noticias

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Hacer chips más pequeños, con mayor rendimiento y mayor integración es la búsqueda incansable de los trabajadores científicos y tecnológicos. El equipo del profesor Wei Dacheng del Laboratorio Estatal Clave de Ingeniería Molecular de Polímeros del Departamento de Ciencia de Polímeros de la Universidad de Fudan diseñó un nuevo tipo de fotorresistente semiconductor con excelente rendimiento, utilizando tecnología de fotolitografía para integrar 27 millones de transistores orgánicos en un tamaño de fotograma completo. chip y lograr la interconexión, de 100.000 en 2021 a 27 millones en la actualidad, el equipo ha seguido logrando avances en la integración de chips semiconductores de polímero en los últimos años, llevando al mundo a alcanzar el nivel de integración a ultra gran escala y brindando un importante apoyo para la integración orgánica. chips para avanzar aún más hacia aplicaciones prácticas.

Conjuntos de transistores orgánicos interconectados de alta densidad sobre sustratos flexibles

Extraer lecciones de la tecnología de litografía de chips basada en silicio para aumentar el nivel de integración de chips orgánicos a decenas de millones

Lo que la gente llama todos los días "chips" se refiere principalmente a chips basados ​​en silicio, un chip semiconductor hecho de silicio monocristalino, que se usa ampliamente en computadoras, comunicaciones y otros campos. Los chips orgánicos, fabricados a partir de materiales orgánicos como semiconductores poliméricos y moléculas pequeñas conjugadas, tienen las ventajas de flexibilidad intrínseca, biocompatibilidad y bajo costo, y tienen importantes perspectivas de aplicación en campos emergentes como los dispositivos electrónicos portátiles y los dispositivos bioelectrónicos.

Con el desarrollo de la tecnología de la información moderna, la densidad de integración de chips funcionales es cada vez mayor. La densidad de los dispositivos integrados con chips basados ​​en silicio ha superado los 200 millones de transistores por milímetro cuadrado. En comparación, los chips orgánicos están muy por detrás de los chips basados ​​en silicio en términos de integración y confiabilidad.

La integración de chips se puede dividir en integración a pequeña escala (SSI), integración a mediana escala (MSI), integración a gran escala (LSI), integración a muy gran escala (VLSI) e integración a escala ultragrande (ULSI). que 2, 26, 211, 216 y 221 respectivamente.

Según informes públicos anteriores, el nivel más alto de integración de chips semiconductores de polímero ha alcanzado el nivel de integración a gran escala (LSI). Por ejemplo, en 2021, un equipo extranjero produjo la densidad de matriz de transistores estirables más alta, que puede integrar más de 10.000 transistores elásticos en un área más pequeña que el pulgar (0,238 c㎡).

¿Es posible mejorar aún más la integración de chips orgánicos? Ahora, el equipo de Wei Dacheng ha dado la respuesta: diseñaron un fotorresistente funcional, utilizando tecnología de fotolitografía para integrar 27 millones de transistores orgánicos en un chip de tamaño de fotograma completo y realizar interconexiones, logrando un nivel de grado de integración a escala extremadamente grande (ULSI). .

"Hemos superado la tecnología tradicional de procesamiento de chips orgánicos". Wei Dacheng dijo que, a diferencia de los chips basados ​​​​en silicio, los métodos de fabricación de los chips orgánicos tradicionales incluyen principalmente serigrafía, impresión por inyección de tinta, evaporación al vacío, procesamiento de fotolitografía, etc., y aprendieron. La tecnología de fotolitografía para chips basados ​​en silicio ha aumentado el nivel de integración de chips orgánicos al nivel de decenas de millones.

(a) Composición del fotorresistente; (b) Estructura de agregación del fotorresistente; (c) Conjuntos de transistores orgánicos procesados ​​en diferentes sustratos; (d) Fotografías esquemáticas y de microscopio óptico de la estructura del conjunto de transistores orgánicos. (e) Comparación de la densidad de píxeles entre chips de imágenes de transistores; (PQD-nanocell OPT) y chips de imágenes CMOS comerciales existentes, así como chips de imágenes orgánicas fabricados mediante otros métodos.

La clave de la tecnología de fotolitografía reside en la fotorresistencia. El fotorresistente, también conocido como fotorresistente, desempeña un papel importante en la fabricación de chips. Puede transferir los patrones finos necesarios desde la máscara al sustrato para procesarlos mediante procesos como la exposición y el revelado.

El fotoprotector tradicional solo se utiliza como plantilla de procesamiento y no tiene funciones como conductividad y detección. Es necesario limpiarlo después de su uso. El equipo de Wei Dacheng desarrolló este nuevo fotorresistente funcional, que forma una estructura de red interpenetrante a nanoescala después de la fotoreticulación. Tiene buen rendimiento de semiconductor, rendimiento de procesamiento de fotolitografía y estabilidad del proceso, y no solo puede lograr cantidades submicrónicas. patrones, y el patrón en sí es un semiconductor, lo que simplifica el proceso de fabricación del chip.

El fotorresistente puede lograr diferentes funciones de detección agregando receptores de detección. Para lograr una detección fotoeléctrica de alta sensibilidad, el equipo cargó nanopartículas estructuradas de núcleo y cubierta con efectos fotovoltaicos en el material fotorresistente. Bajo iluminación, las partículas nanofotovoltaicas generan portadores fotogenerados y el núcleo captura los electrones, lo que da como resultado un control de rejilla in situ, lo que mejora en gran medida la fotorespuesta del dispositivo.

Los resultados se publicaron en Nature Nanotechnology el 4 de julio con el título "Nanocélulas fotovoltaicas para fototransistores orgánicos integrados a gran escala de alto rendimiento".

Cinco años de investigación interdisciplinaria para superar las principales dificultades en la fabricación de chips orgánicos

Desde 2018, el equipo de Wei Dacheng se ha embarcado en el viaje de investigación y desarrollo de fotoprotectores semiconductores, y él mismo ha estado involucrado en la investigación de materiales semiconductores orgánicos desde su período de posgrado. "Para que un trabajo realmente logre un gran avance, definitivamente requerirá un largo período de acumulación". Dijo que el equipo no sólo probó diferentes materiales y estructuras, sino que también acumuló una rica experiencia práctica.

Como profesor del Departamento de Ciencia de Polímeros, Wei Dacheng dijo que el desarrollo exitoso de un fotorresistente funcional es inseparable de un equipo de investigación científica interdisciplinario.Los miembros del equipo no solo deben dominar conocimientos profesionales como la síntesis química y la ciencia de materiales, sino también superar barreras profesionales y aprender a aplicar conocimientos como el diseño y la fabricación de dispositivos electrónicos.

Wei Dacheng se toma fotos con estudiantes

"Necesitamos comprender muchas cuestiones, como cómo diseñar y sintetizar materiales semiconductores orgánicos de alto rendimiento, cómo construir con precisión dispositivos electrónicos mediante tecnología de fotolitografía y cómo optimizar las estructuras de los dispositivos para mejorar el rendimiento, en opinión de Wei Dacheng, esta colaboración interdisciplinaria". El modelo requiere que los profesores y los estudiantes continúen aprendiendo nuevos conocimientos y enfrenten y resuelvan diversos problemas juntos.

Durante el proceso de investigación y desarrollo, una de las principales dificultades a las que se enfrentó el equipo fue el diseño estructural del estado agregado del fotoprotector funcional. Las diferentes funciones del fotorresistente a menudo se afectan entre sí. Por ejemplo, la realización de la función de fotoentrecruzamiento puede destruir el canal conductor y provocar una reducción en el rendimiento eléctrico. Mediante un diseño cuidadoso y un estudio en profundidad de la relación estructura-actividad, el equipo finalmente aseguró que el fotorresistente pueda reticularse y al mismo tiempo tenga buena conductividad, estabilidad del proceso y excelente rendimiento general.

Otro gran desafío reside en la fabricación estandarizada de dispositivos. "Este vínculo requiere una exploración repetida y hemos experimentado muchos fracasos". Wei Dacheng dijo con franqueza que el equipo comenzó desde cero, acumuló experiencia a través de varios experimentos y dominó las tecnologías clave del diseño y fabricación de chips orgánicos. En términos de hardware, el desarrollo de dispositivos electrónicos también requiere equipos y condiciones experimentales específicas.

La matriz de fototransistores orgánicos preparada por el equipo en una oblea de 6 pulgadas

El desarrollo y optimización de dispositivos electrónicos es un proceso complejo y delicado. "No se puede ignorar cada detalle, porque está directamente relacionado con el rendimiento general del dispositivo. Posteriormente, debemos continuar diseñando el diseño del circuito para garantizar que pueda realizar funciones específicas y satisfacer las necesidades reales de la aplicación", dijo Wei Dacheng.

Después de muchas pruebas, el nivel de fabricación de chips orgánicos del equipo se ha vuelto cada vez más revolucionario. Ya en 2021, la densidad del dispositivo integrado del chip semiconductor de polímero desarrollado por el equipo de Wei Dacheng alcanzó los 100.000 transistores por centímetro cuadrado. Hoy en día, la matriz de interconexión de transistores orgánicos producida fotolitográficamente que desarrollaron contiene 4500 × 6000 píxeles, con una densidad de integración de 3,1 millones de transistores por centímetro cuadrado y 27 millones de dispositivos integrados en un chip de tamaño de fotograma completo, alcanzando un nivel de integración a escala extremadamente grande. . (ULSI), a nivel líder internacional.

Perspectivas de aplicaciones ricas y diversas, altamente compatibles con las líneas de producción de la industria de semiconductores.

"El nacimiento de chips orgánicos no significa que reemplazarán a los chips basados ​​en silicio, sino que pueden ejercer ventajas únicas en campos específicos". Wei Dacheng enfatizó que las propiedades únicas de los materiales semiconductores orgánicos pueden usarse como complemento del silicio actual. Los chips basados ​​​​en algunos campos juegan un papel clave.

En comparación con el silicio monocristalino, las propiedades y funciones de los semiconductores orgánicos se pueden adaptar mediante síntesis controlada, lo que demuestra una flexibilidad significativa. Es innegable que los chips basados ​​en silicio siguen dominando aplicaciones de alto rendimiento como el procesamiento de señales, especialmente en algunos campos de alta gama, los chips basados ​​en silicio siguen siendo la primera opción en la actualidad.

"En escenarios de aplicación reales, diversas necesidades han dado lugar a diversas soluciones. Para aplicaciones innovadoras como dispositivos portátiles, interfaces cerebro-computadora y máscaras electrónicas con requisitos de aplicación especiales, los chips orgánicos han demostrado un valor único. Al diseñar cuidadosamente la estructura molecular, podemos darle diversas propiedades funcionales y permitirle lograr funciones o aplicaciones que los materiales basados ​​en silicio no tienen", afirmó.

La ventaja de los semiconductores orgánicos no es sólo su buena flexibilidad, sino también su capacidad para lograr biocompatibilidad mediante regulación estructural, adaptándose así mejor al entorno humano.

(a, b) Diagramas estructurales del ojo humano y la retina biónica; (c) Demostración del rendimiento de la sinapsis fotoeléctrica en una matriz de transistores de 5 × 5 (d) Comparación de la retina biónica y los fotodetectores CMOS tradicionales en algoritmos de reconocimiento de imágenes basados ​​en redes neuronales; Comparación de rendimiento.

Por ejemplo, la retina flexible, una de las aplicaciones electrónicas biónicas demostradas por el equipo de Wei Dacheng al final del artículo, no sólo es equivalente en densidad de píxeles a las células fotorreceptoras de la retina humana, sino que también tiene efectos de memoria y procesamiento de imágenes similares. funciones. Al imitar la adaptabilidad del ojo humano, esta tecnología puede proporcionar ayudas visuales e implantes médicos con soluciones más cercanas a las características fisiológicas del cuerpo humano, lo que indica una nueva dirección para la tecnología biónica en el futuro.

En el campo de las pantallas flexibles, tomemos como ejemplo el diodo orgánico emisor de luz (OLED). Es precisamente gracias a la aplicación de materiales orgánicos de moléculas pequeñas que la pantalla se puede doblar y plegar, dando lugar a la popular pantalla plegable de hoy. teléfonos móviles. La tecnología del equipo también es aplicable a la búsqueda de tecnología de pantalla flexible de próxima generación y circuitos de controlador que sean delgados, livianos y flexibles.

Actualmente, el equipo busca activamente oportunidades de cooperación con la industria para lograr la transformación de los resultados de la investigación científica. Esta tecnología es altamente compatible con la industria microelectrónica existente debido al uso de tecnología de fotolitografía. Esto significa que se puede lograr una producción a gran escala en las líneas de proceso existentes basadas en silicio, reduciendo así significativamente el umbral de industrialización.

"La investigación y el desarrollo personalizados basados ​​en la demanda del mercado serán la clave para comercializar los resultados de la investigación científica". Wei Dacheng cree que esta tecnología tiene amplias perspectivas para promover la modernización industrial y satisfacer las principales necesidades nacionales, y los chips orgánicos complementarán los chips basados ​​en silicio y son Se espera que promueva aún más el desarrollo diversificado de la tecnología microelectrónica.