全溶液法构建核心体系制备柔性浮栅有机晶体管非易失性存储器的研究

The floating-gate organic field-effect transistor nonvolatile memory is considered as a promising candidate for next-generation organic flash memory due to its many advantages, such as simple technology, low-temperature processing, large-area coverage, low cost, flexible application, etc. Up to date, the relevant reports are less. In most of these reports, organic memories are fabricated by utilizing an energy-intensive process, such as high vacuum thermal evaporation and atomic layer deposition, for solving the problem of process compatibility. In generally, the operation voltage is high and the retention time is short for the reported memory devices. It is an important goal to overcome these shortcomings in our applying project. So, the key scientific and technical issues, including how to control the ambipolar charge carriers, how to distribute the proper electric filed, how to control the microstructure and surface morphology of the films in the core architecture of the memory, will be resolved in the study of present applying project. We propose the following innovation points, such as, to fabricate the core architecture of memory by using a method of full solution technology, to build and optimize the architecture of the blocking and tunneling layers consisted of the polymers with a high and low dielectric constant, respectively, to build the core architecture of memory with a controlling ambipolar charge carriers. After analyzing the physical mechanism of the controlling of ambipolar charges carriers, a reasonable physical model will be built, which will be utilized to improving the performance of memory devices. We expect to achieve high performance flexible memory devices with the writing/erasing voltages below than 10 V, the memory on/off ratio up to 4 orders of magnitude, the retention time up to 10 years.

浮栅有机场效应晶体管非易失性存储器具有工艺简单、可低温加工、大面积制备、成本低、柔性应用等诸多优点，被认为是最有希望实现闪存技术的新型有机存储器。目前，该类存储器的相关报道少，绝大多数报道的存储器使用了真空热蒸镀或原子层沉积等高能耗的高真空技术来解决工艺兼容性问题；普遍存在擦写电压高、存储保持时间短的问题。以克服上述问题为本项目研究的重要目标。为此，拟解决存储器核心体系的双极性载流子可控性、电场的合理布局、薄膜微结构与表面形貌的可控性等关键性科学问题。提出了以下创新点：采用全溶液法制备存储器的核心体系；构建具有合理厚度且分别由高、低介电常数聚合物担当的阻挡层和隧穿层；构建具有双极性载流子可控性的存储器核心体系。分析双极性载流子可控性的物理机制，构建模型，并以此模型反馈指导存储器的实验研制。预期获得高性能柔性存储器，最高擦写电压低于10V，存储电流比达4个数量级，电荷存储保持时间达到10年。

有机场效应晶体管非易失性存储器（OFET-NVM）具有工艺简单、可低温加工、大面积制备、成本低、柔性应用等先天性的优点，被认为是最有希望实现闪存技术的新型有机存储器。绝大多数已报道的OFET-NVM使用了真空热蒸镀或原子层沉积等高能耗的高真空技术来解决器件制备的工艺兼容性问题；普遍存在着擦写电压过高、存储保持时间短的问题。.以克服上述问题为本项目研究的重要目标，我们开展了基于全溶液法工艺构建由多层薄膜组成的核心体系、制备OFET-NVM的研究工作。我们系统性地优化了全溶液法构建核心体系的工艺参数；研究了核心体系各功能层薄膜的微结构与器件存储性能的关联性；优化了核心体系的结构，研究了双极性电荷在核心体系内的传输、转移、存储与释放的物理过程。研制并提升柔性OFET-NVM的整体性能。基于全溶液法工艺，我们构建了一系列的复合型栅绝缘层，研究了复合型栅绝缘层的结构及薄膜微结构与电荷传输的关联性，获得了可低电压工作、且具有高迁移率的有机场效应晶体管（OFET），为进一步降低OTFT-NVM的擦/写电压和提升存储性能，提供了技术支持。我们还开展了一系列基于铁电聚合物构建铁电型OFET-NVM的研制工作；系统性地研究了基于全溶液法工艺构建的核心体系的结构、各功能层的表面特性与器件各项存储性能的关联性，优化了工艺参数，提升了OFET-NVM的综合性能参数。.作为结果，我们研制的OFET器件的工作电压可低至5 V，最高迁移率超过10.0 cm2/Vs。研制的OFET-NVM的最低擦/写电压可以低至 ±10V，存储电流比达到 104；高度可靠的擦/读/写/读存储循环耐久性超过1000次，高度稳定的电荷存储保持时间超过6.5万秒，理论拟合表明其电荷存储保持时间能达到10年。研制的柔性OFET-NVM具有良好的机械柔韧性，在3.0 mm的曲率半径下弯曲5000次，存储性能没有明显衰减。研制的存储器的性能参数达到了项目的预期目标。我们研制高性能存储器的思路及技术对推动其实用化有显著的科学意义和实用价值。在项目运行期间，我们的相关研究成果累计正式发表高水平的SCI论文10篇，申请国家发明专利3项，其中得到授权发明专利1项。