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チップのサイズを小さくし、より強力なパフォーマンスとより高度な統合を実現することは、科学技術関係者の絶え間ない追求です。復旦大学高分子科学部高分子分子工学国家重点研究所の魏大成教授のチームは、フォトリソグラフィー技術を使用して、フルフレームサイズに2,700万個の有機トランジスタを集積する、優れた性能を備えた新しいタイプの半導体フォトレジストを設計した。チップとリアライズの相互接続は、2021 年の 10 万個から現在 2,700 万個まで増加しています。このチームは近年、ポリマー半導体チップの集積化で画期的な進歩を続け、世界を超大規模集積化のレベルに到達させ、有機的チップの重要なサポートを提供しています。チップの実用化に向けてさらに前進します。

フレキシブル基板上の高密度相互接続有機トランジスタアレイ

シリコンベースのチップリソグラフィ技術から教訓を引き出し、有機チップの集積レベルを数千万まで高める

人々が日常的に「チップ」と呼ぶものは、主にシリコンベースのチップ、つまりコンピュータ、通信、その他の分野で広く使用されている単結晶シリコンで作られた半導体チップを指します。高分子半導体や共役小分子などの有機材料で作られた有機チップは、本質的な柔軟性、生体適合性、低コストという利点があり、ウェアラブル電子デバイスやバイオエレクトロニクスデバイスなどの新興分野で重要な応用の可能性を秘めています。

現代の情報技術の発展に伴い、機能チップの集積密度はますます高くなっています。シリコンベースのチップ集積デバイスの密度は、平方ミリメートルあたり 2 億個のトランジスタを超えています。これに比べ、有機チップは集積度と信頼性の点でシリコンベースのチップに大きく遅れをとっています。

チップ集積化は、小規模集積化 (SSI)、中規模集積化 (MSI)、大規模集積化 (LSI)、超大規模集積化 (VLSI)、および超大規模集積化デバイス (ULSI) に分類できます。量はさらに多くなります。それぞれ 2、26、211、216、221 よりも大きくなります。

以前の公開レポートによると、ポリマー半導体チップの最高集積レベルは大規模集積回路 (LSI) のレベルに達しています。たとえば、2021 年に海外のチームは、親指よりも小さい面積 (0.238 c㎡) に 10,000 個を超える弾性トランジスタを統合できる、最高の伸縮性トランジスタ アレイ密度を開発しました。

有機チップの統合をさらに改善することは可能でしょうか?今、Wei Dacheng のチームは答えを出しました。彼らはフォトリソグラフィ技術を使用して機能性フォトレジストを設計し、フルフレーム サイズのチップ上に 2,700 万個の有機トランジスタを集積し、相互接続を実現し、極めて大規模集積度 (ULSI) レベルを達成しました。 。

「私たちは伝統的な有機チップ加工技術を突破しました。」と魏大成氏は、シリコンベースのチップとは異なり、伝統的な有機チップの製造方法には主にスクリーン印刷、インクジェット印刷、真空蒸着、フォトリソグラフィー加工などが含まれることを学びましたと述べました。シリコンベースのチップのフォトリソグラフィー技術により、有機チップの集積レベルは数千万レベルにまで向上しました。

(a) フォトレジスト組成、(b) フォトレジスト集合構造、(c) 異なる基板上で加工された有機トランジスタ アレイの構造図と光学顕微鏡写真、(e) トランジスタ イメージング チップ間のピクセル密度の比較。 (PQD ナノセル OPT) および既存の市販の CMOS イメージング チップ、および他の方法で製造された有機イメージング チップ。

フォトリソグラフィー技術の鍵はフォトレジストにあります。フォトレジストとも呼ばれるフォトレジストは、露光や現像などのプロセスを経て、必要な微細パターンを加工対象の基板に転写することができる重要な役割を果たします。

従来のフォトレジストは、加工テンプレートとしてのみ使用され、導電性やセンシングなどの機能を持たず、使用後に洗浄する必要がありました。 Wei Dacheng のチームは、光架橋後にナノスケールの相互侵入ネットワーク構造を形成するこの新しい機能性フォトレジストを開発しました。これは、優れた半導体性能、フォトリソグラフィー処理性能、プロセス安定性を備え、サブミクロンの量で確実に製造できるだけではありません。パターン自体が半導体であるため、チップの製造プロセスが簡素化されます。

フォトレジストは、感知受容体を追加することにより、さまざまな感知機能を実現できます。高感度の光電検出を実現するために、研究チームは光起電力効果を持つコアシェル構造のナノ粒子をフォトレジスト材料に充填しました。照射下では、ナノ光起電力粒子が光生成キャリアを生成し、電子がコアに捕捉され、その結果、その場格子制御が行われ、デバイスの光応答性が大幅に向上します。

この結果は、「高性能大規模集積有機フォトトランジスタのための光起電力ナノセル」というタイトルで、7 月 4 日に Nature Nanotechnology に掲載されました。

有機チップ製造における中核的な困難を克服するための 5 年間にわたる学際的研究

魏大成氏のチームは2018年から半導体フォトレジストの研究開発に着手しており、魏大成氏自身も大学院時代から有機半導体材料の研究に従事してきた。 「作品が真にブレークスルーを達成するには、必ず長い期間の蓄積が必要です。チームはさまざまな素材や構造を試しただけでなく、豊富な実践経験を積み上げてきました。」と彼は言いました。

高分子科学部の教授である魏大成氏は、機能性フォトレジストの開発の成功には学際的な科学研究チームが不可欠であると述べた。チームメンバーは、化学合成や材料科学などの専門知識を習得するだけでなく、専門的な壁を乗り越え、電子デバイスの設計や製造などの知識を応用することも学ばなければなりません。

魏大成は学生たちと写真を撮る

「高性能有機半導体材料をどのように設計して合成するか、フォトリソグラフィー技術を通じて電子デバイスを正確に構築する方法、性能を向上させるためにデバイス構造を最適化する方法など、多くの問題を理解する必要があると魏達成氏は考えています。」モデルには、教師と生徒が新しい知識を学び続け、さまざまな問題に一緒に直面して解決することが求められます。

研究開発の過程でチームが直面した大きな困難は、機能性フォトレジストの集合状態の構造設計でした。フォトレジストのさまざまな機能は、相互に影響を与えることがよくあります。たとえば、光架橋機能を実現すると、導電チャネルが破壊され、電気的性能が低下する可能性があります。注意深く設計し、構造と活性の関係を徹底的に研究した結果、研究チームは最終的にフォトレジストが良好な導電性、プロセス安定性、優れた総合性能を備えながら架橋できることを確認しました。

もう 1 つの大きな課題は、デバイスの標準化された製造にあります。 「このリンクには繰り返しの探索が必要であり、私たちは多くの失敗を経験しました。」と魏大成氏は率直に、チームはゼロからスタートし、さまざまな実験を通じて経験を積み、有機チップの設計と製造の主要技術を習得したと語った。ハードウェアの面でも、電子デバイスの開発には特定の装置と実験条件が必要です。

チームが6インチのウェーハ上に準備した有機フォトトランジスタアレイ

電子デバイスの開発と最適化は、複雑かつ繊細なプロセスです。 「デバイスの全体的な性能に直接関係しているため、あらゆる詳細を無視することはできません。その後、特定の機能を実行し、実際のアプリケーションのニーズを満たすことができるように回路レイアウトの設計を継続する必要があります。」と Wei Dacheng 氏は述べています。

多くのテストを経て、チームの有機チップ製造レベルはますます画期的なものになりました。魏大成氏のチームが開発したポリマー半導体チップの集積デバイス密度は、早ければ2021年に1平方センチメートルあたり10万個のトランジスタに達した。現在、彼らが開発したフォトリソグラフィーによって製造された有機トランジスタ相互接続アレイには、4500 × 6000 ピクセルが含まれており、集積密度は 1 平方センチメートルあたり 310 万個のトランジスタであり、フルフレーム サイズのチップ上に 2700 万個のデバイスが集積されており、極めて大規模な集積レベルに達しています。 . (ULSI)、国際トップレベル。

豊富で多様なアプリケーションの可能性、半導体産業の生産ラインとの高い親和性

「有機チップの誕生は、それがシリコンベースのチップに取って代わることを意味するものではなく、特定の分野で独自の利点を発揮できることを意味します。」と魏大成氏は、有機半導体材料の独特の特性が現在のシリコンを補完するものとして利用できることを強調した。一部の分野では、ベースのチップが重要な役割を果たします。

単結晶シリコンと比較して、有機半導体の特性と機能は制御された合成を通じて調整でき、大きな柔軟性を示します。特に一部のハイエンド分野では、シリコンベースのチップが依然として第一の選択肢であることは否定できません。

「実際のアプリケーションシナリオでは、多様なニーズが多様なソリューションを生み出しています。ウェアラブルデバイス、ブレインコンピューターインターフェイス、特別なアプリケーション要件を持つ電子スキンなどの革新的なアプリケーションでは、有機チップが独自の価値を示しています。分子構造を慎重に設計することで、我々はそれに多様な機能特性を与え、シリコンベースの材料にはない​​機能や用途を実現できるようにすることができます」と彼は述べた。

有機半導体の利点は、優れた柔軟性だけでなく、構造制御を通じて生体適合性を実現し、それによって人間の環境によりよく適応できることです。

(a、b) 人間の目とバイオニック網膜の構造図、(c) 5 × 5 トランジスタ アレイでの光電シナプスのパフォーマンスの実証、(d) ニューラル ネットワーク ベースの画像認識アルゴリズムにおけるバイオニック網膜と従来の CMOS 光検出器の比較。性能比較。

たとえば、論文の最後で魏大成のチームが実証したバイオニック電子応用の 1 つであるフレキシブル網膜は、ピクセル密度が人間の網膜の光受容細胞と同等であるだけでなく、同様の記憶効果と画像処理機能も備えています。機能。この技術は、人間の目の順応性を模倣することで、人体の生理学的特性により近いソリューションを備えた視覚補助装置や医療用インプラントを提供することができ、将来のバイオニクス技術の新たな方向性を示しています。

フレキシブルディスプレイの分野では、一般的な有機発光ダイオード（OLED）を例に挙げます。有機低分子材料を使用することで、画面を曲げたり折りたたんだりすることができ、今日人気の折りたたみ式スクリーンが誕生しました。携帯電話。同チームの技術は、薄く、軽く、曲げられる次世代フレキシブルディスプレイ技術や駆動回路の追求にも応用できる。

現在、チームは科学研究結果の変革を実現するために、産業界との協力機会を積極的に模索しています。この技術はフォトリソグラフィー技術を使用しているため、既存のマイクロエレクトロニクス産業との親和性が高い。これは、既存のシリコンベースのプロセスラインで大規模生産が達成できることを意味し、それによって工業化の敷居が大幅に下がります。

「市場の需要に基づいてカスタマイズされた研究開発が、科学研究の成果を商業化する鍵となるでしょう。」魏大成氏は、この技術には産業の高度化を促進し、主要な国家ニーズを満たす上で幅広い展望があり、有機チップはシリコンベースのチップを補完するものであると信じています。マイクロエレクトロニクス技術の多角的な発展をさらに促進することが期待されます。