[發(fā)明專(zhuān)利]一種多層有機(jī)單晶結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710736116.5
• 申請(qǐng)日: 2017-08-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109423696B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 后藤修;陳默;曾興為;魏瀟赟;孟鴻
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京大學(xué)深圳研究生院
• 主分類(lèi)號(hào): C30B29/54
• 分類(lèi)號(hào): C30B29/54;C30B23/00
• 代理公司: 深圳市順天達(dá)專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 44217
• 代理人: 郭偉剛

本發(fā)明涉及一種多層有機(jī)單晶結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)裝置，利用多種有機(jī)半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)pn結(jié)、異質(zhì)結(jié)、量子阱、多量子阱等多層有機(jī)單晶結(jié)構(gòu)。該設(shè)備特征為：1.至少具有兩個(gè)溫度控制區(qū)域，分別用于材料的升華和單晶的生長(zhǎng)；2.兩個(gè)溫度控制區(qū)域相鄰平行，溫度可快速、獨(dú)立調(diào)控；3.第一層單晶生長(zhǎng)結(jié)束后，無(wú)需單晶表面與空氣接觸即可完成源材料的更換，進(jìn)行后續(xù)第二層單晶生長(zhǎng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及有機(jī)半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多層有機(jī)單晶結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)裝置。

背景技術(shù)

pn結(jié)是制備太陽(yáng)能電池(SC)、發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和雙極型晶體管等光電及電子半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。目前，備受期待的下一代光電器件——有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，應(yīng)用于電視和顯示屏的制備，并逐步走入人們的生活。然而，除OLED之外的其他器件，例如有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSC)、有機(jī)激光器(OLD)等，仍處于基礎(chǔ)研究和深入理解的發(fā)展階段。

相較于有機(jī)多晶材料，有機(jī)單晶材料消除了晶界干擾、具有高度有序的結(jié)構(gòu)，因而能夠反映材料本征的載流子傳輸特性，以有機(jī)單晶薄膜為活性層制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFT)已被廣泛應(yīng)用于材料的性能研究。由于生長(zhǎng)多層單晶結(jié)構(gòu)具有極大的技術(shù)難度，目前的研究仍主要集中于以于單層單晶薄膜為基礎(chǔ)的器件結(jié)構(gòu)。前人的開(kāi)創(chuàng)性工作展現(xiàn)了有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域的蓬勃生機(jī)和未來(lái)的無(wú)限可能，紅熒烯(rubrene)作為高性能p型有機(jī)半導(dǎo)體材料的代表，其單晶TFT的遷移率高達(dá)40cm²/Vs，^[1]并具有各向異性的傳輸特性。^[2,3]此外，紅熒烯單晶中激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米，而相應(yīng)多晶中擴(kuò)散長(zhǎng)度僅有數(shù)納米。^[4]遷移率及激子擴(kuò)散長(zhǎng)度的優(yōu)勢(shì)使得有機(jī)單晶pn結(jié)成為了制備高性能機(jī)太陽(yáng)能電池(OSC)的理想單元。已有文獻(xiàn)報(bào)道，利用n型和p型材料的混合溶液可生長(zhǎng)有機(jī)單晶SC結(jié)構(gòu)。^[5,6]盡管該方法成功獲得了雙層單晶結(jié)構(gòu)，但器件效率極低，更關(guān)鍵的問(wèn)題在于，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單晶薄膜的尺寸和厚度控制。如果能夠發(fā)展生長(zhǎng)單晶p-i-n結(jié)構(gòu)(包括異質(zhì)結(jié)構(gòu))的方法，那么就能利用有機(jī)材料設(shè)計(jì)和制備性能可與無(wú)機(jī)材料媲美的器件。然而，由于缺乏合適的制造設(shè)備，目前仍難以獲得可精確控制界面、厚度的全單晶結(jié)構(gòu)。

目前，有許多研究機(jī)構(gòu)致力于單晶PN結(jié)和異質(zhì)結(jié)的制備，然而鮮有文獻(xiàn)報(bào)道成功案例。日本的課題組研究了以單晶并四苯^[3]或并五苯^[4-5]薄膜為襯底，生長(zhǎng)C₆₀的機(jī)理。他們利用真空蒸鍍?cè)O(shè)備，通過(guò)改變襯底溫度生長(zhǎng)C₆₀，然而獲得的第二層薄膜并非單晶。其他課題組嘗試研究有機(jī)pn結(jié)的特性，但是同樣無(wú)法在有機(jī)單晶襯底上成功生長(zhǎng)第二層單晶。在這種情況下，胡文平、Briseno及共同作者使用十六氟酞菁銅(F₁₆CuPc，n型材料)和酞菁銅(CuPc，p型材料)，利用氣相外延生長(zhǎng)的方法獲得了有機(jī)單晶pn結(jié)納米帶。^[6]他們將預(yù)先生長(zhǎng)的酞菁銅單晶納米帶作為外延生長(zhǎng)的模板，誘導(dǎo)十六氟酞菁銅形成一維的單晶異質(zhì)結(jié)，并研究了基于該單晶異質(zhì)結(jié)的有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。盡管這一工作完成了生長(zhǎng)有機(jī)單晶異質(zhì)結(jié)的挑戰(zhàn)，卻無(wú)法系統(tǒng)性地進(jìn)行更深入的研究。因此，必須發(fā)展一套生長(zhǎng)單晶pn、異質(zhì)結(jié)和多層結(jié)構(gòu)的新方法。參考文獻(xiàn)

[1]J.Takeya,M.Yamagishi,Y.Tominari,R.Hirahara,Y.Nakazawa,T.Nishikawa,T.Kawase,T.Shimoda,S.Ogawa,Appl.Phys.Lett.90,102120(2007).

[2]V.C.Sundar,J.Zaumseil,V.Podzorov,E.Menard,R.L.Willett,T.Someya,M.E.Gershenson,J.A.Rogers,Science 303,1644(2004).

[3]C.Reese and Z.Bao,Adv.Mater.19,4535(2007).