[发明专利]一种n-型半导体插层并五苯有机场效应晶体管及应用

说明书

一种利用n‑型半导体插层提升并五苯有机场效应晶体管工作性能的方法，在结构为栅电极/绝缘层/聚合物介质薄膜/并五苯/源(漏)电极的有机场效应晶体管器件中，在绝缘层和聚合物介质薄膜之间设置一n‑型半导体薄膜插层；n‑型半导体插层厚度为1‑200nm；通过n‑型半导体插层中界面处的感生电子降低并五苯与聚合物介质界面处的空穴势垒高度，有效降低并五苯有机半导体晶体管的编程/擦除工作电压；通过调节n‑型半导体插层中n‑型载流子数量调节并五苯与聚合物介质界面处的空穴势垒高度至合理的范围，使并五苯有机场效应晶体管器件具有较低的工作电压，较快的编程/擦除速度，良好的编程/擦除可靠性及数据保持能力。

技术领域

本发明属于有机半导体存储技术领域，具体涉及一种利用n-型半导体插层提升并五苯有机场效应晶体管工作性能的方法及应用。

背景技术

过去二十几年来由于在从射频识别标签到柔性及大面积显示等领域的应用前景，基于有机场效应晶体管的非易失性电子器件获得了人们非常多的关注【1，2】。为了促进有机场效应器件的实际应用，人们在研究诸如p-型沟道材料，n-型沟道材料及聚合物等电荷俘获材料方面花费了大量的精力。作为最有潜力的p-型沟道材料之一，具有5个苯环的平面型分子结构的小分子半导体材料并五苯(pantacene)已经被广泛应用于有机半导体场效应器件的研究中。研究表明聚苯乙烯(PS),聚(2-乙烯基萘)(PVN)，聚α-甲基苯乙烯(PαMS)等作为电荷俘获介质的并五苯有机场效应晶体管在较高的工作电压下其转移特性曲线显示了大的存储窗口【3】。在以PαMS为电荷存储介质的并五苯有机场效应晶体管器件中Baeg等人使用200V/1μs的脉冲电压对器件开展了编程操作，并使用-100V/1μs的脉冲对器件开展了擦除操作【1】。在以苯乙烯-聚4-乙烯吡啶嵌段共聚物(PS-b-P4VP)为电荷俘获介质的并五苯有机场效应器件中，Leong等人使用-30V/1s的脉冲电压开展了编程操作，并使用100V/30s的脉冲开展了擦除操作【4】。以具有如此高的脉冲幅值或如此长的脉冲宽度的脉冲电压对并五苯有机场效应器件开展编程/擦除操作并不满足现代电子器件应用的工业标准。因此，至今为止以聚合物薄膜作为电荷俘获介质的并五苯有机场效应晶体管器件还没有得到实际应用。

针对以聚合物薄膜作为电荷俘获介质的并五苯有机场效应晶体管器件为背景，人们开展了多方面的基础研究。理论和实验研究结果【5，6】都表明，在并五苯/聚合物界面处的并五苯薄膜中靠近界面处存在与外界环境因素(如氢和氧气等)有关的带正电的缺陷，所带正电荷的体密度高达4╳10¹⁸cm^-3【7】。该带正电的缺陷层厚度约1.5nm，由于缺陷的形成该薄层已经不具有半导体特性。该薄层所带正电荷形成的电场方向指向p-型半导体并五苯薄膜，对并五苯薄膜中的空穴(hole)往聚合物薄膜中迁移起阻碍作用，此带正电的缺陷层起正电荷势垒的作用，该正电荷势垒的存在导致了以聚合物薄膜作为电荷俘获介质的并五苯有机场效应存储器件的高工作电压。

本发明小组CN2019113368508一种提升并五苯有机场效应晶体管工作性能的方法，在结构为栅电极/绝缘层/聚合物介质薄膜/并五苯/源与漏电极的有机场效应晶体管器件中，聚合物介质和并五苯之间设置一n-型半导体薄膜过渡层；n-型半导体过渡层厚度为1-100nm；n-型半导体薄膜是结晶态薄膜、半晶态薄膜或者非晶态薄膜。通过n-型半导体过渡层中界面处的感生电子降低并五苯与电荷俘获介质界面处的空穴势垒高度，有效降低并五苯有机半导体晶体管的编程/擦除工作电压；通过n-型半导体过渡层中电离施主所形成的带正电的空间电荷区阻碍聚合物介质薄膜中被俘获的正电荷(空穴)逃逸到并五苯薄膜中，提高并五苯有机半导体晶体管器件的编程/擦除可靠性及数据保持能力，提升并五苯有机场效应晶体管工作性能。

参考文献：