基于通用微光刻策略的超集成可贴合有机晶体管

《Nature Communications》：Superintegrated conformable organic transistors based on a universal microlithographic strategy

为解决高性能可贴合有机电子器件难以实现高水平集成的商业化瓶颈，研究人员开展了基于双保护层光刻策略的超集成可贴合有机晶体管研究。该研究提出了一种通用且非破坏性的DPL光刻技术，实现了所有有机材料（包括导体、半导体和绝缘体）的0.5μm精度图案化，成功制备出器件密度达64,288 transistors/cm2、迁移率达2.21 cm2V?1s?1的OTFT阵列，最高密度可扩展至5,120,000 transistors/cm2且保持~1 cm2V?1s?1迁移率。这项工作为超高密度高性能可贴合器件提供了通用晶圆级制造路径，推动了柔性电子产业化进程。

　　

在可穿戴设备和植入式电子设备迅猛发展的今天，可贴合电子器件因其能够无缝贴合人体皮肤或任意形状物体表面而展现出独特优势。其中，有机薄膜晶体管（OTFT）作为有机逻辑电路和有源矩阵显示器的核心元件，发挥着不可替代的作用。尽管过去几十年里OTFT的载流子迁移率已显著提升至超过90 cm2V?1s?1，但高性能可贴合OTFT的集成化仍是制约其商业化的关键瓶颈。

传统光刻技术虽然能在纳米尺度实现高精度复杂图案的制备，但由于有机材料固有的脆弱性，极易在光刻过程中受到有机溶剂的侵蚀而性能劣化。尽管研究人员已开发出正交光刻、耐溶剂有机材料合成和光交联图案化等多种策略，但这些方法往往需要在器件集成度和迁移率之间进行权衡，难以同时满足高性能和高集成度的工业化需求。

针对这一挑战，东北师范大学物理学院的研究团队在《Nature Communications》上发表了题为"Superintegrated conformable organic transistors based on a universal microlithographic strategy"的研究论文，提出了一种简单而高效的双保护层光刻（DPL-photolithography）策略。该策略通过引入抗溶剂和抗水正交保护层，在光刻过程中有效屏蔽有机薄膜免受溶剂侵蚀，实现了对所有有机材料的非破坏性高精度微光刻。

关键技术方法包括：采用聚乙烯醇（PVA）作为抗溶剂层和共轭聚合物DPPT-TT作为抗水层构建双保护系统；通过优化保护层材料选择与厚度范围（PVA:200-825nm，DPPT-TT:20-160nm）；利用紫外光刻设备实现0.5μm特征尺寸图案化；采用晶圆级加工工艺制备底栅顶接触结构的全光刻可贴合OTFT阵列；通过电学性能测试和机械稳定性评估验证器件可靠性。

设计理念

DPL光刻策略的核心设计是在光刻过程中引入超薄正交抗溶剂/抗水保护层。PVA作为抗溶剂层可有效阻挡光刻胶溶剂对下层有机材料的侵蚀，而DPPT-TT抗水层则能延缓水基显影剂和定影剂的横向腐蚀。这种协同保护机制确保了整个光刻过程中亚微米图案的精确复制，聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）截面图像显示仅有轻微的正梯形侧壁，未观察到横向腐蚀现象。

共轭聚合物的水阻滞机制

通过系统比较共轭聚合物DPPT-TT和非共轭聚合物PMMA作为抗水层的效果，研究发现DPPT-TT能在20-160nm厚度范围内实现100%的光刻图案良率，而PMMA需要厚度超过275nm且良率最高仅达84.67%。二维有限元分析模拟表明，50nm厚度的DPPT-TT薄膜需要60s才能被水分子完全渗透，而PMMA薄膜仅需6s，这种显著差异源于共轭聚合物通过π-π相互作用实现的紧密分子堆叠，形成超薄致密薄膜。

光刻有机导电材料

采用DPL光刻策略对PEDOT:PSS进行图案化，实现了0.5μm线宽的精确定制，这是迄今为止紫外光刻PEDOT:PSS的最小尺寸报道。原子力显微镜（AFM）测量显示DPL光刻薄膜与原始薄膜具有几乎相同的微观形貌和均方根粗糙度值（1.90nm vs 1.87nm），电流-电压特性曲线完全重叠，平均电导率保持在2471S/cm，显著优于传统光刻方法。

光刻有机半导体材料

研究成功对多种有机半导体材料（包括p型聚合物IDT-BT、p型小分子DNTT和n型小分子PTCDI-C13）进行DPL光刻。与遭受严重化学损伤的传统光刻样品不同，DPL光刻的所有半导体薄膜在形貌和粗糙度方面都与原始薄膜高度一致。基于DPL光刻有机半导体的OTFT器件场效应性能与原始器件几乎相同，而传统光刻器件因溶剂效应出现显著性能退化。

光刻有机绝缘材料

该策略同样适用于有机绝缘材料，包括水基PVA和葡聚糖、溶剂基PMMA和PS以及弹性体SEBS。DPL光刻的绝缘薄膜在颜色、厚度和微观结构方面均未发生变化，电容值和漏电流密度与原始薄膜参数相同，而传统光刻的绝缘薄膜因溶胀效应出现几个数量级的性能恶化。

全光刻可贴合OTFT

基于DPL光刻策略成功制备了全光刻底栅顶接触可贴合OTFT阵列，器件密度达到64,288 transistors/cm2，最高迁移率达2.21 cm2V?1s?1。10×10晶体管阵列显示出良好的正态分布特性，256个阵列在不同晶圆区域的平均迁移率为1.31 cm2V?1s?1，标准偏差仅为0.24 cm2V?1s?1，表明优异的均匀性。当进一步缩小器件尺寸至通道长度0.5μm、宽度1.5μm时，器件密度达到惊人的5.12 million transistors/cm2，平均迁移率保持在0.64 cm2V?1s?1。特别值得注意的是，当通道长度和宽度都缩小至0.9μm时，平均迁移率仍高达2.83 cm2V?1s?1，最大迁移率达3.19 cm2V?1s?1。

操作与机械稳定性

器件在101次连续扫描后转移特性曲线高度重合，经过约10,000次连续开关循环后仍保持快速稳定的开关状态。通过将器件置于书脊进行多次折叠测试，在100,000次折叠循环后，饱和区迁移率从初始1.48 cm2V?1s?1略微下降至1.35 cm2V?1s?1，阈值电压和开态电流仅出现微小波动，展现出卓越的机械耐久性。

亚微米电路和显示驱动应用

成功制备了密度达14,000 devices/cm2的亚微米柔性自举逆变器，当负载和驱动晶体管的通道长度均为0.9μm、宽度比为1:15时，输出电压行为表现出良好的逻辑电平保持能力，电压增益大于3。同时开发了由全光刻可贴合OTFT和OLED组成的可贴合有源显示驱动器，通过扫描施加在OTFT上的栅极/漏极电压精确控制像素电流，成功实现了23°C显示器的亮度调节，在人工手上展现出无缝贴合特性。

这项研究通过巧妙的双保护层设计，成功解决了有机电子器件高精度图案化与高性能特性难以兼顾的长期挑战。DPL光刻策略不仅实现了0.5μm的特征尺寸精度，更在对所有有机材料通用的前提下，达到了100%的光刻图案良率。所制备的全光刻可贴合OTFT阵列在器件密度（5.12 million transistors/cm2）和迁移率（3.19 cm2V?1s?1）方面均显著超越以往报道，同时具备优异的操作稳定性和机械耐久性。这项工作为各种微型化可贴合有机电子器件的集成提供了通用平台，在超髙密度、高性能柔性电子产品开发方面展现出强大应用潜力。