TW201818552A - 薄膜電晶體的製備方法 - Google Patents
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Abstract
一種薄膜電晶體的製備方法，包括以下步驟：提供一柵極，在所述柵極的表面設置一絕緣層；提供一碳納米管膜，鋪設該碳納米管膜於一所述絕緣層表面；將所述碳納米管膜置於掃描電鏡下拍攝照片，區分該碳納米管膜中的金屬型碳納米管和半導體型碳納米管；除去碳納米管膜中的金屬型碳納米管，形成一半導體層；間隔形成一源極及一漏極，並使該源極及漏極與所述半導體層電連接，得到一薄膜電晶體。
Description
本發明涉及一種薄膜電晶體的製備方法，尤其涉及一種基於奈米碳管的薄膜電晶體的製備方法。
薄膜電晶體（Thin Film Transistor, TFT）是現代微電子技術中的一種關鍵性電子元件，目前已經被廣泛的應用於平板顯示器等領域。薄膜電晶體主要包括柵極、絕緣層、半導體層、源極和漏極。其中，源極和漏極間隔設置並與半導體層電連接，柵極通過絕緣層與半導體層及源極和漏極間隔絕緣設置。所述半導體層位於所述源極和漏極之間的區域形成一溝道區域。薄膜電晶體中的柵極、源極、漏極均由導電材料構成，該導電材料一般為金屬或合金。當在柵極上施加一電壓時，與柵極通過絕緣層間隔設置的半導體層中的溝道區域會積累載流子，當載流子積累到一定程度，與半導體層電連接的源極漏極之間將導通，從而有電流從源極流向漏極。在實際應用中，對薄膜電晶體的要求是希望得到較大的開關電流比。影響上述開關電流比的因素除薄膜電晶體的製備工藝外，薄膜電晶體半導體層中半導體材料的載流子遷移率為影響開關電流比的最重要的影響因素之一。
先前技術中，薄膜電晶體中形成半導體層的材料為非晶矽、多晶矽或有機半導體聚合物等(R. E. I. Schropp, B. Stannowski, J. K. Rath, New challenges in thin film transistor research, Journal of Non-Crystalline Solids, 299-302, 1304-1310 (2002))。以非晶矽作為半導體層的非晶矽薄膜電晶體的製備技術較為成熟，但在非晶矽薄膜電晶體中，由於半導體層中通常含有大量的懸掛鍵，使得載流子的遷移率很低，從而導致薄膜電晶體的回應速度較慢。以多晶矽作為半導體層的薄膜電晶體相對於以非晶矽作為半導體層的薄膜電晶體，具有較高的載流子遷移率，因此回應速度也較快。但多晶矽薄膜電晶體低溫製備成本較高，方法較複雜，大面積製備困難，且多晶矽薄膜電晶體的關態電流較大。相較於上述傳統的無機薄膜電晶體，採用有機半導體做半導體層的有機薄膜電晶體具有成本低、製備溫度低的優點，且有機薄膜電晶體具有較高的柔韌性。但由於有機半導體聚合物在常溫下多為跳躍式傳導，表現出較高的電阻率、較低的載流子遷移率，使得有機薄膜電晶體的回應速度較慢。
奈米碳管是一種非常具有研究潛能的奈米材料。基於其奈米級的尺寸以及特殊的結構，奈米碳管具有良好的電學性能、光電性能以及半導體型能。先前技術中，採用奈米碳管層作為半導體層使用成為一種熱門的研究方向。採用奈米碳管製備半導體層時，通常是先生長奈米碳管陣列，然後，將奈米碳管陣列直接加工成層狀的結構，用作半導體層。由於奈米碳管可以分為金屬型和半導體型兩種類型，在生長奈米碳管陣列時，無法控制長出的奈米碳管的類型，因此，採用這種方法製備的半導體層中，在存在半導體型的奈米碳管時，還存在金屬型的奈米碳管。當金屬型的奈米碳管用在半導體層時，會對半導體層的性能造成負面影響。
有鑑於此，確有必要提供一種薄膜電晶體的製備方法，該薄膜電晶體的製備方法能夠克服以上缺點。
一種薄膜電晶體的製備方法，包括以下步驟：提供一柵極，在所述柵極的表面設置一絕緣層；提供一奈米碳管膜，鋪設該奈米碳管膜於一所述絕緣層表面；將所述奈米碳管膜置於掃描電鏡下拍攝照片，區分該奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管；除去奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管，形成一半導體層；間隔形成一源極及一漏極，並使該源極及漏極與所述半導體層電連接，得到一薄膜電晶體。
相較於先前技術，本發明所提供的薄膜電晶體的製備方法中，採用掃描電鏡區分奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管，並除去金屬型的奈米碳管，因此，製備的薄膜電晶體中的半導體層的半導體性能更好，從而進一步提高了薄膜電晶體的性能。
圖1是本技術方案實施例薄膜電晶體的製備方法的流程圖。
圖2是本技術方案實施例薄膜電晶體的製備工藝流程圖。
圖3是本技術方案實施例薄膜電晶體中奈米碳管膜的掃描電鏡照片。
圖4為先前技術中，採用掃描電鏡表徵奈米碳管膜獲得的照片。
以下將結合附圖對本發明的提供的薄膜電晶體的製備方法進一步的詳細說明。
請參閱圖1及圖2，本發明實施例提供薄膜電晶體100的製備方法，其包括以下步驟：
S1：提供一柵極102，在所述柵極102的表面設置一絕緣層104；
S2：提供一奈米碳管膜，鋪設該奈米碳管膜於一所述絕緣層104表面；
S3：將所述奈米碳管膜置於掃描電鏡下拍攝照片，區分該奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管；
S4：除去奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管，形成一半導體層106；以及
S5：間隔形成一源極108及一漏極110，並使該源極108及漏極110與所述半導體層106電連接，得到一薄膜電晶體100。
在步驟S1中，該柵極102的材料應具有較好的導電性。具體地，該柵極102的材料可以為金屬、合金、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及奈米碳管薄膜等導電材料。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金或它們的合金。一般地，該柵極102的厚度為0.5奈米~100微米。本實施例中，選用摻雜的矽作為柵極102。所述絕緣層104的材料為絕緣材料，可以為氧化物或者高分子材料。本實施例中，選用氧化矽材料。所述絕緣層104的厚度為50~300奈米。所述絕緣層104可以通過塗覆的方法形成於柵極102的表面。
在步驟S2中，奈米碳管膜包括多根奈米碳管。奈米碳管可以平行於絕緣層104的表面。當奈米碳管膜包括多根奈米碳管時，該多根奈米碳管可以包括金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管。所述奈米碳管膜中的多個奈米碳管的排列方式不限，可以為有序排列或者無序排列。當奈米碳管有序排列時，該多個奈米碳管可以相互平行，沿同一方向延伸。在某些實施例中，在延伸方向的奈米碳管首尾相連。本實施例中，奈米碳管膜中的奈米碳管相互平行，並平行於絕緣層104的表面，其包括多根金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管。
步驟S3具體包括以下步驟：
S31：將奈米碳管膜、柵極以及絕緣層形成的整體結構放置在掃描電鏡下，調整掃描電鏡的加速電壓為5～20千伏，駐留時間為6～20微秒，放大倍數為1萬～10萬倍，採用掃描電鏡對所述奈米碳管膜拍攝照片；
S32：獲得奈米碳管膜的照片，照片中奈米碳管分佈在襯底上，比襯底顏色淺的奈米碳管為金屬型奈米碳管，比襯底顏色深的奈米碳管為半導體型奈米碳管。
其中，優選地，加速電壓為15-20千伏，駐留時間為10-20微秒。本實施例中，加速電壓為10千伏，駐留時間為20微秒，放大倍數為2萬倍。
在步驟S31中，獲得奈米碳管膜的照片如圖3所示。圖3中包括襯底以及形成在襯底上的奈米碳管的影像。從圖3可以看出，一部分奈米碳管的顏色比襯底的顏色淺，一部分奈米碳管的顏色比襯底的顏色深。比襯底顏色淺的奈米碳管為金屬型奈米碳管；比襯底顏色深的奈米碳管為半導體型奈米碳管。
對比先前技術中採用掃描電鏡拍攝奈米碳管膜的方法所獲得的奈米碳管膜的照片（圖4）和採用本發明實施例提供的採用掃描電鏡拍攝奈米碳管膜所獲得的奈米碳管照片（圖3），可以得出以下區別：
第一，採用傳統拍攝方法獲得的奈米碳管膜照片中，奈米碳管的導電性能與照片中的顏色有關，顏色越淺，導電性能越好，但是，奈米碳管的顏色都是比襯底的顏色淺。當照片中同時存在金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管時，對於處於中間色的奈米碳管，如灰色的奈米碳管，在判斷這些奈米碳管的種類時，常會發生錯誤。因此，傳統的掃描電鏡拍攝奈米碳管的方法在辨識奈米碳管種類時，準確度不夠高，常常會出現誤判或者難以判斷。而採用本發明實施例所提供的掃描電鏡拍攝的奈米碳管方法所獲得的照片中，金屬型奈米碳管比襯底的顏色淺，半導體型的奈米碳管比襯底的顏色深，因此在判斷奈米碳管屬於金屬型還是半導體型時，便可以一目了然。
第二，採用傳統拍攝方法獲得的奈米碳管照片中，由於無論金屬型還是半導體型的奈米碳管，在照片中顯示的顏色均比襯底顏色淺，當照片中只存在一種類型的奈米碳管時，難以判斷照片中的奈米碳管是金屬型還是半導體型。而採用本發明所提供的奈米碳管拍攝方法所獲得的奈米碳管照片中，金屬型奈米碳管比襯底的顏色淺，半導體型的奈米碳管比襯底的顏色深，即使照片中只存在一種類型的奈米碳管，也可以快速判斷其種類。
第三，相對於圖3，圖4的對比度更高，視覺上更容易觀察奈米碳管，而且照片比較美觀，而本發明實施例所獲得的照片圖3中，解析度相對較低，照片也不夠美觀，所以先前技術中均是採用低加速電壓對奈米碳管進行表徵。但是先前技術中奈米碳管的拍攝方法所獲得的照片難以準確地判斷奈米碳管的種類。本發明提供的奈米碳管的拍攝方法，能夠快速而準確的判斷奈米碳管的種類，克服了技術偏見。
第四，相對於圖4，圖3中奈米碳管成像的寬度較小，因此，對於密度較高的多個奈米碳管，本發明所提供的奈米碳管的表徵方法更加適合。
本發明實施例提供的薄膜電晶體的製備方法中，採用上述方法區分半導體層中的金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管，可以快速準確的區分奈米碳管的種類。
在步驟S4中，按照照片的比例，在奈米碳管膜實物上相同的位置，標識出金屬型的奈米碳管，並除去金屬型的奈米碳管。步驟S5的具體步驟可以為：
S41：在照片上建立一坐標系，標識刻度，並讀出金屬型奈米碳管的具體座標值；
S42：按照和照片相同的比例，在實體奈米碳管膜上建立坐標系，根據金屬型奈米碳管的座標值標識出金屬型的奈米碳管，並將金屬型的奈米碳管除去。
本實施例中，用電子束曝光的方法，將該半導體型的奈米碳管進行保護，將金屬型的奈米碳管露出，採用等離子體刻蝕的方法將金屬型的奈米碳管去除。
步驟S5中，該源極108及漏極110的材料應具有較好的導電性。具體地，該源極108及漏極110的材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物以及金屬性奈米碳管薄膜等導電材料。根據形成源極108及漏極110的材料種類的不同，可以採用不同方法形成該源極108及漏極110。具體地，當該源極108及漏極110的材料為金屬、合金、ITO或ATO時，可以通過蒸鍍、濺射、沉積、掩模及刻蝕等方法形成源極108及漏極110。當該源極108及漏極110的材料為導電銀膠、導電聚合物或奈米碳管薄膜時，可以通過印刷塗附或直接黏附的方法，將該導電銀膠或奈米碳管薄膜塗附或黏附於半導體層106的表面，形成源極108及漏極110。一般地，該源極108及漏極110的厚度為0.5奈米~100微米，源極108至漏極110之間的距離為1~100微米。
步驟S5中，還可以進一步包括形成一絕緣保護層112於半導體層106的表面的步驟。該絕緣保護層112的材料可以為氮化矽、氧化矽等硬性材料或苯並環丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸樹脂等柔性材料。根據絕緣保護層112的材料種類的不同，可以採用不同方法形成該絕緣保護層112。具體地，當該絕緣保護層112的材料為氮化矽或氧化矽時，可以通過沉積的方法形成絕緣保護層112。當該絕緣保護層112的材料為苯並環丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸樹脂時，可以通過印刷塗附的方法形成絕緣保護層112。一般地，該絕緣保護層130的厚度為0.5奈米~100微米。本實施方式中採用等離子體化學氣相沉積等沉積方法形成一氮化矽絕緣保護層112覆蓋於半導體層106及形成在半導體層106上的源極108及漏極110表面。絕緣保護層112的厚度約為1微米。
本發明所提供的薄膜電晶體的製備方法中，採用掃描電鏡區分奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管，並除去金屬型的奈米碳管，因此，製備的薄膜電晶體中的半導體層的半導體性能更好，從而進一步提高了薄膜電晶體的性能。
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。
100‧‧‧薄膜電晶體
102‧‧‧柵極
104‧‧‧絕緣層
106‧‧‧半導體層
108‧‧‧源極
110‧‧‧漏極
112‧‧‧絕緣保護層
無
Claims (10)
- 一種薄膜電晶體的製備方法，其包括以下步驟： 提供一柵極，在所述柵極的表面設置一絕緣層； 提供一奈米碳管膜，鋪設該奈米碳管膜於一所述絕緣層表面； 將所述奈米碳管膜置於掃描電鏡下拍攝照片，區分該奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管； 除去奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管，形成一半導體層；以及 間隔形成一源極及一漏極，並使該源極及漏極與所述半導體層電連接，得到一薄膜電晶體。
- 如請求項第1項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述柵極的材料為金屬、導電有機物或摻雜的導電材料。
- 如請求項第1項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述絕緣層的材料為氧化物或者高分子材料。
- 如請求項第1項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述絕緣層的厚度為50~300奈米。
- 如請求項第1項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述奈米碳管膜包括多根奈米碳管，該多根奈米碳管包括金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管。
- 如請求項第1項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述多根碳納管平行於絕緣層的表面。
- 如請求項第1項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述將所述奈米碳管膜置於掃描電鏡下拍攝照片，區分該奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管和半導體型奈米碳管的步驟具體包括：將奈米碳管膜放置在掃描電鏡下，調整掃描電鏡的加速電壓為5～20千伏，駐留時間為6～20微秒，放大倍數為1萬～10萬倍，採用掃描電鏡對所述奈米碳管膜拍攝照片；獲得奈米碳管膜的照片，照片中奈米碳管分佈在襯底上，比襯底顏色淺的奈米碳管為金屬型奈米碳管，比襯底顏色深的奈米碳管為半導體型奈米碳管。
- 如請求項第1項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述除去奈米碳管膜中的金屬型奈米碳管的步驟包括：按照和照片相同的比例，在實物上相同的位置對金屬型的奈米碳管進行標識，並除去金屬型奈米碳管。
- 如請求項第8項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述按照和照片相同的比例，在實物上相同的位置對半導體型的奈米碳管進行標識的步驟包括：在照片上建立一坐標系，並讀出金屬型奈米碳管的具體座標值；按照和照片相同的比例，在實體奈米碳管膜上建立坐標系，根據金屬型奈米碳管的座標值標識出金屬型的奈米碳管。
- 如請求項第8項所述之薄膜電晶體的製備方法，其中，所述除去金屬型的奈米碳管的步驟包括：用電子束曝光的方法，將該半導體型的奈米碳管進行保護，將金屬型的奈米碳管露出，採用等離子體刻蝕的方法將金屬型的奈米碳管去除。
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