传统芯片制造更多依赖“先制备材料、再光刻图案化、再刻蚀加工”的工艺逻辑，而未来芯片制造需要探索一种新的可能：能否让芯片中最核心的半导体材料，在可拓展制造的温和液相环境中直接“长出来”？能否在材料生长的同时，同步形成有序纳米阵列结构，从而减少对复杂光刻图案化步骤的依赖？
近日，微纳工程科学研究中心刘思羽副教授团队在半导体纳米材料生长与集成方向取得新进展，以高性能半导体材料锗（Ge）为研究对象，提出并实现了一种激光诱导液-液-固生长新策略，为芯片制造从传统“top-down”走向“bottom-up”提供了新的基础科学路径，展示了一种不同于传统高温真空外延和多步光刻加工的新型芯片制造思路。研究成果以“Laser-Induced Solution–Liquid–Solid Epitaxial Growth of Vertically Aligned Germanium Nanowires”为题发表在Journal of the American Chemical Society 上，杨爽助理研究员和博士后余文缘为论文第一作者。
一束光驱动液相外延：在温和环境中打开晶体生长新路径
传统半导体外延生长通常依赖高温、真空或复杂设备条件。相比之下，液相生长具有环境温和、工艺简洁、潜在兼容性强等特点，但要在溶液中实现高质量单晶半导体纳米线的外延生长，仍面临前驱体分解、催化剂活化、原子传输和界面结晶协同调控等难题。
研究团队提出 Laser-SLS 方法，将激光局域光热效应与溶液化学反应过程相结合,在激光照射区域形成局部能量输入，一步驱动铋（Bi）催化剂活化、锗前驱体分解以及锗纳米线外延生长；与此同时，前驱体溶液主体环境仍维持在接近常温的温和状态。激光像一把高度可控的“反应开关”，将晶体生长所需的能量精准作用于特定区域，使液相中的传质、催化和外延结晶在同一过程中耦合发生。这一策略实现了半导体纳米晶体合成领域的基础科研原创性突破，首次实现了一维纳米单晶晶体的后端兼容的低温生长，为半导体器件和芯片的三维集成提供基础科研支撑。
图1 Laser-SLS生长Ge纳米线机理与后端兼容（< 400 ）反应路径
不依赖光刻：让纳米半导体“自己排队生长”
在纳米电子器件和芯片集成中，单根纳米线的成功制备只是第一步。真正面向集成应用时，更关键的是能否让大量纳米线按照预定方向和间距有序排列，并与衬底保持良好的晶体学关系。传统方法往往需要借助光刻图案化等步骤来定义生长位置，工艺流程相对复杂。
研究发现，激光加工过程中产生的激光诱导周期性表面结构（LIPSS）能够引导 Bi 催化剂在锗衬底表面自组织形成有序点阵。锗纳米线在这些催化位点上沿衬底方向垂直外延生长，最终形成周期性排列的纳米线阵列。纳米线直径约50nm，阵列间距约380nm，研究将纳米增材制造拓展到了半导体领域。
这一发现将“表面图案形成”和“纳米线外延生长”整合到同一激光诱导过程中：激光既参与调控局域化学反应，也参与构筑纳米尺度的空间有序性。相关结构与晶体表征表明，所获得的锗纳米线具有单晶特征，并与锗衬底保持外延关系。这为无需额外光刻步骤的电子器件阵列集成提供了新的工艺思路，也展示了光场调控在半导体工艺中的基础研究价值。
图2 周期性纳米线阵列结构与外延单晶纳米线表征（纳米线直径约50nm，阵列间距约380nm）
从材料生长走向器件界面：改善 n 型锗接触性能
锗材料具有较高载流子迁移率，是先进 CMOS 器件和新型电子器件的重要候选材料之一。然而，在器件制备中，金属/半导体接触以及纳米结构与衬底之间的电学连接质量，往往直接影响器件性能。对于 n 型锗器件而言，降低接触电阻、获得稳定可靠的欧姆接触，是长期受到关注的关键问题。
在器件验证中，研究发现，得益于高质量外延界面以及 Bi 掺杂作用，Laser-SLS 生长的锗纳米线与衬底之间表现出良好的欧姆接触特性。I-V 测试结果表明，纳米线阵列不仅能够实现结构上的垂直外延集成，也能够在电学性能上形成有效连接。从基础研究角度看，这一结果说明材料生长方式的创新能够进一步影响器件界面和电学行为。该研究为 n 型锗器件接触优化、纳米电子器件集成以及后端兼容的三维集成工艺提供了新的探索方向。
图3 器件结构与I-V特性曲线
面向未来集成工艺的基础研究原创探索突破
该成果面向半导体纳米材料生长与集成中的基础科学问题，在激光化学方向的实现原创探索，成功将单晶半导体纳米线的外延生长拓展到了液相，也将纳米增材制造带到了后摩尔时代的集成电路领域，为先进 CMOS 器件、三维异质集成，以及未来纳米电子器件制造提供了新的科学依据和创新思路。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c02133
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