CN108342779A - 一种有机单晶微米带p-n异质结阵列的生长方法 - Google Patents

一种有机单晶微米带p-n异质结阵列的生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种有机单晶微米带P‑N异质结阵列的生长方法。该方法包括：提供一基底，并对基底进行光刻以获得负性的光刻胶阵列；利用疏水型的单分子层溶液对光刻胶阵列进行修饰，以获得光刻胶模板；将光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入N型材料的溶液中，直至光刻胶模板完全浸入N型材料的溶液后取出光刻胶模板，以在光刻胶模板上形成N型单晶微米带；将光刻胶模板按竖向放置的方式浸入P型材料的溶液中，直至光刻胶模板完全浸入P型材料的溶液后取出光刻胶模板，以在光刻胶模板上形成P型单晶微米带，从而形成有机单晶微米带P‑N异质结阵列。制备的微米带P‑N异质结阵列均为单晶材料，且可以准确定位生长具有上下叠层结构的P‑N异质结。

Description

一种有机单晶微米带P-N异质结阵列的生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种有机单晶微米带P-N异质结阵列的生长方法。
背景技术
有机单晶半导体具有高度有序的分子排列，这一结构特点使其具有高的载流子迁移率，因此它在有机电路中具有广泛的潜在应用。目前，有多种方法对有机单晶进行图案化或阵列化，比如喷墨打印、溶液法刮涂和通过模板自组装等方法。据报道通过这些方法进行图案化或阵列化的有机单晶的迁移率可以超过10cm2V-1s-1。然而，这些有机材料大多数都只具备单极性如P型或N型的性质，这影响了它们在互补型金属氧化物半导体电路(CMOS电路)以及新器件如发光晶体管中的应用。
CMOS电路在同一个载流子传输沟道中需要两种不同类型的材料同时存在，目前通常是构筑上下叠层的P-N结来达到CMOS电路的要求。因此，准确定位生长上下叠层的有机单晶P-N结对于有机电子器件来说十分重要。现有技术中通常有两种方法可以构筑上下叠层的P-N结，一种是采用分步蒸镀的方法，另一种是利用表面能区域化的方法。
其中，采用分步蒸镀的方法获得的上下叠层的材料都是多晶材料，并且材料的迁移率很低。利用表面能区域化的方法具体是利用自组装单分子层对基底的表面进行表面能区域化修饰，使其不同的区域具有不同的表面能大小，以此来诱导有机单晶材料的图案化或阵列化生长，表面能高的区域更易有机材料的生长，表面能低的区域则相反。这种表面能区域化的方法可以更大精度地对有机材料进行图案化或阵列化。然而，这种方法较难控制上层的材料准确生长在预先构筑好的第一层材料上，换句话说，这种方法无法准确定位生长上层的单晶材料。
因此，急需一种方法可以实现准确定位生长上下叠层的P-N结材料，以备其在CMOS电路中的运用。
发明内容
本发明的一个目的是准确定位生长上下叠层的P-N结材料。
本发明的另一个目的是构筑载流子迁移率高的单晶材料。
本发明提供了一种有机单晶微米带P-N异质结阵列的生长方法，包括如下步骤：
提供一基底，并对所述基底进行光刻以获得负性的光刻胶阵列，所述光刻胶阵列为间隔开布置的多个光刻胶条纹形成的阵列；
利用疏水型的单分子层溶液对所述光刻胶阵列进行修饰，以获得具有亲疏水性的负性的光刻胶模板；
将N型材料溶解在第一溶剂中，以获得N型材料的溶液，并将所述光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入所述N型材料的溶液中，直至所述光刻胶模板完全浸入所述N型材料的溶液后取出所述光刻胶模板，以在所述光刻胶模板上形成N型单晶微米带，其中，所述竖向放置的方式为将所述光刻胶模板按照所述光刻胶条纹沿竖向方向延伸的方式放置；
将P型材料溶解在第二溶剂中，以获得P型材料的溶液，并将形成有N型单晶材料的所述光刻胶模板按照所述竖向放置的方式浸入所述P型材料的溶液中，直至所述光刻胶模板完全浸入所述P型材料的溶液后取出所述光刻胶模板，以再在所述光刻胶模板上形成P型单晶微米带，从而形成有机单晶微米带P-N异质结阵列。
可选地，所述N型材料选择成耐高温且仅在高于一预设温度时才溶解的N型材料。
可选地，所述N型材料选为苝酰二亚胺的衍生物。
可选地，所述第一溶剂和所述第二溶剂具有不同的极性。
可选地，所述第一溶剂和所述第二溶剂的极性的差值大于或等于一预设差值。
可选地，所述疏水型的单分子层溶液选自十八烷基三氯硅烷、十八烷基膦酸、苯基三氯硅烷和3-氨基丙基-三乙氧基硅烷中的一种或多种的组合。
可选地，所述有机单晶微米带P-N异质结阵列是由多个有机单晶微米带P-N结以阵列排布的方式布置在所述光刻胶模板上，每一有机单晶微米带P-N异质结包括N型单晶微米带和P型单晶微米带，所述P型单晶微米带形成在所述N型单晶微米带的表面上，并至少部分地覆盖所述N型单晶微米带的表面。
可选地，每一有机单晶微米带P-N异质结中的N型单晶微米带在所述光刻胶模板上沿着一个光刻胶条纹的一侧边缘生长；
该有机单晶微米带P-N异质结中的P型单晶微米带形成在所述N型单晶微米带的表面上。
可选地，将所述光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入所述N型材料的溶液中之前还包括如下步骤：
加热所述N型材料的溶液，并使所述N型材料的溶液达到一预设温度。
可选地，将形成有N型单晶材料的所述光刻胶模板按照所述竖向放置的方式浸入所述P型材料的溶液中，其中，所述P型材料的溶液为常温。
根据本发明的方案，本申请的发明人开创性地提出本发明方法以生长有机单晶微米带P-N异质结阵列，该方法通过采用三维的光刻胶模板，并利用表面能区域化以及溶液生长相结合的方法成功构筑了上下叠层的有机单晶微米带P-N异质结阵列。此外，利用该方法制备出的P-N异质结阵列材料均为单晶材料，克服了蒸镀带来的多晶材料的弊端，且可以准确定位生长具有上下叠层结构的P-N异质结。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的有机单晶微米带P-N异质结阵列的生长方法的示意性流程图；
图2是根据本发明一个实施例的光刻胶模板的扫描电子显微镜图；
图3是根据本发明一个实施例的光刻胶模板的示意性结构图；
图4是根据本发明一个实施例的有机单晶微米带P-N异质结阵列的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的有机单晶微米带P-N异质结阵列的生长方法的示意性流程图。如图1所示，该生长方法包括如下步骤：
S100、提供一基底，并对基底进行光刻以获得负性的光刻胶阵列，光刻胶阵列为间隔开布置的多个光刻胶条纹形成的阵列；
S200、利用疏水型的单分子层溶液对光刻胶阵列进行修饰，以获得具有亲疏水性的负性的光刻胶模板；
S300、将N型材料溶解在第一溶剂中，以获得N型材料的溶液，并将光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入N型材料的溶液中，直至光刻胶模板完全浸入N型材料的溶液后取出光刻胶模板，以在光刻胶模板上形成N型单晶微米带，其中，竖向放置的方式为将光刻胶模板按照光刻胶条纹沿竖向方向延伸的方式放置；
S400、将P型材料溶解在第二溶剂中，以获得P型材料的溶液，并将形成有N型单晶材料140的光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入P型材料的溶液中，直至光刻胶模板完全浸入P型材料的溶液后取出光刻胶模板，以再在光刻胶模板上形成P型单晶微米带150，从而形成有机单晶微米带P-N异质结阵列。
根据本发明实施例的方案，本申请的发明人开创性地提出本发明方法以生长有机单晶微米带P-N异质结阵列，该方法通过采用三维的光刻胶模板，并利用表面能区域化以及溶液生长相结合的方法成功构筑了上下叠层的有机单晶微米带P-N异质结阵列。此外，利用该方法制备出的P-N异质结阵列材料均为单晶材料，克服了蒸镀带来的多晶材料的弊端，且可以准确定位生长具有上下叠层结构的P-N异质结。
特别地，步骤S200中利用疏水型的单分子层溶液对光刻胶阵列进行修饰是非常重要的前提性条件。如此可以使得光刻胶条纹之间的沟道可以在N型材料和P型材料的溶液浸入光刻胶模板时形成弯液面，以使得N型材料和P型材料沿着光刻胶条纹的边缘生长。其中，疏水型的单分子层例如可以是十八烷基三氯硅烷、十八烷基膦酸、苯基三氯硅烷和3-氨基丙基-三乙氧基硅烷中的一种或多种的组合。图2示出了根据本发明一个实施例的光刻胶模板的扫描电子显微镜图。从图2可以明显地区分出光刻胶条纹和沟道，光刻胶条纹的高度高于沟道。图3示出了根据本发明一个实施例的光刻胶模板的示意性结构图。由图3可知，光刻胶条纹120间隔开布置在基底110上，疏水型的单分子层130形成在基底110上。
特别地，N型材料选择成耐高温且仅在高于一预设温度时才溶解的N型材料。在一个实施例中，N型材料选为苝酰二亚胺(PTCDI)的衍生物，例如BPE-PTCDI和TC-PTCDI。P型材料为任意选择的P型材料，例如可以选择为在常温下可以溶解的P型材料。P型材料例如可以是并五苯系列材料。选择合适的N型材料和P型材料可以更为精准地定位生长出上下叠层的P-N结材料，其中“上下叠层”是指所述P型材料对准地形成在所述N型材料上，以形成叠层的P-N异质结。
在步骤S300中，将光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入N型材料的溶液中之前还包括如下步骤：加热N型材料的溶液，并使N型材料的溶液达到上述预设温度。如此可以使得N型材料在可以在第一溶剂中完全溶解，从而在光刻胶模板上形成N型单晶微米带。
在步骤S400中，将形成有N型单晶微米带的光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入P型材料的溶液中，其中，P型材料的溶液为常温。即可以在常温下生长出P型单晶微米带150。可以理解的是，在常温下生长可以减少对P型材料的破坏，由此生长出高质量的P型单晶微米带。
其中，第一溶剂和第二溶剂具有不同的极性。在一个实施例中，第一溶剂和第二溶剂的极性的差值不小于一预设差值。例如第一溶剂可以选择为邻二氯苯，其极性为2.7，第二溶剂可以选择为甲苯，其极性为2.4，第一溶剂和第二溶剂的极性的差值为0.3。第一溶剂和第二溶剂也可以选择为其它溶剂，选取的标准为，N型材料在常温下在第一溶剂中的溶解度是非常差的，在温度高于上述预设温度时是可以溶解的，P型材料在常温下在第二溶剂中的溶解度是比较好的。例如，还可以是，第一溶剂可以选择为氯苯，其极性为2.7，第二溶剂可以选择为对二甲苯，其极性为2.5。
N型材料和P型材料的合理选择，以及第一溶剂和第二溶剂的合理选择，对于生长出高对准性以及高质量的P-N异质结是非常重要的。并且，在上述方法中，N型材料需要在高温下生长，P型材料在常温下生长，也是发明人经过大量实验验证后所发现的可以获得高质量的有机单晶微米带P-N异质结阵列的重要条件。
有机单晶微米带P-N异质结阵列是由多个有机单晶微米带P-N异质结以阵列排布的方式布置在光刻胶模板上，每一有机单晶微米带P-N异质结包括N型单晶微米带和P型单晶微米带，P型单晶微米带形成在N型单晶微米带的表面上，并至少部分地覆盖N型单晶微米带的表面。如图4所示，每一有机单晶微米带P-N异质结中的N型单晶微米带在光刻胶模板上沿着一个光刻胶条纹的一侧边缘生长，该有机单晶微米带P-N异质结中的P型单晶微米带形成在N型单晶微米带的表面上。
在一个具体的实施例中，有机单晶微米带P-N异质结阵列的生长方法依次包括如下步骤：
S1、清洗氧化硅片，再用臭氧对氧化硅片表面进行处理；
S2、对氧化硅片进行光刻以获得负性的光刻胶阵列(SU-8)，光刻胶阵列为周期性间隔开布置的光刻胶条纹120形成的阵列，光刻胶条纹120的宽度为5μm，两个光刻胶条纹120之间的距离为5μm，其中，相邻两个光刻胶条纹120之间形成负胶沟道；
S3、利用十八烷基三氯硅烷的异丙醇溶液对光刻胶阵列进行修饰，以获得具有亲疏水性的负性的光刻胶模板；
S4、将光刻胶模板放置在提拉机器上，将配置好的BPE-PTCDI的邻二氯苯溶液加热至175℃，并将光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入BPE-PTCDI的邻二氯苯溶液中直至完全浸入，再以一定的速度将光刻胶模板从BPE-PTCDI的邻二氯苯溶液中提拉出来，待溶液完全挥发，则获得N型单晶微米带；
S5、将步骤S4中的光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入配置好的并五苯的甲苯溶液中，在常温条件下以一定的速度将光刻胶模板从并五苯的甲苯溶液中提拉出，待溶液完全挥发，则在N型单晶微米带上生长出P型单晶微米带。
图4示出了根据本发明一个实施例的有机单晶微米带P-N异质结阵列的扫描电子显微镜图。由图4可知，P型单晶微米带对准地生长在N型单晶微米带上，并且P型微米带和N型微米带均是沿着光刻胶模板的边缘进行生长。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种有机单晶微米带P-N异质结阵列的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一基底，并对所述基底进行光刻以获得负性的光刻胶阵列，所述光刻胶阵列为间隔开布置的多个光刻胶条纹形成的阵列；
利用疏水型的单分子层溶液对所述光刻胶阵列进行修饰，以获得具有亲疏水性的负性的光刻胶模板；
将N型材料溶解在第一溶剂中，以获得N型材料的溶液，并将所述光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入所述N型材料的溶液中，直至所述光刻胶模板完全浸入所述N型材料的溶液后取出所述光刻胶模板，以在所述光刻胶模板上形成N型单晶材料，其中，所述竖向放置的方式为将所述光刻胶模板按照所述光刻胶条纹沿竖向方向延伸的方式放置；
将P型材料溶解在第二溶剂中，以获得P型材料的溶液，并将形成有N型单晶材料的所述光刻胶模板按照所述竖向放置的方式浸入所述P型材料的溶液中，直至所述光刻胶模板完全浸入所述P型材料的溶液后取出所述光刻胶模板，以再在所述光刻胶模板上形成P型单晶微米带，从而形成有机单晶P-N结阵列。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述N型材料选择成耐高温且仅在高于一预设温度时才溶解的N型材料。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述N型材料选为苝酰二亚胺的衍生物。
4.根据权利要求2或3所述的生长方法，其特征在于，所述第一溶剂和所述第二溶剂具有不同的极性。
5.根据权利要求4所述的生长方法，其特征在于，所述第一溶剂和所述第二溶剂的极性的差值大于或等于一预设差值。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的生长方法，其特征在于，所述疏水型的单分子层溶液选自十八烷基三氯硅烷、十八烷基膦酸、苯基三氯硅烷和3-氨基丙基-三乙氧基硅烷中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的生长方法，其特征在于，所述有机单晶微米带P-N异质结阵列是由多个有机单晶微米带P-N异质结以阵列排布的方式布置在所述光刻胶模板上，每一有机单晶微米带P-N异质结包括N型单晶微shenqi米带和P型单晶微米带，所述P型单晶微米带形成在所述N型单晶微米带的表面上，并至少部分地覆盖所述N型单晶微米带的表面。
8.根据权利要求7所述的生长方法，其特征在于，每一有机单晶微米带P-N异质结中的N型单晶微米带在所述光刻胶模板上沿着一个光刻胶条纹的一侧边缘生长；
该有机单晶微米带P-N异质结中的P型单晶微米带形成在所述N型单晶微米带的表面上。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的生长方法，其特征在于，将所述光刻胶模板按照竖向放置的方式浸入所述N型材料的溶液中之前还包括如下步骤：
加热所述N型材料的溶液，并使所述N型材料的溶液达到一预设温度。
10.根据权利要求9所述的生长方法，其特征在于，将形成有N型单晶微米带的所述光刻胶模板按照所述竖向放置的方式浸入所述P型材料的溶液中，其中，所述P型材料的溶液为常温。
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CN111647949A (zh) * 2020-04-26 2020-09-11 中国科学院化学研究所 一种可用于有机电泵浦激光的有机单晶微米带及其制备方法和应用
CN111647949B (zh) * 2020-04-26 2021-08-31 中国科学院化学研究所 一种可用于有机电泵浦激光的有机单晶微米带及其制备方法和应用

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