胡文平&江浪Adv. Mater.：通过普通介电层克服半选择问题的有机铁电基1T1T随机存储器单元

Kevin 7年前 (2017-07-15) 3421浏览

【引言】

迄今为止，有机场效应晶体管（OFETs）已经见证了在高迁移率半导体材料和具有成本效益的制造工艺中的显著进步，这对于功能性可穿戴电子产品十分重要。特别地，人们在柔性集成电路（ICs），主动矩阵显示器，射频识别标签，智能通信设备以及传感器中产生了巨大的兴趣。基于铁电性的有机非易失性存储器代表了用于具有低成本和低温处理性、广泛兼容性、强大的数据保留能力、无损读出以及简短编程过程的柔性存储器模块中极具前景的技术。传统基于IC的存储器系统需要结合随机存取存储器（RAM）和闪存作为信息存储元件，其中阵列存储器像素的集成和制造十分复杂。晶体管型存储器比电容式存储器具有多种优点，然而，传统的晶体管型铁磁性RAM（FeRAM）会遇到被称为半选择型的问题。

【成果简介】

近日，天津大学胡文平教授、中国科学院化学研究所江浪研究员（共同通讯）等人在Advanced Materials上发表了题为“Organic Ferroelectric-Based 1T1T Random Access Memory Cell Employing a Common Dielectric Layer Overcoming the Half-Selection Problem” 的文章。该研究团队为了克服半选择问题，在选择晶体管时需要与铁电场效应晶体管组成1T1T FeRAM 单元。与使用多个电介质的复杂制造方法不同，该系统简化了使用一种普通电介质进行1T1T FeRAM单元制造的过程。文中提出了用于半导体/绝缘体接口调制的策略，并将其应用于在访问驱动器属性或寻址时高性能的非迟滞选择晶体管中。结果表明，在所得到的的选择晶体管中，DPA的空穴迁移率高达3.81cm2V-1s-1（平均），同时PDI-FCN2的电子迁移率为0.124cm2V-1s-1（平均）。本文的工作证明了该技术在有机铁电基像素化存储模块制造中的潜力。

【图文导读】

图1 P（VDF-TrFE）上的隔离层（PS）的形貌表征

（a）采用BG/TC配置具有PS隔离层的P（VDF-TrFE）基OFET结构图；

（b）P（VDF-TrFE）上的隔离层（PS）表面的SEM图；

(c）退火后P（VDF-TrFE）嵌入的β相晶粒棒状特征的SEM图;

(d）110℃下热处理1小时后，SiO2/Si衬底上P（VDF-TrFE）/PS双层的横截面SEM图。

图2 Al/P（VDF-TrFE）/PS/Au的电化学表征

（a）具有Al/P（VDF-TrFE）/PS/Au配置的电容器结构示意图及其双介电层的电容特性与测试频率间的关系；

（b）0.1 V偏压下，阻抗为x轴，测试频率为y轴，相位为z轴的交流阻抗3D图；

（c）双层电介质分别在1k Hz，10k Hz，100k Hz和1 MHz时的C-V特性；

（d）P（VDF-TrFE）/PS膜（P（VDF-TrFE）厚度为1040nm）的D-E滞后回线；

（e）施加DC扫描偏压时，该双层的转换I-V特性；

（f）不同温度下再加热过程后经过退火的P（VDF-TrFE）膜的X射线衍射（XRD）图。

图3 P（VDF-TrFE）/PS电介质的物理性能表征

（a）具有P（VDF-TrFE）/PS电介质的PDI-FCN2（n型）晶体管的输出特性曲线；

（b）具有P（VDF-TrFE）/PS电介质的DPA（p型）和PDI-FCN2（n型）的传输特性曲线：源-漏极电流作为栅极偏置顺时针扫描的函数；

（c）具有P（VDF-TrFE）/PS电介质的DPA（p型）晶体管的输出特性曲线；

（d）DPA（p型）和PDI-FCN2（n型）晶体管的载流子迁移率的平均值和误差值的统计。

图4 1T1T FeRAM的传输性能表征

（a）1T1T FeRAM单元的结构图及其矩阵电路图；

（b）在玻璃基板上制作的FeRAM单元器件照片；

（c）选择晶体管（Vds=-60V）和铁电存储晶体管（Vds=-10V）的传输特性曲线；

（d）分别由60和-60V短脉冲写入1秒的“0”状态和“1”状态的铁电存储晶体管的保持行为；

（e）FeFET器件的开/关比率的高斯分布与映射统计；

（f）施加正，负源极-漏极偏压时选择晶体管的传输特性；

（g）VSL=-60V，VSDL1=-10V，VSDL2=0V时FeRAM单元的写入操作过程；

（h）VRAM=0V，VSDL1=-10V，VSDL2=0V时FeRAM单元的擦除操作过程。

【小结】

该研究团队使用PS作为隔离层，开发了采用普通电介质的新型铁电RAM单元（1T1T FeRAM单元）。成功实现了降低铁电OFET的滞后特性的有效接口调制策略。因此，具有双层电介质的“钝化”晶体管表现较高的性能和可忽略的滞后，使其适合于选择目的并可以简化1T1T单元的制造。该工作在柔性有机电路中基于铁电的有机存储技术领域具有巨大的潜力。

文献链接： Organic Ferroelectric-Based 1T1T Random Access Memory Cell Employing a Common Dielectric Layer Overcoming the Half-Selection Problem（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701907）

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