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Die Herstellung von Chips mit kleinerer Größe, höherer Leistung und höherer Integration ist das unermüdliche Streben wissenschaftlicher und technischer Mitarbeiter. Das Team von Professor Wei Dacheng vom State Key Laboratory of Polymer Molecular Engineering in der Abteilung für Polymerwissenschaften der Fudan-Universität hat einen neuen Typ von Halbleiter-Fotolack mit hervorragender Leistung entwickelt und dabei Fotolithographie-Technologie genutzt, um 27 Millionen organische Transistoren auf einer Vollbildgröße zu integrieren Chip und Realization Interconnection, von 100.000 im Jahr 2021 auf 27 Millionen heute, hat das Team in den letzten Jahren weiterhin Durchbrüche in der Polymer-Halbleiter-Chip-Integration erzielt und die Welt dazu geführt, das Niveau der ultragroßen Integration zu erreichen, was wichtige Unterstützung für organische Produkte bietet Chips, um sich weiter in Richtung praktischer Anwendungen zu bewegen.

Hochdichte, miteinander verbundene organische Transistor-Arrays auf flexiblen Substraten

Lehren aus der siliziumbasierten Chip-Lithographietechnologie ziehen, um den Integrationsgrad organischer Chips auf mehrere zehn Millionen zu erhöhen

Was die Menschen im Alltag „Chips“ nennen, bezieht sich meist auf Chips auf Siliziumbasis – ein Halbleiterchip aus einkristallinem Silizium, der in Computern, Kommunikation und anderen Bereichen weit verbreitet ist. Organische Chips, die aus organischen Materialien wie Polymerhalbleitern und konjugierten kleinen Molekülen hergestellt werden, zeichnen sich durch intrinsische Flexibilität, Biokompatibilität und niedrige Kosten aus und haben wichtige Anwendungsaussichten in aufstrebenden Bereichen wie tragbaren elektronischen Geräten und bioelektronischen Geräten.

Mit der Entwicklung moderner Informationstechnologie wird die Integrationsdichte funktionaler Chips immer höher. Die Dichte siliziumbasierter Chip-integrierter Geräte liegt bei über 200 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter. Im Vergleich dazu liegen organische Chips in Bezug auf Integration und Zuverlässigkeit weit hinter siliziumbasierten Chips zurück.

Die Chipintegration kann in Small Scale Integration (SSI), Medium Scale Integration (MSI), Large Scale Integration (LSI), Very Large Scale Integration (VLSI) und Ultra Large Scale Integration (ULSI) unterteilt werden. Die Mengen sind größer als 2, 26, 211, 216 bzw. 221.

Früheren öffentlichen Berichten zufolge hat die höchste Integrationsstufe von Polymerhalbleiterchips die Stufe der Großintegration (LSI) erreicht. Beispielsweise produzierte ein ausländisches Team im Jahr 2021 die höchste dehnbare Transistor-Array-Dichte, die mehr als 10.000 elastische Transistoren auf einer Fläche integrieren kann, die kleiner als Ihr Daumen (0,238 c㎡) ist.

Ist es möglich, die Integration organischer Chips weiter zu verbessern? Jetzt hat das Team von Wei Dacheng die Antwort gegeben: Sie haben einen funktionellen Fotolack entwickelt, der mithilfe der Fotolithographie-Technologie 27 Millionen organische Transistoren auf einem vollformatigen Chip integriert und Verbindungen realisiert, wodurch ein extrem hoher Integrationsgrad (ULSI) erreicht wird .

„Wir haben die traditionelle Technologie zur Verarbeitung organischer Chips durchbrochen.“ Wei Dacheng sagte, dass die Herstellungsmethoden traditioneller organischer Chips im Gegensatz zu Chips auf Siliziumbasis hauptsächlich Siebdruck, Tintenstrahldruck, Vakuumverdampfung, Fotolithographieverarbeitung usw. umfassen, und sie lernten Die Fotolithographietechnologie für siliziumbasierte Chips hat den Integrationsgrad organischer Chips auf die zweistellige Millionenhöhe erhöht.

(a) Photoresist-Zusammensetzung; (c) Organische Transistor-Arrays, verarbeitet auf verschiedenen Substraten; (e) Organische Optoelektronik-Vergleich der Pixeldichte zwischen Transistor-Bildgebungschips; (PQD-Nanocell OPT) und bestehende kommerzielle CMOS-Bildgebungschips sowie organische Bildgebungschips, die mit anderen Methoden hergestellt werden.

Der Schlüssel zur Fotolithographietechnologie liegt im Fotolack. Fotolack, auch Fotolack genannt, spielt eine wichtige Rolle bei der Chipherstellung. Er kann die erforderlichen feinen Muster durch Prozesse wie Belichtung und Entwicklung übertragen.

Herkömmlicher Fotolack dient nur als Verarbeitungsvorlage und hat keine Funktionen wie Leitfähigkeit und Sensorik. Er muss nach der Verwendung gereinigt werden. Das Team von Wei Dacheng hat diesen neuen funktionellen Fotolack entwickelt, der nach der Fotovernetzung eine durchdringende Netzwerkstruktur im Nanomaßstab bildet. Er verfügt über eine gute Halbleiterleistung, Fotolithografie-Verarbeitungsleistung und Prozessstabilität und kann nicht nur eine zuverlässige Herstellung von Strukturgrößen im Submikrometerbereich erreichen Muster, und das Muster selbst ist ein Halbleiter, was den Chipherstellungsprozess vereinfacht.

Durch das Hinzufügen von Sensorrezeptoren kann der Fotolack unterschiedliche Sensorfunktionen erreichen. Um eine hochempfindliche fotoelektrische Detektion zu erreichen, lud das Team Nanopartikel mit Kern-Schale-Struktur und photovoltaischen Effekten in das Fotolackmaterial ein. Unter Beleuchtung erzeugen nanophotovoltaische Partikel photogenerierte Ladungsträger, und Elektronen werden vom Kern eingefangen, was zu einer In-situ-Gittersteuerung führt, die die Photoempfindlichkeit des Geräts erheblich verbessert.

Die Ergebnisse wurden am 4. Juli in Nature Nanotechnology unter dem Titel „Photovoltaische Nanozellen für hochleistungsfähige großflächig integrierte organische Fototransistoren“ veröffentlicht.

Fünf Jahre interdisziplinäre Forschung zur Überwindung der Kernschwierigkeiten bei der Herstellung organischer Chips

Seit 2018 begibt sich das Team von Wei Dacheng auf die Reise der Forschung und Entwicklung von Halbleiter-Fotolacken, und er selbst beschäftigt sich seit seiner Graduiertenzeit mit der Forschung an organischen Halbleitermaterialien. „Wenn eine Arbeit wirklich zum Durchbruch führen soll, bedarf es auf jeden Fall einer langen Akkumulationsphase.“ Er sagte, dass das Team nicht nur verschiedene Materialien und Strukturen ausprobiert habe, sondern auch umfangreiche praktische Erfahrungen gesammelt habe.

Als Professor in der Abteilung für Polymerwissenschaften sagte Wei Dacheng, dass die erfolgreiche Entwicklung funktioneller Fotolacke untrennbar mit einem interdisziplinären wissenschaftlichen Forschungsteam verbunden sei.Die Teammitglieder müssen nicht nur Fachkenntnisse wie chemische Synthese und Materialwissenschaften beherrschen, sondern auch berufliche Barrieren überwinden und lernen, Kenntnisse wie das Design und die Herstellung elektronischer Geräte anzuwenden.

Wei Dacheng macht Fotos mit Schülern

„Wir müssen viele Fragen verstehen, wie man hochleistungsfähige organische Halbleitermaterialien entwirft und synthetisiert, wie man elektronische Geräte mithilfe der Fotolithografietechnologie präzise konstruiert und wie man Gerätestrukturen optimiert, um die Leistung zu verbessern.“ Nach Ansicht von Wei Dacheng ist diese interdisziplinäre Zusammenarbeit wichtig Das Modell erfordert, dass Lehrer und Schüler weiterhin neues Wissen erlernen und sich gemeinsam verschiedenen Problemen stellen und diese lösen.

Während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses bestand eine große Schwierigkeit für das Team in der strukturellen Gestaltung des aggregierten Zustands des funktionellen Fotolacks. Verschiedene Funktionen des Fotolacks beeinflussen sich häufig gegenseitig. Beispielsweise kann die Realisierung der Fotovernetzungsfunktion den leitenden Kanal zerstören und zu einer Verringerung der elektrischen Leistung führen. Durch sorgfältiges Design und eingehende Untersuchungen der Struktur-Aktivitäts-Beziehung stellte das Team letztendlich sicher, dass der Fotolack vernetzt werden kann und gleichzeitig eine gute Leitfähigkeit, Prozessstabilität und eine hervorragende Gesamtleistung aufweist.

Eine weitere große Herausforderung liegt in der standardisierten Herstellung von Geräten. „Diese Verbindung erfordert wiederholte Untersuchungen, und wir haben viele Misserfolge erlebt.“ Wei Dacheng sagte offen, dass das Team bei Null angefangen habe, durch verschiedene Experimente Erfahrungen gesammelt und die Schlüsseltechnologien des organischen Chip-Designs und der Herstellung beherrscht habe. Auch in Bezug auf die Hardware erfordert die Entwicklung elektronischer Geräte spezifische Geräte und experimentelle Bedingungen.

Das vom Team vorbereitete organische Fototransistor-Array auf einem 6-Zoll-Wafer

Die Entwicklung und Optimierung elektronischer Geräte ist ein komplexer und heikler Prozess. „Jedes Detail kann nicht ignoriert werden, da es in direktem Zusammenhang mit der Gesamtleistung des Geräts steht. Anschließend müssen wir das Schaltungslayout weiter entwerfen, um sicherzustellen, dass es bestimmte Funktionen ausführen und die tatsächlichen Anwendungsanforderungen erfüllen kann.“

Nach vielen Tests hat das Team bei der Herstellung organischer Chips zunehmend einen Durchbruch erzielt. Bereits im Jahr 2021 hat die integrierte Gerätedichte des von Wei Dachengs Team entwickelten Polymer-Halbleiterchips 100.000 Transistoren pro Quadratzentimeter erreicht. Heute enthält das von ihnen entwickelte photolithographisch hergestellte organische Transistor-Verbindungsarray 4500 × 6000 Pixel mit einer Integrationsdichte von 3,1 Millionen Transistoren pro Quadratzentimeter und 27 Millionen integrierten Geräten auf einem vollformatigen Chip, was ein extrem hohes Integrationsniveau erreicht . (ULSI), auf internationaler Spitzenebene.

Reichhaltige und vielfältige Anwendungsaussichten, hohe Kompatibilität mit Produktionslinien der Halbleiterindustrie

„Die Geburt organischer Chips bedeutet nicht, dass sie siliziumbasierte Chips ersetzen werden, sondern dass sie in bestimmten Bereichen einzigartige Vorteile bieten können.“ Wei Dacheng betonte, dass die einzigartigen Eigenschaften organischer Halbleitermaterialien als Ergänzung zum aktuellen Silizium genutzt werden können -basierte Chips spielen in einigen Bereichen eine Schlüsselrolle.

Im Vergleich zu monokristallinem Silizium können die Eigenschaften und Funktionen organischer Halbleiter durch kontrollierte Synthese maßgeschneidert werden, was eine erhebliche Flexibilität beweist. Es ist nicht zu leugnen, dass Chips auf Siliziumbasis immer noch in Hochleistungsanwendungen wie der Signalverarbeitung dominieren. Insbesondere in einigen High-End-Bereichen sind Chips auf Siliziumbasis auch heute noch die erste Wahl.

„In tatsächlichen Anwendungsszenarien haben unterschiedliche Bedürfnisse zu unterschiedlichen Lösungen geführt. Für innovative Anwendungen wie tragbare Geräte, Gehirn-Computer-Schnittstellen und elektronische Häute mit besonderen Anwendungsanforderungen haben organische Chips einen einzigartigen Wert gezeigt. Durch sorgfältiges Design der molekularen Struktur, Wir können ihm vielfältige funktionelle Eigenschaften verleihen und ihm ermöglichen, Funktionen oder Anwendungen zu erreichen, die Materialien auf Siliziumbasis nicht haben“, sagte er.

Der Vorteil organischer Halbleiter liegt nicht nur in ihrer guten Flexibilität, sondern auch in ihrer Fähigkeit, durch Strukturregulierung Biokompatibilität zu erreichen und sich dadurch besser an die menschliche Umwelt anzupassen.

(a, b) Strukturdiagramme des menschlichen Auges und der bionischen Netzhaut; (c) Demonstration der photoelektrischen Synapsenleistung auf einem 5 × 5-Transistor-Array; (d) Vergleich der bionischen Netzhaut und herkömmlicher CMOS-Fotodetektoren in Bilderkennungsalgorithmen auf der Basis neuronaler Netzwerke Leistungsvergleich.

Beispielsweise entspricht die flexible Netzhaut, eine der bionischen elektronischen Anwendungen, die Wei Dachengs Team am Ende des Artikels demonstrierte, nicht nur in der Pixeldichte den Fotorezeptorzellen der menschlichen Netzhaut, sondern verfügt auch über ähnliche Gedächtniseffekte und Bildverarbeitung Funktionen. Durch die Nachahmung der Anpassungsfähigkeit des menschlichen Auges kann diese Technologie Sehhilfen und medizinische Implantate mit Lösungen ausstatten, die den physiologischen Eigenschaften des menschlichen Körpers näher kommen, was eine neue Richtung für die bionische Technologie in der Zukunft aufzeigt.

Nehmen Sie im Bereich der flexiblen Anzeige die übliche organische Leuchtdiode (OLED). Gerade durch die Verwendung organischer kleiner Molekülmaterialien kann der Bildschirm gebogen und gefaltet werden, wodurch der heute beliebte Faltbildschirm entsteht Mobiltelefone. Die Technologie des Teams lässt sich auch auf die Suche nach flexibler Display-Technologie und Treiberschaltungen der nächsten Generation anwenden, die dünn, leicht und biegsam sind.

Derzeit sucht das Team aktiv nach Kooperationsmöglichkeiten mit der Industrie, um die Transformation wissenschaftlicher Forschungsergebnisse zu realisieren. Diese Technologie ist aufgrund des Einsatzes der Fotolithographie-Technologie in hohem Maße mit der bestehenden Mikroelektronikindustrie kompatibel. Dies bedeutet, dass eine großtechnische Produktion auf bestehenden siliziumbasierten Prozesslinien erreicht werden kann, wodurch die Schwelle zur Industrialisierung deutlich gesenkt wird.

„Maßgeschneiderte Forschung und Entwicklung auf der Grundlage der Marktnachfrage wird der Schlüssel zur Kommerzialisierung wissenschaftlicher Forschungsergebnisse sein.“ Wei Dacheng ist davon überzeugt, dass diese Technologie weitreichende Aussichten hat, die industrielle Modernisierung voranzutreiben und wichtige nationale Bedürfnisse zu erfüllen, und dass organische Chips Chips auf Siliziumbasis ergänzen werden Es wird erwartet, dass es die vielfältige Entwicklung der Mikroelektroniktechnologie weiter vorantreibt.