TWI478348B - 薄膜電晶體 - Google Patents

Description

薄膜電晶體

本發明涉及一種薄膜電晶體，尤其涉及一種基於奈米碳管的薄膜電晶體。

薄膜電晶體(Thin Film Transistor, TFT)係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基板，以及設置於基板上的閘極、絕緣層、半導體層、源極和汲極。其中，閘極通過絕緣層與半導體層間隔設置，源極和汲極間隔設置並與半導體層電連接。薄膜電晶體中的閘極、源極、汲極均為導電材料構成，該導電材料一般為金屬或合金。當於閘極上施加電壓時，與閘極通過絕緣層間隔設置的半導體層中會積累載子，當載子積累到一定程度，與半導體層電連接的源極汲極之間將導通，從而有電流從源極流向汲極。當該薄膜電晶體應用於半導體電子器件時，閘極連接控制電路，汲極連接相應的被控制元件，如液晶顯示器中的圖元電極，通過薄膜電晶體可以控制該元件的工作。

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TFT的製造技術較為成熟，但非晶矽TFT中，由於半 導體層中通常含有大量的懸掛鍵，使得載子的移動率很低(一般小於1cm² V^-1 s^-1 )，從而使TFT的響應速度也較慢。以多晶矽作為半導體層的TFT相對於以非晶矽作為半導體層的TFT，具有較高的載子移動率(一般約為10cm² V^-1 s^-1 )，因此響應速度也較快。但多晶矽TFT低溫製造成本較高，方法較複雜，大面積製造困難，且多晶矽TFT的關態電流較大。相較于傳統的無機TFT，採用有機半導體複合物做半導體層的有機TFT具有成本低、製造溫度低的優點，且有機TFT具有較高的柔韌性。但由於有機半導體於常溫下多為跳躍式傳導，表現出較高的電阻率、較低的載子移動率(0.1cm² V^-1 s^-1 )，使得有機TFT的響應速度較慢。

奈米碳管具有優異的力學及電學性能。並且，隨著奈米碳管螺旋方式的變化，奈米碳管可呈現出金屬性或半導體性。半導體性的奈米碳管具有較高的載子移動率(一般可達1000~1500cm² V^-1 s^-1 )，係製造電晶體的理想材料。先前技術中一般採用噴墨法形成無序的奈米碳管層作為半導體層，或採用直接生長奈米碳管陣列法形成半導體層。

先前技術中採用直接生長奈米碳管陣列作為半導體層的薄膜電晶體，具有以下缺點：第一，於半導體層中奈米碳管的排列方向垂直於基底，奈米碳管的排列方向非沿源極到汲極的方向，從而無法有效應用奈米碳管軸嚮導電的優勢；第二，採用直接生長奈米碳管陣列作為半導體層，由於奈米碳管垂直生長於基底表面，奈米碳管陣列中的奈 米碳管管壁之間靠結合不夠緊密，這種半導體層的柔韌性較差，不利於製造柔性薄膜電晶體。

先前技術中採用噴墨形成的無序奈米碳管層做為半導體層的薄膜電晶體，其半導體層中奈米碳管隨機分佈，僅有少量奈米碳管沿源極到汲極排列，半導體層中奈米碳管沿源極到汲極的有效路徑較長，載子移動率較低；另外，所述無序的奈米碳管層中奈米碳管之間通過粘結劑相互結合，因此，該奈米碳管層為一較為鬆散結構，柔韌性較差，不利於製造柔性薄膜電晶體。

總之，先前技術中採用奈米碳管作為半導體層的薄膜電晶體，由於其半導體層中的奈米碳管排列方向限制了由源極到汲極方向的載子移動率，無法充分發揮奈米碳管載子移動率高的優勢，使得先前技術中採用奈米碳管作為半導體層的薄膜電晶體響應速度低；另外，先前技術中採用奈米碳管作為半導體層的薄膜電晶體，由於其半導體層中的奈米碳管之間的結合性不好導致該半導體層柔韌性差，不利於製造柔性薄膜電晶體。

有鑒於此，提供一種具有較高的載子移動率，較高的響應速度，又具有較好的柔韌性的薄膜電晶體實為必要。

一種薄膜電晶體，其包括：一源極；一汲極，該汲極與該源極間隔設置；一半導體層，該半導體層與該源極和汲極電連接；以及一閘極，該閘極通過一絕緣層與該半導體層、源極及汲極絕緣設置；其中，該半導體層包括至少 兩個重疊設置的奈米碳管薄膜，每一奈米碳管薄膜包括複數個定向排列的奈米碳管，且相鄰的兩個奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿不同同方向排列。

與先前技術相比較，本技術方案實施例提供的採用至少兩個重疊設置的奈米碳管薄膜作為半導體層的薄膜電晶體及半導體器件具有以下優點：其一，由於奈米碳管具有優異的半導體性，則由首尾相連定向排列的奈米碳管組成的奈米碳管薄膜中的奈米碳管具有共同的排列取向，可以發揮奈米碳管軸嚮導電的優勢，使薄膜電晶體具有較大的載子移動率，進而具有較快的響應速度。其二，由至少兩個重疊定向排列的奈米碳管組成的奈米碳管層中，相鄰的兩個奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿不同同方向排列，由於奈米碳管具有優異的力學性能，故採用該交叉的奈米碳管薄膜構成的奈米碳管層作為半導體層，可以提高薄膜電晶體的柔韌性。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案實施例提供的薄膜電晶體。

請參閱圖1，本技術方案第一實施例提供一種薄膜電晶體10，該薄膜電晶體10為頂閘型，其包括一閘極120、一絕緣層130、一半導體層140、一源極151及一汲極152，並且，該薄膜電晶體10形成於一絕緣基板110表面。

所述半導體層140設置於該絕緣基板110表面；所述源極151及汲極152間隔設置於所述半導體層140表面並 與該半導體層140電連接，且位於該源極151及汲極152之間的半導體層形成一通道156；所述絕緣層130設置於該半導體層140表面；所述閘極120設置於所述絕緣層130表面，並通過該絕緣層130與源極151、汲極152及半導體層140電絕緣，所述絕緣層130設置於閘極120與半導體層140之間。優選地，所述閘極可以對應通道156設置於絕緣層130表面。

可以理解，所述源極151及汲極152可以間隔設置於該半導體層140的上表面位於絕緣層130與半導體層140之間，此時，源極151、汲極152與閘極120設置於半導體層140的同一面，形成一共面型薄膜電晶體。或者，所述源極151及汲極152可以間隔設置於該半導體層140的下表面，位於絕緣基板110與半導體層140之間，此時，源極151、汲極152與閘極120設置於半導體層140的不同面，半導體層140設置於源極151、汲極152與閘極120之間，形成一交錯型薄膜電晶體。

可以理解，根據具體的形成工藝不同，所述絕緣層130不必完全覆蓋所述源極151、汲極152及半導體層140，只要能確保半導體層140與相對設置的閘極120與半導體層140、源極151、汲極152絕緣即可。如，當所述源極151及汲極152設置於半導體層140上表面時，所述絕緣層130可僅設置於源極151及汲極152之間，只覆蓋半導體層140。

所述絕緣基板110起支撐作用，該絕緣基板110材料 不限，可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石等硬性材料或塑膠、樹脂等柔性材料。本實施例中，所述絕緣基板110的材料為玻璃。所述絕緣基板110用於對薄膜電晶體10提供支撐，且複數個薄膜電晶體10可按照預定規律或圖形集成於同一絕緣基板110上，形成TFT面板，或其他TFT半導體器件。

所述半導體層140包括至少兩個重疊的奈米碳管薄膜，每一奈米碳管薄膜包括複數個定向排列的半導體性的奈米碳管，且相鄰的兩個奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿不同方向排列。所述半導體層140中至少一層奈米碳管薄膜中至少部分奈米碳管沿源極151至汲極152方向排列。優選的，所述至少兩個奈米碳管薄膜中至少有一個奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿源極151指向汲極152的方向排列。所述相鄰兩個奈米碳管薄膜中的奈米碳管的排列方向具有一交叉角度α，0<α≦90度，相鄰的奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密結合，使得所述薄膜電晶體10具有較好的柔韌性。

請參閱圖2，該奈米碳管薄膜為從超順排奈米碳管陣列中直接拉取獲得，該奈米碳管薄膜進一步包括複數個首尾相連的奈米碳管束片段，每個奈米碳管束片段具有大致相等的長度且每個奈米碳管束片段由複數個相互平行的奈米碳管束構成，奈米碳管束片段兩端通過凡德瓦爾力相互連接。由於奈米碳管具有軸嚮導電特性，該直接拉伸獲得的擇優取向排列的奈米碳管薄膜於奈米碳管的排列方向比 無序的奈米碳管薄膜具有更高的載子移動率。該奈米碳管薄膜的厚度為0.5奈米～100微米。奈米碳管薄膜中的奈米碳管可以係單壁奈米碳管或雙壁奈米碳管。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米～50奈米；所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米～50奈米。優選地，所述奈米碳管的直徑小於10奈米。

所述半導體層140的長度為1微米～100微米，寬度為1微米～1毫米，厚度為0.5奈米～100微米。所述通道156的長度為1微米～100微米，寬度為1微米～1毫米。請參閱圖3，本技術方案實施例中，該半導體層140包括交叉重疊設置的二層奈米碳管薄膜，該奈米碳管薄膜中包括複數個首尾相連定向排列的奈米碳管，二層奈米碳管薄膜中的奈米碳管的排列方向具有一交叉角度α為90度，每一奈米碳管薄膜的厚度為5奈米。所述半導體層140的長度為50微米，寬度為300微米，厚度為10奈米。所述通道156的長度為40微米，寬度為300微米。

本實施例中，源極151、汲極152及閘極120為一導電薄膜。該導電薄膜的材料可以為金屬、合金、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其合金。優選地，該閘極120的面積與所述通道156的面積相當，使用時有利於通道156積累載子，閘極120的厚度為0.5奈米～100微米。本實施例中，所述閘極120的材料為金屬鋁，厚度為5奈米；所述源極151、汲極152的材料為金屬銫， 所述金屬銫與奈米碳管具有較好的潤濕效果，厚度為5奈米。

所述絕緣層130材料為氮化矽、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。該絕緣層130的厚度為0.5奈米～100微米。本實施例中，所述絕緣層130的材料為氮化矽，厚度為200奈米。

請參見圖4，本技術方案第一實施例的薄膜電晶體10使用時，於閘極120上施加一電壓V_g ，將源極151接地，並於汲極152施加一電壓V_ds ，閘極電壓V_g 於半導體層140的通道156中產生電場，並於通道156表面處產生載子。隨著閘極電壓V_g 的增加，通道156轉變為載子積累層，當V_g 達到源極151和汲極152之間的開啟電壓時，源極151與汲極152之間的通道156導通，從而會於源極151和汲極152之間產生電流，電流由源極151通過通道156流向154，從而使得該薄膜電晶體10處於開啟狀態。由於所述半導體層140中僅包括半導體性的奈米碳管，而半導體性的奈米碳管具有較高的載子移動率，且該半導體層140中包括至少一層奈米碳管薄膜中的奈米碳管首尾相連地沿源極151到汲極152的方向排列，而奈米碳管軸嚮導電性較徑向強，故載子由源極151經半導體層140至汲極142方向傳輸具有較短的傳輸路徑，故，由所述奈米碳管組成的奈米碳管薄膜作為半導體層140，可以使所述薄膜電晶體10具有較大的載子移動率，進而提高薄膜電晶體10的響應速度。

由於本技術方案實施例半導體層140中的奈米碳管具有較好的半導體性，且該半導體層中至少一層奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿從源極151至汲極152的方向排列，故載子於具有較好軸向傳輸性能的奈米碳管中具有較高的移動率，故由所述奈米碳管組成的奈米碳管薄膜作為半導體層140，可以使所述薄膜電晶體10具有較大的載子移動率，進而提高薄膜電晶體10的響應速度。本技術方案實施例中，所述薄膜電晶體10的載子移動率高於10cm² V^-1 s^-1 ，開關電流比為1×10² ~1×10⁷ 。優選地，所述薄膜電晶體10的載子移動率為10~1500cm² V^-1 s^-1 。

請參閱圖5，本技術方案第二實施例採用於第一實施例相似的方法提供一種薄膜電晶體20，該薄膜電晶體20為底閘型，其包括一閘極220、絕緣層230一半導體層240、一源極251及一汲極252，並且，該薄膜電晶體20設置於一絕緣基板210表面。本技術方案第二實施例薄膜電晶體20的結構與薄膜電晶體10基本相同，其區別在於第二實施例薄膜電晶體20為底閘型。

所述閘極220設置於該絕緣基板210表面，所述絕緣層230設置於閘極220表面，所述半導體層240設置於該絕緣層230表面，所述絕緣層230設置於閘極220與半導體層240之間；所述源極251、汲極252間隔設置於該半導體層240表面，並通過該半導體層240電連接；所述半導體層240位於所述源極251和汲極252之間的區域形成一通道256。優選地，該閘極220可以與源極251、汲極 252之間的通道256對應設置於絕緣基板210表面，且該閘極220通過該絕緣層230與源極251、汲極252及半導體層240電絕緣。本技術方案第二實施例提供的薄膜電晶體20中，閘極220、源極251、汲極252及絕緣層230的材料與第一實施例中薄膜電晶體10的閘極120、源極151、汲極152及絕緣層130的材料相同。第二實施例提供的薄膜電晶體20中，通道256、半導體層240的形狀、面積與第一實施例中薄膜電晶體10的通道156、半導體層240的形狀、面積相同。

所述源極251及汲極252可以設置於該半導體層240上表面，此時，源極251、汲極252與閘極220設置於半導體層240的不同面，半導體層240設置於源極251、汲極252與閘極220之間，形成一逆交錯結構的薄膜電晶體。或者，所述源極251及汲極252也可以設置於該半導體層240下表面與絕緣層130之間，此時，源極251、汲極252與閘極220設置於半導體層140的同一面，形成一逆共面結構的薄膜電晶體。

與先前技術相比較，本技術方案實施例提供的採用至少兩個重疊設置的奈米碳管薄膜作為半導體層的薄膜電晶體具有以下優點：其一，採用至少兩層交叉重疊的奈米碳管薄膜作為半導體層，每個奈米碳管薄膜中的奈米碳管首尾相連定向排列，且該半導體層中至少有一層奈米碳管薄膜中奈米碳管首尾相連沿薄膜電晶體的源極到汲極的方向排列，載子沿奈米碳管軸向運動，從源極向汲極運動具有 較短的路徑，因此可以使薄膜電晶體具有較大的載子移動率和較快響應速度。其二，由至少兩個重疊定向排列的奈米碳管組成的奈米碳管層中，至少兩個奈米碳管薄膜交叉設置，由於每一奈米碳管薄膜中奈米碳管首尾相連定向排列，故採用該交叉設置的奈米碳管薄膜構成的半導體層具有更好的柔韌性，可以應用於製造柔韌性較高的薄膜電晶體。其三，由於碳奈米米管薄膜組成的半導體層較其他半導體材料更耐高溫，因此，該薄膜電晶體以及使用該薄膜電晶體的半導體器件可以於較高溫度下工作。

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。舉凡熟悉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。

絕緣基板‧‧‧110，210

閘極‧‧‧120，220

絕緣層‧‧‧130，230

半導體層‧‧‧140，240

源極‧‧‧151，251

汲極‧‧‧152，252

通道‧‧‧156，256

圖1係本技術方案第一實施例TFT的剖視結構示意圖。

圖2係本技術方案第一實施例TFT中作為半導體層的奈米碳管薄膜的掃描電鏡照片。

圖3係本技術方案第一實施例TFT中兩層交叉設置奈米碳管薄膜的掃描電鏡照片。

圖4係本技術方案第一實施例工作時的薄膜電晶體的結構示意圖。

圖5係本技術方案第二實施例TFT的剖視結構示意 圖。

絕緣基板‧‧‧110

閘極‧‧‧120

絕緣層‧‧‧130

半導體層‧‧‧140

源極‧‧‧151

汲極‧‧‧152

通道‧‧‧156

Claims (20)

1. 一種薄膜電晶體，包括：一源極；一汲極，該汲極與該源極間隔設置；一半導體層，該半導體層與該源極和汲極電連接；以及一閘極，該閘極通過一絕緣層與該半導體層、源極及汲極絕緣設置，其改良在於，該半導體層包括至少兩個重疊交叉設置的奈米碳管薄膜，每一奈米碳管薄膜包括複數個定向排列的奈米碳管，且相鄰的兩個奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿不同方向排列。
2. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管為半導體性的奈米碳管。
3. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管為單壁或雙壁奈米碳管，且該奈米碳管的直徑小於10奈米。
4. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管薄膜進一步包括複數個首尾相連的奈米碳管束片段，每個奈米碳管束片段具有大致相等的長度且每個奈米碳管束片段由複數個相互平行的奈米碳管束構成，奈米碳管束片段兩端通過凡德瓦爾力相互連接。
5. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述相鄰兩個奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密結合。
6. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管薄膜包括複數個首尾相連定向排列的奈米碳管。
7. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體層中至少有一個奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿源極到汲極的方向排列。
8. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管薄膜的厚度為0.5奈米～100微米。
9. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述絕緣層設置於閘極與半導體層之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述源極及汲極間隔設置於所述半導體層表面。
11. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體設置於一絕緣基板表面，所述半導體層設置於該絕緣基板表面，所述源極及汲極間隔設置於所述半導體層表面，所述絕緣層設置於該半導體層表面，所述閘極設置於絕緣層表面，並通過該絕緣層與源極、汲極及半導體層電絕緣。
12. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體設置於一絕緣基板表面，所述閘極設置於該絕緣基板表面，所述絕緣層設置於閘極表面，所述半導體層設置於該絕緣層表面，並通過絕緣層與閘極電絕緣，所述源極、汲極間隔設置於該半導體層表面，並通過該絕緣層與閘極電絕緣。
13. 如申請專利範圍第11項或第12項所述的薄膜電晶體，其中，所述絕緣基板的材料為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、塑膠或樹脂。
14. 如申請專利範圍第11項或第12項所述的薄膜電晶體，其中，所述源極、汲極與閘極設置於半導體層的同一面。
15. 如申請專利範圍第11項或第12項所述的薄膜電晶體，其中，所述源極、汲極與閘極設置於半導體層的不同面，半導體層設置於源極、汲極與閘極之間。
16. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體的半導體層進一步包括一通道，該通道為所述半導體層位於所述源極和汲極之間的區域，該通道及半導體層的長度為1微米～100微米，寬度為1微米～1毫米，厚度為0.5奈米～100微米。
17. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述絕緣層的材料為氮化矽、氧化矽、苯並環丁烯、聚酯或丙烯酸樹脂。
18. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述閘極、源極及汲極的材料為金屬、合金、導電聚合物或導電奈米碳管。
19. 如申請專利範圍第18項所述的薄膜電晶體，其中，所述閘極、源極及汲極的材料為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其合金。
20. 如申請專利範圍第項1所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體的載子移動率為10~1500cm² V^-1 s^-1 ，開關電流比為1×10² ~1×10⁷ 。