基于叠层有机半导体异质结的高性能非易失性晶体管存储器

现代信息社会所产生的数据飞速增长,要求存储器应具有更大的存储容量。人们通常采用增加存储单元的集成密度等物理手段来提高存储器的存储容量,但是目前使用的硅CMOS工艺将在5 nm阶段达到物理尺寸的极限,并且采用14 nm之后的制备工艺将大幅增加存储器制造过程的复杂性和生产成本,很难进行批量生产。另外,未来电子产品的发展要求存储器还应具有柔性化、轻薄和便携性等特征。有机场效应晶体管存储器是近年来发展迅速的一种新型存储器,具有单只晶体管驱动、可与电路集成、重量轻、可低温及大面积加工、易与柔性衬底兼容等诸多优点。更为重要的是,这种存储器拥有多阶存储特性,可在不减少存储单元物理尺寸的前提下使得存储器的单位存储容量获得大幅度提高,是实现大容量存储的有效方法。因此,具有多阶存储功能的有机场效应晶体管存储器被视为一种极具发展潜力的大容量存储器,在便携式存储、大数据库、柔性集成电路和柔性显示等方面显示出了巨大的应用前景,具有很好的科学研究和产业开发价值。目前,对于有机场效应晶体管多阶存储器的研究主要集中在通过改善栅绝缘层的存储功能上,而利用有机半导体层实现电荷存储的却鲜有报道,这就极大限制了非易失性有机场效应晶体管存储器的发展。
Untitled南京邮电大学先进材料研究院黄维教授团队的仪明东教授、解令海教授和李雯博士报道了一种以三层有机半导体异质结(Pentacene/P13/Pentacene)作为半导体层的有机场效应晶体管存储器,利用Pentacene/P13/Pentacene形成的类量子阱结构,成功实现了对电荷的存储,同时与聚合物栅绝缘层固有的电荷存储性质协同作用,使得存储性能得到显著提高。该存储器具有稳定存储耐受性(读写擦循环次数超过3000次)和超长的存储寿命(10年以上),并实现了存储态分明的4阶存储特性(即2比特信息存储)。此外,该三层有机半导体异质结结构可以与柔性衬底相兼容,进而成功制备了柔性非易失性晶体管存储器,其在弯曲半径为10 mm的条件下反复弯曲10000次后仍能保持较好的存储性能。

此项研究为高性能的非易性有机场效应晶体管多阶存储器的研制提供了新的策略,同时拓展了对晶体管存储器存储机制的阐释。这种基于叠层有机半导体异质结的非易失性晶体管存储器有望在高密度存储和柔性电子领域中得到广泛的应用。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201700007)上。

 

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