JP2009278112A - 薄膜トランジスタ - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、薄膜トランジスタに関する。
【解決手段】本発明の薄膜トランジスタは、ソース電極と、前記ソース電極と分離して設置されるドレイン電極と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極に電気的に接続される半導体層と、絶縁層と、前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と絶縁状態で設置されるゲート電極と、を含む。前記半導体層がカーボンナノチューブ構造体を含み、前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含み、全ての前記カーボンナノチューブが半導体性を有するカーボンナノチューブである。
【選択図】図1

Description

本発明は、薄膜トランジスタに関し、特にカーボンナノチューブを含む薄膜トランジス
タに関するものである。
薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、TFT)は、パネル表示装置に広く応用される。従来の薄膜トランジスタは、主に、ゲート電極、絶縁層、半導体層、ソース電極及びドレイン電極を含む。前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、分離して設置され、前記半導体層と電気的に接続される。前記ゲート電極は、前記絶縁層に設置され、該絶縁層により前記半導体層、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と分離して絶縁する。前記半導体層の、前記ソース電極とドレイン電極との間に位置される領域には、チャンネル領域が形成される。
前記薄膜トランジスタのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極は、導電材料からなる。該導電材料は、金属又は合金である。前記ゲート電極に電圧を印加すると、前記絶縁層により該ゲート電極と分離して設置された前記半導体層におけるチャンネル領域で、キャリヤーが蓄積することができる。該キャリヤーが所定の程度に蓄積する場合、前記半導体層に電気的に接続される前記ソース電極及び前記ドレイン電極が電気的に接続されるので、前記ソース電極から前記ドレイン電極に流れる電流がある。
従来技術として、薄膜トランジスタの半導体層の材料は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン又は有機半導体重合体である(非特許文献1を参照)。アモルファスシリコンを半導体層とする薄膜トランジスタにおいて、該半導体層で多くのダングリングボンド(Dangling Bond)を含むので、キャリヤーの移動度は、小さくなる。該キャリヤーの移動度が一般的に1cm−1−1より小さいので、前記薄膜トランジスタの応答速度は、遅い。多結晶シリコンを半導体層とする薄膜トランジスタにおいて、キャリヤーの移動度は、大きくなる。該キャリヤーの移動度が一般的に10cm−1−1ほどであるので、前記薄膜トランジスタの応答速度は、速い。しかし、多結晶シリコンを半導体層とする薄膜トランジスタは、方法が複雑であり、コストが高く、大面積製造が難しく、オフ電流が大きい。従来の無機薄膜トランジスタと比べて、有機半導体重合体を半導体層とする有機薄膜トランジスタは、コストが低く、製造の温度が低く、高い強靭性を有する長所がある。
"New challenges in thin film transistor research"、Journal of Non−Crystalline Solids、2002年、第299−302巻、第1304〜1310頁 Kaili Jiang、Qunqing Li、Shoushan Fan、"Spinning continuous carbon nanotube yarns"、Nature、2002年、第419巻、p.801
しかし、有機薄膜トランジスタは、室温でジャンプ伝導するので、抵抗率が高く、キャリヤーの移動度が小さくなる。従って、前記有機薄膜トランジスタの応答速度は、遅いという欠点がある。
従って、本発明は、大きなキャリヤーの移動度を有し、速い応答速度を有し、高い強靭性を有する薄膜トランジスタを提供することを課題とする。
薄膜トランジスタは、ソース電極と、前記ソース電極と分離して設置されるドレイン電極と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極に電気的に接続される半導体層と、絶縁層と、前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と絶縁状態で設置されるゲート電極と、を含む。前記半導体層は、カーボンナノチューブ構造体を含み、前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含み、全ての前記カーボンナノチューブは半導体性を有するカーボンナノチューブである。
前記カーボンナノチューブ構造体は、カーボンナノチューブアレイである。
前記カーボンナノチューブ構造体は、互いに絡み合った複数のカーボンナノチューブを含む。
前記カーボンナノチューブ構造体は、複数の微孔構造を含む。
従来の薄膜トランジスタと比べると、本発明の薄膜トランジスタにおいて、前記半導体層とする前記カーボンナノチューブ構造体に半導体性を有するカーボンナノチューブだけを含むので、前記薄膜トランジスタは、大きなキャリヤーの移動度及び速い応答速度を有する。前記カーボンナノチューブの直径は小さく、該カーボンナノチューブは大きなバンドギャップを有するので、前記薄膜トランジスタは、小さなオフ電流を有し、大きなオン/オフ電流比を有する。前記カーボンナノチューブは、優れた力学性能、優れた靭性及び優れた機械強度を有するので、該薄膜トランジスタは、優れた靭性と機械強度を有する。前記薄膜トランジスタの半導体層における前記カーボンナノチューブは、高温で影響を受けないので、該カーボンナノチューブからなる半導体層は、高温で大きなキャリヤーの移動度を有する。従って、前記薄膜トランジスタは高温の領域に応用されることができる。前記カーボンナノチューブが大きな熱伝導率を有するので、前記薄膜トランジスタの作動において発生する熱量を放出することができる。従って、前記薄膜トランジスタを、大規模集積回路に応用する場合の放熱の問題を解決することができる。
本発明の実施例1に係る薄膜トランジスタの断面図である。 本発明の実施例1に係る薄膜トランジスタにおけるカーボンナノチューブが配向して配列されたカーボンナノチューブ構造体の構造を示す図である。 本発明の実施例1に係る薄膜トランジスタにおけるカーボンナノチューブが配向させずに配列されたカーボンナノチューブ構造体のSEM写真である。 本発明の実施例1に係る薄膜トランジスタが作動する時の構造を示す図である。 本発明の実施例2に係る薄膜トランジスタの断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
図1を参照すると、本発明の実施例1は、薄膜トランジスタ10を提供する。該薄膜トランジスタ10は、トップゲート型(Top Gate Type)薄膜トランジスタであり、絶縁基板110の一つの表面に形成される。該薄膜トランジスタ10は、ゲート電極120、絶縁層130、半導体層140、ソース電極151及びドレイン電極152を含む。
前記半導体層140は、前記絶縁基板110の表面に設置され、前記ソース電極151及び前記ドレイン電極152は、それぞれ前記半導体層140の表面に分離して設置され、該半導体層140に電気的に接続されている。前記絶縁層130は、前記半導体層140の表面に設置されている。前記ゲート電極120は、前記絶縁層130の表面に設置されている。該絶縁層130により、前記ゲート電極120を、前記半導体層140、前記ソース電極151及び前記ドレイン電極152と絶縁状態に設置する。前記半導体層140の、前記ソース電極151とドレイン電極152との間に位置される領域に、チャンネル156が形成される。
前記ソース電極151と前記ドレイン電極152は、前記半導体層140の、前記絶縁基板110に隣接する表面の反対側に分離して設置され、前記絶縁層130と前記半導体層140との間に位置される。この場合、前記ソース電極151、前記ドレイン電極152及び前記ゲート電極120は、前記半導体層140の同一側に位置され、コープレーナー型(Coplanar Type)薄膜トランジスタ10を形成する。或いは、前記ソース電極151と前記ドレイン電極152は、それぞれ前記絶縁基板110及び前記半導体層140の間に分離して設置される。この場合、前記ソース電極151及び前記ドレイン電極152と、前記ゲート電極120とは、前記半導体層140の異なる側に位置され、スタガード型(Staggered Type)薄膜トランジスタ10を形成する。前記ソース電極151と前記ドレイン電極152は、位置が制限されず、該ソース電極151と該ドレイン電極152が分離して設置し、前記半導体層140と電気的に接続することができる。例えば、前記ソース電極151と前記ドレイン電極152は前記半導体層140と同じ平面に設置されることができる。
前記絶縁基板110の材料は、例えば、シリコン、石英、セラミック、ガラス及びダイヤモンドなどの硬性材料又は例えば、プラスチック及び樹脂などの柔らかな材料である。本実施例において、前記絶縁基板110の材料は、ガラスであることが好ましい。該絶縁基板110は、前記薄膜トランジスタ10を支持することに用いられる。
前記半導体層140は、一つのカーボンナノチューブ構造体を含み、該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは配向して配列され、又は配向せず配列される。前記半導体層140は、長さが1.0マイクロメートル〜100マイクロメートルであり、幅が1マイクロメートル〜1ミリメートルであり、厚さが0.5ナノメートル〜100マイクロメートルである。前記チャンネル156は、長さが1マイクロメートル〜100マイクロメートルであり、幅が1マイクロメートル〜1ミリメートルである。
図2を参照すると、前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが配向して配列される時、該カーボンナノチューブ構造体は、前記絶縁基板110に垂直に、かつ所定の方向に沿って配列される複数のカーボンナノチューブからなる超配列カーボンナノチューブアレイ(非特許文献2を参照する)である。前記カーボンナノチューブ構造体は、半導体性を有するカーボンナノチューブだけを含む。該カーボンナノチューブ構造体の厚さは、0.5ナノメートル〜100マイクロメートルであり、該カーボンナノチューブの直径は、5ナノメートルより小さく、好ましくは、該カーボンナノチューブの直径は2ナノメートル以下である。
図3を参照すると、前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが配向せず配列される時、該カーボンナノチューブ構造体は、互いに絡み合って配列された、半導体性を有する複数のカーボンナノチューブだけを含む。複数の該カーボンナノチューブは、互いに絡み合って、分子間力で互いに接続され、ネットワーク構造が形成される。複数の前記カーボンナノチューブが互いに絡み合うので、前記カーボンナノチューブ構造体は、良い強靭性を有するようになる。前記カーボンナノチューブ構造体は柔軟性を有するので、該カーボンナノチューブ構造体は任意の形状に折り畳まれることができ、断裂しない。前記ネットワーク構造は、複数の微孔構造を含み、該微孔構造の直径は、50マイクロメートル以下である。前記カーボンナノチューブ構造体が複数の微孔構造を含むので、該カーボンナノチューブ構造体の透光性が良い。該カーボンナノチューブ構造体の厚さは、0.5ナノメートル〜100マイクロメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体において、半導体性を有するカーボンナノチューブだけを含む。該カーボンナノチューブは、直径が5ナノメートルより小さく、長さが10ナノメートル〜1ミリメートルである。好ましくは、前記カーボンナノチューブの直径は2ナノメートルよく小さく、長さは2ナノメートル〜1ミリメートルである。
前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ又は二層カーボンナノチューブである。前記単層カーボンナノチューブの直径は、0.5ナノメートル〜50ナノメートルであり、前記二層カーボンナノチューブの直径は、1.0ナノメートル〜50ナノメートルである。本実施例において、該カーボンナノチューブ構造体の厚さは、50ナノメートルであり、該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの直径は、2ナノメートルである。前記カーボンナノチューブ構造体は、長さが1マイクロメートル〜100マイクロメートルであり、幅が1マイクロメートル〜1ミリメートルであり、厚さが0.5ナノメートル〜100マイクロメートルである。前記チャンネル156は、長さが1マイクロメートル〜100マイクロメートルであり、幅が1マイクロメートル〜1ミリメートルである。
前記ソース電極151及び前記ドレイン電極152の間の距離は、1〜100マイクロメートルである。前記ソース電極151、前記ドレイン電極152及び前記ゲート電極120は、導電材料からなる。前記ソース電極151、前記ドレイン電極152及び前記ゲート電極120は、導電フィルムであることが好ましい。該導電フィルムの厚さは、0.5ナノメートル〜100マイクロメートルである。該導電フィルムの材料は、金属、合金、酸化インジウムスズ(ITO)フィルム、酸化アンチモンスズ(ATO)、銀ペースト、導電重合体又は導電性カーボンナノチューブなどである。前記金属は、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、ネオジム、パラジウム又はセシウムなどである。前記合金は、前記金属の合金である。前記ゲート電極120の面積と前記チャンネル156の面積が基本的に同じであることが好ましく、該チャンネル156がキャリヤーを蓄積することに有利となる。本実施例において、前記ゲート電極120の材料は、金属のアルミニウムフィルムであり、その厚さは5ナノメートルである。前記ソース電極151と前記ドレイン電極152は、金属のセシウムであり、その厚さは5ナノメートルである。前記金属のセシウムと前記カーボンナノチューブとは、優れた濡れ性を有するので、前記ソース電極151及び前記ドレイン電極152と前記半導体層140との抵抗が小さくなり、電気的に接続することに有利となる。
前記絶縁層130の材料は、窒化珪素、酸化珪素などの硬性材料又はベンゾシクロブテン(Benzocyclobutene)、アクリル酸樹脂などの柔らかな材料である。前記絶縁層130の厚さは、5ナノメートル〜100マイクロメートルである。本実施例において、前記絶縁層130は窒化珪素からなり、その厚さは200ナノメートルである。勿論、前記半導体層140、前記ソース電極151及び前記ドレイン電極152と、ゲート電極120とを絶縁状態に設置することに限り、前記絶縁層130は、完全に前記ソース電極151、前記ドレイン電極152及び半導体層140を被覆しないように設置してもよい。例えば、前記ソース電極151及び前記ドレイン電極152は、前記半導体層140の前記絶縁基板110と隣接する表面の反対側に設置される場合、前記絶縁層130は、前記ソース電極151と前記ドレイン電極152との間に設置し、前記半導体層140だけを被覆してもよい。
図4を参照すると、前記薄膜トランジスタ10の前記ソース電極151を接地し、前記ドレイン電極152に電圧Vdsを印加し、前記ゲート電極120に電圧Vを印加する場合、前記ゲート電極120に電圧Vを印加することにより、前記半導体層140におけるチャンネル156に電界を形成させると同時に、該チャンネル156の、前記ゲート電極120に隣接する領域においてキャリヤーが形成される。前記ゲート電極電圧Vの増加に伴って、前記チャンネル156の、前記ゲート電極120に隣接する領域においてキャリヤーが蓄積される。該キャリヤーが所定の程度に蓄積される場合、前記ソース電極151とドレイン電極152との間に電流を形成することができる。該電流は、前記ソース電極151から前記ドレイン電極152に流れる。この場合、前記薄膜トランジスタ10は、オン状態になる。
前記半導体140は、半導体性を有するカーボンナノチューブだけを含むので、半導体性を有する前記カーボンナノチューブは、大きなキャリヤーの移動度を有し、該キャリヤーの移動度が10cm/Vs〜1500cm/Vsである。前記半導体140におけるカーボンナノチューブの直径が小さいので、該カーボンナノチューブは大きなバンドギャップ(Forbidden Band Gap)を有する。従って、前記薄膜トランジスタ10は、大きなキャリヤーの移動度を有し、速い応答速度を有し、小さなオフ電流を有し、大きなオン/オフ電流比を有する。該オン/オフ電流比は、1.0×10〜1.0×10である。
(実施例2)
図5を参照すると、本発明の実施例2は、薄膜トランジスタ20を提供する。該薄膜トランジスタ20は、ボトムゲート型(Bottom Gate Type)薄膜トランジスタであり、絶縁基板210の一つの表面に形成される。該薄膜トランジスタ20は、ゲート電極220、絶縁層230、半導体層240、ソース電極251、ドレイン電極252を含む。
本実施例の薄膜トランジスタ20の構造と実施例1の薄膜トランジスタ10の構造とは、基本的に同じである。本実施例と実施例1と異なる所は、前記ゲート電極220が前記絶縁基板210の一つの表面に設置され、前記絶縁層230が前記ゲート電極220の、前記絶縁基板210に隣接する表面との反対側に設置され、前記半導体層240が前記絶縁層230の前記ゲート電極220に隣接する表面との反対側に設置される。該絶縁層230により、前記ゲート電極220と前記半導体層240とを絶縁させる。前記ソース電極251と前記ドレイン電極252とが前記半導体層240の前記絶縁層230に隣接する表面との反対側に分離して設置され、前記半導体層240に電気的に接続される。前記絶縁層230により、前記ソース電極251及び前記ドレイン電極252と、前記半導体層240と、を前記ゲート電極220から絶縁させるので、前記半導体層240の、前記ソース電極251と前記ドレイン電極252との間の領域にチャンネル256を形成する。前記ゲート電極220は、前記絶縁基板210の、前記チャンネル256に対向する領域に設置し、前記絶縁層230により、前記ソース電極251、前記ドレイン電極252及び前記半導体層240から絶縁することが好ましい。
本実施例の薄膜トランジスタ20におけるゲート電極220、ソース電極251、ドレイン電極252及び絶縁層230の材料は、実施例1の薄膜トランジスタ10におけるゲート電極120、ソース電極151、ドレイン電極152及び絶縁層130の材料と同じである。本実施例の薄膜トランジスタ20におけるチャンネル256及び半導体層240の形状、面積は、実施例1の薄膜トランジスタ10におけるチャンネル156及び半導体層140の形状、面積と同じである。
前記ソース電極251と前記ドレイン電極252は、前記半導体層240又は絶縁層230の表面に設置されることができる。さらに、前記ソース電極251と前記ドレイン電極252は、前記半導体層240の、前記絶縁層230に隣接する表面との反対側に分離して設置される場合、前記ソース電極251及び前記ドレイン電極252と、前記ゲート電極220とは、前記半導体層240の異なる側に位置され、インバーテッド・スタガード型(Inverted Staggered Type)薄膜トランジスタが形成される。或いは、前記ソース電極251と前記ドレイン電極252は、前記半導体層240の前記絶縁層230に隣接する表面に分離して設置され、即ち、前記絶縁層230と前記半導体層240との間に位置される場合、前記ソース電極251及び前記ドレイン電極252と、前記ゲート電極220とは、前記半導体層240の同じ側に位置され、インバーテッド・コープレーナー型(Inverted Coplanar Type)薄膜トランジスタが形成される。
前記半導体層とする前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが優れた半導体性を有し、かつ該カーボンナノチューブ構造体において、半導体性を有するカーボンナノチューブだけを含むので、前記薄膜トランジスタは、大きなキャリヤーの移動度及び速い応答速度を有する。
前記半導体層におけるカーボンナノチューブの直径が小さく、5ナノメートル以下であり、該カーボンナノチューブは大きなバンドギャップを有するので、前記薄膜トランジスタ10は、小さなオフ電流を有し、大きなオン/オフ電流比を有する。該オン/オフ電流比は、1.0×10〜1.0×10である。
前記薄膜トランジスタの半導体層における前記カーボンナノチューブは、優れた力学性能、優れた靭性及び優れた機械強度を有するので、該薄膜トランジスタは、優れた靭性と機械強度を有する。
前記薄膜トランジスタの半導体層における前記カーボンナノチューブは、高温で影響を受けないので、該カーボンナノチューブからなる半導体層は、高温で大きなキャリヤーの移動度を有する。従って、前記薄膜トランジスタは高温の領域に応用されることができる。
前記カーボンナノチューブが大きな熱伝導率を有するので、前記薄膜トランジスタの作動において発生する熱量を放出することができる。従って、前記薄膜トランジスタの、大規模集積回路に応用する場合の放熱の問題を解決することができる。
10、20 薄膜トランジスタ
110、210 絶縁基板
120、220 ゲート電極
130、230 絶縁層
140、240 半導体層
151、251 ソース電極
152、252 ドレイン電極
156、256 チャンネル

Claims (4)

  1. ソース電極と、
    前記ソース電極と分離して設置されるドレイン電極と、
    前記ソース電極及び前記ドレイン電極に電気的に接続される半導体層と、
    絶縁層と、
    前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と絶縁状態で設置されるゲート電極と、
    を含む薄膜トランジスタにおいて、
    前記半導体層がカーボンナノチューブ構造体を含み、
    前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含み、
    全ての前記カーボンナノチューブが半導体性を有するカーボンナノチューブであることを特徴とする薄膜トランジスタ。
  2. 前記カーボンナノチューブ構造体がカーボンナノチューブアレイであることを特徴とする、請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  3. 前記カーボンナノチューブ構造体が互いに絡み合った複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  4. 前記カーボンナノチューブ構造体が複数の微孔構造を含むことを特徴とする、請求項3に記載の薄膜トランジスタ。
JP2009117608A 2008-05-14 2009-05-14 薄膜トランジスタ Active JP5685367B2 (ja)

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