TW200301974A - Semiconductor arrangement having transistors based on organic semiconductors and non-volatile read/write memory cells - Google Patents

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(i) 200301974 玖、發明說明 實施方式及圖式簡單說明) (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、 技術領域 本發明係關於一種至少具有一半導體裝置的半導體配置 ，該半導體裝置具有由一有機半導體製成的半導體路徑。 先前技術 詢答器科技使用一傳送器/接收器單元以非接觸式讀取 或寫入一記憶體。該記憶體是固定在（例如）一物件上的一 記憶體單元的一部分，關於該物件的特定資訊係儲存在該 記憶體中。通常，包含該記憶體的電路不具有一專用電源 供應，而是經由一交流電磁場供電，使用該方式，該積體 電路同時與該傳送器/接收器單元通信。為達到此目的，通 常係使用125千赫和13.56兆赫的載波頻率。此項技術係用 來（例如）搜尋及識別埋在地下並因而無法接近的管道、在 一大群獸群中識別動物、或者用於通行卡，使得其擁有者 可以進入（例如）特定的限制通行區域。在此類系統中使用 晶片係基於矽作為半導體材料。因此，儘管有先進的 製造方法，可使用一傳送器/接收器來讀取及（在適當情況 下）寫入的纪憶體單凡的製造仍然比較複雜且昂貴。在上述 使用領域中，由於該記憶體單元通常在該物件上保留相當 ，的：間或係用於高價商品，故這些成本並無明顯意義。 但另-方®，在詢答器科技許多可能的應用領域中，儘管 只需處理少量資訊，卻存在著極大的成本壓力，換言之， 迄今使用的記憶體單元由於成本原因被排除在日常實務應 (2) (2)200301974 可使用（例如）零售業中的RF-ID標籤（射頻識別標鐵； Radio Frequency Identification Tags)以大幅度減少成本及 節省時間。因此，舉例而言’可在商品上使用儲存該商p 資訊的RF-ID標籤。該資訊可以是（例如）價格、使用期限或 將該商品銷售給客戶的終端商店。如果也可以將資訊寫人 RF-ID標籤，製造商就可以在商品上提供所有必要資訊，例 如其價袼以及根據一電子進入訂單指定給該商品的終端商 店。這將進一步簡化後勤，因為可用（例如）一自動化方式 製造商品並將其指定給一終端商店。在終端商店中，可^ (例如）收銀台區域實現節約。當經過一收銀台時，關於唁 商品的資訊係以非接觸方式傳送至收銀台。收銀台確定^ 價袼後，自動開出一張發票並結算該商品庫存。二一 ::子付款交易相結合’該方法消除了客戶在收銀台區： 的％間損失。同時，可將對新商品的請求 報告給製造商。 尾子方式自動 為了能在實務中有競爭力地實施此類銷售系统，上 用中使用的RF-ID標籤僧林罐x处和、Aw 戴貝格、巴不此超過傳統條形碼標籍Μ :格:換言之’生產成本必須以價格「分(叫」二 > β玄等RF-ID標籤必須可在短時間内大量生產 ^ 標鐵必須呈借钱^ ώ； 此外’該 織備邊如南度堅固或重量輕的特性 =無困難地進行處理，或具有 ^對 固定在（甚至是）彎曲的矣；L 攸而可將其 曰Η π刮 曲的表面上，例如瓶子的表面。伊其切 :片可以製造成極薄的厚度，使 =夕 樣非常複雜和昂貴，佔π A ^些方法同 、 侍矽晶片被排除在上述應用之外。 (3) 200301974

的儲存數量和儲 仁另方面，對於上述應用，在rf_id標籤 存检度方面的要求則相對較小。 發明内容 因此，本發明的一 常間單的方式和與傳 一項有限範圍的資訊 將其讀出。 項目標係提供一種裝置，其可以一非 統解決方案相比極其便宜的成本儲存 ，並可在至少由月份限定的一時期内 、之目標係藉著一種半導體配置實現，該配置包括至少一 半/導體裝置’其具有由至少一有機半導體製成的一半導體 路徨，並且該配置具有至少一個基於一記憶體材料中的鐵 電效應的可重寫記憶體單元。 依據本發明，該解決方案—方面利用有機半導體科技， 其使得以極其具有成本效益的方式（例如藉助印刷技術）製 造積體電路。儘管目前有機半導體科技還不能提供如石夕半 導體科技提供的如此高的整合密度，該整合密度實際上對 於上述應用並非必#，因為此類應用中只需要處理少量資 訊，並且對於該電路配置有一相當大區域可用，例如瓶子 標籤的背面。該有機半導體科技係與基於一鐵電效應的一 記憶體媒體相結合。-旦將所需資訊寫入該記憶體，就不 需要繼續的電塵供應以保存該f訊。基於一鐵電效應的該 記憶體媒體甚至在上述應用所需要的時期過後還能保存資 訊，例如在商品製造商寫入該記憶體與在終端商店收銀台 頃取負訊之間的一時期。 有機半導體具有電荷載體的靈活性，其範圍約為〇1至^ (4) (4)200301974 平方厘米/伏特。這為建構使用基於有機半 置的RF-ID系統所需的全部組件和電路提供了 :二半導體裝 有機半導體科技與適當記憶體材料的結合 可儲存資訊的配置’且整個該項配置係由可用：：： 方式（例如也是使用具有成本效益的工 B早的 環境溫度下處理的材料組成。 早-)亚可在正常 所要儲存的資訊可非接觸地寫入並從該記憶體 貧訊相對於記憶體的讀寫大體上是以相同的方式進行。如 果依據本發明的半導體配置係包含在(例如)一標籤：：： 可只在將該標籤貼到要識別的物件之後，有利地執行程 因此，舉例而[在生產線的末端就可以根據進來二 -丁早以包含最新訊息的方式將—項商品指定給—特定 商店，從而以最高可能的最新相關性來決定進一步的銷隹 计劃’而不必要（例如）儲存大量存貨。 由於冗憶體單元係基於一鐵電效應，此類記憶體單元最 好設計成讀/寫記憶體。這樣就可隨時變動及更新儲存的資 訊0 、 心依據本發明的丰導體配置所適合的記憶體材料為：在不 需^高費用的情況下，在此類材料中的一鐵電效應係足夠 顯著以辨別兩個不同極化狀態。 ° 、、一種具有鐵電特性的有機聚合體特別適合用作記憶體材 料可使用簡單且具有成本效益的方法處理鐵電聚合體， 其通常係使用在有機半導體科技中，並可同樣使用（例如） 印刷的方法將其加至一基板上。特別是在彈性基板上， 200301974

些材料證實係足夠堅固以抵禦基板的彎折和扭曲。對於所 要進行的應用，該鐵電聚合體所採用之程式化電壓的極化 慣性一般係足夠低。

對該記憶體單元所必要的鐵電效應基本上與電極使用的 材料無關（程式化電壓係藉著這些電極施加至該鐵電聚合 體）。使用鐵電有機聚合體作為記憶體單元的記憶體媒體因 而對電極材料的選擇幾乎不加任何限制。 迄今為止，所有對聚合體的鐵電特性的研究都是在簡單 及通常為隔離層系統中執行的。迄今還沒有出現基於一鐵 電效應的記憶體單元，其與由具有一有機半導體製成之半 導體路徑的電晶體具體實施的一控制和定址電路結合使用。 在一較佳鐵電聚合體群組中，該聚合體的導電性受到極 化狀態的影響。可利用導電性的兩種狀態來定義一記憶體 單元的一二進制資料内容。此類具有鐵電特性的有機聚合 體的範例有氟化多烯。

如 A. Bune、S. Ducharme、V. Fridkin、L. Blinov、S. Palto 、N. Petukhova、S. Yudin刊登在應用物理學雜諸（Appl. Phys. Lett.) 67期 26刊（1995)上的「在 Langmuir-Blodgett鐵 電薄膜中的新穎轉換現象（Novel Switching Phenomena in Ferroelectric Langmuir-Blodgett Films)」以及由 A. Bune、 S. Ducharme、V. Fridkin、L. Blinov、S. Palto、A.V· Sorokin 、S. Yudin、A. Zlatkin刊登在自然雜諸（Nature)39 1 卷（1998) 上的「二維鐵電薄膜（Two-dimensional Ferroelectric Films)」 所說明的，該二種極化狀態可用相關聯的導電性來作比較 -10- 200301974

⑹ ，其差異範圍在100倍以内。這樣就能夠可靠地區別該導電 性的兩種狀態，並從而可靠地讀取該記憶體中所包含的資 訊。 藉著改變一程式化電壓的極性可實現極化的改變以及隨 後该聚合體導電性的改變，其在該聚合體中產生一電場。 在该程式化電壓消失後，先前藉著該程式化電壓設置的導 電性狀態將保留下來。該聚合體的導電性只藉著施加一程 式化電壓（矯頭電壓；c〇ercive v〇ltage)改變其狀態，該程式 化電壓與該第一程式化電壓具有相反的極性並在該聚合體 中產生一電場，其大小比該聚合體的矯頑場（coercive field) 強度要大。 但最好使用實現該鐵電體的極化反轉所必需的一電荷的 度置，或從其衍生的一數量來讀出該儲存資訊。該電荷係 取^於該鐵電體的預極化。這意味著該讀取操作的執行係 皮裹的目此，在項出該資訊後，所有的記憶體單元或 鐵電谷裔都具有相同的極化。如果要保留該資訊，必須在 忒靖取操作後將記憶體内容再次寫回該鐵電容器。這可在 該讀取操作後立即進行，或在其後進行。為達到此目的， 可以緩衝性地儲存該記憶體内容，例如在一正規的電容哭 =體：或一正反器中’或替代性地使用兩個鐵電記憶體 :5二在RF-ID例子中尤其有利，其中資訊係非接觸式讀 取，〒為該資訊在一電壓了降的情況下不會喪A。 、 P二::：r:—:ted P°lyenes)中，尤其是那些基於 —烯—氟化物；polyvinylidenedifluoride)的 200301974 ⑺ 發朋說頻續奪: 氟化多：’其中特別是三氟乙稀（trifiuoroethylene)的共聚 物（PVDF-PTrFE ; 70:30)已證明為尤其適合。更適合的多烯 在（例如）Τ·Τ· Wang、j.m. Herbst、A.M. Glass所著的「鐵 電承合體之應用（The Applications of Ferroelectric Polymers)」一書中有所說明，該書的ISBN編號為 0_412-01261-8 。 對於要進行的應用，該PVDF聚合體所採用的1〇至1〇〇亳 秒程式化電壓的極化慣性已足夠低。 PVDF聚合體對於彎折和扭曲係足夠堅固，因此也適合於 運用在彈性基板上。 作為上述具有鐵電特性的有機聚合體的一替代物，也可 使用非有機鐵電體作為記憶體材料。可用作記憶體材料的 一種適當鐵電非有機材料為鐵電鈕酸鹽（tantalates)和鈦酸 鹽（titanates)，例如鳃鉍鈕酸鹽（str〇ntium bismuth tantalate ’ SBT)或錯錯鈦酸鹽（iead zirc〇ni職 ⑽eS ; pz丁， PbZrxTikOJ。 ’ 主動半導體裝置及記憶體單元（其由可在同等裝置上的 同等或類似生產處理中提供的材料製成，換言之，使用相 對於矽科技更簡單及更具有成本效益的有機半導體科技的 處理及輔助方式）的整合擴展了積體電路的應用範圍。 在本么明的一特定較佳具體實施例中，該半導體配置具 有在功能性上辅助該半導體配置的半導體裝置以形成二 RF-ID標鐵。 具有有機主動半導體裝置及記憶體單元的半導體配置最 200301974

Lg*轉 好是運用於彈性基板上。如果建構在該基板薄層中的主動 和被動半導體裝置、記憶體單元及互連也係由彈性堅固材 料構成，結果即可產生-機械結構，就其本身而言可 地運用於彎曲表面上。 適合於作為基板的係彈性薄膜，其可由金屬及合金製成 ，例如銅、鎳、金和鐵的合金；亦可由纖維素製成，例如 紙；也可由塑膠製成，例如聚苯乙烯（p〇lystyrenes)、聚乙 烯（polyethylene)、聚亞安酯（p〇lyurethanes)、聚碳酸酯 (polycarbonates)、聚丙烯酸鹽（p〇lyacrylates)、聚醯亞胺 (polyimides)、聚醚（polyethers)及聚唑（p〇lybenz〇xaz〇ies) 。記憶體單元的大小及面積要求在具有成本效益的基板實 例（例如紙）中並不嚴格。由於記憶體的面積可影響記憶體 單元的必要特性，藉著所產生的具有成本效益之基板，可 獲得記憶體單元設計的一額外自由度。 適合於基於有機半導體之半導體裝置中半導體路徑使用 的材料最好係基於稠合芳烴的P型半導體，例如蒽 (anthrazene)、四氮烯（tetrazene)、五氮烯（pentazene)、聚噻 吩（polythiophene)，例如聚三烷嘧吩（p〇iy_3-alkylthiophene) 、聚乙烯醇嘧吩（polyvinylthiophene)及聚吡咯（polypyrroles) 。此外’可使用苯二甲藍（phthalocyanine)或叫、淋（porphyrin) 的有機金屬合成。使用在依據本發明的半導體配置中的半 導體裝置係一有機電晶體，例如一有機磁場電晶體，其使 用可以（例如）將該記憶體單元在兩種狀態之間轉換。在此. 例中’該半導體路徑係配置在一有機半導體源極和汲極之 200301974 w - L^™ 間的-層，該有機半導體的導電性係由—閘極場控制。 該半導體配置本身及/或基於有機半導體的主動及被動 半導體裝置(場效應電晶體、電容器)具有由一絕緣體制成 的絕緣層，其方式由功能控制。非有機和有機絕緣體在此 例中都係適當。具有穩定性和堅固性的絕緣體使其特別適 合於基板上的配置，這些絕緣體可以是（例如）矽二氧化物 (silicon dioxide)和石夕氮化物（siiic〇n nitride)。該二材料都 可以整合在依據本發明的半導體配置類型中，如M.G. Kane 、H. Klauk等人在 IEEE 電子裝置雜誌（Ieee Electr〇I1 Device LetterS)21卷11號534頁（2000)上刊登的「使用聚酯基板上有 機薄膜電晶體的類比及數位電路（Anal〇g and Digital circuits Using Organic Thin-Film Transistors on Polyester Substrates)」，以及D. J. Gundlach、H· Klauk等人在 1999 年12月的國際電子裝置會議（international Electron Devices Meeting)上發表的「高靈活性及低電壓有機薄膜電晶體 (High-Mobility, Low Voltage Organic Thin Film Transistors)」中所說明的。 此外，由於·可使用簡單印刷方法使其沈積，聚苯乙烯 (polystyrene)、聚乙稀（polyethylene)、聚醋（polyester)、聚 亞胺酿（polyurethane)、聚碳酸 S旨（polycarbonate)、聚丙烯 酸鹽（polyacrylate)、聚醯亞胺（polyimide)、聚醚（polyether) 及聚苯嗤（polybenzoxazol)係特別適合。 為調整該半導體配置的互連以及半導體裝置中的電極， 對於成本關鍵的應用，可提供摻雜有機半導體，例如聚苯 -14- (10) 200301974

月女（polyanaline)與樟腦硫酸（camph〇rsuiph〇nic acid)的摻雜 或聚噻吩（polythiaphines)與聚苯乙烯硫酸 (polystyrenesulphonic acid)的摻雜，其可使用簡單及具有成 本效益的印刷方法來沈積。如果要求互連中的更低電源損 失，則較佳的係低電阻的金屬或金屬合金，例如鈀、金、 翻、鎳、銅、鈦及鋁。

改麦極化所需要的電場強度或程式化電壓處於與基於有 械半導體之電晶體一作業範圍交疊的一範圍中。 用於讀寫電壓所必需的一信號擺動藉著記憶體單元的面 積係可縮放，並可因此適應定址和控制電晶體的特性。 在本發明一第一項具體實施例中，一記憶體中的記憶體 單$係由選擇電晶體來定址。此類定址使其可實現對記憶 體單元快速、特定及不受干擾的存取。

依據一第二項具體實施例，該定址係使用一被動矩陣實 現，如在（例如）美國專利案號6,〇55，18〇中所說明的。使用 此類定址’就不需要在別的方式下指定給每個記憶體單元 的選擇電晶體。這導致-特別簡單的記憶體結構。 依據一第三項具體實施例，個別記憶體單元的選擇定址 不受影響。反之’-移位暫存器中的連續儲存受到影響。 除去選擇定址，進一步導致一更簡單的記憶體結構。曰 依據本發明的半導體配置可由較容易取得的材料來 ’亚使用具有成本效益的方法（例如印刷技術）。因此衣 據本發明的半導體配置尤其適合於需要將資訊以 效盈的方法儲存多達數月時期的應用。㈣，本發明也係 -15- (11) 200301974 關於一種標籤，其包 半導妒阶罢 基板、一固定層及上述至少一項 ，-二L，該半導體配置係提供在該基板上。在此例中 的半導；i】：：例有紙或—彈性塑膠薄膜，依據本發明 發明的主例如印在上面。在依據本 (適配接著可運用作為固定層的一枯性層 在件 保禮層隔開）’藉著其幫助將該標籤固定

纟此例中’依據本發明的半導體配置係受到 =的=能會造成破壞的機械影響。此類標藏的應用 ::例有：用於銷售商品的標籤(已在本文簡介中 ，：例如電子郵票’其價值在銷售過程中儲存在該郵旱上 二Γ方式中，這些標鐵例子中的記憶體内容的讀取 係破壞性的，㈣記憶體内容在讀出後不再寫回。這樣， 例如郵票在其價值讀出的同時就無效了。 依據本發明的半導體配置的另一項應用領域係智慧卡 (smart cards) ’其包含—基板及至少_上述半導體配置該

半導體配置係提供在該基板上。此類智慧卡具有獨立交易 性能並可用作（例如）電話卡或折扣卡。在電話卡的例子中 ’在購買時儲m值，然後在使用過程中隨著讀出操 作漸漸減值。在此例中，適合於用作基板的是具有比上述 標籤例子中所必要的強度更高的一材料。舉例而言，由： 板或塑膠薄板製成的基板係合適的。因此，依據本發明的 半導體配置還適合於嵌入在兩個紙層或塑膠層之間，以保 護其免受機械影響。替代性地，也可由一清漆層提供保護 。儘管上述智慧卡尤其適合於應用，其受到非常大的成本 -16- 200301974

(12) 麗力’並且對其只需要一有限使用期，但提供更長使用期 的具體貫施例（例如銀行卡、信用卡或醫療保險卡）卻也是 可能的。 上述標籤和上述智慧卡的配置方式，最好能使得儲存資 訊可以非接觸地寫入或讀出。但提供用於讀寫該記憶體的 一接點的具體實施例也是可能的，其接觸係連接至用^於 寫之讀/寫裝置的一對應接點。

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Claims (1)

1. 200301974 耠1. 、申讀專利範圍 一種具有至少一半導體裝置的半導體配置，該半導體裝 置具有至少由一有機半導體製成的一半導體路徑， 其特徵為： & 至少一基於一記憶體材料中一鐵電效應的可重寫記 2. 3. 4. 如申請專利範圍第1項之半導體配置， 其特徵為： 該記憶體材料係具有鐵電特性的一有機聚合體。 如申請專利範圍第2項之半導體配置， 其特徵為： 具有鐵電特性的該有機聚合體係一氟化多烯 (fluorinated p〇iyene)。 如申請專利範圍第3項之半導體配置， 其特徵為： 5. /氟化夕烯係一聚偏二乙烯二氟化物（p〇^vinylidine difluoride) 〇 如申請專利範圍第丨項之半導體配置， 其特徵為： 該記憶體材料係一 如申请專利範圍第5項 其特徵為： 具有鐵電特性的有機聚合體 之半導體配置， 該無機材料係 (tantalate) 〇 鐵電鈦酸鹽（titanate)或鈕酸鹽 6. 200301974

   如申請專利範圍第 其特徵為：

   1至6項中其中一項之半導體 配置， 層製成的半導體路徑 導體配置互補以形成 具有由有機半導體、互連及隔離 的被動和主動半導體裝置，其與半 一 RF-ID標籤。 8. 如申請專利範圍第1至7項中其中一 其特徵為： 項之半導體配置，

   m ΤΓ 丁 守‘ 置的一作業範圍。 9· 如申請專利範圍第1至8項中其中一項之半導體配置 其特徵為： i 用於定址記憶體單元的有機選擇電晶體。 10.如申請專利範圍第1至8項中其中一項之半導體配置 其特徵為： 用於定址記憶體單元的一被動矩陣。

   u·如申請專利範圍第1至8項中其中一之項半導體配置 其特徵為： 該等記憶體單元係配置為形成一移位暫存器。 12. —種標籤，其包括一載體、一固定層及如申請專利範圍 第1至11項中其中一項之至少一半導體配置，該半導體 配置係提供在該載體上。 13 · —種智慧卡，其包括一載體及如申請專利範圍第工至11 項中其中一項之至少一半導體配置，該半導體配置係提 供在該載體上。 -2- 200301974 陸、（一)、本案指定代表圃為：第 圖 (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 柒、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：