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有機(jī)集成電路產(chǎn)業(yè)化的“卡脖子”難題：高精度區(qū)域摻雜困境

半導(dǎo)體技術(shù)是驅(qū)動(dòng)信息革命的核心力量。在半導(dǎo)體集成電路制造過(guò)程中，區(qū)域摻雜的空間精度直接決定晶體管性能、電路集成度及器件可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)。隨著器件尺寸不斷縮小，對(duì)區(qū)域摻雜精度的要求持續(xù)提升。然而，有機(jī)高分子半導(dǎo)體的傳統(tǒng)摻雜策略面臨兩大根本性挑戰(zhàn)：其一，摻雜劑與半導(dǎo)體接觸即發(fā)生不可逆反應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)高分辨率的精確控制；其二，現(xiàn)有的區(qū)域摻雜方法（如掩模蒸鍍、噴墨打印等）工藝復(fù)雜、成本高，且精度和重復(fù)性無(wú)法滿足高密度集成的要求。因此，缺乏高精度區(qū)域摻雜技術(shù)已成為制約有機(jī)高分子半導(dǎo)體在柔性顯示、生物傳感以及集成光電器件等前沿應(yīng)用中的關(guān)鍵瓶頸?！?/span>

三項(xiàng)核心突破，改寫(xiě)有機(jī)高分子半導(dǎo)體摻雜技術(shù)范式

近日，北京大學(xué)裴堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表突破性研究成果，首次開(kāi)發(fā)出一類(lèi)可光激活的摻雜劑前體分子（iPADs, inactive photoactivable dopants），該類(lèi)分子在光照條件下可原位轉(zhuǎn)化為高活性摻雜劑（PADs, photoactivable dopants），實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)高分子半導(dǎo)體的高效、精準(zhǔn)、原位摻雜。該策略突破了傳統(tǒng)方法在區(qū)域精度與摻雜可控性方面的限制，首次實(shí)現(xiàn)了有機(jī)高分子半導(dǎo)體亞微米級(jí)超高精度n型摻雜，獲得了超過(guò)30 S/cm的優(yōu)異電導(dǎo)率，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有機(jī)集成電路的精準(zhǔn)光控加工，為有機(jī)電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性突破。

裴堅(jiān)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)出光控有機(jī)高分子半導(dǎo)體摻雜技術(shù)，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了三項(xiàng)核心突破（圖一）：

1. 創(chuàng)新?lián)诫s機(jī)制：通過(guò)構(gòu)建具備“熱惰性/光激活”特性的摻雜劑前體分子（iPADs），首次實(shí)現(xiàn)了有機(jī)高分子半導(dǎo)體摻雜過(guò)程的精準(zhǔn)可控。該分子在未受光激發(fā)前保持化學(xué)反應(yīng)惰性，可兼容光刻膠烘烤、熱蒸鍍等主流微納加工工藝；經(jīng)紫外光照射后快速轉(zhuǎn)化為高活性摻雜劑（PADs），實(shí)現(xiàn)對(duì)共軛高分子半導(dǎo)體的高效n型摻雜，電導(dǎo)率提升最高可達(dá)9個(gè)數(shù)量級(jí)。

2. 普適性與高效率兼?zhèn)涞膿诫s能力：現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種摻雜劑前體分子體系，成功應(yīng)用于10余種典型有機(jī)高分子半導(dǎo)體，普遍實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率提升6個(gè)數(shù)量級(jí)，極大拓展了有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料的應(yīng)用場(chǎng)景。

3. 針對(duì)有機(jī)集成電路實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)圖案化摻雜：該光控?fù)诫s技術(shù)與現(xiàn)有半導(dǎo)體工業(yè)的光刻流程高度兼容，首次在有機(jī)高分子材料中實(shí)現(xiàn)亞微米尺度的區(qū)域摻雜精度，為高性能有機(jī)集成電路的構(gòu)建提供了關(guān)鍵支撐，具備重要的工藝可行性與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化潛力。

圖一、a.光激活摻雜機(jī)制以及摻雜劑的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)；b.可被摻雜的部分高分子半導(dǎo)體化學(xué)結(jié)構(gòu)；c. 光激活摻雜過(guò)程示意圖。有機(jī)高分子半導(dǎo)體與可光激活摻雜劑（iPADs）在溶液中共混，通過(guò)旋涂或滴涂的方式制備成薄膜，隨后在區(qū)域選擇性光激活下，iPADs轉(zhuǎn)化為高活性摻雜劑（PADs），實(shí)現(xiàn)有機(jī)高分子半導(dǎo)體高精度n型摻雜。

該研究成果突破了有機(jī)高分子半導(dǎo)體高精度摻雜的核心瓶頸，為有機(jī)集成電路的微型化和高密度集成提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。該技術(shù)有望推動(dòng)柔性顯示分辨率升級(jí)，助力智能傳感芯片靈敏度提升，加速有機(jī)集成電路的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。　　

該論文通訊作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅(jiān)教授，第一作者為北京大學(xué)博士畢業(yè)生王馨怡。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心的資助；并在北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室（MMNL）、北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、上海同步輻射光源的支持下完成了相關(guān)研究工作。

論文信息

Xin-Yi Wang, Yi-Fan Ding, Xiao-Yan Zhang, Yang-Yang Zhou, Chen-Kai Pan, Yuan-He Li, Nai-Fu Liu, Ze-Fan Yao, Yong-Shi Chen, Zhi-Hao Xie, Yi-Fan Huang, Yu-Chun Xu, Hao-Tian Wu, Chun-Xi Huang, Miao Xiong, Li Ding, Zi-Di Yu, Qi-Yi Li, Yu-Qing Zheng, Jie-Yu Wang, Jian Pei*, Light-triggered Regionally Controlled n-Doping of Organic Semiconductors, Nature, 2025, DOI:10.1038/s41586-025-09075-y

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09075-y