Advanced Science:全光刻、高性能、顶接触、随形贴合有机场效应晶体管的制备

有机场效应晶体管(organic field-effect transistors,OFETs)因其具有柔性、质轻、可液相大面积制备等优势,在电子皮肤,智能显示,健康监测等领域展现出广阔的应用前景,近年来备受研究者的关注。虽然有机场效应晶体管的性能已经远超无定形硅,达到了应用水平,但是如何把高性能柔性有机场效应晶体管高效地集成在一起,一直是其产业化面临的重要难题。

光刻作为现代微电子工业的核心技术,相比于掩模蒸镀、喷墨打印等技术,在大规模生产以及高精度,高集成度器件制备等方面具有独一无二的优势。因此,如能利用光刻技术制备柔性有机场效应晶体管,将成为推动有机电子产品产业化的重要突破。 然而,光刻工艺中的溶液过程和紫外线辐照极易对有机半导体造成损坏,使光刻技术难以与有机场效应晶体管相兼容。虽然目前一些报道通过制备底接触有机场效应晶体管、合成新型抗溶剂的有机半导体、采用正交溶剂等方式,可以避免光刻过程对于有机半导体的损伤,但是仍然存在器件性能差、需要合成新材料、难以与商业化材料相兼容等问题。另外,目前报道的光刻工艺难以与柔/弹性材料充分兼容,也成为实现柔性有机电子产品集成化和大面积生产的重大障碍。针对该挑战性的技术难题,东北师范大学汤庆鑫教授,赵晓丽副教授团队近年来致力于将光刻技术与有机电子器件制备相结合,开展了一系列富有特色的研究工作。最近该课题组开发出一种能与目前商业化有机半导体充分兼容的策略,首次实现了全光刻高性能顶接触随形贴合有机场效应晶体管阵列的制备。

该策略的关键点如下: (1) 使用可与有机半导体兼容的水基材料-光敏PVA作为保护层和绝缘层,不仅解决了有机半导体光刻图案化的难题,还能实现绝缘层的光刻图案化。同时,得益于光交联PVA的抗溶剂性,保护了有机半导体免受其他溶剂的破坏;(2) 电极的图案化与半导体图案化的工艺彼此独立,避免了电极光刻过程对于半导体的损害;(3) 利用干法剥离及多层迭合技术制备出的底栅顶接触构型有机场效应晶体管,不仅确保了器件具有较大的电极注入面积,有效提高器件性能,还能够脱离刚性衬底的限制,实现器件的柔性化。基于该策略制备的有机场效应晶体管阵列的迁移率超过1 cm2V-1s-1, 器件集成度可达1523 cm-2,充分凸显了光刻技术在有机场效应晶体管集成中的优势。更重要的是,基于该光刻策略制备的器件阵列柔软度极佳,可犹如皮肤般随形贴合于各种形状的物体表面,如昆虫的各个部位、手指纹等,并能够保持优异的电学性能。此外,该光刻策略展现出极好的普适性,可适用于多种商业化有机半导体材料。

该工作为构筑高性能,高集成度的柔性有机场效应晶体管提供了一种普适性策略,同时也为光刻技术整合至有机电子器件提供了一条有效的途径,充分结合了光刻技术和有机材料的优势,为实现有机电子产品大规模生产和产业化奠定基础。相关工作以题为“High-Performance Full-Photolithographic Top-Contact Conformable Organic Transistors for Soft Electronics”在线发表于Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202004050) 上。