[发明专利]由气相沉积进行有机分子选区生长的普适方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机分子在基底上选区生长的方法。

本发明进一步涉及由这种方法制作的基于有机材料的器件。

背景技术

近五十年来，IV族和III-V族无机半导体在半导体工业中一直扮演着支柱角色。然而，有机半导体由于与同样的无机半导体相比易于加工和潜在的低成本，近年来受到人们极大的关注。有机半导体在有机发光二极管(OLED)、有机场效应管(OFET)、光电器件以及有机半导体激光器中得到应用。一些基于有机半导体材料的产品已经进入市场。然而，其商业前景将在很大程度上取决于决定产品成本的器件制作和封装。

一般而言，有机半导体可分为有确定分子量的小分子和由大量分子重复单元构成的聚合物。聚合物可以用如旋涂或者印刷等简单的加工技术。相比而言，目前小分子半导体表现出更好的性能，如移动性。根据应用的领域，这两种材料都得到关注。由于难溶于常用的有机溶剂，有机小分子量半导体一般常使用物理气相沉积方法来制备。物理气相沉积中使有机分子从热的克努森(Knudsen)炉中挥发后沉积在相对较冷的基底上。物理气相沉积使得对应于器件的结构具有非常均匀和尖锐的界面、材料纯度高以及原材料的高使用率。

在许多器件应用中，一般有效器件区域需要在微米至纳米尺度的水平分辨率进行图案化。结合平板印刷和蚀刻技术，对于无机半导体的图案化工艺已经很成熟。目前，有机分子器件的光平板印刷图案化还很难，原因在于，在暴露于去除光阻或施加光阻图案时使用的水气、氧气或溶剂和显影液后，器件会变差或彻底失效。为了解决这个问题，目前发展了几种图案化的方法。Forrest等通过使用阴影掩模(shadow mask)发展了微米分辨率，比如：用于真空沉积有机发光器件的准确、尺寸可控的阴影掩模(Precise，scalable shadow mask patterning of vacuum-deposited organic light emittingdevices)，Journal of Vacuum Science&Technology A：Vacuum，Surfaces，andFilms--September 1999--Volume 17，Issue 5，pp.2975-2981。该文献中的这种方法要求在真空中精细的阴影掩模的制作和操作。并且，加工大面积的用于具有几微米尺寸的微型器件的阴影掩模是非常困难的。或者，使用压印技术(stamping)用于器件的图案化，并具有几十微米的分辨率。但是，压印技术不均匀，常出现带有缺陷的区域。此外，准分子激光消除法(Excimer laser photoablation)也曾用于有机器件的图案化，并具有充分的分辨率，但由于其速度慢而不适于大规模生产。

选区生长对于有机半导体是一种制作新的电子、光电子和光子器件的方法。选区生长是利用掩模、自组织、表面改性或相分离来使有机材料在所需区域优先生长。其可以用来制作复杂的自对准(self-aligned)器件结构，大大简化后续工艺，广泛应用于无机半导体外延生长、纳米管生长，晶体成核控制和Langmuir-Blodgett(朗格缪-布洛杰特)技术。然而，选取生长技术未曾用于有机半导体器件的图案化和加工。

日本专利JP7069793公开了一种在半导体基底或碳晶体基底上选区生长无机碳晶体的方法。根据JP7069793的方法，在基底的表面上上形成一层隔离掩模，然后此基底用于气相外延生长从而在基底的非隔离区域生长碳晶体。在此方法中，隔离掩模实际上是成核位置图案的的反图象。

发明内容

本发明在此提出一种在基底上选区生长有机分子的方法，包括：在基底上形成有机分子的成核位置的图案，通过气相沉积在该成核位置沉积有机分子。

该选区生长方法背后的一个原理是分子到达基底表面和在基底表面扩散时会寻找能量合适的位置(称为“成核位置”)。成核位置可以是台阶边缘、缺陷、聚集的分子或预先设定的图案，从而导致分子停留下来。如果找到能量合适的位置，分子将在成核位置成核。通过有意识地引入用于表面扩散的能量陷阱和选取选择生长的参数，就可以控制分子在所需区域进行生长，即成核。

选区生长使得有机材料在所需区域进行优先生长。本发明的方法能够达到非常高的分辨率。所提出的选区生长的方法展示了有效的原材料使用率。选取生长无需将器件暴露于如同光平板印刷图案化那样的侵蚀性环境中。相应地在去除或图案化光阻时沉积的有机分子不劣化。本发明进一步提供了一种低成本、省时的基于有机半导体的器件制作和封装工艺。