CN101582447B - 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；其中，该半导体层包括至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜，每一碳纳米管薄膜包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿不同同方向排列。

Description

薄膜晶体管
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基板，以及设置在基板上的栅极、绝缘层、半导体层、源极和漏极。其中，栅极通过绝缘层与半导体层间隔设置，源极和漏极间隔设置并与半导体层电连接。薄膜晶体管中的栅极、源极、漏极均为导电材料构成，该导电材料一般为金属或合金。当在栅极上施加电压时，与栅极通过绝缘层间隔设置的半导体层中会积累载流子，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。当该薄膜晶体管应用于半导体电子器件时，栅极连接控制电路，漏极连接相应的被控制元件，如液晶显示器中的像素电极，通过薄膜晶体管可以控制该元件的工作。
现有技术中，薄膜晶体管中形成半导体层的材料为非晶硅、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))。以非晶硅作为半导体层的非晶硅TFT的制造技术较为成熟，但非晶硅TFT中，由于半导体层中通常含有大量的悬挂键，使得载流子的迁移率很低(一般小于1cm2V-1s-1)，从而使TFT的响应速度也较慢。以多晶硅作为半导体层的TFT相对于以非晶硅作为半导体层的TFT，具有较高的载流子迁移率(一般约为10cm2V-1s-1)，因此响应速度也较快。但多晶硅TFT低温制造成本较高，方法较复杂，大面积制造困难，且多晶硅TFT的关态电流较大。相较于传统的无机TFT，采用有机半导体复合物做半导体层的有机TFT具有成本低、制造温度低的优点，且有机TFT具有较高的柔韧性。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(0.1cm2V-1s-1)，使得有机TFT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)，是制造晶体管的理想材料。现有技术中一般采用喷墨法形成无序的碳纳米管层作为半导体层，或采用直接生长碳纳米管阵列法形成半导体层。
现有技术中采用直接生长碳纳米管阵列作为半导体层的薄膜晶体管，具有以下缺点：第一，在半导体层中碳纳米管的排列方向垂直于基底，碳纳米管的排列方向不是沿源极到漏极的方向，从而无法有效应用碳纳米管轴向导电的优势；第二，采用直接生长碳纳米管阵列作为半导体层，由于碳纳米管垂直生长于基底表面，碳纳米管阵列中的碳纳米管管壁之间靠结合不够紧密，这种半导体层的柔韧性较差，不利于制造柔性薄膜晶体管。
现有技术中采用喷墨形成的无序碳纳米管层的半导体层的薄膜晶体管，其半导体层中碳纳米管随机分布，仅有少量碳纳米管沿源极到漏极排列，半导体层中碳纳米管沿源极到漏极的有效路径较长，载流子迁移率较低；另外，所述无序的碳纳米管层中碳纳米管之间通过粘结剂相互结合，因此，该碳纳米管层为一较为松散结构，柔韧性较差，不利于制造柔性薄膜晶体管。
总之，现有技术中采用碳纳米管作为半导体层的薄膜晶体管，由于其半导体层中的碳纳米管排列方向限制了由源极到漏极方向的载流子迁移率，无法充分发挥碳纳米管载流子迁移率高的优势，使得现有技术中采用碳纳米管作为半导体层的薄膜晶体管响应速度低；另外，现有技术中采用碳纳米管作为半导体层的薄膜晶体管，由于其半导体层中的碳纳米管之间的结合性不好导致该半导体层柔韧性差，不利于制造柔性薄膜晶体管。
综上所述，确有必要提供一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管即具有较高的载流子迁移率，较高的响应速度，又具有较好的柔韧性。
发明内容
一种薄膜晶体管，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，该栅极通过一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置；其中，该半导体层包括至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜，每一碳纳米管薄膜包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿不同同方向排列。
本技术方案实施例提供的采用至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜作为半导体层的薄膜晶体管及半导体器件具有以下优点：其一，由于碳纳米管具有优异的半导体性，则由首尾相连定向排列的碳纳米管组成的碳纳米管薄膜中的碳纳米管具有共同的排列取向，可以发挥碳纳米管轴向导电的优势，使薄膜晶体管具有较大的载流子迁移率，进而具有较快的响应速度。其二，由至少两个重叠定向排列的碳纳米管组成的碳纳米管层中，相邻的两个碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿不同同方向排列，由于碳纳米管具有优异的力学性能，故采用该交叉的碳纳米管薄膜构成的碳纳米管层作为半导体层，可以提高薄膜晶体管的柔性。
附图说明
图1是本技术方案第一实施例TFT的剖视结构示意图。
图2是本技术方案第一实施例TFT中碳纳米管薄膜的扫描电镜照片。
图3是本技术方案第一实施例TFT中两层碳纳米管薄膜的扫描电镜照片。
图4是本技术方案第一实施例工作时的薄膜晶体管的结构示意图。
图5是本技术方案第二实施例TFT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设置于所述绝缘层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，所述栅极可以对应沟道区域156设置于绝缘层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，只要能确保半导体层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上表面时，所述绝缘层130可仅设置于源极151及漏极152之间，只覆盖半导体层140。
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。
所述半导体层140包括至少两个重叠的碳纳米管薄膜，每一碳纳米管薄膜包括多个定向排列的半导体性的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿不同方向排列。所述半导体层140中至少一层碳纳米管薄膜中至少部分碳纳米管沿源极151至漏极152方向排列。优选的，所述至少两个碳纳米管薄膜中至少有一个碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿源极151指向漏极152的方向排列。所述相邻两个碳纳米管薄膜中的碳纳米管的排列方向具有一交叉角度α，0＜α≤90度，相邻的碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合，使得所述薄膜晶体管10具有较好得韧性。
请参阅图2，该碳纳米管薄膜为从超顺排碳纳米管阵列中直接拉取获得，该碳纳米管薄膜进一步包括多个首尾相连的碳纳米管束片段，每个碳纳米管束片段具有大致相等的长度且每个碳纳米管束片段由多个相互平行的碳纳米管束构成，碳纳米管束片段两端通过范德华力相互连接。由于碳纳米管具有轴向导电特性，该直接拉伸获得的择优取向排列的碳纳米管薄膜在碳纳米管的排列方向比无序的碳纳米管薄膜具有更高的载流子迁移率。该碳纳米管薄膜的厚度为0.5纳米～100微米。碳纳米管薄膜中的碳纳米管可以是单壁碳纳米管或双壁碳纳米管。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米；所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米。优选地，所述碳纳米管的直径小于10纳米。
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。请参阅图3，本技术方案实施例中，该半导体层140包括交叉重叠设置的二层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜中包括多个首尾相连定向排列的碳纳米管，二层碳纳米管薄膜中的碳纳米管的排列方向具有一交叉角度α为90度，每一碳纳米管薄膜的厚度为5纳米。所述半导体层140的长度为50微米，宽度为300微米，厚度为10纳米。所述沟道区域156的长度为40微米，宽度为300微米。
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，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，而半导体性的碳纳米管具有较高的载流子迁移率，且该半导体层140中包括至少一层碳纳米管薄膜中的碳纳米管首尾相连地沿源极151到漏极152的方向排列，而碳纳米管轴向导电性较径向强，故载流子由源极151经半导体层140至漏极152方向传输具有较短的传输路径，所以由所述碳纳米管组成的碳纳米管薄膜作为半导体层140，可以使所述薄膜晶体管10具有较大的载流子迁移率，进而提高薄膜晶体管10的响应速度。
由于本技术方案实施例半导体层140中的碳纳米管具有较好的半导体性，且该半导体层中至少一层碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿从源极151至漏极152的方向排列，故载流子在具有较好轴向传输性能的碳纳米管中具有较高的迁移率，故由所述碳纳米管组成的碳纳米管薄膜作为半导体层140，可以使所述薄膜晶体管10具有较大的载流子迁移率，进而提高薄膜晶体管10的响应速度。本技术方案实施例中，所述薄膜晶体管10的载流子迁移率高于10cm2/VS，开关电流比为100～100万。优选地，所述薄膜晶体管10的载流子迁移率为10～1500cm2/VS。
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至少两个重叠设置的碳纳米管薄膜作为半导体层的薄膜晶体管具有以下优点：其一，采用至少两层交叉重叠的碳纳米管薄膜作为半导体层，每个碳纳米管薄膜中的碳纳米管首尾相连定向排列，且该半导体层中至少有一层碳纳米管薄膜中碳纳米管首尾相连沿薄膜晶体管的源极到漏极的方向排列，载流子沿碳纳米管轴向运动，从源极向漏极运动具有较短的路径，因此可以使薄膜晶体管具有较大的载流子迁移率和较快响应速度。其二，由至少两个重叠定向排列的碳纳米管组成的碳纳米管层中，至少两个碳纳米管薄膜交叉设置，由于每一碳纳米管薄膜中碳纳米管首尾相连定向排列，故采用该交叉设置的碳纳米管薄膜构成的半导体层具有更好的柔韧性，可以应用于制造柔性较高的薄膜晶体管。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，该薄膜晶体管以及使用该薄膜晶体管的半导体器件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 (20)

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；
其特征在于，该半导体层包括至少两个重叠交叉设置的碳纳米管薄膜，每一碳纳米管薄膜包括多个定向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿不同方向排列。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管为半导体性的碳纳米管。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管为单壁或双壁碳纳米管，且该碳纳米管的直径小于10纳米。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管薄膜进一步包括多个首尾相连的碳纳米管束片段，每个碳纳米管束片段具有大致相等的长度且每个碳纳米管束片段由多个相互平行的碳纳米管束构成，碳纳米管束片段两端通过范德华力相互连接。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述相邻两个碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合。
6.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管薄膜包括多个首尾相连定向排列的碳纳米管。
7.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层中至少有一个碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿源极到漏极的方向排列。
8.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的厚度为0.5纳米～100微米。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.如权利要求11或12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。
14.如权利要求11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。
15.如权利要求12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。
16.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。
17.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。
18.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、导电聚合物或导电碳纳米管。
19.如权利要求18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铝、铜、钨、钼、金、铯、钯或它们的合金。
20.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10～1500cm2/VS，开关电流比为100～100万。
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