中国科学技术大学苏州高等研究院、卡尔斯鲁厄理工学院等研究人员对激光打印微电子元器件的研究以“Laser printed microelectronics”为题发表在《Nature Communications》上。

打印的有机和无机电子元器件在传感器、生物电子学和安防应用方面仍有很大的研究兴趣。在此，研究人员介绍了三种不同墨水的激光打印，用于半导体ZnO和金属Pt和Ag，作为制造最小特征尺寸低于1µm的打印功能电子元器件的简便工艺。ZnO打印是基于激光诱导水热合成的。重要的是，三种材料的激光打印后不需要进行任何形式的烧结。为了演示研究人员方法的通用性，研究人员展示了功能二极管、忆阻器和基于6 × 6忆阻器交叉架构的物理不可克隆功能。此外，研究人员将激光打印和喷墨打印相结合，实现了功能晶体管。

Pt, Ag, ZnO的激光微打印

图1:微电子结构的直接激光打印。

图2:控制激光打印ZnO的几何形状。

激光打印Pt-ZnO-Ag二极管

作为激光打印金属和半导体的新研发，研究人员考虑了横向配置的Pt-ZnO-Ag二极管。如图3所示，二极管由一根铂线(~0.8 μ m宽)、一根银线(~0.8 μ m宽)和中间的氧化锌棒组成。通道长度，即Pt和Ag之间的横向间距为~0.7 μ m。它是由ZnO棒的横向宽度决定的。测量得到的电流-电压特性如图3b所示。

图3:激光打印Pt-ZnO-Ag二极管。

激光打印Pt-ZnO-Ag忆阻器

图4a显示了一个集成的1×6交叉memristor阵列，ZnO线宽从1.5µm (C1)增加到1.8µm (C2)， 2.2µm (C3)， 2.6µm (C4)， 3.0µm (C5)，到3.5µm (C6)，线宽为0.6µm的单根Pt线上连接到激光打印接触垫L1。6根ZnO棒材沿Pt线等距打印，间距为15 μm，并通过线宽为~0.72 μm的银线层连接到接触垫上(见图4a所示整体结构)。

图4:激光打印交叉杆Pt-ZnO-Ag忆阻器器件。

激光打印Pt-ZnO-Ag安全电路

接下来，研究人员在图5a-c所示的6×6交叉架构中利用激光打印忆阻器的随机性质。该电路作为物理上不可克隆的功能。该功能在受到挑战时产生独特的反应，类似于人类的指纹。其中，导丝路径随机形成和破裂导致忆阻器行为的可变性是关键。对于基于激光打印忆阻器的交叉物理不可克隆功能的初始化，阵列中的每个设备最初都是“形成”的，然后使用浮动偏置方案“重置”。36个忆阻器单元的初始形成和复位过程如图5d。在初始化后，交叉棒形成一个相互连接的电阻网络，相应的忆阻器单元和激光打印的互连点具有不同的电阻。

图5:激光打印Pt-ZnO-Ag安全电路。

文中，研究人员提供了许多原理验证演示，用于功能电子元器件和整个电子电路的直接激光打印，最小特征尺寸可降至<1µm。这一突破的关键前提是开发出一种无机半导体(ZnO)油墨，用于光热合成激光打印。这种墨水和相关的打印方式在概念上不同于聚合物和金属的激光打印。直接激光打印忆阻器和基于此的电路的优点是完全的可添加性，在一个工艺中集成2D和3D的可能性，以及根据预期的电气行为设计每个单独器件的灵活性。例如，在一个设计中应该可以实现不同的底部和顶部金属电极、各种半导体和不同的尺寸。柔性衬底也是可行的。这特别意味着本研究中提出的任何设备都不需要高真空沉积和标准的无尘室光刻工艺。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36722-7