復旦大學研發(fā)半導體性光刻膠，實現(xiàn)特大規(guī)模集成度有機芯片制造

隨著現(xiàn)代信息科技的發(fā)展，功能芯片的集成密度越來越高，硅基芯片集成器件的密度已經(jīng)超過 2 億個晶體管每平方毫米。與硅基芯片相比，基于有機半導體材料的有機芯片具有本征柔性和良好生物相容性的優(yōu)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，然而有機芯片的集成度卻遠遠落后于硅基芯片。

日前，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程團隊設計了一種新型半導體性光刻膠，利用光刻技術在全畫幅尺寸芯片上集成了 2700 萬個有機晶體管并實現(xiàn)了互連，在聚合物半導體芯片的集成度上實現(xiàn)新突破，集成度達到特大規(guī)模集成度（ultra-large-scale integration，ULSI）水平（圖 1）。

2024 年 7 月 4 日，該成果以《基于光伏納米單元的高性能大規(guī)模集成有機光電晶體管》（「Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors」）為題發(fā)表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。

圖 1.（a）光刻膠組成;(b) 光刻膠聚集態(tài)結(jié)構(gòu)；(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(jié)構(gòu)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(xiàn)有商用 CMOS 成像芯片以及其他方法制造有機成像芯片的像素密度對比。

據(jù)團隊介紹，芯片集成度可以分為小規(guī)模集成度 (SSI)、中規(guī)模集成度 (MSI)、大規(guī)模集成度 (LSI)、超大規(guī)模集成度 (VLSI) 和特大規(guī)模集成度 (ULSI)，單片集成器件數(shù)量分別大于 2、26、211、216、221。

此前，有機芯片的制造方法主要包括絲網(wǎng)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(guī)模集成度 (LSI) 水平。由范德華力堆疊形成的有機半導體導電通道在復雜制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，特別是對于特征尺寸降低到微米及以下時，性能降低尤為顯著。由于小型化和性能的折中，高集成有機芯片的發(fā)展受到限制。

光刻膠又稱為光致抗蝕劑，在芯片制造中扮演著關鍵角色，經(jīng)過曝光、顯影等過程能夠?qū)⑺枰奈⒓殘D形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基片上，是一種光刻工藝的基礎材料。傳統(tǒng)光刻膠僅作為加工模板，本身不具備導電、傳感等功能。魏大程團隊長期致力于新型晶體管材料、器件及傳感應用研究。在研究中，他們設計了一種由光引發(fā)劑、交聯(lián)單體、導電高分子組成的新型功能光刻膠。光交聯(lián)后形成了納米尺度的互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，兼具良好的半導體性能、光刻加工性能和工藝穩(wěn)定性。該光刻膠不僅能實現(xiàn)亞微米量級特征尺寸圖案的可靠制造，而且該圖案本身就是一種半導體，從而簡化了芯片制造工藝。

該光刻膠可通過添加感應受體實現(xiàn)不同的傳感功能。為了實現(xiàn)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(jié)構(gòu)納米粒子。光照下，納米光伏粒子產(chǎn)生光生載流子，電子被內(nèi)核捕獲，產(chǎn)生原位光柵調(diào)控，大幅提升了器件的響應度。光刻制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(guī)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(zhuǎn)移到柔性襯底上，實現(xiàn)了仿生視網(wǎng)膜應用。

目前，團隊還研發(fā)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(jié)構(gòu)設計策略，將有望促進高集成有機芯片領域的發(fā)展。經(jīng)過多年的技術累積，團隊制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(yè)微電子制造流程高度兼容，具有很好的應用前景。

「我們正在積極尋求產(chǎn)業(yè)界合作，希望能夠推動科研成果的應用轉(zhuǎn)化。未來，這種材料一方面能夠用于制造高集成度柔性芯片，另一方面由于其光刻兼容性，還有可能實現(xiàn)有機芯片與硅基芯片的功能集成，進一步拓展硅基芯片的應用。」團隊負責人魏大程說。

復旦大學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；復旦大學高分子科學系博士研究生張申為第一作者；復旦大學魏大程研究員為通訊作者。此外，復旦大學微電子學院楊迎國研究員、復旦大學材料科學系劉云圻院士等參與了該研究。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市科委和復旦大學的支持。