【材料】ACS AMI┃光刻兼容高分辨有机单晶阵列

无机半导体微纳器件及集成电路是引领当代信息技术变革的核心基础，并催生了大量颠覆性技术。其中，光刻技术更是半个多世纪来半导体行业按照摩尔定律发展的关键，在良率、集成度、分辨率和工艺成熟度方面具有其他技术不可比拟的优势，并在设备与工艺方面具有极高的技术壁垒。自20世纪80年代以来，有机半导体由于其柔性、生物兼容以及低温工艺等特点备受人们的关注，并在有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）和有机太阳能电池（OPV）上具有广泛的应用。然而，由于光刻过程中涉及的紫外光和有机溶剂对有机半导体材料具有破坏作用导致器件的劣化甚至失效，而其他如遮挡板等器件工艺在集成度、良率等方面比光刻尚有不少差距。因此，大面积、高集成度和高性能的有机微纳器件阵列技术和集成电路迟迟未有突破，为业界研究挑战之一。

       长期以来，德国明斯特大学王文冲博士与苏州大学迟力峰教授聚焦于解决光刻工艺用于有机半导体的科学和工艺难题，利用薄膜生长动力学中成核控制理论，开发了选区生长有机半导体图案化工艺并制作了超高分辨的micro-OLED阵列。在有机半导体选区生长基础上，近期研究人员通过在氧化硅衬底上光刻制备Au微电极对阵列，并将其作为模板诱导有机半导体分子TES-ADT的生长，形成大面积尺寸均匀的无定型/多晶分子聚集体图案。在溶剂蒸汽退火（SVA）的条件下，这些图案化的无定型/多晶分子聚集体逐渐吸附溶剂分子，并在所吸附溶剂分子的辅助下实现分子的重排，提高聚集体内部分子排列的有序度，最终在Au微电极对上自对准转化成分立的有机单晶（图1）。

图1. （a）有机单晶阵列制备步骤流程示意图，（b）TES-ADT分子在Au微电极对上自对准选区生长SEM图，(c)溶剂蒸汽退火后形成单晶阵列SEM图。

研究人员采用的先限位选区生长再原位晶化的方法与光刻技术完全兼容，可制备大面积有序微米尺寸的有机单晶阵列。得益于选区生长的位置精确控制及后期SVA微扰动处理，所得各分立有机单晶之间是完全分立的，这完全避免了器件间的相互串扰（cross-talk）问题（图2）。实验表明，通过表面结构优化设计可以控制半导体分子自对准生长在微电极对区域，从而避免了寻址线对晶体位置的影响（图3）。该方法可直接用于高密度有机晶体管阵列和基本逻辑门电路等制作，为高集成度有机电路的开发打下基础。

图2. 不同方法制作TES-ADT有机半导体OFET显微镜照片与近邻OFET器件串扰测试（a）、（b）室温生长连续薄膜和（c）、（d）选区生长后溶剂蒸汽退火形成单晶。

图3. 基于选区生长后溶剂蒸汽退火制作的有机单晶OFET可读取电路。

研究成果发表于近期的ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。该研究得到中德重大国际合作项目、国家自然科学基金和深圳市科技创新委员会基础研究项目资助。

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Lithographical Fabrication of Organic Single-Crystal Arrays by Area-Selective Growth and Solvent Vapor Annealing Hong Wang, Florian Fontein, Jianping Li, Lizhen Huang, Lin Jiang, Harald Fuchs, Wenchong Wang*, Yandong Wang*, Lifeng Chi* ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c14349 Publication Date: September 28, 2020