Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Создание чипов меньшего размера, с более высокой производительностью и более высокой степенью интеграции — неустанная задача научных и технологических работников. Команда профессора Вэй Дачэна из Государственной ключевой лаборатории молекулярной инженерии полимеров факультета полимерных наук Фуданьского университета разработала новый тип полупроводникового фоторезиста с превосходными характеристиками, используя технологию фотолитографии для интеграции 27 миллионов органических транзисторов на полнокадровом экране. Чип и реализация межсоединения, со 100 000 в 2021 году до 27 миллионов сегодня, в последние годы команда продолжает совершать прорывы в интеграции полимерных полупроводниковых чипов, приводя мир к достижению уровня сверхкрупномасштабной интеграции, обеспечивая важную поддержку органическому чипы для дальнейшего продвижения к практическому применению.

Связанные между собой массивы органических транзисторов высокой плотности на гибких подложках

Извлечение уроков из технологии литографии кремниевых чипов для повышения уровня интеграции органических чипов до десятков миллионов

То, что люди каждый день называют «чипами», в основном относится к чипам на основе кремния — полупроводниковым чипам из монокристалла кремния, которые широко используются в компьютерах, средствах связи и других областях. Органические чипы, изготовленные из органических материалов, таких как полимерные полупроводники и сопряженные небольшие молекулы, обладают преимуществами внутренней гибкости, биосовместимости и низкой стоимости, а также имеют важные перспективы применения в новых областях, таких как носимые электронные устройства и биоэлектронные устройства.

С развитием современных информационных технологий плотность интеграции функциональных чипов становится все выше и выше. Плотность интегрированных устройств на основе кремния превысила 200 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр. Для сравнения, органические чипы значительно отстают от кремниевых чипов с точки зрения интеграции и надежности.

Интеграцию микросхем можно разделить на малую интеграцию (SSI), среднюю интеграцию (MSI), крупномасштабную интеграцию (LSI), очень крупномасштабную интеграцию (VLSI) и сверхбольшую интеграцию (ULSI). Монолитные интегрированные устройства. Количество больше. чем 2, 26, 211, 216 и 221 соответственно.

Согласно предыдущим публичным отчетам, высший уровень интеграции полимерных полупроводниковых чипов достиг уровня крупномасштабной интеграции (LSI). Например, в 2021 году иностранная группа создала самую высокую плотность растягиваемой транзисторной матрицы, которая может объединить более 10 000 упругих транзисторов на площади меньше вашего большого пальца (0,238 с㎡).

Возможно ли дальнейшее улучшение интеграции органических чипов? Теперь команда Вэй Дачена дала ответ: они разработали функциональный фоторезист, используя технологию фотолитографии для интеграции 27 миллионов органических транзисторов в полнокадровый чип и реализации межсоединений, достигая чрезвычайно крупномасштабного уровня интеграции (ULSI). .

«Мы прорвали традиционную технологию обработки органических чипов», — сказал Вэй Даченг, в отличие от чипов на основе кремния, методы производства традиционных органических чипов в основном включают трафаретную печать, струйную печать, вакуумное испарение, фотолитографическую обработку и т. д., и они научились этому. Технология фотолитографии для кремниевых чипов повысила уровень интеграции органических чипов до уровня десятков миллионов.

(а) Состав фоторезиста; (б) Структура агрегации фоторезиста; (в) Матрицы органических транзисторов, обработанные на различных подложках; (г) Схема структуры матрицы органических транзисторов и фотографии, полученные с помощью оптического микроскопа. (д) Органическая оптоэлектроника. Сравнение плотности пикселей между чипами визуализации транзисторов; (PQD-nanocell OPT) и существующие коммерческие чипы обработки изображений КМОП, а также чипы обработки органических изображений, изготовленные другими методами.

Ключ к технологии фотолитографии лежит в фоторезисте. Фоторезист, также известный как фоторезист, играет важную роль в производстве чипов. Он может переносить необходимые мелкие узоры с маски на подложку для обработки с помощью таких процессов, как экспонирование и проявление. Это основной процесс фотолитографии.

Традиционный фоторезист используется только в качестве шаблона для обработки и не имеет таких функций, как проводимость и чувствительность. После использования его необходимо очищать. Команда Вэй Дачэна разработала этот новый функциональный фоторезист, который после фотосшивки образует наноразмерную взаимопроникающую сетевую структуру. Он обладает хорошими полупроводниковыми характеристиками, производительностью фотолитографической обработки и стабильностью процесса, а также может обеспечить надежное производство субмикронных размеров. узоры, а сам узор представляет собой полупроводник, что упрощает процесс производства чипов.

Фоторезист может выполнять различные сенсорные функции за счет добавления сенсорных рецепторов. Чтобы добиться высокочувствительного фотоэлектрического обнаружения, команда загрузила наночастицы со структурой ядро-оболочка с фотоэлектрическими эффектами в фоторезист. При освещении нанофотоэлектрические частицы генерируют фотогенерированные носители, а электроны захватываются ядром, что приводит к управлению решеткой на месте, что значительно улучшает фоточувствительность устройства.

Результаты были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology 4 июля под заголовком «Фотоэлектрические наноэлементы для высокопроизводительных крупноинтегрированных органических фототранзисторов».

Пять лет междисциплинарных исследований для преодоления основных трудностей в производстве органических чипов

С 2018 года команда Вэй Дачэна приступила к исследованию и разработке полупроводниковых фоторезистов, а сам он занимается исследованиями органических полупроводниковых материалов еще со времен учебы в аспирантуре. «Если работа действительно приведет к прорыву, она определенно потребует длительного периода накопления». Он сказал, что команда не только пробовала различные материалы и структуры, но и накопила богатый практический опыт.

Как профессор кафедры полимерных наук Вэй Дачэн сказал, что успешная разработка функционального фоторезиста неотделима от междисциплинарной научной исследовательской группы.Члены команды должны не только овладеть профессиональными знаниями, такими как химический синтез и материаловедение, но также преодолеть профессиональные барьеры и научиться применять такие знания, как проектирование и производство электронных устройств.

Вэй Дачэн фотографируется со студентами

«Нам необходимо понять многие вопросы, например, как проектировать и синтезировать высокоэффективные органические полупроводниковые материалы, как точно создавать электронные устройства с помощью технологии фотолитографии и как оптимизировать структуры устройств для повышения производительности». По мнению Вэй Дачэна, это междисциплинарное сотрудничество». Модель требует, чтобы учителя и ученики продолжали изучать новые знания, вместе сталкивались и решали различные проблемы.

В процессе исследований и разработок основной трудностью, с которой столкнулась команда, было структурное проектирование агрегатного состояния функционального фоторезиста. Различные функции фоторезиста часто влияют друг на друга. Например, реализация функции фотосшивки может разрушить проводящий канал и вызвать снижение электрических характеристик. Благодаря тщательному проектированию и углубленному изучению взаимосвязи структура-активность команда в конечном итоге добилась того, что фоторезист может быть сшит, обладая при этом хорошей проводимостью, стабильностью процесса и отличными общими характеристиками.

Еще одна большая проблема заключается в стандартизации производства устройств. «Эта связь требует неоднократного исследования, и мы пережили много неудач», — Вэй Даченг откровенно сказал, что команда начинала с нуля, накапливала опыт посредством различных экспериментов и освоила ключевые технологии проектирования и производства органических чипов. Что касается аппаратного обеспечения, то разработка электронных устройств также требует специального оборудования и экспериментальных условий.

Массив органических фототранзисторов, подготовленный командой на 6-дюймовой пластине

Разработка и оптимизация электронных устройств — сложный и деликатный процесс. «Нельзя игнорировать каждую деталь, поскольку она напрямую связана с общей производительностью устройства. Впоследствии мы должны продолжить разработку схемы схемы, чтобы гарантировать, что она может выполнять определенные функции и соответствовать реальным потребностям приложений».

После многих испытаний уровень производства органических чипов команды стал все более прорывным. Уже в 2021 году интегрированная плотность устройств полимерного полупроводникового чипа, разработанного командой Вэй Дачэна, достигнет 100 000 транзисторов на квадратный сантиметр. Сегодня разработанная ими фотолитографически изготовленная межкомпонентная матрица органических транзисторов содержит 4500 × 6000 пикселей с плотностью интеграции 3,1 миллиона транзисторов на квадратный сантиметр и 27 миллионов устройств, интегрированных в полнокадровый чип, что достигает чрезвычайно масштабного уровня интеграции. (ULSI), на ведущем международном уровне.

Богатые и разнообразные возможности применения, высокая совместимость с производственными линиями полупроводниковой промышленности.

«Появление органических чипов не означает, что они заменят чипы на основе кремния, но они могут обладать уникальными преимуществами в конкретных областях». Вэй Дачэн подчеркнул, что уникальные свойства органических полупроводниковых материалов можно использовать в качестве дополнения к нынешнему кремнию. Чипы на основе чипов в некоторых областях играют ключевую роль.

По сравнению с монокристаллическим кремнием, свойства и функции органических полупроводников можно адаптировать посредством контролируемого синтеза, что демонстрирует значительную гибкость. Нельзя отрицать, что кремниевые чипы по-прежнему доминируют в высокопроизводительных приложениях, таких как обработка сигналов. Особенно в некоторых высокотехнологичных областях кремниевые чипы по-прежнему остаются первым выбором.

«В реальных сценариях применения разнообразные потребности привели к появлению разнообразных решений. Для инновационных приложений, таких как носимые устройства, интерфейсы «мозг-компьютер» и электронные оболочки со специальными требованиями, органические чипы продемонстрировали уникальную ценность. Тщательно разрабатывая молекулярную структуру, мы можем придать ему разнообразные функциональные свойства и позволить ему выполнять функции или области применения, которых нет у материалов на основе кремния», — сказал он.

Преимуществом органических полупроводников является не только их хорошая гибкость, но и способность достигать биосовместимости посредством структурного регулирования, тем самым лучше адаптируясь к среде обитания человека.

(а, б) Структурные схемы человеческого глаза и бионической сетчатки; (в) Демонстрация работы фотоэлектрического синапса на транзисторной матрице 5 × 5 (г) Сравнение бионической сетчатки и традиционных КМОП-фотодетекторов в алгоритмах распознавания изображений на основе нейронных сетей; Сравнение производительности.

Например, гибкая сетчатка, одно из бионических электронных приложений, продемонстрированное командой Вэй Дачэна в конце статьи, не только эквивалентна по плотности пикселей фоторецепторным клеткам сетчатки человека, но также обладает аналогичными эффектами памяти и обработки изображений. функции. Имитируя адаптацию человеческого глаза, эта технология может обеспечить визуальные средства и медицинские имплантаты решениями, более близкими к физиологическим характеристикам человеческого тела, указывая на новое направление бионических технологий в будущем.

В области гибких дисплеев в качестве примера возьмем обычный органический светодиод (OLED). Именно благодаря использованию органических низкомолекулярных материалов экран можно сгибать и складывать, что привело к появлению популярного сегодня складного экрана. мобильные телефоны. Технология команды также применима для разработки технологии гибких дисплеев нового поколения и схем драйверов, которые будут тонкими, легкими и гибкими.

В настоящее время команда активно ищет возможности сотрудничества с отраслью для реализации трансформации результатов научных исследований. Эта технология хорошо совместима с существующей промышленностью микроэлектроники благодаря использованию технологии фотолитографии. Это означает, что крупномасштабное производство может быть достигнуто на существующих технологических линиях на основе кремния, тем самым значительно снизив порог индустриализации.

«Индивидуальные исследования и разработки, основанные на рыночном спросе, станут ключом к коммерциализации результатов научных исследований». Вэй Дачэн считает, что эта технология имеет широкие перспективы в содействии промышленной модернизации и удовлетворении основных национальных потребностей, а органические чипы дополнят чипы на основе кремния и будут Ожидается дальнейшее содействие диверсифицированному развитию технологий микроэлектроники.