CN104993052A - 一种多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器及其制备方法，属于半导体行业存储器技术和生物薄膜技术领域。该存储器包括源漏电极、半导体、第二类栅绝缘层、浮栅层、第一类栅绝缘层，所述第一类栅绝缘层为二氧化硅/硅基片，所述半导体与第一类栅绝缘层之间从上到下依次有具有多孔结构聚合物薄膜层和纳米结构浮栅层。本发明通过简单的工艺手段改进存储器性能，使其反复擦写可靠性得到很大提升；并且采用金属铜作为器件源漏电极，降低了器件制备成本，便于推广、应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器及其制备方法，属于半导体行业存储器技术和生物薄膜技术领域。
背景技术
随着现代信息技术的不断发展，电子产品已经成为人们生活中不可或缺的一个成分。人们对于电子产品的要求也越来越高，低成本、柔性、轻质、便携带成为未来电子产品的发展方向。传统的基于无机半导体材料制备的产品很难满足这些要求；而有机聚合物、小分子等半导体材料具有原料来源广、价格低廉、柔性、可大面积制备、低温制备等优点，因此有机场效应晶体管存储器在信息电子领域具有广泛的应用前景。
为了获得实用的有机场效应晶体管(OFET)存储器件，大量的新型材料及一些先进的制备工艺、界面修饰工艺得到大家广泛关注。目前，文献中报道的用于提高OFET存储器性能的方法主要有：(1)利用溶剂效应改变薄膜结晶度，选择适当的溶剂可以有效的提高薄膜的结晶度，还能够使晶粒定向排列，这些都有助于载流子注入，提高器件存储窗口和开关比；(2)控制有机层退火过程，恰当的活性层退火能够提高薄膜结晶度以及表面粗糙度，而低的表面粗糙度有利于减小接触势垒，提高载流子注入能力；(3)对于浮栅存储器，可以控制纳米浮栅粒子的密度、大小等，纳米浮栅场效应存储器利用金属纳米晶作为电荷捕捉元件，可以通过控制纳米晶的种类、大小和密度等精确地控制缺陷能级和缺陷点，使存储器件具有良好的非易失性；(4)引入双浮栅提高存储器性能，非易失性是通过氧化石墨烯纳米粒子和金纳米粒子混合浮栅实现的，该混合浮栅可以增加电荷捕获位点，彼此相互独立，因而抑制所存储的电荷泄漏，在光照时，光子产生的载流子促进电子捕获，而对空穴几乎没有影响；(5)组装包裹纳米浮栅粒子表面提高器件性能，将纳米浮栅表面组装一层有机高介电常数聚合物，能够提高隧穿层的隧穿势垒，使电荷不容易泄漏，提高器件数据可靠性；(6)通过对器件隧穿层聚合物薄膜进行掺杂，改变隧穿层能量势阱结构，使编程态时有利于电荷捕获，而当施加反向电压时又有利于电荷释放，提高存储器性能。
虽然上述措施在某些程度上均能提升器件性能。但是也存在新材料开发成本高、周期长和工艺流程复杂、设备造价比较高等缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提出一种多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器及其制备方法，针对现有OFET存储器所面临的问题，本发明在现有材料的基础上不增加工艺、技术难度，提供一种简单的工艺手段制备具有多孔结构的聚合物薄膜，并将其应用在OFET存储器当中，充当存储器的隧穿层，以提高存储器存储性能。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器，包括源漏电极、半导体、第二类栅绝缘层、浮栅层、第一类栅绝缘层，所述第一类栅绝缘层为二氧化硅/硅基片，其特征在于：所述半导体与第一类栅绝缘层之间从上到下依次有具有多孔结构聚合物薄膜层和纳米结构浮栅层。
优选的，所述多孔结构聚合物薄膜层中聚合物选自高介电常数聚合物材料，所述高介电常数聚合物材为聚苯乙烯或聚甲基苯烯酸甲酯。
优选的，所述纳米结构浮栅层中纳米浮栅粒子选自金纳米粒子或氧化石墨烯GO纳米粒子。
优选的，包括衬底，形成于该衬底之上的栅电极，覆盖于该栅电极之上的第一类栅绝缘层，形成于第一类栅绝缘层之上的纳米浮栅层，形成于该第一类栅绝缘层之上的具有多孔结构的第二类栅绝缘层，所述第二类栅绝缘层为隧穿层，形成于多孔结构的第二类栅绝缘层之上的有机活性层，以及形成于活性层表面沟道区域两侧的源漏电极。
优选的，所述衬底为高掺杂硅片、玻璃片或塑料PET；
所述栅电极采用的材料包括高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽；
所述第一类栅绝缘层采用的材料包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚苯乙烯PS或聚乙烯吡咯烷酮PVP，所述第一类栅绝缘层的薄膜厚度为100～300nm；
所述第二类栅绝缘层的薄膜厚度为50～150nm；
所述有机活性层采用的材料为并五苯、并四苯、钛青铜、红荧烯、并三苯或3-己基噻吩；所述有机活性层采用热真空蒸镀成膜法成膜，覆盖在第二类栅绝缘层表面上形成导电沟道，其厚度为40～50nm；
所述源漏电极材料为金属或有机导体材料，其厚度为60～100nm。
优选的，所述源漏电极材料为铜。
多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置高介电常数材料聚合物溶液，溶于四氢呋喃，浓度5-30mg/ml；
(2)在步骤(1)配置好的高介电常数材料聚合物溶液中掺入一定比例的水，再80KHz超声5～10min形成均一混合溶液；
(3)选择表面有300nm二氧化硅的重掺杂的硅作为基片，清洗赶紧基片后烘干；
(4)在干净的基片表面滴涂纳米金溶液，再将其烘干；
(5)在步骤(4)中制备的浮栅层上面旋涂步骤(2)配置好的混合溶液，厚度为15～150nm，将旋涂好的样品放入烘箱中干燥，先低温干燥60度，后高温干燥100度；
(6)在第二类栅绝缘层上面真空蒸镀半导体层和源漏电极。
优选的，步骤(2)中所述的掺入一定比例的水，其比例为溶液体积比的3～5％。
优选的，步骤(6)所述真空蒸镀半导体材料为并五苯，蒸镀速率为真空度控制在6×10-5pa～6×10-4pa，采用晶振控制厚度在40～50nm；步骤(6)所述真空蒸镀源漏电极为铜，蒸镀速率控制厚度在60～100nm。
10、根据权利要求6所述多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器的制备方法，其特征在于：多孔结构聚合物层旋涂完后的厚度控制在50～150nm，半导体层的厚度为40～50nm，源漏电极为60～100nm。
有益效果：
1、本发明提供一种多孔聚合物薄膜的制备方法，并将其应用在有机场效应晶体管存储器当中，充当器件的隧穿层，包括：a、将聚合物用有机溶剂溶解后，再在溶液中添加第二相得到混合溶液；b、利用Breath-figure原理，将上述混合溶液采用旋涂法制备成薄膜，干燥后得到多孔聚合物薄膜；c、制备有机场效应晶体管存储器，将多孔聚合物薄膜充当存储器件隧穿层，利用多孔效应调节薄膜隧穿势垒，改善器件存储性能。通过测量器件电学性能与多孔薄膜表面形貌，可以判断多孔聚合物薄膜对存储器性能的改善。本发明通过简单的工艺手段改进存储器性能，使其反复擦写可靠性得到很大提升；并且采用金属铜作为器件源漏电极，降低了器件制备成本，便于推广、应用。
2、本发明提供的这种制备多孔聚合物薄膜的方法，简单的选用水作为多孔模板，利用Breath-figure原理使小液滴和聚合物溶液形成均一溶液，利用模板-旋涂法旋涂成膜，干燥得到具有多孔结构的聚合物薄膜。
3、本发明提供的这种有机场效应晶体管存储器结构，能够在不增加工艺复杂度并且在简单的设备制备的前提下，有效的调控隧穿层隧穿势垒，促进存储器在编程/擦除过程中，电荷的隧穿捕获/释放迁移，从而提高器件的读写擦循环能力，为有机存储器的商业化推广提供一种可行的思路。
附图说明
下面结合附图对本发明的作进一步说明。
图1为具有多孔结构的有机场效应晶体管存储器结构示意图；
图2为第一类栅绝缘层表面自组装生长的纳米金浮栅；
图3为具有多孔结构的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的SEM照片；
图4为实例中具有多孔结构的第二类栅绝缘层聚合物薄膜的AFM照片；
图5为实例中基于多孔结构的有机场效应晶体管存储器测试的转移特性曲线；
图6为实例中基于多孔结构的有机场效应晶体管存储器测试的输出特性曲线；
图7为实例中基于多孔结构的有机场效应晶体管存储器测试的存储窗口特性曲线；
图8为实例中基于多孔结构的有机场效应晶体管存储器测试的写入-读取-擦除-读取特性曲线；
图9为实例中基于多孔结构的有机场效应晶体管存储器测试的存储性能维持时间特性曲线；
具体实施方式
实施例一
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一种具有多孔结构的有机场效应晶体管存储器件结构，包括：
衬底；
形成于该衬底之上的栅电极；
覆盖于该栅电极之上的第一类栅绝缘层；
形成于第一类栅绝缘层之上的纳米浮栅层；
形成于该第一类栅绝缘层之上的具有多孔结构的第二类栅绝缘层(隧穿层)；
形成于多孔结构的第二类栅绝缘层之上的有机活性层；以及
形成于活性层表面沟道区域两侧的源漏电极。
所述衬底为高掺杂硅片或者玻璃片或塑料PET。
所述栅电极采用的材料包括高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽。
所述第一类栅绝缘层覆盖在整个栅电极表面，隔离栅电极和第二类栅绝缘层(隧穿层)之间的接触；第一类栅绝缘层采用的材料包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚苯乙烯PS或聚乙烯吡咯烷酮PVP；第一类栅绝缘层要求绝缘性能良好，薄膜厚度可以达到300nm。
所述纳米浮栅均匀分布在第一类栅绝缘层表面上，一般采用自组织生长法或溶液滴涂法制备；纳米浮栅一般采用电荷捕获能力强的金属纳米粒子或有机/无机纳米粒子：金纳米粒子、氧化石墨烯纳米粒子GO。
所述具有多孔结构的第二类栅绝缘层(隧穿层)是由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、水按照一定的比例，用四氢呋喃(THF)作为溶剂配制成溶液，采用Breath-figure原理和旋涂成膜工艺制备的具有多孔结构的薄膜。其厚度介于50nm至150nm之间。
上述方案中，所述的有机活性层覆盖在第二类栅绝缘层表面上形成导电沟道，其厚度介于40-50nm之间，采用热真空蒸镀成膜法成膜，使其与第二类栅绝缘层紧密接触以减小载流子隧穿时的接触势垒，促进载流子的隧穿迁移。有机活性层采用的材料包括并五苯、并四苯、钛青铜、红荧烯、并三苯、3-己基噻吩。
所述的源漏电极，其厚度介于60nm至100nm之间；生长在导电沟道两侧；其材料为金属或有机导体材料，本发明考虑到器件制备成本和后期商业化推广，特选用金属铜作为电极，而非常用的金充当源漏电极；其制备方法为磁控溅射法或喷墨打印法、真空蒸镀法。
上述具有多孔结构的有机场效应晶体管存储器的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置高绝缘性聚合物溶液，将高绝缘性聚合物，用四氢呋喃(THF)作为溶剂配制成溶液，溶度5-30mg/ml；
(2)配置聚合物/水混合溶液：将一定量的超纯水添加到步骤(1)配置好的高绝缘性聚合物溶液当中，并置于频率为80KHz的超声仪里面超声10min，使混合溶液中各组分分散均匀；
(3)选择表面有300nm二氧化硅的重掺杂硅作为基片和第一类栅绝缘层，清洗干净基片后烘干；
(4)在步骤(3)中清洗好的基片表面旋涂步骤(2)中配置好的混合溶液，薄膜厚度为50-150nm；
(5)将步骤(4)制备的薄膜放入80℃恒温烘箱中干燥，冷却备用；
(6)在步骤(5)干燥过的聚合物薄膜上真空蒸镀有机半导体层和源漏电极。
步骤(1)中所述的高绝缘性聚合物溶液为聚甲基丙烯酸。
步骤(2)中添加水形成混合溶液，利用超声波将水滴分散成微米级的小液滴，并使所有的小液滴带电，在利用带电小液滴的Breath-figure原理充分分散，形成均一溶液。
步骤(4)所述旋涂混合溶液，转速为2000-3000转/分，旋转30秒，形成聚合物/水两相混合薄膜。
步骤(5)所述干燥过程中，除掉残留溶剂和薄膜中的水相，得到具有多孔结构的聚合物薄膜。
步骤(6)所述的真空蒸镀半导体材料为并五苯，蒸镀速率为真空度控制在5×10-4pa以下，控制蒸镀薄膜厚度为40-50nm；步骤(6)所述真空蒸镀源漏电极为铜，蒸镀速率控制厚度在60-100nm。
实施例二
本发明提供了一种有机场效应晶体管存储器结构，其结构示意图如图1所示。其中重掺杂硅作为衬底和栅电极；一层300nm二氧化硅作为第一类栅绝缘层；粒径50-100nm的金纳米粒子作为纳米浮栅；第二类栅绝缘层由具有多孔结构的聚合物聚甲基丙烯酸甲酯构成，其厚度为50-100nm；栅绝缘层上面蒸镀一层40-50nm厚的并五苯充当活性层；再在导电沟道两侧蒸镀金属铜作为源漏电极。
在实际制备时，实验室室温保持在25℃左右，室内湿度保存在30％以下。
具体制备步骤如下：
(1)配置聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液，PMMA溶液浓度为10mg/ml，溶剂为四氢呋喃(THF)；然后在PMMA溶液中加入一定量的水(水:溶液＝5:100)配置成混合溶液；将混合溶液置于频率为80KHz的超声波仪进行5min超声除了，使水分散成微米级别的小液滴，并利用Breath-figure原理分散均匀形成均一溶液。
(2)将表面有300nm二氧化硅的重掺杂的硅依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10分钟，超声频率为100KHz，再用高纯氮气将基片表面液体吹干以保证基片表面洁净，之后放入120℃的烘箱中烘干。
(3)在步骤(2)中干燥好的基片表面(SiO2一侧)滴涂金纳米粒子溶液，使自组装生长纳米金粒子，待表面溶剂挥发后置于80℃烘箱中干燥20分钟，如图2所示。
(4)在步骤(3)处理好的基片表面旋涂步骤(1)配置好的溶液，旋涂转速为2000转/分，旋涂时间为30秒，薄膜厚度控制在50nm左右。
(5)将旋涂好的基片放入100℃的烘箱中干燥退火2小时，并随炉冷却，制备的薄膜AFM照片如图4所示。
(6)在步骤(5)中制备的薄膜表面真空蒸镀有机活性层并五苯，蒸镀速率为真空度控制在5×10-4pa以下，控制蒸镀薄膜厚度为50nm。
(7)在步骤(6)所制备的薄膜表面加上掩模板进行图案化处理，真空蒸镀铜充当源漏电极，蒸镀速率控制厚度在60-80nm；掩模板的沟道宽度为2000μm，长度为100μm。
器件制备完成后，其电学性能由安捷伦B1500半导体分析仪进行表征，数据处理绘制成的转移曲线如图5所示，迁移率达到0.53cm2/Vs，开关比达106。
图7为器件存储特性转移曲线，从图中可以看出，器件的写入窗口很大，而且擦除之后又能回完初始位置，现在器件具有很好的存储器特性。
图8的写入-读取-擦除-读取特性数据也表面该存储器具有良好的反复擦写能力，经过一定周期的擦写循环后，器件的擦写窗口基本没有变化。
图9所示的是器件数据保持能力，从图中可以看出经过1000秒之后，器件的存储开关比仍旧保持在104以上，说明器件的存储可靠性高。
所有测试结果表面，本发明所涉及的具有多孔结构的有机场效应晶体管存储器件性能良好，稳定性好，数据保持可靠性高，而且制备过程操作简单，成本低廉，主要工艺过程在溶液中完成、节约能源，并且能够大规模生产。
本发明将具有多孔结构的聚合物薄膜引入到有机场效应晶体管存储器当中，通过简单的工艺手段有效的解决了有机存储器数据存储可靠性不高的问题，在对于有机存储器商业化推广有着重要意义。
发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器，包括源漏电极、半导体、第二类栅绝缘层、浮栅层、第一类栅绝缘层，所述第一类栅绝缘层为二氧化硅/硅基片，其特征在于：所述半导体与第一类栅绝缘层之间从上到下依次有具有多孔结构聚合物薄膜层和纳米结构浮栅层。
2.根据权利要求1所述的多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器，其特征在于：所述多孔结构聚合物薄膜层中聚合物选自高介电常数聚合物材料，所述高介电常数聚合物材为聚苯乙烯或聚甲基苯烯酸甲酯。
3.根据权利要求2所述的多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器，其特征在于：所述纳米结构浮栅层中纳米浮栅粒子选自金纳米粒子或氧化石墨烯GO纳米粒子。
4.根据权利要求3所述的多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器，其特征在于：包括衬底，形成于该衬底之上的栅电极，覆盖于该栅电极之上的第一类栅绝缘层，形成于第一类栅绝缘层之上的纳米浮栅层，形成于该第一类栅绝缘层之上的具有多孔结构的第二类栅绝缘层，所述第二类栅绝缘层为隧穿层，形成于多孔结构的第二类栅绝缘层之上的有机活性层，以及形成于活性层表面沟道区域两侧的源漏电极。
5.根据权利要求4所述的多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器，其特征在于：
所述衬底为高掺杂硅片、玻璃片或塑料PET；
所述栅电极采用的材料包括高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽；
所述第一类栅绝缘层采用的材料包括二氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚苯乙烯PS或聚乙烯吡咯烷酮PVP，所述第一类栅绝缘层的薄膜厚度为100～300nm；
所述第二类栅绝缘层的薄膜厚度为50～150nm；
所述有机活性层采用的材料为并五苯、并四苯、钛青铜、红荧烯、并三苯或3-己基噻吩；所述有机活性层采用热真空蒸镀成膜法成膜，覆盖在第二类栅绝缘层表面上形成导电沟道，其厚度为40～50nm；
所述源漏电极材料为金属或有机导体材料，其厚度为60～100nm。
6.根据权利要求5所述的多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器，其特征在于：所述源漏电极材料为铜。
7.根据权利要求1-6任一多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配置高介电常数材料聚合物溶液，溶于四氢呋喃，浓度5-30mg/ml；
(2)在步骤(1)配置好的高介电常数材料聚合物溶液中掺入一定比例的水，再80KHz超声5～10min形成均一混合溶液；
(3)选择表面有300nm二氧化硅的重掺杂的硅作为基片，清洗赶紧基片后烘干；
(4)在干净的基片表面滴涂纳米金溶液，再将其烘干；
(5)在步骤(4)中制备的浮栅层上面旋涂步骤(2)配置好的混合溶液，厚度为15～150nm，将旋涂好的样品放入烘箱中干燥，先低温干燥60度，后高温干燥100度；
(6)在第二类栅绝缘层上面真空蒸镀半导体层和源漏电极。
8.根据权利要求6所述多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的掺入一定比例的水，其比例为溶液体积比的3～5％。
9.根据权利要求6所述多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述真空蒸镀半导体材料为并五苯，蒸镀速率为真空度控制在6×10-5pa～6×10-4pa，采用晶振控制厚度在40～50nm；步骤(6)所述真空蒸镀源漏电极为铜，蒸镀速率控制厚度在60～100nm。
10.根据权利要求6所述多孔结构隧穿层有机场效应晶体管存储器的制备方法，其特征在于：多孔结构聚合物层旋涂完后的厚度控制在50～150nm，半导体层的厚度为40～50nm，源漏电极为60～100nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170929 |