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Tornar os chips menores, com melhor desempenho e maior integração é a busca incessante dos trabalhadores científicos e tecnológicos. A equipe do professor Wei Dacheng do Laboratório Estadual de Engenharia Molecular de Polímeros do Departamento de Ciência de Polímeros da Universidade Fudan projetou um novo tipo de fotorresistente semicondutor com excelente desempenho, usando tecnologia de fotolitografia para integrar 27 milhões de transistores orgânicos em tamanho full-frame chip e realizar interconexão, de 100.000 em 2021 para 27 milhões hoje, a equipe continuou a fazer avanços na integração de chips semicondutores de polímero nos últimos anos, levando o mundo a atingir o nível de integração em escala ultralarga, fornecendo suporte importante para orgânicos chips para avançar ainda mais em direção a aplicações práticas.

Matrizes de transistores orgânicos interconectados de alta densidade em substratos flexíveis

Tirando lições da tecnologia de litografia de chips baseada em silício para aumentar o nível de integração de chips orgânicos para dezenas de milhões

O que as pessoas chamam de "chips" todos os dias refere-se principalmente a chips baseados em silício - um chip semicondutor feito de silício de cristal único, amplamente utilizado em computadores, comunicações e outras áreas. Chips orgânicos, feitos de materiais orgânicos, como semicondutores poliméricos e pequenas moléculas conjugadas, têm as vantagens de flexibilidade intrínseca, biocompatibilidade e baixo custo, e têm importantes perspectivas de aplicação em campos emergentes, como dispositivos eletrônicos vestíveis e dispositivos bioeletrônicos.

Com o desenvolvimento da moderna tecnologia da informação, a densidade de integração de chips funcionais está cada vez maior. A densidade dos dispositivos integrados de chips baseados em silício ultrapassou 200 milhões de transistores por milímetro quadrado. Em comparação, os chips orgânicos estão muito atrás dos chips baseados em silício em termos de integração e confiabilidade.

A integração de chips pode ser dividida em integração em pequena escala (SSI), integração em escala média (MSI), integração em grande escala (LSI), integração em escala muito grande (VLSI) e integração em escala ultra grande (ULSI). Dispositivos integrados monolíticos As quantidades são maiores. de 2, 26, 211, 216 e 221, respectivamente.

De acordo com relatórios públicos anteriores, o nível mais alto de integração de chips semicondutores de polímero atingiu o nível de integração em larga escala (LSI). Por exemplo, em 2021, uma equipe estrangeira produziu a maior densidade de matriz de transistores extensíveis, que pode integrar mais de 10.000 transistores elásticos em uma área menor que o polegar (0,238 c㎡).

É possível melhorar ainda mais a integração de chips orgânicos? Agora, a equipe de Wei Dacheng deu a resposta - eles projetaram um fotorresistente funcional, usando tecnologia de fotolitografia para integrar 27 milhões de transistores orgânicos em um chip de tamanho completo e realizar interconexões, alcançando um nível de grau de integração em escala extremamente grande (ULSI). .

"Nós rompemos a tecnologia tradicional de processamento de chips orgânicos." Wei Dacheng disse que, diferentemente dos chips à base de silício, os métodos de fabricação de chips orgânicos tradicionais incluem principalmente serigrafia, impressão a jato de tinta, evaporação a vácuo, processamento de fotolitografia, etc., e eles aprenderam. da tecnologia de fotolitografia para chips à base de silício aumentou o nível de integração de chips orgânicos para o nível de dezenas de milhões.

(a) Composição fotorresistente; (b) Estrutura de agregação fotorresistente; (c) Matrizes de transistores orgânicos processadas em diferentes substratos; (PQD-nanocell OPT) e chips de imagem CMOS comerciais existentes, bem como chips de imagem orgânicos fabricados por outros métodos.

A chave para a tecnologia de fotolitografia está no fotorresiste. O fotorresistente, também conhecido como fotorresistente, desempenha um papel importante na fabricação de chips. Ele pode transferir os padrões finos necessários da máscara para o substrato a ser processado por meio de processos como exposição e revelação.

O fotorresiste tradicional é usado apenas como modelo de processamento e não possui funções como condutividade e detecção. Ele precisa ser limpo após o uso. A equipe de Wei Dacheng desenvolveu este novo fotorresistente funcional, que forma uma estrutura de rede interpenetrante em nanoescala após a reticulação de fotos. Possui bom desempenho de semicondutor, desempenho de processamento de fotolitografia e estabilidade de processo, e pode não apenas atingir quantidades submicrométricas. padrões, e o próprio padrão é um semicondutor, simplificando o processo de fabricação do chip.

O fotorresiste pode atingir diferentes funções de detecção adicionando receptores de detecção. A fim de obter detecção fotoelétrica altamente sensível, a equipe carregou nanopartículas estruturadas com núcleo e casca com efeitos fotovoltaicos no material fotorresistente. Sob iluminação, as partículas nanofotovoltaicas geram portadores fotogerados e os elétrons são capturados pelo núcleo, resultando no controle da rede in-situ, o que melhora muito a fotorresponsividade do dispositivo.

Os resultados foram publicados na Nature Nanotechnology em 4 de julho sob o título "Nanocélulas fotovoltaicas para fototransistores orgânicos integrados em larga escala de alto desempenho".

Cinco anos de pesquisa interdisciplinar para superar as principais dificuldades na fabricação de chips orgânicos

Desde 2018, a equipe de Wei Dacheng embarcou na jornada de pesquisa e desenvolvimento de fotorresistentes semicondutores, e ele próprio está envolvido na pesquisa de materiais semicondutores orgânicos desde seu período de pós-graduação. "Para que um trabalho realmente alcance um avanço, certamente exigirá um longo período de acumulação." Ele disse que a equipe não apenas experimentou diferentes materiais e estruturas, mas também acumulou uma rica experiência prática.

Como professor do Departamento de Ciência de Polímeros, Wei Dacheng disse que o desenvolvimento bem-sucedido do fotorresistente funcional é inseparável de uma equipe de pesquisa científica interdisciplinar.Os membros da equipe devem não apenas dominar conhecimentos profissionais, como síntese química e ciência de materiais, mas também superar barreiras profissionais e aprender a aplicar conhecimentos como projeto e fabricação de dispositivos eletrônicos.

Wei Dacheng tira fotos com alunos

"Precisamos entender muitas questões, como projetar e sintetizar materiais semicondutores orgânicos de alto desempenho, como construir dispositivos eletrônicos com precisão por meio da tecnologia de fotolitografia e como otimizar as estruturas dos dispositivos para melhorar o desempenho. Na visão de Wei Dacheng, esta colaboração interdisciplinar." modelo exige que professores e alunos continuem a aprender novos conhecimentos e a enfrentar e resolver vários problemas juntos.

Durante o processo de pesquisa e desenvolvimento, uma grande dificuldade enfrentada pela equipe foi o projeto estrutural do estado agregado do fotorresiste funcional. Diferentes funções do fotorresistente freqüentemente afetam umas às outras. Por exemplo, a realização da função de foto-reticulação pode destruir o canal condutor e causar uma redução no desempenho elétrico. Através de um projeto cuidadoso e estudo aprofundado da relação estrutura-atividade, a equipe garantiu que o fotorresistente pudesse ser reticulado e ao mesmo tempo tivesse boa condutividade, estabilidade de processo e excelente desempenho geral.

Outro grande desafio reside na fabricação padronizada de dispositivos. "Esta ligação requer exploração repetida e experimentamos muitas falhas." Wei Dacheng disse francamente que a equipe começou do zero, acumulou experiência por meio de vários experimentos e dominou as principais tecnologias de design e fabricação de chips orgânicos. Em termos de hardware, o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos também requer equipamentos e condições experimentais específicas.

O conjunto de fototransistores orgânicos preparado pela equipe em um wafer de 6 polegadas

O desenvolvimento e otimização de dispositivos eletrônicos é um processo complexo e delicado. "Cada detalhe não pode ser ignorado, porque está diretamente relacionado ao desempenho geral do dispositivo. Posteriormente, devemos continuar a projetar o layout do circuito para garantir que ele possa executar funções específicas e atender às necessidades reais da aplicação."

Depois de muitos testes, o nível de fabricação orgânica de chips da equipe tornou-se cada vez mais inovador. Já em 2021, a densidade do dispositivo integrado do chip semicondutor de polímero desenvolvido pela equipe de Wei Dacheng atingiu 100.000 transistores por centímetro quadrado. Hoje, o conjunto de interconexão de transistores orgânicos produzido fotolitograficamente que eles desenvolveram contém 4.500 × 6.000 pixels, com uma densidade de integração de 3,1 milhões de transistores por centímetro quadrado e 27 milhões de dispositivos integrados em um chip full-frame, atingindo um nível de integração extremamente grande. . (ULSI), no nível de liderança internacional.

Perspectivas de aplicação ricas e diversificadas, altamente compatíveis com linhas de produção da indústria de semicondutores

"O nascimento dos chips orgânicos não significa que eles substituirão os chips à base de silício, mas que podem exercer vantagens únicas em campos específicos." Wei Dacheng enfatizou que as propriedades únicas dos materiais semicondutores orgânicos podem ser usadas como um complemento ao silício atual. chips baseados em alguns campos desempenham um papel fundamental.

Em comparação com o silício monocristalino, as propriedades e funções dos semicondutores orgânicos podem ser adaptadas através de síntese controlada, demonstrando flexibilidade significativa. É inegável que os chips baseados em silício ainda dominam aplicações de alto desempenho, como processamento de sinais. Especialmente em alguns campos de ponta, os chips baseados em silício ainda são a primeira escolha hoje.

"Em cenários de aplicação reais, diversas necessidades deram origem a diversas soluções. Para aplicações inovadoras, como dispositivos vestíveis, interfaces cérebro-computador e capas eletrônicas com requisitos de aplicação especiais, os chips orgânicos demonstraram um valor único. Ao projetar cuidadosamente a estrutura molecular, podemos dar-lhe diversas propriedades funcionais e permitir-lhe alcançar funções ou aplicações que os materiais à base de silício não possuem", disse ele.

A vantagem dos semicondutores orgânicos não é apenas a sua boa flexibilidade, mas também a sua capacidade de alcançar a biocompatibilidade através da regulação estrutural, adaptando-se assim melhor ao ambiente humano.

(a, b) Diagramas estruturais do olho humano e da retina biônica; (c) Demonstração do desempenho da sinapse fotoelétrica em um conjunto de transistores 5 × 5 (d) Comparação da retina biônica e dos fotodetectores CMOS tradicionais em algoritmos de reconhecimento de imagem baseados em redes neurais; Comparação de desempenho.

Por exemplo, a retina flexível, uma das aplicações eletrônicas biônicas demonstradas pela equipe de Wei Dacheng no final do artigo, não é apenas equivalente em densidade de pixels às células fotorreceptoras da retina humana, mas também tem efeitos de memória e processamento de imagem semelhantes. funções. Ao imitar a adaptabilidade do olho humano, esta tecnologia pode fornecer recursos visuais e implantes médicos com soluções mais próximas das características fisiológicas do corpo humano, indicando um novo rumo para a tecnologia biônica no futuro.

No campo de telas flexíveis, tomemos como exemplo o diodo orgânico emissor de luz (OLED). É precisamente por causa da aplicação de materiais orgânicos de pequenas moléculas que a tela pode ser dobrada e dobrada, dando origem à popular tela dobrável de hoje. celulares. A tecnologia da equipe também é aplicável à busca por tecnologia de exibição flexível de próxima geração e circuitos de driver que sejam finos, leves e dobráveis.

Atualmente, a equipe está buscando ativamente oportunidades de cooperação com a indústria para realizar a transformação dos resultados da pesquisa científica. Esta tecnologia é altamente compatível com a indústria microeletrônica existente devido ao uso da tecnologia de fotolitografia. Isto significa que a produção em larga escala pode ser alcançada nas linhas de processo existentes à base de silício, reduzindo assim significativamente o limiar para a industrialização.

"A pesquisa e o desenvolvimento personalizados com base na demanda do mercado serão a chave para a comercialização dos resultados da pesquisa científica." Wei Dacheng acredita que esta tecnologia tem amplas perspectivas na promoção da atualização industrial e no atendimento às principais necessidades nacionais, e os chips orgânicos complementarão os chips à base de silício e são. espera-se que promova ainda mais o desenvolvimento diversificado da tecnologia microeletrônica.