全光刻有机电子学关键材料 《Science Advances》复旦大学魏大程团队研发半导体性光刻胶

发布时间:2021-06-25 

 

 光刻是一种高精度制造技术,广泛应用于半导体行业。基于光刻的硅基电子制造工艺已达到5纳米技术节点,单颗芯片上晶体管数量已达百亿级。相比之下,基于溶液法加工的有机电子学微型化远远落后于硅基电子学。现有印刷有机电路的晶体管密度往往只有60 units cm-2。通过光刻加工有机电路所有部件(如有机半导体、电介质和导体)的全光刻工艺方案无疑是推进有机电子学微型化和高密度集成的有效手段。

 目前,全光刻有机电子学取得的进展有限,主要受限于缺乏一种能够与光刻工艺深度兼容的有机半导体材料。如果能开发出兼具较高的光刻分辨率、电学性能和工艺稳定性的“半导体性光刻胶”,不仅能规避有机电子学光刻兼容性差的难题,还可极大简化有机电路加工流程。目前主流的可光交联有机半导体是基于侧链交联,其光刻分辨率、电学性能特别是工艺稳定性无法达到“半导体性光刻胶”的要求。

 复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室和复旦大学分子材料与器件实验室魏大程课题组长期致力于研究新型场效应晶体管材料、晶体管设计原理以及晶体管在光电、化学、生物传感等领域的应用。近日,魏大程课题组联合美国康宁公司报道了一种综合性能优异、与全光刻工艺兼容的“半导体性光刻胶”(SP-1)。6月18日,相关研究成果以《一种面向全光刻有机电子学的综合性纳米互穿结构半导体性光刻胶》“A Comprehensive Nano-Interpenetrating Semiconducting Photoresist Towards All-Photolithography Organic Electronics”为题发表于《科学-进展》(Science Advances)。

 研究发现,传统光交联有机半导体的交联侧链与导电骨架形成的内穿(intra-penetrating)结构会影响分子有序堆积,难以获得较高的载流子迁移率,对性能的稳定性和一致性造成影响。该研究提出了纳米互穿(nano-interpenetrating)结构的设计方案,不仅实现了亚微米图案分辨率,而且有利于实现紧密π-π堆叠,材料具有更高的工艺稳定性。通过光刻制造的有机薄膜晶体管 (OTFT)的迁移率达1.64 cm2 V-1 s-1,是目前光交联有机半导体的最高值,并且在显影剂和剥离溶剂中浸泡1000分钟后几乎保持100%性能。研究团队实现了有机电路的全光刻加工,制造出有机逻辑电路元件、OTFT阵列和柔性OTFT阵列。晶体管密度达1.1×105 units cm-2,远高于传统有机电子印刷工艺,为高集成有机电路和系统的精准制造提供了新的材料和工艺途径。

 复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室为论文第一单位;复旦大学分子材料与器件实验室为第二单位;复旦大学高分子科学系博士研究生陈仁忠为第一作者;复旦大学魏大程研究员和美国康宁公司李阳博士为通讯作者。复旦大学材料科学系、分子材料与器件实验室刘云圻院士等参与了该研究,美国康宁公司提供了有机半导体材料。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、中科院先导计划、复旦大学和美国康宁公司的支持。

 文章链接:https://advances.sciencemag.org/content/7/25/eabg0659

 课题组网站:http://weigroupfudan.com/

 

 

图:半导体性光刻胶SP-1的图案化及其全光刻有机电子器件及电路