一種雙層浮柵柔性有機(jī)存儲(chǔ)器件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種雙層浮柵柔性有機(jī)存儲(chǔ)器件，本實(shí)用新型主要由襯底、介質(zhì)層、控制柵、阻擋層、第一浮柵層、隔離層、第二浮柵層、隧穿層、有機(jī)半導(dǎo)體層、源電極和漏電極構(gòu)成，其中源電極和漏電極位于隧穿層之上。采用雙層的金納米晶作為浮柵層，有利于提高存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)窗口，增大工作電壓范圍；利用飛秒激光還原技術(shù)，減少中間反復(fù)沉積電極的環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)中的污染摻雜，有利于提高產(chǎn)品良率；本實(shí)用新型所用的阻擋層、隔離層、遂穿層都是采用高介電常數(shù)的氧化石墨烯，可有效降低泄露電流，提升存儲(chǔ)器件的穩(wěn)定性，可降低工作電壓；本實(shí)用新型所用的材料均具有柔性，可彎曲，可應(yīng)用于柔性電路。本實(shí)用新型所述制備過程用到的飛秒激光還原技術(shù)、真空熱蒸發(fā)和旋涂技術(shù)，工藝成熟，生產(chǎn)成本低，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】
一種雙層浮柵柔性有機(jī)存儲(chǔ)器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件領(lǐng)域，具體涉及一種雙層浮柵柔性有機(jī)存儲(chǔ)器 件。
【背景技術(shù)】
[0002] 浮柵存儲(chǔ)器件作為非揮發(fā)存儲(chǔ)器件中重要一員，因其較高的讀寫速度、較長(zhǎng)的存 儲(chǔ)時(shí)間和使用壽命，使得浮柵存儲(chǔ)器逐步取代了其他類型的存儲(chǔ)器，目前常用的固態(tài)硬盤， 內(nèi)存卡、和U盤等都是基于浮柵存儲(chǔ)器件。但是對(duì)存儲(chǔ)密度要求越來越高，雖然可以通過提 高集成度達(dá)到目的，但也出現(xiàn)了一些挑戰(zhàn)，最明顯的就是量子隧穿效應(yīng)引起的電流泄露導(dǎo) 致器件的存儲(chǔ)可靠性下降。為了解決遇到的問題，目前主要的發(fā)展方向是用有機(jī)材料代替 硅基半導(dǎo)體材料，有機(jī)半導(dǎo)體材料具有柔性，可大面積制備，生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前興起 的智能穿戴設(shè)備，電子標(biāo)簽，智能卡等電子消費(fèi)產(chǎn)品需要存儲(chǔ)器件具有柔性、較高的讀寫速 度、存儲(chǔ)的穩(wěn)定性以及簡(jiǎn)便的制造工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了適應(yīng)未來消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)存儲(chǔ)器件柔性、低成本和高可靠性的要求，本實(shí)用 新型提出了一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，高穩(wěn)定性的柔性有機(jī)存儲(chǔ)器件。利用有機(jī)半導(dǎo)體材 料具有柔性和可大面積制備的優(yōu)點(diǎn)降低成本，利用氧化石墨烯材料的高介電性減少隧穿電 流的產(chǎn)生，利用雙層金屬納米晶浮柵提高對(duì)電荷的俘獲能力，實(shí)現(xiàn)較大的存儲(chǔ)窗口，利用飛 秒激光還原技術(shù)實(shí)現(xiàn)在常溫下電極和介質(zhì)層的一體化制備，本實(shí)用新型由下向上依次為襯 底、介質(zhì)層、控制柵、阻擋層、第一浮柵層、隔離層、第二浮柵層、隧穿層、源電極、漏電極和有 機(jī)半導(dǎo)體層，其中源電極和漏電極處于同一層，且位于隧穿層之上。
[0004] 所述的襯底是有機(jī)柔性襯底，本實(shí)用新型所用的襯底材料是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 (PET)，PET具有較高的分解溫度、機(jī)械強(qiáng)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)等也可作為襯底材料。
[0005] 所述的介質(zhì)層、阻擋層、隔離層和隧穿層所用的材料都為氧化石墨烯，氧化石墨烯 具有較高的介電常數(shù)，電導(dǎo)率達(dá)到了 1.74X1(T9S/Cm，具有很好的絕緣性，可有效減少控制 柵與阻擋層，隧穿層和有機(jī)半導(dǎo)體層間泄露電流，有助有提高存儲(chǔ)器件的穩(wěn)定性。氧化石墨 烯子在二維的碳原子平面的延伸邊緣上有許多含氧活性基團(tuán)，含氧活性基團(tuán)能夠提高氧化 石墨烯的溶解度，形成穩(wěn)定的溶液，有利于在旋涂工藝制備高質(zhì)量的薄膜，減少表面缺陷造 成的電荷陷講，提尚器件的穩(wěn)定性。
[0006] 所述的控制柵、源電極和漏電極所用材料為石墨烯，石墨烯具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性 和電學(xué)性能，石墨烯中的電子的迀移率達(dá)到了2X10 5cm2/v· s，是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，石墨烯 的楊氏拉伸模量可以達(dá)到42N/m，具有良好的機(jī)械韌性，制備的電極在應(yīng)力下不易斷裂，通 過飛秒激光還原技術(shù)可將氧化石墨烯還原為石墨烯，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，減少中間環(huán)節(jié)對(duì)器件 的污染，提尚廣品的良率。
[0007]所述的第一浮柵層和第二浮柵層所用的材料為金，金具有較高的功函數(shù)，可降低 勢(shì)皇，有利于電荷的俘獲，通過使用兩層納米晶可有效提高電荷俘獲量，增大對(duì)溝道電場(chǎng)的 影響，改變器件的閾值電壓，從而產(chǎn)生較大的存儲(chǔ)窗口。為了提高存儲(chǔ)的穩(wěn)定性，要求納米 晶的密度至少為HT 1Vcm2，納米晶的直徑為5-8nm，為了降低成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，本實(shí)用新 型制備納米晶所采用的是方法是快速熱處理法，先在阻擋層上熱蒸發(fā)一層l_2nm的金薄膜， 然后在真空下進(jìn)行退火，使薄膜在表面應(yīng)力和迀移力作用下自發(fā)凝聚分離形成孤立的金屬 納米晶。
[0008]所述的半導(dǎo)體層為并五苯(pent)，pent是目前使用最為廣泛的有機(jī)半導(dǎo)體材料， pent在空氣中具有高的耐水氧性能，迀移率達(dá)到非晶硅的水平，并且可以在低溫下蒸發(fā)制 備，有利于降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝。制備有機(jī)半導(dǎo)體層有多種成熟的方法，主要有化 學(xué)氣相沉積，真空熱蒸發(fā)，等離子濺射等方法。本實(shí)用新型所述的有機(jī)半導(dǎo)體層用熱真空蒸 發(fā)鍍膜的方法在隧穿層上沉積一層pent。
[0009] 技術(shù)方案
[0010] 1)將PET裁成2cmX 2.5cm的片子，然后用去污粉擦洗，隨后用丙酮、乙醇、去離子水 分別超聲清洗，氮?dú)獯蹈珊蠓湃敫稍锵洌?br>[0011] 2)將純化的氧化石墨烯和乙醇混合在磁力攪拌器中混合，配成溶液濃度為15mg/ ml ；
[0012] 3)設(shè)置勻膠機(jī)低速轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)/分鐘，3秒，高速轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒，將I)中的襯底 PET放在吸頭上，用取液器抽取2)中的溶液，滴加在片子上，旋涂制備介質(zhì)層，然后放入真空 干燥箱80°C，2小時(shí)，用臺(tái)階儀檢測(cè)后介質(zhì)層的厚度為20nm;
[0013] 4)設(shè)置飛秒激光器的參數(shù)，波長(zhǎng)為800nm，輸出功率為4mW，IOOfs的脈沖，重復(fù)頻率 為ΙΚΗζ，定義柵電極長(zhǎng)度為1mm，寬度2mm。在介質(zhì)層上對(duì)設(shè)置的柵極區(qū)域進(jìn)行線性掃描，將 氧化石墨烯還原為石墨烯，用臺(tái)階儀檢測(cè)后柵電極的厚度為12nm;
[0014] 5)純化的氧化石墨烯和乙醇混合在磁力攪拌器中混合，配成溶液濃度為30mg/ml;
[0015] 6)設(shè)置勻膠機(jī)低速轉(zhuǎn)500轉(zhuǎn)/分鐘，5秒，高速轉(zhuǎn)2000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒，將4)中的片子 放在吸頭上，用取液器抽取5)中的溶液滴加在片子上，旋涂制備阻擋層，然后放入真空干燥 箱80°C，2小時(shí)，用臺(tái)階儀檢測(cè)后介質(zhì)層的厚度為Ιμπι;
[0016] 7)將5)中干燥后的片子放入真空蒸發(fā)室中，在阻擋層上沉積一層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小時(shí)形成第一層浮柵；
[0017] 8)7)中的片子放在旋涂機(jī)上，按照步驟3)中方法旋涂制備隔離層，用臺(tái)階儀檢測(cè) 后隔離層的厚度為20nm;
[0018] 9)將8)中的片子放入真空蒸發(fā)室中，按照7)中的步驟制備第二浮柵層；
[0019] 10)在第二浮柵層上按照步驟3)的方法制備隧穿層，隧穿層厚度20nm;
[0020] 11)按照步驟4)的方法在隧穿層上制備源電極和漏電極，定義源電極和漏電極的 長(zhǎng)度為5mm，寬度2mm，源電極和漏電極之間的溝道長(zhǎng)度為50μηι，溝道寬度2mm。
[0021] 12)將片子放入真空蒸發(fā)室中，制備有機(jī)半導(dǎo)體層，真空度達(dá)到IXHT6Pa,不需加 熱，沉積速率為25A/S，pent的厚度為IOOnm;
[0022]技術(shù)分析
[0023]采用雙層的金納米晶作為浮柵層，增加了浮柵層電荷的存儲(chǔ)量，有利于提高存儲(chǔ) 器件的存儲(chǔ)窗口，使器件可以在更大范圍的電壓下工作;利用飛秒激光還原技術(shù)，將氧化石 墨烯還原為石墨烯，實(shí)現(xiàn)了控制柵在介質(zhì)層，源電極、漏電極在隧穿層的制備，減少中間反 復(fù)沉積電極的環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)中的污染摻雜，有利于提高產(chǎn)品良率，本 實(shí)用新型所用的阻擋層、隔離層、遂穿層都是采用高介電常數(shù)的氧化石墨烯，可有效降低泄 露電流，提升存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性，可降低工作電壓。本實(shí)用新型所用的材料均具有柔性，可彎 曲，可應(yīng)用于柔性電路。本實(shí)用新型所述制備過程用到飛秒激光還原技術(shù)、真空熱蒸發(fā)和旋 涂技術(shù)，工藝成熟，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0024]圖1為一種雙層浮柵柔性有機(jī)存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中1為襯底、2為介質(zhì)層、3為 控制柵、4為阻擋層、5為第一浮柵層，6為隔離層，7為第二浮柵層，8為隧穿層、9為源電極、10 為漏電極、11為有機(jī)半導(dǎo)體層。
【具體實(shí)施方式】 [0025] 實(shí)施例1
[0026] 1.1將PET裁剪成2cmX2.5cm的片子，然后用去污粉擦洗，隨后分別用丙酮、乙醇、 去離子水在超聲清洗機(jī)中超聲清洗10分鐘；
[0027] 1.2將1在氮?dú)庀麓蹈?，然后放入真空干燥箱，真空度?.09Pa，干燥2小時(shí)。
[0028] 實(shí)施例2
[0029] 2.1用電子稱稱取15mg純化的氧化石墨烯粉末，量筒稱取Iml無水乙醇，在玻璃瓶 中混合；
[0030] 2.2將瓶子密封后放在磁力攪拌器上攪拌1小時(shí)，配置成15mg/ml的溶液；
[0031] 實(shí)施例3
[0032] 3.1將實(shí)施例1中制備好的片子放在勻膠機(jī)的吸頭上，用取液器將實(shí)施例2中溶液 滴在1上；
[0033] 3.2設(shè)置勻膠機(jī)低速轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)/分鐘，3秒，高速轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒，開始旋涂2;
[0034] 3.3旋涂完成將片子放入真空干燥箱中，真空度為0.09Pa，加熱溫度為80°C，退火2 小時(shí)，用臺(tái)階儀檢測(cè)后2的厚度為20nm;
[0035] 實(shí)施例4
[0036] 4.1將3中干燥后的片子2面向上放在精密平臺(tái)上，設(shè)置飛秒激光器的參數(shù)，波長(zhǎng)為 800nm，輸出功率為4mW，I OOf s的脈沖，重復(fù)頻率為IKHz。
[0037] 4.2通過軟件定義定義3的長(zhǎng)度為1_，寬度2mm控制飛秒激光器對(duì)該區(qū)域進(jìn)行線性 掃描，將氧化石墨稀還原為石墨稀，完成3的制備；
[0038] 實(shí)施例5
[0039] 5.1用電子稱稱取30mg純化的氧化石墨烯粉末，量筒稱取Iml無水乙醇，在玻璃瓶 中混合；
[0040] 5.2將瓶子密封后放在磁力攪拌器上攪拌1小時(shí)，配置成30mg/ml的溶液；
[0041 ] 實(shí)施例6
[0042] 6.1設(shè)置勻膠機(jī)低速轉(zhuǎn)500轉(zhuǎn)/分鐘，5秒，高速轉(zhuǎn)2000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒，打開機(jī)械栗；
[0043] 6.2將4)中的片子放在吸頭上，用取液器抽取5)中的溶液滴加在片子上，旋涂制備 阻擋層，然后放入真空干燥箱真空度為〇.〇9Pa，加熱溫度為80°C，退火2小時(shí)，用臺(tái)階儀檢測(cè) 4的厚度為Ιμπι;
[0044] 實(shí)施例7
[0045] 7.1將實(shí)施例6中的片子放在真空腔中，打開真空閥，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到4 X HT 4Pa，開始加熱高純度金絲(99.99 % );
[0046] 7.2當(dāng)金絲完全融化達(dá)到沸點(diǎn)打開擋板，根據(jù)頻率計(jì)的示數(shù)估測(cè)薄膜的厚度和蒸 發(fā)速率；
[0047] 7.3蒸發(fā)的金薄膜厚度控制在l-2nm，關(guān)閉擋板，待蒸發(fā)室冷卻后放入真空干燥箱；
[0048] 7.3設(shè)置真空干燥箱的真空度為0.09Pa，溫度設(shè)為100°C，退火2個(gè)小時(shí)。
[0049] 實(shí)施例8
[0050] 按照實(shí)施例3的步驟旋涂6，然后用臺(tái)階儀檢測(cè)6的厚度為20nm;
[0051 ] 實(shí)施例9
[0052]按照實(shí)施例7的步驟制備7。
[0053] 實(shí)施例10
[0054]使用實(shí)施例2的溶液，按照實(shí)施例3的步驟制備8。
[0055] 實(shí)施例11
[0056] 11.1按照實(shí)施例4設(shè)置飛秒激光器的參數(shù)；
[0057] 11.2用軟件定義9和10的長(zhǎng)度為5mm，寬度2mm，9和10間的溝道長(zhǎng)度為50μπι，溝道寬 度2mm，控制飛秒激光器對(duì)定義區(qū)域進(jìn)行線性掃描，將氧化石墨稀還原為石墨稀。
[0058] 實(shí)施例12
[0059] 12.1將制備好9和10的片子放入真空蒸發(fā)室中，pent放入坩堝中，打開真空閥，開 始抽真空；
[0060] 12.2當(dāng)真空度達(dá)到I X HT6Pa打開擋板，根據(jù)頻率計(jì)監(jiān)測(cè)蒸鍍的pent薄膜厚度和速 率，控制薄膜蒸發(fā)速率為25A/S;
[0061] 12.3當(dāng)pent薄膜的厚度達(dá)到IOOnm時(shí)，關(guān)閉擋板，待蒸發(fā)室冷卻后取出器件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙層浮柵柔性有機(jī)存儲(chǔ)器件，其特征在于：由下向上依次為襯底、介質(zhì)層、控制 柵、阻擋層、第一浮柵層、隔離層、第二浮柵層、隧穿層、源電極、漏電極和有機(jī)半導(dǎo)體層，其 中源電極和漏電極處于同一層，且位于隧穿層之上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙層浮柵柔性有機(jī)存儲(chǔ)器件，其特征在于:襯底所用材料 為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯;介質(zhì)層、阻擋層、隔離層和隧穿層所用的材料都為氧化石墨烯;控 制柵、源電極和漏電極所用材料都為石墨烯;有機(jī)半導(dǎo)體層所用的材料為并五苯。
【文檔編號(hào)】H01L51/40GK205488238SQ201620045152
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年1月14日
【發(fā)明人】馬力超, 唐瑩, 鄭亞開, 韋, 韋一, 彭應(yīng)全
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院