全印刷只读存储器件及其系统应用的研究

摘要

对可溶性半导体、绝缘体、以及导电功能材料的研究，催生了使用传统印刷技术制造各种电子信息器件的研究工作。对比传统硅基微电子技术，印刷电子能够有效地降低成本与生产能耗，简化制造流程，提高生产效率，并有利于选择耐热性差、普适化的衬底材料，如塑料薄膜与纤维纸张等，以制造质轻、具柔韧性，甚至可卷曲拉伸的低成本电子器件。其中全印刷只读存储器件作为印刷电子领域中用于数据存储的基本元件之一，具有工艺成本低，可折叠，掉电数据不丢失，使用过程中数据不能改写等特点，对于智能包装、物流监控以及产品防伪等应用具有十分重要的应用价值，可以对现有以硅基存储为主的应用领域形成良好的互补。
　　按照数据写入方式目前已报道的全印刷只读存储器件可以分为工艺写入只读存储器件和电写入只读存储器件两类。这两类器件拥有各自不同的器件特点与应用优势，但同时也分别受到不同问题的困扰，极大地阻碍了器件的实用化应用。首先，工艺写入只读存储器件类型中最具代表性的工作——聚合物电阻式存储器，虽然具有加工成本低，可多比特存储的优势，但是存储状态容易受到外界环境的影响，稳定性差，无法满足实际应用的需求。其次，电写入全印刷只读存储器类型中性能最稳定，工艺成本最低的熔断式只读存储器目前只能实现单比特存储并且写入电流较大，难以适应柔性及可穿戴应用的要求，大大阻碍了此类器件的实用性。分别解决工艺写入以及电写入两类只读存储器件中具有代表性的重点问题，是全印刷只读存储器实用化发展的关键挑战所在。
　　鉴于上述，本文在采用全印刷工艺前提下，以聚合物电阻式只读存储器及电写入熔断式只读存储器为研究对象，提出了若干新型全印刷只读存储器件结构、工艺及材料改进方案以解决上述实用化过程中遇到的关键性问题。同时在此基础上通过设计制作无线近场通信(Near Field Communication，NFC)电路系统及通用异步串行通信(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)电路系统结合全印刷只读存储器件实现电路级系统功能验证。本文创新的研究成果主要包括以下几部分：
　　首先，针对解决聚合物电阻式只读存储器件稳定性问题，本文在深入研究引起器件不稳定原因的基础上，提出利用中性PEDOT:PSS材料代替传统PEDOT:PSS材料制备电阻分压式只读存储器来提高稳定性的解决方案。制备的中性PEDOT:PSS电阻式存储器件能够在空气环境保存、偏压、高温、高湿等不同条件下均稳定工作。经过测试，在空气环境中器件具有一个月以上的保持时间以及20000次以上的读取次数。相比之前报道的全印刷工艺聚合物电阻式只读存储器，本文制备的存储器件在稳定性上得到极大的改进。
　　第二，针对解决熔断式只读存储器件多比特存储问题，通过机制探究及实验验证得到器件外形尺寸对熔断电压的影响关系。在此基础上提出一种并联不同长度电阻线构成器件，依靠不同熔断电压改变整体等效电阻实现多比特存储的解决方案。利用该方案首次实现了具有多比特存储性能的全印刷熔断式只读存储器件。该解决方案可以同样适用于其它基于电阻熔断原理的只读存储器件制备，对于提高熔断式印刷只读存储器件的存储容量做出了有益的探索。
　　第三，针对解决熔断式存储器件烧写电流大的问题，本文利用银纳米线材料结合线棒涂布技术，实现了一种新式低电压小电流熔断式单次写入多次读出只读存储器件。器件写入电压可以控制在3V左右，同时编程电流最低可达到1mA，比目前已报道的类似存储器件编程电流小1个数量级。此外，该存储器件还具有透明度高，难以通过外形观测方法破译的优点，对比于一般的熔断式存储器件具有较高的安全性。
　　最后，根据全印刷只读存储器件数据读取写入的需求，设计实现了基于NFC的无线数据读取系统以及基于UART的数据烧写读取系统。通过集成全印刷只读存储器件完成功能性验证，进一步证明了本文提出的全印刷只读存储器件所具有的良好实用性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究思路及内容

1.4 论文的组织结构

第二章 研究方法

2.1 工艺方法

2.2表征方法

2.3 实验材料

第三章 高稳定导电聚合物电阻式只读存储器

3.1 引言

3.2 原理分析

3.3 结构设计与制备工艺

3.4 存储器件性能表征与结果讨论

3.5 本章小结

第四章 基于喷墨打印银的熔断式多比特只读存储器

4.1 引言

4.2 原理分析

4.3 结构设计与制备工艺

4.4 存储器件性能表征与结果讨论

4.5 本章小结

第五章 基于银纳米线的超低写入电流熔断式只读存储器

5.1 引言

5.2 银纳米线简介

5.3结构设计与制备工艺

5.4存储器件性能表征及结果讨论

5.5 本章小结

第六章 印刷只读存储器件系统应用验证

6.1 引言

6.2 电路设计基础知识

6.3存储器件结合无线读取系统的应用实现及结果讨论

6.4存储器件结合数据编程读取系统应用实现及结果讨论

6.5 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 论文创新点

7.2 未来研究展望

参考文献

专业术语中英文对照表

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文