铟镓锌氧化物插层在并五苯有机场效应晶体管非易失性存储器件中的应用研究

作     者：康利民 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：殷江

授予年度：2021年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 081201[工学-计算机系统结构] 0702[理学-物理学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：并五苯OFET非易失性存储器件 IGZO插层 界面势垒 操作电压 保持特性 

摘      要：作为信息存储的载体,存储器一直是电子设备中不可或缺的一部分。其中占据了存储市场大部分份额的是以电荷俘获为机理的无机闪存,但是随着半导体制造技术的不断发展,无机闪存器件逐渐逼近物理极限,将无法满足不断增加的存储需求。另一方面,有机半导体的发展为半导体提供了另一种全新的可能性。经过半个多世纪的发展,越来越多的有机半导体被运用到不同的领域当中,基于有机电子学的有机存储器便是其中一个非常重要的研究领域。作为有机存储器中非常重要的一种,以聚合物驻极体为电荷俘获层的有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistor,OFET)非易失性存储器获得了人们的广泛关注,其具有存储窗口大、器件结构与制备工艺较为简单、价格低廉、可大面积印刷制备等优点,在射频识别标签、柔性及大面积显示等领域展现出不错的应用前景。并五苯是一种迁移率较高、化学性质稳定的有机半导体,因此其被广泛使用于OFET器件当中。但现有的并五苯OFET存储器件的操作电压动辄高达上百伏特,远远达不到现代电子器件应用的实际标准;器件的擦写脉冲时间往往长达数十秒,擦写速度有待提高;此外,器件的有效写入/擦除次数也较低。这些缺点严重限制了并五苯OFET存储器件的应用。理论和实验研究结果都表明,受外界环境因素(如氧气、水分等)影响,在并五苯/聚合物界面处存在一层带极高密度正电荷的缺陷层,该薄层厚约1.5nm,其所带的正电荷形成了指向p-型半导体并五苯内部的电场,该电场对并五苯薄膜中的空穴进入聚合物驻极体产生了阻碍作用,起到了正电荷势垒的作用,正是这种高的势垒导致了聚合物驻极体型OFET存储器件高达上百伏特的操作电压。本文在现有研究的基础之上,提出了一种新型的铟镓锌氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)插层并五苯OFET非易失性存储器件,并制备了不同IGZO厚度以及不同IGZO载流子浓度的并五苯OFET非易失性存储器件,分析其对器件存储性能的影响。具体工作如下:1、设计了一种新型的OFET非易失性存储器件:在现有的栅电极/绝缘层/聚合物驻极体薄膜/并五苯/源(漏)电极OFET存储器件当中,在绝缘层和聚合物驻极体薄膜之间设置一IGZO n-型半导体薄膜插层,那么在IGZO插层中界面处会产生感生电子,使并五苯与电荷俘获介质界面处的空穴势垒高度降低,大大降低了并五苯OFET存储器件的编程/擦除工作电压。2、制备了含不同厚度的IGZO插层的并五苯OFET非易失性存储器件。器件的存储性能测试结果表明:引入IGZO插层会使器件的存储窗口变大,写入/擦写速度变快,操作电压变低。并且随着IGZO插层厚度的增加,器件的存储窗口不断增大,但器件的保持性能发生了明显的衰减。这初步验证了IGZO插层会使并五苯/PVN界面的势垒高度产生明显下降这一设想,且IGZO插层越厚,并五苯/PVN界面的势垒高度下降就越多,这与器件的设计预期相符。3、制备了具有不同载流子浓度IGZO插层的并五苯OFET非易失性存储器件。器件的存储性能测试结果进一步表明:引入IGZO插层会使器件的存储窗口变大,写入/擦写速度变快,且操作电压变低。且随着IGZO载流子浓度的增加,器件的存储窗口不断增大,但器件的保持性能发生了明显的衰减。这一现象再次有效地验证了IGZO插层使并五苯/PVN界面势垒高度大幅下降的作用,且IGZO插层浓度越高,并五苯/PVN界面的势垒高度下降就越多。