傳統(tǒng)光刻技術(shù)主導(dǎo)了當(dāng)前的平面化工藝制造，但在10納米以下三維結(jié)構(gòu)加工中面臨成本高、工藝復(fù)雜等挑戰(zhàn)。自下而上組裝納米結(jié)構(gòu)的方法被視為是可行的替代方案，但液相法主導(dǎo)的組裝常因表面配體污染導(dǎo)致材料純度不足，性能受限，且難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的高分辨率器件的集成。近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馮繼成課題組通過(guò)自主研發(fā)的法拉第3D打印技術(shù)，在高純惰性氣體環(huán)境中以“自下而上”的方式，實(shí)現(xiàn)了晶體管的可控制造。相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Small。

圖1. 氣相法制備的半導(dǎo)體納米顆粒，結(jié)晶度高、分散性好

本工作首先在“人工閃電”等離子體環(huán)境中，成功制備出多種尺寸約5納米的半導(dǎo)體材料，包括Si、Ge、ZnO、In?O?、InZnO?、GaAs和SiC等。該全干法工藝可有效避免配體污染，保障材料的高純凈度，尤其適用于對(duì)空氣敏感的 GaAs、SiC 等材料。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒因超高表面原子比例而呈現(xiàn)類(lèi)液滴的凝并行為，這一特性有助于在后續(xù)打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)融合生長(zhǎng)，保障打印納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體性能。

圖2.3D打印的半導(dǎo)體納米Fin及其復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)

法拉第3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了材料屬性與結(jié)構(gòu)成型的解耦，能夠打印出不同半導(dǎo)體材料但尺度一致的三維納米結(jié)構(gòu)，且這些結(jié)構(gòu)仍可保持良好的本征半導(dǎo)體特性（圖 2、圖 3）。X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）和光致發(fā)光（PL）光譜分析驗(yàn)證了打印結(jié)構(gòu)的成分與光學(xué)性質(zhì)。XPS與PL作為互補(bǔ)表征手段，為3D打印半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的本征屬性提供了可靠依據(jù)。

圖3. 3D打印半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料屬性

圖4. 頂柵和底柵晶體管表征

研究進(jìn)一步將打印出的氧化銦Fin結(jié)構(gòu)作為溝道，集成到底柵和頂柵FinFET器件中。其中，頂柵控制的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）表現(xiàn)出超過(guò) 1000 倍的開(kāi)關(guān)比；經(jīng)退火處理后，器件載流子遷移率提升至8.33 cm2·V?1·s?1。然而，熱處理也導(dǎo)致載流子濃度過(guò)高，進(jìn)而出現(xiàn)了“簡(jiǎn)并半導(dǎo)體”行為，使FET喪失了開(kāi)關(guān)功能。為解決該問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃后續(xù)通過(guò)可控?fù)诫s和尺寸優(yōu)化進(jìn)一步提升器件性能。

該研究展示了自下而上、原位打印技術(shù)在晶體管制造中的潛力。法拉第3D打印憑借其高空間自由度、納米級(jí)分辨率和多材料原位切換能力，為三維芯片結(jié)構(gòu)的可控制造提供了一條無(wú)需光刻的新路徑。未來(lái)，馮繼成課題組將繼續(xù)探索摻雜調(diào)控、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新材料體系，進(jìn)一步提升半導(dǎo)體遷移率與晶體管開(kāi)關(guān)性能，推動(dòng)該技術(shù)在微納器件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

論文標(biāo)題：Gas-Phase Assembly of Semiconductor Nanostructures into Functional Field-Effect Transistors

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202504668