TW201330281A - 含蛋白質介電材料之有機浮閘極記憶體元件及其製造方法 - Google Patents

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Li-Shiuan Tsai
Jon-Yiew Gan
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Abstract

本發明係有關於一種含蛋白質介電材料之有機浮閘極記憶體元件，包括：一基板；一閘極，係設於該基板上；一閘極介電層，係覆於該閘極；一浮閘極，係設於該閘極介電層上；一蛋白質介電層，係覆於該浮閘極上；以及一有機半導體層、一源極、及一汲極，係設於該蛋白質介電層上。

Description

含蛋白質介電材料之有機浮閘極記憶體元件及其製造方法
本發明係關於一種含蛋白質之有機浮閘極記憶體元件及其製備方法，尤指一種使用蛋白質作為介電層之有機浮閘極記憶體元件及其製備方法。
現今，急速發展中的科技產品，舉凡手機、筆記型電腦、平板電腦、隨身碟、及數位相機等電子產品，已可算是生活中不可或缺的必需品。其中，電子產品內的記憶體更是扮演一個相當重要的角色。記憶體主要分為揮發性記憶體及非揮發性記憶體兩種。揮發性記憶體意指記憶體內的儲存資料會隨著外部供應電源的移除而消失，如靜態隨機存取記憶體、動態隨機存取記憶體。非揮發記憶體意指記憶體內的儲存資料不會隨著外部供應電源的移除消失，且可長時間地被儲存，如唯讀記憶體、可程式唯讀記憶體、可擦式可程式唯讀記憶體、可用電擦拭可程式唯讀記憶體、及快閃記憶體。再者，非揮發性記憶體以結構來分類主要分為捕捉電荷元件和浮閘元件。
一般而言，有機浮閘極記憶體相較於傳統矽基的浮閘極記憶體，具有重量輕、便宜等優點。常見的有機浮閘極記憶體，如圖1所示，一基板11；一閘極12，係設於該基板11上；一閘極介電層13，係覆於該閘極12；一浮閘極14，係設於該閘極介電層13上；一浮閘極介電層15，係覆於該浮閘極14上；以及一有機半導體層16、一源極17、及一汲極18，係設於該浮閘極介電層15上。其中，常見的介電層之材料係如：二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、及氮化矽等。
此外，有機浮閘極記憶體中，若使用一般常用之介電材料，均需透過濺鍍法或真空沉積設備以形成閘極介電層或絕緣層，故往往大幅增加製作成本及製程複雜度。
因此，目前需發展出一種有機浮閘極記憶體之介電材料，其除了具有便宜且製程簡單之特徵外，更可整合應用於軟性電子產品上。
本發明之主要目的係在提供一種含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，包括：一基板；一閘極，係設於該基板上；一閘極介電層，係覆於該閘極；一浮閘極，係設於該閘極介電層上；一蛋白質介電層，係覆於該浮閘極上；以及一有機半導體層、一源極、及一汲極，係設於該蛋白質介電層上。
在本發明中，以生物蛋白作為其介電層材料之有機浮閘極記憶體，其具有可撓曲、重量輕、便宜、及環保等特性，可整合於有機電子產品中，以達成輕量、低成本以及便於攜帶的目標。
生物蛋白具有可撓性以及價格便宜的特性，故可視為一種極佳之軟性電子元件的介電材料。因此，本發明係以生物蛋白為浮閘極介電層，在其上鍍上有機半導體層，製作出有機浮閘極記憶體，可具備相當的產業潛能，在未來可撓式電子產品的發展上將成為重要發展之一。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，基板可為一塑膠基板、一紙基板、一玻璃基板、一石英基板、或一矽基板。較佳可使用一塑膠基板或一紙基板，可使所形成之元件具有可撓性。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，有機半導體層之材質可為五苯環、碳60、PTCDI-C8(N,N'-聯苯-3,4,9,10-芘二甲西先亞胺(N,N'-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide))、或氟化并五苯(perfluoropentacene)。當使用五苯環作為有機半導體層時，較佳係以蠶絲蛋白作為蛋白質介電層之材料。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，該蛋白質介電層中之生物蛋白可經修飾或非經修飾，且該生物蛋白可為蠶絲蛋白。其中，該蛋白質介電層即為浮閘極記憶體元件中之穿隧層(tunneling layer)，半導體層的載子可受到垂直方向電場的影響而穿隧至浮閘極，當垂直方向的電場移除後，進而將載子儲存於浮閘內，達成寫入的功能。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，閘極介電層之材質可為任何介電材料，包括無機或有機介電材料，較佳可為蠶絲蛋白，當閘極介電層之材質為生物蛋白時，可更增加有機浮閘極記憶體元件的可撓性質。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，其經一電壓寫入前及寫入後之起始電壓位移較佳可為0.8V至1.8V。亦即，該有機浮閘極記憶體元件經一寫入電壓寫入後與寫入前之起始電壓的差值係1V至2V。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，其寫入電壓較佳可為-5V至-45V。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，其抹除電壓較佳可為5V至45V
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，其較佳為可撓性有機浮閘極記憶體元件。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，其中，當該有機浮閘極記憶體元件為一上接觸式有機浮閘極記憶體元件時，該有機半導體層係設於該蛋白質介電層上，該源極及該汲極係設於該有機半導體層上。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，當該有機浮閘極記憶體元件為一下接觸式有機浮閘極記憶體元件時，該源極及該汲極係設於該蛋白質介電層上，該有機半導體層係覆蓋該源極、該汲極、及部分該蛋白質介電層。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件中，浮閘極之材質可選自由：鋁、銅、鎳、鎂、鈣、鋰、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅(ZnO)、氧化錫銦(ITO)、氧化鋅銦(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)、二氧化鉿(HfO2)、及其混合所組成之群組。
此外，本發明另提供一種含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，係包括步驟：(A)提供一基板；(B)形成一閘極於該基板上；(C)形成一閘極介電層使覆蓋該閘極：(D)形成一浮閘極於該閘極介電層上；(E)形成一蛋白質介電層使覆蓋該浮閘極；以及(F)形成一有機半導體層、一源極、及一汲極於該蛋白質介電層上；其中，該蛋白質介電層之材質係為蠶絲蛋白。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，係使用一蠶絲蛋白溶液於浮閘極上形成一含蛋白質之介電層。相較於以往使用真空濺鍍或真空蒸鍍法或化學氣相沉積法形成閘極介電層，本發明之製作方法係透過溶液製程，即可製得含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，故製程與設備均簡單且低成本，並可適用於大面積塗佈以大量生產。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，基板可為一塑膠基板、一紙基板、一玻璃基板、一石英基板、或一矽基板。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，有機半導體層之材質可為五苯環、碳60、PTCDI-C8(N,N'-聯苯-3,4,9,10-芘二甲西先亞胺(N,N'-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide))、或氟化并五苯(perfluoropentacene)。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，蛋白質介電層中之生物蛋白可經修飾或非經修飾，且該生物蛋白為蠶絲蛋白，本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，閘極介電層之材質可為任何介電材料，較佳可為蠶絲蛋白。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，其經一電壓寫入前及寫入後之起始電壓位移為0.8V至1.8V。亦即，該有機浮閘極記憶體元件經一寫入電壓寫入後與寫入前之起始電壓的差值係1V至2V。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，其較佳寫入電壓係-5V至-45V。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，其較佳抹除電壓係5V至45V。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，其較佳係可撓性有機浮閘極記憶體元件。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，浮閘極之材質較佳係選自由：鋁、銅、鎳、鎂、鈣、鋰、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅(ZnO)、氧化錫銦(ITO)、氧化鋅銦(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)、二氧化鉿(HfO2)、及其混合所組成之群組。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，於該步驟(F)中，當該有機浮閘極記憶體元件為一上接觸式有機浮閘極記憶體元件時，該有機半導體層係完全覆蓋該蛋白質介電層上，該源極及該汲極係形成於該有機半導體層上。
本發明之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法中，於該步驟(F)中，當該有機浮閘極記憶體元件為一下接觸式有機浮閘極記憶體元件時，該源極及該汲極係形成於該蛋白質介電層上，該有機半導體層係覆蓋該源極、該汲極、及部分該蛋白質介電層上。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
[實施例1]　上接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件 製備蠶絲水溶液
首先，準備含有10 wt%之碳酸鈉水溶液，待加熱至沸騰後，將乾燥的蠶繭(天然蠶絲)加入，並煮沸30分鐘至1小時以去除蠶絲外層的絲膠(sericin)。而後，放入去離子水中清洗，以洗去蠶絲外層附著的鹼液。經烘乾後，可得到精練後之蠶絲蛋白，即絲心蛋白(fibroin)。
接著，將精練後之蠶絲蛋白放入20 ml的85 wt%磷酸(H3PO4)溶液，攪拌至溶解。而後，將溶有蠶絲蛋白之磷酸溶液置入一透析膜中(Spectra/Por 3透析膜，截留分子量(molecular weight cutoff)=14000)中與水進行透析3天，以去除多餘的磷酸根。藉由改變透析所使用之水體積及透析次數，除了可移除磷酸根外，更可藉此調整最後蠶絲溶液之pH值。在此，係將最後所得之蠶絲溶液的pH值控制在2~6之間。透析完成後，以濾紙濾除雜質，以得到一蠶絲水溶液。
製作上接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件
首先，如圖2所示，提供一基板21，並以去離子水超音波洗淨此基板21。於本實施例中，基板21係為一透明PET塑膠基板。
而後，將基板21置於一真空腔體內(圖中未示)，並使用一遮罩(圖中未示)以於基板21上蒸鍍一圖案化金屬層，以做為一閘極22。於本實施例中，閘極22之材料係為金，且其厚度約為80 nm。此外，形成閘極22之熱蒸鍍法製程條件係如下所示。
真空度：5x10-6 torr
蒸鍍速率：1 /s
接著，將形成有閘極22之基板21浸泡於上述所製備之蠶絲水溶液中15分鐘，以將蠶絲水溶液塗佈於形成有閘極22之基板21上。而後，於60℃下烘乾塗佈於基板21上之蠶絲水溶液，則可形成一蠶絲薄膜，以做為一閘極介電層23。於本實施例中，由蠶絲薄膜所形成之閘極介電層23，其厚度約為400nm。此外，亦可視需要，多次重複進行蠶絲水溶液塗佈及烘乾製程，以形成多層蠶絲薄膜結構。
之後，使用一遮罩(圖中未示)以於閘極介電層23上蒸鍍一圖案化金屬層，以作為一浮閘極24；且該浮閘極材料為金。將形成有閘極22及浮閘極24之基板21浸泡於上述所製備之蠶絲水溶液中15分鐘，以將蠶絲水溶液塗佈於於該浮閘極24上形成一生物高分子蛋白薄膜，以作為一蛋白質介電層25。
而後，使用一陰影金屬遮罩(shadow metal mask)，於室溫(約25℃)中以熱蒸鍍法沉積五苯環(pentacene)於蛋白質介電層25上，以作為一有機半導體層26。於本實施例中，有機半導體層26之厚度約為60 nm。此外，形成有機半導體層26之熱蒸鍍法製程條件係如下所示。
真空度：3x10-6　torr
蒸鍍速率：0.3 /s
最後，使用又另一遮罩(圖中未示)，並透過與形成閘極之相同製程條件，以於有機半導體層26上蒸鍍一圖案化金屬層，以做為源極27與汲極28。於本實施例中，源極34與汲極35之材料係為金，且其厚度約為70 nm。
經由上述製程後，則可得到本實施例之上接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其包括：一基板21：一閘極22，係設於該基板21上；一閘極介電層23，係覆於該閘極22；一浮閘極24，係設於該閘極介電層23上；一蛋白質介電層25，係覆於該浮閘極24上；以及一有機半導體層26、一源極27、及一汲極28，係設於該蛋白質介電層25上。
特性評估
將本實施例之上接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件進行電流-電壓試驗，其傳輸特性(transfer characteristics)結果係如圖3所示，含蠶絲蛋白之有機浮閘記憶體元件利用寫入電壓-10V寫入後，在浮閘極累積電荷而使得起始電壓向負區位移1V。利用抹除電壓20V抹除之後，浮閘極的累積電荷被釋放，而起始電壓向正區位移，證實此元件可儲存電荷，具有記憶的功能。
本實施例之上接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件具有許多優點，例如，五苯環之有機半導體層，空氣穩定性佳、具有可撓性、製作溫度低、高電洞遷移率、綠色環保等，加上蠶絲材料價格便宜，彼此匹配程度佳，具有極佳的經濟價值。
[實施例2]　下接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件
如圖4所示，提供一基板21，並於基板21上方依序形成閘極22以及閘極介電層23。於本實施例中，基板21、閘極22以及閘極介電層23之材料及製備方法均與實施例1相同。此外，於本實施例中，閘極22厚度約為80nm，而閘極介電層23厚度約為400nm。
接著，使用一遮罩(圖中未示)以於閘極介電層23上蒸鍍一圖案化金屬層，以形成一浮閘極24；且該浮閘極材料為金。再者，利用與實施例1形成蛋白質介電層25之方法，於該浮閘極24上形成一生物高分子蛋白薄膜，以作為蛋白質介電層25。
透過使用與實施例1形成閘極之相同製程條件，於蛋白質介電層25上蒸鍍一圖案化金屬層，以做為源極27與汲極28。於本實施例中，源極34與汲極35之材料係為金，且其厚度約為70 nm。
最後，透過使用與實施例1形成有機半導體層26之相同製程條件，於蛋白質介電層25、源極27與汲極28上形成一有機半導體層26。於本實施例中，有機半導體層26之材料係為五苯環，且其厚度約為70 nm。
經由上述製程後，本實施例之下接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其包括：一基板21；一閘極22，係配置於基板21上；一閘極介電層23，係覆於該閘極22；一浮閘極24，係設於該閘極介電層23上；一蛋白質介電層25，係覆於浮閘極24上；一源極27與一汲極28，係配置於蛋白質介電層25上；以及一有機半導體層26，係覆蓋部分蛋白質介電層25、源極27與汲極28。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
11,21．．．基板
12,22．．．閘極
13,23．．．閘極介電層
14,24．．．浮閘極
15．．．浮閘極介電層
16,26．．．有機半導體層
17,27．．．源極
18,28．．．汲極
25．．．蛋白質介電層
圖1係係習知之有機浮閘極記憶體元件之示意圖。
圖2係本發明實施例1之上接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之剖面示意圖。
圖3係本發明實施例1之上接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，在閘極負偏壓之傳輸特性測試圖。
圖4係本發明實施例2之下接觸式含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之剖面示意圖。
21．．．基板
22．．．閘極
23．．．閘極介電層
24．．．浮閘極
25．．．蛋白質介電層
26．．．有機半導體層
27．．．源極
28．．．汲極

Claims (24)

  1. 一種含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，包括：一基板；一閘極，係設於該基板上；一閘極介電層，係覆於該閘極；一浮閘極，係設於該閘極介電層上；一蛋白質介電層，係覆於該浮閘極上；以及一有機半導體層、一源極、及一汲極，係設於該蛋白質介電層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其中，該有機半導體層之材質係為五苯環、碳60、PTCDI-C8(N,N'-聯苯-3,4,9,10-芘二甲西先亞胺(N,N'-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide))、或氟化并五苯(perfluoropentacene)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其中，該蛋白質介電層中之生物蛋白係經修飾或非經修飾，且該生物蛋白係為蠶絲蛋白
  4. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其中，該閘極介電層之材質係包括有機介電層材料、無機介電層材料或含蠶絲蛋白之生物蛋白。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其經一電壓寫入前及寫入後之起始電壓位移為0.8V至1.8V。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其寫入電壓係-5V至-45V。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其抹除電壓係5V至45V。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其係可撓性有機浮閘極記憶體元件。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其中，該有機浮閘極記憶體元件係為一上接觸式有機浮閘極記憶體元件，該有機半導體層係設於該蛋白質介電層上，該源極及該汲極係設於該有機半導體層上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其中，該有機浮閘極記憶體元件係為一下接觸式有機浮閘極記憶體元件，該源極及該汲極係設於該蛋白質介電層上，該有機半導體層係覆蓋該源極、該汲極、及部分該蛋白質介電層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其中，該浮閘極之材質係選自由：鋁、銅、鎳、鎂、鈣、鋰、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅(ZnO)、氧化錫銦(ITO)、氧化鋅銦(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)、二氧化鉿(HfO2)、及其混合所組成之群組。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件，其中，該基板係為一塑膠基板、一紙基板、一玻璃基板、一石英基板、或一矽基板。
  13. 一種含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，係包括步驟：(A)　提供一基板；(B)　形成一閘極於該基板上；(C)　形成一閘極介電層使覆蓋該閘極；(D)　形成一浮閘極於該閘極介電層上；(E)　形成一蛋白質介電層使覆蓋該浮閘極；以及(F)　形成一有機半導體層、一源極、及一汲極於該蛋白質介電層上；
  14. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其中，該有機半導體層之材質係為五苯環、碳60、PTCDI-C8(N,N'-聯苯-3,4,9,10-芘二甲西先亞胺(N,N'-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide))、或氟化并五苯(perfluoropentacene)。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其中，該蛋白質介電層中之生物蛋白係經修飾或非經修飾，且該生物蛋白係為蠶絲蛋白。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其中，該閘極介電層之材質係包括有機介電層材料、無機介電層材料或含蠶絲蛋白之生物蛋白。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其經一電壓寫入前及寫入後之起始電壓位移為0.8V至1.8V。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其寫入電壓係-5V至-45V。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其抹除電壓係5V至45V。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其係可撓性有機浮閘極記憶體元件。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其中，該浮閘極之材質係選自由：鋁、銅、鎳、鎂、鈣、鋰、鉻、銀、鉑、金、氧化鋅(ZnO)、氧化錫銦(ITO)、氧化鋅銦(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)、二氧化鉿(HfO2)、及其混合所組成之群組。
  22. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其中，於該步驟(F)中，該有機浮閘極記憶體元件係為一上接觸式有機浮閘極記憶體元件，該有機半導體層係完全覆蓋該蛋白質介電層上，該源極及該汲極係形成於該有機半導體層上。
  23. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其中，於該步驟(F)中，該有機浮閘極記憶體元件係為一下接觸式有機浮閘極記憶體元件，該源極及該汲極係形成於該蛋白質介電層上，該有機半導體層係覆蓋該源極、該汲極、及部分該蛋白質介電層。
  24. 如申請專利範圍第13項所述之含蛋白質材料之有機浮閘極記憶體元件之製備方法，其中，該基板係為一塑膠基板、一紙基板、一玻璃基板、一石英基板、或一矽基板。
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