CN204857788U - 一种单栅柔性有机存储器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单栅柔性有机存储器件，主要由衬底、栅电极、介质层、有机半导体层、源电极和漏电极构成。本实用新型以柔性材料聚酰亚胺作为柔性衬底，制备的存储器件具有良好的柔性和机械强度。有机驻极体材料作为介质层，利用有机驻极体在外加电场下可以俘获和释放电荷的性质，调控阈值电压实现存储器件的功能，提高了存储器件的存储时间和使用寿命，同时本实用新型采用旋涂、磁控溅射和真空热蒸发的方法制备，工艺简单，可大面积制备，可有效降低生产成本。

Description

一种单栅柔性有机存储器件

技术领域

本发明属于半导体存储器件领域，具体涉及一种单栅柔性有机存储器件。

背景技术

随着半导体技术的发展，目前以集成电路为核心的电子信息产业已经超过了传统的石油、钢铁、汽车产业，成为全球第一大产业，带动各行各业的发展和经济的进步。根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。目前最新的集成电路制造工艺，晶体管的的特征尺寸已达到了14nm，但是随着集成电路的集成度越来越高，也伴随着一些问题出现，如量子隧穿效应引起的电流泄漏等，这些问题将限制传统无机半导体的发展，科学家也提出了改进器件结构，采用高K材料作为介质层来解决目前的问题，但是从长远来看要从根本上解决问题必须采用全新的材料和方法。自从人们发现掺杂的聚乙炔可以导电以来，用有机物代替传统无机半导体材料成为研究的热门，随之兴起一门新的学科——有机电子学，有机物作为半导体材料比传统的硅锗材料有更多优势，比如材料无数种，可用化学合成和修饰满足各种需要，最重要的是有机材料具有柔性，可大面积制备，适合打印、印刷、旋涂等低成本生产工艺。目前科学家已经将有机材料应用到了信息显示、传感、存储、光电转换等领域，存储器件作为集成电路中的也基本元件，被应用于各种电子产品，如我们常用优盘、移动硬盘、内存卡和手机等，现在逐渐兴起的智能穿戴设备如Google眼镜、智能标签、智能手环等需要存储器件具有良好的柔性和机械强度，传统的硅基存储器已无法满足要求，已有文献报道了柔性的有机存储器，但大部分还是基于无机存储器的结构将无机材料换为了有机材料，目前有机类的存储器按工作原理可分为电荷俘获型存储器、铁电存储器、磁存储器和阻变存储器等，在电荷俘获类的存储器中纳米晶存储器报道较多，该种存储器与场效应管的结构类似，只是在栅介质中加一层纳米晶个俘获电荷层，纳米晶俘获电荷后会使阈值电压偏移，通过外围电路识别两种变化达到存储信息的目的。但是纳米晶存储器的制作工艺比较复杂，多次擦除/编程操作后器件的结构容易破坏，纳米晶俘获电荷后电荷的泄露会导致存储的可靠性下降。

发明内容

为了克服上述纳米晶存储器件制作工艺复杂、耐受性差、存储时间短、使用寿命短的缺点，本发明提出了一种单栅柔性有机存储器件，工作原理类似于纳米晶存储器，采用能存储电荷的有机驻极体材料，在外加电场下，半导体/栅介质界面处的电荷会被栅介质俘获，从而使场效应管的阈值电压发生偏移，达到和纳米晶浮栅存储器相同的存储效果，不需要在介质层中夹杂纳米晶，简化了制作工艺，而且存储时间长、耐受性好、使用寿命长。本发明的结构与有机场效应管的结构相同，主要由衬底、栅电极、介质层、有机半导体层、源电极和漏电极构成。

所述的衬底材料为柔性衬底材料，本发明所用的衬底材料是聚酰亚胺(PI)，PI具有很好的耐高温，耐溶剂和很好的机械强度和韧性，是一种理想的衬底材料，另外聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或者聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等也可作为衬底材料。

所述的栅电极为导电氧化物，本发明所用的栅电极材料是氧化铟锡(ITO)，ITO是一种导电性能良好的半导体材料，具有良好的化学稳定性，除此之外，氧化铝合铜(CuAlO₂)和氧化锌(ZnO)也可作为栅电极材料。

所述的栅电极通过在柔性衬底上生长导电薄膜制备，生长导电薄膜的常用方法有磁控溅射、真空热蒸发、旋涂法和水热法等，本发明所采用采用的是磁控溅射法，栅电极厚度为30nm，该种方法制备的ITO薄膜表面平整、附着强度高、厚度可控。

所述的介质层材料为驻极体，驻极体具有这样的性质，在外部电场下可以使自身的偶极电荷极化同时也可保存外部注入的电荷，在撤去电场后仍能保留电极化状态和注入的电荷，驻极体通常为有机聚合物，常见的驻极材料有聚乙烯醇(PVA)，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等，驻极体可以增加电荷的存储时间，防止泄露电流，增加存储的稳定性，而且电荷的俘获和释放不会破坏驻极体的结构，可以多次擦写，增加存储器的寿命。本发明所用的驻极体材料为PVA，其电荷存储寿命长、易溶于水、可降解，是一种理想的电荷存储材料。

所述的介质层在栅电极上旋涂驻极体薄膜制备，本发明在栅介质上旋涂PVA，厚度为100nm。

所述的有机半导体层采用的是酞菁铅(PbPc)，制备有机半导体层有多种成熟的方法，主要有化学气相沉积，真空热蒸发，等离子溅射等方法。本发明所述的有机半导体层用真空热蒸发镀膜的方法在介质层上沉积一层PbPc，厚度为50nm。

所述的源电极和漏电极为金属材料，金、银、镁、铝等都可做电极，本发明所用的电极材料为金，源电极和漏电极通过在半导体层真空热蒸发沉积而成，厚度为30nm。

技术方案

1)将PI衬底先用去污粉擦洗，丙酮清洗10分钟，然后放入乙醇蒸汽中干燥；

2)将1中清洗的PI衬底放到溅射台上，换上ITO靶，当腔内真空达到1×10^-4Pa，通入氩气，调整系统压强维持在0.4-0.6Pa和溅射功率为90w，设定溅射时间30分钟，完成制备控制栅，ITO薄膜厚度为30nm；

3)将PVA粉末和去离子水按比例混合，水浴加热搅拌配置成质量分数为5％的溶液，放在室温下冷却；

4)设置匀胶机高低转速和时间，将3)中溅射好的PI衬底ITO面向上放在吸头上，将3)中的PVA溶液均匀滴加在片子上，旋涂后放入真空干燥箱干燥，介质层的厚度为100nm；

5)将4)中干燥好的片子放入真空腔，加热PbPc，然后在介质层上沉积一层50nm左右的有机半导体层；

6)将5)中的片子放在掩膜板下，然后真空热蒸发源漏金电极，电极厚度为30nm。

技术分析

本发明采用有机驻极体作为介质层，利用驻极体可保留外界电场撤去后注入的电荷，进而使场效应管的阈值电压发生漂移，实现存储的功能，而且驻极体存储电荷时间长，结构稳定，可以使存储器件的使用寿命、存储时间有效增加，同时本发明的结构与场效应管的结构相同，制备工艺主要采用真空热蒸发、磁控溅射和旋涂浮的方法，工艺简便，原料成本低，可降低生产成本，有利于大规模生产。

附图说明

图1为一种单栅柔性有机存储器件的结构简图。图1中：1PI衬底、2ITO栅电极、3PVA介质层、4PbPc有机半导体层、5源电极、6漏电极。

具体实施方式

1.1将1裁成规则的形状，然后用去污粉擦洗；

1.2将1放入丙酮超声清洗10分钟，然后放入乙醇蒸汽中干燥。

实施例2

2.1将1放在溅射台上，用长条形掩膜板盖住1，漏出条形电极的区域，ITO靶材安放在溅射台上支架上，所用靶材为ITO陶瓷靶材(In2O3∶SnO2＝90∶10，纯度为99.9900％)，ITO靶材直径为80mm、厚度5mm；

2.2调整靶材到衬底的距离为20cm，设置溅射台转速为30r/min；

2.3关闭真空室后，打开真空阀，当真空室压强达到1×10^-4Pa时，通入高纯氩气和氩气，通过流量计调节真空度，真空度为0.4-0.6Pa，衬底温度为60℃，溅射功率设为90W；

2.4开始启辉后，持续时间为3min，2的厚度为30nm。

实施例3

3.1用电子称称取5毫克PVA粉末，注射器抽取0.1毫升的去离子水，在小烧杯中混合；

3.2将烧杯放入水浴锅中加热，水浴加热搅拌使PVA成为均匀的透明溶液，PVA溶液的质量分数为5％。

实施例4

4.1将实施例2中制备好的片子放在匀胶机的吸头上，用取液器将实施例3中的PVA溶液滴在2上；

4.2按下吸片，设置匀胶机低速转为400r/min，10秒，低速转4000r/min，40秒；

4.3旋涂完成将片子放入真空干燥箱中，打开机械泵，真空度为0.09Pa，加热温度为90℃，保存2小时，3的厚度为100nm。

实施例5

5.1将实施例4的中片子放入真空腔，打开机械泵抽真空，当真空度达到3×10^-3Pa，打开热偶开始加热PbPc；

5.2当温度达到390℃，PbPc开始蒸发，用频率计监测蒸发速度，控制蒸发速度

5.3当4达到50nm，停止加热，在真空腔中冷却。

实施例6

6.1将掩模板放在4上，露出长方形的源漏电极区域，打开机械泵，真空度达到3×10^-3Pa，打开热源加热金丝；

6.2当金开始融化，达到金的沸点开始蒸发源漏电极，通过频率计检测蒸发厚度，蒸发速率在左右；

6.3当5、6的厚度厚达到30nm，停止加热，在真空腔中冷却。

Claims (4)

1.一种单栅柔性有机存储器件，主要由衬底、栅电极、介质层、有机半导体层、源电极和漏电极构成，其特征在于：采用柔性材料作为衬底，有机驻极体材料作为介质层。

2.根据权利要求1所述的一种单栅柔性有机存储器件，其特征在于所用的衬底材料为聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的一种单栅柔性有机存储器件，其特征在于所用的介质层材料为聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述的一种单栅柔性有机存储器件，其特征在于有机半导体层所用的材料为酞菁铅。