一种低功耗有机场效应晶体管存储器阵列及其制备方法和应用

本发明属于半导体存储器阵列的，涉及一种低功耗有机场效应晶体管存储器阵列及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着社会发展的信息化程度加深，大量数据源源不断的产生，对先进存储技术提出了更高要求。在信息存储中，目前既希望存储器能够集成为存储阵列实现大规模信息的存储，并使存储的信息可以随时读取；也希望存储阵列可以对存储的信息进行高效的计算处理，实现存储与计算并行。为了解决规模化信息存储与计算带来的高能耗和高成本问题，发展先进的低功耗存储器及其阵列尤为重要。

2、有机场效应晶体管(organic field-effecttransistor，ofet)凭借柔韧轻薄和有机半导体及介电材料易于调控的特性，可实现信息的有效写入读取、数据存储以及存内计算等功能，成为新兴存储技术的有效载体，在新一代存储器件领域具有重要潜力。将有机场效应晶体管用于集成为存储阵列，不仅能保证其可调谐的存储特性，还能实现阵列级的规模化信息存储。因此，这种集成结构使存储阵列有望突破当前计算机体系采用的冯诺依曼结构，大幅减少数据信息在处理器和存储器之间传递所需的大量时间，从而显著提升数据处理速度。同时，有机场效应晶体管也是一种优良的传感器载体，具有丰富的传感机制和独特的信号放大特性。基于有机场效应晶体管的各类传感器已广泛应用于智能穿戴、电子皮肤、生物医学检测、环境保护等领域，而且有机场效应晶体管存储器在实际应用时凭借自身的传感与存储能力可进一步提升应用价值，能够将检测信息直接存储于阵列中，实现长时间的存储并用于后续的信息计算和处理，从而提升有机场效应晶体管存储器阵列的存续效率与运行速度。

3、利用有机场效应晶体管存储器阵列对光电信号的响应，可将输入信号转换为电信号，实现电脉冲成像，并能够直接对成像图进行处理计算，增强数据处理速度和功能，为提升计算机运行速度提供了一条有效途径。因此，设计和发展集成式低功耗有机场效应晶体管存储器阵列具有广泛需求和重要的实际意义，将在脉冲成像、图像处理、智能传感芯片和神经形态计算等领域中展现巨大的潜力和应用价值。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种低功耗有机场效应晶体管存储器阵列；本发明的目的之二在于提供一种低功耗有机场效应晶体管存储器阵列的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种低功耗有机场效应晶体管存储器阵列在脉冲成像、图像处理、人工突触或神经形态计算技术方面中的应用。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1.根据本发明的一个方面，提供了一种低功耗有机场效应晶体管存储器阵列，所述存储器阵列是通过集成基于离子迁移效应实现存储功能的有机场效应晶体管存储器所形成的存储器阵列；

4、所述存储器阵列为顶栅底接触结构，从下到上依次包括基底1、源/漏电极对、有机半导体层4、介电钝化层5、掺杂型聚电解质介电层6和栅极7；

5、所述源/漏电极对位于基底1的表面和有机半导体层4之间，所述源/漏电极对由源极2和漏极3并排构成，所述源极2和漏极3之间形成微纳尺度间距的沟道；

6、所述源/漏电极对以及所述栅极7的数量均为4个及以上，所述栅极7区域覆盖相应源/漏电极对的沟道区域。

7、优选的，所述基底1的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚乙烯醇、玻璃、硅片(即二氧化硅/硅)或蓝宝石中的任意一种或几种。

8、进一步优选的，所述基底1的材料为聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷中的任意一种。

9、优选的，所述源极2、漏极3或栅极7的材料为金、银、铝、铜、铬、铂、钛、镍、氧化铟锡、氟掺杂氧化锡、锌铝氧化物、碳纳米管、石墨烯或导电聚合物中的任意一种或几种；

10、所述导电聚合物的主链上具有共轭主电子体系且以通过掺杂达到导电态的高分子材料，所述导电聚合物包括聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)或聚乙炔中的任意一种。

11、进一步优选的，所述源极2、漏极3或栅极7的材料为金、银、铝或铜中的任意一种。

12、优选的，所述有机半导体层4的材料为有机小分子半导体材料或共轭高分子半导体材料；

13、所述有机小分子半导体材料包括并五苯或其衍生物、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷或其衍生物、酞菁铜中的任意一种或几种；

14、所述共轭高分子半导体材料包括聚3-己基噻吩或其衍生物、引达省并二噻吩-苯并噻二唑共聚物、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷掺杂的引达省并二噻吩-苯并噻二唑共聚物、聚{4,8-双[(2-乙基己基)氧]苯并[1,2-b:4,5-b’]二硫苯-2,6-二基}{3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基}或其衍生物、并三噻吩和苝酰亚胺单元的共聚物中的任意一种或几种。

15、进一步优选的，所述有机半导体层4的材料为共轭高分子半导体材料，选自聚3-己基噻吩及其衍生物、引达省并二噻吩-苯并噻二唑共聚物、7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷掺杂的引达省并二噻吩-苯并噻二唑共聚物中的任意一种或几种。

16、优选的，所述介电钝化层5的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯或其衍生物、聚苯乙烯或其衍生物、非晶氟树脂或其衍生物、氧化铝、二氧化铪或二氧化锆中的任意一种或几种。

17、进一步优选的，所述介电钝化层5的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯或其衍生物、聚苯乙烯或其衍生物、非晶氟树脂或其衍生物中的任意一种或几种。

18、优选的，所述掺杂型聚电解质介电层6为可溶性锌盐掺杂聚电解质的介电薄膜材料；

19、所述可溶性锌盐掺杂聚电解质的介电薄膜材料中聚电解质的材料为聚丙烯酸或其衍生物、聚丙烯酰胺或其衍生物、由聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯复合形成的聚电解质复合介电材料、由聚丙烯酸和聚乙二醇复合形成的聚电解质复合介电材料、由聚丙烯酸和聚乙烯醇复合形成的聚电解质复合介电材料中的至少一种；

20、所述可溶性锌盐为氯化锌、溴化锌、碘化锌、乙酸锌、硫酸锌、硝酸锌、氟硅酸锌、氟硼酸锌或葡萄糖酸锌中的任意一种或几种。

21、进一步优选的，可溶性锌盐掺杂聚电解质的介电薄膜材料中所述聚电解质的材料为聚丙烯酸及其衍生物、聚丙烯酰胺及其衍生物、聚丙烯酸和聚乙二醇复合形成的聚电解质复合介电材料中的至少一种；

22、所述可溶性锌盐为氯化锌、溴化锌、碘化锌中的任意一种或几种。

23、更进一步优选的，所述可溶性锌盐掺杂聚电解质的介电薄膜材料按照如下方法制备：

24、首先，将聚电解质材料溶解于溶剂中得到聚电解质前驱液；然后，加入可溶性锌盐并充分溶解均匀，即得到可溶性锌盐掺杂聚电解质的介电材料溶液；最后，通过溶液加工方法将该溶液加工成膜并经过退火处理后制备形成可溶性锌盐掺杂聚电解质的介电薄膜材料；

25、所述可溶性锌盐的掺杂含量占整体聚电解质材料及锌盐材料总质量的0.5～10wt.％。

26、2.根据本发明的另一个方面，提供了上述低功耗有机场效应晶体管存储器阵列的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

27、(1)在基底表面通过真空热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积、喷墨打印或滴涂中的任意一种方法制备形成大于等于4对由源极和漏极并排构成的源/漏电极对，所述源极和漏极之间形成微纳尺度间距的沟道；

28、(2)在所述源极、漏极和基底表面上，通过旋涂、刮涂或喷墨打印中的任意一种方法制备形成有机半导体层；

29、(3)在所述有机半导体层的表面上，通过原子层沉积、真空热蒸镀、磁控溅射、旋涂、刮涂或喷墨打印中的任意一种方法制备形成介电钝化层；

30、(4)在所述介电钝化层的表面上，通过溶液加工方法将可溶性锌盐掺杂聚电解质的介电材料的溶液加工成膜，经过退火处理后制备形成掺杂型聚电解质介电层；

31、(5)在所述掺杂型聚电解质介电层的表面上，结合掩模板并通过磁控溅射、真空热蒸镀、原子层沉积、喷墨打印或滴涂中的任意一种方法制备形成栅极，其中所述栅极的数量与源/漏电极对的对数相同，从而得到低功耗有机场效应晶体管存储器阵列。

32、优选的，步骤(4)中，所述溶液加工方法为旋涂、刮涂或喷墨打印中的任意一种；

33、步骤(4)中，所述旋涂加工方法中采用的溶液中所述聚电解质材料的浓度为5～50mg/ml，所述旋涂的转速为200～4000rpm、旋涂的时间为30～120s；

34、步骤(4)中，所述退火处理的温度为50～200℃，所述退火的时间不少于60min。

35、进一步优选的，步骤(4)中，所述旋涂加工方法中采用的溶液中所述聚电解质材料的浓度为10～40mg/ml，所述退火处理的温度为60～180℃。

36、更进一步优选的，步骤(4)中，所述旋涂加工方法中采用的溶液中所述聚电解质材料的浓度为15～35mg/ml，所述退火处理的温度为70～150℃。

37、3.根据本发明的又一个方面，提供了上述低功耗有机场效应晶体管存储器阵列在脉冲成像、图像处理、人工突触或神经形态计算技术方面中的应用。

38、本发明的有益效果在于，本发明公开的一种低功耗有机场效应晶体管存储器阵列，具有以下诸多优点：

39、(1)本发明的有机场效应晶体管存储器阵列，基于锌盐掺杂聚电解质介电层这一新颖介电材料体系的离子迁移增强效应实现存储功能，并且可通过电压大小调控离子迁移的记忆存储特性，从而成功开发了低电压、多级存储特性的柔性有机场效应晶体管存储器阵列。该类新型有机场效应晶体管存储器阵列突破了传统上基于浮栅器件结构实现存储特性的策略，为高性能的低功耗晶体管存储器阵列提供了新选择和有益思路。

40、(2)本发明的有机场效应晶体管存储器阵列可以充分利用器件阵列中单个存储器单元的三端结构优势，通过对栅极施加不同电压，实现了对不同幅值的电脉冲写入，并且能够在实现反向编程栅极脉冲电压擦除，并能够实现电脉冲的快速写入满足信息学习与记忆功能型存储器的应用需求，在机器视觉、深度学习等方面有着巨大潜力。

41、(3)本发明的有机场效应晶体管存储器阵列还具有结构简单、性能优良、能耗低等优势，并可有效集成为高密度的多像素点存储阵列用于电脉冲成像、图像处理等应用。该类有机场效应晶体管存储器阵列的存储计算应用在完成成像的同时，可同时输出对成像图的平滑处理结果，可以高效准确的完成存储、成像和计算。相较于传统技术，本发明的低功耗有机场效应晶体管存储器阵列不仅制造过程简易，并且具有工艺简便、制备成本低、可有效推广等特点，还可以集成本征柔韧的有机半导体和介电材料以及柔性基底构筑大面积柔性存储阵列和集成器件，为将来新型存储技术和神经形态计算技术的应用发展提供新启发。

42、(4)本发明的有机场效应晶体管存储器阵列，还可以作为重要载体与各类柔性感知材料、器件和芯片进行融合与集成，大幅提升数据处理速度和结合传感、存储和计算三种功能，从而为发展新型感-存-算功能一体化集成电子设备和智能终端的研制及其应用提供重要基础。

43、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。