TWI578545B - N型薄膜電晶體 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種薄膜電晶體，尤其涉及一種基於氧化鎂雙功能性介質層的N型薄膜電晶體。
奈米碳管由於其優異的電學、光學和力學性質成為了新一代半導體材料的有力競爭者，目前已經廣泛用於薄膜電晶體的製備和研究。科學研究表明，奈米碳管本身表現為本徵半導體，但在通常情況下如空氣中奈米碳管表現為P型半導體特徵，所以容易製備P型薄膜電晶體。但僅有P型薄膜電晶體會極大降低積體電路的相關性能，增加損耗。
先前技術中，基於奈米碳管的N型薄膜電晶體的製備方法主要有化學摻雜、選擇低功函數金屬做電極材料等。然而這些方法也存在一些問題，如使用化學摻雜的方法無法保持器件性能長期穩定，而且存在摻雜擴散污染的潛在缺點；選擇低功函數金屬做電極材料，對於N型單極性特徵表現不明顯。
有鑒於此，提供一種製備方法簡單、性能穩定的N型薄膜電晶體實為必要。
一種N型薄膜電晶體，其包括：一絕緣基底；一半導體奈米碳管層，所述半導體奈米碳管層設置於所述絕緣基底表面；一源極及
一汲極，所述源極和汲極間隔設置，且分別與所述半導體奈米碳管層電連接，源極與汲極之間的半導體奈米碳管層形成一溝道；一閘極，所述閘極與半導體奈米碳管層、源極、汲極絕緣設置；其中，進一步包括：一功能性介質層，所述功能性介質層覆蓋所述半導體奈米碳管層遠離絕緣基底的表面，所述閘極設置於所述功能性介質層遠離所述絕緣基底的表面；一氧化鎂層，所述氧化鎂層設置於所述半導體奈米碳管層與絕緣基底之間，並且覆蓋所述半導體奈米碳管層靠近所述絕緣基底的表面。
一種N型薄膜電晶體，其包括：一半導體奈米碳管層，所述半導體奈米碳管層包括相對的第一表面及第二表面；一源極及一汲極，所述源極和汲極間隔設置，且分別與所述半導體奈米碳管層電連接，源極與汲極之間的半導體奈米碳管層形成一溝道；一閘極，所述閘極與半導體奈米碳管層、源極、汲極絕緣設置；其中，進一步包括：一功能性介質層，所述功能性介質層覆蓋所述半導體奈米碳管層的第一表面；一氧化鎂層，所述氧化鎂層設置於所述半導體奈米碳管層的第二表面。
與先前技術相比較，本發明提供的N型薄膜電晶體具有以下優點：由於半導體奈米碳管層表面分別設置有氧化鎂層和功能性介質層，使得所述薄膜電晶體表現出良好的N型單極性且性能穩定。
10，20，30‧‧‧N型薄膜電晶體
100‧‧‧絕緣基底
110‧‧‧氧化鎂層
120‧‧‧半導體奈米碳管層
130‧‧‧功能性介質層
104‧‧‧源極
105‧‧‧汲極
140‧‧‧閘極
150‧‧‧閘極絕緣層
115‧‧‧溝道
圖1為本發明第一實施例提供的N型薄膜電晶體的剖視圖。
圖2為本發明第一實施例中半導體奈米碳管層的掃描電鏡照片。
圖3為只沈積氧化鎂層的薄膜電晶體的I-V圖。
圖4為只沈積功能性介質層的薄膜電晶體的I-V圖。
圖5為本發明第一實施例的N型薄膜電晶體的I-V圖。
圖6為本發明第二實施例提供的N型薄膜電晶體的結構示意圖。
圖7為本發明第三實施例提供的N型薄膜電晶體的結構示意圖。
下面將結合具體實施例，對本發明提供的N型薄膜電晶體，N型薄膜電晶體的製備方法作進一步詳細說明。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供的N型薄膜電晶體10，包括一氧化鎂層110、一半導體奈米碳管層120、一功能性介質層130及一閘極140依次層疊設置於一絕緣基底100的表面，所述氧化鎂層110靠近所述絕緣基底100設置，一源極104、一汲極105間隔設置，且分別與所述半導體奈米碳管層120電連接，半導體奈米碳管層120位於源極104及汲極105之間的部分形成溝道115。
具體地，所述絕緣基底100起支撐作用，所述絕緣基底100的材料不限，可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石等硬性材料，也可選擇塑膠、樹脂等柔性材料。進一步，所述絕緣基底100為一柔性材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醯亞胺等柔性材料。本實施例中，所述絕緣基底100的材料為柔性材料，優選為聚對苯二甲酸乙二醇酯。所述絕緣基底100為設置於絕緣基底100上的元件提供支撐作用。
所述氧化鎂層110設置於所述絕緣基底100的表面，並與所述半導體奈米碳管層120接觸設置。所述氧化鎂層110的厚度為1-15奈米。優選地，所述氧化鎂層110的厚度為1-10奈米。可以理解，當
所述氧化鎂層110的厚度太小如小於1奈米時，其結構不夠緻密，從而導致薄膜電晶體的性能飄散；如果所述氧化鎂層110的厚度太大如大於15奈米，則薄膜電晶體的調製效率就會降低。本實施例中，所述氧化鎂層110的厚度為1奈米。所述氧化鎂層110可起到降低半導體奈米碳管層120中電洞數量，並提高半導體奈米碳管層120中電子數量的作用。
所述半導體奈米碳管層120夾持並包覆於所述氧化鎂層110與所述功能性介質層130之間，且所述半導體奈米碳管層120設置於所述氧化鎂層110所覆蓋的範圍之內，以保證半導體奈米碳管層120能夠呈現N型特性。所述半導體奈米碳管層120包括複數奈米碳管，該複數奈米碳管相互連接形成一連續的導電網路結構。所述半導體奈米碳管層120可為一純奈米碳管結構，所述純奈米碳管結構由複數奈米碳管組成，複數奈米碳管的排列方向可以是無序的、無規則的，比如複數奈米碳管交叉、纏繞排列的網狀結構。所述半導體奈米碳管層120中複數奈米碳管的排列方向也可以是有序的、有規則的，比如複數奈米碳管沿同一方向排列或分別沿兩個方向有序排列。所述半導體奈米碳管層120也可以由奈米碳管膜、奈米碳管線狀結構或奈米碳管線狀結構與奈米碳管膜的組合構成。所述奈米碳管線狀結構可由單根或者複數平行排列的奈米碳管線組成。所述半導體奈米碳管層120可以是一自支撐結構，所謂自支撐是指奈米碳管層不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身層狀狀態。所述半導體奈米碳管層120也可形成在一絕緣支撐體的表面。所述半導體奈米碳管層120可由單層或多層奈米碳管組成。
所述半導體奈米碳管層120整體上表現為半導體性質。所述半導體奈米碳管層120中半導體性奈米碳管所佔比例為大於66.7%，優選地，半導體性奈米碳管所佔比例為90%-100%，優選地，所述半導體奈米碳管層120由純半導體性的奈米碳管組成。所述半導體奈米碳管層120可由複數交錯排列的單壁奈米碳管組成。所述半導體奈米碳管層120中的單壁奈米碳管的直徑小於2奈米，單壁奈米碳管的長度為2微米-4微米，所述半導體奈米碳管層120的厚度為0.5奈米-2奈米。優選地，該單壁奈米碳管的直徑為0.9奈米-1.4奈米。
請參閱圖2，本實施例中，所述半導體奈米碳管層120是由單層單壁奈米碳管組成，所述半導體奈米碳管層120中半導體性奈米碳管所佔比例為98%。所述半導體奈米碳管層120中複數單壁奈米碳管交叉、纏繞形成網路結構，所述半導體奈米碳管層120中單壁奈米碳管的直徑為1.2奈米，即所述半導體奈米碳管層120厚度為1.2奈米。
所述氧化鎂層110直接附著於所述半導體奈米碳管層120靠近絕緣基底100的表面，進一步，所述氧化鎂層110連續且直接附著於所述半導體奈米碳管層120表面的面積大於等於80%，從而保證所述半導體奈米碳管層120整體表現出N型特徵。進一步，所述半導體奈米碳管層120靠近絕緣基底100的整個表面被所述氧化鎂層110覆蓋。具體地，所述氧化鎂層110連續且直接附著於所述半導體奈米碳管層120暴露出來的表面。進一步，由於所述奈米碳管之間具有空隙，在奈米碳管間的網路空隙處，所述氧化鎂層110可填充於所述奈米碳管之間的空隙中，以確保所述半導體奈米碳管
層120中的奈米碳管與空氣完全隔離。
所述功能性介質層130直接附著於所述半導體奈米碳管層120遠離氧化鎂層110的表面，並且覆蓋所半導體奈米碳管層120遠離絕緣基底100的整個表面。所述功能性介質層130起到絕緣和靜電摻雜的作用。具體地，所述“功能性介質層”是指在所述功能性介質層130的結構中存在正電荷缺陷，在所述氧化鎂層110的作用之下，可以對半導體奈米碳管層120起到靜電摻雜的作用，即沈積的功能性介質層130可向所述半導體奈米碳管層120引入電子，從而使得半導體奈米碳管層120的N型特性增加顯著。所述功能性介質層130的材料可為氧化鋁、氧化鉿、氧化釔中的一種或幾種。所述功能性介質層130的厚度為20-40奈米。優選地，所述功能性介質層130的厚度為25-30奈米。本實施例中，所述功能性介質層130的厚度為30奈米，所述功能性介質層130的材料為氧化鋁。
所述功能性介質層130與所述氧化鎂層110組成的雙功能性介質層附著於所述半導體奈米碳管層120相對的兩個表面，不僅可以起著很好的絕緣作用，還可以使得所述半導體奈米碳管層120表現為N型半導體特徵。具體地，所述氧化鎂層110可吸收半導體奈米碳管層120中的水分子及空氣，因此，氧化鎂層110可減弱半導體奈米碳管層120的P型特徵；進一步，由於功能性介質層130的結構緻密且存在正電荷缺陷，在所述氧化鎂層110的作用之下，沈積的功能性介質層130能夠向所述半導體奈米碳管層120提供電子，從而可增加半導體奈米碳管層120的N極特性。通過沈積氧化鎂層110和功能性介質層130的雙功能性介質層於半導體奈米碳管層120的表面，所述氧化鎂層110可顯著降低半導體奈米碳管層120
的P型特性，並且使得功能性介質層130能夠顯著提高半導體奈米碳管的N型特性，所以沈積雙功能性介質層的半導體奈米碳管層120表現為N型半導體特性。
所述源極104、汲極105均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。優選地，所述源極104和汲極105均為一層導電薄膜，該導電薄膜的厚度為2奈米-50奈米。本實施例中，所述源極104、汲極105為金屬Au和Ti得到的金屬複合結構，具體地，所述金屬複合結構是由金屬Au在金屬Ti的表面複合而成，所述金屬Ti的厚度為2奈米，金屬Au的厚度為50奈米。本實施例中，所述源極104、汲極105間隔設置於所述絕緣基底100的表面，且分別與所述半導體奈米碳管層120相對的兩邊緣電連接，從而在所述源極104及汲極105之間形成所述溝道115。
所述閘極140設置於所述功能性介質層130遠離所述氧化鎂層110的表面，所述閘極140通過所述功能性介質層130、氧化鎂層110與所述溝道115絕緣設置，並且所述閘極140的長度可略小於所述溝道115的長度。所述閘極140均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。本實施例中，所述閘極140為金屬Au和Ti得到的金屬複合結構，具體地，所述金屬複合結構是由金屬Au在金屬Ti的表面複合而成。
使用時，將源極104接地，在閘極140上施加一閘極電壓Vg，並在
汲極105上施加一汲極電壓Vd。當閘極140施加一定的正電壓或負電壓，在溝道115中產生電場，並在溝道115表面處產生載流子。隨著閘極電壓的增加，溝道115轉變為載流子積累層，當閘極電壓達到源極104和汲極105之間的開啟電壓時，源極104與汲極105之間的溝道115導通，從而會在源極104和汲極105之間產生電流，從而使得薄膜電晶體處於開啟狀態。
請參閱圖3，圖3為半導體奈米碳管表面沈積氧化鎂層110前後的薄膜電晶體的測試圖。從圖中可以看出，半導體奈米碳管層120表面沈積氧化鎂層110的薄膜電晶體，與未沈積氧化鎂層110的薄膜電晶體對比，P型特性明顯降低，而N型特性有相應提升。
請參閱圖4，圖4為半導體奈米碳管表面只沈積功能性介質層130的薄膜電晶體的測試圖。從圖中可以看出，半導體奈米碳管層120表面只沈積功能性介質層130時，薄膜電晶體的N型特性顯著增加，而P型特性沒有明顯改變，因此所述薄膜電晶體表現為雙極性特徵。
請參閱圖5，從圖中可以看出，沈積雙功能性介質層的半導體奈米碳管層120的薄膜電晶體只表現為N型特徵。
本發明提供的N型薄膜電晶體，所述半導體奈米碳管層120相對的兩個表面分別設置有氧化鎂層110和功能性介質層130組成的雙功能性介質層，所述氧化鎂層110可吸收半導體奈米碳管層120中的水，降低水與半導體奈米碳管層120中電子結合的幾率，從而降低半導體奈米碳管層120的P型特性，並相應提升半導體奈米碳管層120的N型特性；所述功能性介質層130的結構緻密且存在正電荷缺陷，可向所述半導體奈米碳管層120提供電子，可顯著提高
半導體奈米碳管的N型特性。所以，所述薄膜電晶體表現出良好的N型單極性且性能穩定。
請參閱圖6，本發明第二實施例提供的N型薄膜電晶體20，包括一絕緣基底100、一閘極140、一半導體奈米碳管層120、一氧化鎂層110、一功能性介質層130、一源極104及一汲極105。所述閘極140設置於所述絕緣基底100的表面。所述氧化鎂層110設置於所述半導體奈米碳管層120與所述閘極140之間以絕緣。
本發明第二實施例提供的N型薄膜電晶體20與第一實施例基本相同，其不同在於，所述閘極140設置於所述絕緣基底100的表面，所述N型薄膜電晶體20為一底閘型薄膜電晶體。
具體的，所述閘極140直接設置於所述絕緣基底100的表面。所述氧化鎂層110覆蓋所述半導體奈米碳管層120靠近所述閘極140的整個表面，從而使之與所述閘極140絕緣，防止短路。進一步，所述半導體奈米碳管層120具有複數空隙，所述氧化鎂層110可填充入所述空隙中，從而可與所述半導體奈米碳管層120形成一體結構，能夠避免氧化鎂層110的脫落。
請參閱圖7，本發明第三實施例提供的N型薄膜電晶體30，包括一絕緣基底100、一閘極140、一閘極絕緣層150、一半導體奈米碳管層120、一氧化鎂層110、一功能性介質層130、一源極104及一汲極105。所述閘極140設置於所述絕緣基底100的表面，所述閘極絕緣層150設置於所述閘極140遠離絕緣基底100的表面，並且覆蓋所述閘極140。所述氧化鎂層110及半導體奈米碳管層120依次層疊設置於所述閘極絕緣層150的表面，並且通過所述閘極絕緣層150與所述閘極140絕緣。
本發明第三實施例提供的N型薄膜電晶體30與第二實施例提供的N型薄膜電晶體20基本相同，其區別在於所述N型薄膜電晶體30進一步包括一閘極絕緣層150設置於所述氧化鎂層110與閘極140之間，從而實現閘極與所述半導體奈米碳管層120、所述源極104及汲極105之間的絕緣。
所述閘極絕緣層150材料可選擇為氧化鋁、氧化鉿、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。所述閘極絕緣層150的厚度為0.5奈米~100微米。本實施例中，所述閘極絕緣層150的材料為氧化鋁，其厚度為40奈米。
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‧‧‧N型薄膜電晶體
100‧‧‧絕緣基底
110‧‧‧氧化鎂層
120‧‧‧半導體奈米碳管層
130‧‧‧功能性介質層
104‧‧‧源極
105‧‧‧汲極
140‧‧‧閘極
115‧‧‧溝道
Claims (9)
- 一種N型薄膜電晶體，其包括：一絕緣基底；一半導體奈米碳管層，所述半導體奈米碳管層設置於所述絕緣基底表面；一源極及一汲極，所述源極和汲極間隔設置，且分別與所述半導體奈米碳管層電連接，源極與汲極之間的半導體奈米碳管層形成一溝道；一閘極，所述閘極與半導體奈米碳管層、源極、汲極絕緣設置；其改進在於，進一步包括：一功能性介質層，所述功能性介質層覆蓋所述半導體奈米碳管層遠離絕緣基底的表面，所述功能性介質層的厚度為20奈米-40奈米，所述閘極設置於所述功能性介質層遠離所述絕緣基底的表面；一氧化鎂層，所述氧化鎂層設置於所述半導體奈米碳管層與絕緣基底之間，並且覆蓋所述半導體奈米碳管層靠近所述絕緣基底的表面。
- 如請求項1所述的N型薄膜電晶體，其中，所述半導體奈米碳管層包括複數奈米碳管形成一導電網路結構。
- 如請求項1所述的N型薄膜電晶體，其中，所述半導體奈米碳管層的厚度為0.5奈米-2奈米。
- 如請求項1所述的N型薄膜電晶體，其中，所述氧化鎂層連續且直接附著於所述半導體奈米碳管層靠近絕緣基底的表面的面積大於等於80%。
- 如請求項4所述的N型薄膜電晶體，其中，所述氧化鎂層連續且直接附著於所述半導體奈米碳管層靠近絕緣基底的整個表面。
- 如請求項1所述的N型薄膜電晶體，其中，所述氧化鎂層的厚度為1奈米 -15奈米。
- 如請求項1所述的N型薄膜電晶體，其中，所述功能性介質層直接附著於半導體奈米碳管層遠離絕緣基底的表面。
- 如請求項1所述的N型薄膜電晶體，其中，所述功能性介質層的材料為氧化鋁、氧化鉿、氧化釔中的一種或幾種。
- 一種N型薄膜電晶體，其包括：一半導體奈米碳管層，所述半導體奈米碳管層包括相對的第一表面及第二表面；一源極及一汲極，所述源極和汲極間隔設置，且分別與所述半導體奈米碳管層電連接，源極與汲極之間的半導體奈米碳管層形成一溝道；一閘極，所述閘極與半導體奈米碳管層、源極、汲極絕緣設置；其改進在於，進一步包括：一功能性介質層，所述功能性介質層覆蓋所述半導體奈米碳管層的第一表面，所述功能性介質層的厚度為20奈米-40奈米；一氧化鎂層，所述氧化鎂層設置於所述半導體奈米碳管層的第二表面。
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