CN105097939B

CN105097939B - 薄膜晶体管

Info

Publication number: CN105097939B
Application number: CN201410167228.XA
Authority: CN
Inventors: 金元浩; 李群庆; 范守善
Original assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2018-08-17
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: CN105097939A; US9559318B2; US20150311458A1; TW201541637A; TWI573264B

Abstract

本发明涉及一种薄膜晶体管，其包括其包括一半导体层、一源极、一漏极、一绝缘层、及一栅极，所述源极与漏极间隔设置且与所述半导体层电连接。所述栅极通过所述绝缘层与所述半导体层、所述源极及漏极间隔且绝缘设置，其中，所述半导体层包括一碳纳米管复合膜，所述碳纳米管复合膜包括多根碳纳米管和多个半导体颗粒，所述半导体颗粒均匀分布于所述多根碳纳米管中，所述半导体颗粒与碳纳米管相互连接而形成一导电网络，所述半导体颗粒为一半导体片，该半导体片为由多个半导体分子层组成的层状结构，其层数为1~20，所述半导体片的面积为0.1平方微米~5平方微米，所述半导体片的厚度为2纳米~20纳米。

Description

薄膜晶体管

技术领域

本发明涉及一种薄膜晶体管，尤其采用碳纳米管复合膜作为半导体层的薄膜晶体管。

背景技术

近几年来，随着碳纳米管研究的不断深入，其广阔应用前景不断显现出来。例如，由于碳纳米管所具有的独特的半导体性能，可将其应用于薄膜电子器件，比如薄膜晶体管。

由于通过化学沉积法直接生长得到的碳纳米管为混合型的碳纳米管，其中有1/3碳纳米管表现出金属性，因而不能作为半导体材料直接应用于薄膜电子器件。为了将碳纳米管作为半导体材料应用于薄膜晶体管，需要将其中的金属性碳纳米管利用化学分离法去除。然而，通过化学分离法步骤较繁琐、并且得到的电子器件的质量严重依赖化学分离的纯度。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种采用碳纳米管复合膜作为半导体层的薄膜晶体管。

一种薄膜晶体管，其包括其包括一半导体层、一源极、一漏极、一绝缘层、及一栅极，所述源极与漏极间隔设置且与所述半导体层电连接，所述栅极通过所述绝缘层与所述半导体层、所述源极及漏极间隔且绝缘设置，其中，所述半导体层包括一碳纳米管复合膜，所述碳纳米管复合膜包括多根碳纳米管和多个半导体颗粒，所述半导体颗粒均匀分布于所述多根碳纳米管中，所述半导体颗粒与碳纳米管相互连接而形成一导电网络，所述半导体颗粒为一半导体片，该半导体片为由多个半导体分子层组成的层状结构，其层数为1~20，所述半导体片的面积为0.1平方微米~5平方微米，所述半导体片的厚度为2纳米~20纳米。

一种薄膜晶体管，其包括其包括一半导体层、一源极、一漏极、一绝缘层、及一栅极，所述源极与漏极间隔设置且与所述半导体层电连接，所述栅极通过所述绝缘层与所述半导体层、所述源极及漏极间隔且绝缘设置，其中，所述半导体层包括一碳纳米管复合膜，所述碳纳米管复合膜包括多根碳纳米管和多个半导体颗粒，所述半导体颗粒均匀分布于所述多根碳纳米管中，所述半导体颗粒与碳纳米管同时参与导电的过程，所述半导体颗粒的分布密度为5个每平方微米~10个每平方微米。

本发明提供的薄膜晶体管具有以下优点：首先，由于在碳纳米管中掺杂半导体颗粒，碳纳米管与半导体颗粒电连接，该半导体颗粒抑制了所述碳纳米管中金属特性的表达，从而使得所述碳纳米管复合膜整体表现良好的半导体性能；其次，可通过选择P型或N型的半导体颗粒，而得到P型或N型单极性的薄膜晶体管。

附图说明

图1是本发明所述碳纳米管复合膜的结构示意图。

图2是本发明所述碳纳米管复合膜的扫描电镜照片。

图3是所述半导体颗粒的透射电镜照片。

图4是本发明所述碳纳米管复合膜的制备方法的流程图。

图5是本发明所述薄膜晶体管的结构示意图。

图6是本发明将半导体比例为95%的碳纳米管沉积得到的碳纳米管复合膜作为半导体层的薄膜晶体管的电子转移特性的测试图。

图7是本发明将半导体比例为2/3的碳纳米管沉积得到的碳纳米管复合膜作为半导体层的薄膜晶体管的电子转移特性的测试图。

图8是本发明提供的薄膜晶体管的制备方法流程图。

主要元件符号说明

碳纳米管复合膜	10
		碳纳米管	11
半导体颗粒	12
		基底	13
薄膜晶体管	100
		半导体层	101
沟道	1010
		源极	102
漏极	103
		绝缘层	104
栅极	105
		绝缘基板	110

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的碳纳米管复合膜、碳纳米管复合膜的制备方法以及薄膜晶体管。

请参阅图1，为本发明第一实施例提供的碳纳米管复合膜10，该碳纳米管复合膜10包括多根碳纳米管11和多个半导体颗粒12。所述半导体颗粒12均匀分布于所述多根碳纳米管11中。所述碳纳米管复合膜10可通过一基底13承载。

请参阅图2，所述碳纳米管11呈无序分布于所述基底13的表面。该多个半导体颗粒12与所述碳纳米管11相接触。具体的，该多个半导体颗粒12可位于单根碳纳米管11的表面或者两个相互间隔的碳纳米管11之间。相邻的两根碳纳米管11可通过一半导体颗粒12电连接。所述半导体颗粒12与碳纳米管11相互连接而形成一导电网络。

该多根碳纳米管11可为相互间隔、相互缠绕或相互搭接。当相邻的两根碳纳米管11相互间隔时，所述半导体颗粒12可分散于该相互间隔的碳纳米管11之间，并且与相互间隔的碳纳米管11分别接触，即该相互间隔的碳纳米管11通过半导体颗粒12电连接形成一导电通路。当所述碳纳米管复合膜10的两端加载电压时，由于相互间隔的碳纳米管11通过半导体颗粒12电连接，因而所述半导体颗粒12与碳纳米管11同时参与导电过程，而形成导电网络。所述碳纳米管11与半导体颗粒12相接触的面积不限，只要所述半导体颗粒12与所述碳纳米管11接触实现电连接即可。

所述半导体颗粒12与碳纳米管11接触是指该半导体颗粒12与所述碳纳米管11至少部分重合而形成一连续的导电通路。可以理解，所述碳纳米管复合膜10可存在多个半导体颗粒12与碳纳米管11部分重叠且连续而形成多个导电通路。如图2所示，所述多个半导体颗粒12与相邻的碳纳米管11相互重叠且连续可形成多个曲线形或直线形的导电通路。

所述碳纳米管11的分布密度为5根每平方微米~15根每平方微米，以保证有足够数量的碳纳米管11参与导电网络的形成。所述半导体颗粒12在所述碳纳米管复合膜10中所占的面积为30%~50%。具体的，所述半导体颗粒的分布密度为5个每平方微米~10个每平方微米，以避免当半导体颗粒12较少时难以连接相邻的相互间隔的碳纳米管11的情形，同时保证所述碳纳米管复合膜10中参与导电的主体仍为碳纳米管。本实施例中，所述碳纳米管11的分布密度为5根每平方微米~10根每平方微米，所述半导体颗粒12在所述碳纳米管复合膜10中所占的面积为30%~40%，所述半导体颗粒的分布密度为5个每平方微米~7个每平方微米。

所述半导体颗粒12的材料可为过渡金属硫化物、过渡金属氧化物、非金属氮化物等，例如：MoS₂、WS₂、WSe₂、WTe₂、BN、MnO₂、ZnO、MoSe₂、MoTe₂、TaSe₂、NiTe₂、Bi₂Te₃等。其中P型的半导体材料有WS₂、WSe₂、WTe₂等。N型的半导体的材料有MoS₂、BN、MnO₂、ZnO、MoTe₂等。可以理解，当采用不同的半导体材料分布于碳纳米管11中，可相应得到表现出P型或N型的碳纳米管复合膜。

所述半导体颗粒12的形状不限，可为类三角形、类四边形、类多边形、或不规则形状。请参阅图3，所述半导体颗粒12为一厚度较小而面积较大的半导体片。所述半导体片的面积大小为0.1平方微米~5平方微米，优选为，0.1平方微米~3平方微米。所述半导体片的厚度为2纳米~20纳米，优选为，2纳米~10纳米。所述半导体片为从具有数百层分子层的层状的半导体材料剥离得到的片状结构，其面积与厚度的比值较大而呈一薄片状。优选的，所述半导体片的面积与厚度的比值的范围为3×10⁵纳米~ 4×10⁵纳米，以保证所述半导体片具有足够的长度及宽度而连接相互间隔的碳纳米管11。具体的，所述半导体片为一具有较少数层半导体分子层的层状结构。所述半导体分子层是指一个半导体分子的单层结构，其厚度为一个分子的厚度。所述半导体片中半导体分子层的层数为1~100，优选的，1~20。由于所述半导体片的半导体分子层层数较少，因而所述半导体片的厚度与碳纳米管11的直径接近，得到的碳纳米管复合膜10为一厚度均匀的纳米级的薄膜结构。当该碳纳米管复合膜10应用于薄膜晶体管的半导体层时，由于所述半导体片具有较少数层半导体分子层，因而容易被栅极调制。

本实施例中，所述半导体颗粒12的材料为MoS₂，所述半导体颗粒12的形状为类四边形，所述半导体颗粒12的面积为0.1平方微米~3平方微米，所述半导体颗粒12中的半导体分子层的层数约为十层，所述半导体颗粒12的厚度为7纳米左右。

所述碳纳米管11可为纯的半导体性碳纳米管，也可为金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管共同组成的混合型碳纳米管。其中，混合型碳纳米管中半导体性碳纳米管所占的比例可为66.7%、90%、95%、98%，只要该碳纳米管11整体仍表现半导体性即可。具体的，可通过化学气相沉积法直接生长得到包括金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的混合型碳纳米管，由于该直接生长的混合型碳纳米管中半导体性碳纳米管与金属性碳纳米管的比例为2：1，该混合型碳纳米管的半导体性碳纳米管所占的比例约为66.7%，使该碳纳米管整体上仍然表现出半导体性。或者，可通过化学分离等手段除去全部的金属性碳纳米管得到纯的半导体性碳纳米管；或进行一定程度的化学分离除去部分的金属性碳纳米管得到不同比例的半导体性碳纳米管。优选的，所述混合型碳纳米管的半导体性碳纳米管所占的比例大于66.7%。所述碳纳米管为单壁碳纳米管，该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。

所述多根碳纳米管11平行于所述基底13的表面。即，所述碳纳米管11的轴向方向平行于所述基底13的表面。所述碳纳米管的长度大于5微米，优选的，长度大于10微米。所述多根碳纳米管11为无序分布。部分的碳纳米管11通过范德华力相互吸引、缠绕或搭接，相互间隔的碳纳米管11可通过半导体颗粒12相连接，从而使得所述碳纳米管复合膜10整体呈一网络状结构。所述碳纳米管复合膜10具有较好的韧性。该碳纳米管复合膜10包括大量的微孔结构，该微孔孔径小于50微米。由于该碳纳米管复合膜10包括大量的微孔结构，因此，该碳纳米管复合膜10的透光性较好。该碳纳米管复合膜10的厚度为2纳米~10纳米。

本实施例中，所述碳纳米管11的直径约为3纳米，该碳纳米管复合膜10的厚度约为15纳米。

当所述碳纳米管11为纯的半导体性碳纳米管时，由于相互间隔的碳纳米管11可通过半导体颗粒12电连接，所述半导体颗粒12可帮助所述碳纳米管11形成一导电网络，而利于传输载流子。当所述碳纳米管11为混合型碳纳米管时，该半导体颗粒12抑制了所述碳纳米管11中金属特性的表达，从而使得所述碳纳米管复合膜10整体表现良好的半导体性能。并且，可根据实际需要，通过采用不同半导体性比例的碳纳米管与半导体颗粒12复合以及两者的质量比例而得到半导体性能连续且可控的碳纳米管复合膜10，从而利于其进一步应用于电子器件。

请参阅图4，本发明第二实施例还提供一种碳纳米管复合膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S11，提供一含有多个半导体颗粒12的第一悬浮液；

S12，将第一悬浮液中的多个半导体颗粒12沉积于一基底13的表面；

S13，提供一含有多根碳纳米管11的第二悬浮液；以及

S14，将第二悬浮液中的多根碳纳米管11沉积在带有半导体颗粒12的基底13表面，形成一碳纳米管复合膜10。

在步骤S11中，所述形成第一悬浮液的步骤具体包括：

S111，提供一半导体材料，所述半导体材料为一层状结构；以及

S112，将所述半导体材料与一第一溶剂混合并超声得到一含有多个半导体颗粒的悬浮液，每个半导体颗粒为一由多个半导体分子层组成的层状结构，其层数为1~20。

在步骤S111中，所述半导体材料为包括数百层以上的半导体分子层的层状结构。所述半导体材料可为过渡金属化合物、过渡金属氮化物、过渡金属硫化物等或其组合，如MoS₂、WS₂、WSe₂、WTe₂、BN、MnO₂、ZnO、MoSe₂、MoTe₂、TaSe₂、NiTe₂、Bi₂Te₃等。本实施例中，所述半导体材料为MoS₂。

在步骤S112中，通过在第一溶剂中超声所述半导体材料而得到层数较少的半导体颗粒。具体的原理如下：在超声波的作用下第一溶剂中的微气泡保持振动，当声强到达一定的程度时，气泡会迅速膨胀，然后迅速闭合；在这个过程中，气泡闭合的瞬间产生冲击波，使气泡周围产生较大的压力，在冲击波的反复作用下所述半导体材料中相邻的分子层被分离开来，而得到分子层层数较少的半导体颗粒。

所述第一溶剂可为含有羟基或羰基等极性基团的溶剂，其极性强，介电常数较大，比如，水，乙醇，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，丙酮，氯仿，四氢呋喃等。由于采用包含极性基团的第一溶剂，因而在极性基团的作用下所述半导体材料中分子层与分子层之间的作用力会减弱而较容易的被分离开来。所述半导体材料与所述第一溶剂的混合比例为1g/200mL~1g/40mL，比如：1g/100mL、1g/50mL、1g/30mL。

所述超声的功率为300瓦~600瓦。所述超声的时间为5小时~24小时。本实施例中，所述半导体材料与所述第一溶剂的混合比例为1g/30mL，所述第一溶剂为NMP，所述超声的功率为300瓦，所述超声的时间为8小时。

所述半导体颗粒12为一半导体片，所述半导体片的面积为0.1平方微米~5平方微米，所述半导体片的厚度为2纳米~20纳米。

进一步的，对所述含有多个半导体颗粒12的第一悬浮液进行离心过滤，以去除分子层层数较多的半导体颗粒，而分子层层数较少的半导体颗粒由于层数少，质量较小，而处于悬浮液的中上层。

在步骤S12中，所述基底13具有一表面，用于承载所述碳纳米管复合膜10。所述基底13的材料不限，可为玻璃、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，所述基底13的材料为二氧化硅。可以理解，为了使所述碳纳米管复合膜10更好的贴附于所述基底13的表面，可预先对所述基底13的表面进行预处理，而使基底13的表面带有极性基团。所述极性基团可为羟基、氨基、羧基等。

本实施例中，对所述基底13进行预处理具体包括以下步骤：首先，对所述基底13进行亲水处理；然后，将亲水处理后的基底13用一有机溶剂进行处理。其中，利用过氧化氢和氨水的混合液对所述基底13进行亲水处理，以使基底13的表面带有羟基。所述有机溶剂为氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)溶液，所述基底13表面带有的羟基可与APTES更好的结合，而APTES中的氨基可以与碳纳米管11很好的结合，从而基底13通过行预处理使得其表面带有氨基，进而使得碳纳米管11快速且牢固的粘附于基底13的表面。

所述将第一悬浮液中的多个半导体颗粒12沉积于基底13的表面是指所述多个半导体颗粒12进行物理性沉积，具体为：先将所述基底13预先放入一容器的底部，然后将所述第一悬浮液放置于所述容器内，最后经过一段时间的静置，所述半导体颗粒12在重力的作用下，会缓慢的沉积于所述基底13的表面。所述第一悬浮液沉积的时间为5小时~24小时。本实施例中，所述第一悬浮液沉积的时间为10小时。

进一步的，将所述沉积有半导体颗粒12的基底13从容器中取出，并干燥，以使所述半导体颗粒12通过范德华力与基底13的表面更好的结合。

在步骤S13中，所述形成含有多根碳纳米管11的第二悬浮液的方法可为搅拌法和/或超声分散法等，只要使得所述碳纳米管11均匀分散于该第二悬浮液中即可。具体的，将一定质量的碳纳米管11放置于一定体积的第二溶剂中，然后通过超声一段时间，以使所述碳纳米管11均匀分散。所述超声的时间可为30分钟~3小时。所述超声的功率可为300瓦~600瓦。所述碳纳米管11可为通过化学气相沉积法（CVD法）直接生长得到的混合型单壁碳纳米管，也可为进一步经过化学分离得到的混合型碳纳米管或者纯的单壁碳纳米管，只要所述碳纳米管11中半导体性碳纳米管所占的比例大于66.7%，以使所述碳纳米管11整体表现出半导体性即可。所述第二溶剂不限，只要所述碳纳米管11不与所述第二溶剂反应，而是形成悬浮液即可。所述第二溶剂优选为水，乙醇，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，丙酮，氯仿，四氢呋喃等，由于其含有羟基或羰基等极性基团，从而其表现出较强的极性，具有较大的介电常数。所述第二溶剂与第一溶剂可以相同，也可以不相同。该碳纳米管11与所述第二溶剂的混合比例为1mg/200mL~1mg/40mL，比如1mg/100mL、1mg/50mL。在这里需要说明的是，步骤S13第二悬浮液中的碳纳米管11的质量与步骤S11第一悬浮液中的半导体颗粒12的质量的比值为1:1000~1:3000，以避免在形成的碳纳米管复合膜10中当半导体颗粒12较少时难以连接相邻的间隔的碳纳米管11的情形，同时保证所述碳纳米管复合膜10中参与导电的主体仍为碳纳米管。

本实施例中，通过超声将所述碳纳米管11分散于NMP中，所述碳纳米管11为通过CVD法直接生长得到的单壁碳纳米管，该碳纳米管11与所述NMP的混合比例为1mg：30mL，所述第二悬浮液中的碳纳米管11与所述第一悬浮液中的半导体颗粒12的质量比例为1：1000。

在步骤S14中，所述沉积碳纳米管11的步骤具体为：将所述沉积有半导体颗粒12的基底13预先放入一容器的底部，然后将该第二悬浮液置于该容器内。经过一段时间的静置，所述碳纳米管11在重力以及基底13表面的极性基团的作用下，会缓慢的沉积于所述基底13的表面，而形成所述碳纳米管复合膜10。请参阅图2，由于所述半导体颗粒12均匀分布于第一悬浮液中，所述碳纳米管11均匀分布于第二悬浮液中，因而分步沉积之后得到的碳纳米管复合膜10中的半导体颗粒12也均匀分布于所述碳纳米管11中。相邻的两个间隔的碳纳米管11通过一半导体颗粒12连接。即，所述碳纳米管11与半导体颗粒12相互连接，所述碳纳米管11和半导体颗粒12同时参与导电的过程。所述第二悬浮液沉积的时间为20分钟~2小时。本实施例中，所述第二悬浮液沉积的时间为30分钟。

在步骤S14形成所述碳纳米管复合膜10之后，可包括一对所述碳纳米管复合膜10进行干燥的过程。具体的，将所述碳纳米管复合膜10连同所述基底13从所述容器中取出后，位于所述碳纳米管复合膜10的远离基底13表面以及所述碳纳米管复合膜10与基底13之间的溶剂会逐渐挥发。当所述碳纳米管复合膜10与基底13之间的溶剂挥发后，所述碳纳米管复合膜10会紧密的贴附于所述基底13的表面。

所述碳纳米管复合膜10的制备方法具有以下优点：首先，采用分步的先沉积半导体颗粒12、后沉积碳纳米管11而形成所述碳纳米管复合膜10的方法，所述半导体颗粒12会参与到碳纳米管11的导电网络的形成，而避免了第一悬浮液和第二悬浮液两者混合后团聚，以及在采用两者同时沉积的方法时由于碳纳米管11和半导体颗粒12质量不一致，沉积的速度不一致，造成的薄膜不均匀，难以得到碳纳米管11和半导体颗粒12形成的导电网络的情形；同时也避免了先沉积碳纳米管11而后沉积半导体颗粒12造成的半导体颗粒12不会参与导电过程的情形；其次，可通过调整所述碳纳米管11和半导体颗粒12的质量比，而得到不同半导体性质的碳纳米管复合膜10；最后，可根据器件的单极性需要，可在碳纳米管11中选择掺杂P型或N型的半导体颗粒12。

请参阅图5，为本发明第三实施例提供一种薄膜晶体管100，该薄膜晶体管100为顶栅型，其包括一半导体层101、一源极102、一漏极103、一绝缘层104、及一栅极105。所述半导体层101、源极102、漏极103设置于所述绝缘层104一表面。所述源极102与漏极103间隔设置且与所述半导体层101电连接。所述栅极105通过所述绝缘层104与所述半导体层101、所述源极102及漏极103间隔且绝缘设置。所述薄膜晶体管100可形成于一绝缘基板110表面。

所述栅极105设置于所述绝缘基板110表面。所述绝缘层104设置于所述栅极105远离绝缘基板110的表面。所述源极102及漏极103设置于所述绝缘层104远离所述栅极105的表面，并通过所述绝缘层104与所述栅极105绝缘设置。所述半导体层101设置于所述绝缘层104的表面，并部分覆盖所述源极102及漏极103。所述半导体层101位于所述源极102和漏极103之间的区域形成一沟道1010。

所述半导体层101包括一碳纳米管复合膜。所述碳纳米管复合膜平行于所述半导体层101的表面。所述半导体层101中靠近所述源极102以及漏极103的碳纳米管复合膜分别与所述源极102以及漏极103相接触，以实现在源极102以及漏极103之间形成导电通路。

该碳纳米管复合膜包括多根碳纳米管和多个半导体颗粒。所述半导体颗粒均匀分布于所述多根碳纳米管之间。相邻的两根碳纳米管可通过一半导体颗粒电连接。即，所述半导体颗粒与所述碳纳米管相互连接，所述半导体颗粒与碳纳米管同时参与导电的过程而形成一导电网络。

所述碳纳米管复合膜与第一实施例提供的碳纳米管复合膜10相同，在此不再赘述。

当采用不同类型的半导体颗粒，比如P型或N型的半导体颗粒时，所述碳纳米管复合膜也为P型或N型，相应的，所得到的薄膜晶体管100也会表现出P型或N型的单极性。举例来说，当半导体颗粒为P型的WS₂、WSe₂、WTe₂等时，暴露于空气中的碳纳米管也表现为P型半导体，因而得到的碳纳米管复合膜也表现为P型半导体。而当半导体颗粒为N型的MoS₂、BN、MnO₂、ZnO、MoTe₂等时，为了使所述碳纳米管复合膜也表现为N型半导体，可在所述碳纳米管复合膜的表面额外设置一HfO₂层，以避免碳纳米管暴露于空气中。

当采用不同半导体比例的碳纳米管时，得到的碳纳米管复合膜表现不同的半导体性质。举例来说，请参阅图6，当采用半导体比例为95%的碳纳米管时，得到的碳纳米管复合膜的电流开关比大于10⁴，适合应用于逻辑型器件；请参阅图7，当采用半导体比例为2/3的碳纳米管时，得到的碳纳米管复合膜的饱和电流大于10A，载流能力较强，适合应用于功率型器件。

另外，也可根据所述碳纳米管与半导体颗粒的混合比例不同，而得到不同的半导体性质的碳纳米管复合膜。以所述半导体颗粒采用MoS₂为例，当所述碳纳米管的质量比例较高时，得到的碳纳米管复合膜载流能力较强，适合应用于功率型器件。当所述MoS₂的质量比例较高时，得到的碳纳米管复合膜的开关比较好，适合应用于逻辑型器件。

本实施例中，所述碳纳米管与半导体颗粒的的质量比值为1：1000，所述半导体颗粒的材料为MoS₂，所述半导体颗粒的形状为类四边形，所述半导体颗粒的面积为0.1平方微米~3平方微米，所述半导体颗粒的半导体分子层的层数约为10层，所述半导体颗粒的厚度为7纳米左右，所述碳纳米管的直径约为3纳米，该碳纳米管复合膜的厚度约为15纳米。

所述绝缘层104的材料为氧化铝、氮化硅、氧化硅等硬性材料或苯并环丁烯(BCB)、聚氧化乙烯（PEO）、聚酯或丙烯酸树脂等柔性材料。该绝缘层104的厚度为10纳米~100微米。本实施例中，所述绝缘层104的材料为氧化铝，所述绝缘层104的厚度为40纳米。

所述源极102、漏极103以及栅极105由导电材料组成。优选地，所述源极102、漏极103以及栅极105为一层导电薄膜。该导电薄膜的厚度为0.5纳米~100微米。该导电薄膜的材料为金属，如铝、铜、铬、钨、钼、金、钛、钕、钯、铯等。可以理解，所述源极102、漏极103以及栅极105的材料也可为碳纳米管层。本实施例中，所述源极102、漏极103以及栅极105的材料为金属金，厚度为50纳米。

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的材料为二氧化硅。所述绝缘基板110用于对薄膜晶体管100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100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。

可以理解，所述薄膜晶体管100也可设置成底栅型，即，栅极直接设置于绝缘基板的表面，其他结构基本相同。

当所述薄膜晶体管100在工作时，所述源极102接地，在所述漏极103上施加一电压Vds，在所述栅极105上施一电压Vg。当栅极105施加一定的正电压或负电压，在沟道1010对应于所述栅极105的部分产生电场，并在沟道1010靠近栅极105的表面处产生感应载流子。由于所述碳纳米管和半导体颗粒相互连接而形成导电网络，当载流子积累到一定程度时，在源极102和漏极103之间会产生电流。

请参阅图8，本发明第三实施例还提供一种薄膜晶体管100的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤S21，提供一绝缘基板110，在所述绝缘基板110的表面沉积一碳纳米管复合膜，所述碳纳米管复合膜包括多根碳纳米管和多个导电颗粒，所述碳纳米管和导电颗粒相互连接形成一导电网络；

步骤S22，在所述碳纳米管复合膜的表面设置相互间隔的源极102以及漏极103；

步骤S23，在所述碳纳米管复合膜、源极102以及漏极103的表面设置一绝缘层104；以及

步骤S24，在所述绝缘层104的表面设置一栅极105。

在步骤S21中，所述在绝缘基板110的表面沉积碳纳米管复合膜具体包括以下步骤:

S211，提供一含有碳纳米管的第一悬浮液；

S212，将多个半导体颗粒沉积于绝缘基板110的表面；

S213，提供一含有半导体颗粒的第二悬浮液；以及

S214，在带有半导体颗粒的绝缘基板表面进一步沉积碳纳米管，以形成一碳纳米管复合膜。

步骤S211至步骤S214与第二实施例中步骤S11至步骤S14相同，在此不再赘述。

本实施例中，通过将半导体材料在NMP中超声得到所述第一悬浮液，沉积半导体颗粒的时间10为小时，其中，所述半导体材料为MoS₂，所述超声的功率为300瓦，所述超声的时间为8小时；通过将所述碳纳米管搅拌并超声的方法分散于NMP中得到第二悬浮液，沉积碳纳米管的时间为30分钟，其中，所述碳纳米管为通过CVD法直接生长得到的单壁碳纳米管，该碳纳米管与所述半导体材料的质量比例为1：1000。

所述绝缘基板110具有一表面，用于承载所述碳纳米管复合膜。本实施例中，所述绝缘基板110的材料为二氧化硅。可以理解，为了使所述碳纳米管复合膜更好的粘附于所述绝缘基板110的表面，可对所述绝缘基板110进行一表面预处理的步骤。该表面预处理的步骤与第二实施例的步骤S11中的对基底13进行预处理的步骤相同。

在步骤S22中，形成所述源极102以及漏极103的方法可为丝网印刷法、磁控溅射法、气相沉积法、原子层沉积法等。具体的，可通过具有多个开孔的掩模一次形成相互间隔的源极102以及漏极103，也可先形成一连续的导电薄膜，然后通过等离子刻蚀法、激光刻蚀法、湿法刻蚀等手段进行图案化，得到多个相互间隔的源极102以及漏极103。本实施例中，通过气相沉积法在所述碳纳米管复合膜的表面沉积金属铬作为源极102以及漏极103。

在步骤S23中，所述绝缘层104的制备方法可为磁控溅射法、气相沉积法、或原子层沉积法等方法。本实施例中，采用原子层沉积法形成氧化铝作为绝缘层104，所述绝缘层104的厚度为100纳米。

在步骤S24中，所述栅极105可通过磁控溅射法、电子束沉积法或原子层沉积法等形成在所述绝缘层104的表面，也可以通过丝网印刷、刀片刮涂等方法直接涂覆导电浆料于所述绝缘层104的表面。本实施例中，通过气相沉积法在所述绝缘层104的表面沉积金属金作为所述栅极105。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.一种薄膜晶体管，其包括一半导体层、一源极、一漏极、一绝缘层、及一栅极，所述源极与漏极间隔设置且与所述半导体层电连接，所述栅极通过所述绝缘层与所述半导体层、所述源极及漏极间隔且绝缘设置，其特征在于，所述半导体层包括一碳纳米管复合膜，所述碳纳米管复合膜包括多根碳纳米管和多个半导体颗粒，所述多根碳纳米管是由金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管组成的混合型碳纳米管；所述半导体颗粒均匀分布于所述多根碳纳米管中，所述半导体颗粒与碳纳米管相互连接而形成一导电网络，所述半导体颗粒为一半导体片，该半导体片为由多个半导体分子层组成的层状结构，其层数为10～20，所述半导体片的面积为0.1平方微米～5平方微米，所述半导体片的厚度为2纳米～20纳米。

2.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体颗粒与所述碳纳米管接触而电连接。

3.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管的分布密度为5根每平方微米～15根每平方微米。

4.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管。

5.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管呈无序分布，部分的碳纳米管通过范德华力相互吸引、缠绕或搭接。

6.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体颗粒的材料为P型的半导体颗粒或N型的半导体颗粒。

7.如权利要求6所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述P型的半导体颗粒为WS₂、WSe₂或WTe₂。

8.如权利要求6所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述N型的半导体颗粒为MoS₂、BN、MnO₂、ZnO或MoTe₂。

9.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体颗粒的分布密度为5个每平方微米～10个每平方微米。

10.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体片在所述碳纳米管复合膜中所占的面积为30％～50％。

11.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体片的面积为0.1平方微米～3平方微米，所述半导体片的厚度为2纳米～10纳米。

12.一种薄膜晶体管，其包括一半导体层、一源极、一漏极、一绝缘层、及一栅极，所述源极与漏极间隔设置且与所述半导体层电连接，所述栅极通过所述绝缘层与所述半导体层、所述源极及漏极间隔且绝缘设置，其特征在于，所述半导体层包括一碳纳米管复合膜，所述碳纳米管复合膜包括多根碳纳米管和多个半导体颗粒，所述多根碳纳米管是由金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管组成的混合型碳纳米管；所述半导体颗粒均匀分布于所述多根碳纳米管中，所述半导体颗粒与碳纳米管同时参与导电的过程，所述半导体颗粒的分布密度为5个每平方微米～10个每平方微米，所述半导体颗粒为一半导体片，该半导体片为由多个半导体分子层组成的层状结构，其层数为10～20。