十万千万！复旦有机芯片重大突破

将芯片做得尺寸更小，性能更强、集成度更高，是科技工作者的不懈追求。复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室魏大程教授团队，设计了一种性能优异的新型半导体性光刻胶，利用光刻技术在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个有机晶体管并实现互连，达到特大规模集成度水平，为有机芯片进一步走向实际应用提供了重要支撑。

柔性衬底上的高密度互连有机晶体管阵列

人们日常所说的“芯片”，指的大多是硅基芯片，一种由单晶硅制成的半导体芯片，在计算机、通讯等领域广泛应用。而有机芯片，由聚合物半导体、共轭小分子等有机材料制成，具有本征柔性、生物相容性、成本低廉等优势，在可穿戴电子设备、生物电子器件等新兴领域具有重要应用前景。硅基芯片集成器件的密度已经超过2亿个晶体管每平方毫米，相比之下，有机芯片不管在集成度还是可靠性上，都远远落后于硅基芯片。

有没有可能进一步提升有机芯片集成度？如今，魏大程团队给出了答案——他们设计了一种功能型光刻胶，利用光刻技术在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个有机晶体管并实现了互连，集成度达到特大规模集成度（ULSI）水平。

（a）光刻胶组成;(b)光刻胶聚集态结构;(c)在不同衬底上加工的有机晶体管阵列；（d）有机晶体管阵列结构示意图及光学显微镜照片；（e）有机光电晶体管成像芯片（PQD-nanocell OPT）与现有商用CMOS成像芯片以及其他方法制造有机成像芯片的像素密度对比。

光刻胶又称为光致抗蚀剂，在芯片制造中扮演着重要角色，经过曝光、显影等过程能够将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工基片上，是一种光刻工艺的基础材料。

传统光刻胶仅作为加工模板，本身不具备导电、传感等功能，使用后需要清洗。而魏大程团队研发得到这款新型功能光刻胶，在光交联后形成了纳米尺度的互穿网络结构，兼具良好的半导体性能、光刻加工性能和工艺稳定性，不仅能实现亚微米量级特征尺寸图案的可靠制造，而且图案本身就是一种半导体，简化了芯片制造工艺。

该光刻胶可通过添加感应受体实现不同的传感功能。为了实现高灵敏光电探测功能，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。光照下，纳米光伏粒子产生光生载流子，电子被内核捕获，产生原位光栅调控，大幅提升了器件的光响应度。

成果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》（“Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors”）为题发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。

作为高分子科学系教授，魏大程表示，功能型光刻胶的研制成功离不开一支跨学科的科研团队。团队成员不仅要掌握化学合成、材料科学等本专业知识，更要跨越专业壁垒，学习运用电子器件设计和制造等知识。

“有机芯片的诞生，并非意味着会取代硅基芯片，而是能在特定领域发挥独特优势。”魏大程强调，利用有机半导体材料的独特性质，能够作为目前硅基芯片的补充，在某些领域发挥关键作用。有机半导体的优势，不仅在于拥有良好的柔韧性，而且能通过结构调控实现生物相容性，从而更好适应人体环境。例如，仿生电子应用柔性视网膜不仅在像素密度上与人眼视网膜的感光细胞相当，还具备相似的记忆效应和图像处理功能。通过模仿人眼的自适应性，该技术能为视觉辅助设备、医疗植入物提供更加贴近人体生理特性的解决方案，预示着未来仿生技术的新方向。

编辑：吴百欣

资料：复旦大学

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