复旦大学Nat. Nanotechnol.：台式无掩膜直写光刻系统助力有机芯片重大突破！

发布日期：2024-08-12

文章名称：Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors

期刊名称：Nature Nanotechnology IF：38.3

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01707-0

【引言】

光伏纳米单元可以提升光伏转换效率，是有机光电材料相关研究中十分重要的一个研究领域。随着信息技术的发展，有机成像芯片需要被集成到越来越大，越来越复杂的集成电路中。虽然打印、丝网印刷和掩模蒸发等技术的发展，解决了有机成像芯片在电路集成中的一些困难。但是，有机成像芯片在往大规模电路中集成时还需面临光伏性能与小型化之间取舍这一难题。在小规模集成时，光伏成像芯片的表现尚可，当进行中等规模集成时芯片的性能就会有3到5个数量级的降低。

为了解决上述难题，复旦大学相关课题组提出了基于光伏纳米单元增强方案，利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3将基于钙钛矿量子点的核壳结构光伏纳米单元嵌入光交联有机半导体中，突破了光伏能与器件微型化之间取舍这一难题，成功实现了高性能有机光晶体管的大规模集成。相关研究成果以《Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors》为题，发表于SCI期刊《Nature Nanotechnology》上。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【图文导读】

图1. 光伏纳米单元结构示意图。a)所设计的光电纳米单元（上）和传统光伏单元（下）的比较。b)透射电镜揭示从钙钛矿量子点（PQD）与有机半导体（OSC）逐步结合成PQD纳米单元的过程。c)基于PQD纳米单元和传统的平面光伏单元的工作原理对比图。

图2. PQD纳米单元制备的大规模集成成像芯片。a)PQD纳米单元和可光刻有机半导体（POSC）的化学结构。b)在光作用下PQD和POSC的胶连过程。c) POSC 和PQD-POSC在紫外光下的不同曝光剂量曲线。d)不同尺寸，不同形状的PQD-POSC曝光结果。e)-h)在不同基底上的曝光结果。i)和j)在硅基底和PDMS基底制备的大规模集成成像芯片。k)商用相机像素密度和用不同图案化工艺制备的有机成像传感器的像素密度的比较图。

图3.基于PQD纳米单元-POSC的互联有机光传感器（OPT）阵列。a)集成电路中互联连接阵列示意图。b)互联阵列的层间信息。c)在硅基底上制备的高密度互联阵列的光学表征结果。d)所制备器件性能均一性统计结果。e)在6寸硅片上制备的高密度互联OPT阵列的光学和f)器件均一性表征结果。

图4. 基于PQD纳米单元制备的仿生视网膜。a)用PQD纳米单元制备仿生视网膜的结构图。b)PQD纳米单元的累积光充电示意图。c)基于PQD纳米单元制备的仿生视网膜双脉冲易化(PPF)曲线。d)在90度弯曲和10%拉伸1000次后的Id曲线。e)5x5的OPT阵列随光信号的兴奋性突触后电流(EPSC)变化图。f)卷积神经网络示意图。g)在不同噪声条件下，商用CMOS和基于PQD纳米单元的光传感器识别信号准确率对比图。h) 在不同噪声点密度下，商用CMOS和基于PQD纳米单元的光传感器识别信号准确率对比图。

【结论】

综上所述，复旦大学课题组所提出的光伏纳米单元概念能够通过纳米尺度调制，克服器件光电性能与小型化之间取舍的难题。此外，将纳米单元加入可光刻的有机半导体中，通过光交联实现了稳定的聚集结构和界面，保持光转换和调制性能，对抗长期存储、热损伤和基板应变，为高性能集成光电子设备的实际应用提供了前景。本文中使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3可以满足科研中不同的光刻需求，如不同基底，不同剂量，不同曝光层的大规模光刻。得益于无掩模的优势，MicroWriter ML3可以快速迭代优化相关设计，帮助提升科研效率。

图5. 通过MicroWriter ML3自带的软件设置，可以轻松调节光刻时特定区域的曝光剂量。

图6. MicroWriter ML3可以在不同基地上进行不同精度的光刻。

图7. MicroWriter ML3可以根据需求对芯片进行多层光刻。