TWI508228B - 薄膜電晶體 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種薄膜電晶體。
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閘極、絕緣層、半導體層、源極和汲極。其中，源極和汲極間隔設置並與半導體層電連接，閘極通過絕緣層與半導體層及源極和汲極間隔絕緣設置。所述半導體層位於所述源極和汲極之間的區域形成一溝道區域。薄膜電晶體中的閘極、源極、汲極均由導電材料構成，該導電材料一般為金屬或合金。當在閘極上施加一電壓時，與閘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汲極之間將導通，從而有電流從源極流向汲極。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，即，具有較好的P型或N型單極性。
先前技術中，為了製備N型或P型的奈米碳管場效應電晶體，通常使用的方法主要有溝道摻雜(包括化學摻雜，類似的方法有引入氧化層表面電荷)，或使用特定功函數大小的金屬作為源汲接觸電極，例如使用鈀(Pd)作為源汲電極的電晶體表現為p型，而使用鈧(Sc)作為源汲電極的電晶體表現為n型。不論用何種方法，
它們的本質都是引入了對空穴電子產生選擇性的機制，從而使器件表現出單極性。
然，這些方法也存在一些問題，如使用化學摻雜的方法存在降低載流子遷移率、穩定性低、摻雜擴散污染的潛在缺點；而使用不同功函數作為源汲電極的接觸金屬的方法，由於奈米碳管的費米能級釘紮效應(fermi level pinning)，這種方法對雙極性的抑制作用有限，仍會表現出一定雙極性。
有鑒於此，實為必要一種薄膜電晶體，該薄膜電晶體具有較好的P型或N型單極性。
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，所述半導體層與所述源極及汲極接觸設置，所述半導體層位於所述源極與汲極之間的部分形成一溝道；以及一閘極，該閘極通過一第一絕緣層與該半導體層、源極及汲極絕緣設置；其中，所述源極包括一源極本體及一源極延伸部，所述汲極包括一汲極本體及一汲極延伸部，所述源極延伸部及汲極延伸部相互間隔設置且覆蓋部分溝道，且所述源極延伸部及汲極延伸部的功函數與所述半導體層的功函數不相同，進一步包括一第二絕緣層，所述源極通過所述第二絕緣層與所述汲極絕緣設置，所述源極延伸部及汲極延伸部設置於所述第二絕緣層遠離所述半導體層的表面。
本發明提供的薄膜電晶體具有以下優點：由於所述源極延伸部及汲極延伸部覆蓋部分的溝道，而源極延伸部及汲極延伸部的功函數與所述半導體層不同，因而，所述溝道對應於所述源極延伸部
及汲極延伸部的部分分別受所述源極延伸部及汲極延伸部的調製，而在靠近源極延伸部及及汲極延伸部的表面出現感應載流子，故，所述薄膜電晶體表現出較好的P型或N型的單極性。
10，20‧‧‧薄膜電晶體
110‧‧‧絕緣基板
120‧‧‧閘極
130‧‧‧第一絕緣層
140‧‧‧半導體層
142‧‧‧溝道
150‧‧‧源極
151‧‧‧源極本體
152‧‧‧源極延伸部
160‧‧‧汲極
161‧‧‧汲極本體
162‧‧‧汲極延伸部
170‧‧‧第二絕緣層
圖1係本發明第一實施例薄膜電晶體的剖視結構示意圖。
圖2係本發明第一實施例工作時的薄膜電晶體的結構示意圖。
圖3係本發明第二實施例薄膜電晶體的剖視結構示意圖。
以下將結合附圖對本發明實施例提供的薄膜電晶體作進一步的說明。
請參閱圖1，為本發明第一實施例提供的薄膜電晶體10，該薄膜電晶體10為底閘型薄膜電晶體，其包括一閘極120、一第一絕緣層130、一半導體層140、一源極150、一汲極160及一第二絕緣層170。所述汲極160與源極150間隔設置。所述半導體層140與所述汲極160及源極150接觸設置。所述閘極120通過所述第一絕緣層130與所述半導體層140、所述汲極160及源極150絕緣設置。所述薄膜電晶體10形成於一絕緣基板110表面。
所述閘極120設置於所述絕緣基板110表面。所述第一絕緣層130設置於所述閘極120遠離絕緣基板110的表面。所述半導體層140設置於所述第一絕緣層130遠離所述閘極120的表面，並通過所述第一絕緣層130與所述閘極120絕緣設置。所述源極150及汲極160相互間隔設置，並分別與所述半導體層140接觸設置。所述半導體層140位於所述源極150和汲極160之間的區域形成一溝道142。
所述源極150通過所述第二絕緣層170與所述汲極160絕緣設置。具體的，所述源極150包括一源極本體151及一源極延伸部152。所述源極本體151與所述源極延伸部152為一體結構。所述源極本體151與所述半導體層140相接觸，所述源極延伸部152設置於所述第二絕緣層170遠離所述半導體層140的表面。所述汲極160包括一汲極本體161及一汲極延伸部162。所述汲極本體161與汲極延伸部162為一體結構。所述汲極本體161與所述半導體層140相接觸，所述汲極延伸部162設置於所述第二絕緣層170遠離所述半導體層140的表面。
在平行於所述絕緣基板110的表面的一個方向定義為一第一方向，即X方向；垂直於所述X方向且平行於所述絕緣基板110的表面的方向定義為一第二方向，即Y方向；垂直於所述絕緣基板110的表面的方向定義為一Z方向。定義所述源極延伸部152在Y軸方向上，向所述半導體層140垂直投射形成的投影為AB段，定義所述汲極延伸部162在Y軸方向上，向所述半導體層140垂直投射形成的投影為CD段，定義所述閘極120在Y軸方向上，向所述半導體層140垂直投射形成的投影為EF段。所述源極延伸部152及汲極延伸部162沿所述Y軸方向在所述半導體層140表面的投影與所述閘極120沿Y軸方向在所述半導體層140的投影至少部分重疊。具體的，所述半導體層140中溝道142在X方向的長度定義為L。所述溝道142的長度L、所述源極延伸部152沿Y軸方向在所述半導體層140的投影AB段、所述汲極延伸部162沿Y軸方向在所述半導體層140的投影CD段與所述閘極120沿Y軸方向在所述半導體層140的投影EF段滿足以下關係式：AB+CD+EF≧L。
所述源極延伸部152的功函數與所述汲極延伸部162的功函數相同，且所述源極延伸部152及汲極延伸部162的功函數(work-fuction)與所述半導體層140的功函數不相同。具體的，所述源極延伸部152及汲極延伸部162的材料與所述半導體層140的材料不同，且所述源極延伸部152與汲極延伸部162採用相同的材料。由於所述源極延伸部152的功函數與所述半導體層140不同，因而，所述溝道142對應於所述源極延伸部152的AB段受所述源極延伸部152的調製，在所述溝道142的AB段靠近源極延伸部152的表面出現感應載流子，該感應載流子的類型由所述源極延伸部152及半導體層140的功函數決定。具體的，當所述源極延伸部152及汲極延伸部162的功函數比所述半導體層140高，由於所述源極延伸部152與所述源極本體151為一體的結構，因而所述半導體層140中溝道142的AB段中的電子會向所述源極延伸部152的方向移動，而使得所述溝道142的AB段中感應載流子的類型為空穴，因此，所述薄膜電晶體10可以具有較好的P型單極性。當所述源極延伸部152及汲極延伸部162的功函數比所述半導體層140低時，所述溝道142的AB段中載流子的類型為電子，因此，所述薄膜電晶體10可以實現較好的N型單極性。即，通過對所述源極延伸部152及汲極延伸部162的材料的選擇，可調節所述溝道142的AB段及CD段中載流子的類型為電子或空穴，而進一步使得所述薄膜電晶體10具有P型或N型的單極性。
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10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10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。
所述半導體層140包括複數奈米碳管長線，且至少部分奈米碳管長線的兩端分別與所述源極150和汲極160電連接。所述奈米碳管長線包括複數首尾相連的奈米碳管束組成的束狀結構或由複數首尾相連的奈米碳管束組成的絞線結構。該相鄰的奈米碳管束之間通過凡得瓦力緊密結合，該奈米碳管束包括複數平行且定向排列的半導體性奈米碳管。所述奈米碳管長線的設置方式不限，可平行排列或交叉排列，只要確保至少部分奈米碳管長線的兩端分別與所述源極150和汲極160電連接即可。優選地，上述複數奈米碳管長線均沿所述源極150指向汲極160的方向平行且緊密排列，且所述複數奈米碳管長線的兩端分別與所述源極150及汲極160電連接。所述奈米碳管長線的直徑不限。優選地，所述奈米碳管長線的直徑為0.5奈米~100微米。所述奈米碳管長線之間的設置間距為0~1毫米。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。所述溝道142的長度為1微米~100微米，寬度為1微米~1毫米。本實施例中，所述半導體層140的長度為50微米，寬度為300微米，厚度為5奈米。所述溝道142的長度為40微米，寬度為300微米。
所述半導體層140中的奈米碳管長線可通過從奈米碳管陣列中直接拉取並進一步處理獲得。所述奈米碳管長線的尺寸可根據實際需求制得。本實施例中採用4英寸的基底生長超順排奈米碳管陣列，該奈米碳管長線的直徑可為0.5奈米~100微米，其長度不限
。其中，奈米碳管長線中的奈米碳管可以是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。
所述複數奈米碳管長線作為薄膜電晶體10的半導體層時，該複數奈米碳管長線可通過黏結劑黏結在所述絕緣基板110上形成所述半導體層。具體地，根據源極150及汲極160設置位置的不同，可以先在第一絕緣層130上黏附複數奈米碳管長線，後將源極150及汲極160間隔設置在所述奈米碳管長線的兩端，且分別與所述奈米碳管長線接觸；也可先將源極150及汲極160分別間隔形成於所述絕緣基板110表面，源極150與汲極160之間設置第二絕緣層170，再沿源極150至汲極160的方向鋪設複數奈米碳管長線，覆蓋該源極150、第二絕緣層170及汲極160。本實施例中，所述奈米碳管長線沿所述源極150指向汲極160的方向緊密排列，且所述源極150及汲極160形成在所述奈米碳管長線的兩端，並分別與所述奈米碳管長線電接觸。
該半導體層140也可為一奈米碳管層，該奈米碳管層中奈米碳管為無序排列或有序排列。當該奈米碳管層中奈米碳管為有序排列時，該奈米碳管層為垂直絕緣基板110定向排列的複數奈米碳管組成的超順排奈米碳管陣列。該奈米碳管層中僅包含半導體性的奈米碳管。該奈米碳管層的厚度為0.5奈米~100微米，其中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。
當該奈米碳管層中奈米碳管為無序排列時，該奈米碳管層包括複數相互纏繞且各向同性的半導體性的奈米碳管，所述複數奈米碳
管通過凡得瓦力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構。由於奈米碳管相互纏繞，因此所述奈米碳管層具有很好的韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。該網路狀結構包括成大量的微孔結構，該微孔孔徑小於50微米。由於該奈米碳管層中包括大量的微孔結構，因此，該奈米碳管層的透光性較好。該奈米碳管層的厚度為0.5奈米~100微米，該奈米碳管為半導體性的奈米碳管，該奈米碳管層中的奈米碳管的直徑小於5奈米，該奈米碳管層中的奈米碳管的長度為10奈米~1毫米。優選地，該奈米碳管的直徑小於2奈米，長度為2微米~1毫米。
所述閘極120、源極150及汲極160由導電材料組成。可以理解，所述閘極120的材料與所述源極150及汲極160的材料可以不同。所述源極150的材料與所述汲極160相同，以保證所述源極延伸部152的材料與所述汲極延伸部162相同，從而使得薄膜電晶體呈現較好的單極性。優選地，所述閘極120、源極150及汲極160均為一層導電薄膜。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、鎢、鉬、金、鈦、釹、鈀、銫等。具體的，比奈米碳管的功函數低的金屬有鋁(Al)、鈦(Ti)、鈧(Sc)、鉿(Hf)、鉀(K)、鈉(Na)、或鋰(Li)，優選為鈧，即當源極延伸部152及汲極延伸部162的材料為鈧時，所述薄膜電晶體10為N型電晶體。比奈米碳管的功函數高的金屬有鎳(Ni)、銠(Rh)、鈀(Pd)、或鉑(Pt)，優選為鈀，即當源極延伸部152及汲極延伸部162的材料為鈀時，所述薄膜電晶體10為P型電晶體。可以理解，所述源極150中源極本體151的材料可與所述源極延伸部152不相同，所述汲極160中汲極本體161的材料可與所述汲極延伸部162不相同。
本實施例中，所述閘極120、源極150及汲極160的材料為金屬鈀，厚度為40奈米。由於所述金屬鈀的功函數比奈米碳管高，因而，所述薄膜電晶體10的類型為P型電晶體。
所述第一絕緣層130及第二絕緣層170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)、聚酯或丙烯酸樹脂等柔性材料。該第一絕緣層130及第二絕緣層170的厚度為10奈米~100微米。本實施例中，所述第一絕緣層130及第二絕緣層170的材料為氧化鋁，所述第一絕緣層130及第二絕緣層170的厚度為40奈米。可以理解，根據具體的形成工藝不同，所述第一絕緣層130及第二絕緣層170不必完全覆蓋所述源極150、汲極160及半導體層140，只要能保證半導體層140、源極150和汲極160與相對設置的閘極120絕緣即可。
請參見圖2，使用時，所述源極150接地，在所述汲極160上施加一電壓Vds，在所述閘極120上施一電壓Vg。當閘極120施加一定的正電壓或負電壓，在溝道142對應於所述閘極120的部分產生電場，並在溝道142靠近閘極120的表面處產生感應載流子。當溝道142對應於所述閘極120的部分的感應載流子的類型與所述溝道142對應於所述源極延伸部152及汲極延伸部162的部分的感應載流子一致時，在源極150和汲極160之間會產生電流，從而使獲得的薄膜電晶體10具有較好的開關電流比以及單極性。
請參閱圖3，本發明第二實施例提供一種薄膜電晶體20，該薄膜電晶體20為頂閘型，其包括包括一閘極120、一第一絕緣層130、一半導體層140、一源極150、一汲極160及一第二絕緣層170。所述薄膜電晶體10形成在一絕緣基板110表面。所述汲極160與源極
150間隔設置。所述半導體層140與所述汲極160及源極150接觸設置。所述閘極120通過所述第一絕緣層130與所述半導體層140、所述汲極160及源極150絕緣設置。所述薄膜電晶體10形成於一絕緣基板110表面。
本發明第二實施例薄膜電晶體20的結構與第一實施例中的薄膜電晶體10的結構基本相同，其區別在於：所述薄膜電晶體20為頂閘型薄膜電晶體，即，所述源極150及汲極160相互間隔設置於所述絕緣基板110的表面，所述源極150與汲極160之間為所述第二絕緣層，所述半導體層140覆蓋所述源極150、第二絕緣層170及汲極160，所述第一絕緣層130設置於半導體層140遠離所述絕緣基板110的表面，所述閘極120設置於所述第一絕緣層130的表面，並通過所述第一絕緣層130與所述半導體層140絕緣設置。
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。
10‧‧‧薄膜電晶體
110‧‧‧絕緣基板
120‧‧‧閘極
130‧‧‧第一絕緣層
140‧‧‧半導體層
142‧‧‧溝道
150‧‧‧源極
151‧‧‧源極本體
152‧‧‧源極延伸部
160‧‧‧汲極
161‧‧‧汲極本體
162‧‧‧汲極延伸部
170‧‧‧第二絕緣層
Claims (14)
- 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，所述半導體層與所述源極及汲極接觸設置，所述半導體層位於所述源極與汲極之間的部分形成一溝道；以及一閘極，該閘極通過一第一絕緣層與該半導體層、源極及汲極絕緣設置；其改良在於，所述源極包括一源極本體及一源極延伸部，所述汲極包括一汲極本體及一汲極延伸部，所述源極延伸部及汲極延伸部相互間隔設置且覆蓋部分溝道，且所述源極延伸部及汲極延伸部的功函數與所述半導體層的功函數不相同，進一步包括一第二絕緣層，所述源極通過所述第二絕緣層與所述汲極絕緣設置，所述源極延伸部及汲極延伸部設置於所述第二絕緣層遠離所述半導體層的表面。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述源極延伸部與所述源極本體為一體的結構。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述汲極延伸部與所述汲極本體為一體的結構。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述源極延伸部及汲極延伸部在所述半導體層表面的投影與所述閘極在所述半導體層表面的投影至少部分重疊。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述源極延伸部與汲極延伸部的的材料相同。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述源極延伸部及汲極延伸部的材料為鋁、鈦、鈧、鉿、鉀、鈉或鋰。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述源極延伸部及汲極延伸部的材料為鎳、鉬、銠、釕、鈀、銻、鎢、錸或鉑。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體層包括複數奈米碳管長線。
- 如請求項8所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管長線包括由複數首尾相連的奈米碳管束組成的束狀結構或絞線結構。
- 如請求項9所述的薄膜電晶體，其中，所述相鄰的奈米碳管束之間通過凡得瓦力緊密結合，每一奈米碳管束包括複數首尾相連且定向排列的奈米碳管。
- 如請求項10所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管為半導體性奈米碳管。
- 如請求項8所述的薄膜電晶體，其中，所述複數奈米碳管長線相互平行，且沿所述源極至汲極的方向排列。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述第一絕緣層設置於所述閘極和半導體層之間。
- 如請求項1所述的薄膜電晶體，其中，所述源極本體及汲極本體設置於所述半導體層表面，所述源極本體及汲極本體通過所述第二絕緣層相互絕緣設置。
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