有机铁电晶体材料的制备方法以及有机铁电晶体材料与流程

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种有机铁电晶体材料的制备方法以及有机铁电晶体材料。

背景技术：

有机分子单晶由于分子排列长程有序性、缺陷密度和晶界小，是微纳光电器件的最佳选择。然而由于熵效应，有机晶体生长位置和方向具有随机性。目前主流的有机材料蒸镀工艺，制备的有机分子排列无序，膜内微晶取向各异，很难有择优取向，且它需要复杂的工艺设备以及高温、高真空度，时间久，制备成本高。

而制备高密度微纳集成器件，需要在光刻技术基础上，制备有机分子单晶。有机材料分子以范德华力结合，在溶液中很容易被破坏原有结构，无法生长后进行光刻，难以实现有序集成器件的应用。目前的方式是先进行“lift-off”光刻后，再进行选区生长使单晶薄膜图案化。

除了气相蒸镀法，目前有一些工艺采用溶液选区生长方法，将有机分子单晶图案化。比如滴铸法、浸渍提拉法、喷墨打印法，这些方法都可以获得具有一定取向的晶体甚至单晶，但是良率有限，仍然无法控制晶体生长方向，膜内微晶的取向各异，有机微纳单晶材料的阵列化与图案化面积小，对于有机光电子阵列器件无法保证器件的均一性和稳定性。

对于铁电存储器件，有着抗辐射、非易失性优点，其中铁电随机存储器fram是把铁电电容集成于现有cmos电路之上，利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的写入与读取。这种读出是破坏性的，读出后需重新写入数据。所以fram在信息读取过程中伴随着大量的擦除和重写的操作，这种破坏性读取(dro)的工作状态是造成这类铁电存储器疲劳失效的根源。另一类铁电存储器是铁电场效应晶体管ffet，它以铁电薄膜取代常规场效应晶体管中的栅介质层，读取信息时只需在源漏之间施加一读脉冲，根据源漏电流的大小即可读出所存储的信息，而无需使栅极的极化状态反转，因而对所存储信息的读出是非破坏性的，无需刷新。然而类铁电存储器不利用器件集成，很难实现高密度存储。同时读取信息时，需要施加脉冲，增加器件功耗。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种有机铁电晶体材料的制备方法以及有机铁电晶体材料，能够获得单一取向、高质量、结晶均一的有机分子单晶以及微纳存储阵列器件。

为了解决上述问题，本发明提供了一种有机铁电晶体材料的制备方法，包括如下步骤：提供衬底；在所述衬底表面形成条状沟槽；将有机铁电晶体材料的溶液滴入沟槽中；采用刮刀顺沟槽方向刮涂所述溶液，利用刮刀对溶液的剪切力，使溶液定向生长，得到相同取向的有机铁电晶体单晶阵列。

可选的，在刮涂后还包括退火步骤，以提高结晶度。

可选的，在所述衬底表面形成条状沟槽的步骤，进一步是采用图形化的光刻胶在所述衬底表面形成沟槽。

可选的，所述有机铁电晶体材料是hda-bii5，并配置为1wt％～10wt％浓度的有机溶液。

可选的，所述衬底选自于硅片、二氧化硅片、pet、pi、以及石英中的任意一种。

可选的，所述衬底选是带有条形金属电极的衬底，所述金属电极的材料选自于氧化铟锡、铬、以及金中的任意一种。

可选的，所述的刮涂是用步进电机控制一水平刮刀，刮刀保持等速和恒定角度下水平移动，刮刀与水平线角度范围是5°～50°，刮刀速率范围是15μm～45μm，刮刀与衬底的间距范围是20μm～200μm。

可选的，在刮涂之前将衬底加热至40～80℃，保持刮涂时温度恒定。

为了解决上述问题，本发明提供了一种有机铁电晶体材料，包括：衬底；所述衬底表面的条状沟槽；沟槽中的具有相同取向的有机铁电晶体单晶阵列。

可选的，所述有机铁电晶体材料是hda-bii5。

上述技术方案提供了一种刮涂法制备的有机分子单晶薄膜和光电流非破坏性读取的有机铁电阵列存储器件，将传统的光刻图案化技术与刮涂工艺相结合，成功制备了单一取向、高质量、结晶均一的有机分子单晶以及微纳存储阵列器件，推进光电流非破坏性读取的有机铁电阵列存储器件的应用。

附图说明

附图1所示是本发明一具体实施方式所述步骤示意图。

附图2a至附图2d所示是本发明一具体实施方式所述步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的有机铁电晶体材料的制备方法以及有机铁电晶体材料的具体实施方式做详细说明。

以下结合附图给出本发明的具体实施方式。附图1所示是本具体实施方式所述步骤示意图，包括：步骤s10，提供衬底；步骤s11，在所述衬底表面形成条状沟槽；步骤s12，将有机铁电晶体材料的溶液滴入沟槽中；步骤s13，采用刮刀顺沟槽方向刮涂所述溶液，利用刮刀对溶液的剪切力，使溶液定向生长，得到相同取向的有机铁电晶体单晶阵列。

附图2a所示，参考步骤s10，提供衬底20。所述衬底20选自于硅片、二氧化硅片、pet、pi、以及石英中的任意一种。在本具体实施方式中，所述衬底选是预先生长了条形金属电极21的衬底，所述金属电极21的材料选自于氧化铟锡、铬、以及金中的任意一种。例如，可采用双层金属cr/au,其中cr作为粘合金属，厚度分别为5nmcr和50nmau。

附图2b所示，参考步骤s12，在所述衬底20表面形成条状沟槽22。采用图形化的光刻胶在所述衬底表面形成沟槽。进一步是将带有条形金属电极21的衬底20放入旋涂机吸盘上，旋涂光刻胶，经过前烘、曝光、后烘、显影、坚膜，获得2μm宽度和间距的光刻胶条纹，整体尺寸为3×3mm。

附图2c所示，参考步骤s12，将有机铁电晶体材料的溶液23滴入沟槽22中。每个沟槽中优选注入2～10μl。在本具体实施方式中，所述溶液23是选择适合的溶剂，将有机分子溶于该溶剂中。所述有机铁电晶体材料是hda-bii5，具有可见光波段吸收的性质，并配置为1wt％～10wt％浓度的有机溶液。

附图2d所示，参考步骤s13，采用刮刀24顺沟槽22方向刮涂所述溶液23，利用刮刀24对溶液23的剪切力，使溶液23定向生长，得到相同取向的有机铁电晶体单晶阵列。在一个具体实施方式中，可以在刮涂之前将衬底加热至40～80℃，保持刮涂时温度恒定。优选的，所述的刮涂是用步进电机(未图示)控制一个水平刮刀，刮刀保持相同速率和角度下水平移动。刮刀与水平线角度控制在5°～50°，刮刀速率为15～45μm，刮刀与衬底的间距为20～200μm。在刮涂后还可以实施退火步骤，以提高结晶度

上述工艺采用刮涂的方法制备hda-bii5的单晶阵列及光电流读取的非破坏性存储器件，配制有机铁电分子溶液，带有底电极的衬底进行图案化获得阵列图形，通过刮涂和加热衬底，在指定位置上生长具有一定方向的单晶阵列和微纳阵列存储器件。利用溶液自身的粘性及张力，以及刮刀对溶液的剪切力，使溶液定向生长，且可控的生长在图案化的图形上，可得到相同取向的有机分子单晶阵列，制备的有机铁电存储器具有光电流读取，非破坏性读取信息，无需施加额外电压脉冲，功耗低的优点。

以下给出一个实施例。

(1)配制有机铁电分子溶液。

刮涂法选区生长首先配制所需溶液，其中溶质为有机分子铁电材料hda-bii5。溶剂采用粘度较大、挥发较慢的溶剂dmf，一方面粘度较大，可以使刮刀更容易带动溶液移动，溶液更易选区在光刻胶之间；另一方面刮涂速率较慢，溶剂挥发太快会使刮涂未完成溶液就已经结晶，导致刮涂无法对溶液实现可控生长。

(2)制备图案化光刻胶条纹。

采用su82000.5的传统光刻工艺，采用su8光刻胶而非1805等正胶，原因在于su8与dmf溶剂更兼容。首先在衬底上涂覆一层su8光刻胶，旋涂后在100℃热板前烘2min。待衬底冷却后，进行曝光反应，在100℃热板上第二次前烘2min。之后经过显影、坚膜，获得具有2μm宽度和间距的条形阵列图形。uvozone下处理15min，去掉多余光刻胶残留，目的是为了是生长铁电单晶与衬底接触更好。

(3)刮涂法选区生长有机分子铁电薄膜。

以有机分子铁电hda-bii5为例，衬底置于50℃的加热台上，调整刮刀与水平方向夹角为30℃，与衬底间距至100μm保持稳定，在其间距中用移液枪滴入配好的3oq溶液5μl，启动水平移动平台使刮刀以30μm的速率延着水平方向刮涂。至刮涂结束后，将衬底移到120℃加热台上退火2h，以提高结晶度。

(4)制备铁电阵列存储器件。

将制备好的hda-bii5单晶阵列表面覆盖掩模版，放入热蒸发镀膜机内，沉积100×100μm宽度和间距的上电极金属阵列，获得电容式的有机铁电阵列存储器件。

通过这一方法，可以制得毫米尺寸的100％单晶薄膜阵列，所制备的hda-bii5单晶阵列通过偏光显微镜(cpom)及tem证实了单晶性质及取向，使铁电性能得到优化。制备的有机铁电存储阵列器件，可以在光电流开关下读取存储信息，实现铁电的非破坏性读取且无需施加脉冲电压，降低了器件功耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。