一种双层浮栅柔性有机存储器件的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种双层浮栅柔性有机存储器件，本实用新型主要由衬底、介质层、控制栅、阻挡层、第一浮栅层、隔离层、第二浮栅层、隧穿层、有机半导体层、源电极和漏电极构成，其中源电极和漏电极位于隧穿层之上。采用双层的金纳米晶作为浮栅层，有利于提高存储器件的存储窗口，增大工作电压范围；利用飞秒激光还原技术，减少中间反复沉积电极的环节，简化了生产流程，降低了生产中的污染掺杂，有利于提高产品良率；本实用新型所用的阻挡层、隔离层、遂穿层都是采用高介电常数的氧化石墨烯，可有效降低泄露电流，提升存储器件的稳定性，可降低工作电压；本实用新型所用的材料均具有柔性，可弯曲，可应用于柔性电路。本实用新型所述制备过程用到的飞秒激光还原技术、真空热蒸发和旋涂技术，工艺成熟，生产成本低，可实现大规模生产。
【专利说明】
一种双层浮栅柔性有机存储器件
技术领域
[0001] 本实用新型涉及半导体存储器件领域，具体涉及一种双层浮栅柔性有机存储器 件。
【背景技术】
[0002] 浮栅存储器件作为非挥发存储器件中重要一员，因其较高的读写速度、较长的存 储时间和使用寿命，使得浮栅存储器逐步取代了其他类型的存储器，目前常用的固态硬盘， 内存卡、和U盘等都是基于浮栅存储器件。但是对存储密度要求越来越高，虽然可以通过提 高集成度达到目的，但也出现了一些挑战，最明显的就是量子隧穿效应引起的电流泄露导 致器件的存储可靠性下降。为了解决遇到的问题，目前主要的发展方向是用有机材料代替 硅基半导体材料，有机半导体材料具有柔性，可大面积制备，生产成本低的优点。目前兴起 的智能穿戴设备，电子标签，智能卡等电子消费产品需要存储器件具有柔性、较高的读写速 度、存储的稳定性以及简便的制造工艺。
【发明内容】
[0003] 为了适应未来消费电子产品对存储器件柔性、低成本和高可靠性的要求，本实用 新型提出了一种生产工艺简单，成本低，高稳定性的柔性有机存储器件。利用有机半导体材 料具有柔性和可大面积制备的优点降低成本，利用氧化石墨烯材料的高介电性减少隧穿电 流的产生，利用双层金属纳米晶浮栅提高对电荷的俘获能力，实现较大的存储窗口，利用飞 秒激光还原技术实现在常温下电极和介质层的一体化制备，本实用新型由下向上依次为衬 底、介质层、控制栅、阻挡层、第一浮栅层、隔离层、第二浮栅层、隧穿层、源电极、漏电极和有 机半导体层，其中源电极和漏电极处于同一层，且位于隧穿层之上。
[0004] 所述的衬底是有机柔性衬底，本实用新型所用的衬底材料是聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)，PET具有较高的分解温度、机械强度和耐溶解性，除此之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。
[0005] 所述的介质层、阻挡层、隔离层和隧穿层所用的材料都为氧化石墨烯，氧化石墨烯 具有较高的介电常数，电导率达到了 1.74X1(T9S/Cm，具有很好的绝缘性，可有效减少控制 栅与阻挡层，隧穿层和有机半导体层间泄露电流，有助有提高存储器件的稳定性。氧化石墨 烯子在二维的碳原子平面的延伸边缘上有许多含氧活性基团，含氧活性基团能够提高氧化 石墨烯的溶解度，形成稳定的溶液，有利于在旋涂工艺制备高质量的薄膜，减少表面缺陷造 成的电荷陷讲，提尚器件的稳定性。
[0006] 所述的控制栅、源电极和漏电极所用材料为石墨烯，石墨烯具有优良的热稳定性 和电学性能，石墨烯中的电子的迀移率达到了2X10 5cm2/v· s，是一种优良的导体，石墨烯 的杨氏拉伸模量可以达到42N/m，具有良好的机械韧性，制备的电极在应力下不易断裂，通 过飞秒激光还原技术可将氧化石墨烯还原为石墨烯，简化生产工艺，减少中间环节对器件 的污染，提尚广品的良率。
[0007]所述的第一浮栅层和第二浮栅层所用的材料为金，金具有较高的功函数，可降低 势皇，有利于电荷的俘获，通过使用两层纳米晶可有效提高电荷俘获量，增大对沟道电场的 影响，改变器件的阈值电压，从而产生较大的存储窗口。为了提高存储的稳定性，要求纳米 晶的密度至少为HT 1Vcm2，纳米晶的直径为5-8nm，为了降低成本，简化生产工艺，本实用新 型制备纳米晶所采用的是方法是快速热处理法，先在阻挡层上热蒸发一层l_2nm的金薄膜， 然后在真空下进行退火，使薄膜在表面应力和迀移力作用下自发凝聚分离形成孤立的金属 纳米晶。
[0008]所述的半导体层为并五苯(pent)，pent是目前使用最为广泛的有机半导体材料， pent在空气中具有高的耐水氧性能，迀移率达到非晶硅的水平，并且可以在低温下蒸发制 备，有利于降低生产成本，简化生产工艺。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。本实用新型所述的有机半导体层用热真空蒸 发镀膜的方法在隧穿层上沉积一层pent。
[0009] 技术方案
[0010] 1)将PET裁成2cmX 2.5cm的片子，然后用去污粉擦洗，随后用丙酮、乙醇、去离子水 分别超声清洗，氮气吹干后放入干燥箱；
[0011] 2)将纯化的氧化石墨烯和乙醇混合在磁力搅拌器中混合，配成溶液浓度为15mg/ ml ；
[0012] 3)设置匀胶机低速转300转/分钟，3秒，高速转1000转/分钟，60秒，将I)中的衬底 PET放在吸头上，用取液器抽取2)中的溶液，滴加在片子上，旋涂制备介质层，然后放入真空 干燥箱80°C，2小时，用台阶仪检测后介质层的厚度为20nm;
[0013] 4)设置飞秒激光器的参数，波长为800nm，输出功率为4mW，IOOfs的脉冲，重复频率 为ΙΚΗζ，定义栅电极长度为1mm，宽度2mm。在介质层上对设置的栅极区域进行线性扫描，将 氧化石墨烯还原为石墨烯，用台阶仪检测后栅电极的厚度为12nm;
[0014] 5)纯化的氧化石墨烯和乙醇混合在磁力搅拌器中混合，配成溶液浓度为30mg/ml;
[0015] 6)设置匀胶机低速转500转/分钟，5秒，高速转2000转/分钟，60秒，将4)中的片子 放在吸头上，用取液器抽取5)中的溶液滴加在片子上，旋涂制备阻挡层，然后放入真空干燥 箱80°C，2小时，用台阶仪检测后介质层的厚度为Ιμπι;
[0016] 7)将5)中干燥后的片子放入真空蒸发室中，在阻挡层上沉积一层l-2nm的金薄膜， 然后放入真空干燥箱在0. 〇9Pa，100°C下退火2小时形成第一层浮栅；
[0017] 8)7)中的片子放在旋涂机上，按照步骤3)中方法旋涂制备隔离层，用台阶仪检测 后隔离层的厚度为20nm;
[0018] 9)将8)中的片子放入真空蒸发室中，按照7)中的步骤制备第二浮栅层；
[0019] 10)在第二浮栅层上按照步骤3)的方法制备隧穿层，隧穿层厚度20nm;
[0020] 11)按照步骤4)的方法在隧穿层上制备源电极和漏电极，定义源电极和漏电极的 长度为5mm，宽度2mm，源电极和漏电极之间的沟道长度为50μηι，沟道宽度2mm。
[0021] 12)将片子放入真空蒸发室中，制备有机半导体层，真空度达到IXHT6Pa,不需加 热，沉积速率为25A/S，pent的厚度为IOOnm;
[0022]技术分析
[0023]采用双层的金纳米晶作为浮栅层，增加了浮栅层电荷的存储量，有利于提高存储 器件的存储窗口，使器件可以在更大范围的电压下工作;利用飞秒激光还原技术，将氧化石 墨烯还原为石墨烯，实现了控制栅在介质层，源电极、漏电极在隧穿层的制备，减少中间反 复沉积电极的环节，简化了生产流程，降低了生产中的污染掺杂，有利于提高产品良率，本 实用新型所用的阻挡层、隔离层、遂穿层都是采用高介电常数的氧化石墨烯，可有效降低泄 露电流，提升存储器的稳定性，可降低工作电压。本实用新型所用的材料均具有柔性，可弯 曲，可应用于柔性电路。本实用新型所述制备过程用到飞秒激光还原技术、真空热蒸发和旋 涂技术，工艺成熟，可实现大规模生产，有利于降低生产成本。
【附图说明】
[0024]图1为一种双层浮栅柔性有机存储器件的结构简图。图中1为衬底、2为介质层、3为 控制栅、4为阻挡层、5为第一浮栅层，6为隔离层，7为第二浮栅层，8为隧穿层、9为源电极、10 为漏电极、11为有机半导体层。
【具体实施方式】 [0025] 实施例1
[0026] 1.1将PET裁剪成2cmX2.5cm的片子，然后用去污粉擦洗，随后分别用丙酮、乙醇、 去离子水在超声清洗机中超声清洗10分钟；
[0027] 1.2将1在氮气下吹干，然后放入真空干燥箱，真空度为0.09Pa，干燥2小时。
[0028] 实施例2
[0029] 2.1用电子称称取15mg纯化的氧化石墨烯粉末，量筒称取Iml无水乙醇，在玻璃瓶 中混合；
[0030] 2.2将瓶子密封后放在磁力搅拌器上搅拌1小时，配置成15mg/ml的溶液；
[0031] 实施例3
[0032] 3.1将实施例1中制备好的片子放在匀胶机的吸头上，用取液器将实施例2中溶液 滴在1上；
[0033] 3.2设置匀胶机低速转300转/分钟，3秒，高速转1000转/分钟，60秒，开始旋涂2;
[0034] 3.3旋涂完成将片子放入真空干燥箱中，真空度为0.09Pa，加热温度为80°C，退火2 小时，用台阶仪检测后2的厚度为20nm;
[0035] 实施例4
[0036] 4.1将3中干燥后的片子2面向上放在精密平台上，设置飞秒激光器的参数，波长为 800nm，输出功率为4mW，I OOf s的脉冲，重复频率为IKHz。
[0037] 4.2通过软件定义定义3的长度为1_，宽度2mm控制飞秒激光器对该区域进行线性 扫描，将氧化石墨稀还原为石墨稀，完成3的制备；
[0038] 实施例5
[0039] 5.1用电子称称取30mg纯化的氧化石墨烯粉末，量筒称取Iml无水乙醇，在玻璃瓶 中混合；
[0040] 5.2将瓶子密封后放在磁力搅拌器上搅拌1小时，配置成30mg/ml的溶液；
[0041 ] 实施例6
[0042] 6.1设置匀胶机低速转500转/分钟，5秒，高速转2000转/分钟，60秒，打开机械栗；
[0043] 6.2将4)中的片子放在吸头上，用取液器抽取5)中的溶液滴加在片子上，旋涂制备 阻挡层，然后放入真空干燥箱真空度为〇.〇9Pa，加热温度为80°C，退火2小时，用台阶仪检测 4的厚度为Ιμπι;
[0044] 实施例7
[0045] 7.1将实施例6中的片子放在真空腔中，打开真空阀，抽真空，当真空度达到4 X HT 4Pa，开始加热高纯度金丝(99.99 % );
[0046] 7.2当金丝完全融化达到沸点打开挡板，根据频率计的示数估测薄膜的厚度和蒸 发速率；
[0047] 7.3蒸发的金薄膜厚度控制在l-2nm，关闭挡板，待蒸发室冷却后放入真空干燥箱；
[0048] 7.3设置真空干燥箱的真空度为0.09Pa，温度设为100°C，退火2个小时。
[0049] 实施例8
[0050] 按照实施例3的步骤旋涂6，然后用台阶仪检测6的厚度为20nm;
[0051 ] 实施例9
[0052]按照实施例7的步骤制备7。
[0053] 实施例10
[0054]使用实施例2的溶液，按照实施例3的步骤制备8。
[0055] 实施例11
[0056] 11.1按照实施例4设置飞秒激光器的参数；
[0057] 11.2用软件定义9和10的长度为5mm，宽度2mm，9和10间的沟道长度为50μπι，沟道宽 度2mm，控制飞秒激光器对定义区域进行线性扫描，将氧化石墨稀还原为石墨稀。
[0058] 实施例12
[0059] 12.1将制备好9和10的片子放入真空蒸发室中，pent放入坩埚中，打开真空阀，开 始抽真空；
[0060] 12.2当真空度达到I X HT6Pa打开挡板，根据频率计监测蒸镀的pent薄膜厚度和速 率，控制薄膜蒸发速率为25A/S;
[0061] 12.3当pent薄膜的厚度达到IOOnm时，关闭挡板，待蒸发室冷却后取出器件。
【主权项】
1. 一种双层浮栅柔性有机存储器件，其特征在于：由下向上依次为衬底、介质层、控制 栅、阻挡层、第一浮栅层、隔离层、第二浮栅层、隧穿层、源电极、漏电极和有机半导体层，其 中源电极和漏电极处于同一层，且位于隧穿层之上。2. 根据权利要求1所述的一种双层浮栅柔性有机存储器件，其特征在于:衬底所用材料 为聚对苯二甲酸乙二酯;介质层、阻挡层、隔离层和隧穿层所用的材料都为氧化石墨烯;控 制栅、源电极和漏电极所用材料都为石墨烯;有机半导体层所用的材料为并五苯。
【文档编号】H01L51/40GK205488238SQ201620045152
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月14日
【发明人】马力超, 唐莹, 郑亚开, 韦, 韦一, 彭应全
【申请人】中国计量学院