CN101582451A - 薄膜晶体管 - Google Patents

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CN101582451A CNA2008100672747A CN200810067274A CN101582451A CN 101582451 A CN101582451 A CN 101582451A CN A2008100672747 A CNA2008100672747 A CN A2008100672747A CN 200810067274 A CN200810067274 A CN 200810067274A CN 101582451 A CN101582451 A CN 101582451A
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范守善
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Abstract

本发明涉及一种薄膜晶体管，包括：一源极；一漏极，该漏极与该源极间隔设置；一半导体层；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，该半导体层包括多个碳纳米管，且至少部分碳纳米管的两端分别与所述源极和漏极电连接。

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薄膜晶体管的制造技术较为成熟，但在非晶硅薄膜晶体管中，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)，从而导致薄膜晶体管的响应速度较慢。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(一般约为10cm2V-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，且多晶硅薄膜晶体管的关态电流较大。相较于上述传统的无机薄膜晶体管，采用有机半导体聚合物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，且有机薄膜晶体管具有较高的柔韧性。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，使得有机薄膜晶体管的响应速度较慢。
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。现有技术中已有报道采用半导体性碳纳米管形成的碳纳米管层作为薄膜晶体管的半导体层。现有技术中的碳纳米管层中，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，碳纳米管随机分布。载流子在上述无序碳纳米管层中的传导路径较长，不利于获得具有较高载流子迁移率的薄膜晶体管。另外，上述无序碳纳米管层为通过喷墨法形成，碳纳米管层中的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。在上述碳纳米管阵列中，碳纳米管排列方向垂直于基底方向。由于碳纳米管具有较好的载流子轴向传输性能，而径向方向的传输性能较差，故垂直于基底方向排列的碳纳米管同样不利于获得具有较高载流子迁移率的薄膜晶体管。故上述两种碳纳米管的排列方式均不能有效利用碳纳米管的高载流子迁移率。因此，现有技术中采用无序碳纳米管层或碳纳米管阵列作半导体层的薄膜晶体管不利于获得具有较高载流子迁移率及较高的响应速度的薄膜晶体管，且现有技术中的薄膜晶体管的柔韧性较差。
综上所述，确有必要提供一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管具有较高的载流子迁移率，较高的响应速度，以及较好的柔韧性。
发明内容
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；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，该半导体层包括多个碳纳米管，且至少部分碳纳米管的两端分别与所述源极和漏极电连接。
本技术方案实施例提供的采用多个两端分别与所述源极和漏极电连接的碳纳米管形成的半导体层的薄膜晶体管具有以下优点：其一，由于组成半导体层的碳纳米管的两端分别与所述源极和漏极电连接，故载流子由源极经半导体层至漏极方向传输具有较短的传输路径，同时可有效利用碳纳米管的轴向传输特性，从而有利于获得具有较大的载流子迁移率的薄膜晶体管，进而有利于提高薄膜晶体管的响应速度。其二，由于碳纳米管具有优异的力学性能，则由多个择优取向排列且两端分别与所述源极和漏极电连接的碳纳米管组成的半导体层具有较好的韧性及机械强度，有利于制造柔性薄膜晶体管。
附图说明
图1是本技术方案第一实施例的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的薄膜晶体管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工作时的薄膜晶体管的结构示意图。
图4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，其包括一半导体层140、一源极151、一漏极152、一绝缘层130及一栅极120。所述薄膜晶体管10形成在一绝缘基板110表面。
上述半导体层140设置于上述绝缘基板110表面。上述源极151及漏极152间隔设置于上述半导体层140表面。上述绝缘层130设置于上述半导体层140表面。上述栅极120设置于上述绝缘层130表面，并通过该绝缘层130与该半导体层140及源极151和漏极152绝缘设置。所述半导体层140位于所述源极151和漏极152之间的区域形成一沟道156。
所述源极151及漏极152可以间隔设置于所述半导体层140的上表面位于所述绝缘层130与半导体层140之间，此时，所述源极151、漏极152与栅极120设置于所述半导体层140的同一面，形成一共面型薄膜晶体管10。或者，所述源极151及漏极152可以间隔设置于所述半导体层140的下表面位于所述绝缘基板110与半导体层140之间，此时，所述源极151、漏极152与栅极120设置于所述半导体层140的不同面，形成一交错型薄膜晶体管10。可以理解，上述源极151及漏极152的设置位置不限于所述半导体层140表面。只要保证上述源极151及漏极152间隔设置，并与上述半导体层140电接触即可。
所述绝缘基板110起支撑作用，其材料可选择为玻璃、石英、陶瓷、金刚石、硅片等硬性材料或塑料、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。所述绝缘基板110也可选用大规模集成电路中的基板，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，形成薄膜晶体管面板或其它薄膜晶体管半导体器件。
所述半导体层140包括多个半导体性碳纳米管，所述多个碳纳米管平行于所述半导体层140的表面，所述多个碳纳米管之间通过范德华力相互结合，且至少部分碳纳米管的两端分别与所述源极151和漏极152电连接。所述半导体层140可包括一碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个相互平行的碳纳米管。进一步地，所述多个碳纳米管具有大致相等的长度。优选地，所述碳纳米管均沿所述源极151至漏极152的方向紧密排列。所述碳纳米管可为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也可包括两个或两个以上相互重叠的碳纳米管薄膜。相邻两层碳纳米管薄膜中的碳纳米管之间具有一交叉角度α，α大于等于0度且小于等于90度。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。
本技术方案实施例中，所述半导体层140为一碳纳米管薄膜。请参见图2，所述碳纳米管薄膜包括多个相互平行的碳纳米管。所述多个碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。该碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿所述源极151至漏极152方向紧密排列。所述半导体层140的长度为50微米，宽度为300微米，厚度为5纳米。所述沟道156的长度为40微米，宽度为300微米。
所述源极151、漏极152及栅极120由导电材料组成。优选地，所述源极151、漏极152及栅极120均为一层导电薄膜。该导电薄膜的厚度为0.5纳米～100微米。该导电薄膜的材料可以为金属、合金、铟锡氧化物(ITO)、锑锡氧化物(ATO)、导电银胶、导电聚合物或导电性碳纳米管等。该金属或合金材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钕、钯、铯或其合金。本实施例中，所述源极151、漏极152及栅极120的材料为金属钯膜，厚度为5纳米。所述金属钯与碳纳米管具有较好的润湿效果，有利于所述源极151和漏极152与所述半导体层140之间形成良好的电接触，减少欧姆接触电阻。
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。可以理解，根据具体的形成工艺不同，上述绝缘层130不必完全覆盖上述源极151、漏极152及半导体层140，只要能保证半导体层140、源极151和漏极152与相对设置的栅极120绝缘即可。
请参见图3，使用时，所述源极151接地，在所述漏极152上施加一电压Vds，在所述栅极120上施一电压Vg，栅极120电压Vg在半导体层140中的沟道156中产生电场，并在沟道156靠近栅极120的表面处产生感应载流子。随着栅极120电压Vg的增加，所述沟道156靠近栅极120的表面处逐渐转变为载流子积累层，当载流子积累到一定程度时，就会在所述源极151和漏极152之间产生电流。由于组成所述半导体层140的部分碳纳米管的两端分别与所述源极151和漏极152电连接，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，从而使获得的薄膜晶体管10具有较大的载流子迁移率及较高的响应速度。
本技术方案实施例采用从源极151至漏极152方向择优取向排列的碳纳米管作半导体层140，且所述碳纳米管的两端分别与所述源极151及漏极152电连接，所述碳纳米管之间的间距为20微米，所述薄膜晶体管10的载流子迁移率高于10cm2/V-1s-1，开关电流比为100～100万。优选地，所述薄膜晶体管的载流子迁移率为10～1500cm2/V-1s-1。
请参阅图4，本技术方案第二实施例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、一绝缘层230、一半导体层240、一源极251及一漏极252。该薄膜晶体管20设置在一绝缘基板210上。
本技术方案第二实施例薄膜晶体管20的结构与第一实施例中的薄膜晶体管10的结构基本相同，其区别在于：上述栅极220设置于所述绝缘基板210表面；上述绝缘层230设置于该栅极220表面；上述半导体层240设置于该绝缘层230表面，通过绝缘层230与栅极220绝缘设置；上述源极251及漏极252间隔设置并与上述半导体层240电接触，该源极251、漏极252及半导体层240通过绝缘层230与上述栅极220电绝缘。
所述源极251及漏极252可以间隔设置于该半导体层240的上表面，此时，所述源极251、漏极252与栅极220设置于所述半导体层240的不同面，形成一逆交错型薄膜晶体管20。或者，所述源极251及漏极252可以间隔设置于该半导体层240的下表面，位于所述绝缘层230与半导体层240之间，此时，所述源极251、漏极252与栅极220设置于所述半导体层240的同一面，形成一逆共面型薄膜晶体管20。
本技术方案实施例提供的采用部分两端分别与所述源极和漏极电连接的碳纳米管作为半导体层的薄膜晶体管具有以下优点：其一，由于组成半导体层的至少部分碳纳米管的两端分别与所述源极和漏极电连接，故载流子由源极经半导体层至漏极方向传输具有较短的传输路径，从而有利于获得具有较大的载流子迁移率的薄膜晶体管，进而有利于提高薄膜晶体管的响应速度。其二，由于碳纳米管具有优异的力学性能，则由两层或两层以上沿不同方向排列的碳纳米管薄膜组成的半导体层具有较好的韧性及机械强度，从而有利于制备柔性薄膜晶体管。其三，由于碳纳米管在高温下不会受到影响，故由该碳纳米管组成的半导体层在高温下仍具有较高的载流子迁移率。故该薄膜晶体管可应用于高温领域。其四，由于碳纳米管具有较高的导热系数，可以有效地将薄膜晶体管工作时所产生的热量导出，从而有利于解决薄膜晶体管集成于大规模集成电路中的散热问题。
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；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，该半导体层包括多个碳纳米管，且至少部分碳纳米管的两端分别与所述源极和漏极电连接。
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，所述多个碳纳米管平行于所述半导体层的表面。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述多个碳纳米管相互平行。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管沿所述源极至漏极的方向择优取向排列。
6.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层包括至少一层碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个相互平行的碳纳米管。
7.如权利要求6所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层包括至少两层相互重叠的碳纳米管薄膜，相邻两层碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合，且相邻两层碳纳米管薄膜中的碳纳米管之间具有一交叉角度α，α大于等于0度且小于等于90度。
8.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或双壁碳纳米管，且所述碳纳米管的直径小于10纳米。
9.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘层设置于所述栅极和半导体层之间。
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。
11.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极及漏极设置于所述半导体层表面。
12.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、铟锡氧化物、锑锡氧化物、导电银胶、导电聚合物或导电性碳纳米管。
13.如权利要求12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钯、铯、铝、铜、钨、钼、金、钛、钕或其合金。
14.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管设置于一绝缘基板上，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，所述绝缘层设置于所述半导体层表面，所述栅极设置于所述绝缘层表面，并通过该绝缘层与该半导体层、源极和漏极电绝缘。
15.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上，其中，所述栅极设置于该绝缘基板表面，所述绝缘层设置于所述栅极表面，所述半导体层设置于所述绝缘层表面，并通过所述绝缘层与栅极电绝缘，所述源极及漏极间隔设置于所述半导体层表面并通过绝缘层与上述栅极电绝缘。
16.如权利要求14或15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。
17.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/V-1s-1，开关电流比为100～100万。
18.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管进一步包括一沟道，该沟道为所述半导体层位于所述源极和漏极之间的区域，该沟道与所述半导体层的长度为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。
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