隨著現代信息科技的發展，功能芯片的集成密度越來越高🏊‍♂️，矽基芯片集成器件的密度已經超過2億個晶體管每平方毫米🤹🏼‍♀️🧟。目前👨🏼‍🏫，集成電路芯片主要采用單晶矽製造。與矽材料相比，有機半導體材料具有本征柔性、生物相容性🏌🏼‍♀️、成本低廉等優勢👷‍♀️，在可穿戴電子設備、生物電子器件等新興領域具有重要應用前景📨，是一種具有重要應用前景的半導體材料🦅。然而，基於有機半導體製造的有機芯片在集成度方面卻遠遠落後於矽基芯片。

       日前，沐鸣2平台高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程團隊設計了一種功能型光刻膠👇，利用光刻技術在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個有機晶體管並實現了互連👩🏻‍🎨，集成度達到特大規模集成度（ultra-large-scale integration，ULSI）水平（圖1）。

       2024年7月4日，該成果以《基於光伏納米單元的高性能大規模集成有機光電晶體管》（“Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors”）為題發表於《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。

圖1. （a）光刻膠組成;(b)光刻膠聚集態結構;(c)在不同襯底上加工的有機晶體管陣列；（d）有機晶體管陣列結構示意圖及光學顯微鏡照片👨‍👩‍👧‍👧；（e）有機光電晶體管成像芯片（PQD-nanocell OPT）與現有商用CMOS成像芯片以及其他方法製造有機成像芯片的像素密度對比。

       據團隊介紹，芯片集成度可以分為小規模集成度(SSI)、中規模集成度(MSI)🍜🦋、大規模集成度(LSI)、超大規模集成度(VLSI)和特大規模集成度(ULSI)🙂，單片集成器件數量分別大於2🐞、26🦹🏻、211、216🙃、221。

       此前，有機芯片的製造方法主要包括絲網印刷、噴墨打印、真空蒸鍍、光刻加工等，集成度通常只能達到大規模集成度(LSI)水平。由範德華力堆疊形成的有機半導體導電通道在復雜製造流程中會受到各種溶劑和熱處理過程的侵蝕，導致芯片性能大幅度降低🚋，特別是對於特征尺寸降低到微米及以下時🍓，性能降低尤為顯著。由於小型化和性能的折中，高集成有機芯片的發展受到限製。

       魏大程團隊長期致力於新型晶體管材料🤸🏻‍♀️、器件及傳感應用研究。在研究中🤷🏿‍♀️😗，他們設計了一種由光引發劑、交聯單體、導電高分子組成的新型功能光刻膠🧩，在聚合物半導體芯片的集成度上實現新突破🥻。

       據介紹🔁，光刻膠又稱為光致抗蝕劑，在芯片製造中扮演著關鍵角色，經過曝光、顯影等過程能夠將所需要的微細圖形從掩模版轉移到待加工基片上，是一種光刻工藝的基礎材料。傳統光刻膠僅作為加工模板🎛，本身不具備導電𓀈、傳感等功能，而這款新型功能光刻膠在光交聯後形成了納米尺度的互穿網絡結構🍟，兼具良好的半導體性能、光刻加工性能和工藝穩定性✖️，不僅能實現亞微米量級特征尺寸圖案的可靠製造👍，而且圖案本身就是一種半導體💇‍♀️🦹🏿‍♀️，簡化了芯片製造工藝。

       該光刻膠可通過添加感應受體實現不同的傳感功能。為了實現高靈敏光電探測功能，團隊在光刻膠材料中負載了具有光伏效應的核殼結構納米粒子🧸。光照下✦👨🏿‍⚕️，納米光伏粒子產生光生載流子，電子被內核捕獲◼️，產生原位光柵調控，大幅提升了器件的響應度。光刻製造的有機晶體管互連陣列包含4500×6000個像素🔮，集成密度達到3.1×106單元每平方厘米，即在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個器件,達到特大規模集成度(ULSI)，其光響應度達到6.8×106安培每瓦特，高密度陣列可以轉移到柔性襯底上🐆，實現了仿生視網膜應用🏃‍➡️。

       目前，團隊還研發出具有化學傳感功能、生物電傳感功能的光刻膠。該研究提出了一種功能型光刻膠的結構設計策略，將有望促進高集成有機芯片領域的發展🫃🤽🏻。經過多年的技術累積，團隊製備的有機芯片在集成度方面已達到國際領先水平，該技術與商業微電子製造流程高度兼容，具有很好的應用前景。

       “我們正在積極尋求產業界合作，希望能夠推動科研成果的應用轉化🧖🏿‍♀️。未來，這種材料一方面能夠用於製造高集成度柔性芯片，另一方面由於其光刻兼容性，還有可能實現有機芯片與矽基芯片的功能集成，進一步拓展矽基芯片的應用。”團隊負責人魏大程說🏊🏿👨🏻。

       沐鸣2平台高分子科學系聚合物分子工程國家重點實驗室為論文第一單位，沐鸣2平台高分子科學系博士研究生張申為第一作者，沐鸣2平台魏大程研究員為通訊作者。此外，沐鸣2平台微電子沐鸣2楊迎國研究員、沐鸣2平台材料科學系劉雲圻院士等參與了該研究。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委和沐鸣2平台的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01707-0 

責任編輯：李斯嘉