CN106531886A - 一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器及其制备方法 - Google Patents

一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器，所述基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器的结构从上到下依次为源漏电极、有机光敏半导体层、量子点薄膜层、栅绝缘层、栅电极和衬底；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，有效的提高器件对入射光的收集效率，增强光电转换效率，降低接触电阻和电荷隧穿势垒，从而降低对操作电压的依赖，减少能源损耗，为有机光敏存储器的商业化推广提供一种可行的思路，所述存储器结构同时改进光敏存储器的存储性能和光敏性能；所述存储器结构可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

一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体行业存储器技术和光探测技术领域，尤其涉及一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器及其制备方法。
背景技术
有机场效应晶体管作为电子电路中的基本元器件，因其具有材料来源广泛、轻柔、加工工艺简单的特点，并可应用于大面积印刷工艺，非常适合下一代可穿戴电子产业发展方向。同时有机场效应晶体管从其结构上决定了它具有丰富的功能应用，如发光、存储、传感、开关等，因此在信息电子领域具有广泛的应用前景。
作为一种多功能集成器件，有机光敏场效应晶体管电存储器（OPTM）是有机场效应晶体管存储器（OFET）与有机光探测器（Organic Phototransistors，OPTs）的集成器件，可应用于新型显示元器件或RFID射频标签。
有机场效应晶体管又可分为铁电型、浮栅型、驻极体型三大类型。在这几种类型中，浮栅型存储器具有低功耗、低成本、灵活性强、高存储密度等优点而受到广泛的关注，因此在信息电子领域具有广泛的应用前景。目前常用的浮栅型存储材料有：金属纳米粒子、二维纳米片、金属氧化物等。但是它们也存在难以缩小器件尺寸、操作电压较高、吸收光谱窄、难以集成等缺点。
发明内容
解决的技术问题：本发明主要是提出一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器及其制备方法，解决现有技术中存在难以缩小器件尺寸、操作电压较高、吸收光谱窄、难以集成等技术问题。
技术方案：一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器，所述基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器的结构从上到下依次为源漏电极、有机光敏半导体层、量子点薄膜层、栅绝缘层、栅电极和衬底。
作为本发明的一种优选技术方案：所述源漏电极采用的材料选自金属或有机导体材料，其厚度为60~100 nm；所述有机光敏半导体层采用的材料选自并五苯、并四苯、钛青铜、氟化钛青铜、红荧烯、3-己基噻吩或并三苯，所述有机光敏半导体层的厚度为30~50 nm。
作为本发明的一种优选技术方案：所述量子点薄膜层中的溶质选自硫化铅、硒化铅或硫化锌，所述量子点薄膜层厚5-20nm；所述栅绝缘层采用的材料选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚苯乙烯PS或聚乙烯吡咯烷酮PVP，所述栅绝缘层的厚度为50~300 nm。
作为本发明的一种优选技术方案：所述栅电极采用的材料选自高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽；所述衬底选自高掺杂硅片、玻璃片或塑料PET。
作为本发明的一种优选技术方案：所述源漏电极的制备方法为磁控溅射法、喷墨打印法或真空蒸镀法；所述源漏电极采用的材料选自铜或金；所述有机光敏半导体层采用真空蒸镀法成膜。
作为本发明的一种优选技术方案：所述基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器的制备方法，包括如下步骤：
第一步：配制量子点材料溶液，溶于低沸点溶剂，静置30min使其分散均匀，其浓度1~10mg/ml；
第二步：在衬底上依次形成栅电极和栅绝缘层，栅绝缘层的厚度为50~300 nm，制成基片，基片依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10min，超声频率为100 KHz，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；
第三步：将烘干后的洁净基片使用紫外臭氧处理3~5 min；
第四步：将第三步中制备的基片的栅绝缘层上面旋涂第一步配制好的溶液，旋涂转速为低转速3000 r/min，旋涂时间30s，厚度为5~20 nm，形成量子点薄膜层，将旋涂好的样品在氮气手套箱中80℃干燥退火30 min；
第五步：在第四步中制备好的样品的量子点薄膜层上面依次真空蒸镀有机光敏半导体层和源漏电极。
作为本发明的一种优选技术方案：第一步中的低沸点溶剂为甲苯或环己烷；第四步中的旋涂过程在空气中进行。
作为本发明的一种优选技术方案：第五步所述真空蒸镀有机光敏半导体层材料为并五苯，蒸镀速率为1Å/s，真空度控制在6×10-5pa~6×10-4 pa，采用晶振控制厚度在30~50nm；在制备的有机光敏半导体层表面加上掩模板进行图案化处理，第五步所述真空蒸镀的源漏电极材料为铜或金，蒸镀速率0.5 Å/s，控制厚度在60~100nm，掩模板的沟道宽度为2000 μm，长度为100 μm。
有益效果：本发明所述一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器及其制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、同时改善其光响应和存储特性，并具有低操作电压、高光响应速度、高存储密度和高数据稳定性；2、不增加工艺、技术难度，提供一种简单的工艺手段制备具有量子点的薄膜，并将其应用在OPTM存储器当中，充当存储器的电荷存储层、光敏增强层，以同时提高存储性能和光敏性能；3、一方面利用其粒子直径达到纳米级别，是理想的俘获电荷点并大大提高存储密度，另一方面利用其吸收光谱广，增强光敏半导体层的对入射光的收集效率，提高光生激子分离效率，调节薄膜隧穿势垒，改善器件存储性能；4、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，有效的提高器件对入射光的收集效率，增强光电转换效率，降低接触电阻和电荷隧穿势垒，从而降低对操作电压的依赖，减少能源损耗，为有机光敏存储器的商业化推广提供一种可行的思路；5、所述存储器结构同时改进光敏存储器的存储性能和光敏性能；6、所述存储器结构可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；7、本发明提供的有机场效应晶体管存储器的制备方法，该方法工艺简单，便于操作，降低了人力成本。
附图说明：
图1为本发明所述量子点结构有机场效应晶体管光敏存储器的结构示意图；
图2为实施例1中量子点结构有机场效应晶体管光敏存储器的转移特性曲线；
图3为实施例1中量子点结构有机场效应晶体管光敏存储器的施加负向栅压存储窗口特性曲线；
图4为实施例1中量子点结构有机场效应晶体管光敏存储器的施加正向栅压且加光存储窗口特性曲线；
图5为实施例1中量子点结构有机场效应晶体管光敏存储器的黑暗及加不同波长光（420 nm、550 nm、650 nm）下的回滞曲线；
图6为实施例1中量子点结构有机场效应晶体管光敏存储器的施加负向栅压的存储性能的维持时间特性曲线；
图7为实施例1中量子点结构有机场效应晶体管光敏存储器的正向存储性能的维持时间特性曲线。
附图标记说明：1、源漏电极，2、有机光敏半导体层，3、量子点薄膜层，4、栅绝缘层，5、栅电极，6、衬底。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
实施例1
如图1所示，第一步：配制硫化铅溶液，溶剂为甲苯，溶液浓度为1 mg/ml，静置30 min，使其分散均匀；
第二步：选择高掺杂硅片作为衬底6，并在衬底6上依次形成栅电极5和栅绝缘层4，栅电极5采用高掺杂硅，栅绝缘层4采用二氧化硅，栅绝缘层4的厚度为50nm，制成基片，基片依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10min，超声频率为100 KHz，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；
第三步：将烘干后的洁净基片放置在紫外臭氧机中使用紫外臭氧处理3min；
第四步：在空气中，将第三步中制备的基片的栅绝缘层4上面旋涂第一步配制好的溶液，形成量子点薄膜层3，旋涂转速为低转速3000 r/min，旋涂时间30s，厚度为5~20nm，将旋涂好的样品在氮气手套箱中80℃干燥退火30 min；
第五步：在第四步中制备好的样品的量子点薄膜层3上面真空蒸镀有机光敏半导体层2，有机光敏半导体层2材料为并五苯，蒸镀速率为1 Å/s，真空度控制在6×10-5pa~5×10-4 pa，采用晶振控制蒸镀薄膜厚度为50 nm；在制备的有机光敏半导体层2表面加上掩模板进行图案化处理，再真空蒸镀铜充当源漏电极1，蒸镀速率0.5 Å/s，控制厚度在60~80 nm，掩模板的沟道宽度为2000 μm，长度为100 μm。
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2所示，迁移率达到0.1cm2/Vs，开关比达105。
图3为器件负向存储特性转移曲线，从图中可以看出，器件的写入窗口很大，而且仅使用5mW/cm2的可见光就可完全擦除回初始位置，体现器件具有很好的低功耗、高光响应特性。
图4为器件加正向栅压加光（白光）存储特性转移曲线，从图中可以看出器件写入窗口较大，并且施加短时间的负向栅压（1s）完全可以擦除回原来位置。
图5为该器件在黑暗下和不同波长下（420 nm、550 nm、650 nm）的回滞曲线（-30 V~30 V），从图中可以看出不同波长下的存储窗口要大于黑暗下的存储窗口。
图6的写入-读取-擦除（仅用光）-读取特性数据也表面该存储器具有较好的反复擦写能力，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7所示的是器件数据保持能力，从图中可以看出经过10000s之后，器件的存储开关比仍旧保持在102以上，说明器件的存储可靠性较高。
所有测试结果表明，本发明所涉及的基于量子点的有机场效应晶体管光敏存储器件性能良好，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。
实施例2
第一步：配制PbSe量子点溶液，溶剂为甲苯，溶液浓度为1 mg/ml，静置30 min，使其分散均匀；
第二步：选择高掺杂硅片作为衬底6，并在衬底6上依次形成栅电极5和栅绝缘层4，栅电极5采用高掺杂硅，栅绝缘层4采用二氧化硅，栅绝缘层4的厚度为50nm，制成基片，基片依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10min，超声频率为100 KHz，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；
第三步：将烘干后的洁净基片放置在紫外臭氧机中使用紫外臭氧处理3min；
第四步：在空气中，将第三步中制备的基片的栅绝缘层4上面旋涂第一步配制好的溶液，形成量子点薄膜层3，旋涂转速为低转速3000 r/min，旋涂时间30s，厚度为5~20nm，将旋涂好的样品在氮气手套箱中80℃干燥退火30 min；
第五步：在第四步中制备好的样品的量子点薄膜层3上面真空蒸镀有机光敏半导体层2，有机光敏半导体层2材料为并五苯，蒸镀速率为1 Å/s，真空度控制在6×10-5pa~5×10-4 pa，采用晶振控制蒸镀薄膜厚度为30 nm；在制备的有机光敏半导体层2表面加上掩模板进行图案化处理，再真空蒸镀铜充当源漏电极1，蒸镀速率0.5 Å/s，控制厚度在100 nm；掩模板的沟道宽度为2000 μm，长度为100 μm。
本发明将基于量子点的薄膜引入到有机场效应晶体管光敏存储器当中，通过简单的工艺手段有效的解决了有机光敏存储器操作电压过高以及光调控的问题，对于有机存储器商业化推广有着重要意义。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器，其特征在于：所述基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器的结构从上到下依次为源漏电极（1）、有机光敏半导体层（2）、量子点薄膜层（3）、栅绝缘层（4）、栅电极（5）和衬底（6）。
2.根据权利要求1所述的基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器，其特征在于：所述源漏电极（1）采用的材料选自金属或有机导体材料，其厚度为60~100 nm；所述有机光敏半导体层（2）采用的材料选自并五苯、并四苯、钛青铜、氟化钛青铜、红荧烯、3-己基噻吩或并三苯，所述有机光敏半导体层（2）的厚度为30~50 nm。
3.根据权利要求1所述的基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器，其特征在于：所述量子点薄膜层（3）中的溶质选自硫化铅、硒化铅或硫化锌，所述量子点薄膜层（3）厚5-20nm；所述栅绝缘层（4）采用的材料选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚苯乙烯PS或聚乙烯吡咯烷酮PVP，所述栅绝缘层（4）的厚度为50~300 nm。
4.根据权利要求1所述的基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器，其特征在于：所述栅电极（5）采用的材料选自高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽；所述衬底（6）选自高掺杂硅片、玻璃片或塑料PET。
5.根据权利要求1所述的基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器，其特征在于：所述源漏电极（1）的制备方法为磁控溅射法、喷墨打印法或真空蒸镀法；所述源漏电极（1）采用的材料选自铜或金；所述有机光敏半导体层（2）采用真空蒸镀法成膜。
6.一种制备权利要求1-6任一所述的基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：配制量子点材料溶液，溶于低沸点溶剂，静置30min使其分散均匀，其浓度1~10mg/mL；
第二步：在衬底（6）上依次形成栅电极（5）和栅绝缘层（4），栅绝缘层（4）的厚度为50~300 nm，制成基片，基片依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10min，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；
第三步：将烘干后的洁净基片使用紫外臭氧处理3~5 min；
第四步：将第三步中制备的基片的栅绝缘层（4）上面旋涂第一步配制好的溶液，旋涂转速为低转速3000 r/min，旋涂时间30s，厚度为5~20 nm，形成量子点薄膜层（3），将旋涂好的样品在氮气手套箱中80℃干燥退火30 min；
第五步：在第四步中制备好的样品的量子点薄膜层（3）上面依次真空蒸镀有机光敏半导体层（2）和源漏电极（1）。
7.根据权利要求6所述的基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器的制备方法，其特征在于：第一步中的低沸点溶剂为甲苯或环己烷；第四步中的旋涂过程在空气中进行。
8.根据权利要求6所述的基于量子点有机场效应晶体管光敏存储器的制备方法，其特征在于：第五步所述真空蒸镀有机光敏半导体层（2）材料为并五苯，蒸镀速率为1Å/s，真空度控制在6×10-5pa~6×10-4 pa，采用晶振控制厚度在30~50nm；在制备的有机光敏半导体层（2）表面加上掩模板进行图案化处理，第五步所述真空蒸镀的源漏电极（1）材料为铜或金，蒸镀速率0.5 Å/s，控制厚度在60~100nm，掩模板的沟道宽度为2000 μm，长度为100 μm。
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