有机浮栅存储器的特性仿真.docx

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有机浮栅存储器的特性仿真

有机浮栅存储器的特性仿真

有机浮栅存储器，在传统的有机薄膜场效应晶体管的二氧化硅层引入一层多晶硅的浮栅结构用来储存电荷。

通过控制浮置栅上的电荷来控制有机薄膜晶体管（FG一0TFT）器件的阈值电压的大小，而器件不同的阈值电压便可用来存储“0”和“1”两个状态，故这种器件可以被用作非易失性存储器。

通过Silvaco-TCAD模拟表明该存储器件表现出很好的存储特性。

通过对结构参数的调节，得到对存储窗口的优化。

第一章绪论

1.1引言

有机浮栅存储器是属于有机非易失性存储器的一种结构[1]，它是基于传统的浮栅场效应晶体管制作而成。

浮栅场效应晶体管是一种场效应晶体管，它的结构和传统的场效应晶体管不同。

最大的不同点在于，浮栅场效应晶体管有两个栅极，分别为控制栅和浮栅，其中两者之间电绝缘隔离，浮栅（floating-gate）更加靠近有源区。

简单来说如果把传统的无机非易失性存储器的有源区材料换成有机材料，就是有机浮栅存储器。

由于floating-gate（FG）被绝缘层所隔离，因此储存在里面的电荷可以保存很长时间。

F-N隧穿[2]和热电子发射是改变floating-gate中电荷数量的主要机制。

1.2非易失性存储器的简介

1.2.1非易失性存储器的诞生和发展

从第一个有机非易失性存储器研制成功到现在已经接近十年，随着对有机材料进一步研究和存储器件理论的完善，有机非易失性存储器件的性能得到提高，但迄今为止仍然不能实用化，研究人员通过从不同方向来提高有机非易失性存储器件的性能，比有源区材料、栅绝缘介质层、氧化层厚度等。

非易失性存储器是一种在断电后可以将信息不丢失的存储器件，这与DRAM和SRAM[3]的工作机制不同，它们属于易失性存储器。

非易失性存储器的种类繁多，包括ROM，PROM，EEPROM，FLASHMEMORY[4]。

其中ROM属于只读存储器，无法编程；PROM属于一次可编程器件，只能进行一次可编程；EEPROM和FLASHMEMORY结构类似，都可以进行重复擦写，区别在于两者的信息擦除方式不同。

非易失性存储器最大的应用是闪存（FLASHMEMORY）[3,4],它是采用了一种浮栅结构，可以反复擦写，我们所用的U盘大多采用闪存的存储结构。

1.2.2非易失性存储器的的性能参数

评价一个存储器好坏的参数主要有：

写入电压，存储窗口，保存时间，写入和擦除速度，可重复擦写次数，开关电流比等[5]。

其中存储窗口和和保存时间是最基本的存储性能要求。

一般来说，写入电压越小越好，一个性能优越的非易失性存储器的操作电压要小于10V，存储窗口是指的编程前和编程后阈值电压的差值，两者之间越大越大越好。

1.3有机非易失性存储器的简介

1.3.1有机非易失性存储器的产生和发展

有机非易失性存储器是非易失性存储器的一种，它与传统的无机存储器最大的区别在于有源区的不同，有机非易失性存储器的有源区的材料是有机材料。

第一个有机非易失性存储器研制成功到现在已经接近十年，随着对有机材料进一步研究和存储器件理论的完善，有机非易失性存储器件的性能得到提高，但迄今为止仍然不能实用化，研究人员通过从不同方向来提高有机非易失性存储器件的性能，比有源区材料、栅绝缘介质层、氧化层厚度等。

1.3.2有机非易失性存储器的主要结构

目前，有机非易失性存储器的主要类型有三种，分别为有机铁电型，有机电介体和浮栅型存储器[6]，三者改变阈值电压的机理不同。

有机铁电型存储器的铁电效应和有机电介体型的回滞效应，以此来改变阈值电压。

而浮栅型有机存储器是指的在栅介质层中引入一个浮栅（Floating-gate），浮栅的周围被绝缘电介质所包围，通过在浮栅上引入电荷来改变阈值电压的大小，本文主要讨论浮栅型有机存储器的制作工艺和参数优化。

1.3.3有机非易失性存储器的应用前景

近年来，学界对有机非易失性存储器的研究的热衷主要是由于相比于传统无机非易失性存储器，有机非易失性存储器具有如下优点：

1.作为有机集成电路中重要的组成成分。

2.应用于传感器阵列（sensor-array）[7]

3.应用于射频电子标签（RFID）和智能卡（smartcard）[8]

1.4主要研究内容和研究方法

本文针对有机浮栅存储器，从理论分析、器件模拟仿真、参数测试等方面进行一系列测试分析，通过对电学性能的分析，逆向调整其结构参数，得出对存储器性能最好的结构参数。

主要内容有以下几个方面：

（1）介绍有机浮栅存储器的工作原理，主要结构。

（2）使用SILVACO公司的TCAD工具ATLAS来进行器件仿真。

通过器件仿真得到的电学参数来改进结构参数。

（3）最后得出各个结构参数对存储性能的结论。

第二章有机浮栅存储器的工作原理

2.1有机场效应晶体管（OFET）的基本结构和工作原理

2.1.1有机场效应晶体管的基本结构

有机场效应晶体管的具有很多的优点：

材料来源广、可以大量生产和能够实现低成本、可与柔性衬底兼容。

应用前景十分广泛，如有机集成电路、存储器件、柔性显示屏等。

自20世纪80年代有机场效应晶体管诞生，有机场效应晶体管得到迅速发展，到目前为止，一些有机场效应晶体管已经得到实用化的程度，在载流子迁移率、开关电流比方面已经可与非晶硅相媲美。

有机场效应晶体管按照源漏极和有机半导体的相对位置有两种结构（图2-1）底接触和顶接触，按照沟道中起传输作用的载流子的种类的不同，可以分为两种：

n沟道场效应晶体管和p沟道场效应晶体管[8,9]。

图2-1两种OFET结构：

顶接触（左）底接触（右）

2.1.2有机场效应晶体管的工作原理

有机场效应晶体管的工作原理与无机场效应晶体管的工作原理类似。

下面通过对一个顶接触的p-沟的OFET进行分析，如图2-2所示:

图2-2有机场效应管的原理示意图

我们在栅极上施加一个相对于源极的负偏压时（源极是接地的），栅极表面出现负电荷，相应的在沟道表面感应出正电荷。

当增大栅极电压时，在沟道表面形成积累层并进而形成含有可动载流子-空穴-的薄层，源漏之间的电流主要是由空穴贡献，这是与无机场效应晶体管最大的不同，通过控制栅极电压来改变沟道中空穴的数量，进而控制漏极电流[10]。

由于我们使用的是有机材料作为有源区，我们在引用传统的EEPROM的模型时必须要进行修改。

在本文中，我们考虑了Pool-Frenkel效应[11]，在半导体和绝缘层接触面的电荷，接触势垒，陷阱效应，采用修正以后的漂移-扩散模型（DDM）[12]，借助TCAD求解泊松方程和连续性方程（2-1），（2-2），（2-3）[13]，来模拟有机场效应晶体管的电学特性。

其中

为静电势，

为有机材料的介电常数，G为产生率，

和

分别为捕获的电子和空穴的密度，

和

分别为电子和空穴的电流密度。

R是电子和空穴的复合率。

[14,15]，

和

是电子空穴的迁移率，在大多数有机材料中，这两个参数与材料的电场强度有关，为了能够更加精确的描述

和

，我们引入Pool–Frenkel迁移率模型[11,16]：

其中

为活化能，

是Pool–Frenkel因子，

是一个常量，

是低电场下载流子的迁移率。

有机半导体中电子和空穴的浓度可以用以下式子[17]表示：

其中，T是器件的温度，k是玻尔兹曼常量。

是未被电子占据的最低的分子轨道，

是被电子占据的最高的分子轨道，

和

分别指的是电子和空穴的费米能级。

指的是最低分子轨道的有效状态密度，

最高被电子占据的分子轨道的有效状态密度。

研究表明了接触势垒、固定电荷、陷阱效应对OTFT的电学性能影响很大。

为了获得更加准确的数值模拟结果，我们考虑了肖特基接触，量化了固定电荷的数量，也考虑陷阱的密度[17]：

其中g（E）是能量为E时的陷阱的有效状态密度，

是陷阱全部的密度，

为特征温度。

该方程符合泊松方程的理论。

2.2有机浮栅存储器的基本结构和工作原理

2.2.1有机浮栅存储器的基本结构

有机浮栅存储器按照结构划分仍可分为底接触和底接触[18]，见图3。

本文主要讨论的顶接触的有机浮栅存储器，

为特征温度

图2-3两种有机浮栅存储器结构顶接触（左）底接触（右）

其中底接触的有机浮栅存储器由于有源区暴露在外面，所以经常作为探测器使用。

顶接触的存储器性能高。

2.2.2有机浮栅存储器的基本原理

有机浮栅存储器利用浮栅上是否存有电荷来表示“0”和“1”，利用阈值电压的不同来区分“0”和“1”。

图2-4有机浮栅存储器的结构示意图

有机浮栅存储器与标准的有机场效应晶体管类似，不同的是有机浮栅存储器中有两个栅极，其中一个为控制栅极（control-gate,CG），另外一个在二氧化硅层的中的栅极为浮栅（floating-gate,FG）[1]，如图5所示，FG的位置处于N沟道和CG中间，由于FG周围被绝缘层二氧化硅包围，所以电荷一旦进入浮栅中，在无外加电场的情况下，可以长时间的储存在里面，我们把浮栅储存电荷的状态称为逻辑“0”，一旦浮栅中有了电子，就会屏蔽一部分来自控制栅极的电场，这样导致的结果是，如果要想是导电沟道形成，必须要使控制栅极上的阈值电压增大。

因此根据浮栅上有无电荷，产生两种阈值电压

和

。

我们在读取信息时，在CG上直接加入一个介于

和

的

，如果导电沟道导通则FG上没有存入电荷，此时的编程状态称为逻辑“1”，如果导电沟道不导通则FG上存入了电荷，此时的编程状态称为逻辑“0”，“0”和“1”通过漏极电流来判定[19]。

第三章有机浮栅存储器的器件仿真

3.1SILVACOTCAD简述

本文所采用的器件模拟工具是SILVACOTCAD[20]，TCAD就是TechnologyComputerAidedDesign，指的是半导体工艺模拟及器件模拟工具。

计算机仿真必须基于数值计算。

Silvaco中的数值计算主要是基于物理模型及其方程，但是实际的物理模型所构建的系统极其复杂，所用到的方程变量很多，必须要用计算机来辅助计算，我们知道计算机只能进行离散化运算，因此我们进行的工艺和器件仿真就是基于网格计算。

下面简单介绍一下SilvacoTCAD一些组件，这些组件包括了工艺仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAS，器件编辑工具DevEdit,交互式工具DeckBuild和Tonyplot，还有一些内部的模块。

1.Deckbuild

所有的TACD仿真组件均可在DeckBuild界面调用，我们可以用ATHENA生成器件结构，再由ATLAS对器件特性进行仿真，最后再调用TonyPlot2D或者Tonyplot3D作出器件图形和各种电学性能图表。

各个仿真器都是通过集成环境DeckBuild组织的，Silvaco-TCAD的仿真流程如图3-1所示。

图3-1Silvaco仿真流程

2.TonyPlot

Tonyplot可视化工具对器件结构进行显示，可显示的结构包括一维、二维、三维，可显示的器件信息包括几何尺寸、材料性质，器件仿真得到的电学特性、光学特性等。

TonyPlot还支持多种输出格式，可以导出图片，也可以导出表格信息，，方便我们进行处理。

3.ATHENA

工艺仿真组件ATHENA能够加快工艺流程和优化工艺参数，ATHENA是模块化、可扩展的。

它能够对半导体制造工艺中关键制作步骤进行模拟仿真，精确预测器件结构的几何参数，杂质分布和晶格结构。

参数优化使器件的产量、器件各种特性、器件的可靠性得到平衡，达到最优。

此外，它还通过仿真模拟取代了耗费大量人力物力财力的真实器件测试，缩短了开发周期。

4.ATLAS

ATLAS是本文主要用到的组件，它的作用非常大，可以对器件结构进行仿真，对器件所用材料进行描述，对器件的电学、光学和热学性质进行描述。

ATLAS具有非常全面的物理模型[21]，能够对器件特性进行精确预测。

以有机浮栅存储器为例，运用ATLAS可以构造该器件的二维结构，还可以仿真的所用有机材料，对有机材料的各种性质进行定义。

最后还可以分析二维模式下分析有机浮栅存储器的存储特性。

图3-2为ATLAS的开发流程图。

图3-2ATLAS建模流程图

3.2浮栅型有机存储器的器件设计

3.2.1有机浮栅存储器的材料选用

有机浮栅存储器的材料主要有，有源层材料、浮栅所用材料、栅绝缘层材料、隧穿层材料、电极材料。

下面对各种材料进行介绍。

有源层材料采用的是有机半导体材料，有机半导体材料分为n型和p型半导体材料。

常见的p型材料有并五苯，n型材料有

。

本文仿真的是底栅顶接触的有机浮栅场效应晶体管，采用的p型半导体-并五苯（pentacene）[22,23]作为有源区材料，并五苯的分子量为278.3，熔沸点很高，它的LUMO能级为-3.21eV，HUMO能级为-4.99eV，如图3-3所示。

图3-3并五苯的LUMO和HUMO分子轨道能级示意图

我们采用并五苯的原因是并五苯的载流子迁移率相对较高[22,23]，并五苯的制备工艺简单，而且ATLAS组件中已经存在并五苯的材料库，我们进行仿真时只需要修改部分参数，能够满足实验需要。

但是并五苯的稳定性不高，这是实验需要解决的问题之一。

并五苯的材料参数如表3-1所示。

表3-1并五苯的材料参数

 材料模拟参数

数值

相对介电常数

4

电子亲和势（eV）

2.8

 本征P型掺杂浓度（cm-3）

2*1017

有效空穴质量

104*m0

LUMO有效态密度（cm-3）

2*1021

NUMO有效态密度（cm-3）

2*1021

注：

m0为真空电子的质量

在本文中浮栅的材料是N型多晶硅，隧穿层的材料是

，控制层的材料是

。

采用多晶硅主要考虑的是多晶硅的晶格与Si的相近，晶格损伤小，且传统的无机闪存的浮栅制作工艺已经很成熟，采用多晶硅的浮栅结构能够与传统硅工艺兼容[19,24]。

电极材料的选用对浮栅存储器性能的影响很大，我们选用的电极材料要保证有源层与金属界面形成良好的欧姆接触，使载流子可以轻松的从源极注入到有机半导体层,达到理想的载流子注入效率。

本文采用的金属电极材料主要有Au[25]。

衬底作为栅极，通常采用重掺杂的多晶硅作为栅极。

图3-4简单介绍了器件所用材料[19]。

图3-4有机浮栅存储器所用材料示意图

3.2.2有机浮栅存储器的尺寸设计

整个器件自下而上的顺序说明每个部分的厚度，硅衬底的厚度为150nm，控制层的厚度为100nm-120nm，浮栅的厚度为20nm-40nm，隧穿层的厚度为10nm-20nm，有机半导体层的厚度为40nm，电极的厚度为30nm，导电沟道长宽比[26]不固定，其中，具体的尺寸参看下节有机浮栅存储器的特性分析及参数优化。

3.3浮栅型有机存储器的特性分析及参数优化

3.3.1隧穿层厚度对浮栅型有机存储器存储窗口的影响

本次仿真所采用的具体器件尺寸为：

沟道长度为25

，沟道宽度为8000

控制层的厚度为100nm，并五苯有源区的厚度为40nm，隧穿层的厚度分别为10nm，15nm，20nm。

分别对这三个不同隧穿层厚度的器件进行器件仿真，得出它们的存储窗口，发现随着隧穿层厚度的增加，存储窗口变小，如图3-5所示。

图3-5隧穿层厚度对存储窗口的影响

这个仿真结果与设想相符，由于隧穿层厚度的增加，使得FN隧穿变得困难，进入到浮栅中的电荷变少，导致浮栅屏蔽来自栅极电场的能力减弱，表现为编程后阈值电压绝对值的降低，而隧穿层厚度的增加对未编程器件的阈值电压影响不大，因而存储窗口变小。

3.3.2控制层厚度对浮栅型有机存储器存储窗口的影响

本次仿真所采用的具体器件尺寸为：

沟道长度为25

，沟道宽度为6000

，隧穿层厚度为15nm，控制层的厚度分别为100nm，120nm，140nm，通过对器件的模拟仿真，得出随着控制层厚度的增加，器件的存储窗口变小。

可能的原因为：

栅极对沟道的控制减弱，一方面使编程前的阈值电压增大，另一方面使浮栅上存入的电荷变少，导致编程后的阈值电压（绝对值）变小，最后的表现为阈值窗口的减小，如图3-6所示。

图3-6控制层厚度对器件的存储窗口的影响

3.3.3浮栅厚度对浮栅型有机存储器存储窗口的影响

本次仿真所采用的具体器件尺寸为：

沟道长度为25

，沟道宽度为6000

，隧穿层厚度为15nm，控制层的厚度为100nm，浮栅层的厚度分别为20nm，30nm，40nm，所采用的编程电压为-60V，得出浮栅层的厚度对存储窗口的影响不大，如图3-7所示。

图3-7浮栅层厚度对存储窗口的影响

3.3.4编程电压对浮栅型有机存储器存储窗口的影响

本次仿真所采用的具体器件尺寸为：

沟道长度为25

，沟道宽度为8000

，隧穿层厚度为15nm，控制层的厚度为100nm。

通过对器件的仿真，得出随着编程电压的增大，浮栅上存入电荷增多，屏蔽控制栅极电场的作用更加显著，表现为编程后的阈值电压增大，是的器件的存储窗口增大，如图3-8所示

3-8不同编程电压对编程后器件阈值电压的影响

第四章结论与展望

4.1结论

我们在前三章论述了浮栅型有机存储器的基本原理和器件模型，通过SilvacoTCAD的ATLAS组件仿真了器件结构和器件特性,通过对以并五苯有机材料层的浮栅型有机存储器的各种结构参数的调整，比较它们的存储性能，并得出基本结论，为制作浮栅型有机存储器提供了参考，得出以下结论：

（1）浮栅型有机存储器的隧穿层厚度与存储窗口的关系

在一定参数条件下，存储窗口随着隧穿层厚度的增加而减小。

（2）浮栅型有机存储器的控制层厚度与存储窗口的关系

在一定参数条件下，存储窗口随着控制层厚度的增加而减小。

（3）浮栅型有机存储器的浮栅厚度与存储窗口的关系

在一定参数条件下，改变浮栅厚度之后发现存储窗口未有明显改变。

（4）浮栅型有机存储器的编程电压与存储窗口的关系

在一定参数条件下编程电压越高，存储窗口越大。

4.2展望

本次仿真采用的Silvaco-TCAD的ATLAS组件进行器件仿真模拟，通过对各种参数的调整，得出规律性结论，本次实验采用的模型可以准确模拟器件的电学特性，得出的结论可以为实际制作浮栅型存储器提供参考，节省时间和资金。

另外由于并五苯的载流子迁移率较无机半导体迁移率低，导致仿真得到的阈值电压普遍较高。

在今后的科研工作中，提高迁移率是亟待解决的课题。