CN109411605A - 一种铁电存储器及其制备方法 - Google Patents

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李恩龙
郭太良
巫晓敏
蓝淑琼
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方圆
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Abstract

本发明涉及一种铁电存储器及其制备方法，所述铁电存储器自上而下由基底、铁电绝缘层、隧穿层、网状源极、源极接触电极、有机半导体层和顶部漏极组成；其网状源极、有机半导体层和顶部漏极层层堆叠在其空间上形成垂直的器件结构，在该结构下晶体管的沟道长度为有机半导体层的厚度（纳米级），超短的沟道长度为器件带来超高的电流密度和快速的响应速度，并且器件的电流方向是从网状源极垂直穿过有机半导体层到达顶部漏极，垂直的电流传输能有效避免由于铁电绝缘层粗糙度较大引起的界面问题提高了铁电存储器的性能；本发明有效提高了器件的驱动能力和响应速度。其在柔性上也有巨大的应用价值，为未来的铁电存储器件的应用提供了参考。

Description

一种铁电存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子材料与器件领域，具体涉及一种铁电存储器及其制备方法。
背景技术
随着有机电子技术的飞速发展，非易失性晶体管存储器由于其非破坏性读取、可溶液法制备、与集成电路兼容的优点使其得到了巨大的发展。铁电型有机晶体管存储器作为有机电子器件中的基础元件，其在有机电子器件中扮演了重要的角色。在众多类型的有机存储器中，铁电有机晶体管型存储器由于其集成密度高、可重复性好、响应速度快的优点使其最具有商业价值。在铁电型有机晶体管存储器中，通过施加写和擦电压来控制铁电绝缘层的极化方向，使有机半导体层中感应出不同的电荷，实现转移曲线中阈值电压的漂移，使得在栅压为零时出现高电流和低电流两种状态，其分别对应逻辑电路中的“1”和“0”。过去的研究表明铁电聚合物材料由于其可溶液法制备无需高温退火的优点使其具有很大的商业价值，然而设计合理的器件结构避免铁电聚合物薄膜粗糙度大对存储器性能的影响，提高器件电流密度、响应速度以及机械稳定性却很少有人研究。特别是随着有机电子器件的大力发展，普通的有机铁电晶体管型存储器的驱动能力不足以满足有机电子发展的需要，机械稳定性不足也阻碍了有机电子技术在柔性上的进一步发展。因此，通过合理的器件结构设计实现电流密度大响应速度快的铁电存储器对未来电子器件的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁电存储器及其制备方法，有效解决了由于有机半导体材料本身迁移率低、铁电聚合物薄膜粗糙度大引起的存储器器件电流密度小，响应慢、机械稳定性差的问题，提高了器件的驱动能力和响应速度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种铁电存储器，所述铁电存储器自上而下由基底、铁电绝缘层、隧穿层、网状源极、源极接触电极、有机半导体层和顶部漏极组成；所述网状源极与有机半导体层和顶部漏极在空间上层层堆叠形成一种垂直的器件结构，所述器件结构的沟道长度为有机半导体层的厚度；所述铁电存储器是通过正负栅压对铁电绝缘层产生的极化方向不同实现对数据的存储。
进一步地，所述基底为带有绝缘层的基底，既可以为硬性基底也可以为柔性基底。
进一步地，所述铁电绝缘层材料为有机铁电材料，其厚度为40nm~100nm。
进一步地，所述隧穿层为无机氧化物隧穿层，其厚度为3nm-6nm。
进一步地，所述网状源极材料为银纳米线，其形成的网格大小为3~10um；所述源极接触电极材料为金、银和铝中的一种，其厚度为20~ 80 nm。
进一步地，所述有机半导体层材料为有机小分子、有机聚合物材料和有机小分子与有机聚合物材料的混合物中的一种，其厚度为80~200 nm。
进一步地，所述漏极为金、银和铝电极中的一种，其厚度为40~70nm。
一种上述铁电存储器的制备方法，包括以下步骤：
（1）将有机铁电材料按一定比例溶解在有机溶剂中，混合搅拌均匀并过滤后，采用旋涂的方式沉积在基底上，并在氮气环境下进行退火处理，得到铁电绝缘层；
（2）采用原子力沉积在铁电绝缘层上制备超薄无机氧化物隧穿层，然后在无机氧化物隧穿层上旋涂银纳米线作为网状源极；
（3）采用热蒸发的方式在网状源极上通过掩膜板制备源极接触电极；
（4）将有机半导体材料溶解在有机溶剂中，采用旋涂，刮涂或打印的方式在源极接触电极的器件上制备有机半导体层；
（5）采用溅射、真空蒸发沉积或打印的方式在上述有机半导体层上制备漏极。
进一步地，步骤（1）中有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)，所述有机铁电材料与有机溶剂的质量比为3~8%。
进一步地，步骤（1）中旋涂转速为3000~5000rpm，旋涂时间为50~70s；所述退火处理是先在90℃条件下退火10min，再在高于有机铁电材料的居里温度120~140℃退火120min。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种铁电存储器，其网状源极、有机半导体层和顶部漏极层层堆叠在其空间上形成垂直的器件结构，在该结构下晶体管的沟道长度为有机半导体层的厚度（纳米级），超短的沟道长度为器件带来超高的电流密度和快速的响应速度，并且器件的电流方向是从网状源极垂直穿过有机半导体层到达顶部漏极，垂直的电流传输能有效避免由于铁电绝缘层粗糙度较大引起的界面问题提高了铁电存储器的性能；本发明有效提高了器件的驱动能力和响应速度。其在柔性上也有巨大的应用价值，为未来的铁电存储器件的应用提供了参考。
附图说明
图1是本发明中实施例1制备的一种基于短沟道有机晶体管铁电存储器的结构示意图，图中：100-硅栅极，110-无机绝缘层，120-铁电绝缘层，130-隧穿层，140-网状源极，150-源极接触电极，160-有机半导体层，170-顶部漏极；
图2是本发明中实施例1制备的一种铁电存储器在不同写入擦除脉冲时间下得到的电学转移特性曲线；
图3是本发明中实施例1制备的一种铁电存储器的保持特性曲线；
图4是本发明中实施例1制备的一种铁电存储器的耐久性曲线。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，以下实施例结合附图将对本发明做进一步说明，但并非用以限制本发明的范围。
实施例1
1)大小约为1.5 cm×1.5 cm带有100nmSiO2的硅片分别在丙酮和异丙醇中分别超声清洗十分钟后用去离子水洗净然后氮气吹干后作为基底。
2) 将铁电聚合物P（VDF-TrFE）以质量比为4%的比例溶解在纯度为99.9% 的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，搅拌24h，使其完全溶解。
3) 用1ml注射器取充分溶解的P（VDF-TrFE）溶液，用直径为0.22um的过滤嘴过滤后旋涂在步骤1）洗净的基底上。旋涂速度为4000rpm/min，时间为60s。旋涂完后在氮气环境的手套箱中先在90°下退火10min，然后140°退火两小时，关掉加热台电源让其自然冷却，得到的P（VDF-TrFE）厚度为50nm。
4)采用原子层沉积的方式在步骤3）中所得的铁电绝缘层上沉积一层氧化铝薄膜作为隧穿层，沉积温度为180℃，得到的氧化铝薄膜厚度为4 nm。
5) 将银纳米线以1 mg/ml的配比分散在异丙醇溶剂中，以此溶液为网状源极材料采用旋涂方式制备在步骤4）中所得的隧穿层上。旋涂速度为2000 rpm/min，时间为60 s，然后在100℃下退火1 min。
6) 采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在步骤5)中所得的网状源极上蒸镀出宽为200 μm，厚度为50 nm的金作为源极接触电极。
7)将半导体聚合物材料PDVT-8以10 mg/ml的配比溶解于三氯甲烷溶剂中，以此溶液为有机半导体层材料采用旋涂方式制备在步骤6）中所得的网状源极上。旋涂速度为1000rpm/min，时间为60 s，然后在150℃下退火10 min，得到厚度为120 nm的有机半导体层薄膜。
8) 将盖住源极接触电极的PDVT-8全部泡掉，源极接触电极刚好露出来并与PDVT-8独立开。
9)采用真空蒸发沉积的方式利用专用掩膜板在步骤8)中所得的有机半导体层上溅射出宽为200 μm，厚度为50 nm的金作为漏电极，得到铁电存储器
实施例1制备的一种铁电存储器在施加不同时间的擦除/写入（E/P）脉冲后得到的电学转移特性曲线如图2所示，图中分别测试了器件在0.01s、0.05s、0.1s、0.5s、1s、5s的擦写脉冲下器件转移曲线的漂移情况。可以看出器件的记忆窗随着脉冲时间的增大而增大，尤其是在10ms的擦写脉冲下器件还有很大的记忆窗口，说明器件具有快速的响应特性，并且器件具有接近10 mA/cm2的开态电流密度表明器件具有强大的驱动能力。进一步的测试了器件的保持特性曲线，如图3所示，经过104 s的测试之后器件的开态电流和关态电流几乎没有变化，表明器件具有非常好的保持特性。器件耐受能力测试如图4所示，在200次擦读写读的循环测试下器件的开态电流和关态电流基本保持不变，表明器件具有优良的可重复性。该短沟道有机晶体管铁电存储器件所特有的纳米级沟道长度及垂直电流传输方式赋予了器件以超高的电流密度和快速的响应能力，同时这种垂直电流传输方式能够有效避免弯曲过程中产生的横向裂缝对电流传输造成的影响以及铁电聚合物大的粗糙度对存储性能的影响，使器件具有优异的存储性能并且在柔性电子器件上有很大的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁电存储器，其特征在于：所述铁电存储器自上而下由基底、铁电绝缘层、隧穿层、网状源极、源极接触电极、有机半导体层和顶部漏极组成；所述网状源极与有机半导体层和顶部漏极在空间上层层堆叠形成一种垂直的器件结构，所述器件结构的沟道长度为有机半导体层的厚度；所述铁电存储器是通过正负栅压对铁电绝缘层产生的极化方向不同实现对数据的存储。
2.根据权利要求1所述的一种铁电存储器，其特征在于：所述基底为带有绝缘层的基底。
3.根据权利要求1所述的一种铁电存储器，其特征在于：所述铁电绝缘层材料为有机铁电材料，其厚度为40nm~100nm。
4.根据权利要求1所述的一种铁电存储器，其特征在于：所述隧穿层为无机氧化物隧穿层，其厚度为3nm-6nm。
5.根据权利要求1所述的一种铁电存储器，其特征在于：所述网状源极材料为银纳米线，其形成的网格大小为3~10um；所述源极接触电极材料为金、银和铝中的一种，其厚度为20~ 80 nm。
6.根据权利要求1所述的一种铁电存储器，其特征在于：所述有机半导体层材料为有机小分子、有机聚合物材料和有机小分子与有机聚合物材料的混合物中的一种，其厚度为80~200 nm。
7.根据权利要求1所述的一种铁电存储器，其特征在于：所述漏极为金、银和铝电极中的一种，其厚度为40~70nm。
8.一种如权利要求1-3任意一项所述的铁电存储器的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）将有机铁电材料按一定比例溶解在有机溶剂中，混合搅拌均匀并过滤后，采用旋涂的方式沉积在基底上，并在氮气环境下进行退火处理，得到铁电绝缘层；
（2）采用原子力沉积在铁电绝缘层上制备超薄无机氧化物隧穿层，然后在无机氧化物隧穿层上旋涂银纳米线作为网状源极；
（3）采用热蒸发的方式在网状源极上通过掩膜板制备源极接触电极；
（4）将有机半导体材料溶解在有机溶剂中，采用旋涂，刮涂或打印的方式在源极接触电极的器件上制备有机半导体层；
（5）采用溅射、真空蒸发沉积或打印的方式在上述有机半导体层上制备漏极。
9.根据权利要求8所述的一种铁电存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)，所述有机铁电材料与有机溶剂的质量比为3~8%。
10.根据权利要求8所述的一种铁电存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中旋涂转速为3000~5000rpm，旋涂时间为50~70s；所述退火处理是先在90℃条件下退火10min，再在高于有机铁电材料的居里温度120~140℃退火120min。
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