[发明专利]一种双极性大容量有机场效应晶体管存储器及制备方法

说明书

本发明公开了一种双极性大容量有机场效应晶体管存储器及制备方法，通过能带工程设计一系列的P型与N型有机半导体材料，通过溶液旋涂工艺构造一种类似于无机P‑N结的结构，解决了在同一晶圆上电子空穴湮灭的问题，从而实现电子空穴的双极性信息存储。同时较低的阈值电压为未来在提高集成度时降低功耗和发热实现信息存储的稳定。本发明旨在通过简单的溶液旋涂制备一种具有双极性捕获位点的混合纳米薄膜，实现大容量双极性存储。薄膜的制备在低温空气的环境进行有利于降低生产成本和大面积制备。

技术领域

本发明属于半导体有机场效应晶体管存储器技术领域，具体涉及的是基于P型有机半导体材料与N型有机半导体材料通过简单掺杂一种浮栅型有机场效应晶体管存储器及制备方法。

背景技术

海量的信息计算、存储、传输及应用成为21世纪信息电子技术发展的特征。面对大数据时代的到来，海量的数据处理处理要求开发大容量、高密度、高速的存储器，而有机场效应晶体管存储器相较于传统的无机半导体存储器由于其具有天然的优势而备受关注。其中有机半导体材料生产成本低廉易得、可溶液加工处理、可与柔性衬底集成，而有机场效应晶体管存储器易于逻辑电路集成、可单个晶体管实现、非破环性读取等特点切实的迎和了下一代柔性智能可穿戴电子工业的发展方向。

有机场效应晶体管(OFET)是在控制栅绝缘层与半导体层中插入一层电荷存储层，当前根据工作原理和器件结构不同分为三大类型，铁电型、驻极体型、浮栅型。其中铁电型OFET是通过调控栅极电压来调节铁电材料的极化状态实现信息存储。驻极体型OFET存储模式和机理还存在争议，学术界一般认为电荷在界面电场的作用下，通过遂穿形式将电荷存储在半导体层和驻极体层的界面处或驻极体内部，亦或是半导体内部。浮栅型OFET通过将金属、无机纳米粒子或小分子作为电荷捕获中心，通过电荷载流子的捕获和释放来写入和擦除实现信息存储。但是目前大部分有机场效应晶体管存储器都是单极性存储，只能存储空穴或和只能存储电子。为了获得双极性存储器提高存储器的存储容量，我们设计了一系列有机小分子材料，通过取代基的类型及取代位置的调控改变分子的电子能带，从而得到一系列不同的有机半导体材料(P型和N型)，通过简单掺杂最终实现了既能存储空穴又能存储电子的有机半导体存储器。

有机小分子化合物具有结构确定，成份单一，化学纯度高并且结构易于调控的特点，因此在材料的研究和应用中有着很多聚合物所无法比拟的优势。在本发明中，就是通过在一个相同的结构单元上引入不同电子效应(给电子和吸电子子)的取代基，达到调节电子能带的目的，这种设计的最大优点在于：由于P型或N型有机半导体材料来源于同一类化合物，区别仅在于取代基的类型和取代基的位置。，这种调控手段对于有机半导体材料模块化和流程化生产是极为有利的。

本发明提供一种通过取代基调控电子能带，进而得到不同类型的半导体材料(P型或N型)，结合非极性及疏水性绝缘聚合物材料聚苯乙烯(PS)作为基质，制备出一种双极性浮栅型非易失性有机场效应晶体管存储器。所述制备的存储器实现了大容量双极性存储，具有较高的存储数据稳定性。因此，有效地提升了存储器性能。

发明内容

鉴于现有有机场效应晶体管存储器存在的一些技术问题，本发明提出一种以聚苯乙烯这种非极性的疏水高介电常数绝缘聚合物材料作为基质，加入P型和N型的有机小分子材料，通过溶液处理和旋涂工艺制备了有机场效应晶体管存储器的浮栅层。在一定的P型与N型半导体材料掺杂比例下，成功地降低了阈值电压，降低了功耗，使存储性能大为提高。通过这种简单的掺杂工艺实现了大容量双极性存储。

本发明采用的技术方案如下：

一种双极性大容量有机场效应晶体管存储器，从上至下依次包括源漏电极5、半导体层4、电荷存储层3、栅绝缘层2、衬底1，其中所述的电荷存储层3是由疏水性高介电常数绝缘材料聚苯乙烯(PS)作为基质，P型与N型半导体有机小分子材料作为电荷捕获位点浮栅层组成；所述的存储器的下部分还包括形成于衬底1上的栅电极，所述的存储器采用的是底栅顶接触的器件结构。