光刻是一種高精度制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)。基于光刻的硅基電子制造工藝已達(dá)到5納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，單顆芯片上晶體管數(shù)量已達(dá)百億級(jí)。相比之下，基于溶液法加工的有機(jī)電子學(xué)微型化遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硅基電子學(xué)。現(xiàn)有印刷有機(jī)電路的晶體管密度往往只有60 units cm-2。通過(guò)光刻加工有機(jī)電路所有部件（如有機(jī)半導(dǎo)體、電介質(zhì)和導(dǎo)體）的全光刻工藝方案無(wú)疑是推進(jìn)有機(jī)電子學(xué)微型化和高密度集成的有效手段。
研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)光交聯(lián)有機(jī)半導(dǎo)體的交聯(lián)側(cè)鏈與導(dǎo)電骨架形成的內(nèi)穿（intra-penetrating）結(jié)構(gòu)會(huì)影響分子有序堆積，難以獲得較高的載流子遷移率，對(duì)性能的穩(wěn)定性和一致性造成影響。該研究提出了納米互穿（nano-interpenetrating）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，不僅實(shí)現(xiàn)了亞微米圖案分辨率，而且有利于實(shí)現(xiàn)緊密π-π堆疊，材料具有更高的工藝穩(wěn)定性。通過(guò)光刻制造的有機(jī)薄膜晶體管 (OTFT)的遷移率達(dá)1.64 cm2 V-1 s-1，是目前光交聯(lián)有機(jī)半導(dǎo)體的最高值，并且在顯影劑和剝離溶劑中浸泡1000分鐘后幾乎保持100%性能。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)電路的全光刻加工，制造出有機(jī)邏輯電路元件、OTFT陣列和柔性O(shè)TFT陣列。晶體管密度達(dá)1.1×105 units cm-2，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)有機(jī)電子印刷工藝，為高集成有機(jī)電路和系統(tǒng)的精準(zhǔn)制造提供了新的材料和工藝途徑。
復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一單位；復(fù)旦大學(xué)分子材料與器件實(shí)驗(yàn)室為第二單位；復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士研究生陳仁忠為第一作者；復(fù)旦大學(xué)魏大程研究員和美國(guó)康寧公司李陽(yáng)博士為通訊作者。復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系、分子材料與器件實(shí)驗(yàn)室劉云圻院士等參與了該研究，美國(guó)康寧公司提供了有機(jī)半導(dǎo)體材料。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、中科院先導(dǎo)計(jì)劃、復(fù)旦大學(xué)和美國(guó)康寧公司的支持。
目前，全光刻有機(jī)電子學(xué)取得的進(jìn)展有限，主要受限于缺乏一種能夠與光刻工藝深度兼容的有機(jī)半導(dǎo)體材料。如果能開(kāi)發(fā)出兼具較高的光刻分辨率、電學(xué)性能和工藝穩(wěn)定性的“半導(dǎo)體性光刻膠”，不僅能規(guī)避有機(jī)電子學(xué)光刻兼容性差的難題，還可極大簡(jiǎn)化有機(jī)電路加工流程。目前主流的可光交聯(lián)有機(jī)半導(dǎo)體是基于側(cè)鏈交聯(lián)，其光刻分辨率、電學(xué)性能特別是工藝穩(wěn)定性無(wú)法達(dá)到“半導(dǎo)體性光刻膠”的要求。
復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和復(fù)旦大學(xué)分子材料與器件實(shí)驗(yàn)室魏大程課題組長(zhǎng)期致力于研究新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料、晶體管設(shè)計(jì)原理以及晶體管在光電、化學(xué)、生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。近日，魏大程課題組聯(lián)合美國(guó)康寧公司報(bào)道了一種綜合性能優(yōu)異、與全光刻工藝兼容的“半導(dǎo)體性光刻膠”(SP-1)。6月18日，相關(guān)研究成果以《一種面向全光刻有機(jī)電子學(xué)的綜合性納米互穿結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體性光刻膠》“A Comprehensive Nano-Interpenetrating Semiconducting Photoresist Towards All-Photolithography Organic Electronics”為題發(fā)表于《科學(xué)-進(jìn)展》（Science Advances）。
研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)光交聯(lián)有機(jī)半導(dǎo)體的交聯(lián)側(cè)鏈與導(dǎo)電骨架形成的內(nèi)穿（intra-penetrating）結(jié)構(gòu)會(huì)影響分子有序堆積，難以獲得較高的載流子遷移率，對(duì)性能的穩(wěn)定性和一致性造成影響。該研究提出了納米互穿（nano-interpenetrating）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，不僅實(shí)現(xiàn)了亞微米圖案分辨率，而且有利于實(shí)現(xiàn)緊密π-π堆疊，材料具有更高的工藝穩(wěn)定性。通過(guò)光刻制造的有機(jī)薄膜晶體管 (OTFT)的遷移率達(dá)1.64 cm2 V-1 s-1，是目前光交聯(lián)有機(jī)半導(dǎo)體的最高值，并且在顯影劑和剝離溶劑中浸泡1000分鐘后幾乎保持100%性能。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)電路的全光刻加工，制造出有機(jī)邏輯電路元件、OTFT陣列和柔性O(shè)TFT陣列。晶體管密度達(dá)1.1×105 units cm-2，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)有機(jī)電子印刷工藝，為高集成有機(jī)電路和系統(tǒng)的精準(zhǔn)制造提供了新的材料和工藝途徑。
復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一單位；復(fù)旦大學(xué)分子材料與器件實(shí)驗(yàn)室為第二單位；復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士研究生陳仁忠為第一作者；復(fù)旦大學(xué)魏大程研究員和美國(guó)康寧公司李陽(yáng)博士為通訊作者。復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系、分子材料與器件實(shí)驗(yàn)室劉云圻院士等參與了該研究，美國(guó)康寧公司提供了有機(jī)半導(dǎo)體材料。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、中科院先導(dǎo)計(jì)劃、復(fù)旦大學(xué)和美國(guó)康寧公司的支持。
