CN110993792A - 一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米阵列的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领域。利用聚合物材料和绝缘材料分别溶于低沸点溶剂并混合旋涂至衬底表面，再经过退火以后形成纳米阵列，作为电荷俘获层应用于有机场效应晶体管存储器，进而提高存储器件的迁移率和稳定性；本发明可以有效的应用于各类可溶性小分子和聚合物材料，使其简单快速的形成纳米阵列。本发明通过简单的制备手段改进器件的电荷俘获层，使其迁移率、存储密度、和稳定性得到很大提升；并且降低了器件制备成本，便于推广、应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体行业存储器技术领域，具体涉及一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器及其制备方法。
背景技术
迄今为止，基于无机材料的电子器件由于其高性能和稳定性已经在电子器件市场中占主导地位。然而，基于无机的电子器件在下一代电子器件中遇到许多困难，这些器件需要超小的特征尺寸和灵活的属性。为了克服这些限制，基于有机材料的有机电子器件被认为是一个很好的替代方案，有机材料具有来源广，易于加工，低成本，可以大面积制备等优点，有望用于下一代电子器件的制备。近年来，人们在有机场效应晶体管（OFET），有机发光二极管（OLED）和有机光伏器件（OPV）等有机电子器件方面不断取得突出的研究进展，使得器件越发接近实际应用水平。作为有机电子学领域不可或缺的重要部分之一，有机场效应晶体管存储器因其具有非易失性读取，易于集成，可与各种衬底兼容等优点，受到社会的广泛关注。许多研究者致力于提高晶体管存储器的存储性能，包括存储窗口，电荷存储密度，电流开关比，维持时间稳定性和耐受性等。
目前，常见的有机场效应晶体管存储器主要有三类，分别是浮栅型，铁电型和聚合物驻极体型，其研究都已经取得了极大的进展。然而，传统的有机场效应晶体管存储器通常是非极性存储，这意味着其只能俘获电子或者空穴，难以实现大容量存储，与单极性有机场效应晶体管存储器相比，双极性有机场效应晶体管存储器由于其可以同时俘获电子和空穴的特殊性质，将具有更大的存储窗口以及稳定性，有利于实现多阶存储，同时也意味着在不增加器件尺寸的基础上，可提高每个单元面积存储电荷的密度，提高器件性能。另外，光照已经被证明可以单独作为写入或者擦除方式来实现OFET的存储功能，其在半导体层产生光激子，激子在电场的作用下又被进一步分解为电子和空穴，导致沟道中的电荷密度发生变化，使得阈值电压出现变化。
鉴于此，本发明通过一种简单的方法制备了独立分散且有序的纳米阵列作为电荷俘获层，并将其用于有机场效应晶体管存储器中，提高了器件的开关比、迁移率，降低了阈值电压，最终要的是，提高了器件的存储性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，解决当下有机场效应晶体管存储器所存在的系列问题，包括在制备方面所存在的工艺复杂，流程繁琐等技术问题以及在性能方面的迁移率低，开关不低，阈值电压高，稳定性差以及耐受性差。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其特征是，从上至下依次包括源漏电极、有机半导体、纳米阵列、栅绝缘层和衬底。
进一步的，源、漏电极材料是铜，厚度为30-40nm，沟道长度是100-150μm（微米），宽度是1500-2000μm。
进一步的，有机半导体层为并五苯，厚度是50-60nm。
进一步的，栅绝缘层为SiO2或者氧化铝，厚度为50-300nm。
进一步的，衬底为高掺杂硅片、玻璃片或者聚对苯二甲酸乙二醇酯。
进一步的，纳米阵列为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯基咔唑材料。
相应的，本发明还提供了一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征是，包括以下过程：
第一步：将聚合物材料和绝缘材料分别溶于低沸点溶剂，并分别进行超声；
第二步：将超声后得到的绝缘材料溶液和聚合物材料溶液进行混合；
第三步：在衬底上面依次制备栅电极和栅绝缘层得到基片；然后对基片进行超声清洗及烘干；
第四步：将基片放入紫外臭氧环境中处理；
第五步：在处理好的基片上旋涂第二步所得到的混合溶液，然后将旋涂后的基片进行退火处理，得到纳米阵列薄膜；
第六步：在第五步得到的基片上面依次蒸镀有机半导体层和源、漏电极。
进一步的，聚合物材料为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯基咔唑。
进一步的，绝缘材料为四甲基哌啶醇。
进一步的，绝缘材料溶液和聚合物材料溶液按照体积比1:1-10:1进行混合。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明应用简单的溶液旋涂法旋涂薄膜，并在退火后得到纳米阵列，再将其应用于有机场效应晶体管存储器，得到性能良好的存储器件，具有很强的普适性。
附图说明
图1为本发明所述叠层有机场效应晶体管存储器的结构示意图；
图2为实施例1中纳米阵列AFM示意图；
图3为实施例1中有机半导体层AFM示意图；
图4为实施例1中基于纳米阵列有机场效应晶体管存储器转移曲线；
图5为实施例1中基于纳米阵列有机场效应晶体管存储器输出曲线；
图6为实施例1中基于纳米阵列有机场效应晶体管存储器的存储转移曲线；
图7为实施例1中基于纳米阵列有机场效应晶体管存储器的维持时间曲线；
图8为实施例1中基于纳米阵列有机场效应晶体管存储器的“写入-读取-擦除-读取”特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，从上至下依次包括源漏电极、有机半导体、纳米阵列、栅绝缘层和衬底。
相应的，本发明的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器的制备方法，其具体制备方法如下：
第一步：将聚合物材料和绝缘材料分别溶于低沸点溶剂，浓度为3-5mg/ml，超声2h，得到澄清透明的溶液；
聚合物材料为PVP(聚乙烯吡咯烷酮)或PVK（聚乙烯基咔唑），绝缘材料为TMP（四甲基哌啶醇）。低沸点溶剂为甲苯、氯仿或氯苯。
第二步：将超声后得到的绝缘材料溶液和聚合物材料溶液按照体积比5:1混合，再静置12h；
第三步：选择合适的衬底，在上面依次制备栅电极和栅绝缘层，栅绝缘层厚度为50-300nm，得到基片。然后用丙酮、乙醇、去离子水、依次对基片进行超声清洗15min，再用高纯氮气将表面液体吹干，随后放入120℃烘箱中，时间为30min，以保证基片表面干燥。
第四步：将烘干的基片放入紫外臭氧环境中处理5-10min；
第五步：在第五步处理好的基片上旋涂第二步处所得到的混合溶液，旋涂过程中，旋转速度为3000 rpm，时间是30s，然后将旋涂后的基片放入80℃的烘箱中，共计15min，进行退火处理，得到纳米阵列薄膜；
第六步：在第五步得到的基片上面依次蒸镀有机半导体层和源、漏电极。
实施例1
本发明实施例为一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其结构示意图如图1所示，从上至下依次包括：源、漏电极；有机半导体层；纳米阵列；栅绝缘层；衬底。
源、漏电极材料是铜，厚度为30-40nm（纳米），沟道长度是100-150μm（微米），宽度是1500-2000μm，制备方法采用真空蒸镀。有机半导体层为并五苯，厚度是50-60nm。栅绝缘层为SiO2或者氧化铝，厚度为50-300nm。衬底为高掺杂硅片、玻璃片或者PET（塑料的材质，聚对苯二甲酸乙二醇酯）。纳米阵列为PVK材料（聚乙烯基咔唑），所述利用纳米阵列作为存储器的电荷俘获层。
本实施例所述存储器的具体制备步骤如下：
在实际制备时，室温保持在25℃以下，湿度在40-50％。
第一步：将PVK和TMP分别溶于甲苯（甲苯浓度为3-5mg/mL，优选3mg/mL），将配置好PVK和TMP溶液分别超声2h（小时），得到澄清透明的溶液；
第二步：将第一步中得到的TMP溶液和PVK溶液按照体积比1:1-10:1混合，再静置12h；通过实验发现体积比为5:1时效果最好；
第三步：在衬底上依次形成栅电极和栅绝缘层，制成基片，依次用丙酮、乙醇、去离子水、依次对基片进行超声清洗15min（分钟），再用高纯氮气将表面液体吹干，随后放入120℃烘箱中进行烘干，时间为30min，以保证基片表面干燥，
第四步：将第三步中得到的基片放入紫外臭氧环境中处理5min；提高基片的亲水性，可以使得下一步旋涂的薄膜更好；
第五步：在第四步中处理好的基片上旋涂第二步处所得到的混合溶液，旋涂过程中，旋转速度为3000 rpm，时间是30s，然后将旋涂后的基片放入80℃的烘箱中进行退火处理，共计15min，得到纳米阵列薄膜，所得到的纳米阵列AFM形貌图如图2所示，图中亮起的部分表示是高的地方，黑色的表示矮的，明显可以看出图中有一个个的突起，就表明形成的类似竖起得整列的形貌；
利用PVK和TMP溶液在旋涂过程中产生相分离，再经过退火以后使其自动形成纳米阵列，且可以在现有AFM（原子力显微镜）技术测试条件下直观的看到纳米阵列形貌，有很好的可视化效果。
可以通过调控溶液的不同配比来进行调控，使得形成的纳米阵列具有不同的粗细，密度和高度，从而改变晶体管存储性能；
第六步：在第五步得到的基片上面蒸镀有机半导体层形成基底，半导体层用的材料是并五苯，蒸镀速率为1Å/s，真空度控制在5×10-4以下，厚度在50nm左右，得到的并五苯AFM形貌图如图3所示：
第七步：在第六步得到的基底上面放置掩膜版，进行电极的蒸镀，掩膜版的长度是100μm，宽度是1500μm，电极采用的材料是铜，蒸镀速率是0.5 Å /s，电极厚度约为30nm。
在基片上进行上述一系列操作以后所得到的完整性的结果称作器件，器件制备完成后，其电学性能由安捷伦4200半导体分析仪进行表征，经数据处理绘制成的转移曲线如图4所示，输出曲线如图5所示，迁移率达0.53cm2/Vs，开关比有1.47×105，阈值电压低至1.32 V。
图6是器件的存储转移曲线，从图中可以看出，器件具有双极性存储特性（可以从负向编程，也可以从正向编程），能同时俘获电子和空穴，具有很大的存储窗口。
图7是器件数据保持能力测试结果，从图中可以看出，在经过10000 s以后，其开关比依然有102以上（纵坐标两条曲线之间的差值大于102），说明器件具有很好的稳定性。
图8是器件的“写入-读取-擦除-读取”特性曲线，可知，该器件具有很强的反复擦写能力，在经过100次循环以后还有很高的电流开关比。
所有测试结果表明，本发明所制备的基于纳米阵列有机场效应晶体管存储器具有双向存储特性，大大的提高了器件的存储窗口和开关比，提高的器件的稳定性能；相较于薄膜形的器件，纳米阵列的突起部分也会和上层的半导体层接触，所以纳米阵列大大提高了电荷俘获层跟半导体层的接触面积，提高了电荷俘获/湮灭效率，提高了电荷写入速度；并且纳米阵列横向阻止了有机场效应晶体管存储器中电荷的横向流失（电子或空穴被俘获以后，有的会横向泄露，但是纳米阵列的形成，起到了阻挡这一过程的作用），提高了器件的稳定性。
本发明制备方法简单，易于加工，制作成本低廉，有很强的普适性，而且通过纳米阵列与半导体层之间接触面积的增加，俘获电子或者空穴的速率增快，提高了器件的迁移率，稳定性，读写速度，特别的是，器件具有双极性存储特性，极大的提高了存储窗口。
本发明成功用简单的旋涂法制备了纳米阵列，并将纳米阵列引入有机场效应晶体管存储器，大大提高了器件的存储性能，有效的解决了晶体管存储器阈值电压大，开关比小等问题，对于有机存储器未来的商用化具有一定的推动意义。
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来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其特征是，从上至下依次包括源漏电极、有机半导体、纳米阵列、栅绝缘层和衬底。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其特征是，源、漏电极材料是铜，厚度为30-40nm，沟道长度是100-150μm，宽度是1500-2000μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其特征是，有机半导体层为并五苯，厚度是50-60nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其特征是，栅绝缘层为SiO2或者氧化铝，厚度为50-300nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其特征是，衬底为高掺杂硅片、玻璃片或者聚对苯二甲酸乙二醇酯。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器，其特征是，纳米阵列为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯基咔唑材料。
7.一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征是，包括以下过程：
第一步：将聚合物材料和绝缘材料分别溶于低沸点溶剂，并分别进行超声；
第二步：将超声后得到的绝缘材料溶液和聚合物材料溶液进行混合；
第三步：在衬底上面依次制备栅电极和栅绝缘层得到基片；然后对基片进行超声清洗及烘干；
第四步：将基片放入紫外臭氧环境中处理；
第五步：在处理好的基片上旋涂第二步所得到的混合溶液，然后将旋涂后的基片进行退火处理，得到纳米阵列薄膜；
第六步：在第五步得到的基片上面依次蒸镀有机半导体层和源、漏电极。
8.根据权利要求7所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征是，聚合物材料为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯基咔唑。
9.根据权利要求7所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征是，绝缘材料为四甲基哌啶醇。
10.根据权利要求7所述的一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征是，绝缘材料溶液和聚合物材料溶液按照体积比1:1-10:1进行混合。
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| CN201911189097.4A CN110993792A (zh) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | 一种基于纳米阵列的有机场效应晶体管存储器及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN112259683A (zh) * | 2020-09-15 | 2021-01-22 | 南京邮电大学 | 一种自组装双极性有机场效应晶体管存储器及其制备方法 |
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- 2019-11-28 CN CN201911189097.4A patent/CN110993792A/zh not_active Withdrawn
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| CN112259683B (zh) * | 2020-09-15 | 2022-08-26 | 南京邮电大学 | 一种自组装双极性有机场效应晶体管存储器及其制备方法 |
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