有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性電子技術領域，特別涉及有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件及其制造方法。
【背景技術】
[0002]半導體存儲器是一種以半導體電路作為存儲媒體的存儲器，由于具有體積小、存取速度快、存儲密度高、與邏輯電路的接口容易等優(yōu)點，自問世以來，產(chǎn)品種類不斷增多，應用領域不斷擴大。半導體存儲器可以分為兩大類:第一類是揮發(fā)性存儲器，第二類是非揮發(fā)性存儲器。非揮發(fā)性存儲器的特點在于其所存儲的信息在掉電之后仍然存在。目前，有兩種新型非揮發(fā)性存儲器正日益成為半導體存儲器研宄的熱點，一種是電荷陷阱存儲器；另一種是鐵電存儲器。近年來，電荷陷阱型存儲器作為多晶硅懸浮柵存儲器得到廣泛應用。電荷陷阱型存儲器的結(jié)構(gòu)與浮柵類似，不同之處在于電荷陷阱型存儲器的電荷存儲在具有高缺陷能級密度的材料中。但是，這種技術與浮柵存儲器一樣需要能產(chǎn)生高電壓的電荷泵、擦寫延遲以及工藝復雜等缺點，同時高寫入功率和長期的寫操作會破壞存儲單元，從而造成有限的擦寫存儲次數(shù)。而鐵電型存儲器利用自身極化特性來實現(xiàn)存儲功能，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲單元的狀態(tài)。同時，鐵電型存儲器也不需要電荷泵來產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除，因而沒有擦寫延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，寫入速度快且壽命更長。因此，相比于電荷陷阱型存儲器，鐵電存儲器具有更高的寫入速度和更長的讀寫壽命。
[0003]柔性電子是一種將電子器件制備在柔性襯底上的技術，相對于硅基芯片而言，它具有適合大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)制造以及低成本的特點。近幾年來，隨著柔性顯示技術和智能穿戴設備逐步走入人們的日常生活，對于柔性電子產(chǎn)品的需求正與日俱增。而柔性存儲器件的制備是大面積柔性集成電路的重要組成部分，相對于硅基存儲器件而言，柔性存儲器件在更廣泛的領域內(nèi)可以滿足許多特殊的需求，例如柔性顯示、智能交互以及柔性生物電子等。目前，大多數(shù)柔性存儲器件是基于有機半導體薄膜材料。有機半導體薄膜具有較好的柔韌性，可以與柔性襯底相配合，而且其加工成本一般較低，但是以有機半導體薄膜作為有源層具有迀移率低的缺陷，在一定程度上限制了器件的性能。因此，尋求柔性好且迀移率高的半導體材料成為提升柔性存儲器件性能的方向之一。
[0004]石墨烯作為二維材料的典型代表，在柔性電子技術領域有著巨大的應用潛力。石墨烯是按正六邊形蜂窩狀排列的二維平面晶體，具有優(yōu)異的電學、光學、熱學和機械性能，同時石墨烯具有良好的機械柔韌性和延展性以及光學透明性，并且石墨烯在彎曲狀態(tài)下仍可以保持良好的電學性能，是一種非常理想的柔性半導體材料。尤其是在大面積石墨烯制備已成為可能的情況下，石墨烯有望進一步提高柔性存儲器件的迀移率等電學性能。與此同時，由于柔性存儲器件的有機襯底不能耐受高溫，所以器件制造過程中必須在低溫下進行，常溫下的石墨烯轉(zhuǎn)移工藝恰好可以滿足柔性存儲器件對于低溫的要求。
[0005]復旦大學孫清清等人也發(fā)明了一種基于氧化石墨烯的柔性電荷陷阱存儲器(CN103489870A)。該器件制備方法的具體步驟如下:
[0006](I)在柔性襯底上生長一層溝道層；
[0007](2)定義有源區(qū)，形成源漏；
[0008](3)采用低溫原子層淀積方法，生長介質(zhì)薄膜作為電荷隧穿層；
[0009](4)在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上，室溫下旋涂氧化石墨烯作為電荷陷阱層；
[0010](5)在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上，低溫原子層淀積方法，生長控制柵介質(zhì)阻止層；
[0011](6)最后形成柵電極。
[0012]該發(fā)明的主要優(yōu)點在于:(1)由于氧化石墨烯的化學結(jié)構(gòu)，氧官能團和缺陷能夠充當電荷陷阱，這有利于形成比較大的存儲窗口 ；(2)采用低溫原子層淀積工藝生長的薄膜作為隧穿層、控制柵介質(zhì)阻止層；(3)采用室溫下旋涂氧化石墨烯工藝，作為電荷陷阱層。該制備工藝使用低溫原子層淀積技術和室溫旋涂氧化石墨烯，大大降低了工藝熱預算。但是，相比于鐵電型存儲器而言，電荷陷阱存儲器制備工藝較為復雜，而且電荷陷阱技術與浮柵存儲器類似，都需使用電荷泵來產(chǎn)生高電壓，迫使電流通過柵氧化層而達到擦除的作用，產(chǎn)生一定的擦寫延遲。而且較高的寫入功率以及長期的寫操作可能會破壞存儲單元，導致有限的擦寫次數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的在于為克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種基于有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件及其制造方法。本發(fā)明利用有機鐵電材料作為柵介質(zhì)，可以實現(xiàn)鐵電型非易失數(shù)據(jù)存儲，而且有機鐵電材料因其自身的柔韌性以及可在低溫下成膜的特點，適合于柔性存儲器件的制備。同時，引入石墨烯作為溝道材料，極大提高了器件的電學性能，具有制備工藝簡單，成本低，且可以在低溫下實現(xiàn)的特點。
[0014]本發(fā)明提出的一種有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件，其特征在于，該存儲器件包括依次層疊的柔性襯底、背柵電極層、金屬氧化物背柵介質(zhì)層、圖形化的石墨烯導電溝道、在石墨烯導電溝道上的金屬源電極和金屬漏電極，制備在背柵介質(zhì)、圖形化的石墨烯導電溝道、以及金屬源電極和漏電極上的有機鐵電頂柵介質(zhì)，蒸發(fā)在頂柵介質(zhì)之上的金屬頂柵電極。
[0015]本發(fā)明還提出上述有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0016]I)在厚度為100?200um的柔性襯底上磁控濺射方阻為6_8 Ω /cm2的ITO或者50?10nm金屬鋁Al，或旋涂粒徑為50?lOOnm，長度為15?20um的銀納米線網(wǎng)絡，或旋涂碳納米管分散液，形成碳納米管導電薄膜作為背柵電極；
[0017]2)在制備好背柵電極的柔性襯底上利用原子層沉積生長一層金屬氧化物作為背柵介質(zhì)；
[0018]3)將化學氣相淀積法生長的石墨烯轉(zhuǎn)移到制備好背柵介質(zhì)的柔性襯底上，作為導電溝道；
[0019]4)采用光刻圖形化以及電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)的方式在步驟3)所制得的襯底上制備金屬源、漏電極；
[0020]5)通過二次光刻工藝以及氧離子刻蝕工藝對石墨烯導電溝道進行圖形化，形成最終的導電溝道；
[0021]6)采用勾膠法或Langmuir-Blodgett (LB)膜法制備P (VDF-TrFE)頂柵介質(zhì)層；
[0022]7)在頂柵介質(zhì)之上熱蒸發(fā)金屬作為頂柵電極。
[0023]同基于氧化石墨烯的柔性電荷陷阱存儲器相比，本發(fā)明具有以下幾個優(yōu)點:
[0024]1.石墨烯良好的機械特性使其更適合柔性存儲器件對材料柔韌性的要求，且具有尚的遷移率，有利于器件電學性能的提尚;
[0025]2.有機鐵電材料可以滿足柔性電子對于低溫工藝的要求，且有機聚合物本身也具有較強的柔韌性；
[0026]3.鐵電型存儲相對于電荷陷阱型存儲具有穩(wěn)定性好、操作電壓低、功耗小及成本低等特點。
[0027]4.本發(fā)明所述器件制備工藝簡單，適用于大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)制造。
[0028]綜合上述有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件，在性能上具有較高的可靠性，較低的操作電壓，低功耗，低成本的優(yōu)勢，且迀移率高，電學性能好，工藝簡單，因而在大規(guī)模柔性存儲器的發(fā)展中具有更大的應用潛能。
[0029]本發(fā)明的有益效果為:所述有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器適用于超大規(guī)模集成電路制造工藝，具有制備工藝簡單，成本低的優(yōu)點；石墨烯溝道材料的使用可滿足柔性存儲器件對于溝道材料的柔性要求，同時也克服了有機半導體材料迀移率低的缺點，有利于器件性能的提尚。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明的有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件的制備工藝流程圖，其中:
[0032]圖2 (a)為柔性襯底I上制備背柵電極2的示意圖；
[0033]圖2(b)為在背柵電極2上制備金屬氧化物作為背柵介質(zhì)3的示意圖；
[0034]圖2(c)為將CVD法生長的石墨烯薄膜4轉(zhuǎn)移至目標襯底的示意圖；
[0035]圖2(d)為在石墨烯上制備源電極5和漏電極6的示意圖；
[0036]圖2(e)為利用光刻以及刻蝕工藝對石墨烯進行圖形化形成溝道4的示意圖；
[0037]圖2 (f)為在上述制備的襯底之上制備P (VDF-TrFE)作為頂柵介質(zhì)7的示意圖；
[0038]圖2(g)為在頂柵介質(zhì)7之上制備頂柵電極8的示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
[0040]本發(fā)明提出的有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括依次層疊的柔性襯底1、金屬背柵電極層2、金屬氧化物背柵介質(zhì)層3、圖形化的石墨烯導電溝道4，在石墨烯導電溝道4上的金屬源電極5和金屬漏電極6，旋涂在背柵介質(zhì)3、圖形化的石墨烯導電溝道4、以及金屬源電極5和漏電極6上的有機鐵電頂柵介質(zhì)7，蒸發(fā)在頂柵介質(zhì)7之上的金屬頂柵電極8。
[0041]所述的柔性襯底I厚度為100?200um，透光率彡70?80%，襯底采用的材料主要包括聚對苯二甲酸類塑料(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)之中的任一種材料。
[0042]所述的背柵電極2為方阻6-8 Ω/cm2的ITO導電薄膜或者50?10nm金屬鋁Al薄膜，或采用粒徑為50?lOOnm，長度為15?20um的銀納米線網(wǎng)絡薄膜，或旋涂碳納米管分散液，形成碳納米管導電薄膜。
[0043]所述背柵介質(zhì)3為采用金屬氧化物，包括HfO2或者T12或者Al 203等。
[0044]所述的導電溝道4為二維平面結(jié)構(gòu)的半導體材料石墨烯膜。
[0045]所述源漏電極5和6采用鉻(Cr) /金(Au)堆疊結(jié)構(gòu)，厚度為:10?20nm/50?60nm ;或者鈦(Ti) /金(Au)堆疊結(jié)構(gòu)，厚度為10?30nm/50?60nm ;或者鎳(Ni)，厚度為80 ?lOOnm。
[0046]所述頂柵介質(zhì)層7采用有機鐵電材料聚偏氟乙烯-聚三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)，厚度為 300 ?500nm。
[0047]所述頂柵電極8采用鉻(Cr)/金(Au)，厚度為:10?20nm/50?60nm;或者鈦(Ti) / 金(Au)，厚度為 10 ?30nm/50 ?60nm ;或者鋁(Al)，80 ?10nm0
[0048]本發(fā)明的有機鐵電柵石墨烯柔性存儲器件的制備方法，如圖2所示，主要包括以下步驟:
[0049]I)在厚度為100?200um的柔性襯底I上磁控濺射方阻為6_8 Ω /cm2的ITO或者50?10nm金屬鋁Al也可旋涂粒徑為50?lOOnm，長度為15?20um的銀納米線網(wǎng)絡，或旋涂碳納米管分散液，形成碳納米管導電薄膜作為背柵電極