以硅為代表的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，為了滿足當(dāng)下信息技術(shù)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(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料固有的剛性，導(dǎo)致傳統(tǒng)硅基器件很難用在一些需要彎曲、折疊和伸縮的場(chǎng)景中，如柔性顯示器、可穿戴設(shè)備、仿生機(jī)器人系統(tǒng)。而在這些新興應(yīng)用領(lǐng)域中，有機(jī)半導(dǎo)體備受青睞。據(jù)東北證券的行業(yè)報(bào)告顯示，2016年OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）市場(chǎng)規(guī)模占整個(gè)平板顯示行業(yè)的15。22%，2022年上升至35%，有了較為明顯的提升。相較無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，有機(jī)半導(dǎo)體材料的低成本、高性能、可持續(xù)性、可生物降解等特性，使其逐漸受到許多市場(chǎng)的青睞，而其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)以及可調(diào)諧的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其在AI領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。接下來(lái)，小編將為大家介紹有機(jī)半導(dǎo)體材料在AI領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。

圖源：MIT

關(guān)于有機(jī)半導(dǎo)體

有機(jī)半導(dǎo)體是一種分子間通過(guò)范德華力互相吸引堆疊而成的半導(dǎo)體材料，具有本征的柔性、生物相容性、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。相比于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，有機(jī)半導(dǎo)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(jī)半導(dǎo)體材料區(qū)別于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)。有機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間，在導(dǎo)電過(guò)程中主要通過(guò)載流子的定向遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些載流子通常是由有機(jī)分子中的共軛結(jié)構(gòu)或特殊官能團(tuán)產(chǎn)生的。當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體材料收到外部電場(chǎng)的作用時(shí)，其內(nèi)部的載流子會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，從而形成電流。

有機(jī)半導(dǎo)體材料在AI領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)鍵材料，也是光刻工藝中最關(guān)鍵的功能性化學(xué)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(huì)發(fā)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(yīng)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(dǎo)體光刻膠三大類，其中半導(dǎo)體光刻膠與另外兩種光刻膠相比，技術(shù)壁壘較高。

傳統(tǒng)的光刻膠僅作為加工的模板，并不具備導(dǎo)電、傳感等電子材料的功能。而半導(dǎo)體性光刻膠是通過(guò)材料設(shè)計(jì)將光刻膠轉(zhuǎn)變成一種半導(dǎo)體，使其直接充當(dāng)電子器件的導(dǎo)電溝道。它是由光引發(fā)劑、交聯(lián)單體、導(dǎo)電高分子組成的。在紫外光照后，交聯(lián)單體會(huì)反應(yīng)生成不溶的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將半導(dǎo)體束縛在其中，形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相比于同類工作中將交聯(lián)側(cè)鏈直接接枝在半導(dǎo)體的光刻交聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有更高的穩(wěn)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(yīng)功能的半導(dǎo)體性光刻膠。這種功能型光刻膠不僅保留了可以通過(guò)光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)圖案化加工的能力和良好的半導(dǎo)體性能，還可以通過(guò)摻雜具有光電活性的粒子，實(shí)現(xiàn)傳感功能。通過(guò)使用功能型光刻膠進(jìn)行光刻加工，可以在保證性能可靠的情況下，實(shí)現(xiàn)高密度、大規(guī)模的有機(jī)芯片制造，克服了小型化對(duì)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(yè)制造流程高度兼容，不僅可以用來(lái)制造有機(jī)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(jìn)行異質(zhì)異構(gòu)集成，實(shí)現(xiàn)更豐富、功能更強(qiáng)大的電子設(shè)備制造。

在不同襯底上加工的有機(jī)晶體管陣列（圖源：文獻(xiàn)1）

2、可穿戴設(shè)備

有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示技術(shù)被稱為第三代顯示技術(shù)，其具有其他顯示技術(shù)不可比擬的優(yōu)良性能，受到了廣泛的關(guān)注。OLED具有獨(dú)特的“三明治”夾心結(jié)構(gòu)，兩層電極材料中間沉淀終端材料，放置于基板材料之上。當(dāng)OLED接通電源，由陰極注入的電子和陽(yáng)極注入的空穴在發(fā)光層中結(jié)合，以光的形式釋放出能量。OLED屬于自發(fā)光技術(shù)，發(fā)光亮度和效率較高，可選擇的材料范圍非常廣，可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)光到紅光光譜區(qū)域的全色彩顯示，其視角寬、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低、制作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，發(fā)光器件會(huì)比同品類器件更加的輕薄，可實(shí)現(xiàn)柔性顯示。在未來(lái)OLED可以用于可穿戴的VR和AR設(shè)備中，以提供更高的分辨率、更低的延遲和更好的色彩再現(xiàn)，再加上其柔性特質(zhì)，可以有效創(chuàng)建沉浸式的虛擬環(huán)境；在智能家居、智能汽車或AI服務(wù)機(jī)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(jī)交互體驗(yàn)。

OLED器件結(jié)構(gòu)（圖源：文獻(xiàn)2）

3、生物醫(yī)學(xué)傳感器

人腦是自然界中最完美的信息處理系統(tǒng)，其高效性和復(fù)雜性主要基于大腦中龐大的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，突觸是前后神經(jīng)元之間的連接部分，是神經(jīng)系統(tǒng)中調(diào)控信號(hào)傳遞的基本單元，以及大腦實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)與記憶功能的基礎(chǔ)。通過(guò)材料的光電特性和器件的物理機(jī)理模擬生物神經(jīng)突觸的信息感知和處理特性，是構(gòu)建類腦神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)和智能計(jì)算的關(guān)鍵。基于有機(jī)半導(dǎo)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(xué)性能與生物體接近、光電性質(zhì)易通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)控等特點(diǎn)，且具有較好的離子和載流子傳輸效率，與生物神經(jīng)元之間離子交換和電荷極化進(jìn)行電信號(hào)傳遞的機(jī)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(lǐng)域。如西安交通大學(xué)的馬偉團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種溝道高度結(jié)晶的、全貫穿垂直結(jié)構(gòu)的有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT），可以使器件在傳感的易失性與類腦計(jì)算的非易失性模式間切換，作為人工感受器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電、光、熱、化學(xué)等信號(hào)的多模態(tài)感知，拓展了信息維度；作為非易失性人工突觸，實(shí)現(xiàn)了10比特的模擬電導(dǎo)態(tài)、超低編程隨機(jī)性、長(zhǎng)電導(dǎo)保持時(shí)間和低電導(dǎo)漂移。基于垂直結(jié)構(gòu)電化學(xué)晶體管的均質(zhì)化脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件和儲(chǔ)蓄池計(jì)算系統(tǒng)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)高能效的圖像分類、條件反射、實(shí)時(shí)心臟疾病診斷等應(yīng)用。

*有機(jī)電化學(xué)晶體管(OECT)是一種典型生物電子學(xué)器件，具有獨(dú)特的電荷和離子傳輸性能，此特點(diǎn)使其能作為理想的工具連接電荷傳輸?shù)娜斯る娮訉W(xué)與依賴化學(xué)信號(hào)的世間萬(wàn)物。OECT的一個(gè)典型特征就是摻雜發(fā)生在整個(gè)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(yōu)異的信號(hào)放大能力，能夠作為高效的開關(guān)與放大器。另外，OECT中水相電解質(zhì)的使用，使得其能夠直接和生理溶液接觸，具有優(yōu)異的生物相容性，為生物應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

垂直結(jié)構(gòu)有機(jī)電化學(xué)晶體管示意圖（圖源：文獻(xiàn)3）

小結(jié)

除了以上幾種應(yīng)用外，有機(jī)半導(dǎo)體材料還可以應(yīng)用于生物可降解材料、自動(dòng)化學(xué)合成AI機(jī)器人、高性能芯片散熱等領(lǐng)域。相信隨著人們的進(jìn)一步研究，有機(jī)半導(dǎo)體材料可以在AI領(lǐng)域帶給我們更多的驚喜。

參考文獻(xiàn)：

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2、OLED行業(yè)深度報(bào)告：全行業(yè)供需結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，中國(guó)廠商贏得優(yōu)勢(shì).東北證券

3、馬偉,凡群平,劉宇航,等.2023年新型光電半導(dǎo)體材料熱點(diǎn)回眸[J].科技導(dǎo)報(bào).

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