CN101582444A - 薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜晶体管,其包括:一源极;一漏极,该漏极与源极间隔设置的;一半导体层,该半导体层与该源极和漏极电连接;以及一栅极,该栅极通过一绝缘层与该半导体层、源极及漏极及绝缘设置;所述半导体层包括一碳纳米管层,该碳纳米管层包括多个碳纳米管,其中,该碳纳米管为半导体性的碳纳米管。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管,尤其涉及一种基于碳纳米管的薄膜晶体管。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)是现代微电子技术中的一种关键性电子元件,目前已经被广泛的应用于平板显示器等领域。薄膜晶体管主要包括栅极、绝缘层、半导体层、源极和漏极。其中,源极和漏极间隔设置并与半导体层电连接,栅极通过绝缘层与半导体层及源极和漏极间隔绝缘设置。所述半导体层位于所述源极和漏极之间的区域形成一沟道区域。薄膜晶体管中的栅极、源极、漏极均由导电材料构成,该导电材料一般为金属或合金。当在栅极上施加一电压时,与栅极通过绝缘层间隔设置的半导体层中的沟道区域会积累载流子,当载流子积累到一定程度,与半导体层电连接的源极漏极之间将导通,从而有电流从源极流向漏极。在实际应用中,对薄膜晶体管的要求是希望得到较大的开关电流比。影响上述开关电流比的因素除薄膜晶体管的制备工艺外,薄膜晶体管半导体层中半导体材料的载流子迁移率为影响开关电流比的最重要的影响因素之一。
现有技术中,薄膜晶体管中形成半导体层的材料有非晶硅、多晶硅或有机半导体聚合物等(R.E.I.Schropp,B.Stannowski,J.K.Rath,New challengesin thin film transistor research,Journal of Non-Crystalline Solids,299-302,1304-1310(2002))。其中,以非晶硅作为半导体层的非晶硅薄膜晶体管的制造技术较为成熟,制造工艺简单且价格低廉,易于实现大面积应用,但由于非晶硅薄膜半导体层中通常含有大量的悬挂键,使得载流子迁移率μ很低(一般小于1cm2V-1s-1),从而使薄膜晶体管的响应速度也较慢。而以多晶硅作为半导体层的薄膜晶体管相对于以非晶硅作为半导体层的薄膜晶体管,具有较高的载流子迁移率μ(一般大于30cm2V-1s-1),因此响应速度也较快。但多晶硅薄膜晶体管低温制造成本较高,方法较复杂,大面积制造困难,且由于多晶硅薄膜晶粒界间的影响,多晶硅薄膜晶体管的Ioff较大,电路保持信号的时间短。相较于传统的无机薄膜晶体管,采用有机半导体做半导体层的有机薄膜晶体管具有成本低、制造温度低的优点。但由于有机半导体在常温下多为跳跃式传导,表现出较高的电阻率、较低的载流子迁移率μ,使得有机薄膜晶体管的开态电流较小,器件的响应速度较慢。
碳纳米管具有优异的力学及电学性能。并且,随着碳纳米管螺旋方式的变化,碳纳米管可呈现出金属性或半导体性。半导体性的碳纳米管具有较高的载流子迁移率(一般可达1000~1500cm2V-1s-1)。现有技术中薄膜晶体管的碳纳米管层中,碳纳米管为无序排列或垂直于基底排列,形成一无序碳纳米管层或一碳纳米管阵列。然而,在上述无序碳纳米管层中,由于碳纳米管包括金属性的碳纳米管,使得使用所述碳纳米管层的薄膜晶体管的关态电流较大,造成该薄膜晶体管的开关电流比较小。
综上所述,确有必要提供一种包括碳纳米管层的薄膜晶体管,该薄膜晶体管具有较高的载流子迁移率,以及较低的关态电流和较大的开关电流比。
发明内容
一薄膜晶体管,其包括:一源极;一漏极,该漏极与该源极间隔设置;一半导体层,该半导体层与该源极和漏极电连接;以及一栅极,该栅极通过绝缘层与该半导体层及源极、漏极绝缘设置;所述半导体层包括一碳纳米管层,该碳纳米管层包括多个碳纳米管,其中,该碳纳米管为半导体性的碳纳米管。
本技术方案实施例提供的采用一个碳纳米管层作为半导体层的薄膜晶体管具有以下优点:由于该碳纳米管层中仅包括半导体性的碳纳米管,作为半导体层的半导体性碳纳米管有较高的载流子迁移率10~1500cm2V-1s-1,还具有较大的开关电流比100~100万,从而该薄膜晶体管具有较快的响应速度,从而使得使用该薄膜晶体管的半导体器件具有较快的响应速度。
附图说明
图1是本技术方案第一实施例薄膜晶体管的剖视结构示意图。
图2是本技术方案第一实施例中碳纳米管层的阵列结构示意图。
图3是本技术方案第一实施例中无序碳纳米管层的扫描电镜照片。
图4是本技术方案第一实施例薄膜晶体管工作时的示意图。
图5是本技术方案第二实施例薄膜晶体管的剖视结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本技术方案实施例提供的薄膜晶体管。
请参阅图1,本技术方案第一实施例提供一种薄膜晶体管10,该薄膜晶体管10为顶栅型,其包括一栅极120、一绝缘层130、一半导体层140、一源极151及一漏极152,并且,该薄膜晶体管10形成于一绝缘基板110表面。
所述半导体层140设置于该绝缘基板110表面;所述源极151及漏极152间隔设置于所述半导体层140表面并与该半导体层140电连接,且位于该源极151及漏极152之间的半导体层形成一沟道区域156;所述绝缘层130设置于该半导体层140表面;所述栅极120设置于绝缘层130表面,并通过该绝缘层130与源极151、漏极152及半导体层140电绝缘,所述绝缘层130设置于栅极120与半导体层140之间。优选地,该栅极120可以对应沟道区域156设置于所述绝缘层130表面。
可以理解,所述源极151及漏极152可以间隔设置于该半导体层140的上表面位于绝缘层130与半导体层140之间,此时,源极151、漏极152与栅极120设置于半导体层140的同一面,形成一共面型薄膜晶体管。或者,所述源极151及漏极152可以间隔设置于该半导体层140的下表面,位于绝缘基板110与半导体层140之间,此时,源极151、漏极152与栅极120设置于半导体层140的不同面,半导体层140设置于源极151、漏极152与栅极120之间,形成一交错型薄膜晶体管。
可以理解,根据具体的形成工艺不同,所述绝缘层130不必完全覆盖所述源极151、漏极152及半导体层140,只要能保证半导体层140与相对设置的栅极120与半导体层140、源极151、漏极152绝缘即可。如,当所述源极151及漏极152设置于半导体层140上时,所述绝缘层130设置于源极151及漏极152之间,只覆盖于半导体层140之上。
所述绝缘基板110起支撑作用,该绝缘基板110材料不限,可选择为玻璃、石英、陶瓷、金刚石等硬性材料或塑料、树脂等柔性材料。本实施例中,所述绝缘基板110的材料为玻璃。所述绝缘基板110用于对薄膜晶体管10提供支撑,且多个薄膜晶体管10可按照预定规律或图形集成于同一绝缘基板110上,形成TFT面板,或其它TFT半导体器件。
该半导体层140中包括一个碳纳米管层,该碳纳米管层中碳纳米管为无序排列或有序排列。所述半导体层140的长度为1微米~100微米,宽度为1微米~1毫米,厚度为0.5纳米~100微米。所述沟道156的长度为1微米~100微米,宽度为1微米~1毫米。
请参见图2,当该碳纳米管层中碳纳米管为有序排列时,该碳纳米管层为垂直绝缘基板110定向排列的多个碳纳米管组成的超顺排碳纳米管阵列。该碳纳米管层中仅包含半导体性的碳纳米管。该碳纳米管层的厚度为0.5纳米~100微米,其中碳纳米管的直径小于5纳米。优选地,该碳纳米管的直径小于2纳米。
请参见图3,当该碳纳米管层中碳纳米管为无序排列时,该碳纳米管层包括多个相互缠绕且各向同性的半导体性的碳纳米管,所述多个碳纳米管通过范德华力相互吸引、缠绕,形成网络状结构。由于碳纳米管相互缠绕,因此所述碳纳米管层具有很好的韧性,可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。该网络状结构包括成大量的微孔结构,该微孔孔径小于50微米。由于该碳纳米管层中包括大量的微孔结构,因此,该碳纳米管层的透光性较好。该碳纳米管层的厚度为0.5纳米~100微米,该碳纳米管为半导体性的碳纳米管,该碳纳米管层中的碳纳米管的直径小于5纳米,该谈纳米管层中的碳纳米管的长度为10纳米~1毫米。优选地,该碳纳米管的直径小于2纳米,长度为2微米~1毫米。
本实施例中,该碳纳米管层中的碳纳米管为单壁碳纳米管时,该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~5纳米。当该碳纳米管层中的碳纳米管为双壁碳纳米管时,该碳纳米管的直径为1.0纳米~5纳米。本技术方案实施例中,该碳纳米管层的厚度为50纳米,该碳纳米管层中碳纳米管的直径为2纳米。所述碳纳米管层的长度为1微米~100微米,宽度为1微米~1毫米,厚度为0.5纳米~100微米。所述沟道156的长度为1微米~100微米,宽度为1微米~1毫米。
本实施例中,源极151、漏极152及栅极120为一导电薄膜。该导电薄膜的材料可以为金属、合金、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属或合金材料可以为铝、铜、钨、钼、金、铯、钯或其任意组合的合金。优选地,该栅极120的面积与所述沟道区域156的面积相当,使用时有利于沟道区域156积累载流子,栅极120的厚度为0.5纳米~100微米。本实施例中,所述栅极120的材料为金属铝,厚度为5纳米;所述源极151、漏极152的材料为金属铯,所述金属铯与碳纳米管具有较好的润湿效果,厚度为5纳米。
所述绝缘层130材料为氮化硅、氧化硅等硬性材料或苯并环丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸树脂等柔性材料。该绝缘层130的厚度为0.5纳米~100微米。本实施例中,所述绝缘层130的材料为氮化硅,其厚度为200纳米。
请参见图4,本技术方案第一实施例的薄膜晶体管10在使用时,在栅极120上施加一电压Vg,将源极151接地,并在漏极152上施加一电压Vds,栅极电压Vg在半导体层140的沟道区域156中产生电场,并在沟道区域156表面处产生载流子。随着栅极电压Vg的增加,沟道区域156转变为载流子积累层,当Vg达到源极151和漏极152之间的开启电压时,源极151与漏极152之间的沟道区域156导通,从而会在源极151和漏极152之间产生电流,电流由源极151通过沟道区域156流向154,从而使得该薄膜晶体管10处于开启状态。由于所述半导体层140中仅包括半导体性的碳纳米管,该半导体性的碳纳米管层具有较高的载流子迁移率10~1500cm2V-1s-1;且该半导体层140中的碳纳米管的直径较小,从而该碳纳米管具有较大的禁带宽度Eg,使得该薄膜晶体管10具有较小的关态电流,从而该薄膜晶体管具有较大的开关电流比100~100万。
请参阅图5,本技术方案第二实施例采用于第一实施例相似的方法提供一种薄膜晶体管20,该薄膜晶体管20为底栅型,其包括一栅极220、绝缘层230一半导体层240、一源极251及一漏极252,并且,该薄膜晶体管20设置于一绝缘基板210表面。本技术方案第二实施例薄膜晶体管20的结构与薄膜晶体管10基本相同,其区别在于第二实施例薄膜晶体管20为底栅型。
所述栅极220设置于该绝缘基板210表面,所述绝缘层230设置于栅极220表面,所述半导体层240设置于该绝缘层230表面,所述绝缘层230设置于栅极220与半导体层240之间;所述源极251、漏极252间隔设置于该半导体层240表面,并通过该半导体层240电连接;所述半导体层240位于所述源极251和漏极252之间的区域形成一沟道256。优选地,该栅极220可以与源极251、漏极252之间的沟道区域256对应设置于绝缘基板210表面,且该栅极220通过该绝缘层230与源极251、漏极252及半导体层240电绝缘。本技术方案第二实施例提供的薄膜晶体管20中,栅极220、源极251、漏极252及绝缘层230的材料与第一实施例中薄膜晶体管10的栅极120、源极151、漏极152及绝缘层130的材料相同。第二实施例提供的薄膜晶体管20中,沟道区域256、半导体层240的形状、面积与第一实施例中薄膜晶体管10的沟道区域156、半导体层240的形状、面积相同。
所述源极251及漏极252可以设置于该半导体层240上表面,此时,源极251、漏极252与栅极220设置于半导体层240的不同面,半导体层240设置于源极251、漏极252与栅极220之间,形成一逆交错结构的薄膜晶体管。或者,所述源极251及漏极252也可以设置于该半导体层240下表面与绝缘层130之间,此时,源极251、漏极252与栅极220设置于半导体层140的同一面,形成一逆共面结构的薄膜晶体管。
本技术方案实施例提供的采用一碳纳米管层作为半导体层的薄膜晶体管具有以下优点:其一,由于碳纳米管具有优异的半导体性,且该碳纳米管层仅包括半导体性的碳纳米管,因此,采用碳纳米管层作为半导体层,可以使薄膜晶体管具有较大的载流子迁移率10~1500cm2V-1s-1,以及较快响应速度。其二,由于该半导体层中的碳纳米管的直径较小,在5纳米以下,该半导体层的禁带宽度Eg较小,从而该薄膜晶体管具有较低的关态电流,从而使该薄膜晶体管具有较大的开关电流比100~100万。其三,该半导体层包括无序的碳纳米管层,该无序碳纳米管层中包括多个相互缠绕的半导体性碳纳米管,由于该碳纳米管的直径较小,且长度较长,该半导体层有较好得韧性;且该碳纳米管层包括多个微孔,因此该碳纳米管层有具有较好得透光性,可以应用于透光性的薄膜晶体管。其三,由于碳纳米米管薄膜组成的半导体层较其它半导体材料更耐高温,因此,该薄膜晶体管可以在较高温度下工作。
另外,本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化,当然这些依据本发明精神所作的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (18)
1.一种薄膜晶体管,包括:
一源极;
一漏极,该漏极与该源极间隔设置;
一半导体层,该半导体层与该源极和漏极电连接;以及
一栅极,该栅极通过一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置;
所述半导体层包括一碳纳米管层,该碳纳米管层包括多个碳纳米管,其特征在于,该碳纳米管为半导体性的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述碳纳米管为单壁或双壁碳纳米管,且该碳纳米管的直径小于5纳米。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述碳纳米管层为一碳纳米管阵列。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述碳纳米管层为一无序碳纳米管层,该无序碳纳米管层包括多个相互缠绕且各向同性的碳纳米管,所述多个碳纳米管通过范德华力相互吸引、缠绕,形成网络状结构。
5.如权利要求4所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述网络状结构包括大量的微孔结构,该微孔孔径小于50微米。
6.如权利要求4所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述碳纳米管的直径小于2纳米,长度为2微米~1毫米。
7.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述绝缘层设置于栅极与半导体层之间。
8.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述源极及漏极间隔设置于所述半导体层表面。
9.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述薄膜晶体管设置于一绝缘基板表面,其中,所述半导体层设置于该绝缘基板表面,所述源极及漏极间隔设置于所述半导体层表面,所述绝缘层设置于该半导体层表面,所述栅极设置于绝缘层表面,并通过该绝缘层与源极、漏极及半导体层电绝缘。
10.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述薄膜晶体管设置于一绝缘基板表面,其中,所述栅极设置于该绝缘基板表面,所述绝缘层设置于栅极表面,所述半导体层设置于该绝缘层表面,并通过绝缘层与栅极电绝缘,所述源极、漏极间隔设置于该半导体层表面,并通过该绝缘层与栅极电绝缘。
11.如权利要求9或10所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述绝缘基板的材料为玻璃、石英、陶瓷、金刚石、塑料或树脂。
12.如权利要求9或10所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述源极、漏极与栅极设置于半导体层的同一面。
13.如权利要求9或10所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述源极、漏极与栅极设置于半导体层的不同面,半导体层设置于源极、漏极与栅极之间。
14.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述薄膜晶体管的半导体层进一步包括一沟道区域,该沟道区域为所述半导体层位于所述源极和漏极之间的区域,该沟道区域及半导体层的长度为1微米~100微米,宽度为1微米~1毫米,厚度为0.5纳米~100微米。
15.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述绝缘层的材料为氮化硅、氧化硅、苯并环丁烯、聚酯或丙烯酸树脂。
16.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述栅极、源极及漏极的材料为金属、合金、导电聚合物或导电性碳纳米管。
17.如权利要求16所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述栅极、源极及漏极的材料为为铝、铜、钨、钼、金、铯、钯或它们的合金。
18.如权利要求1所述的薄膜晶体管,其特征在于,所述薄膜晶体管的载流子迁移率为10~1500cm2V-1s-1,开关电流比为100~100万。
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