近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏大程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型半導(dǎo)體性光刻膠。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(jī)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(shù)》（Nature Nanotechnology）。

光刻膠又稱(chēng)為光致抗蝕劑，在芯片制造中扮演著關(guān)鍵角色，經(jīng)過(guò)曝光、顯影等過(guò)程能夠?qū)⑺枰奈⒓?xì)圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基片上，是一種光刻工藝的基礎(chǔ)材料。傳統(tǒng)光刻膠僅作為加工模板，本身不具備導(dǎo)電、傳感等功能。該成果則報(bào)道了一種半導(dǎo)體性的光刻膠設(shè)計(jì)策略，通過(guò)摻雜光活性粒子進(jìn)行光電功能化，可以通過(guò)微電子制造業(yè)通用的光刻技術(shù)進(jìn)行光電晶體管的大規(guī)模高分辨率制備，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模有機(jī)光電芯片的集成，將集成度和光響應(yīng)度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

現(xiàn)代信息科技的飛速發(fā)展對(duì)功能芯片集成度的要求越來(lái)越高。目前硅基芯片的制程工藝已經(jīng)達(dá)到了3納米的節(jié)點(diǎn)，集成密度已經(jīng)超過(guò)2億個(gè)晶體管每平方毫米。硅基芯片單片集成的集成度從小規(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)（集成器件數(shù)量分別大于2、26、211、216、221）不斷邁向更高的水平。相比之下，基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的有機(jī)芯片克服了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體固有的剛性，憑借其與軟組織良好的機(jī)械相容性，在可穿戴電子學(xué)、生物電子學(xué)等新興領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前有機(jī)芯片的集成度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硅基芯片。通過(guò)溶液加工（絲網(wǎng)印刷、噴墨打?。┗蛘婵照翦兊确椒ㄖ苽涑龅挠袡C(jī)芯片，其集成度通常不超過(guò)大規(guī)模集成度(LSI)水平。這是因?yàn)橛袡C(jī)半導(dǎo)體導(dǎo)電通道由范德華力堆疊形成，在復(fù)雜制造流程的溶劑和熱處理過(guò)程中易受到損傷，導(dǎo)致芯片性能隨小型化而急劇降低。尤其當(dāng)特征尺寸降低到微米及以下時(shí)，小型化和性能的折中顯著地限制了高集成有機(jī)芯片的發(fā)展。

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(jī)晶體管陣列；（d）有機(jī)晶體管陣列結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)顯微鏡照片；（e）有機(jī)光電晶體管成像芯片（PQD-nanocellOPT）與現(xiàn)有商用CMOS成像芯片以及其他方法制造有機(jī)成像芯片的像素密度對(duì)比。

在這項(xiàng)工作中，魏大程團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型半導(dǎo)體性光刻膠的設(shè)計(jì)策略，該材料包含光引發(fā)劑、交聯(lián)單體、導(dǎo)電高分子，可以通過(guò)光交聯(lián)形成納米尺度的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了亞微米級(jí)的光刻圖案化精度、良好的半導(dǎo)體性能和工藝穩(wěn)定性。這種半導(dǎo)體性光刻膠可以通過(guò)添加不同的活性粒子來(lái)功能化。為了實(shí)現(xiàn)高靈敏的光電探測(cè)能力，研究者開(kāi)發(fā)了一種具有光伏效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米粒子，添加到半導(dǎo)體性光刻膠中。納米光伏粒子在光照下會(huì)產(chǎn)生光生載流子，電子被內(nèi)核捕獲，對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電通道產(chǎn)生原位光柵調(diào)控，大幅提升了器件的響應(yīng)度。作為展示，研究者利用光刻技術(shù)在全畫(huà)幅尺寸芯片上集成了2700萬(wàn)個(gè)有機(jī)晶體管并實(shí)現(xiàn)了互連，實(shí)現(xiàn)了特大規(guī)模集成度（ULSI）的制造水平。該陣列（4500×6000像素）集成密度達(dá)到3.1×106 units/cm2，光響應(yīng)度達(dá)到6.8×106 A/W。研究者將高密度陣列轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，實(shí)現(xiàn)了仿生視網(wǎng)膜應(yīng)用，在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別算法中展現(xiàn)出比傳統(tǒng)CMOS器件更高的性能。此外，該團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出具有化學(xué)傳感功能、生物電傳感功能的光刻膠。由于開(kāi)發(fā)的功能化半導(dǎo)體光刻膠使用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)通用的光刻技術(shù)進(jìn)行加工，所以與商業(yè)微電子制造流程高度兼容，具有很大的應(yīng)用前景。未來(lái)該團(tuán)隊(duì)也會(huì)積極尋求產(chǎn)業(yè)界的合作，希望能夠推動(dòng)科研成果的實(shí)用化。

圖2：（a，b）人眼和仿生視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）在5?×?5 晶體管陣列上展示光電突觸性能；（d）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別算法中仿生視網(wǎng)膜與傳統(tǒng)CMOS光電探測(cè)器的性能對(duì)比。

“我們正在積極尋求產(chǎn)業(yè)界合作，希望能夠推動(dòng)科研成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。未來(lái)，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(shí)現(xiàn)有機(jī)芯片與硅基芯片的功能集成，進(jìn)一步拓展硅基芯片的應(yīng)用。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人魏大程說(shuō)。