随着现代信息科技的发展，功能芯片的集成密度越来越高，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。目前，集成电路芯片主要采用单晶硅制造。与硅材料相比，有机半导体材料具有本征柔性、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，是一种具有重要应用前景的半导体材料。然而，基于有机半导体制造的有机芯片在集成度方面却远远落后于硅基芯片。
日前，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团队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（ultra-large-scale integration，ULSI）水平（图1）。
2024年7月4日，该成果以《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）。
图1. （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。
据团队介绍，芯片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)，单片集成器件数量分别大于2、26、211、216、221。
此前，有机芯片的制造方法主要包括丝网印刷、喷墨打印、真空蒸镀、光刻加工等，集成度通常只能达到大规模集成度(LSI)水平。由范德华力堆叠形成的有机半导体导电通道在复杂制造流程中会受到各种溶剂和热处理过程的侵蚀，导致芯片性能大幅度降低，特别是对于特征尺寸降低到微米及以下时，性能降低尤为显著。由于小型化和性能的折中，高集成有机芯片的发展受到限制。
魏大程团队长期致力于新型晶体管材料、器件及传感应用研究。在研究中，他们设计了一种由光引发剂、交联单体、导电高分子组成的新型功能光刻胶，在聚合物半导体芯片的集成度上实现新突破。
据介绍，光刻胶又称为光致抗蚀剂，在芯片制造中扮演着关键角色，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，而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，大幅提升了器件的响应度。光刻制造的有机晶体管互连阵列包含4500×6000个像素，集成密度达到3.1×106单元每平方厘米，即在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个器件,达到特大规模集成度(ULSI)，其光响应度达到6.8×106安培每瓦特，高密度阵列可以转移到柔性衬底上，实现了仿生视网膜应用。
目前，团队还研发出具有化学传感功能、生物电传感功能的光刻胶。该研究提出了一种功能型光刻胶的结构设计策略，将有望促进高集成有机芯片领域的发展。经过多年的技术累积，团队制备的有机芯片在集成度方面已达到国际领先水平，该技术与商业微电子制造流程高度兼容，具有很好的应用前景。
“我们正在积极寻求产业界合作，希望能够推动科研成果的应用转化。未来，这种材料一方面能够用于制造高集成度柔性芯片，另一方面由于其光刻兼容性，还有可能实现有机芯片与硅基芯片的功能集成，进一步拓展硅基芯片的应用。”团队负责人魏大程说。
复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室为论文第一单位，复旦大学高分子科学系博士研究生张申为第一作者，复旦大学魏大程研究员为通讯作者。此外，复旦大学微电子学院杨迎国研究员、复旦大学材料科学系刘云圻院士等参与了该研究。研究工作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支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01707-0
