以硅為代表的無機半導體材料，為了滿足當下信息技術的需求，一直在不斷提升集成化程度，芯片尺寸已逼近物理極限。然而，無機半導體材料固有的剛性，導致傳統硅基器件很難用在一些需要彎曲、折疊和伸縮的場景中，如柔性顯示器、可穿戴設備、仿生機器人系統。而在這些新興應用領域中，有機半導體備受青睞。據東北證券的行業報告顯示，2016年OLED（有機發光二極管）市場規模占整個平板顯示行業的15。22%，2022年上升至35%，有了較為明顯的提升。相較無機半導體材料，有機半導體材料的低成本、高性能、可持續性、可生物降解等特性，使其逐漸受到許多市場的青睞，而其獨特的光學和電學以及可調諧的化學結構，使其在AI領域極具應用前景。接下來，小編將為大家介紹有機半導體材料在AI領域的相關應用。

圖源：MIT

關于有機半導體

有機半導體是一種分子間通過范德華力互相吸引堆疊而成的半導體材料，具有本征的柔性、生物相容性、成本低廉等優勢。相比于無機半導體材料，有機半導體材料中的載流子是外在引入的，而非材料分子本身具有的自由載流子，這是有機半導體材料區別于無機半導體材料的一個顯著特點。有機半導體的導電能力介于金屬和絕緣體之間，在導電過程中主要通過載流子的定向遷移來實現，這些載流子通常是由有機分子中的共軛結構或特殊官能團產生的。當有機半導體材料收到外部電場的作用時，其內部的載流子會發生定向移動，從而形成電流。

有機半導體材料在AI領域的應用

1、AI芯片

光刻膠作為一種感光材料，是制造集成電路中的關鍵材料，也是光刻工藝中最關鍵的功能性化學材料。它又稱為光致抗蝕劑，在紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，其溶解度會發生變化。其主要由成膜樹脂、光敏劑、溶劑和其他助劑組成，按照應用范圍可分為印刷電路板（PCB）光刻膠、液晶顯示（LCD）光刻膠和半導體光刻膠三大類，其中半導體光刻膠與另外兩種光刻膠相比，技術壁壘較高。

傳統的光刻膠僅作為加工的模板，并不具備導電、傳感等電子材料的功能。而半導體性光刻膠是通過材料設計將光刻膠轉變成一種半導體，使其直接充當電子器件的導電溝道。它是由光引發劑、交聯單體、導電高分子組成的。在紫外光照后，交聯單體會反應生成不溶的網絡結構，將半導體束縛在其中，形成納米級別的互穿網絡結構，顯影后就可以制造出圖案化的器件活性層。這種納米互穿網絡結構，相比于同類工作中將交聯側鏈直接接枝在半導體的光刻交聯結構，具有更高的穩定性、更高的光刻精度和更高的遷移率。此外，還存在一種具有光電響應功能的半導體性光刻膠。這種功能型光刻膠不僅保留了可以通過光刻技術實現亞微米級圖案化加工的能力和良好的半導體性能，還可以通過摻雜具有光電活性的粒子，實現傳感功能。通過使用功能型光刻膠進行光刻加工，可以在保證性能可靠的情況下，實現高密度、大規模的有機芯片制造，克服了小型化對性能的折中的情況。除此之外，功能型光刻膠的芯片加工與微電子行業制造流程高度兼容，不僅可以用來制造有機功能集成芯片，還可以和硅基電子或新興的二維材料電子芯片進行異質異構集成，實現更豐富、功能更強大的電子設備制造。

在不同襯底上加工的有機晶體管陣列（圖源：文獻1）

2、可穿戴設備

有機發光二極管（OLED）顯示技術被稱為第三代顯示技術，其具有其他顯示技術不可比擬的優良性能，受到了廣泛的關注。OLED具有獨特的“三明治”夾心結構，兩層電極材料中間沉淀終端材料，放置于基板材料之上。當OLED接通電源，由陰極注入的電子和陽極注入的空穴在發光層中結合，以光的形式釋放出能量。OLED屬于自發光技術，發光亮度和效率較高，可選擇的材料范圍非常廣，可以實現藍光到紅光光譜區域的全色彩顯示，其視角寬、響應速度快、驅動電壓低、制作過程相對簡單，發光器件會比同品類器件更加的輕薄，可實現柔性顯示。在未來OLED可以用于可穿戴的VR和AR設備中，以提供更高的分辨率、更低的延遲和更好的色彩再現，再加上其柔性特質，可以有效創建沉浸式的虛擬環境；在智能家居、智能汽車或AI服務機器人中，OLED屏幕可以提供清晰、流暢的圖像和視頻，給予用戶更加自然的人機交互體驗。

OLED器件結構（圖源：文獻2）

3、生物醫學傳感器

人腦是自然界中最完美的信息處理系統，其高效性和復雜性主要基于大腦中龐大的神經元網絡，突觸是前后神經元之間的連接部分，是神經系統中調控信號傳遞的基本單元，以及大腦實現學習與記憶功能的基礎。通過材料的光電特性和器件的物理機理模擬生物神經突觸的信息感知和處理特性，是構建類腦神經形態系統和智能計算的關鍵。基于有機半導體和鈣鈦礦的人工突觸器件具有可液相加工、生物相容性好、力學性能與生物體接近、光電性質易通過分子結構設計進行調控等特點，且具有較好的離子和載流子傳輸效率，與生物神經元之間離子交換和電荷極化進行電信號傳遞的機制非常接近。目前，存在非常多種的人工突觸作用于不同的領域。如西安交通大學的馬偉團隊設計了一種溝道高度結晶的、全貫穿垂直結構的有機電化學晶體管（OECT），可以使器件在傳感的易失性與類腦計算的非易失性模式間切換，作為人工感受器，實現了對電、光、熱、化學等信號的多模態感知，拓展了信息維度；作為非易失性人工突觸，實現了10比特的模擬電導態、超低編程隨機性、長電導保持時間和低電導漂移。基于垂直結構電化學晶體管的均質化脈沖神經網絡硬件和儲蓄池計算系統，可以進行實時高能效的圖像分類、條件反射、實時心臟疾病診斷等應用。

*有機電化學晶體管(OECT)是一種典型生物電子學器件，具有獨特的電荷和離子傳輸性能，此特點使其能作為理想的工具連接電荷傳輸的人工電子學與依賴化學信號的世間萬物。OECT的一個典型特征就是摻雜發生在整個溝道，因此低的柵極電壓就可以引起較大漏電流的改變，使器件具有更優異的信號放大能力，能夠作為高效的開關與放大器。另外，OECT中水相電解質的使用，使得其能夠直接和生理溶液接觸，具有優異的生物相容性，為生物應用打下基礎。

垂直結構有機電化學晶體管示意圖（圖源：文獻3）

小結

除了以上幾種應用外，有機半導體材料還可以應用于生物可降解材料、自動化學合成AI機器人、高性能芯片散熱等領域。相信隨著人們的進一步研究，有機半導體材料可以在AI領域帶給我們更多的驚喜。

參考文獻：

1、張申,劉云圻,魏大程.半導體性光刻膠及其在有機集成芯片中的應用[J/OL].科學通報.

2、OLED行業深度報告：全行業供需結構逐步優化，中國廠商贏得優勢.東北證券

3、馬偉,凡群平,劉宇航,等.2023年新型光電半導體材料熱點回眸[J].科技導報.

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