一种基于有机场效应晶体管的存储器及制备方法与流程

本发明涉及非易失性存储器研究领域，具体涉及一种基于有机场效应晶体管的存储器及制备方法。

背景技术：

非易失性存储器由于在电源撤除之后仍然能够保持信息，并且可以通过一定的电学手段等进行信息的改写，因此在相关无源保存的存储器领域得以应用，并有望取代ram的作用在许多领域如在大数据，人工智能，超级计算机中得以应用。有机场效应晶体管非易失性存储器由于其较低的相邻器件的串扰，较轻的质量，可大面积打印，可与柔性衬底兼容等特性，因此在低成本的有机打印电路等领域如有机射频识别标签rfid中也得以应用。同时，对于电子特性较为优越的有机场效应晶体管非易失性存储器，如较大的存储电流比，较快的存储效率，较长的维持时间，在某些领域有望取代无机的场效应晶体管非易失性存储器。

有机场效应晶体管非易失性存储器可以通过以下几种方式构建：(a)利用浮栅结构作为电荷俘获层的有机浮栅存储器；(b)利用有机半导体层构建有机半导体异质结作为电荷俘获层的有机存储器；(c)利用有机绝缘层驻极体作为电荷俘获层的有机存储器。利用浮栅结构作为电荷俘获层的有机浮栅存储器，由于一般采用的是金属浮栅，需要在活性层和浮栅层之间添加一层隧穿层，该隧穿层一方面阻止了俘获于金属浮栅的载流子返回至活性层，从而便于提高存储窗口和维持时间，但另一方面，载流子需要通过fowler-nordheim隧穿或者直接隧穿越过隧穿层以便于被浮栅层俘获或者从浮栅层释放，隧穿层的厚度决定了隧穿的几率，因此大大地降低了存储器的编程效率。利用有机半导体构建有机半导体异质结作为电荷俘获层，虽然采用迁移率较低的有机半导体材料便于电荷的存储，但当有机半导体异质结的内建电场与外加栅极电场的方向相反时不便于电荷的存储，因此需要对有机半导体异质结的种类和有机半导体材料的物理厚度等相关因素进行控制。同时，相对于绝缘体电荷存储层，采用半导体异质结结构的有机存储器的维持特性仍然较差。而采用有机绝缘体驻极体作为电荷俘获层的器件，一般采用溶液法制备且需要较高的绝缘体浓度，从而形成较厚的薄膜；一方面较厚的薄膜削弱了外加栅极电压导致的场强从而降低了存储窗口，另一方面驻极体较慢的极化特性导致较低的编程效率，从而不便于高速电路的运行。因此，基于浮栅，有机半导体异质结，及有机绝缘体驻极体的有机场效应晶体管存储器一般存在着存储窗口较小，编程效率较低，维持特性较差等问题，严重制约了有机场效应晶体管存储器的潜在应用。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于有机场效应晶体管的存储器，能够提高存储窗口、加快编程效率和改善维持时间。

本发明的另一目的是提出一种基于上述存储器的制备方法。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于有机场效应晶体管的存储器，其结构包括栅极电极、栅极氧化层、自组装单分子层、有机活性层、cu源极和cu漏极；其中所述栅极电极为重掺杂硅衬底或者表面蒸镀al栅极的柔性衬底，所述栅极氧化层为sio2，所述自组装单分子层为十八烷基三氯硅烷(odts)，所述有机活性层为n型有机半导体全氟酞菁铜(f16cupc)。

其中，所述柔性衬底为pet衬底。

一种基于上述存储器的制备方法，包括以下步骤：s1，取重掺杂硅衬底或表面蒸镀有al栅极的柔性衬底为栅极电极，硅衬底上表面热氧化或将sio2溶胶旋涂到柔性衬底表面后退火处理，形成sio2，获得栅极氧化层；s2，将步骤s1得到的样品经清洗、干燥、紫外臭氧处理后放入odts溶液中静置，取出超声处理并烘干，表面形成自组装单分子层；s3，利用真空蒸镀法在步骤s2处理后的样品表面蒸镀一层f16cupc，形成有机活性层；s4，利用真空蒸镀法在有机活性层上制备cu源极和cu漏极。

其中，所述步骤s2中odts溶液的配制是取odts液态溶质加入到甲苯溶剂中。

其中，所述步骤s3中有机活性层的厚度为30nm以上。

其中，所述步骤s4中制备cu源极和cu漏极，采用荫罩板定义沟道宽长比，通过电流加热，蒸镀，形成厚度为100nm以上的cu源极和cu漏极。

有益效果：本发明具有以下优点：

(1)采用绝缘性材料odts作为电荷存储层，其较薄的厚度导致电偶极子的方向随电场强度的方向变化较快，电荷存储在活性层和odts单分子层的界面上，可获得较快的编程效率；且形成不连续的岛状结构，便于电荷存储，提高了存储窗口和改善维持时间；其存储窗口大小超过操作电压的一半，存储开关比接近10⁵，编程时间小于1μs，维持时间超过100天；

(2)通过引入n型有机半导体f16cupc作为活性层，能够产生足量的电子，有利于电子注入，便于实现全电驱动的存储器件；且f16cupc具有较高的环境稳定性，本发明的有机存储器能够避免水氧对电子的影响，提高了器件的工作稳定性；

(3)其制备方法简便，便于实现工业级应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的转移特性曲线和存储窗口图；

图3是本发明在不同编程和擦除时间下的转移特性曲线图；

图4是本发明的维持时间图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

取重掺杂硅衬底，表面热氧化形成厚度300nm的sio2，依次通过丙酮、乙醇、去离子水的超声清洗各10min，n2气吹干,放置烘箱内120℃加热30min去除残余的水分；将样品放入紫外臭氧表面清洁器内处理30min，形成足量的羟基，同时将20μl的液态odts移入到10ml的甲苯溶剂中形成odts溶液；将经过处理的样品放入odts溶液中浸泡12h，取出依次在甲苯、丙酮、乙醇溶液中超声清洗10min，n2气吹干,放置烘箱内90℃加热30min去除残余的水分和有机溶剂；将含有odts单分子层的样品放入真空腔内，温度350℃，速率0.05nm/s蒸镀f16cupc,获得厚度30nm的活性层；在样品下放入荫罩板，定义沟道宽/长比为1500μm/100μm，将样品放入真空腔内，铜丝放入真空腔的钽舟内，控制电流70a加热，以0.17nm/s的速率蒸镀，形成厚度超过100nm的源和漏电极，制得基于有机场效应晶体管的存储器，其结构如图1，其中栅极电极1为重掺杂硅衬底、栅极氧化层2为sio2、自组装单分子层3为odts、有机活性层4为f16cupc、cu源极5和cu漏极6。

实施例2

采用柔性的pet衬底，将al丝放入真空腔中蒸镀，电流25a下以0.17nm/s的速率蒸镀al，形成厚度超过100nm的al栅极；采用teos，氨水，乙醇，水的混合溶液，混合4小时形成sio2溶胶，通过旋涂法在pet衬底上生长一层sio2层，加热去除残余的水分和有机溶剂；将样品放入紫外臭氧表面清洁器内处理30min形成足量的羟基，同时将20μl的液态odts移入到10ml的甲苯溶剂中形成odts溶液；将经过处理的样品放入odts溶液中浸泡12h，取出依次在甲苯、丙酮、乙醇溶液中超声清洗10min，n2气吹干，放置烘箱内90℃加热30min去除残余的水分和有机溶剂；将含有odts单分子层的样品放入真空腔内，温度350℃，速率0.05nm/s蒸镀f16cupc，获得厚度30nm的活性层；在样品下放入荫罩板，定义沟道长度和宽度分别为100μm和1500μm，将样品放入真空腔内，铜丝也放入真空腔的钽舟内，控制电流70a加热，以0.17nm/s的速率蒸镀，形成厚度超过100nm的源和漏电极，制得基于有机场效应晶体管的存储器，其结构中栅极电极1为表面蒸镀al栅极的pet衬底、栅极氧化层2为sio2、自组装单分子层3为odts、有机活性层4为f16cupc、cu源极5和cu漏极6。

本发明的有机存储器的转移特性曲线和存储窗口图如图2，可以看出该存储器在-120v和120v的写入和擦除电压下获得存储窗口超过65v，器件的存储开关比约为10⁵；本发明的有机存储器的写入和擦除速率图如图3，可以看出该存储器在-120v写入时间和120v擦除时间均低于1μs，达到测试系统的测量极限；本发明的有机存储器的维持时间结果图如图4，可以看出该存储器在半对数坐标显示5000s内电流无衰减，双对数坐标显示维持时间达到100天以上。