[发明专利]一种基于聚合物掺杂N-型有机半导体的并五苯有机场效应晶体管

说明书

本发明公开了一种基于聚合物掺杂N‑型有机半导体的并五苯有机场效应晶体管，用N‑型有机半导体与聚合物介质混合形成的薄膜替代原本单一的聚合物介质薄膜，通过混合物中N‑型有机半导体在界面处产生的感生电子降低并五苯/聚合物介质界面处的空穴势垒高度，有效降低并五苯有机场效应晶体管器件的写入/擦除工作电压；并且通过调节混合物中N‑型有机半导体的比例将并五苯/聚合物介质界面处的空穴势垒高度调节至合理范围，使并五苯有机场效应晶体管器件具有较低的工作电压，较快的写入/擦除速度，良好的写入/擦除可靠性及数据保持能力，从而提升并五苯有机场效应晶体管器件的工作性能。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于聚合物掺杂N-型有机半导体的并五苯有机场效应晶体管。

背景技术

以有机半导体材料为基础的有机电子器件有着制作成本低、易于大面积均匀制作、机械柔性好等优点，而其中的有机场效应晶体管(OFET)在柔性设备等器件应用方面更是有着广阔的前景。在众多有机半导体材料中，小分子P-型有机半导体并五苯(Pentacene)因具有与无机非晶硅相近的载流子场效应迁移率等优势，被广泛应用于有机场效应管的制作研究[1]。在此基础上，以有机场效应管为结构基础的非易失性存储器更是吸引了大量研究人员的目光。传统的并五苯场效应晶体管的结构分为以下两种，一种为底栅型:从下到上分别是栅电极/绝缘层/聚合物介质薄膜(电荷俘获介质)/并五苯/源(漏)电极；另一种为顶栅型，有机场效应晶体管的结构为，从下到上分别是源(漏)电极/并五苯/聚合物介质薄膜(电荷俘获介质)/绝缘层/栅电极。在上述有机场效应晶体管结构中，常用的作为电荷俘获介质的聚合物介质薄膜有聚(2-乙烯基萘)(PVN)[2]、聚苯乙烯(PS)[3]、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[4]、聚α-甲基苯乙烯(PαMS)等[5]，而在以这些材料为电荷俘获介质的并五苯有机场效应晶体管存储器件中，其转移特性曲线在高工作电压下具有大的存储窗口。在Baeg等人以PαMS为俘获介质制作的并五苯有机场效应晶体管中，他们为了对器件进行写入操作使用了200V/1μs的脉冲，并用-100V/1μs的脉冲对器件进行擦除操作[5]。而在以聚(2-乙烯基萘)(PVN)为电荷俘获介质的并五苯有机场效应晶体管中，Baeg等人则使用了60V/1ms的脉冲进行写入操作，-35V/1ms的脉冲进行擦除操作[2]。在以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为电荷俘获介质的并五苯有机场效应晶体管中，Wen等人则用±120V/1s的脉冲对器件进行擦写操作[4]。在上述示例中，对并五苯有机场效应晶体管进行有效擦写操作所用到的脉冲电压幅值较高，还远达不到现代电子器件大规模应用的工业标准。因此，以电荷俘获介质为基础的并五苯有机场效应晶体管离实际商业应用仍存在较远距离。

在以并五苯有机场效应晶体管为基础的研究中，许多研究表明在并五苯薄膜内，靠近并五苯/栅介质界面间的位置存在着因氧气或水分等外界因素影响而产生的带正电的缺陷，该正电荷缺陷层厚度约为1.5nm，且缺陷体密度约为4ⅹ10¹⁸cm^-3[6-8]。这层正电荷缺陷层产生的电场方向由界面指向并五苯薄膜体内，其作用等同于正电荷势垒，阻碍了空穴从并五苯到电荷俘获层的转移，最后使得以聚合物介质薄膜为电荷俘获层的并五苯有机场效应晶体管的工作电压高。

中国发明专利申请(申请号：201911336850.8)及美国专利申请(申请号：17058652)公开了一种提升并五苯有机场效应晶体管工作性能的方法及结构，在并五苯和聚合物薄膜间引入一层n-型半导体薄膜，利用静电感应效应来降低并五苯和聚合物界面处的空穴势垒高度，从而达到降低器件工作电压的目的，同时实现了利用较低的脉冲幅值及较窄的脉冲宽度来实现器件的编程及擦除操作。但是由于在聚合物薄膜上生长的n-型有机小分子半导体薄膜表面粗糙，且薄膜具有较小的晶粒尺寸，导致后续其上生长的并五苯薄膜晶粒较小，使得并五苯沟道中空穴载流子受到的散射较强。较强的散射效应使得并五苯场效应晶体管器件虽然工作电压较低，但是其载流子迁移率偏低，影响器件的性能。

发明内容