随着现代信息科技的迅猛发展，功能芯片的集成密度不断攀升，硅基芯片的集成器件密度已突破每平方毫米2亿个晶体管的大关。然而，与之相比，基于有机半导体材料的有机芯片虽然在柔性和生物相容性方面具备独特优势，在可穿戴电子设备和生物电子器件等领域展现出广阔应用前景，但其集成度却远远落后于硅基芯片。 近日，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室的魏大程团队传来振奋人心的消息。他们成功设计出一种新型半导体性光刻胶，并利用光刻技术在全画幅尺寸芯片上实现了2700万个有机晶体管的集成与互连，这一突破使得聚合物半导体芯片的集成度达到了特大规模集成度（ultra-large-scale integration，ULSI）水平（见图1）。 这一重大成果于2024年7月4日以《基于光伏纳米单元的高性能大规模集成有机光电晶体管》为题，在国际顶级期刊《自然·纳米技术》上发表，引起了学术界的广泛关注。 据团队介绍，芯片的集成度可以分为小规模集成度(SSI)、中规模集成度(MSI)、大规模集成度(LSI)、超大规模集成度(VLSI)和特大规模集成度(ULSI)，对应的单片集成器件数量分别大于2、26、211、216、221个。此前，有机芯片的制造方法主要依赖于丝网印刷、喷墨打印、真空蒸镀和光刻加工等，但这些方法的集成度通常只能达到大规模集成度(LSI)水平。由于有机半导体导电通道在复杂制造流程中易受溶剂和热处理过程的侵蚀，导致芯片性能大幅下降，特别是当特征尺寸降低到微米及以下时，性能降低尤为明显。因此，高集成有机芯片的发展一直受到小型化和性能之间的折中限制。 光刻胶，又称光致抗蚀剂，在芯片制造中扮演着举足轻重的角色。它能够经过曝光、显影等过程将掩模版上的微细图形转移到待加工的基片上，是光刻工艺的基础材料。然而，传统的光刻胶仅作为加工模板使用，本身并不具备导电、传感等功能。魏大程团队长期致力于新型晶体管材料、器件及传感应用的研究。在这次研究中，他们创新性地设计了一种由光引发剂、交联单体和导电高分子组成的新型功能光刻胶。这种光刻胶在光交联后形成了纳米尺度的互穿网络结构，不仅具备良好的半导体性能和光刻加工性能，还展现出优异的工艺稳定性。这种新型光刻胶不仅能够实现亚微米量级特征尺寸图案的可靠制造，而且该图案本身就是一种半导体材料，从而极大地简化了芯片制造工艺。 更值得一提的是，这种光刻胶还可以通过添加感应受体来实现不同的传感功能。为了实现高灵敏度的光电探测功能，团队在光刻胶材料中负载了具有光伏效应的核壳结构纳米粒子。在光照条件下，这些纳米光伏粒子能够产生光生载流子，电子被内核捕获后产生原位光栅调控作用，从而大幅提升器件的响应度。利用这种光刻胶制造的有机晶体管互连阵列包含了4500×6000个像素点，集成密度高达每平方厘米3.1×106个单元，即在全画幅尺寸的芯片上成功集成了2700万个器件。这一成就不仅达到了特大规模集成度(ULSI)水平，而且其光响应度也达到了惊人的6.8×106安培每瓦特。此外，这种高密度阵列还可以轻松转移到柔性衬底上，为仿生视网膜等应用提供了全新的可能性。 目前，该团队还在不断探索和创新中前行。他们已经成功研发出具有化学传感功能和生物电传感功能的光刻胶材料。这一系列研究成果不仅提出了一种全新的功能型光刻胶结构设计策略，更为高集成有机芯片领域的发展注入了强大的动力。经过多年的技术积累和不断创新，魏大程团队制备的有机芯片在集成度方面已经达到了国际领先水平。更为重要的是，这种新型技术与商业微电子制造流程高度兼容，展现出了广阔的应用前景和巨大的市场潜力。 “我们正在积极寻求与产业界的合作机会，希望能够共同推动这一科研成果的应用转化。”团队负责人魏大程充满信心地表示，“未来，这种新型材料一方面有望用于制造高集成度的柔性芯片；另一方面由于其出色的光刻兼容性特点，还有可能实现有机芯片与硅基芯片的功能集成和互补应用，从而进一步拓展硅基芯片的应用范围和领域。” 在此次研究中，复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室作为论文的第一单位发挥了重要作用；复旦大学高分子科学系的博士研究生张申担任了第一作者；而通讯作者则由复旦大学魏大程研究员担任。此外，复旦大学微电子学院的杨迎国研究员、复旦大学材料科学系的刘云圻院士等也积极参与了这项研究工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委和复旦大学的鼎力支持。 |
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