有机集成电路产业化的“卡脖子”难题：高精度区域掺杂困境

　　半导体技术是驱动信息革命的核心力量。在半导体集成电路制造过程中，区域掺杂的空间精度直接决定晶体管性能、电路集成度及器件可靠性等关键指标。随着器件尺寸不断缩小，对区域掺杂精度的要求持续提升。然而，有机高分子半导体的传统掺杂策略面临两大根本性挑战：其一，掺杂剂与半导体接触即发生不可逆反应，难以实现高分辨率的精确控制；其二，现有的区域掺杂方法（如掩模蒸镀、喷墨打印等）工艺复杂、成本高，且精度和重复性无法满足高密度集成的要求。因此，缺乏高精度区域掺杂技术已成为制约有机高分子半导体在柔性显示、生物传感以及集成光电器件等前沿应用中的关键瓶颈。　

三项核心突破，改写有机高分子半导体掺杂技术范式

　　近日，北京大学裴坚教授团队在Nature上发表突破性研究成果，首次开发出一类可光激活的掺杂剂前体分子（iPADs, inactive photoactivable dopants），该类分子在光照条件下可原位转化为高活性掺杂剂（PADs, photoactivable dopants），实现对有机高分子半导体的高效、精准、原位掺杂。该策略突破了传统方法在区域精度与掺杂可控性方面的限制，首次实现了有机高分子半导体亚微米级超高精度n型掺杂，获得了超过30 S/cm的优异电导率，并在此基础上实现有机集成电路的精准光控加工，为有机电子产业带来革命性突破。

　　裴坚团队创新性地开发出光控有机高分子半导体掺杂技术，在基础研究和应用技术方面实现了三项核心突破（图一）：

　　1. 创新掺杂机制：通过构建具备“热惰性/光激活”特性的掺杂剂前体分子（iPADs），首次实现了有机高分子半导体掺杂过程的精准可控。该分子在未受光激发前保持化学反应惰性，可兼容光刻胶烘烤、热蒸镀等主流微纳加工工艺；经紫外光照射后快速转化为高活性掺杂剂（PADs），实现对共轭高分子半导体的高效n型掺杂，电导率提升最高可达9个数量级。

　　2. 普适性与高效率兼备的掺杂能力：现已开发出多种掺杂剂前体分子体系，成功应用于10余种典型有机高分子半导体，普遍实现电导率提升6个数量级，极大拓展了有机高分子半导体材料的应用场景。

　　3. 针对有机集成电路实现亚微米级图案化掺杂：该光控掺杂技术与现有半导体工业的光刻流程高度兼容，首次在有机高分子材料中实现亚微米尺度的区域掺杂精度，为高性能有机集成电路的构建提供了关键支撑，具备重要的工艺可行性与产业转化潜力。

　　图一、a.光激活掺杂机制以及掺杂剂的基本化学结构；b.可被掺杂的部分高分子半导体化学结构；c. 光激活掺杂过程示意图。有机高分子半导体与可光激活掺杂剂（iPADs）在溶液中共混，通过旋涂或滴涂的方式制备成薄膜，随后在区域选择性光激活下，iPADs转化为高活性掺杂剂（PADs），实现有机高分子半导体高精度n型掺杂。

　　该研究成果突破了有机高分子半导体高精度掺杂的核心瓶颈，为有机集成电路的微型化和高密度集成提供了关键技术支撑。该技术有望推动柔性显示分辨率升级，助力智能传感芯片灵敏度提升，加速有机集成电路的产业化进程。　　

　　该论文通讯作者为北京大学化学与分子工程学院裴坚教授，第一作者为北京大学博士毕业生王馨怡。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、北京分子科学国家研究中心的资助；并在北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）、北京大学电子显微镜实验室、北京大学高性能计算平台、上海同步辐射光源的支持下完成了相关研究工作。

　　论文信息

　　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

　　论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09075-y

排版：高杨

审核：牛林，刘志博