有机半导体和电荷俘获介质间能带匹配的高性能有机场效应晶体管

根据存储介质和存储机理的不同,基于有机场效应晶体管的存储器件主要分为三种类型。浮栅型有机场效应晶体管存储器件使用的电荷存储介质包含金属/小分子纳米晶、二维材料等,介电体型有机场效应晶体管存储器件使用的电荷存储介质包含PS、PVN等有机聚合物,这两种存储器件往往需要很高的操作电压。铁电型有机场效应晶体管存储器件使用的电荷存储介质为PVDF及其衍生铁电介质材料。该类存储器件利用电场改变铁电材料的极化来进行存储,可有效降低操作电压,但开关电流比较低。基于以上现状,研究工作电压低、存储窗口大、开关电流比高、保持性能好的有机场效应晶体管存储器件显得尤为重要。以往对Si-基电荷俘获型存储器件的研究表明,p-Si沟道与电荷俘获介质导带底间的势能差值越小,电荷俘获型存储器件的存储窗口越大,编程/擦除速度越快,保持特性也越好,因此理论上来说,当电荷俘获介质的能带与有机半导体分子轨道相匹配时,有机场效应晶体管存储器件的存储特性也应得到相应提高。

南京大学殷江研究团队设计了并制作了基于ZnTe和并五苯的有机场效应晶体管器件。在该研究中首先以ZnTe作为电荷俘获介质制备了Si-基电荷俘获型存储器件,器件的C-V特性曲线表现出较大的存储窗口,证明了ZnTe具有良好的电荷俘获能力;接着,以高-k氧化物Al2O3作为阻挡层及隧穿层介质,以ZnTe作为电荷俘获介质制备了并五苯有机半导体场效应晶体管器件,器件转移特性曲线在较低操作电压下显示了较大的存储窗口;再通过在隧穿层Al2O3上旋涂PS缓冲层,降低了隧穿层的表面粗糙度,使得并五苯薄膜晶粒增大、致密度增加,改善了器件的整体存储性能。器件开态电流增加超过一个数量级,开关电流比达到1╳106。当工作电压VGS=±15 V时,器件存储窗口达到10 V左右。在经过104 s的连续读取(VGS=0 V)过程后,器件仍能保持6×105的开关电流比,保持特性优异。ZnTe的导带底和价带顶分别与并五苯的LUMO和HOMO较为匹配,使得在热力学平衡态时ZnTe和并五苯之间形成的势垒较小,有利于电子和空穴的注入。此外,利用磁控溅射工艺制备的ZnTe薄膜中存在的Te空位也有利于电荷的俘获和存储。

研究人员相信,此项研究将会为基于有机场效应晶体管的存储器件研究提供新的思路。相关文章在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201800865)上。