[发明专利]有机铁电栅石墨烯柔性存储器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，特别涉及有机铁电栅石墨烯柔性存储器件及其制造方法。

背景技术

半导体存储器是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器，由于具有体积小、存取速度快、存储密度高、与逻辑电路的接口容易等优点，自问世以来，产品种类不断增多，应用领域不断扩大。半导体存储器可以分为两大类：第一类是挥发性存储器，第二类是非挥发性存储器。非挥发性存储器的特点在于其所存储的信息在掉电之后仍然存在。目前，有两种新型非挥发性存储器正日益成为半导体存储器研究的热点，一种是电荷陷阱存储器；另一种是铁电存储器。近年来，电荷陷阱型存储器作为多晶硅悬浮栅存储器得到广泛应用。电荷陷阱型存储器的结构与浮栅类似，不同之处在于电荷陷阱型存储器的电荷存储在具有高缺陷能级密度的材料中。但是，这种技术与浮栅存储器一样需要能产生高电压的电荷泵、擦写延迟以及工艺复杂等缺点，同时高写入功率和长期的写操作会破坏存储单元，从而造成有限的擦写存储次数。而铁电型存储器利用自身极化特性来实现存储功能，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元的状态。同时，铁电型存储器也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且寿命更长。因此，相比于电荷陷阱型存储器，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。

柔性电子是一种将电子器件制备在柔性衬底上的技术，相对于硅基芯片而言，它具有适合大规模集成电路的生产制造以及低成本的特点。近几年来，随着柔性显示技术和智能穿戴设备逐步走入人们的日常生活，对于柔性电子产品的需求正与日俱增。而柔性存储器件的制备是大面积柔性集成电路的重要组成部分，相对于硅基存储器件而言，柔性存储器件在更广泛的领域内可以满足许多特殊的需求，例如柔性显示、智能交互以及柔性生物电子等。目前，大多数柔性存储器件是基于有机半导体薄膜材料。有机半导体薄膜具有较好的柔韧性，可以与柔性衬底相配合，而且其加工成本一般较低，但是以有机半导体薄膜作为有源层具有迁移率低的缺陷，在一定程度上限制了器件的性能。因此，寻求柔性好且迁移率高的半导体材料成为提升柔性存储器件性能的方向之一。

石墨烯作为二维材料的典型代表，在柔性电子技术领域有着巨大的应用潜力。石墨烯是按正六边形蜂窝状排列的二维平面晶体，具有优异的电学、光学、热学和机械性能，同时石墨烯具有良好的机械柔韧性和延展性以及光学透明性，并且石墨烯在弯曲状态下仍可以保持良好的电学性能，是一种非常理想的柔性半导体材料。尤其是在大面积石墨烯制备已成为可能的情况下，石墨烯有望进一步提高柔性存储器件的迁移率等电学性能。与此同时，由于柔性存储器件的有机衬底不能耐受高温，所以器件制造过程中必须在低温下进行，常温下的石墨烯转移工艺恰好可以满足柔性存储器件对于低温的要求。

复旦大学孙清清等人也发明了一种基于氧化石墨烯的柔性电荷陷阱存储器(CN103489870A)。该器件制备方法的具体步骤如下：

(1)在柔性衬底上生长一层沟道层；

(2)定义有源区，形成源漏；

(3)采用低温原子层淀积方法，生长介质薄膜作为电荷隧穿层；

(4)在上述步骤形成的结构上，室温下旋涂氧化石墨烯作为电荷陷阱层；

(5)在上述步骤形成的结构上，低温原子层淀积方法，生长控制栅介质阻止层；

(6)最后形成栅电极。

该发明的主要优点在于：(1)由于氧化石墨烯的化学结构，氧官能团和缺陷能够充当电荷陷阱，这有利于形成比较大的存储窗口；(2)采用低温原子层淀积工艺生长的薄膜作为隧穿层、控制栅介质阻止层；(3)采用室温下旋涂氧化石墨烯工艺，作为电荷陷阱层。该制备工艺使用低温原子层淀积技术和室温旋涂氧化石墨烯，大大降低了工艺热预算。但是，相比于铁电型存储器而言,电荷陷阱存储器制备工艺较为复杂，而且电荷陷阱技术与浮栅存储器类似，都需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的作用，产生一定的擦写延迟。而且较高的写入功率以及长期的写操作可能会破坏存储单元，导致有限的擦写次数。

发明内容

本发明的目的在于为克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于有机铁电栅石墨烯柔性存储器件及其制造方法。本发明利用有机铁电材料作为栅介质，可以实现铁电型非易失数据存储，而且有机铁电材料因其自身的柔韧性以及可在低温下成膜的特点，适合于柔性存储器件的制备。同时，引入石墨烯作为沟道材料，极大提高了器件的电学性能，具有制备工艺简单，成本低，且可以在低温下实现的特点。