，所倡導的基于液態(tài)金屬印刷及后處理工序(如氧化、氮化、離子注入和更多化學修飾，以及借助激光、微波或等離子體等輔助手段),以期快速制造圖案化半導體如Ga₂O₃、GaN、In₂O₃、SnO等乃至更多衍生半導體、晶體管、功能器件及集成電路的基本技術路線，近年來逐一得到證實，研發(fā)的有關液態(tài)金屬電子制造裝備及電子材料產(chǎn)品已陸續(xù)實現(xiàn)了規(guī)�；a(chǎn)業(yè)應用及普及。

不同于傳統(tǒng)的是，液態(tài)金屬印刷理念打開了半導體制造的新視野。眾所周知，經(jīng)典的半導體制造通常受制于價格高昂的設備成本、復雜的前驅(qū)體配置及較低的生長速度，使得大規(guī)模、低成本及高效率生長材料的生產(chǎn)面臨極大挑戰(zhàn)。此外，一些關鍵半導體材料如Ga₂O₃以往主要僅有n型材料，p型Ga₂O₃材料極度欠缺，限制了對功率更高、散熱性更強、穩(wěn)定性更好的大功率器件的實現(xiàn)。針對這一現(xiàn)狀，筆者實驗室提出了基于液態(tài)金屬自下而上摻雜、圖案化印刷半導體乃至終端功能器件的原理和解決方法，建立了不同于傳統(tǒng)光刻路徑的直接印制半導體乃至集成電路的變革性方案。比如，在印制n型及p型摻雜Ga₂O₃的新方法中，半導體的合成與摻雜同時發(fā)生，由此省去了多步摻雜工藝的繁瑣性和復雜度，全部制程可在較低溫度下完成，所構建的二極管、整流器、場效應晶體管及光電探測器等展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這些新方法的提出，為今后更多半導體新材料合成及各種功能器件的大面積、低成本、個性化制造和集成提供了便捷、高效的策略。

另外，液態(tài)金屬印刷為半導體制備帶來了觀念性變革。比如，在第三代半導體的制造方面，傳統(tǒng)上制備GaN薄膜的經(jīng)典方法同樣需要極高的溫度，如MOCVD(約950～1050℃)和ALD(>250℃)。同時，有毒物質(zhì)往往難以避免。即便如此，要實現(xiàn)1nm厚度GaN半導體薄膜也存在巨大技術挑戰(zhàn)。與此不同的是，筆者實驗室從自下而上的制造理念出發(fā)，建立了等離子體介導的液態(tài)金屬限域氮化反應原理，在室溫下即可實現(xiàn)大面積印刷寬禁帶超薄GaN半導體，印制出了厚度從1nm到20nm以上可控的GaN二維薄膜材料繼而構筑晶體管，相應發(fā)現(xiàn)也改變了傳統(tǒng)認識，使得Ga的室溫氮化反應成為現(xiàn)實，在無須配置復雜前驅(qū)體及高昂設備的情況下直接集成出性能優(yōu)良的晶體管。室溫印制GaN薄膜技術的建立顯著節(jié)省了第三代半導體工藝的制備成本和能耗，這類方法具有一定的普適性，意味著更多半導體制程可由此迎來一個新的開端，對于制造業(yè)節(jié)能減排也具有重要現(xiàn)實意義。

總的說來，液態(tài)金屬印刷半導體技術正為下一代電子器件、集成電路乃至用戶端芯片的快速成型開辟新路，可望給半導體制造業(yè)注入前所未有的活力。今后，隨著液態(tài)金屬印刷半導體材料家族的持續(xù)擴大及更多制程方法的完善和豐富，將促成一系列低成本與節(jié)能降耗綠色制造技術以及電子顯示、集成電路、芯片制造、光伏發(fā)電、功率器件及新能源汽車電子等的迭代和進步，預計會帶來重大產(chǎn)業(yè)變革。

為促成液態(tài)金屬印刷半導體領域的繁榮和發(fā)展，本書作者基于實驗室多年來的研究積累并結合國內(nèi)外進展，對該領域前期發(fā)展起來的典型路線予以介紹，旨在促成學術界和工業(yè)界的共同思考、研發(fā)和應用，繼而推動普惠電子技術的進步。

本書之所以主要從液態(tài)金屬物理學與材料學角度探索半導體，一切皆因作者專業(yè)背景和思維習慣使然，這種交叉對于發(fā)現(xiàn)新知識新技術是有益的，但也會因此受自身經(jīng)驗制約而存在短板。限于作者水平和認識的局限性，本書不足甚或謬誤之處，懇請讀者批評指正。

劉靜李倩杜邦登

2023年4月于北京中關村

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