本征半导体 重磅！复旦大学成功研发半导体性光刻胶

重磅！复旦大学成功研发半导体性光刻胶

随着现代信息科技的发展，功能芯片的集成密度越来越高，硅基芯片集成器件的密度已经超过2亿个晶体管每平方毫米。与硅基芯片相比，基于有机半导体材料的有机芯片具有本征柔性和良好生物相容性的优势，在可穿戴电子设备、生物电子器件等新兴领域具有重要应用前景，然而有机芯片的集成度却远远落后于硅基芯片。

日前，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室魏大程团队设计了一种新型半导体性光刻胶，利用光刻技术在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个有机晶体管并实现了互连，在聚合物半导体芯片的集成度上实现新突破，集成度达到特大规模集成度（ultra-large-scaleintegration，ULSI）水平（图1）。

2024年7月4日，该成果以《基于光伏纳米单元的高性能大规模集成有机光电晶体管》（“Photovoltaicnanocellsforhigh-performancelarge-scale-integratedorganicphototransistors”）为题发表于《自然·纳米技术》（NatureNanotechnology）。

图1.（a）光刻胶组成;(b)光刻胶聚集态结构；(c)在不同衬底上加工的有机晶体管阵列；（d）有机晶体管阵列结构示意图及光学显微镜照片；（e）有机光电晶体管成像芯片（PQD-nanocellOPT）与现有商用CMOS成像芯片以及其他方法制造有机成像芯片的像素密度对比。

据团队介绍，芯片集成度可以分为小规模集成度(SSI)、中规模集成度(MSI)、大规模集成度(LSI)、超大规模集成度(VLSI)和特大规模集成度(ULSI)，单片集成器件数量分别大于2、26、211、216、221。

此前，有机芯片的制造方法主要包括丝网印刷、喷墨打印、真空蒸镀、光刻加工等，集成度通常只能达到大规模集成度(LSI)水平。由范德华力堆叠形成的有机半导体导电通道在复杂制造流程中会受到各种溶剂和热处理过程的侵蚀，导致芯片性能大幅度降低，特别是对于特征尺寸降低到微米及以下时，性能降低尤为显著。由于小型化和性能的折中，高集成有机芯片的发展受到限制。

光刻胶又称为光致抗蚀剂，在芯片制造中扮演着关键角色，经过曝光、显影等过程能够将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工基片上，是一种光刻工艺的基础材料。传统光刻胶仅作为加工模板，本身不具备导电、传感等功能。魏大程团队长期致力于新型晶体管材料、器件及传感应用研究。在研究中，他们设计了一种由光引发剂、交联单体、导电高分子组成的新型功能光刻胶。光交联后形成了纳米尺度的互穿网络结构，兼具良好的半导体性能、光刻加工性能和工艺稳定性。该光刻胶不仅能实现亚微米量级特征尺寸图案的可靠制造，而且该图案本身就是一种半导体，从而简化了芯片制造工艺。

该光刻胶可通过添加感应受体实现不同的传感功能。为了实现高灵敏光电探测功能，团队在光刻胶材料中负载了具有光伏效应的核壳结构纳米粒子。光照下，纳米光伏粒子产生光生载流子，电子被内核捕获，产生原位光栅调控，大幅提升了器件的响应度。光刻制造的有机晶体管互连阵列包含4500×6000个像素，集成密度达到3.1×106单元每平方厘米，即在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个器件,达到特大规模集成度(ULSI)，其光响应度达到6.8×106安培每瓦特，高密度阵列可以转移到柔性衬底上，实现了仿生视网膜应用。

目前，团队还研发出具有化学传感功能、生物电传感功能的光刻胶。该研究提出了一种功能型光刻胶的结构设计策略，将有望促进高集成有机芯片领域的发展。经过多年的技术累积，团队制备的有机芯片在集成度方面已达到国际领先水平，该技术与商业微电子制造流程高度兼容，具有很好的应用前景。

“我们正在积极寻求产业界合作，希望能够推动科研成果的应用转化。未来，这种材料一方面能够用于制造高集成度柔性芯片，另一方面由于其光刻兼容性，还有可能实现有机芯片与硅基芯片的功能集成，进一步拓展硅基芯片的应用。”团队负责人魏大程说。

复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室为论文第一单位；复旦大学高分子科学系博士研究生张申为第一作者；复旦大学魏大程研究员为通讯作者。此外，复旦大学微电子学院杨迎国研究员、复旦大学材料科学系刘云圻院士等参与了该研究。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委和复旦大学的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01707-0

本征半导体

我们从今天开始系统地讲一下开关电源的一些基础知识，来帮助想要进入电子行业或者说对电子行业有兴趣的小伙伴们，刚开始讲的知识比较基础浅显，不太适合有基础的小伙伴，所以有一些基础的小伙伴如果不感兴趣的话可以先行跳过这些，等后续循序渐进后再融入学习讨论。

今天，我们来分析一下导体；我们日常生活中，没有接触过电子的人，可能只知道我们的所有物体分为导体和绝缘体，所谓导体顾名思义就是能够导电的物体；相对的绝缘体就是无法进行导电的物体；而接触过电子或者学习过物理的同学都知识，介于导体和绝缘体之间还有一种物质，这种物质导电性能介于导体和绝缘体之间，我们称之为半导体。

我们知道金属元素、低价元素，比如我们日常中常见的铁、铝、铜等金属元素，它们之所以被称为导体，那是他们都有一个共同的特征，就是都是低价元素，而且他们最外层的电子在外电场的作用下很容易产生定向移动，形成电流。

那绝缘体就和导通恰恰相反，他们一般是惰性气体、橡胶等等材料 ，他们原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只能在外电场强到一定的程度下才可能导电；所以绝缘体并不是说不能导电，只是外界施加的电压没达到它们的导通条件，当外界施加的电压达到足以让它们原子最外层电子进行移动，那么它们就会导电。比如我们日常使用的橡胶做的把手，一般耐压都在5000V，当外界电压超过5000V以后，这个橡胶把手也就变成了导体。

而所谓的半导体，就是它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间，一般是四价元素，我们电源中晶体器件经常使用的两种半导体加工器件材料为：硅（Si）和锗（Ge）。

我们电源中使用的半导体器件准确地说材料应该叫本征半导体；所谓的本征半导体它是纯净的晶体结构的半导体；我们说的纯净就是说材料里面不含有杂质；而晶体结构就是所它构成了稳定的结构，本征半导体内部结构平面图如下所示：

本征半导体内部结构

在常温下，本征半导体呈现为稳定的晶体结构，当对本征半导体进行加热后，由于热运动，价电子积攒了足够的能量后，挣脱共价键的束缚而成为自由电子，其带负电；而它所挣脱的位置就会形成一个空位，这个空位，我们称为空穴，其带正电。

从上面我们可以看出在一定的温度下，自由电子和空穴动态平衡，当温度升高，热运功加剧，价电子挣脱共价键的电子会增多，自由电子和空穴的浓度都会增大；而且自由电子和空穴是成对出现的。

由于我们自然界中的半导体是不好控制的，所以我们以上这些操作都是为了一个目的，就是制作出我们可控的器件，所以我们才将半导体进行加热，制作出本征半导体，然后再将本征半导体进行加工，制作出我们可控的电子器件，比如二极管、三极管等等。

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