中國科學技術大學蘇州高等研究院、卡爾斯魯厄理工學院等研究人員對激光打印微電子元器件的研究以“Laser printed microelectronics”為題發表在《Nature Communications》上。
打印的有機和無機電子元器件在傳感器、生物電子學和安防應用方面仍有很大的研究興趣。在此，研究人員介紹了三種不同墨水的激光打印，用于半導體ZnO和金屬Pt和Ag，作為制造最小特征尺寸低于1μm的打印功能電子元器件的簡便工藝。ZnO打印是基于激光誘導水熱合成的。重要的是，三種材料的激光打印后不需要進行任何形式的燒結。為了演示研究人員方法的通用性，研究人員展示了功能二極管、憶阻器和基于6 × 6憶阻器交叉架構的物理不可克隆功能。此外，研究人員將激光打印和噴墨打印相結合，實現了功能晶體管。
Pt, Ag, ZnO的激光微打印
圖1:微電子結構的直接激光打印。
圖2:控制激光打印ZnO的幾何形狀。
激光打印Pt-ZnO-Ag二極管
作為激光打印金屬和半導體的新研發，研究人員考慮了橫向配置的Pt-ZnO-Ag二極管。如圖3所示，二極管由一根鉑線(~0.8 μ m寬)、一根銀線(~0.8 μ m寬)和中間的氧化鋅棒組成。通道長度，即Pt和Ag之間的橫向間距為~0.7 μ m。它是由ZnO棒的橫向寬度決定的。測量得到的電流-電壓特性如圖3b所示。
圖3:激光打印Pt-ZnO-Ag二極管。
激光打印Pt-ZnO-Ag憶阻器
圖4a顯示了一個集成的1×6交叉memristor陣列，ZnO線寬從1.5μm (C1)增加到1.8μm (C2)， 2.2μm (C3)， 2.6μm (C4)， 3.0μm (C5)，到3.5μm (C6)，線寬為0.6μm的單根Pt線上連接到激光打印接觸墊L1。6根ZnO棒材沿Pt線等距打印，間距為15 μm，并通過線寬為~0.72 μm的銀線層連接到接觸墊上(見圖4a所示整體結構)。
圖4:激光打印交叉桿Pt-ZnO-Ag憶阻器器件。
激光打印Pt-ZnO-Ag安全電路
接下來，研究人員在圖5a-c所示的6×6交叉架構中利用激光打印憶阻器的隨機性質。該電路作為物理上不可克隆的功能。該功能在受到挑戰時產生獨特的反應，類似于人類的指紋。其中，導絲路徑隨機形成和破裂導致憶阻器行為的可變性是關鍵。對于基于激光打印憶阻器的交叉物理不可克隆功能的初始化，陣列中的每個設備最初都是“形成”的，然后使用浮動偏置方案“重置”。36個憶阻器單元的初始形成和復位過程如圖5d。在初始化后，交叉棒形成一個相互連接的電阻網絡，相應的憶阻器單元和激光打印的互連點具有不同的電阻。
圖5:激光打印Pt-ZnO-Ag安全電路。
文中，研究人員提供了許多原理驗證演示，用于功能電子元器件和整個電子電路的直接激光打印，最小特征尺寸可降至<1μm。這一突破的關鍵前提是開發出一種無機半導體(ZnO)油墨，用于光熱合成激光打印。這種墨水和相關的打印方式在概念上不同于聚合物和金屬的激光打印。直接激光打印憶阻器和基于此的電路的優點是完全的可添加性，在一個工藝中集成2D和3D的可能性，以及根據預期的電氣行為設計每個單獨器件的靈活性。例如，在一個設計中應該可以實現不同的底部和頂部金屬電極、各種半導體和不同的尺寸。柔性襯底也是可行的。這特別意味著本研究中提出的任何設備都不需要高真空沉積和標準的無塵室光刻工藝。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36722-7
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