JP2011040756A - 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、半導体層と、絶縁層と、ゲート電極を含む。前記半導体層が、前記ソース電極と、前記ドレイン電極とに電気的に接続され、前記ゲート電極が、前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と絶縁状態で設置され、前記ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とは、それぞれカーボンナノチューブ―金属複合材料体からなる。前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体は、カーボンナノチューブ構造体と、前記カーボンナノチューブ構造体に被覆された金属層とを含む。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のみからなる。
【選択図】図１
【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、半導体層と、絶縁層と、ゲート電極を含む。前記半導体層が、前記ソース電極と、前記ドレイン電極とに電気的に接続され、前記ゲート電極が、前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と絶縁状態で設置され、前記ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とは、それぞれカーボンナノチューブ―金属複合材料体からなる。前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体は、カーボンナノチューブ構造体と、前記カーボンナノチューブ構造体に被覆された金属層とを含む。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のみからなる。
【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。
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される。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する領域には、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に、キャリアを蓄積させることができる。該キャリアが所定の程度に蓄積される場合、前記半導体層に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電流が流れる。
従来技術において、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、キャリアの移動度は、小さくなる。該キャリアの移動度が一般的に１ｃｍ２Ｖ−１ｓ−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の場合、キャリアの移動度は、大きくなる。該キャリアの移動度が一般的に１０ｃｍ２Ｖ−１ｓ−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、製造方法が複雑であり、コストが高く、大面積での製造が難しく、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、高い靭性を有する長所がある。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の材料は、金属又は合金である。前記絶縁層の材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）又は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。
"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、金属又は合金からなるゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を採用した従来の薄膜トランジスタは、柔軟性がなく、柔軟な電子装置（例えば、柔性なディスプレイ）において使用できない。さらに、金属又は合金からなるゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を採用した従来の薄膜トランジスタは、耐高温性が悪く、高温で溶ける可能性があるため、従来の薄膜トランジスタは、極端な条件又は環境で使用することができない。
従って、本発明は、良好な柔軟性及び耐高温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。
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、半導体層と、絶縁層と、ゲート電極とを含む。前記半導体層が、前記ソース電極と、前記ドレイン電極とに電気的に接続され、前記ゲート電極が、前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と絶縁状態で設置され、前記ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とは、それぞれカーボンナノチューブ―金属複合材料体からなる。前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体は、カーボンナノチューブ構造体と、前記カーボンナノチューブ構造体に被覆された金属層とを含む。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のみからなる。
前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体において、前記カーボンナノチューブ構造体における各々のカーボンナノチューブには、前記金属層が被覆されている
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、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極は、カーボンナノチューブ―金属複合材料体からなり、カーボンナノチューブ構造体を半導体層とする。カーボンナノチューブ―金属複合材料体及び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、優れた力学性能を有するので、カーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ構造体及びカーボンナノチューブ―金属複合材料体は、優れた靱性と機械強度を有する。従って、カーボンナノチューブ構造体からなる半導体層と、カーボンナノチューブ―金属複合材料体からなるソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を有する薄膜トランジスタは、優れた靱性と機械強度を有する。
前記カーボンナノチューブ構造体を含む半導体層、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が他の材料よりも優れた耐熱性を有するので、前記薄膜トランジスタ及び、該薄膜トランジスタを採用する半導体素子は、高温で作動することができる。
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時に発生する熱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。
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１００を提供する。該薄膜トランジスタ１００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１００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の一つの表面に設置される。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、前記絶縁基板１１０に接触する表面とは反対側の表面に、所定の距離で分離して設置され、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、前記ソース電極１５１、前記ドレイン電極１５２及び前記半導体層１４０を、被覆するように設置されている。前記ゲート電極１２０は、前記絶縁層１３０の前記半導体層１４０に接触する表面とは反対側の表面に設置され、且つ前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２の間に設置されている。
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１００を提供する。該薄膜トランジスタ１００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１００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の一つの表面に設置される。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、前記絶縁基板１１０に接触する表面とは反対側の表面に、所定の距離で分離して設置され、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、前記ソース電極１５１、前記ドレイン電極１５２及び前記半導体層１４０を、被覆するように設置されている。前記ゲート電極１２０は、前記絶縁層１３０の前記半導体層１４０に接触する表面とは反対側の表面に設置され、且つ前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２の間に設置されている。
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との間に位置する領域に、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との間に位置する。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１００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１００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が分離して設置され、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１００を支持するために用いられる。
前記半導体層１４０は、有機半導体重合体又は半導体性を有するカーボンナノチューブ構造体からなる。本実施例において、前記半導体層１４０は、カーボンナノチューブ構造体からなる。該カーボンナノチューブ構造体は、シート状の自立構造を有するカーボンナノチューブ構造体である。ここで、自立構造とは、支持体を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立的に利用するというものである。
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のみからなり、且つ、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分散されている。前記複数のカーボンナノチューブの大部分は、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に平行にしている。前記カーボンナノチューブ構造体は、配向型のカーボンナノチューブ構造体である。即ち、前記カーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。又は、前記配向型のカーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層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が単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。
例えば、前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚の、厚さが０．５ｎｍ〜１０μｍであるカーボンナノチューブフィルム、少なくとも一本の、直径が０．５ｎｍ〜１０μｍであるカーボンナノチューブワイヤ又は前記カーボンナノチューブフィルム及びカーボンナノチューブワイヤの組み合わせにより形成される物である。前記カーボンナノチューブフィルムは、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）から引き出して得られたドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）であることができる。前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数のカーボンナノチューブフィルムからなる場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上の角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ構造体に複数の微孔が形成される。
前記半導体層１４０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。本実施例において、前記カーボンナノチューブ構造体（即ち半導体層１４０）は、長さが５０マイクロメートルであり、幅が３００マイクロメートルであり、厚さが１マイクロメートルである。前記チャンネル１５６は、長さが４０マイクロメートルであり、幅が３００マイクロメートルである。
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はアクリル酸樹脂からなり、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ならば、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を、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１及び図２を参照し、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、カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０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、一層のカーボンナノチューブ―金属複合材料体２０からなり、又は積層された複数のカーボンナノチューブ―金属複合材料体２０からなる。前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０の厚さが、１．５ｎｍ〜１ｍｍである。前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０の光透過率が７０％〜９５％である。
図２を参照すると、前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０は、複数のカーボンナノチューブ２１からなるカーボンナノチューブ構造体及び金属層（図示せず）を備える。前記金属層は、前記カーボンナノチューブ構造体における各々のカーボンナノチューブ２１の外表面に被覆されている。
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のみからなり、且つ、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分散されている。前記複数のカーボンナノチューブの大部分は、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に平行している。前記カーボンナノチューブ構造体は、配向型のカーボンナノチューブ構造体である。即ち、前記カーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。
前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造を有するカーボンナノチューブ構造体である。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からなるカーボンナノチューブフィルム又はカーボンナノチューブワイヤを含む。
図３を参照すると、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは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）から引き出して得られたドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。一枚の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、一枚の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。また、前記複数のカーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの表面に平行して配列されている。図３及び図４を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの強靭性及び機械強度を高めることができる。
前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、互いに平行していることが好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体は、共面された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、互いに平行している。
前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、カーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす第二ステップと、を含む。
図５を参照すると、一本の前記カーボンナノチューブワイヤ（非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ）は、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、１μｍ〜１ｃｍである。
前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、次の二種がある。第一種では、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの長手方向に沿って、前記カーボンナノチューブフィルムを所定の幅で切断し、カーボンナノチューブワイヤを形成する。第二種では、前記カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させて、前記カーボンナノチューブフィルムを収縮させてカーボンナノチューブワイヤを形成することができる。
一つの例として、前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルム及び少なくとも一つのカーボンナノチューブワイヤからなる。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブワイヤと同じ方向に沿って平行配列している。
前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０は、複数のカーボンナノチューブ―金属複合ワイヤからなることができる。この場合、前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０における複数のカーボンナノチューブ―金属複合ワイヤは、互いに交叉するように接続して、網状構造を形成する。前記カーボンナノチューブ―金属複合ワイヤは、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤと、前記カーボンナノチューブワイヤの外表面に被覆された金属層と、を含む。前記カーボンナノチューブ―金属複合ワイヤは、少なくとも二本のカーボンナノチューブワイヤを含んでいる場合、前記カーボンナノチューブワイヤは、互いに並列され、又は交叉される。この場合、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤの外表面に金属層が被覆されている。前記カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブからなる。ここで、金属層が被覆されたカーボンナノチューブワイヤに、各々のカーボンナノチューブの外表面に全て金属層が被覆されている。更に、前記カーボンナノチューブ―金属複合ワイヤは、ナノ金属ワイヤとカーボンナノチューブの複合構造体であることができる。この場合、前記カーボンナノチューブは、前記ナノ金属ワイヤの中に埋め込まれている。
本実施例において、前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０は、積層された複数のカーボンナノチューブフレームからなるカーボンナノチューブ構造体を含む。カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０における各々のカーボンナノチューブの外表面に全て金属層が被覆されている。図６を参照すると、前記金属層は、前記カーボンナノチューブ２１の外表面に順次的に被覆された濡れ層２２と、過渡層２３と、導電層２４と、抗酸化層２５と、を含む。ここで、前記濡れ層２２は、前記カーボンナノチューブ２１に直接的に接触されている。前記抗酸化層２５は、前記金属層の最外側に配置されている。
カーボンナノチューブは金属で濡れ難いので、前記濡れ層２２を設置することにより、前記カーボンナノチューブ２１と前記導電層２４とを有効に結合させることができる。前記濡れ層２２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）及びチタン（Ｔｉ）の一種又は数種の合金などの前記カーボンナノチューブ２１との浸潤性がよい材料からなる。前記濡れ層２２の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍである。本実施例において、前記濡れ層２２は、ニッケルからなり、その厚さが２ｎｍである。
前記過渡層２３は、前記濡れ層２２と前記導電層２４とを結合させるために設置されている。前記過渡層２３は、銅、銀及びその一種の合金からなる。前記過渡層２３の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍである。本実施例において、前記過渡層２３は銅からなり、その厚さが２ｎｍである。前記過渡層２３を設置しなくてもよい。
前記導電層２４は、前記カーボンナノチューブ構造体の導電性を高めるために設置されている。前記導電層２４は、金、銅、銀及びその一種の合金からなる。前記導電層２４の厚さは、１ｎｍ〜２０ｎｍである。本実施例において、前記導電層２４は銀からなり、その厚さが１０ｎｍである。
前記抗酸化層２５は、前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０の酸化を防ぐために設置されている。前記抗酸化層２５は、金、白金などの抗酸化金属及びその一種の合金からなる。前記抗酸化層２５の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍである。本実施例において、前記抗酸化層２５は白金からなり、その厚さが２ｎｍである。前記抗酸化層２５を設置しなくてもよい。
更に、前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０の強靭性を高めるために、前記抗酸化層２５を覆うように強化層２６を設置することができる。前記強化層２６は、ポリ酢酸ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ，ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ，ＰＶＣ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＰＥ）、パラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｂｅｎｚｏｂｉｓｏｘａｚｏｌｅ，ＰＢＯ）のいずれか一種からなる。前記強化層２６の厚さは、０．１μｍ〜１μｍである。本実施例において、前記強化層２６はＰＶＡからなり、その厚さが０．５μｍである。前記強化層２６を設置しなくてもよい。
前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体２０の製造方法は、複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を提供するステップ（ａ）と、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に、少なくとも一つの導電性層を被覆させるステップ（ｂ）と、を含む。
前記ステップ（ａ）における前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。前記第一ステップは、さらに、カーボンナノチューブアレイ（非特許文献２）を生長させるステップ（ａ１）と、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出すステップ（ａ２）と、前記カーボンナノチューブフィルムを加工してカーボンナノチューブ構造体を形成するステップ（ａ３）と、を含む。前記カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブの間に複数の間隙がある。前記カーボンナノチューブの間の間隙は、前記カーボンナノチューブの直径より大きくてもよい。
前記ステップ（ｂ）は、さらに、少なくとも一つの気化源を含む真空装置を提供するステップ（ｂ１）と、前記少なくとも一つの気化源を加熱させて、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に少なくとも一つの導電性層を堆積させるステップ（ｂ２）と、を含む。
前記ステップ（ｂ１）において、前記真空装置は、堆積空間を備えている。前記堆積空間の上方及び下方に、対応して複数の前記気化源が設置されている。前記堆積空間の上方に設置された前記気化源は、前記堆積空間の下方に設置された前記気化源と一つずつ対向して設置されている。対向する前記二つの気化源は、同じ金属材料を含む。前記カーボンナノチューブ構造体の一側の表面が、前記堆積空間の上方に設置された前記気化源に対向し、前記カーボンナノチューブ構造体の前記表面と反対側の表面が、前記堆積空間の下方に設置された前記気化源に対向するように、前記カーボンナノチューブ構造体を前記真空装置の中に設置する。前記カーボンナノチューブ構造体を前記気化源に接触しないように、前記対向する二つの気化源の間から通す。真空ポンプを利用して、前記真空装置を真空化させることができる。
前記ステップ（ｂ２）において、加熱装置を利用して、前記気化源を加熱させて、前記気化源に含まれた金属材料を蒸着させて気化金属材料を形成する。前記気化金属材料は前記カーボンナノチューブ構造体と接触すると、それぞれ前記カーボンナノチューブ構造体の全ての表面に凝固されて、導電性層が形成される。前記カーボンナノチューブ構造体において、隣接するカーボンナノチューブの間に微小な隙間があるので、前記気化金属材料が、隣接するカーボンナノチューブの間に浸透されることができる。
実際の条件により、前記対向する二つの気化源の間の距離、及び前記カーボンナノチューブ構造体と前記気化源との間の距離を調整することができる。前記カーボンナノチューブ構造体の表面に異なる材料を被覆させる場合、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に塗布しようとする異なる材料の順番に従い、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の長手方向に沿って、前記異なる材料を含む気化源を設置する。被覆作業を実施する場合には、前記カーボンナノチューブ構造体を前記気化源の間を通して移動させ、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に異なる材料を被覆させることができる。
前記気化金属材料の酸化を防止し、前記気化金属材料の密度を高めるために、前記真空装置の中の真空度を１Ｐａ以下に設定することができる。本実施例において、前記真空度は、４×１０−４Ｐａである。
さらに、前記ステップ（ｂ２）は、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に濡れ層を形成する第一サブステップと、前記濡れ層の表面に過渡層を形成する第二サブステップと、前記過渡層の表面に導電層を形成する第三サブステップと、前記導電層の表面に抗酸化層を形成する第四サブステップと、を含むことができる。前記第一サブステップ及び第二サブステップ及び第四サブステップは、選択的な工程である。
さらに、前記導電性層を覆うように強化層を設置する工程を含むことができる。ポリマー溶液に金属層が被覆されたカーボンナノチューブ構造体を浸漬させて、前記金属層の表面に強化層を形成することができる。前記工程は、前記真空装置の中で行われる。これにより、連続な製造工程を実現することができる。
図７を参照すると、前記薄膜トランジスタ１００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Ｖｇを印加する場合、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アが形成される。前記ゲート電極電圧Ｖｇ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アが蓄積される。該キャリア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１００は、オン状態になる。
前記半導体層１４０は、優れた半導体性を有するカーボンナノチューブを含むので、該カーボンナノチューブは、キャリアの移動度が大きい。前記カーボンナノチューブが前記ソース電極１５１からドレイン電極１５２への方向に沿って配列されるので、キャリアは、前記ソース電極１５１から前記半導体層１４０を通って、前記ドレイン電極１５２へ移動する距離が小さくなる。従って、前記半導体層１４０を採用した前記薄膜トランジスタ１００は、大きなキャリアの移動度を有し、該薄膜トランジスタ１００の応答速度は、速くなる。本実施例において、前記薄膜トランジスタ１００のキャリアの移動度は、１０ｃｍ２／Ｖｓより大きく、好ましくは、１５００ｃｍ２／Ｖｓである。オン／オフ電流比は、１．０×１０２〜１．０×１０６である。
（実施例２）
図８を参照すると、本発明の実施例２は、薄膜トランジスタ２００を提供する。該薄膜トランジスタ２００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２００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。
図８を参照すると、本発明の実施例２は、薄膜トランジスタ２００を提供する。該薄膜トランジスタ２００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２００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２００の構造と実施例１の薄膜トランジスタ１００の構造とを比較すると、次の異なる点がある。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。
１００、２００ 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
２０ カーボンナノチューブ―金属複合材料体
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
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
２０ カーボンナノチューブ―金属複合材料体
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
Claims (2)
- 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、
半導体層と、
絶縁層と、
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、前記ソース電極と、前記ドレイン電極とに電気的に接続され、
前記ゲート電極が、前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と絶縁状態で設置され、
前記ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とは、それぞれカーボンナノチューブ―金属複合材料体からなり、
前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体は、カーボンナノチューブ構造体と、前記カーボンナノチューブ構造体に被覆された金属層とを含み、
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のみからなることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 前記カーボンナノチューブ―金属複合材料体において、前記カーボンナノチューブ構造体における各々のカーボンナノチューブには、前記金属層が被覆されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
Applications Claiming Priority (2)
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