十万→千万！复旦有机芯片重大突破！

将芯片做得尺寸更小

性能更强、集成度更高

是科技工作者的不懈追求

复旦大学高分子科学系

聚合物分子工程国家重点实验室

魏大程教授团队设计了一种

性能优异的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 有机晶体管并实现互连

从2021年的10万

到如今的2700万

团队近年来在聚合物半导体芯片

集成度上不断突破，引领国际

达到特大规模集成度水平

为有机芯片进一步走向实际应用

提供了重要支撑

柔性衬底上的高密度互连有机晶体管阵列

借鉴硅基芯片光刻技术

将有机芯片集成度提升至千万级

人们日常所说的“芯片”，指的大多是硅基芯片——一种由单晶硅制成的半导体芯片，在计算机、通讯等领域广泛应用。

而有机芯片，由聚合物半导体、共轭小分子等有机材料制成 ，具有本征柔性、生物相容性、成本低廉等优势，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。

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，相比之下，有机芯片不管在集成度还是可靠性上，都远远落后于硅基芯片。

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。

根据此前公开报道，聚合物半导体芯片最高集成度达到大规模集成度（LSI）水平。比如2021年，国外某团队制作出最高可拉伸晶体管阵列密度，可在比拇指还小的面积（0.238 c㎡）上集成超过1万个弹性晶体管。

有没有可能进一步提升有机芯片集成度？如今，魏大程团队给出了答案——他们设计了一种功能型光刻胶，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，集成度达到特大规模集成度（ULSI）水平。

“我们突破了传统的有机芯片加工工艺。” 魏大程介绍，和硅基芯片不同，传统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，而他们借鉴了硅基芯片的光刻技术，将有机芯片的集成度提升到千万级水平 。

（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-nanocell OPT）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。

光刻技术的关键，在于光刻胶。光刻胶又称为光致抗蚀剂，在芯片制造中扮演着重要角色，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，使用后需要清洗。而魏大程团队研发得到这款新型功能光刻胶，在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，不仅能实现亚微米量级特征尺寸图案的可靠制造，而且图案本身就是一种半导体，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，大幅提升了器件的光响应度。

成果7月4日以《基于光伏纳米单元的高性能大规模集成有机光电晶体管》（“Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors”）为题发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。

历时五年跨学科研究

攻克有机芯片制造核心难点

自2018年起，魏大程团队就踏上了半导体性光刻胶研发的征途，而他本人从研究生阶段开始就一直从事有机半导体材料方向的研究。

“一个工作要真正取得突破的话，肯定是需要长时间的积累。”他说，团队不仅尝试了不同的材料和结构，更积累了丰富的实践经验。

作为高分子科学系教授，魏大程表示，功能型光刻胶的研制成功离不开一支跨学科的科研团队。团队成员不仅要掌握化学合成、材料科学等本专业知识，更要跨越专业壁垒，学习运用电子器件设计和制造等知识。

魏大程与学生合影

“我们要理解如何设计合成高性能有机半导体材料，如何通过光刻技术精确构筑电子器件，以及如何优化器件结构以提升性能等诸多问题。”在魏大程看来，这种跨学科的协作模式，要求老师和学生不断学习新知识，共同面对和解决种种难题 。

研发过程中，团队面临的一大难点在于功能型光刻胶聚集态的结构设计。光刻胶不同功能之间往往会相互影响，比如实现了光交联功能，可能会破坏导电通道，造成电学性能的降低。团队通过精细设计、深入研究构效关系，最终保证光刻胶既能交联同时有很好的导电性、工艺稳定性，综合性能优异 。

另一大挑战则在于器件标准化制造。“这个环节需要反复摸索，我们经历了很多失败。”魏大程坦言，团队从零开始，通过各种试验积累经验，掌握了有机芯片设计和制造的关键技术。而在硬件上，电子器件的研发也需要特定的设备和实验条件。

团队在6英寸晶圆上制备的有机光电晶体管阵列

电子器件的研制、优化是一个复杂而精细的过程。“每个细节都不容忽视，因为这直接关系到器件整体效能。后续，还要继续设计电路布局，确保其能执行特定功能，满足实际应用需求。”魏大程说。

经历重重考验，团队的有机芯片制造水平日益突破。早在2021年，魏大程团队研发的聚合物半导体芯片集成器件密度，已能达到10万个晶体管每平方厘米。

如今，他们研发的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310万个晶体管每平方厘米，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），处于国际领先水平。

应用前景丰富多元

与半导体工业产线高度兼容

“有机芯片的诞生，并非意味着会取代硅基芯片，而是能在特定领域发挥独特优势。” 魏大程强调，利用有机半导体材料的独特性质，能够作为目前硅基芯片的补充，在某些领域发挥关键作用。

与单晶硅相比，有机半导体的性质和功能能够通过可控合成定制，展现出显著的灵活性。不可否认，硅基芯片在信号处理等高性能应用领域依然占据主导，特别是在某些高端领域，硅基芯片如今仍是首选。

“而在实际应用场景中，多样化的需求催生了多样化的解决方案。对于那些特殊应用需求的可穿戴设备、脑机接口、电子皮肤等创新应用来说，有机芯片展现出了独特价值。 通过精心设计分子结构，我们能够赋予其多样化的功能特性，使其实现硅基材料不具备的功能或者应用。”他说。

有机半导体的优势，不仅在于拥有良好的柔韧性，而且能通过结构调控实现生物相容性，从而更好适应人体环境。

（a，b）人眼和仿生视网膜的结构示意图;(c)在5 × 5 晶体管阵列上展示光电突触性能；（d）基于神经网络的图像识别算法中仿生视网膜与传统CMOS光电探测器的性能对比。

例如，魏大程团队在论文末尾所展现的仿生电子应用之一——柔性视网膜不仅在像素密度上与人眼视网膜的感光细胞相当，还具备相似的记忆效应和图像处理功能。通过模仿人眼的自适应性，该技术能为视觉辅助设备、医疗植入物提供更加贴近人体生理特性的解决方案，预示着未来仿生技术的新方向 。

在柔性显示领域，以常见的有机发光二极管（OLED）为例，正是因为有机小分子材料的应用，实现了屏幕的可弯曲与折叠特性，催生了如今流行的折叠屏手机。对于追求轻薄、可弯曲的下一代柔性显示技术及驱动电路，团队的技术同样适用。

目前，团队正积极寻求与业界的合作机会，以实现科研成果转化。该技术由于使用光刻技术，与现有微电子工业具有高度兼容性。这就意味着可以在现有硅基工艺线上实现规模化生产，从而大幅降低产业化门槛 。

“根据市场需求进行定制化研发，将是实现科研成果商业化的关键。”魏大程认为，该技术在促进产业升级、满足国家重大需求方面前景广阔，而有机芯片将与硅基芯片相互补充，有望进一步推进微电子技术的多元发展。

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

组稿｜校融媒体中心

文字｜殷梦昊 丁超逸

图片｜受访者提供

责编｜章佩林

编辑｜何嘉怡

功能型光刻胶助力高集成度有机芯片制造

在“信息爆炸”的当代，信息技术全面融入生活，手机、电脑、智能家居等电子设备的高效运作离不开电子芯片。电子芯片的集成度，作为其性能的核心标志，正随着科技进步不断攀升。从20世纪60年代每颗芯片仅能集成几十个电子元件，到如今极紫外光刻胶等创新材料推动硅基芯片进入3纳米时代，每颗芯片可包含约数十亿个电子元件，密度惊人，不仅强化了运算能力，更深刻重塑了我们的生活方式。

研发有机芯片的机遇与挑战

传统芯片受限于硅基半导体的脆硬性，难以适应现代科技对柔性、折叠及伸缩性的场景需求。相比之下，有机半导体以其柔软性、优越的生物相容性及成本效益，在柔性电子领域如柔性显示器、可穿戴设备、人工假肢、仿生机器人等领域展现出巨大潜力，成为推动柔性电子和生物电子产业革新的关键。然而，无法制造高集成度的有机芯片是一直以来困扰有机芯片产业发展的难题。有机半导体的分子结构在复杂制造过程中极易受损，难以像硅基半导体那样保持稳定，导致传统方法难以实现高密度集成。尽管喷墨打印、丝网印刷等创新工艺被开发出来，但它们所制造的有机芯片集成密度仍停留在每平方厘米数十个单元的低水平，性能可靠性与均一性亦因物理效应限制而在提升集成度时受损，这极大地限制了其商业化应用的前景。因此，研发可靠且高精度的有机芯片加工工艺，以克服集成制造中的瓶颈，成为当前有机芯片产业亟待解决的核心问题。

功能型光刻胶——高集成有机芯片的关键材料

克服有机芯片的高集成度制造难题，我们需借鉴硅基芯片制造行业经验。若能成功将硅基芯片的加工工艺可靠地运用于制造有机芯片，就能突破当前有机芯片的集成度瓶颈，实现与硅基芯片相当的集成度。硅基芯片集成度的快速提高，得益于光刻技术的快速发展。光刻技术的原理类似于照相把照片的图案印在胶片上，而光刻是将电子线路形状的光照射在涂有特殊光敏材料（光刻胶）的基板上，形成特定图案，进而在芯片上制造高度集成的电路。然而，作为光刻技术核心材料的光刻胶，在加工过程中使用的溶剂与高温会严重破坏有机半导体的结构，导致有机芯片无法像硅基芯片一样进行光刻加工。

为此，我们可以转变思路，既然传统的光刻胶只能作为加工模板，缺乏导电、传感等功能，何不通过材料设计赋予光刻胶电学功能，使其能够作为电子材料用于芯片制造呢？这样，将光刻胶本身作为有机半导体材料，从而直接利用光刻工艺制造高集成度有机芯片。这一设想得到了验证，我国有关科研团队历经多年研究，于2021年研发出功能型光刻胶，并开创性提出“全光刻电子学”概念。该光刻胶的配方由光引发剂、交联单体和有机半导体组成，在紫外光照下，交联单体会发生反应生成不能溶解的网络结构，将有机半导体“锁”在其中，形成纳米级互穿网络结构。当浸泡在有机溶剂中，未被光照的区域会溶解于溶剂，从而直接将半导体性的光刻胶图案与芯片上的电路进行连接，作为功能单元使用。研究发现，此功能型光刻胶具有极高的结构稳定性、亚微米级的光刻精度和优异的电学性能，在光刻加工时，不受前述的种种苛刻工艺条件损伤，是当时国际上迁移率最高的p型可光交联有机半导体。这一突破性成果使有机芯片的加工可以像硅基芯片一样，所有芯片组件均通过光刻工艺制造，成为开启有机芯片高集成度时代的一把金钥匙。

改变未来的芯片技术——从基础研究到功能应用

将功能型光刻胶的配方进行拓展，制造出不同功能的有机芯片，是功能型光刻胶走向实用化的重要一步。通过深入研究光刻胶组分的分子结构，团队实现了功能型光刻胶对各种活性粒子的负载，从而使其不仅能作为导电材料使用，还能起到生理信号检测、化学传感、光电探测等作用。由此，功能型光刻胶从一种特殊的光刻胶转变为一系列不同功能的可光刻加工的电子材料，极大地拓宽了其在芯片制造领域的适用范围。

最近，该团队研发出一种具有光电响应能力的功能型光刻胶，并制造出创纪录的高密度、大尺寸、均匀可靠的有机光电传感芯片。该芯片通过在其纳米互穿网络结构中负载光电活性粒子，展现出卓越的光电传感性能。同时，利用该光刻胶制造了包含4500×6000个像素的有机光电传感阵列，集成密度达到310万个像素每平方厘米，即在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个像素单元，达到了特大规模集成度（ULSI）水平，是国际上报道的首个ULSI水平的有机芯片，比过去同类工作集成密度提高了两个数量级以上，与目前最新上市的全画幅CMOS相机芯片相当。不仅如此，它的光电性能在大规模集成有机光电传感芯片中处于最高水平，可以用作仿生视网膜，光响应度、功耗和分辨率均与人眼相当，在构建高分辨率智能视觉系统中有巨大潜力。此外，该团队针对不同应用需求，设计了包括p型与n型半导体性光刻胶、生物传感型及电介质型功能光刻胶等十余种功能型光刻胶，不仅可以制造出各种高性能有机集成芯片，还能在同一有机芯片中集成不同的功能模块，极大地推动了高分辨率有机电子学的发展。

重要意义和未来展望

有机电子学自20世纪80年代兴起以来，不断探索有机材料在电子器件中的应用，如OLED显示器和有机太阳能电池，显著推动了21世纪的产业商业化。随着技术进步与市场需求激增，至2023年，全球有机电子产业市场规模已达2600亿元，并预计2030年将突破7000亿元，广泛渗透至汽车、医疗、能源、航空、国防等领域。然而，电子产品中的有机组件虽在轻量、柔性及低成本市场占据优势，但在高集成度应用上仍存空白。幸运的是，功能型光刻胶的问世为填补这一空白带来了希望。近年来，国内外研究团队均认识到光刻技术在高集成度有机芯片制造中的巨大潜力，美日韩等国都在开展相关研究。在此背景下，虽然国内开发的功能型光刻胶在有机芯片的集成度方面处于国际领先水平，但仍需国家持续的政策与资源支持，以稳固并扩大这一优势。

有机芯片并非意图取代硅基芯片，而是在脑机接口、电子皮肤等特定领域展现其独特优势，其高集成度特性更是推动相关产业迈向成熟的重要力量。当前，正积极寻求与产业界的深度合作，以加速功能型光刻胶高集成度有机芯片的市场化进程。已完成的高密度柔性屏驱动电路验证及多功能有机集成芯片的制备，标志着高集成度有机芯片时代的新起点正在到来。展望未来，该技术不仅将深刻促进产业升级，满足国家重大需求，还因其与现有半导体制造工艺的高度兼容性，有望为微电子技术的多元化发展开辟新篇章。（作者系复旦大学高分子科学系研究员）

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