基于全溶液法的柔性铁电场效应晶体管设计及相关存储器原型器件

Ferroelectric random access memory (FeRAM) based on the ferroelectric field-effect transistor (FeFET) is one of the most potential memory devices. Compared with inorganic FET, flexible organic FET and its logic circuit composed of organic materials meets the demand of practical application due to the simple fabrication and low cost. In view of these advantages, our proposal is focused on three aspects of flexible FeFET: materials choice and all-solution process, optimization of structure and interface, and design of relevant integrated circuits. We plan to fabricate flexible FeFET composed of organic semiconductor, ferroelectric polymer and conductive polymer on plastic or paper substrate by all-solution process. Instead of metal electrodes, the conductive polymer is selected as the source, drain and gate electrode materials, so that the FeFET with the ultrathin ferroelectric layer can be achieved and smoothly used under an operating voltage as low as the order of V. By analyzing the internal relationship between the performance and the structure of FeFET, we plan to discuss the effective route to achieve the high-performance flexible FeFET and subsequently design corresponding logic cells and prototype memory devices such as 1T or 1T1T.

基于铁电场效应晶体管(FeFET)的铁电随机读写存储器(FeRAM)是下一代最具潜力的存储器之一。相比于无机场效应晶体管，由有机材料构成的柔性场效应晶体管及其逻辑电路具有工艺简单、成本低廉的优点，是未来电子器件如射频识别(RFID)标签等开拓广阔市场的需要。本项目围绕柔性铁电场效应晶体管的关键功能材料选择和全溶液法制备、晶体管结构与界面优化、相关集成电路设计三个方面开展研究，利用全溶液工艺，在塑料或纸质基片上制备由有机半导体、铁电聚合物、导电聚合物组成的柔性铁电场效应晶体管。用导电聚合物代替金属作为栅极和源漏电极材料，获得拥有超薄铁电层的场效应晶体管，实现操作电压低于10伏的晶体管。通过分析器件性能与晶体管结构及界面的内在关联，构造高性能柔性铁电场效应晶体管。在此基础上，设计逻辑电路单元，开展1T或1T1T型存储器原型器件的设计研究。

相比于无机铁电场效应晶体管(FeFET)，基于全溶液工艺的有机FeFET具有柔性可弯折、工艺简单、成本低廉等突出优点，因此由有机FeFET构建的铁电随机读写存储器(FeRAM)被公认为是下一代最具潜力的存储器之一，在计算机、航空航天和军工等领域具有广阔的应用前景。三年来，本项目围绕柔性铁电场效应晶体管的全溶液法制备、关键功能材料选择和设计(主要针对铁电层、半导体层)、超薄铁电层结构设计和晶体管性能的内在关联、设计1T型逻辑电路等几个方面开展了研究。主要研究内容和重要结果如下：a) 通过控制环境湿度、基材温度、以及成膜速度，引入电活性界面层材料设计成具有“三明治”结构的铁电薄膜体系，成功获得了铁电性能优异的P(VDF-TrFE)高品质超薄膜，实现了FeFET的低工作电压；b) 通过调节脉冲处理过程提高铁电层的铁电反转速度并改善铁电性能；c) 弛豫型铁电材料的极化直接决定其铁电功能性和电卡效应。通过合理的元素替代，获得了多结构相共存的体系和很好的铁电极化和电卡性能；d) 纳米颗粒的引入可以增强由聚合物和纳米填料两相界面引起的铁电极化，针对基于PVDF基二聚物和三聚物的纳米复合膜的铁电性和电卡性开展了研究；e) 从原理和材料设计的角度出发，对FeFET中的半导体层和源漏极栅极材料设计展开研究，通过讨论体系的能量采集和构建的二极管工作原理，为材料结构设计提出合理的方案。上述研究工作对于FeFET的实际开发应用、相关功能型材料和器件设计提供了一定的指导，为一些材料和器件相关的重点难点问题提供了有效的解决方案。