有机场效应晶体管非易失性存储器的电荷存储机制研究

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近年来,有机电子学和有机电子器件在众多应用领域取得了长足的进展。有机场效应晶体管、有机发光二极管、有机太阳能电池、光化学传感器等有机电子器件在柔性电子领域具有广泛的应用前景。有机场效应晶体管以及基于其结构的非易失性存储器由于具有工艺简单、成本低、质量轻、可柔性和任意形状大面积制造等优点,在光学显示的晶体管阵列、智能卡片、传感器、电子纸以及大面积电子皮肤等领域展现出巨大的应用潜力。目前很多高性能有机半导体材料载流子迁移率已经接近于传统的无机半导体材料,这使得有机场效应晶体管非易失性存储器由基础研究走向产业化阶段成为了可能。由于具有可用单个晶体管实现、非破坏性读取、易于和逻辑电路集成等优点,因此基于有机场效应晶体管非易失性存储器(以下简称“有机晶体管存储器”)被认为是最具有应用前景的一类有机存储器件。有机晶体管存储器主要是通过存储在电荷俘获层的电荷调制有机半导体层的导电沟道来实现数据存储。根据其工作原理和器件结构不同,有机非易失性存储器可以分为基于有机晶体管结构的铁电聚合物型、驻极体聚合物型、悬浮栅极等几种主要类型。纳米颗粒悬浮栅极与传统的连续性悬浮栅极材料相比,具有分立式电荷存储单元,能够有效地抑制被俘获电荷的横向流动和泄漏效应,从而提高器件的电荷存储能力。阈值电压是有机晶体管存储器的一个非常重要的参数,其为有机半导体层导电沟道形成时的最小栅极电压值。当存储层没有俘获电荷时,导电沟道刚形成时对应的栅极电压为初始阈值电压。以P型半导体为例,当栅极加适当的偏压时,电子或空穴被俘获进电荷存储层,阈值电压会产生正向或负向漂移,因此,器件测试的转移特性曲线会呈现近似平行四边形的形状,我们称此平行四边形的右上角顶点为转移特性曲线的拐点,拐点的物理意义是被俘获的电子刚要从电荷存储层逃逸出来时对应的状态点。对于N型半导体来说,我们称此平行四边形的左上角顶点为转移特性曲线的拐点,此拐点的物理意义是有机半导体层中的电子刚要注入电荷存储层时对应的状态点。有机晶体管存储器一般用存储窗口、写入擦除速度、源漏电流开关比、记忆保持时间以及耐受性等参数来表征。器件的性能尤其是源漏电流开关比和记忆保持时间将会受到拐点位置的影响,因此,拐点位置随实验参数变化的规律对于提高存储器性能至关重要。在本论文中,我们首先以金纳米颗粒和聚苯乙烯隧穿绝缘层作为电荷俘获层制备了并五苯有机晶体管存储器,研究了栅压扫描速度和聚苯乙烯绝缘层厚度对拐点位置的影响,证实了随扫描速度或聚苯乙烯绝缘层厚度的减小,拐点的横纵坐标会分别向正向和负向偏移。另外,通过对比实验证实了读取电压在拐点右侧时器件的记忆保持时间比在拐点左侧更长,而源漏电流开关比更小。同时,我们以驻极体聚(2-乙烯基萘)作为电荷俘获层制备了并五苯有机晶体管存储器,研究了栅压扫描速度和聚(2-乙烯基萘)薄膜厚度对拐点位置的影响,证实了随扫描速度或聚(2-乙烯基萘)薄膜厚度的减小,拐点的横纵坐标会分别向正向和负向偏移。另外,通过对比实验得到了与之前相同的结论。最后,我们以金纳米颗粒和聚苯乙烯隧穿绝缘层作为电荷俘获层制备了PTCDI-C13H27有机晶体管存储器,研究了栅压扫描速度和聚苯乙烯绝缘层厚度对拐点位置的影响。本论文阐明了纳米颗粒悬浮栅极器件和驻极体聚合物器件的电荷存储机制,研究结果为制备高性能有机场效应晶体管非易失性存储器提供了重要的实验信息。
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