[发明专利]一种基于二维有机分子半导体的快速铁电晶体管存储器及制备

说明书

技术领域

本发明涉及二维分子晶体、铁电聚合物、半导体技术、有机晶体管存储器等领域，特别是涉及一种快速有机存储器及制备。

背景技术

随着电子信息技术的快速发展，存储器作为现代信息技术中用于保存信息的记忆设备，成为各类电子信息产品，如电脑、智能手机、MP3等，不可或缺的元素。目前，基于传统半导体的硅基电存储器具有快速存储以及存储时间长等优点，仍然是现代存储器的应用热点，而且这种传统的存储器主要利用材料的磁信号、电信号、以及光学信号的变化来实现信息存储。但是传统的存储器也存在尺寸较大、制备工艺较复杂以及生产成本偏高等问题，使得存储器的发展遇到了很大的障碍。为满足数字信息存储的研究目标，即高存储密度、高数据传输率、高擦除次数、高存储寿命以及廉价的设备投资与器件制备，克服日益严峻的制程微缩的挑战，越来越多的研究机构和高校开始将研发焦点转向新的存储技术，如铁电存储器、磁随机存储器、有机存储器、纳米晶存储器以及碳纳米管存储器等。

近年来随着有机电子学的迅速发展，基于有机半导体的器件研究已成为当前的研究热点，主要由于有机材料一些固有的优点，即加工工艺简单、灵活的性能调控、易于获得以及价格低廉等，这些优点可以使有机电子器件有机会在未来低成本大规模集成电路中扮演重要角色。尽管信息的存储是组成集成电路不可或缺的一部分，但在有机电子学中对信息处理器件的研究依然很少，因此对有机存储器件的研究越发重要。而有机铁电存储器无疑又是一类非常值得关注的存储器件，因为铁电极化的存储在有机存储器件的小型化过程中更加具有优势。如具有成本低、大面积、可柔性、高敏感度等优点。

对于铁电有机存晶体管存储器来说，在写入和读出过程中提高存储器的操作速度是至关重要的。然而，与无机存储器相比，以铁电聚合物P(VDF-TrFE)为栅绝缘层的铁电有机场效应晶体管(Fe-OFET)存储器通常会产生一个较慢的两种状态转换行为(从开启状态到关闭状态和从关闭状态到开启状态)。这个问题也许可以通过提高导电沟道中载流子迁移率来解决。在之前的一些研究工作中，铁电有机场效应晶体管存储器两种状态转换一般在几十到上百毫秒，但这与无机存储器相比明显没有优势。然而，有机半导体材料限制了载流子迁移率的提高，也就进一步阻碍了有机存储器两种状态转换速度的提高。铁电有机场效应晶体管双态之间的转换是引起沟道中电荷载流子积累和耗尽的原因。因此，对于改善Fe-OFET操作速度来说，电荷注入过程中的接触电阻也是一个重要的因素。接触电阻包括金属/有机界面处的电阻和从金属/半导体到导电沟道中的电阻。我们最近的工作表明，二维分子晶体的导电沟道在减少接触电阻方面是可以实现的，因为超薄晶体只有几个分子层结构这会使接入电阻显着降低。因此，在Fe-OFETs中，二维半导体分子晶体可以保证有效的电荷注入，从而实现高速有机存储设备的制备。

发明内容

本发明目的和主要解决的技术问题是，提供一种基于二维有机分子半导体和铁电聚合物制备的快速铁电晶体管存储器和制备方法，本发明能够制备出存储速度较快，存储密度大，薄膜制备工艺简单，可以大面积制备的器件，而且所使用的材料容易获得。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种基于二维有机分子半导体的快速铁电晶体管存储器，其特征是包括以重参杂的p型硅为衬底，生长50-250nm 二氧化硅为绝缘层，在二氧化硅上通过热蒸镀的方法制备一层20-50nm的金作为栅极，然后在栅极上旋涂一层铁电聚合物材料即聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))，在 P(VDF-TrFE)上利用漂浮的咖啡环效应和相位分离法分别生长一层超薄的厚度2-10nm 的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和厚度5-10nm的二辛基苯并噻吩苯并噻吩半导体层 (C₈-BTBT)，其中钝化层PMMA在二维半导体层C₈-BTBT下面，在半导体层上蒸镀金作为源极和漏极，这就成为底栅顶接触结构的二维有机分子半导体铁电晶体管存储器。