液態金屬印刷半導體技術 劉靜 李倩 杜邦登 9787547862346 【台灣高等教育出版社】

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適讀人群 ：電子、半導體、物理、材料、化學特別是集成電路、晶元設計、電力電子及綠色製造等領域的科研人員、工程師以及大專院校有關專業師生
本書作者從有別於傳統半導體生長技術的角度出發，於國內外首次提出了液態金屬印刷電子學與印刷半導體的全新理念與技術途徑，研發的有關液態金屬電子製造裝備及電子材料產品逐步實現了規模化工業應用及普及，正為下一代電子器件、集成電路乃至用戶端晶元的快速成型打開全新視野，為半導體製造業注入新的活力。與此同時，世界範圍內對半導體製造方面的競爭日趨緊張加劇，我國眾多半導體與晶元行業陷入嚴峻的卡脖子境遇，改變現狀的突破口只能通過重大理論創新與技術變革實現。本書首次系統介紹液態金屬印刷半導體技術的基本思想、典型途徑和應用情形，其全新理論與應用技術體系顛覆了經典製程的基本理念，開闢出了嶄新的半導體與集成電路製造賽道，本書的出版將及時有力地促進我國相關行業後來居上乃至實現跨越式發展，有緊迫的現實意義。

內容簡介
經典半導體製備及器件光刻工藝通常受制於價格高昂的設備、繁瑣冗長的製程及嚴重水電消耗。作者劉靜教授帶領團隊研發的液態金屬印刷半導體技術，以一種自下而上的全新方式實現了對Ga2O3、GaN等第三代、第四代以及更多類型半導體的大面積低成本印製，由此可快速構築二極體、三極體、晶體管乃至集成電路和功能晶元，這一模式打破了傳統半導體製造理念與應用技術瓶頸，正以其普惠化特點展示出巨大發展空間，可望為晶元製造業注入新的活力。為促進這一新興領域的繁榮和發展，本書旨在介紹液態金屬印刷半導體技術的基本原理、典型途徑和應用問題，以助力更多基礎研發和工業實踐，繼而推動行業進步。尤其在當前我國眾多半導體與晶元行業陷入嚴峻的卡脖子的背景下，本書的出版具有重要的現實意義。

作者簡介
劉靜，中國科學院理化技術研究所研究員、清華大學生物醫學工程系教授。長期從事液態金屬、生物醫學工程與工程熱物理等領域交叉科學問題研究並做出系列開創性貢獻。特別是在液態金屬領域取得了突破性發現和應用，成果在世界範圍產生廣泛影響。出版14部著作，發表論文480餘篇（30餘篇英文封面或封底故事）；申報發明專利200餘項，已獲授權130餘項。曾獲國際傳熱界最高獎之一「The William Begell Medal」、全國首屆創新爭先獎、中國製冷學會技術發明一等獎、ASME會刊Journal of Electronic Packaging年度唯一最佳論文獎等。 李倩，中國科學院理化技術研究所助理研究員。主要研究方向為：功能電子器件，半導體光電子器件，光伏器件，半導體材料，納米材料。在液態金屬柔性印刷原型器件構建等方面形成了有特色的研究體系。獲得了一批國際水平的研究成果，在液態金屬功能器件研究領域，特別是高性能印刷液態金屬柔性半導體電子及集成電路研究方面處於前沿水平。
杜邦登，中國科學院理化技術研究所博士后，曾任航天工程大學激光推進及其應用國家重點實驗室助理研究員，以及中國船舶集團有限公司第725研究所工程師。主要從事液態金屬製造二維或超薄半導體材料及電子器件方面的研究。利用低溫氮等離子體處理液態鎵表面，實現了氮化鎵薄膜材料的室溫生長；通過液態鎵基合金成分調控，製備出高性能的摻雜型氧化鎵薄膜。以第一、共一作者身份發表系列重要論文，申請專利多項。

目錄
第1章緒論1
1 1半導體材料及其基本製造途徑1
1 2經典半導體製備工藝面臨的困境4
1 3通向普惠製造的印刷電子技術5
1 4變革性的液態金屬印刷半導體技術7
1 4 1基本技術概要7
1 4 2液態金屬直接印刷第三代半導體技術9
1 4 3液態金屬直接印刷第四代半導體技術9
1 5液態金屬印刷半導體先進位程的優勢10
1 6液態金屬印刷半導體面臨的機遇與挑戰11
參考文獻12
第2章液態金屬元素半導體及化合物半導體15
2 1引言16
2 2物質相態轉移與常溫製造17
2 3典型的液態金屬材料及其化合物半導體17
2 4液態金屬超常物質特性21
2 5液態金屬正重塑半導體材料學23
2 6種類無限的液態金屬合金及複合材料24
2 7液態金屬微納尺度半導體材料學25
2 8液態金屬是催生電子及半導體技術變革的強勁引擎25
2 9小結27
參考文獻28
第3章液態金屬基礎物理化學特性30
3 1引言30
3 2印刷電子概況31
3 2 1常規印刷技術31
3 2 2常規電子油墨32
3 2 3列印方法32
3 2 4燒結方法33
3 3液態金屬印刷電子及半導體33
3 4液態金屬電子墨水的基本特點和優勢34
3 5液態金屬電子墨水物理性質35
3 5 1熱物理性質 36
3 5 2流體性質36
3 5 3可彎曲及拉伸電子特性37
3 5 4半導體性質37
3 5 5磁學性質38
3 5 6力學性質38
3 5 7其他重要物理屬性39
3 6液態金屬化學性質39
3 7液態金屬典型電子及半導體墨水製備途徑40
3 7 1合金化40
3 7 2組合化41
3 7 3納米化41
3 7 4氧化41
3 7 5氮化42
3 7 6更多化學后處理措施43
3 8液態金屬印刷電子及半導體對當代社會的意義45
3 8 1節能意義45
3 8 2對環境保護的意義46
3 8 3對健康技術的影響46
3 8 4新興應用46
3 9挑戰與機遇47
3 10小結48
參考文獻49
第4章液態金屬電子薄膜及物件的印刷52
4 1引言52
4 2傳統的電子印刷及油墨53
4 3液態金屬印刷電子油墨54
4 4液態金屬電子墨水的可列印性56
4 4 1可調節的黏附性56
4 4 2潤濕性57
4 5液態金屬電子功能薄膜印刷方法57
4 5 1液態金屬電子手寫方式58
4 5 2液態金屬全自動列印電子59
4 5 3普適性液態金屬噴墨印刷60
4 5 4液態金屬轉印方法62
4 6液態金屬3D電子及半導體列印方法65
4 7液態金屬印刷電子商用設備的發展及應用67
4 8小結73
參考文獻74
第5章液態金屬印刷電子與半導體互聯技術77
5 1引言77
5 2液態金屬導電圖案化列印及與常規半導體器件互聯79
5 3碳納米管薄膜印刷及液態金屬製備84
5 3 1碳納米管薄膜印刷84
5 3 2液態金屬的製備85
5 4液態金屬碳納米管光伏電池印製85
5 5高性能柔性液態金屬碳納米管晶體管88
5 6用液態金屬和有序排列的碳納米管製造光電子器件92
5 7小結93
參考文獻93
第6章液態金屬剝離法印刷氧化物半導體96
6 1引言97
6 2SiO2/Si基底上βGa2O3薄膜的表徵98
6 3半導體薄膜的形成及晶體管印製與刻畫101
6 4βGa2O3器件製造及性能評估102
6 5擊穿電壓與電容變化105
6 6小結107
參考文獻107
第7章液態金屬摻雜實現氧化物半導體的改性和印製109
7 1引言110
7 2液態金屬基n型和p型Ga2O3薄膜的直接印刷111
7 3Ga2O3薄膜形貌、化學成分及晶體結構等性能的表徵114
7 4n型和p型Ga2O3在FET電子器件中的應用124
7 5小結135
參考文獻135
第8章液態金屬氮化物半導體室溫印刷139
8 1引言140
8 2等離子體介導的Ga液態金屬與N2限域直接反應141
8 3室溫製造GaN半導體的材料及設備143
8 4GaN半導體室溫印製及表徵144
8 5超薄2D GaN薄膜的性質150
8 6印刷超薄2D GaN薄膜在電子器件中的應用154
8 7小結157
參考文獻158
第9章液態金屬印刷製備磷化物和硫化物半導體薄膜162
9 1引言162
9 2液態金屬Ga表面磷化反應製備二維半導體薄膜164
9 2 1液態金屬Ga表面生長二維GaP半導體164
9 2 2液態金屬Ga印刷製備2D 磷酸鎵167
9 3液態金屬表面硫化反應製備二維半導體薄膜169
9 3 1液態金屬Ga印刷製備2D GaS169
9 3 2液態金屬Sn印刷製備2D SnS171
9 4液態金屬印刷製備二維半導體器件173
9 4 1液態金屬Ga印刷製備2D GaS晶體管173
9 4 2液態金屬Sn印刷製備柔性2D SnS壓電納米發電機175
9 5鎵基液態金屬室溫印刷P、S半導體薄膜176
9 6小結178
參考文獻178
第10章液態金屬印刷多元化合物半導體180
10 1引言181
10 2多元合金及GaInSnO和InSnO多層膜製備工藝183
10 3印刷型超薄GaInSnO半導體薄膜的性能185
10 4基於多層膜印製的電子器件集成及應用195
10 5小結203
參考文獻203
第11章在不同基底表面上的液態金屬電子及半導體印刷209
11 1引言209
11 2有較寬基底適應性的半液態金屬電子油墨印刷特性212
11 3Ni基液態金屬油墨印製電路的刻畫216
11 4三維基材表面的電子及半導體印製223
11 5三維電子及半導體墨水材料刻畫224
11 6液態金屬三維印刷電子器件及功能225
11 7小結235
參考文獻236
第12章一維纖維形狀與結構液態金屬電子及半導體印刷238
12 1引言238
12 2導電纖維及半導體材料製備240
12 3導電纖維機電特性及熱穩定性242
12 4智能響應型液態金屬纖維叢及半導體248
12 5小結256
參考文獻256
第13章液態金屬印刷集成電路及晶元258
13 1集成電路發展概況259
13 1 11940年代至1950年代（晶體管階段）259
13 1 21960年代至今（IC階段）259
13 1 3印刷IC260
13 2改變集成電路及晶元製造模式的液態金屬印刷技術261
13 3液態金屬導電油墨的改性和增強263
13 4液態金屬導電體印製及材料表徵264
13 5柔性基材上印刷的液態金屬碳納米管薄膜晶體管268
13 6高性能柔性液態金屬碳納米管薄膜晶體管269
13 7印刷液態金屬碳納米管基薄膜晶體管器件的穩定性275
13 8液態金屬印刷集成電路發展路線圖279
13 9小結281
參考文獻282
第14章液態金屬印刷半導體工業應用286
14 1引言286
14 2印刷2D半導體光電探測器基本材料及測試工具288
14 3液態金屬基2D半導體印刷及表徵289
14 4印刷2D半導體材料的光電特性295
14 5基於βGa2O3/Si異質結的全印刷日盲紫外光電探測器298
14 6液態金屬印刷光伏發電器305
14 7小結306
參考文獻307
第15章面向消費者和個人用戶的液態金屬普惠印刷半導體311
15 1引言311
15 2液態金屬普惠印刷電子及半導體313
15 3商業產品開發及產業化路線圖316
15 4迎接液態金屬半導體普惠印刷時代的到來320
15 5小結321
參考文獻322
索引325

前言/序言
近一個世紀以來，半導體憑藉其性能優勢及產業帶動作用，在推動現代科學技術和社會進步方面發揮了極為重要的引領作用。發展至今，半導體行業主要由四代材料的更迭所驅動。第一代以硅(Si)和鍺(Ge)為代表，始於20世
紀50年代；第二代以砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等為主，出現於20世紀80年代；第三代主要是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)，可追溯到20世紀末；第四代則以興起中的氧化鎵(Ga?O?)為代表。半導體行業一直是資本、人力和技術最為密集的製造業，迄今為止幾乎所有經典的半導體生長技術，如分子束外延、脈衝激光沉積、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和原子層沉積(ALD)等，均嚴重依賴於高溫處理和十分苛刻的真空條件、水電資源，一套晶元製程往往涵蓋數十道複雜工序，涉及從最初晶片生產到生產線上的切割乃至最終的封裝、檢查和測試等，環節中發生的任何錯誤都將導致晶片最終報廢以及隨後引發的巨大經濟損失。
隨著現代信息技術的飛速發展，半導體行業對高功率、高頻微電子器件提出了前所未有的需求。具有先