소식

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더 강력한 성능과 더 높은 통합성을 갖춘 칩을 더 작은 크기로 만드는 것은 과학 기술 종사자들의 끊임없는 추구입니다. 푸단 대학교 고분자 과학과 고분자 분자 공학 국가 핵심 연구소의 Wei Dacheng 교수 팀은 포토리소그래피 기술을 사용하여 풀 프레임 크기에 2,700만 개의 유기 트랜지스터를 통합하여 뛰어난 성능을 갖춘 새로운 유형의 반도체 포토레지스트를 설계했습니다. 칩 및 상호 연결 실현, 2021년 100,000개에서 현재 2,700만 개에 이르기까지 팀은 최근 몇 년 동안 폴리머 반도체 칩 통합에서 계속해서 획기적인 발전을 이루었으며 세계를 초대형 통합 수준에 도달하도록 이끌고 유기에 중요한 지원을 제공합니다. 실용적인 응용 분야로 더 나아가기 위한 칩입니다.

유연한 기판 위에 상호 연결된 고밀도 유기 트랜지스터 어레이

실리콘 기반 칩 리소그래피 기술을 통해 유기 칩의 집적도를 수천만 개로 향상

사람들이 매일 "칩"이라고 부르는 것은 대부분 컴퓨터, 통신 및 기타 분야에서 널리 사용되는 단결정 실리콘으로 만든 반도체 칩인 실리콘 기반 칩을 의미합니다. 고분자 반도체 및 공액 소분자와 같은 유기 재료로 만들어진 유기 칩은 본질적인 유연성, 생체 적합성 및 저렴한 비용이라는 장점을 가지며 웨어러블 전자 장치 및 생체 전자 장치와 같은 신흥 분야에서 중요한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

현대 정보 기술의 발전으로 기능성 칩의 집적 밀도가 점점 더 높아지고 있습니다. 실리콘 기반 칩 통합 장치의 밀도는 평방 밀리미터당 2억 개의 트랜지스터를 초과했습니다. 이에 비해 유기 칩은 통합 및 신뢰성 측면에서 실리콘 기반 칩보다 훨씬 뒤떨어져 있습니다.

칩 통합은 소규모 통합(SSI), 중간 규모 통합(MSI), 대규모 통합(LSI), 초대형 통합(VLSI) 및 초대형 통합(ULSI)으로 나눌 수 있습니다. 각각 2, 26, 211, 216 및 221보다.

이전 공개 보고서에 따르면 고분자 반도체 칩의 최고 집적 수준은 대규모 집적(LSI) 수준에 도달했습니다. 예를 들어 2021년 외국 팀은 엄지 손가락보다 작은 면적(0.238c㎡)에 10,000개 이상의 탄성 트랜지스터를 집적할 수 있는 가장 높은 신축성 트랜지스터 배열 밀도를 생산했습니다.

유기 칩 통합을 더욱 향상시킬 수 있습니까? 이제 Wei Dacheng 팀은 풀 프레임 크기 칩에 2,700만 개의 유기 트랜지스터를 통합하고 상호 연결을 실현하여 극도로 대규모 통합 수준(ULSI) 수준을 달성하기 위해 포토리소그래피 기술을 사용하여 기능성 포토레지스트를 설계했습니다. .

"우리는 전통적인 유기 칩 처리 기술을 돌파했습니다." Wei Dacheng은 실리콘 기반 칩과 달리 전통적인 유기 칩의 제조 방법에는 주로 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 진공 증발, 포토리소그래피 처리 등이 포함된다고 말했습니다. 실리콘 기반 칩의 포토리소그래피 기술을 통해 유기 칩의 집적도가 수천만 수준으로 높아졌습니다.

(a) 포토레지스트 구성, (b) 포토레지스트 집합 구조, (c) 서로 다른 기판에서 처리된 유기 트랜지스터 배열, (d) 유기 트랜지스터 배열 구조 및 광학 현미경 사진, (e) 유기 광전자공학 트랜지스터 이미징 칩 간의 비교 (PQD-nanocell OPT) 및 기존 상용 CMOS 이미징 칩뿐만 아니라 다른 방법으로 제조된 유기 이미징 칩도 포함됩니다.

포토리소그래피 기술의 핵심은 포토레지스트에 있다. 포토레지스트라고도 불리는 포토레지스트는 칩 제조에 중요한 역할을 하며, 노광, 현상 등의 공정을 통해 마스크에서 가공할 기판으로 필요한 미세 패턴을 전사할 수 있는 기초 소재입니다.

기존의 포토레지스트는 프로세싱 템플릿으로만 사용되며 전도성, 센싱 등의 기능은 없습니다. 사용 후 세척이 필요합니다. Wei Dacheng 팀은 광 가교 후 나노 규모의 상호 침투 네트워크 구조를 형성하는 이 새로운 기능성 포토레지스트를 개발했습니다. 이 포토레지스트는 우수한 반도체 성능, 포토리소그래피 공정 성능 및 공정 안정성을 가지며 서브 마이크론 크기의 안정적인 제조를 달성할 수 있습니다. 패턴이며, 패턴 자체가 반도체이기 때문에 칩 제조 공정이 단순화된다.

포토레지스트는 감지 수용체를 추가하여 다양한 감지 기능을 달성할 수 있습니다. 매우 민감한 광전 검출을 달성하기 위해 팀은 광전 효과를 갖는 코어-쉘 구조의 나노입자를 포토레지스트 재료에 탑재했습니다. 조명 하에서 나노광전지 입자는 광생성 캐리어를 생성하고 전자는 코어에 의해 포획되어 현장 격자 제어가 가능해 장치의 광응답성을 크게 향상시킵니다.

이번 연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 '고성능 대규모 집적 유기 광트랜지스터를 위한 광전지 나노셀'이라는 제목으로 7월 4일자 게재됐다.

유기칩 제조의 핵심 난제 극복을 위한 5년간의 학제간 연구

2018년부터 Wei Dacheng 팀은 반도체 포토레지스트의 연구 개발 여정에 착수했으며, 그 자신도 대학원 시절부터 유기 반도체 재료에 대한 연구에 참여해 왔습니다. "작품이 진정으로 획기적인 성과를 거두려면 오랜 기간의 축적이 반드시 필요합니다." 그는 팀이 다양한 재료와 구조를 시도했을 뿐만 아니라 풍부한 실무 경험도 축적했다고 말했습니다.

고분자과학과 교수인 Wei Dacheng은 기능성 포토레지스트의 성공적인 개발은 학제간 과학 연구팀과 불가분의 관계에 있다고 말했습니다.팀원들은 화학합성, 재료과학 등의 전문 지식을 습득할 뿐만 아니라 전문적 장벽을 극복하고 전자 장치 설계, 제조 등의 지식을 적용하는 방법도 배워야 합니다.

웨이다청(Wei Dacheng)이 학생들과 사진을 찍는다

"우리는 고성능 유기 반도체 재료를 설계하고 합성하는 방법, 포토리소그래피 기술을 통해 전자 장치를 정확하게 구성하는 방법, 성능 향상을 위해 장치 구조를 최적화하는 방법 등 많은 문제를 이해해야 합니다." 모델에서는 교사와 학생이 계속해서 새로운 지식을 배우고 다양한 문제에 직면하고 함께 해결해야 합니다.

연구개발 과정에서 팀이 직면한 가장 큰 어려움은 기능성 포토레지스트의 응집 상태에 대한 구조 설계였습니다. 포토레지스트의 서로 다른 기능은 서로 영향을 미치는 경우가 많습니다. 예를 들어 광가교 기능을 구현하면 전도성 채널이 파괴되어 전기적 성능이 저하될 수 있습니다. 구조-활성 관계에 대한 신중한 설계와 심층적인 연구를 통해 팀은 궁극적으로 포토레지스트가 가교될 수 있으면서도 우수한 전도성, 공정 안정성 및 우수한 전체 성능을 가질 수 있음을 확인했습니다.

또 다른 큰 과제는 장치의 표준화된 제조에 있습니다. "이 링크에는 반복적인 탐색이 필요하며 우리는 많은 실패를 경험했습니다." Wei Dacheng은 팀이 처음부터 시작하여 다양한 실험을 통해 경험을 축적하고 유기 칩 설계 및 제조의 핵심 기술을 마스터했다고 솔직하게 말했습니다. 하드웨어 측면에서도 전자소자의 개발에는 특정 장비와 실험 조건이 필요합니다.

연구팀이 6인치 웨이퍼 위에 준비한 유기 포토트랜지스터 어레이

전자 장치의 개발과 최적화는 복잡하고 섬세한 과정입니다. "모든 세부 사항은 장치의 전체 성능과 직접적인 관련이 있기 때문에 무시할 수 없습니다. 이후 우리는 특정 기능을 수행하고 실제 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있도록 회로 레이아웃을 계속 설계해야 합니다."

많은 테스트를 거친 후 팀의 유기 칩 제조 수준은 점점 더 획기적인 수준으로 향상되었습니다. 이미 2021년 초 Wei Dacheng 팀이 개발한 고분자 반도체 칩의 집적 장치 밀도는 평방 센티미터당 100,000개의 트랜지스터에 도달했습니다. 오늘날, 그들이 개발한 포토리소그래피 방식으로 생산된 유기 트랜지스터 인터커넥트 어레이는 4500 × 6000 픽셀, 평방 센티미터당 310만 트랜지스터의 통합 밀도, 풀 프레임 크기 칩에 통합된 2,700만 개의 장치를 포함하여 극도로 대규모 통합 수준에 도달합니다. .(ULSI), 선도적인 국제 수준.

풍부하고 다양한 응용 가능성, 반도체 산업 생산 라인과의 높은 호환성

"유기 칩의 탄생은 실리콘 기반 칩을 대체한다는 의미가 아니라 특정 분야에서 고유한 장점을 발휘할 수 있다는 의미입니다." 일부 분야에서는 기반 칩이 중요한 역할을 합니다.

단결정 실리콘에 비해 유기 반도체의 특성과 기능은 제어된 합성을 통해 맞춤화될 수 있어 상당한 유연성을 보여줍니다. 실리콘 기반 칩이 신호 처리와 같은 고성능 애플리케이션을 여전히 지배하고 있다는 것은 부인할 수 없는 사실입니다. 특히 일부 고급 분야에서는 오늘날에도 실리콘 기반 칩이 여전히 첫 번째 선택입니다.

"실제 응용 시나리오에서는 다양한 요구 사항으로 인해 다양한 솔루션이 탄생했습니다. 웨어러블 장치, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 특수 응용 요구 사항이 있는 전자 피부와 같은 혁신적인 응용 분야에서 유기 칩은 독특한 가치를 보여주었습니다. 분자 구조를 세심하게 설계함으로써, 우리는 실리콘 기반 소재가 갖고 있지 않은 기능이나 응용을 달성할 수 있도록 다양한 기능적 특성을 부여할 수 있다”고 말했다.

유기 반도체의 장점은 유연성이 좋을 뿐만 아니라 구조적 조절을 통해 생체 적합성을 달성하여 인간 환경에 더 잘 적응할 수 있다는 것입니다.

(a, b) 인간의 눈과 생체 망막의 구조 다이어그램, (c) 5 × 5 트랜지스터 어레이에서 광전 시냅스 성능 시연, (d) 신경망 기반 이미지 인식 알고리즘에서 생체 망막과 기존 CMOS 광검출기의 비교 성능 비교.

예를 들어, 논문 마지막 부분에서 Wei Dacheng 팀이 시연한 생체 전자 응용 프로그램 중 하나인 유연한 망막은 픽셀 밀도가 인간 망막의 광수용체 세포와 동일할 뿐만 아니라 유사한 기억 효과 및 이미지 처리 기능을 가지고 있습니다. 기능. 이 기술은 인간 눈의 적응성을 모방함으로써 인체의 생리적 특성에 더욱 가까운 솔루션을 시각 보조 장치 및 의료용 임플란트에 제공할 수 있어 미래 생체 공학 기술의 새로운 방향을 제시합니다.

플렉서블 디스플레이 분야에서 흔히 볼 수 있는 유기발광다이오드(OLED)를 예로 들면, 화면을 구부리고 접을 수 있는 것은 바로 유기저분자 소재를 적용했기 때문이다. 휴대 전화. 연구팀의 기술은 얇고 가벼우며 구부릴 수 있는 차세대 플렉서블 디스플레이 기술과 구동회로 개발에도 적용 가능하다.

현재 팀은 과학적 연구 결과의 변화를 실현하기 위해 업계와 협력 기회를 적극적으로 모색하고 있습니다. 이 기술은 포토리소그래피 기술을 사용하기 때문에 기존 마이크로 전자 산업과의 호환성이 높습니다. 이는 기존 실리콘 기반 공정 라인에서 대규모 생산이 가능해 산업화 문턱이 크게 낮아진다는 뜻이다.

"시장 수요에 기반한 맞춤형 연구 개발은 과학 연구 결과를 상업화하는 열쇠가 될 것입니다." Wei Dacheng은 이 기술이 산업 업그레이드를 촉진하고 주요 국가 요구를 충족시키는 데 광범위한 전망을 갖고 있으며 유기 칩이 실리콘 기반 칩을 보완하고 마이크로일렉트로닉스 기술의 다각적인 발전이 더욱 촉진될 것으로 기대됩니다.