CN112909172B - 一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，其包括作为栅电极的衬底，和逐层设置于衬底上的栅绝缘层、修饰层、有机半导体层，在有机半导体层上设置有源电极和漏电极，该存储器的编程电压与擦除电压为同向电压，且擦除电压大于编程电压。本发明的存储器为不受长波长紫外光和可见光干扰的高选择性和高性能日盲区深紫外光监测器的制备提供了一种新的策略，同向的编程电压与擦除电压能够简化存储器的工作电源，而且多级存储也使其在低成本制备方面显著增加了实际应用的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及光电存储器领域，具体是一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器。
背景技术
作为可见和红外光电监测器的补充，紫外辐射光电监测器在军事监视、火焰探测、化学分析以及皮肤保健中非常重要。紫外光一般分为三个区域：UVA(320-400nm)、UVB(280-320nm)和UVC(200-280nm)。其中，波长小于280nm的UVC区域的紫外线辐射由于不能穿透大气层到达地球表面，通常被称为日盲区深紫外光(DUV)。有关UVA和UVB区域的紫外光电监测器的探究已经很多，但是对日盲区深紫外光监测器的研究还很少报道。深紫外监测在军事监视、生物和医学分析、火焰探测器等方面有着广泛的应用。例如，当追踪大气中的臭氧层孔时，不受可见光或长波长紫外光干扰而仅选择性地响应DUV的日盲区DUV光电监测器尤为重要。此外，DUV光子容易被有机物质吸收，进而对DNA分子造成严重破坏，因此用于剂量监测的DUV剂量计在生物学和医学领域受到广泛关注。
目前主要通过使用光学滤光片和宽带隙无机半导体相结合来实现具有独特光选择性的日盲区DUV辐射的光电探测器。但是滤光片的高成本限制了其应用范围，并且光灵敏度也降低。无机超宽带隙半导体材料虽然对DUV具有高灵敏度，比如大的开/关比和相对低的暗电流，但是制造成本较高，材料选择也非常有限。近几十年，有机半导体由于其在低成本、可溶液加工、分子可设计性及大规模制造方面的优点，被广泛应用到不同类型的电子器件中。基于有机晶体管的光电探测器能够将光探测和信号放大结合起来，引起了人们的广泛关注。然而，对于有机光电器件的研究主要还是集中在长波紫外、可见光和近红外波段的光探测，而基于有机半导体的DUV探测器鲜有报道。这主要是由于大部分有机半导体的带隙较窄，使得它们对可见光和近红外光比DUV区更敏感。因此，迫切需要一种具有独特光选择性的日盲区深紫外光电监测器的实现策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，以期可以实现日盲区深紫外光的高选择性、高性能探测。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，其特征在于：所述存储器包括作为栅电极的衬底，和逐层设置于所述衬底上的栅绝缘层、修饰层、有机半导体层，在所述有机半导体层上设置有源电极和漏电极；
所述存储器的编程方式为：对存储器的栅极施加编程电压，并以日盲区深紫外光对存储器从上至下进行照射，存储器的源漏电流随着光照时间的增加而增大，当停止光照后源漏电流保持不变，从而实现对日盲区深紫外光信号的存储；多次以日盲区深紫外光进行照射，存储器的源漏电流会逐级增加，从而实现对日盲区深紫外光信号的多级非易失性存储；
所述存储器的擦除方式为：对存储器的栅极施加擦除电压，且施加时间不少于编程时的光照时间；
所述存储器的编程电压与所述存储器的擦除电压为同向电压，且擦除电压大于编程电压。
进一步地，所述栅电极为硅，所述栅绝缘层为SiO2层，所述修饰层为CYTOP[全氟(1-丁烯基乙烯基醚)聚合物]和十八烷基三氯硅烷中的至少一种；所述有机半导体层是由并五苯、并四苯、蒽、TIPS并五苯[6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯]、P3HT[聚(3-己基噻吩)]、F8BT[聚(9,9-二辛基芴-共二噻吩)]、PQT-12[聚(3,3-双十二烷基四噻吩)]、PBTTT[聚(2,5-双(3-四癸基噻吩-2-基)噻吩并[3,2-b]噻吩]、DPP-DTT[聚吡咯并吡咯二酮-并噻吩]和PAIIDBFT-C[聚氮杂异靛蓝-二氟联噻吩]中的任一种形成。
进一步地，所述日盲区深紫外光的波长在200～280nm。
进一步地，所述编程电压选自-5V～-80V中的任一电压，所述擦除电压选自-80V～-150V中的任一电压。
进一步地，通过改变光照强度和曝光时间，可以得到编程条件与阈值电压偏移的关系，从而实现日盲区深紫外光光照剂量的测定。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明首次实现了基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，为不受长波长紫外光和可见光干扰的高选择性和高性能日盲区深紫外光监测器的制备提供了一种新的策略，而且多级存储也使其在低成本制备方面显著增加了实际应用的可能性。
2、本发明的存储器，在200～280nm的日盲区深紫外光照射下，并在栅极施加特定编程电压，与在黑暗中测试的初始转移曲线相比，转移曲线将会向正方向移动。当在栅极上施加同向但高于编程电压的擦除电压时，转移曲线负方向移动到原来的状态。同向的编程电压与擦除电压能够简化存储器的工作电源。
3、本发明所提出的基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器仅对200～280nm的日盲区深紫外光响应，对长波长紫外光和可见光没有响应，具有很高的光选择性。
4、本发明所提出的基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光电存储器，随着光脉冲数的增加，读出电流会连续增加，实现多级存储功能，并在擦除程序下电流能够恢复到初始状态电流，且多级存储能力可以重复。
附图说明
图1为本发明基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器的结构示意图。
图2为本发明实施例1的存储器在不同编程电压条件下的转移特性曲线。
图3为本发明实施例1的存储器在不同入射光强度编程条件下的转移特性曲线。
图4为本发明实施例1的存储器在不同曝光时间编程条件下的转移特性曲线。
图5为本发明实施例1的存储器在初始、编程和擦除时的转移特性曲线。
图6为本发明实施例1的存储器在不同波长光照编程条件下的转移特性曲线。
图7为本发明实施例1的存储器在不同波长光照编程条件下的时间测试曲线。
图8为本发明实施例1的存储器的多级存储特性曲线。
图9为本发明实施例1的存储器阈值电压的偏移和DUV曝光剂量的线性关系曲线。
图10为本发明实施例2的存储器在初始、编程和擦除时的转移特性曲线。
图11为本发明实施例3的存储器在初始、编程和擦除时的转移特性曲线。
图12为本发明对比例1的存储器在初始、编程和擦除时的转移特性曲线。
图13为本发明对比例2的存储器在初始、编程和重复编程时的转移特性曲线。
具体实施方式
为了解决现有技术中对于日盲区深紫外光探测应用范围不广泛、探测器件制造成本较高的技术问题，本发明提供了一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器。在本发明的技术方案中，所述存储器仅对日盲区深紫外光具有独特的选择性，且随着光脉冲数的增加，读出电流会连续增加，实现多级存储功能，为不受长波长紫外光和可见光干扰的高性能日盲区深紫外监测器的制备提供了一种新的策略，同向的编程电压与擦除电压能够简化存储器的工作电源，而且多级存储也大大增加了低成本制备实际应用的可能性。
实施例1
如图1所示，本实施例基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，包括作为栅电极的衬底，和逐层设置于衬底上的栅绝缘层、修饰层、有机半导体层，在有机半导体层上设置有源电极和漏电极。
进一步地，本实施例中：栅电极为硅，栅绝缘层为SiO2层，修饰层为CYTOP，有机半导体层为DPP–DTT，源电极和漏电极为金电极。
本实施例非易失性存储器的制作方法为：以硅片作为衬底，其同时也作为器件的栅电极，栅绝缘层采用300nm厚的SiO2层；将CYTOP修饰层旋涂于SiO2表面。将有机半导体DPP-DTT溶解在氯仿中形成浓度为5mg/mL的溶液；然后在CYTOP修饰的SiO2/Si基底上以2000转/分钟的转速旋涂40秒，再在手套箱中180℃退火30分钟，形成DPP-DTT有机半导体层。在有机半导体薄膜上蒸镀金电极作为源、漏电极，源漏电极之间的沟道长、宽分别为100μm和1000μm，即获得基于有机场效应晶体管日盲区深紫外光存储器。
本实施例存储器的编程方式为：对存储器的栅极施加编程电压，并以日盲区深紫外光对存储器从上至下进行照射，存储器的源漏电流随着光照时间的增加而增大，当停止光照后源漏电流保持不变，从而实现对日盲区深紫外光信号的存储；多次以日盲区深紫外光进行照射，存储器的源漏电流会逐级增加，从而实现对日盲区深紫外光信号的多级非易失性存储。
本实施例存储器的擦除方式为：对存储器的栅极施加擦除电压，且施加时间不少于存储时的光照时间，存储器的源漏电流会回复到黑暗状态下的电流大小。
存储器的编程电压与存储器的擦除电压为同向电压(本实施例中皆为负电压)，且擦除电压大于编程电压。
在本实施例的技术方案中，存储器在200～280nm的日盲区深紫外光照射下，并在栅极施加特定编程电压后，与在黑暗中测试的初始转移曲线相比，转移曲线向正方向移动，此操作称为编程。当在栅极上施加同向但高于编程电压的擦除电压时，转移曲线负方向移动到原来的状态，这种操作称为擦除。由于SiO2中存在晶格缺陷或掺杂引起的间隙能级，在编程操作过程中，它们既可以从导带捕获电子，又可以在254nmDUV光源下激发价带中的电子，从而在SiO2中产生空穴。电子在电场作用下穿过SiO2层，最终被困在CYTOP/SiO2界面上。电子被捕获导致OFET导电通道空穴浓度增加，导致阈值电压正移。在擦除操作期间，施加更大的负栅极电压来解困界面陷阱位点的电子，从而使阈值电压恢复到原始状态。
在编程状态和擦除状态之间的阈值电压的偏移被定义为存储器窗口，它可以用来估计存储器设备捕获的电荷的数量。
首先测试本实施例的存储器在黑暗条件下的转移特性曲线，如图2中的Initial曲线所示。然后对本实施例的存储器施加不同的编程电压VG，同时以强度为1.252mW/cm2的254nm日盲区深紫外光照射10s，照射结束后测试转移特性曲线，如图2所示。从图中可以看出，通过改变编程电压VG，可以得到编程条件与阈值电压偏移的关系，VG越大，阈值电压的偏移就越大。
对本实施例的存储器施加VG＝-40V的编程电压，同时以不同强度的254nm深紫外光进行照射10s，照射结束后测试转移特性曲线，结果如图3所示。可以看出，通过改变光照强度，可以得到编程条件与阈值电压偏移的关系，入射光强度越强，阈值电压的偏移就越大。
对本实施例的存储器施加VG＝-40V的编程电压，同时以强度为1.252mW/cm2的254nm深紫外光进行照射不同时间，照射结束后测试转移特性曲线，结果如图4所示。可以看出，通过改变曝光时间，可以得到编程条件与阈值电压偏移的关系，曝光时间越长，阈值电压的偏移就越大。
图5为本实施例制备的存储器在黑暗中测试的初始转移曲线(Initial曲线)，和施加VG＝-40V的编程电压同时以强度为1.252mW/cm2的254nm深紫外光照射10s后的转移曲线(Program曲线)，以及再施加VG＝-110V的擦除电压10s后的转移曲线(Erase曲线)。可以看出Program曲线相比Initial向正方向移动。而施加擦除电压后的Erase曲线又负方向移动到原来的状态。
采用半导体器件分析仪配备的单色LED光源，入射紫外光从光源直接聚焦并引导到器件上，测试有机场效应晶体管日盲区深紫外光存储器的光学性能，得到器件的时间相关光响应曲线。在器件分析之前，入射光的功率强度由功率计校准(ThorlabsGmbH,PM100D)。
如图6所示，与暗状态下测试的转移曲线相比，存储器在365nm、450nm、532nm、650nm、808nm光照下的转移曲线(施加VG＝-40V的编程电压同时以强度为1.252mW/cm2的相应波长光照射10s后测试)没有明显变化。转移特性曲线在254nm日盲区深紫外光下呈现明显的正偏移，然后应用擦除程序，转移曲线回到初始状态。
如图7所示，存储器的读出电流仅在254nm日盲区深紫外光下增加，而在365nm、450nm、532nm、650nm、808nm光照下的读出电流没有明显变化，当继续用254nm日盲区深紫外光照射存储器，存储器的读出电流会进一步增加。这些结果证明了本实施例的存储器件对长波紫外光和可见光没有响应，只对254nm的日盲区深紫外光有响应。
本实施例的存储器随着光脉冲数的增加，读出电流连续增加，实现多级存储功能，存储性能稳定，性能优异，并在擦除程序下电流恢复到初始状态电流，且多级存储能力可以重复。如图8所示，日盲区深紫外光脉冲作用时间为10s，两个光脉冲的读取时间为30s。随着光脉冲数的增加，读出电流不断增加。OFET存储器设备显示每一级存储器状态定义为0,1，直到11级，当应用擦除程序10s时，第11状态电流将恢复到初始状态电流。
本实施例的存储器，通过改变栅极电压、入射光强度和曝光时间，转移曲线与初始曲线相比有一定程度的阈值电压正偏移。此外，栅极电压越大、入射光强越强、照射时间越长，阈值电压正移越大。很明显，阈值电压的偏移受栅极电压、入射光强度和曝光时间的良好调节，证明该器件具有多级数据存储的潜力。
阈值电压的偏移可以作为DUV曝光剂量的函数，通过将入射光强度乘以曝光时间得到DUV曝光剂量，从而实现DUV曝光剂量的监测。
在图9中可以观察到阈值电压的偏移和DUV曝光剂量的线性关系，这意味着基于OFET的深紫外光电存储器可以用于DUV剂量的测定。
实施例2
本实施例的存储器结构和制备方法与实施例1相同，区别仅在于有机半导体层为P3HT。
图10为本实施例制备的存储器在黑暗中测试的初始转移曲线(Initial曲线)，和施加VG＝-40V的编程电压同时以强度为1.252mW/cm2的254nm深紫外光照射10s后的转移曲线(Program曲线)，以及再施加VG＝-110V的擦除电压10s后的转移曲线(Erase曲线)。可以看出Program曲线相比Initial向正方向移动。而施加擦除电压后的Erase曲线又负方向移动到原来的状态。
实施例3
本实施例的存储器结构和制备方法与实施例1相同，区别仅在于有机半导体层为PAIIDBFT-C。
图11为本实施例制备的存储器在黑暗中测试的初始转移曲线(Initial曲线)，和施加VG＝-40V的编程电压同时以强度为1.252mW/cm2的254nm深紫外光照射10s后的转移曲线(Program曲线)，以及再施加VG＝-110V的擦除电压10s后的转移曲线(Erase曲线)。可以看出Program曲线相比Initial曲线向正方向移动。而施加擦除电压后的Erase曲线又负方向移动到原来的状态。
对比例1
本对比例的存储器结构和制备方法与实施例1相同，区别仅在于没有作为栅绝缘层的SiO2层。
图12为本对比例制备的存储器在黑暗中测试的初始转移曲线(Initial曲线)，和施加VG＝-40V的编程电压同时以强度为1.252mW/cm2的254nm深紫外光照射10s后的转移曲线(Program曲线)，可以看出Program曲线相比Initial曲线几乎没有变化。表明本对比例的器件其不具备存储特性。
对比例2
本对比例的存储器结构为：将十八烷基基三氯硅烷直接旋涂在Si片衬底上，将有机半导体DPP-DTT溶解在氯仿中形成浓度为5mg/mL的溶液；然后在栅绝缘层上以2000转/分钟的转速旋涂40秒，再在手套箱中180℃退火30分钟，形成DPP-DTT层。在有机半导体薄膜上蒸镀金电极作为源、漏电极，源漏电极之间的沟道长、宽分别为100μm和1000μm。
图13为本对比例制备的存储器在黑暗中测试的初始转移曲线(Initial曲线)，和施加VG＝-40V的编程电压同时以强度为1.252mW/cm2的254nm深紫外光照射10s后的转移曲线(Program曲线)、可以看出Program曲线相比Initial曲线发生了一定程度的正向偏移。在不使用任何程序的情况下再次测试，转移曲线恢复到原始状态。表明本对比例的器件其不具备存储特性。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，其特征在于：所述存储器包括作为栅电极的衬底，和逐层设置于所述衬底上的栅绝缘层、修饰层、有机半导体层，在所述有机半导体层上设置有源电极和漏电极；所述修饰层为CYTOP，所述有机半导体层是由DPP-DTT形成；
所述存储器的编程方式为：对存储器的栅极施加编程电压，并以日盲区深紫外光对存储器从上至下进行照射，存储器的源漏电流随着光照时间的增加而增大，当停止光照后源漏电流保持不变，从而实现对日盲区深紫外光信号的存储；多次以日盲区深紫外光进行照射，存储器的源漏电流会逐级增加，从而实现对日盲区深紫外光信号的多级非易失性存储；
所述存储器的擦除方式为：对存储器的栅极施加擦除电压，且施加时间不少于编程时的光照时间；
所述存储器的编程电压与所述存储器的擦除电压为同向电压，且擦除电压大于编程电压。
2.根据权利要求1所述的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，其特征在于：所述栅电极为硅，所述栅绝缘层为SiO2层。
3.根据权利要求1所述的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，其特征在于：所述日盲区深紫外光的波长在200～280nm。
4.根据权利要求1所述的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，其特征在于：所述编程电压选自-5V～-80V中的任一电压，所述擦除电压选自-80V～-150V中的任一电压。
5.根据权利要求1所述的日盲区深紫外光多级非易失性存储器，其特征在于：通过改变光照强度和曝光时间，可以得到编程条件与阈值电压偏移的关系，从而实现日盲区深紫外光光照剂量的测定。
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