CN108054169B - 一种基于纳米浮栅有机场效应晶体管存储器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是基于有机小分子的有机场效应晶体管存储器，通过浮栅‑遂穿层一体化构造的器件结构。整个器件从上到下依次是：源漏电极、半导体层、浮栅‑遂穿层、栅绝缘层，其中浮栅层与遂穿层共同构成构成电荷存储层。本发明旨在通过简单的溶液悬涂工艺形成一种纳米结构避免了复杂的纳米技术制备薄膜，实现较大的存储窗、开关比(105)、具有较好的稳定性反复擦写耐受性、实现了光擦除有利于信息加密，并且成本较低可以大面积商业推广、生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体存储器技术领域，具体涉及一种基于萘环小分子纳米浮栅有机场效应晶体管存储器及制备方法。
背景技术
随着大数据时代的到来，面对海量的信息处理和存储对开发大容量、高密度、高速度的非易失性存储器提出了要求。与传统无机半导体存储器件相比，基于有机半导体存储器具有无法比拟的优势。由于有机材料来源广泛、可以溶液加工、成本低廉可以大面积低温制备，可与柔性基底集成等常规无机半导体不具备优点。有机场效应晶体管具备非破坏性读取、易于逻辑电路集成等优势适用于下一代可穿戴式电子工业的发展方向。
有机场效应晶体管(OFET)是在控制栅绝缘层与半导体层中插入一层电荷存储层，当前根据工作原理和器件结构不同分为三大类型，铁电型、驻极体型、浮栅型。其中铁电型OFET是通过调控栅极电压来调节铁电材料的极化状态实现信息存储。驻极体型OFET存储模式和机理还存在争议，学术界一般认为电荷在界面电场的作用下，通过遂穿形式将电荷存储在半导体层和驻极体层的界面处或驻极体内部，亦或是半导体内部。浮栅型OFET通过将金属、无机纳米粒子或小分子作为电荷捕获中心，通过电荷载流子的捕获和释放来写入和擦除实现信息存储。其中有机纳米浮栅型OFET由于其具有低成本、低驱动电压、高存储密度备受关注。但是由于分散的纳米粒子形貌很难控制并且密度有限，较难实现高密度存储，而采取尺寸在1nm内的小分子纳米浮栅能够很好改善上述问题。
小分子材料由于化学性质稳定、电子结构稳定、合成步骤简单可以按照需求进行电子和能带设计。目前基于小分子材料稳定的非易失性存储器的应用还较少，目前应用较多的是 C60、Alq3等。
本发明提供一种基于萘环小分子纳米浮栅有机场效应晶体管存储器及其制备方法，所述的存储器能够有效提升存储器性能，实现大的存储窗口、高的存储密度、高的存储数据稳定性，同时实现光擦除特点。
发明内容
鉴于现有有机场效应晶体管存在的技术问题，本发明提出一种将具有优异的电荷捕获能力易溶性小分子材料和疏水性高介电常数化合物聚苯乙烯(PS)共混悬涂制成一种小分子纳米浮栅有机场效应晶体管存储器，解决了一般纳米浮栅存在存储密度低、工艺复杂等问题并且制造工艺简单能够精确控制，有力推进小分子材料在存储中应用范围。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下。
一种基于纳米浮栅有机场效应晶体管存储器，从上至下依次包括源漏电极5、半导体层4、电荷存储层3、栅绝缘层2、衬底1，其中所述电荷存储层3由遂穿层和浮栅共同组成；所述电荷存储层3是由有机小分子材料与疏水性高介电常数绝缘材料制备而成；所述的存储器的下部分还包括形成于衬底1上的栅电极，所述的存储器采用的是底栅顶接触的器件结构。
所述的衬底1选自：高掺杂硅片、玻璃片或塑料PET；所述的栅绝缘层2采用的材料为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚苯乙烯或聚乙烯吡咯烷酮；所述栅电极选自高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽；所述浮栅结构为小分子纳米浮栅或金属纳米浮栅；所述的半导体层4 采用的材料为并五苯、并四苯、钛青铜、氟化钛青铜、红莹烯、并三苯或3-己基噻吩；所述的源漏电极5材料为金属Cu或Au；所述的有机小分子材料为萘环化合物，所述的疏水性高介电常数绝缘材料为聚苯乙烯。
所述萘环化合物的分子通式I如下：
所述萘环化合物可以为如下任意分子结构：
所述的萘环化合物和聚苯乙烯的复合薄膜作为电荷捕获层的混合摩尔比为9:1,所述的薄膜厚度为15-45nm。
一种所述的晶体管存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a：配置具有优异电荷捕获能力的易溶性萘环小分子和疏水性高介电常数聚合物，溶于疏水性溶剂甲苯中，两者浓度均为3mg/ml，并将掺杂10％的聚苯乙烯与萘环化合物共混.通过80KHz 超声5-10min，静置5-10min让其充分混合均匀；
b：选择合适的衬底1材料硅晶圆作为基片，并在衬底上形成栅电极和第一类栅绝缘层，第一类栅绝缘层SiO2是通过热蒸发形成的，其厚度为100-300nm，清洗干净基片后烘干；
c：将烘干后冷却的洁净的基片放在紫外臭氧中处理5min；
d：将步骤c中的的基片上面旋涂步骤a配置好的共混溶液形成一层电荷存储层3，随后将旋涂好的样品放入80℃烘干，厚度为15nm；
e：在步骤d中干燥冷却后的样品真空蒸镀半导体层4和源漏电极5。
所述存储器存储层的材料的制备过程是将有机小分子材料与疏水性的高介电常数绝缘材料共混进行一体化构造工艺；通过溶液旋涂的方法来制备高密度、高质量，均匀的有机纳米晶体薄膜。
所述的步骤d旋涂条件参数为：3000rps，时间为30s，薄膜厚度控制在15nm，旋涂在空气中进行并且空气湿度控制在60％以下。
所述栅绝缘层2厚度为50-300nm；所述半导体层4采用的是热真空蒸镀成膜法，成膜蒸镀速率为
真空度控制在5x10-4Pa以下，晶振控制厚度在40nm-50nm；所述的源漏电极5蒸镀速率
厚度为40-80nm。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明所提供的OFET存储器，通过将小分子萘环材料和高介电常数聚合物材料通过溶液旋涂成功的制备出小分子纳米浮栅；同时具备了小分子萘环材料高的电荷捕获密度，同时具备了长的维持特性和耐受性。
(2)通过遂穿层-浮栅层一体化构造简化了制作工艺，有利与大面积制备，降低了成本有利于大规模商业推广。
(3)本发明所提供的OFET存储器不仅具有优异的维持时间、具有多阶存储功能并且实现了光擦除有利于信息加密。
附图说明
图1为本发明所述的OFET存储器件结构示意图；
图2为实施例1制备的5—MOT与PS的复合纳米浮栅薄膜的SEM形貌图；图3 为实施例1制备的小分子萘环纳米浮栅有机场效应晶体管存储器测试的转移特性曲线；
图4为实施例1制备的小分子萘环纳米浮栅有机场效应晶体管存储器测试的输出特性曲线；
图5为实施例1制备的小分子萘环纳米浮栅有机场效应晶体管存储器测试的存储窗口特性曲线；
图6为实施例1制备的小分子萘环纳米浮栅有机场效应晶体管存储器测试的维持时间特性曲线；
图7为实施例1制备的小分子萘环纳米浮栅有机场效应晶体管存储器测试的读写擦循环特性曲线；
图中：1-衬底；2-栅绝缘层；3-电荷存储层；4-半导体层；5-源漏电极。
具体实施方式
为了更清楚说明本发明的技术方案，下面将结合具体实施例和附图对本发明进行详细的说明，其中提到的附图仅仅适用下述实施例，对于本领域普通技术员，还可以根据本发明中提到的方法获得其他附图。但是本发明的保护范围并不限于下述实施例。
实施例1
本发明具体实施例涉及的有机场效应晶体管存储器结构示意图如图1所示，一种小分子纳米膜作为电荷捕获层的OFET存储器，从下到上依次包括衬底、形成于该衬底之上的栅电极，覆盖在栅电极上的栅绝缘层，旋涂在栅绝缘层上的小分子萘环纳米浮栅层，形成于浮栅层上的半导体层以及形成于半导体层上表面沟道区域两侧的源漏电极。
本发明实施例的技术方案中是以n型重掺杂的硅作为栅极；在其上热蒸发300nm厚的 SiO2作为栅绝缘层；电荷捕获层由5-甲氧基1,2,3,4-四苯基萘(5-MOT)和聚苯乙烯(PS)以摩尔比9：1的比例通过溶液方式共混旋涂于所述栅绝缘层之上，其厚度为15nm；真空蒸镀一层50nm厚的并五苯(Pentance)作为半导体层；接着在半导体层导电沟道两侧蒸镀金属金作为源漏电极。
在实际制备时，实验室试问保持在25℃左右，室内湿度控制在50％以下。
本实施例所述存储器的具体制备步骤如下：
(1)将5-MOT与PS以摩尔比为9：1的比例共混，溶于甲苯中。溶液的浓度为3mg/ml；将配置好的溶液通过80KHz的超声波处理5-10min使其充分混合均匀。
(2)将表面生长300nm厚的n型重掺杂硅片依次用丙酮、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来保证其表面洁净，然后将其放入120℃烘箱烘干，时间为30min。
(3)将步骤(2)中干燥好的基片放置在紫外臭氧机中5min。
在空气环境中，控制空气湿度在50％以下，将步骤(1)配置好的溶液旋涂在步骤(3) 处理好的基片表面，旋涂采用转速3000r/min，旋涂时间30s，薄膜厚度控制在15nm左右，将旋涂好的基片放在80℃的烘箱中退火30min。
(5)将退火完的基片放在真空真空蒸镀系统中，抽真空至6×10-5Pa以下，在该条件下以
的蒸镀速度蒸镀一层50nm厚的并五苯作为半导体层。
(6)将步骤(5)中冷却的基片的有机半导体层表面加上掩模板进行图案化处理，保持真空度在6×10-5Pa，以
的速率蒸镀一层金作为源漏电极，控制厚度在60-80nm；掩膜板的沟道宽度为2000μm，长度为100μm。
本发明采用将一种小分子萘环材料与聚合物聚苯乙烯共混旋涂成膜的方式，成功制备出小分子纳米浮栅有机场效应晶体管存储器，通过简单的工艺解决稳定行不好问题，实现高密度存储、多阶存储、光擦除。有力的推进小分子材料应用于存储的研究，同时对于有机存储器的商业推广有着重要意义。
上述实施例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来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于纳米浮栅有机场效应晶体管存储器，其特征在于：从上至下依次包括源漏电极(5)、半导体层(4)、电荷存储层(3)、栅绝缘层(2)、衬底(1)；所述存储器实现了光擦除；其中所述电荷存储层(3)由遂穿层和纳米浮栅共同组成；所述电荷存储层(3)是由基于多苯基取代的萘环有机小分子材料与疏水性高介电常数绝缘材料制备而成；所述的存储器的下部分还包括形成于衬底(1)上的栅电极，所述的存储器采用的是底栅顶接触的器件结构。
2.根据权利要求1所述的晶体管存储器，其特征在于：所述的衬底(1)选自：高掺杂硅片、玻璃片或塑料PET；所述的栅绝缘层(2)采用的材料为二氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚苯乙烯或聚乙烯吡咯烷酮；所述栅电极选自高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽；所述浮栅结构为小分子纳米浮栅或金属纳米浮栅；所述的半导体层(4)采用的材料为并五苯、并四苯、钛青铜、氟化钛青铜、红莹烯、并三苯或3-己基噻吩；所述的源漏电极(5)材料为金属Cu或Au；所述的有机小分子材料为萘环化合物，所述的疏水性高介电常数绝缘材料为聚苯乙烯。
3.根据权利要求2所述的晶体管存储器，其特征在于所述萘环化合物的分子通式I如下：
4.根据权利要求3所述的晶体管存储器，其特征在于：所述萘环化合物可以为如下任意分子结构：
5.根据权利要求4所述的晶体管存储器，其特征在于：所述的萘环化合物和聚苯乙烯的复合薄膜作为电荷捕获层的混合摩尔比为9:1,所述的薄膜厚度为15-45nm。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的晶体管存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a：配置具有优异电荷捕获能力的易溶性萘环小分子和疏水性高介电常数聚合物，溶于疏水性溶剂甲苯中，两者浓度均为3mg/ml，并将掺杂10％的聚苯乙烯与萘环化合物共混.通过80KHz超声5-10min，静置5-10min让其充分混合均匀；
b：选择合适的衬底(1)材料硅晶圆作为基片，并在衬底上形成栅电极和第一类栅绝缘层(2)，第一类栅绝缘层(2)SiO2是通过热蒸发形成的，其厚度为100-300nm，清洗干净基片后烘干；
c：将烘干后冷却的洁净的基片放在紫外臭氧中处理5min；
d：将步骤c中的基片上面旋涂步骤a配置好的共混溶液形成一层电荷存储层(3)，随后将旋涂好的样品放入80℃烘干，厚度为15nm；
e：在步骤d中干燥冷却后的样品真空蒸镀半导体层(4)和源漏电极(5)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述存储器存储层的材料的制备过程是将有机小分子材料与疏水性的高介电常数绝缘材料共混进行一体化构造工艺；通过溶液旋涂的方法来制备高密度、高质量，均匀的有机纳米晶体薄膜。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤d旋涂条件参数为：3000rps，时间为30s，薄膜厚度控制在15nm，旋涂在空气中进行并且空气湿度控制在60％以下。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述栅绝缘层(2)厚度为50-300nm；所述半导体层(4)采用的是热真空蒸镀成膜法，成膜蒸镀速率为
真空度控制在5x10-4Pa以下，晶振控制厚度在40nm-50nm；所述的源漏电极(5)蒸镀速率
厚度为40-80nm。
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