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Rendere i chip più piccoli, con prestazioni più elevate e maggiore integrazione è la ricerca incessante dei lavoratori scientifici e tecnologici. Il team del professor Wei Dacheng del State Key Laboratory of Polymer Molecular Engineering del Dipartimento di Scienze dei Polimeri dell'Università di Fudan ha progettato un nuovo tipo di fotoresist semiconduttore con prestazioni eccellenti, utilizzando la tecnologia della fotolitografia per integrare 27 milioni di transistor organici su una dimensione full-frame chip e realizzare l'Interconnessione, da 100.000 nel 2021 a 27 milioni di oggi, negli ultimi anni il team ha continuato a fare passi avanti nell'integrazione di chip semiconduttori polimerici, portando il mondo a raggiungere il livello di integrazione su scala ultra-larga, fornendo un importante supporto per la produzione organica chip per spostarsi ulteriormente verso applicazioni pratiche.

Matrici di transistor organici interconnessi ad alta densità su substrati flessibili

Trarre lezioni dalla tecnologia di litografia dei chip a base di silicio per aumentare il livello di integrazione dei chip organici a decine di milioni

Ciò che la gente chiama "chip" ogni giorno si riferisce principalmente ai chip a base di silicio: un chip semiconduttore realizzato in silicio monocristallino, ampiamente utilizzato nei computer, nelle comunicazioni e in altri campi. I chip organici, costituiti da materiali organici come semiconduttori polimerici e piccole molecole coniugate, presentano i vantaggi di flessibilità intrinseca, biocompatibilità e basso costo e hanno importanti prospettive di applicazione in campi emergenti come i dispositivi elettronici indossabili e i dispositivi bioelettronici.

Con lo sviluppo della moderna tecnologia informatica, la densità di integrazione dei chip funzionali sta diventando sempre più elevata. La densità dei dispositivi integrati con chip a base di silicio ha superato i 200 milioni di transistor per millimetro quadrato. In confronto, i chip organici sono molto indietro rispetto ai chip a base di silicio in termini di integrazione e affidabilità.

L'integrazione dei chip può essere suddivisa in integrazione su piccola scala (SSI), integrazione su media scala (MSI), integrazione su larga scala (LSI), integrazione su larga scala (VLSI) e integrazione su larga scala (ULSI). Le quantità sono maggiori rispettivamente superiori a 2, 26, 211, 216 e 221.

Secondo precedenti rapporti pubblici, il più alto livello di integrazione dei chip semiconduttori polimerici ha raggiunto il livello di integrazione su larga scala (LSI). Ad esempio, nel 2021, un team straniero ha prodotto la più alta densità di array di transistor estensibili, che può integrare più di 10.000 transistor elastici in un’area più piccola di un pollice (0,238 c㎡).

È possibile migliorare ulteriormente l’integrazione dei chip organici? Ora, il team di Wei Dacheng ha dato la risposta: hanno progettato un fotoresist funzionale, utilizzando la tecnologia della fotolitografia per integrare 27 milioni di transistor organici su un chip di dimensioni full-frame e realizzare interconnessioni, raggiungendo un livello di grado di integrazione su larga scala (ULSI). .

"Abbiamo superato la tradizionale tecnologia di lavorazione dei chip organici." Wei Dacheng ha affermato che, a differenza dei chip a base di silicio, i metodi di produzione dei chip organici tradizionali includono principalmente la serigrafia, la stampa a getto d'inchiostro, l'evaporazione sotto vuoto, l'elaborazione della fotolitografia, ecc., e hanno imparato. dalla tecnologia della fotolitografia per i chip a base di silicio ha aumentato il livello di integrazione dei chip organici a decine di milioni.

(a) Composizione del fotoresist; (b) Struttura di aggregazione del fotoresist; (c) Matrici di transistor organiche elaborate su diversi substrati; (d) Schema della struttura della matrice di transistor organici e foto al microscopio ottico (e) Optoelettronica organica Confronto della densità di pixel tra chip di imaging dei transistor (PQD-nanocell OPT) e i chip di imaging CMOS commerciali esistenti, nonché i chip di imaging organico prodotti con altri metodi.

La chiave della tecnologia fotolitografica risiede nel fotoresist. Il fotoresist, noto anche come fotoresist, svolge un ruolo importante nella produzione di chip. Può trasferire i modelli fini richiesti dalla maschera al substrato da elaborare attraverso processi come l'esposizione e lo sviluppo. È un processo di fotolitografia.

Il fotoresist tradizionale viene utilizzato solo come modello di elaborazione e non ha funzioni come conduttività e rilevamento. Deve essere pulito dopo l'uso. Il team di Wei Dacheng ha sviluppato questo nuovo fotoresist funzionale, che forma una struttura di rete compenetrante su scala nanometrica dopo la reticolazione fotografica. Ha buone prestazioni dei semiconduttori, prestazioni di elaborazione fotolitografica e stabilità del processo e non solo può raggiungere quantità inferiori al micron modelli e il modello stesso è un semiconduttore, semplificando il processo di produzione del chip.

Il fotoresist può ottenere diverse funzioni di rilevamento aggiungendo recettori di rilevamento. Per ottenere un rilevamento fotoelettrico altamente sensibile, il team ha caricato nanoparticelle strutturate con nucleo e guscio con effetti fotovoltaici nel materiale fotoresist. Sotto illuminazione, le particelle nanofotovoltaiche generano portatori fotogenerati e gli elettroni vengono catturati dal nucleo, determinando un controllo del reticolo in situ, che migliora notevolmente la fotoreattività del dispositivo.

I risultati sono stati pubblicati su Nature Nanotechnology il 4 luglio con il titolo "Nanocelle fotovoltaiche per fototransistor organici integrati su larga scala ad alte prestazioni".

Cinque anni di ricerca interdisciplinare per superare le principali difficoltà nella produzione di chip organici

Dal 2018, il team di Wei Dacheng ha intrapreso il viaggio di ricerca e sviluppo di fotoresist per semiconduttori e lui stesso è stato impegnato nella ricerca sui materiali semiconduttori organici sin dal periodo della sua scuola di specializzazione. "Se un lavoro deve davvero raggiungere una svolta, richiederà sicuramente un lungo periodo di accumulo." Ha detto che il team non solo ha provato diversi materiali e strutture, ma ha anche accumulato una ricca esperienza pratica.

In qualità di professore presso il Dipartimento di Scienze dei Polimeri, Wei Dacheng ha affermato che lo sviluppo di successo del fotoresist funzionale è inseparabile da un gruppo di ricerca scientifica interdisciplinare.I membri del team non devono solo padroneggiare conoscenze professionali come la sintesi chimica e la scienza dei materiali, ma anche superare le barriere professionali e imparare ad applicare conoscenze come la progettazione e la produzione di dispositivi elettronici.

Wei Dacheng scatta foto con gli studenti

"Dobbiamo comprendere molte questioni, ad esempio come progettare e sintetizzare materiali semiconduttori organici ad alte prestazioni, come costruire accuratamente dispositivi elettronici attraverso la tecnologia della fotolitografia e come ottimizzare le strutture dei dispositivi per migliorare le prestazioni". Il modello richiede Insegnanti e studenti continuano ad apprendere nuove conoscenze e ad affrontare e risolvere insieme vari problemi.

Durante il processo di ricerca e sviluppo, una delle principali difficoltà affrontate dal team è stata la progettazione strutturale dello stato aggregato di fotoresist funzionale. Diverse funzioni del fotoresist spesso si influenzano a vicenda. Ad esempio, la realizzazione della funzione di fotoreticolazione può distruggere il canale conduttivo e causare una riduzione delle prestazioni elettriche. Attraverso un'attenta progettazione e uno studio approfondito della relazione struttura-attività, il team ha infine assicurato che il fotoresist potesse essere reticolato pur avendo una buona conduttività, stabilità del processo ed eccellenti prestazioni complessive.

Un’altra grande sfida risiede nella produzione standardizzata dei dispositivi. "Questo collegamento richiede ripetute esplorazioni e abbiamo riscontrato molti fallimenti." Wei Dacheng ha affermato francamente che il team è partito da zero, ha accumulato esperienza attraverso vari esperimenti e ha padroneggiato le tecnologie chiave della progettazione e produzione di chip organici. In termini di hardware, lo sviluppo di dispositivi elettronici richiede anche attrezzature e condizioni sperimentali specifiche.

La matrice di fototransistor organici preparata dal team su un wafer da 6 pollici

Lo sviluppo e l'ottimizzazione dei dispositivi elettronici è un processo complesso e delicato. "Ogni dettaglio non può essere ignorato, perché è direttamente correlato alle prestazioni complessive del dispositivo. Successivamente, dobbiamo continuare a progettare il layout del circuito per garantire che possa svolgere funzioni specifiche e soddisfare le effettive esigenze applicative."

Dopo numerosi test, il livello di produzione di chip organici del team è diventato sempre più rivoluzionario. Già nel 2021, la densità del dispositivo integrato del chip semiconduttore polimerico sviluppato dal team di Wei Dacheng ha raggiunto i 100.000 transistor per centimetro quadrato. Oggi, l'array di interconnessione di transistor organici prodotto fotolitograficamente da loro sviluppato contiene 4500 × 6000 pixel, con una densità di integrazione di 3,1 milioni di transistor per centimetro quadrato e 27 milioni di dispositivi integrati su un chip di dimensioni full-frame, raggiungendo un livello di integrazione su scala estremamente ampia (ULSI), a livello internazionale leader.

Prospettive applicative ricche e diversificate, altamente compatibili con le linee di produzione dell'industria dei semiconduttori

"La nascita dei chip organici non significa che sostituiranno i chip a base di silicio, ma che potranno offrire vantaggi unici in campi specifici." Wei Dacheng ha sottolineato che le proprietà uniche dei materiali semiconduttori organici possono essere utilizzate come supplemento al silicio attuale I chip basati su chip in alcuni campi svolgono un ruolo chiave.

Rispetto al silicio monocristallino, le proprietà e le funzioni dei semiconduttori organici possono essere personalizzate attraverso la sintesi controllata, dimostrando una notevole flessibilità. È innegabile che i chip a base di silicio continuano a dominare le applicazioni ad alte prestazioni come l'elaborazione dei segnali. Soprattutto in alcuni campi di fascia alta, i chip a base di silicio sono ancora oggi la prima scelta.

"Negli scenari applicativi reali, esigenze diverse hanno dato origine a soluzioni diverse. Per applicazioni innovative come dispositivi indossabili, interfacce cervello-computer e skin elettroniche con requisiti applicativi speciali, i chip organici hanno dimostrato un valore unico. Progettando attentamente la struttura molecolare, possiamo conferirgli diverse proprietà funzionali e consentirgli di ottenere funzioni o applicazioni che i materiali a base di silicio non hanno", ha affermato.

Il vantaggio dei semiconduttori organici non è solo la loro buona flessibilità, ma anche la loro capacità di raggiungere la biocompatibilità attraverso la regolazione strutturale, adattandosi così meglio all’ambiente umano.

(a, b) Diagrammi strutturali dell'occhio umano e della retina bionica; (c) Dimostrazione delle prestazioni della sinapsi fotoelettrica su un array di transistor 5 × 5 (d) Confronto tra retina bionica e fotorilevatori CMOS tradizionali in algoritmi di riconoscimento delle immagini basati su rete neurale; Confronto delle prestazioni.

Ad esempio, la retina flessibile, una delle applicazioni elettroniche bioniche dimostrate dal team di Wei Dacheng alla fine dell'articolo, non solo è equivalente in densità di pixel alle cellule fotorecettrici della retina umana, ma ha anche effetti di memoria ed elaborazione delle immagini simili. funzioni. Imitando l'adattabilità dell'occhio umano, questa tecnologia può fornire ausili visivi e impianti medici con soluzioni più vicine alle caratteristiche fisiologiche del corpo umano, indicando una nuova direzione per la tecnologia bionica in futuro.

Nel campo dei display flessibili, prendiamo come esempio il comune diodo organico a emissione di luce (OLED). È proprio grazie all'applicazione di materiali organici a piccole molecole che lo schermo può essere piegato e piegato, dando origine al popolare schermo pieghevole di oggi. cellulari. La tecnologia del team è applicabile anche alla ricerca di una tecnologia di visualizzazione flessibile di prossima generazione e di circuiti di pilotaggio sottili, leggeri e pieghevoli.

Attualmente, il team sta cercando attivamente opportunità di cooperazione con l’industria per realizzare la trasformazione dei risultati della ricerca scientifica. Questa tecnologia è altamente compatibile con l'industria microelettronica esistente grazie all'uso della tecnologia della fotolitografia. Ciò significa che è possibile ottenere una produzione su larga scala sulle linee di processo esistenti a base di silicio, abbassando così significativamente la soglia per l’industrializzazione.

"La ricerca e lo sviluppo personalizzati basati sulla domanda del mercato saranno la chiave per commercializzare i risultati della ricerca scientifica." Wei Dacheng ritiene che questa tecnologia abbia ampie prospettive nel promuovere il miglioramento industriale e soddisfare le principali esigenze nazionali, e i chip organici completeranno i chip a base di silicio e sono si prevede di promuovere ulteriormente lo sviluppo diversificato della tecnologia microelettronica.