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有機集成電路產業(yè)化的“卡脖子”難題：高精度區(qū)域摻雜困境

半導體技術是驅動信息革命的核心力量。在半導體集成電路制造過程中，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鍵指標。隨著器件尺寸不斷縮小，對區(qū)域摻雜精度的要求持續(xù)提升。然而，有機高分子半導體的傳統(tǒng)摻雜策略面臨兩大根本性挑戰(zhàn)：其一，摻雜劑與半導體接觸即發(fā)生不可逆反應，難以實現(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）工藝復雜、成本高，且精度和重復性無法滿足高密度集成的要求。因此，缺乏高精度區(qū)域摻雜技術已成為制約有機高分子半導體在柔性顯示、生物傳感以及集成光電器件等前沿應用中的關鍵瓶頸?！?/span>

三項核心突破，改寫有機高分子半導體摻雜技術范式

近日，北京大學裴堅教授團隊在Nature上發(fā)表突破性研究成果，首次開發(fā)出一類可光激活的摻雜劑前體分子（iPADs, inactive photoactivable dopants），該類分子在光照條件下可原位轉化為高活性摻雜劑（PADs, photoactivable dopants），實現(xiàn)對有機高分子半導體的高效、精準、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，首次實現(xiàn)了有機高分子半導體亞微米級超高精度n型摻雜，獲得了超過30 S/cm的優(yōu)異電導率，并在此基礎上實現(xiàn)有機集成電路的精準光控加工，為有機電子產業(yè)帶來革命性突破。

裴堅團隊創(chuàng)新性地開發(fā)出光控有機高分子半導體摻雜技術，在基礎研究和應用技術方面實現(xiàn)了三項核心突破（圖一）：

1. 創(chuàng)新?lián)诫s機制：通過構建具備“熱惰性/光激活”特性的摻雜劑前體分子（iPADs），首次實現(xiàn)了有機高分子半導體摻雜過程的精準可控。該分子在未受光激發(fā)前保持化學反應惰性，可兼容光刻膠烘烤、熱蒸鍍等主流微納加工工藝；經紫外光照射后快速轉化為高活性摻雜劑（PADs），實現(xiàn)對共軛高分子半導體的高效n型摻雜，電導率提升最高可達9個數量級。

2. 普適性與高效率兼?zhèn)涞膿诫s能力：現(xiàn)已開發(fā)出多種摻雜劑前體分子體系，成功應用于10余種典型有機高分子半導體，普遍實現(xiàn)電導率提升6個數量級，極大拓展了有機高分子半導體材料的應用場景。

3. 針對有機集成電路實現(xiàn)亞微米級圖案化摻雜：該光控摻雜技術與現(xiàn)有半導體工業(yè)的光刻流程高度兼容，首次在有機高分子材料中實現(xiàn)亞微米尺度的區(qū)域摻雜精度，為高性能有機集成電路的構建提供了關鍵支撐，具備重要的工藝可行性與產業(yè)轉化潛力。

圖一、a.光激活摻雜機制以及摻雜劑的基本化學結構；b.可被摻雜的部分高分子半導體化學結構；c. 光激活摻雜過程示意圖。有機高分子半導體與可光激活摻雜劑（iPADs）在溶液中共混，通過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轉化為高活性摻雜劑（PADs），實現(xiàn)有機高分子半導體高精度n型摻雜。

該研究成果突破了有機高分子半導體高精度摻雜的核心瓶頸，為有機集成電路的微型化和高密度集成提供了關鍵技術支撐。該技術有望推動柔性顯示分辨率升級，助力智能傳感芯片靈敏度提升，加速有機集成電路的產業(yè)化進程?！　?/span>

該論文通訊作者為北京大學化學與分子工程學院裴堅教授，第一作者為北京大學博士畢業(yè)生王馨怡。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金、北京分子科學國家研究中心的資助；并在北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）、北京大學電子顯微鏡實驗室、北京大學高性能計算平臺、上海同步輻射光源的支持下完成了相關研究工作。

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