TW201541637A - 薄膜電晶體 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種薄膜電晶體，其包括一半導體層、一源極、一汲極、一絕緣層、及一閘極，所述源極與汲極間隔設置且與所述半導體層電連接。所述閘極通過所述絕緣層與所述半導體層、所述源極及汲極間隔且絕緣設置，所述半導體層包括一奈米碳管複合膜，所述奈米碳管複合膜包括複數奈米碳管和複數半導體顆粒，所述半導體顆粒均勻分佈於所述複數奈米碳管中，所述半導體顆粒與奈米碳管相互連接形成一導電網路，所述半導體顆粒為一半導體片，該半導體片為由複數半導體分子層組成的層狀結構，層數為1~20，所述半導體片面積為0.1~5平方微米。
Description
本發明涉及一種薄膜電晶體，尤其採用奈米碳管複合膜作為半導體層的薄膜電晶體。
近幾年來，隨著奈米碳管研究的不斷深入，其廣闊應用前景不斷顯現出來。例如，由於奈米碳管所具有的獨特的半導體性能，可將其應用於薄膜電子器件，比如薄膜電晶體。
由於通過化學沈積法直接生長得到的奈米碳管為混合型的奈米碳管，其中有1/3奈米碳管表現出金屬性，因而不能作為半導體材料直接應用於薄膜電子器件。為了將奈米碳管作為半導體材料應用於薄膜電晶體，需要將其中的金屬性奈米碳管利用化學分離法去除。然，通過化學分離法步驟較繁瑣、並且得到的電子器件的品質嚴重依賴化學分離的純度。
有鑒於此，提供一種採用奈米碳管複合膜作為半導體層的薄膜電晶體實為必要。
一種薄膜電晶體，其包括：一半導體層、一源極、一汲極、一絕緣層、及一閘極，所述源極與汲極間隔設置且與所述半導體層電連接，所述閘極通過所述絕緣層與所述半導體層、所述源極及汲極間隔且絕緣設置，其中，所述半導體層包括一奈米碳管複合膜，所述奈米碳管複合膜包括複數奈米碳管和複數半導體顆粒，所述半導體顆粒均勻分佈於所述複數奈米碳管中，所述半導體顆粒與奈米碳管相互連接而形成一導電網路，所述半導體顆粒為一半導體片，該半導體片為由複數半導體分子層組成的層狀結構，該複數半導體分子層的層數為1~20，所述半導體片的面積為0.1平方微米~5平方微米，所述半導體片的厚度為2奈米~20奈米。
一種薄膜電晶體，其包括一半導體層、一源極、一汲極、一絕緣層、及一閘極，所述源極與汲極間隔設置且與所述半導體層電連接，所述閘極通過所述絕緣層與所述半導體層、所述源極及汲極間隔且絕緣設置，其中，所述半導體層包括一奈米碳管複合膜，所述奈米碳管複合膜包括複數奈米碳管和複數半導體顆粒，所述半導體顆粒均勻分佈於所述複數奈米碳管中，所述半導體顆粒與奈米碳管同時參與導電的過程，所述半導體顆粒的分佈密度為5個每平方微米~10個每平方微米。
本發明提供的薄膜電晶體具有以下優點：首先，由於在奈米碳管中摻雜半導體顆粒，奈米碳管與半導體顆粒電連接，該半導體顆粒抑制了所述奈米碳管中金屬特性的表達，從而使得所述奈米碳管複合膜整體表現良好的半導體性能；其次，可通過選擇P型或N型的半導體顆粒，而得到P型或N型單極性的薄膜電晶體。
圖1係本發明所述奈米碳管複合膜的結構示意圖。
圖2係本發明所述奈米碳管複合膜的掃描電鏡照片。
圖3係所述半導體顆粒的透射電鏡照片。
圖4係本發明所述奈米碳管複合膜的製備方法的流程圖。
圖5係本發明所述薄膜電晶體的結構示意圖。
圖6係本發明將半導體比例為95%的奈米碳管沈積得到的奈米碳管複合膜作為半導體層的薄膜電晶體的電子轉移特性的測試圖。
圖7係本發明將半導體比例為2/3的奈米碳管沈積得到的奈米碳管複合膜作為半導體層的薄膜電晶體的電子轉移特性的測試圖。
圖8係本發明提供的薄膜電晶體的製備方法流程圖。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例的奈米碳管複合膜、奈米碳管複合膜的製備方法及薄膜電晶體。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供的奈米碳管複合膜10，其包括複數奈米碳管11和複數半導體顆粒12。可以把單根奈米碳管看作一整體，所述半導體顆粒12均勻分佈於所述複數奈米碳管11之間或者表面。所述奈米碳管複合膜10可通過一基底13承載。
請參閱圖2，所述奈米碳管11無序分佈於所述基底13的表面。該複數半導體顆粒12與所述奈米碳管11相接觸。具體的，該複數半導體顆粒12可位於單根奈米碳管11的表面或者兩個相互間隔的奈米碳管11之間。相鄰的兩根奈米碳管11可通過一半導體顆粒12電連接。所述半導體顆粒12與奈米碳管11相互連接而形成一導電網路。
該複數奈米碳管11可為相互間隔、相互纏繞或相互搭接。當相鄰的兩根奈米碳管11相互間隔時，所述半導體顆粒12可分散於該相互間隔的奈米碳管11之間，並且與相互間隔的奈米碳管11分別接觸，即該相互間隔的奈米碳管11通過半導體顆粒12電連接形成一導電通路。當所述奈米碳管複合膜10的兩端載入電壓時，由於相互間隔的奈米碳管11通過半導體顆粒12電連接，因而所述半導體顆粒12與奈米碳管11同時參與導電過程而形成導電網路。所述奈米碳管11與半導體顆粒12相接觸的面積不限，只要所述半導體顆粒12與所述奈米碳管11接觸實現電連接即可。
所述半導體顆粒12與所述奈米碳管11接觸係指該半導體顆粒12與所述奈米碳管11至少部份重合而形成一連續的導電通路。可以理解，所述奈米碳管複合膜10可存在複數半導體顆粒12與奈米碳管11部份重疊且連續而形成複數導電通路。如圖2所示，所述複數半導體顆粒12與相鄰的奈米碳管11相互重疊且連續可形成複數曲線形或直線形的導電通路。
所述奈米碳管11的分佈密度為5根每平方微米~15根每平方微米，以保證有足夠數量的奈米碳管11參與導電網路的形成。所述半導體顆粒12在所述奈米碳管複合膜10中所佔的面積為30%~50%。具體的，所述半導體顆粒的分佈密度為5個每平方微米~10個每平方微米，以避免當半導體顆粒12較少時難以連接相鄰的相互間隔的奈米碳管11的情形，同時保證所述奈米碳管複合膜10中參與導電的主體仍為奈米碳管。本實施例中，所述奈米碳管11的分佈密度為5根每平方微米~10根每平方微米，所述半導體顆粒12在所述奈米碳管複合膜10中所佔的面積為30%~40%，所述半導體顆粒的分佈密度為5個每平方微米~7個每平方微米。
所述半導體顆粒12的材料可為過渡金屬硫化物、過渡金屬氧化物、非金屬氮化物等，例如：MoS2
、WS2
、WSe2
、WTe2
、BN、MnO2
、ZnO、MoSe2
、MoTe2
、TaSe2
、NiTe2
、Bi2
Te3
等。其中P型半導體的材料有WS2
、WSe2
、WTe2
等。N型半導體的材料有MoS2
、BN、MnO2
、ZnO、MoTe2
等。可以理解，當採用不同的半導體材料分佈於奈米碳管11中，可相應得到表現出P型或N型的奈米碳管複合膜。
所述半導體顆粒12的形狀不限，可為類三角形、類四邊形、類多邊形、或不規則形狀。請參閱圖3，所述半導體顆粒12為一厚度較小而面積較大的半導體片。所述半導體片的面積大小為0.1平方微米~5平方微米，優選為，0.1平方微米~3平方微米。所述半導體片的厚度為2奈米~20奈米，優選為，2奈米~10奈米。所述半導體片為從具有數百層分子層的層狀的半導體材料剝離得到的片狀結構，其面積與厚度的比值較大而呈一薄片狀。優選的，所述半導體片的面積與厚度的比值的範圍為3×105
奈米~ 4×105
奈米，以保證所述半導體片具有足夠的長度及寬度而連接相互間隔的奈米碳管11。具體的，所述半導體片為一具有較少數層半導體分子層的層狀結構。所述半導體分子層係指一個半導體分子的單層結構，其厚度為一個分子的厚度。所述半導體片中半導體分子層的層數為1~100，優選的，1~20。由於所述半導體片的半導體分子層層數較少，因而所述半導體片的厚度與奈米碳管11的直徑接近，得到的奈米碳管複合膜10為一厚度均勻的奈米級的薄膜結構。當該奈米碳管複合膜10應用於薄膜電晶體的半導體層時，由於所述半導體片具有較少數層半導體分子層，因而容易被閘極調製。
本實施例中，所述半導體顆粒12的材料為MoS2
，所述半導體顆粒12的形狀為類四邊形，所述半導體顆粒12的面積為0.1平方微米~3平方微米，所述半導體顆粒12中的半導體分子層的層數約為十層，所述半導體顆粒12的厚度為7奈米左右。
所述奈米碳管11可為純的半導體性奈米碳管，也可為金屬性奈米碳管與半導體性奈米碳管共同組成的混合型奈米碳管。其中，混合型奈米碳管中半導體性奈米碳管所佔的比例可為66.7%、90%、95%、98%，只要該奈米碳管11整體仍表現半導體性即可。具體的，可通過化學氣相沈積法直接生長得到包括金屬性奈米碳管與半導體性奈米碳管的混合型奈米碳管，由於該直接生長的混合型奈米碳管中半導體性奈米碳管與金屬性奈米碳管的比例為2：1，該混合型奈米碳管的半導體性奈米碳管所佔的比例約為66.7%，使該奈米碳管整體上仍然表現出半導體性。或者，可通過化學分離等手段除去全部的金屬性奈米碳管得到純的半導體性奈米碳管；或進行一定程度的化學分離除去部份的金屬性奈米碳管得到不同比例的半導體性奈米碳管。優選的，所述混合型奈米碳管的半導體性奈米碳管所佔的比例大於66.7%。所述奈米碳管為單壁奈米碳管，該奈米碳管的直徑小於5奈米，優選地，該奈米碳管的直徑小於2奈米。
所述複數奈米碳管11平行於所述基底13的表面。即，所述奈米碳管11的長軸方向平行於所述基底13的表面。所述奈米碳管的長度大於5微米，優選的，長度大於10微米。所述複數奈米碳管11為無序分佈。部份的奈米碳管11通過凡得瓦力相互吸引、纏繞或搭接，相互間隔的奈米碳管11可通過半導體顆粒12相連接，從而使得所述奈米碳管複合膜10整體呈一網路狀結構。所述奈米碳管複合膜10具有較好的韌性。該奈米碳管複合膜10包括大量的微孔結構，該微孔孔徑小於50微米。由於該奈米碳管複合膜10包括大量的微孔結構，因此，該奈米碳管複合膜10的透光性較好。該奈米碳管複合膜10的厚度為2奈米~10奈米。
本實施例中，所述奈米碳管11的直徑約為3奈米，該奈米碳管複合膜10的厚度約為15奈米。
當所述奈米碳管11為純的半導體性奈米碳管時，由於相互間隔的奈米碳管11可通過半導體顆粒12電連接，所述半導體顆粒12可幫助所述奈米碳管11形成一導電網路，而利於傳輸載子。當所述奈米碳管11為混合型奈米碳管時，該半導體顆粒12抑制了所述奈米碳管11中金屬特性的表達，從而使得所述奈米碳管複合膜10整體表現良好的半導體性能。並且，可根據實際需要，通過採用不同半導體性比例的奈米碳管與半導體顆粒12複合及兩者的質量比例而得到半導體性能連續且可控的奈米碳管複合膜10，從而利於其進一步應用於電子器件。
請參閱圖4，本發明第二實施例還提供一種奈米碳管複合膜的製備方法，該製備方法包括以下步驟：
S11，提供一含有複數半導體顆粒12的第一懸浮液；
S12，將第一懸浮液中的複數半導體顆粒12沈積於一基底13的表面；
S13，提供一含有複數奈米碳管11的第二懸浮液；及
S14，將第二懸浮液中的複數奈米碳管11沈積在帶有半導體顆粒12的基底13表面，形成一奈米碳管複合膜10。
在步驟S11中，所述形成第一懸浮液的步驟具體包括：
S111，提供一半導體材料，所述半導體材料為一層狀結構；及
S112，將所述半導體材料與一第一溶劑混合並超聲得到一含有複數半導體顆粒的懸浮液，每個半導體顆粒為一由複數半導體分子層組成的層狀結構，該複數半導體分子層的層數為1~20。
在步驟S111中，所述半導體材料為包括數百層以上的半導體分子層的層狀結構。所述半導體材料可為過渡金屬化合物、過渡金屬氮化物、過渡金屬硫化物等或其組合，如MoS2
、WS2
、WSe2
、WTe2
、BN、MnO2
、ZnO、MoSe2
、MoTe2
、TaSe2
、NiTe2
、Bi2
Te3
等。本實施例中，所述半導體材料為MoS2
。
在步驟S112中，在第一溶劑中超聲所述半導體材料得到層數較少的半導體顆粒。具體的原理如下：在超聲波的作用下第一溶劑中的微氣泡保持振動，當聲強到達一定的程度時，氣泡會迅速膨脹，然後迅速閉合；在這個過程中，氣泡閉合的瞬間產生衝擊波，使氣泡周圍產生較大的壓力，在衝擊波的反復作用下所述半導體材料中相鄰的分子層被分離開來，而得到分子層層數較少的半導體顆粒。
所述第一溶劑可為含有羥基或羰基等極性基團的溶劑，其極性強，介電常數較大，比如，水，乙醇，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，丙酮，氯仿，四氫呋喃等。由於採用包含極性基團的第一溶劑，因而在極性基團的作用下所述半導體材料中分子層與分子層之間的作用力會減弱而較容易的被分離開來。所述半導體材料與所述第一溶劑的混合比例為1g/200mL~1g/40mL，比如：1g/100mL、1g/50mL、1g/30mL。
所述超聲的功率為300瓦~600瓦。所述超聲的時間為5小時~24小時。本實施例中，所述半導體材料與所述第一溶劑的混合比例為1g/30mL，所述第一溶劑為NMP，所述超聲的功率為300瓦，所述超聲的時間為8小時。
所述半導體顆粒12為一半導體片，所述半導體片的面積為0.1平方微米~5平方微米，所述半導體片的厚度為2奈米~20奈米。
進一步的，對所述含有複數半導體顆粒12的第一懸浮液進行離心過濾，以去除分子層層數較多的半導體顆粒，而分子層層數較少的半導體顆粒由於層數少，質量較小，而處於懸浮液的中上層。
在步驟S12中，所述基底13具有一表面，用於承載所述奈米碳管複合膜10。所述基底13的材料不限，可為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、矽片等硬性材料或塑膠、樹脂等柔性材料。本實施例中，所述基底13的材料為二氧化矽。可以理解，為了使所述奈米碳管複合膜10更好的貼附於所述基底13的表面，可預先對所述基底13的表面進行預處理，而使基底13的表面帶有極性基團。所述極性基團可為羥基、氨基、羧基等。
本實施例中，對所述基底13進行預處理具體包括以下步驟：首先，對所述基底13進行親水處理；然後，將親水處理後的基底13用一有機溶劑進行處理。其中，利用過氧化氫和氨水的混合液對所述基底13進行親水處理，以使基底13的表面帶有羥基。所述有機溶劑為氨丙基三乙氧基矽烷(APTES)溶液，所述基底13表面帶有的羥基可與APTES更好的結合，而APTES中的氨基可以與奈米碳管11很好的結合，從而基底13通過行預處理使得其表面帶有氨基，進而使得奈米碳管11快速且牢固的黏附於基底13的表面。
所述將第一懸浮液中的複數半導體顆粒12沈積於基底13的表面係指所述複數半導體顆粒12進行物理性沈積，具體為：先將所述基底13預先放入一容器的底部，然後將所述第一懸浮液放置於所述容器內，最後經過一段時間的靜置，所述半導體顆粒12在重力的作用下，會緩慢的沈積於所述基底13的表面。所述第一懸浮液沈積的時間為5小時~24小時。本實施例中，所述第一懸浮液沈積的時間為10小時。
進一步的，將所述沈積有半導體顆粒12的基底13從容器中取出，並乾燥，以使所述半導體顆粒12通過凡得瓦力與基底13的表面更好的結合。
在步驟S13中，所述形成含有複數奈米碳管11的第二懸浮液的方法可為攪拌法和/或超聲分散法等，只要使得所述奈米碳管11均勻分散於該第二懸浮液中即可。具體的，將一定質量的奈米碳管11放置於一定體積的第二溶劑中，然後通過超聲一段時間，以使所述奈米碳管11均勻分散。所述超聲的時間可為30分鐘~3小時。所述超聲的功率可為300瓦~600瓦。所述奈米碳管11可為通過化學氣相沈積法（CVD法）直接生長得到的混合型單壁奈米碳管，也可為進一步經過化學分離得到的混合型奈米碳管或者純的單壁奈米碳管，只要所述奈米碳管11中半導體性奈米碳管所佔的比例大於66.7%，以使所述奈米碳管11整體表現出半導體性即可。所述第二溶劑不限，只要所述奈米碳管11不與所述第二溶劑反應，而係形成懸浮液即可。所述第二溶劑優選為水，乙醇，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，丙酮，氯仿，四氫呋喃等，由於其含有羥基或羰基等極性基團，從而其表現出較強的極性，具有較大的介電常數。所述第二溶劑與第一溶劑可以相同，也可以不相同。該奈米碳管11與所述第二溶劑的混合比例為1mg/200mL~1mg/40mL，比如1mg/100mL、1mg/50mL。在這裡需要說明的係，步驟S13第二懸浮液中的奈米碳管11的質量與步驟S11第一懸浮液中的半導體顆粒12的質量的比值為1:1000~1:3000，以避免在形成的奈米碳管複合膜10中當半導體顆粒12較少時難以連接相鄰的間隔的奈米碳管11的情形，同時保證所述奈米碳管複合膜10中參與導電的主體仍為奈米碳管。
本實施例中，通過超聲將所述奈米碳管11分散於NMP中，所述奈米碳管11為通過CVD法直接生長得到的單壁奈米碳管，該奈米碳管11與所述NMP的混合比例為1mg：30mL，所述第二懸浮液中的奈米碳管11與所述第一懸浮液中的半導體顆粒12的質量比例為1：1000。
在步驟S14中，所述沈積奈米碳管11的步驟具體為：將所述沈積有半導體顆粒12的基底13預先放入一容器的底部，然後將該第二懸浮液置於該容器內。經過一段時間的靜置，所述奈米碳管11在重力及基底13表面的極性基團的作用下，會緩慢的沈積於所述基底13的表面，而形成所述奈米碳管複合膜10。請參閱圖2，由於所述半導體顆粒12均勻分佈於第一懸浮液中，所述奈米碳管11均勻分佈於第二懸浮液中，因而分步沈積之後得到的奈米碳管複合膜10中的半導體顆粒12也均勻分佈於所述奈米碳管11中。相鄰的兩個間隔的奈米碳管11通過一半導體顆粒12連接。即，所述奈米碳管11與半導體顆粒12相互連接，所述奈米碳管11和半導體顆粒12同時參與導電的過程。所述第二懸浮液沈積的時間為20分鐘~2小時。本實施例中，所述第二懸浮液沈積的時間為30分鐘。
在步驟S14形成所述奈米碳管複合膜10之後，可包括一對所述奈米碳管複合膜10進行乾燥的過程。具體的，將所述奈米碳管複合膜10連同所述基底13從所述容器中取出後，位於所述奈米碳管複合膜10的遠離基底13表面及所述奈米碳管複合膜10與基底13之間的溶劑會逐漸揮發。當所述奈米碳管複合膜10與基底13之間的溶劑揮發後，所述奈米碳管複合膜10會緊密的貼附於所述基底13的表面。
所述奈米碳管複合膜10的製備方法具有以下優點：首先，採用分步的先沈積半導體顆粒12、後沈積奈米碳管11而形成所述奈米碳管複合膜10的方法，所述半導體顆粒12會參與到奈米碳管11的導電網路的形成，而避免了第一懸浮液和第二懸浮液兩者混合後團聚，及在採用兩者同時沈積的方法時由於奈米碳管11和半導體顆粒12質量不一致，沈積的速度不一致，造成的薄膜不均勻，難以得到奈米碳管11和半導體顆粒12形成的導電網路的情形；同時也避免了先沈積奈米碳管11而後沈積半導體顆粒12造成的半導體顆粒12不會參與導電過程的情形；其次，可通過調整所述奈米碳管11和半導體顆粒12的質量比，而得到不同半導體性質的奈米碳管複合膜10；最後，可根據器件的單極性需要，可在奈米碳管11中選擇摻雜P型或N型的半導體顆粒12。
請參閱圖5，為本發明第三實施例提供一種薄膜電晶體100，該薄膜電晶體100為頂柵型，其包括一半導體層101、一源極102、一汲極103、一絕緣層104、及一閘極105。所述半導體層101、源極102、汲極103設置於所述絕緣層104一表面。所述源極102與汲極103間隔設置且與所述半導體層101電連接。所述閘極105通過所述絕緣層104與所述半導體層101、所述源極102及汲極103間隔且絕緣設置。所述薄膜電晶體100可形成於一絕緣基板110表面。
所述閘極105設置於所述絕緣基板110表面。所述絕緣層104設置於所述閘極105遠離絕緣基板110的表面。所述源極102及汲極103設置於所述絕緣層104遠離所述閘極105的表面，並通過所述絕緣層104與所述閘極105絕緣設置。所述半導體層101設置於所述絕緣層104的表面，並部份覆蓋所述源極102及汲極103。所述半導體層101位於所述源極102和汲極103之間的區域形成一溝道1010。
所述半導體層101包括一奈米碳管複合膜。所述奈米碳管複合膜平行於所述半導體層101的表面。所述半導體層101中靠近所述源極102及汲極103的奈米碳管複合膜分別與所述源極102及汲極103相接觸，以實現在源極102及汲極103之間形成導電通路。
該奈米碳管複合膜包括複數奈米碳管和複數半導體顆粒。所述半導體顆粒均勻分佈於所述複數奈米碳管之間。相鄰的兩根奈米碳管可通過一半導體顆粒電連接。即，所述半導體顆粒與所述奈米碳管相互連接，所述半導體顆粒與奈米碳管同時參與導電的過程而形成一導電網路。
所述奈米碳管複合膜與第一實施例提供的奈米碳管複合膜10相同，在此不再贅述。
當採用不同類型的半導體顆粒，比如P型或N型的半導體顆粒時，所述奈米碳管複合膜也為P型或N型，相應的，所得到的薄膜電晶體100也會表現出P型或N型的單極性。舉例來說，當半導體顆粒為P型的WS2
、WSe2
、WTe2
等時，暴露於空氣中的奈米碳管也表現為P型半導體，因而得到的奈米碳管複合膜也表現為P型半導體。而當半導體顆粒為N型的MoS2
、BN、MnO2
、ZnO、MoTe2
等時，為了使所述奈米碳管複合膜也表現為N型半導體，可在所述奈米碳管複合膜的表面額外設置一HfO2
層，以避免奈米碳管暴露於空氣中。
當採用不同半導體比例的奈米碳管時，得到的奈米碳管複合膜表現不同的半導體性質。舉例來說，請參閱圖6，當採用半導體比例為95%的奈米碳管時，得到的奈米碳管複合膜的電流開關比大於104
，適合應用於邏輯型器件；請參閱圖7，當採用半導體比例為2/3的奈米碳管時，得到的奈米碳管複合膜的飽和電流大於10A，載流能力較強，適合應用於功率型器件。
另外，也可根據所述奈米碳管與半導體顆粒的混合比例不同，而得到不同的半導體性質的奈米碳管複合膜。以所述半導體顆粒採用MoS2
為例，當所述奈米碳管的質量比例較高時，得到的奈米碳管複合膜載流能力較強，適合應用於功率型器件。當所述MoS2
的質量比例較高時，得到的奈米碳管複合膜的開關比較好，適合應用於邏輯型器件。
本實施例中，所述奈米碳管與半導體顆粒的的質量比值為1：1000，所述半導體顆粒的材料為MoS2
，所述半導體顆粒的形狀為類四邊形，所述半導體顆粒的面積為0.1平方微米~3平方微米，所述半導體顆粒的半導體分子層的層數約為10層，所述半導體顆粒的厚度為7奈米左右，所述奈米碳管的直徑約為3奈米，該奈米碳管複合膜的厚度約為15奈米。
所述絕緣層104的材料為氧化鋁、氮化矽、氧化矽等硬性材料或苯並環丁烯(BCB)、聚氧化乙烯（PEO）、聚酯或丙烯酸樹脂等柔性材料。該絕緣層104的厚度為10奈米~100微米。本實施例中，所述絕緣層104的材料為氧化鋁，所述絕緣層104的厚度為40奈米。
所述源極102、汲極103及閘極105由導電材料組成。優選地，所述源極102、汲極103及閘極105為一層導電薄膜。該導電薄膜的厚度為0.5奈米~100微米。該導電薄膜的材料為金屬，如鋁、銅、鉻、鎢、鉬、金、鈦、釹、鈀、銫等。可以理解，所述源極102、汲極103及閘極105的材料也可為奈米碳管層。本實施例中，所述源極102、汲極103及閘極105的材料為金屬金，厚度為50奈米。
所述絕緣基板110起支撐作用，其材料可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、矽片等硬性材料或塑膠、樹脂等柔性材料。本實施例中，所述絕緣基板110的材料為二氧化矽。所述絕緣基板110用於對薄膜電晶體100提供支撐。所述絕緣基板110也可選用大型積體電路中的基板，且複數薄膜電晶體100可按照預定規律或圖形集成於同一絕緣基板110上，形成薄膜電晶體面板或其他薄膜電晶體半導體器件。
可以理解，所述薄膜電晶體100也可設置成底柵型，即，閘極直接設置於絕緣基板的表面，其他結構基本相同。
當所述薄膜電晶體100在工作時，所述源極102接地，在所述汲極103上施加一電壓Vds，在所述閘極105上施一電壓Vg。當閘極105施加一定的正電壓或負電壓，在溝道1010對應於所述閘極105的部份產生電場，並在溝道1010靠近閘極105的表面處產生感應載子。由於所述奈米碳管和半導體顆粒相互連接而形成導電網路，當載子積累到一定程度時，在源極102和汲極103之間會產生電流。
請參閱圖8，本發明第三實施例還提供一種薄膜電晶體100的製備方法，該製備方法包括以下步驟：
步驟S21，提供一絕緣基板110，在所述絕緣基板110的表面沈積一奈米碳管複合膜，所述奈米碳管複合膜包括複數奈米碳管和複數導電顆粒，所述奈米碳管和導電顆粒相互連接形成一導電網路；
步驟S22，在所述奈米碳管複合膜的表面設置相互間隔的源極102及汲極103；
步驟S23，在所述奈米碳管複合膜、源極102及汲極103的表面設置一絕緣層104；及
步驟S24，在所述絕緣層104的表面設置一閘極105。
在步驟S21中，所述在絕緣基板110的表面沈積奈米碳管複合膜具體包括以下步驟:
S211，提供一含有奈米碳管的第一懸浮液；
S212，將複數半導體顆粒沈積於絕緣基板110的表面；
S213，提供一含有半導體顆粒的第二懸浮液；及
S214，在帶有半導體顆粒的絕緣基板表面進一步沈積奈米碳管，以形成一奈米碳管複合膜。
步驟S211至步驟S214與第二實施例中步驟S11至步驟S14相同，在此不再贅述。
本實施例中，通過將半導體材料在NMP中超聲得到所述第一懸浮液，沈積半導體顆粒的時間為10小時，其中，所述半導體材料為MoS2
，所述超聲的功率為300瓦，所述超聲的時間為8小時；通過將所述奈米碳管攪拌並超聲的方法分散於NMP中得到第二懸浮液，沈積奈米碳管的時間為30分鐘，其中，所述奈米碳管為通過CVD法直接生長得到的單壁奈米碳管，該奈米碳管與所述半導體材料的質量比例為1：1000。
所述絕緣基板110具有一表面，用於承載所述奈米碳管複合膜。本實施例中，所述絕緣基板110的材料為二氧化矽。可以理解，為了使所述奈米碳管複合膜更好的黏附於所述絕緣基板110的表面，可對所述絕緣基板110進行一表面預處理的步驟。該表面預處理的步驟與第二實施例的步驟S11中的對基底13進行預處理的步驟相同。
在步驟S22中，形成所述源極102及汲極103的方法可為絲網印刷法、磁控濺射法、氣相沈積法、原子層沈積法等。具體的，可通過具有複數開孔的掩模一次形成相互間隔的源極102及汲極103，也可先形成一連續的導電薄膜，然後通過電漿蝕刻法、鐳射蝕刻法、濕法蝕刻等手段進行圖案化，得到複數相互間隔的源極102及汲極103。本實施例中，通過氣相沈積法在所述奈米碳管複合膜的表面沈積金屬鉻作為源極102及汲極103。
在步驟S23中，所述絕緣層104的製備方法可為磁控濺射法、氣相沈積法、或原子層沈積法等方法。本實施例中，採用原子層沈積法形成氧化鋁作為絕緣層104，所述絕緣層104的厚度為100奈米。
在步驟S24中，所述閘極105可通過磁控濺射法、電子束沈積法或原子層沈積法等形成在所述絕緣層104的表面，也可以通過絲網印刷、刀片刮塗等方法直接塗覆導電漿料於所述絕緣層104的表面。本實施例中，通過氣相沈積法在所述絕緣層104的表面沈積金屬金作為所述閘極105。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧奈米碳管複合膜
11‧‧‧奈米碳管
12‧‧‧半導體顆粒
13‧‧‧基底
100‧‧‧薄膜電晶體
101‧‧‧半導體層
1010‧‧‧溝道
102‧‧‧源極
103‧‧‧汲極
104‧‧‧絕緣層
105‧‧‧閘極
110‧‧‧絕緣基板
無
10‧‧‧奈米碳管複合膜
11‧‧‧奈米碳管
12‧‧‧半導體顆粒
13‧‧‧基底
Claims (13)
- 一種薄膜電晶體，其包括一半導體層、一源極、一汲極、一絕緣層、及一閘極，所述源極與汲極間隔設置且與所述半導體層電連接，所述閘極通過所述絕緣層與所述半導體層、所述源極及汲極間隔且絕緣設置，其改進在於，所述半導體層包括一奈米碳管複合膜，所述奈米碳管複合膜包括複數奈米碳管和複數半導體顆粒，所述半導體顆粒均勻分佈於所述複數奈米碳管中，所述半導體顆粒與奈米碳管相互連接而形成一導電網路，所述半導體顆粒為一半導體片，該半導體片為由複數半導體分子層組成的層狀結構，該複數半導體分子層的層數為1~20，所述半導體片的面積為0.1平方微米~5平方微米，所述半導體片的厚度為2奈米~20奈米。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體顆粒與所述奈米碳管接觸而電連接。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管的分佈密度為5根每平方微米~15根每平方微米。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管為單壁奈米碳管。
- 如請求項第4項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管為純的半導體性奈米碳管。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管複合膜中，所述奈米碳管呈無序分佈，部份的奈米碳管通過凡得瓦力相互吸引、纏繞或搭接。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體顆粒的材料為P型半導體顆粒或N型半導體顆粒。
- 如請求項第7項所述的薄膜電晶體，其中，所述P型半導體顆粒為WS2 、WSe2 、或WTe2 。
- 如請求項第7項所述的薄膜電晶體，其中，所述N型半導體顆粒為MoS2 、BN、MnO2 、ZnO、或MoTe2 。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米複合膜中，所述半導體顆粒的分佈密度為5個每平方微米~10個每平方微米。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體片在所述奈米碳管複合膜中所佔的面積為30%~50%。
- 如請求項第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體片的面積為0.1平方微米~3平方微米，所述半導體片的厚度為2奈米~10奈米。
- 一種薄膜電晶體，其包括其包括一半導體層、一源極、一汲極、一絕緣層、及一閘極，所述源極與汲極間隔設置且與所述半導體層電連接，所述閘極通過所述絕緣層與所述半導體層、所述源極及汲極間隔且絕緣設置，其改進在於，所述半導體層包括一奈米碳管複合膜，所述奈米碳管複合膜包括複數奈米碳管和複數半導體顆粒，所述半導體顆粒均勻分佈於所述複數奈米碳管中，所述半導體顆粒與奈米碳管同時參與導電的過程，所述半導體顆粒的分佈密度為5個每平方微米~10個每平方微米。
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