上科大冯继成课题组：实现晶体管的“气相3D打印”！

芯片，作为现代电子设备的心脏，其制造长期被光刻技术主导。但随着芯片尺寸不断缩小、结构日趋复杂，传统光刻技术在纳米尺度下面临成本高、工艺难、污染多等瓶颈。有没有更纯净、更灵活、更高效的制造方式？

近日，上海科技大学冯继成课题组带来了一项新进展：他们开发出一种名为“法拉第3D打印”的全新气相制造技术，可在高纯惰性气体中，以“自下而上”的方式，直接打印出多种半导体材料的纳米结构，并成功集成出性能良好的晶体管。该成果已以题为“Gas-Phase Assembly of Semiconductor Nanostructures into Functional Field-Effect Transistors”于国际学术期刊《Small》上发表。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202504668

什么是“法拉第3D打印”？

这是一种在气相中完成的全新纳米制造技术。研究团队首先通过“人工闪电”（等离子体火花放电）方式，在惰性气体中制备出尺寸小于5纳米、且完全无配体污染的半导体纳米颗粒（包括Si、Ge、ZnO、In₂O₃、GaAs、SiC等）。

图1.半导体纳米颗粒，结晶度高、分散性好

随后，利用电场引导，像“磁铁吸铁屑”一样，将这些带电的纳米颗粒精准地“原位打印”到预设位置，形成三维纳米结构。整个过程无需液相、无需光刻、无需真空、无化学配体，从源头上保障了半导体材料的纯净度。

图2.法拉第3D打印的半导体纳米鳍形Fin及其他复杂三维结构

关键技术特点：

• 纯净纳米材料制备：全干法工艺避免污染，特别适合对空气敏感的材料（如GaAs）。

• 电场精准引导组装：通过调控电场空间构型和尺度，可实现纳米级精度的三维构筑，媲美传统光刻。

• 多材料兼容与异质集成：可依次打印不同半导体材料，构建复杂三维结构，为未来异质结器件奠定基础。

打印出能工作的晶体管

研究团队成功打印出氧化铟（In₂O₃）等材料的“鳍片”（Fin）结构，并将其作为沟道，制备出顶栅和底栅结构的场效应晶体管（FET）。测试表明，顶栅晶体管的开关比超过1000倍，显示出对应的电学性能。

图4.顶栅和底栅晶体管

退火处理后，载流子迁移率提升至8.33 cm²·V⁻¹·s⁻¹，但同时出现了载流子浓度过高的兼并半导体问题，导致器件暂时失去开关功能。团队表示，未来将通过可控掺杂和所打印的结构优化进一步改善其性能。

为什么这项技术重要？

• 为后摩尔时代芯片制造提供新路径：不用光学系统，实现点对点的增材制造，而非光刻通过减材实现图案化，尤其适用于三维集成、柔性电子、量子点器件等新兴领域。

• 绿色低碳，工艺简洁：无需复杂的光刻机、镀膜和刻蚀步骤，大幅降低设备与材料成本。

• 兼容多种材料，助力新材料器件研发：为化合物半导体（如GaAs 、 SiC ）等新型半导体材料的高纯度制造提供了新可能。

这项研究不仅展示了自下而上纳米制造技术的巨大潜力，也为未来高性能、定制化芯片的“无光刻”制备提供了一条全新的技术路线。未来，冯继成课题组将继续优化打印精度、探索新材料与新结构，推动该技术向产业化迈进。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”，感谢论文团队支持。