專利名稱：薄膜晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管，尤其涉及一種基于碳納米管的薄膜晶體管。
背景技術：
薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT )是現(xiàn)代微電子技術中的 一種關 鍵性電子元件，目前已經(jīng)被廣泛的應用于平板顯示器等領域。薄膜晶體管主 要包括基板，以及設置在基板上的柵極、絕緣層、半導體層、源極和漏極。 其中，柵極通過絕緣層與半導體層間隔設置，源極和漏極間隔設置并與半導 體層電連接。薄膜晶體管中的柵極、源極、漏極均為導電材料構成，該導電 材料一般為金屬或合金。當在柵極上施加電壓時，與柵極通過絕緣層間隔設 置的半導體層中會積累載流子，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?，F(xiàn)有技術中，薄膜晶體管中形成半導體層的材料為非晶硅、多晶硅或有 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))。以非晶硅作為半導體層的非晶硅薄膜晶體管的制造技術 較為成熟，但非晶硅薄膜晶體管中，由于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(一般小于lcm —V1)，從而使薄膜晶體管的響應 速度也較慢。以多晶硅作為半導體層的薄膜晶體管相對于以非晶硅作為半導 體層的薄膜晶體管，具有較高的載流子遷移率(一般約為10cn^v—V1),因 此響應速度也較快。但多晶硅薄膜晶體管低溫制造成本較高，方法較復雜， 大面積制造困難，且多晶硅薄膜晶體管的關態(tài)電流較大。相較于傳統(tǒng)的無機 薄膜晶體管，采用有機半導體做半導體層的有機薄膜晶體管具有成本低、制 造溫度低的優(yōu)點，且有機薄膜晶體管具有較高的柔韌性。但由于有機半導體 在常溫下多為跳躍式傳導，表現(xiàn)出較高的電阻率、較低的載流子遷移率，使 得有機薄膜晶體管的響應速度較慢。碳納米管具有優(yōu)異的力學及電學性能。并且，隨著碳納米管螺旋方式的 變化，碳納米管可呈現(xiàn)出金屬性或半導體性。半導體性的碳納米管具有較高的載流子遷移率( 一般可達1000 1500cn^V-V1),是制造晶體管的理想材料。 現(xiàn)有技術中一般采用噴墨法形成無序'的碳納米管層作為半導體層，或采用直 接生長碳納米管陣列形成半導體層?，F(xiàn)有技術中采用直接生長碳納米管陣列作為半導體層的薄膜晶體管，具 有以下缺點第一，在半導體層中碳納米管的排列方向垂直于基底，碳納米 管的排列方向不是沿源極到漏極的方向，從而無法有效應用碳納米管軸向?qū)?電的優(yōu)勢；第二，釆用直接生長碳納米管陣列作為半導體層，由于碳納米管 垂直生長于基底表面，碳納米管陣列中的碳納米管管壁之間靠結合不夠緊 密，這種半導體層的柔韌性較差，不利于制造柔性薄膜晶體管?，F(xiàn)有技術中采用噴墨形成的無序碳納米管層的半導體層的薄膜晶體管， 其半導體層中碳納米管隨機分布，僅有少量碳納米管沿源極到漏極排列，半 導體層中碳納米管沿源極到漏極的有效路徑較長，載流子遷移率較低；另外， 所述無序的碳納米管層中碳納米管之間通過粘結劑相互結合，因此，該碳納 米管層為一較為松散結構，柔韌性較差，不利于制造柔性薄膜晶體管?？傊?，現(xiàn)有技術中采用碳納米管作為半導體層的薄膜晶體管，由于其半 導體層中的碳納米管排列方向限制了由源極到漏極方向的載流子遷移率，無 法充分發(fā)揮碳納米管載流子遷移率高的優(yōu)勢，使得現(xiàn)有技術中采用碳納米管 作為半導體層的薄膜晶體管響應速度低；另外，現(xiàn)有技術中采用碳納米管作為半導體層的薄膜晶體管，由于其半導體層中的碳納米管之間的結合性不好 導致該半導體層柔韌性差，不利于制造柔性薄膜晶體管。綜上所述，確有必要提供一種薄膜晶體管，該薄膜晶體管即具有較高的 載流子遷移率，較高的響應速度，又具有較好的柔韌性。發(fā)明內(nèi)容一種薄膜晶體管，其包括 一源極； 一與該源極間隔設置的漏極； 一半 導體層，該半導體層與該源極和漏極電連接；以及一柵才及，該柵極通過一絕 緣層與該半導體層、源極及漏極及絕緣設置；其中，所述半導體層包括一碳 納米管薄膜，該碳納米管薄膜包含多個首尾相連且擇優(yōu)取向排列的碳納米5管，至少部分碳納米管的排列方向沿源極向漏極延伸。本技術方案實施例提供的采用一個碳納米管薄膜作為半導體層的薄膜晶體管具有以下優(yōu)點其一，由于碳納米管具有優(yōu)異的半導體性，則由擇優(yōu) 取向排列的碳納米管組成的碳納米管薄膜具有均勻的半導體性。并且，由于 該半導體層中碳納米管首尾相連，且至少部分碳納米管沿源極到漏極方向排 列，因而，采用該碳納米管薄膜作為半導體層，可以發(fā)揮碳納米管軸向?qū)щ?的優(yōu)勢，使得沿源極到漏極具有較短的導電路徑，使得該薄膜晶體管具有較 大的載流子遷移率和較快響應速度。其二，由首尾相連且擇優(yōu)取向排列的碳 納米管組成的碳納米管薄膜具有較好的韌性及機械強度，故采用該納米管薄 膜作為半導體層，可以應用于柔性的薄膜晶體管。


圖1是本技術方案第一實施例薄膜晶體管的剖視結構示意圖。圖2是本技術方案第一實施例薄膜晶體管中碳納米管薄膜的掃描電鏡照片。圖3是本技術方案第 一 實施例薄膜晶體管工作時的結構示意圖。 圖4是本技術方案第二實施例薄膜晶體管的剖視結構示意圖。
具體實施方式
以下將結合附圖詳細說明本技術方案實施例提供的薄膜晶體管。 請參閱圖1,本技術方案第一實施例提供一種薄膜晶體管10，該薄膜晶 體管IO為頂柵型，其包括一柵極120、 一絕緣層130、 一半導體層140、 一 源極151以及一漏極152，并且，該薄膜晶體管IO設置于一絕緣基板110 上。所述半導體層140設置于該絕緣基板IIO表面；所述源極151及漏極152 間隔設置于所述半導體層140表面并與該半導體層140電連接，且位于該源 極151及漏極152之間的半導體層形成一溝道區(qū)域156;所述絕緣層130設 置于該半導體層140表面；所述柵極120設置于絕緣層130表面，并通過該 絕緣層130與源極151、漏極152及半導體層140電絕緣，所述絕緣層130 設置于柵極120與半導體層140之間。優(yōu)選地，該柵極120可以對應溝道區(qū)域156設置于所述絕緣層130表面?？梢岳斫?，所述源極151及漏極152可以間隔設置于該半導體層140的 上表面位于絕緣層130與半導體層140之間，此時，源極151、漏極152與 柵極120設置于半導體層140的同一面，形成一共面型薄膜晶體管?；蛘?， 所述源極151及漏極152可以間隔設置于該半導體層140的下表面，位于絕 緣基板IIO與半導體層140之間，此時，源極151、漏極152與柵極120設 置于半導體層140的不同面，半導體層140設置于源極151、漏極152與柵 極120之間，形成一交錯型薄膜晶體管。可以理解，根據(jù)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、漏極152及半導體層140,只要能確保半導體層140與相對設 置的柵極120與半導體層140、源極151、漏極152絕緣即可。如，當所述 源極151及漏極152設置于半導體層140上表面時，所述絕緣層130可僅設 置于源極151及漏極152之間，只覆蓋于半導體層140之上。所述絕緣基板IIO起支撐作用，該絕緣基板IIO材料不限，可選擇為玻 璃、石英、陶瓷、金剛石等硬性材料或塑料、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用于對薄膜晶體管10 提供支撐，且多個薄膜晶體管10可按照預定規(guī)律或圖形集成于同一絕緣基 板110上，形成薄膜晶體管面板，或其它薄膜晶體管半導體器件。該半導體層140包括一個碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜包含多個首尾 相連且擇優(yōu)取向排列的半導體性的碳納米管，至少部分碳納米管的排列方向 沿源極151向漏極152延伸。優(yōu)選地，該碳納米管薄膜中的碳納米管均沿從 源極151指向漏極152的方向排列。請參閱圖2，該碳納米管薄膜為從超順排碳納米管陣列中直接拉取獲得， 該碳納米管薄膜進一步包括多個首尾相連的碳納米管束片段，每個碳納米管 束片段具有大致相等的長度且每個碳納米管束片段由多個相互平行的碳納 米管束構成，碳納米管束片段兩端通過范德華力相互連接。由于碳納米管具 有軸向?qū)щ娞匦裕撝苯永飓@得的擇優(yōu)取向排列的碳納米管薄膜在碳納米 管的排列方向比無序的碳納米管薄膜具有更高的載流子遷移率。該碳納米管 薄膜的厚度為0.5納米 100微米。碳納米管薄膜中的碳納米管可以是單壁碳 納米管或雙壁碳納米管。所述單壁碳納米管的直徑為0.5納米~50納米；所述雙壁碳納米管的直徑為1.0納米 50納米。優(yōu)選地，所述碳納米管的直徑 小于IO納米。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納米~100微米。所述溝道156的長度為1微米~100微米，寬度 為1微米~1毫米。本技術方案實施例中，所述半導體層140的長度為50微 米，寬度為300微米，厚度為5納米。所述溝道的長度為40微米，寬度為 300微米。該半導體層140包括沿源極151至漏極152方向設置的1層碳納 米管薄膜。該碳納米管薄膜的厚度為5納米。本實施例中，源極151、漏極152及柵極120為一導電薄膜。該導電薄 膜的材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ATO)、導 電銀膠、導電聚合物以及導電碳納米管等。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、 鴿、鉬、金、銫、鈀或其任意組合的合金。優(yōu)選地，該柵極120的面積與所 述溝道區(qū)域156的面積相當，使用時有利于溝道區(qū)域156積累載流子，柵極 120的厚度為0.5納米 100微米。本實施例中，所述柵極120的材料為金屬 鋁，厚度為5納米。所述源極151、漏極152的材料為金屬銫，所述金屬銫 與碳納米管具有較好的潤濕效果，厚度為5納米。所述絕緣層130材料為氮化硅、氧化硅等硬性材料或苯并環(huán)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納米 100微米。 本實施例中，所述絕緣層130的材料為氮化硅。請參見圖3,本技術方案第一實施例的薄膜晶體管IO在使用時，在柵 極120上施一電壓Vg，將源極151接地，并在漏極152上施加一電壓Vds， 柵極電壓Vg在半導體層140的溝道區(qū)域156中產(chǎn)生電場，并在溝道區(qū)域156 表面處產(chǎn)生載流子。隨著柵極電壓Vg的增加，溝道區(qū)域156轉變?yōu)檩d流子 積累層，當Vg達到源極151和漏極152之間的開啟電壓時，源極151與漏 極152之間的溝道區(qū)域156導通，乂人而會在源才及151和漏極152之間產(chǎn)生電 流，電流由源極151通過溝道區(qū)域156流向154,從而使得該薄膜晶體管10 處于開啟狀態(tài)。由于所述碳納米管薄膜中僅包括半導體性的碳納米管，而半 導體性的碳納米管具有較高的載流子遷移率，且該半導體層140中的碳納米 管首尾相連沿源極151到漏極152的方向排列，而碳納米管軸向的導電性較8所以由所述碳納米管組成的碳納米管薄膜作為半導體層140，可以使所述薄 膜晶體管IO具有較大的載流子遷移率，進而提高薄膜晶體管IO的響應速度。由于本技術方案實施例半導體層140中的^^納米管具有較好的半導體 性，碳納米管薄膜中的碳納米管的沿從源極151至漏極152的方向排列，故 載流子在具有較好軸向傳輸性能的碳納米管中具有較高的遷移率，故由所述 碳納米管組成的碳納米管薄膜作為半導體層140，可以使所述薄膜晶體管10 具有較大的載流子遷移率，進而提高薄膜晶體管10的響應速度。本技術方 案實施例中，所述薄膜晶體管10的載流子遷移率高于10cm々V-V1。開關電 流比為100~100萬。優(yōu)選地，所述薄膜晶體管10的載流子遷移率為 10~1500cm2/V-V'。請參閱圖4,本技術方案第二實施例采用與第一實施例相似的方法提供 一種薄膜晶體管20，該薄膜晶體管20為底柵型，該薄膜晶體管20包括一柵 極220、絕緣層230 —半導體層240、 一源極252及一漏極252，并且，該薄 膜晶體管20設置于一絕緣基板210表面。本技術方案第二實施例薄膜晶體 管20的結構與薄膜晶體管IO基本相同，其區(qū)別在于第二實施例薄膜晶體管 20為底柵型。所述柵極220設置于該絕緣基板210表面，所述絕緣層230設置于柵極 220表面，所述半導體層240設置于該絕緣層230表面，所述絕緣層230設 置于柵極220與半導體層240之間；所述源極252、漏極252間隔設置于該 半導體層240表面，并通過該半導體層240電連4妾；所述半導體層240位于 所述源極251和漏極252之間的區(qū)域形成一溝道256。優(yōu)選地，該片冊極220 可以與源極252、漏極252之間的溝道區(qū)域256對應設置于絕緣基板210表 面，且該柵極220通過該絕緣層230與源極252、漏極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晶體管20中，柵極220、源極 252、漏極252及絕緣層230的材料與第一實施例中薄膜晶體管10的柵極 120、源極151、漏極152及絕緣層130的材料相同。第二實施例提供的薄膜 晶體管20中，溝道區(qū)域256、半導體層240的形狀、面積與第一實施例中薄 膜晶體管10的溝道區(qū)域156、半導體層240的形狀、面積相同。所述源極252及漏極252可以i殳置于該半導體層240上表面，此時，源 極252、漏極252與柵極220設置于半導體層240的不同面，半導體層240設置于源極252、漏極252與柵極220之間，形成一逆交錯結構的薄膜晶體 管?；蛘撸鲈礃O252及漏極252也可以設置于該半導體層240下表面與 絕緣層130之間，此時，源極252、漏極252與柵才及220設置于半導體層140 的同一面，形成一逆共面結構的薄膜晶體管。本技術方案實施例提供的采用 一碳納米管薄膜作為半導體層的薄膜晶 體管具有以下優(yōu)點其一，由于碳納米管具有優(yōu)異的半導體性，則由定向排 列的碳納米管組成的碳納米管薄膜具有均勻的半導體性。并且，由于碳納米 管首尾相連，且從源極連接至漏極，載流子沿碳納米管軸向運動，從源極向 漏極運動具有較短的路徑，因而，采用碳納米管薄膜作為半導體層，可以使 薄膜晶體管具有較大的載流子遷移率較快響應速度。其二，由于碳納米管具有優(yōu)異的力學性能，則由定向排列的碳納米管組成的碳納米管薄膜具有較好 的韌性及機械強度，故采用該碳納米管薄膜作為半導體層，可以應用于柔性 薄膜晶體管。其三，由于碳納米米管薄膜組成的半導體層較其它半導體材料 更耐高溫，因此，該薄膜晶體管可以在較高溫度下工作。另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當然這些依據(jù) 本發(fā)明精神所作的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種薄膜晶體管，包括一源極；一漏極，該漏極與該源極間隔設置；一半導體層，該半導體層與該源極和漏極電連接；以及一柵極，該柵極通過一絕緣層與該半導體層、源極及漏極絕緣設置；其特征在于，所述半導體層包括一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜包含多個首尾相連且擇優(yōu)取向排列的碳納米管，至少部分碳納米管的排列方向沿源極到漏極延伸。
2. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管為半導體性 的碳納米管。
3. 如權利要求l所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管為單壁或雙 壁碳納米管，且該碳納米管的直徑小于IO納米。
4. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管薄膜進一步 包括多個首尾相連的碳納米管束片段，每個碳納米管束片段具有大致相等的 長度且每個碳納米管束片段由多個相互平行的碳納米管束構成，碳納米管束 片段兩端通過范德華力相互連接。
5. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管薄膜的厚度 為0.5納米 10(H效米。
6. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述絕緣層的材料為氮化 硅、氧化硅、苯并環(huán)丁烯、聚酯或丙烯酸樹脂。
7. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管的柵極、 源極及漏極的材料為金屬、合金、導電聚合物或?qū)щ娦蕴技{米管。
8. 如權利要求7所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管的柵極、 源極及漏極的材料為鋁、銅、鴒、鉬、金、銫、把或其任意組合的合金。
9. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述絕緣層設置于柵極與 半導體層之間。
10. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述源極及漏極間隔設置 于所述半導體層表面。
11. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管設置于一絕緣基板表面，其中，所述半導體層設置于該絕緣基板表面，所述源極及漏 極間隔設置于所述半導體層表面，所述絕緣層設置于該半導體層表面，所述 柵極設置于絕緣層表面，并通過該絕緣層與源極、漏極及半導體層電絕緣。
12. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管設置于一 絕緣基板表面，其中，所述柵極設置于該絕緣基板表面，所述絕緣層設置于 柵極表面，所述半導體層設置于該絕緣層表面，并通過所述絕緣層與柵極電 絕緣，所述源極、漏極間隔設置于該半導體層表面，并通過該絕緣層與柵極 電絕緣。
13. 如權利要求11或12所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述絕緣基板的材 料為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、塑料或樹脂。
14. 如權利要求11或12所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述源極、漏極與 柵極設置于半導體層的同 一面。
15. 如權利要求11或12所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述源極、漏極與 柵極設置于半導體層的不同面，半導體層設置于源極、漏極與柵極之間。
16. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管的半導體 層進一步包括一溝道區(qū)域，該溝道區(qū)域為所述半導體層位于所述源極和漏極 之間的區(qū)域，該溝道區(qū)域及半導體層的長度為1微米 100微米，寬度為l微 米 1毫米，厚度為0.5納米 100微米。
17. 如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管的載流子 遷移率為10~1500cm2/V"s",開關電流比為100~100萬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管，其包括一源極；一漏極，該漏極與該源極間隔設置；一半導體層，該半導體層與該源極和漏極電連接；以及一柵極，該柵極通過一絕緣層與該半導體層、源極及漏極及絕緣設置；其中，所述半導體層包括一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜包含多個首尾相連且擇優(yōu)取向排列的碳納米管，至少部分碳納米管的排列方向沿源極向漏極延伸。
文檔編號H01L29/786GK101582445SQ200810067160
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權日2008年5月14日
發(fā)明者姜開利, 李群慶, 范守善 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司