專利名稱：薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT )是現(xiàn)代微電子技術(shù)中的一種關(guān) 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(lǐng)域。薄膜晶體管主 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(shè)置 并與半導體層電連接，柵極通過絕緣層與半導體層及源極和漏極間隔絕緣設(shè)
置。所述半導體層位于所述源極和漏極之間的區(qū)域形成一溝道區(qū)域。薄膜晶 體管中的柵極、源極、漏極均由導電材料構(gòu)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(shè)置的半導體層中的 溝道區(qū)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，對薄膜晶 體管的要求是希望得到較大的開關(guān)電流比。影響上述開關(guān)電流比的因素除薄 膜晶體管的制備工藝外，薄膜晶體管半導體層中半導體材料的載流子遷移率 為影響開關(guān)電流比的最重要的影響因素之一。
現(xiàn)有技術(shù)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(shù) 較為成熟，但在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lcn^V—Y1),從而導致薄膜晶體管 的響應速度較慢。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10cm -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(guān)態(tài)電流較大。相較于上述傳統(tǒng)的無機薄膜晶體管，釆用有機半導體聚合物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 1500cm -V1),是制造晶體管的理想材料。 現(xiàn)有技術(shù)中已有報道采用半導體性碳納米管形成的碳納米管層作為薄膜晶 體管的半導體層。現(xiàn)有技術(shù)中的碳納米管層中，碳納米管為無序排列或垂直 于基底排列，形成一無序碳納米管層或一碳納米管陣列。然而，在上述無序 碳納米管層中，碳納米管隨機分布。載流子在上述無序碳納米管層中的傳導 路徑較長，不利于獲得具有較高載流子遷移率的薄膜晶體管。另外，上述無 序碳納米管層為通過噴墨法形成，碳納米管層中的碳納米管之間通過粘結(jié)劑 相互結(jié)合，因此，該碳納米管層為一較為松散結(jié)構(gòu)，柔韌性較差，不利于制 造柔性薄膜晶體管。在上述碳納米管陣列中，碳納米管排列方向垂直于基底 方向。由于碳納米管具有較好的載流子軸向傳輸性能，而徑向方向的傳輸性 能較差，故垂直于基底方向排列的碳納米管同樣不利于獲得具有較高載流子 遷移率的薄膜晶體管。故上述兩種碳納米管的排列方式均不能有效利用碳納
米管的高載流子遷移率。因此，現(xiàn)有技術(shù)中采用無序碳納米管層或碳納米管 陣列作半導體層的薄膜晶體管不利于獲得具有較高載流子遷移率及較高的 響應速度的薄膜晶體管，且現(xiàn)有技術(shù)中的薄膜晶體管的柔韌性較差。
綜上所述，確有必要提供一種薄膜晶體管，該薄膜晶體管具有較高的載 流子遷移率，較高的響應速度，以及較好的柔韌性。

發(fā)明內(nèi)容
一種薄膜晶體管，包括一源極、 一漏極、 一半導體層及一柵極，該漏極 與該源極間隔設(shè)置，該半導體層與該源極和漏極電連接，該柵極通過一絕緣 層與該半導體層、源極及漏極絕緣設(shè)置，其中，該半導體層包括至少兩個沿 相同方向重疊的碳納米管薄膜，每一碳納米管薄膜包括多個首尾相連且沿同 一方向排列的碳納米管，且至少部分碳納米管的排列方向沿源極至漏極方向延伸。
本技術(shù)方案實施例提供的采用至少兩個沿相同方向重疊設(shè)置的碳納米
管薄膜作為半導體層的薄膜晶體管具有以下優(yōu)點其一，由于碳納米管薄膜
經(jīng)半導體層至漏極方向傳輸可具有較短的傳輸路徑，從而有利于獲得具有較 大的載流子遷移率的薄膜晶體管，進而有利于提高薄膜晶體管的響應速度。 其二，由于采用該至少兩個碳納米管薄膜重疊設(shè)置作為半導體層，且每一碳 納米管薄膜中碳納米管之間通過范德華力首尾相連，則碳納米管薄膜具有較 好的韌性及機械強度，可以用于制造柔性的薄膜晶體管。


圖1是本技術(shù)方案第一實施例薄膜晶體管的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本技術(shù)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(shù)方案第 一實施例工作時的薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本技術(shù)方案第二實施例薄膜晶體管的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下將結(jié)合附圖詳細說明本技術(shù)方案實施例提供的薄膜晶體管。
請參閱圖1,本技術(shù)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，其包括一半導體層140、 一源極151、 一漏極152、 一絕 緣層130及一柵極120。所述薄膜晶體管IO形成在一絕緣基板110表面。
上述半導體層140設(shè)置于上述絕緣基板110表面。上述源極151及漏極 152間隔設(shè)置于上述半導體層140表面。上述絕緣層130設(shè)置于上述半導體 層140表面。上述柵極120設(shè)置于上述絕緣層130表面，并通過該絕緣層130 與該半導體層140及源極151和漏極152絕緣設(shè)置。所述半導體層140位于 所述源極151和漏極152之間的區(qū)域形成一溝道156。
所述源極151及漏極152可以間隔設(shè)置于所述半導體層140的上表面位 于所述絕緣層130與半導體層140之間，此時，源極151、漏極152與柵極 120設(shè)置于半導體層140的同一側(cè)，形成一共面型薄膜晶體管10。或者，所
6述源極151及漏極152可以間隔設(shè)置于所述半導體層140的下表面，此時， 源極151、漏極152與柵極120設(shè)置于半導體層140的不同側(cè)，位于所述絕 緣基板IIO與半導體層140之間，形成一交錯型薄膜晶體管10?？梢岳斫猓?所述源極151及漏極152的設(shè)置位置不限。只要確保上述源極151及漏極152 間隔設(shè)置，并與上述半導體層140電連接，使半導體層140中至少部分碳納 米管沿源極151至漏極152方向排列即可。
所述絕緣基板IIO起支撐作用，其材料可選擇為玻璃、石英、陶f;、金 剛石、硅片等硬性材料或塑料、樹脂等柔性材料。本實施例中，所述絕緣基 板IIO的材料為玻璃。所述絕緣基板IIO用于對薄膜晶體管IO提供支撐。 所述絕緣基板110也可選用大規(guī)模集成電路中的基板，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。
所述半導體層140中包括至少兩個重疊的碳納米管薄膜，每一碳納米管 薄膜包括多個擇優(yōu)取向排列且首尾相連的半導體性碳納米管，相鄰的兩個碳 納米管薄膜中的碳納米管沿同 一方向排列。所述碳納米管薄膜中至少部分碳 納米管的排列方向沿源極151至漏極152方向延伸。優(yōu)選地，上述^友納米管 薄膜中的碳納米管的排列方向均沿從源極151指向漏極152的方向延伸。相 鄰的碳納米管薄膜之間通過范德華力緊密結(jié)合。
請參閱圖2，該碳納米管薄膜進一步包括多個碳納米管束片段，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(gòu)成，碳納米管束片段兩端通過范德華力相互連接。該碳納米 管薄膜的長度及寬度不限，可根據(jù)實際需求制備。上述半導體層140中的碳 納米管薄膜的層數(shù)不限。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》灰納米管的直徑為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。
上述半導體層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(shù)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25納米。所述溝道156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方向重疊設(shè)置的 5層碳納米管薄膜。每一碳納米管薄膜的厚度為5納米。
所述半導體層中的碳納米管薄膜可通過從碳納米管陣列中直接拉取并 進一步處理獲得。該碳納米管薄膜具有粘性，可以直接黏附于絕緣基板110 表面。具體地，根據(jù)源極151及漏極152與半導體層140設(shè)置的相對位置不 同，可以先在絕緣基板110上翁附碳納米管薄膜，后將源極151及漏極152 沿碳納米管薄膜中碳鈉米管排列方向形成于碳納米管薄膜表面，并使源極 151及漏極152間隔設(shè)置；也可先將源極151及漏極152分別間隔形成于絕 緣基板110表面，再沿源極151至漏極152的方向鋪設(shè)碳納米管薄膜，覆蓋 該源極151及漏極152。本技術(shù)方案實施例中，所述源極151和漏極152沿 碳納米管薄膜中碳納米管的排列方向間隔設(shè)置于碳納米管薄膜的兩端，并分 別與所述碳納米管薄膜電接觸。
所述源極151、漏極152及柵極120由導電材料組成。優(yōu)選地，所述源 極151、漏極152及柵極120均為一層導電薄膜。該導電薄膜的厚度為0.5 納米 100微米。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、導電聚合物或?qū)щ娦蕴技{米管等。該金屬 或合金材料可以為鋁、銅、鴒、鉬、金、鈦、釹、釔、銫或它們的合金。本 實施例中，所述源極151、漏極152及柵極120的材料為金屬鈀膜，厚度為 5納米。所述金屬鈀與碳納米管具有較好的潤濕效果。上述源極151及漏極 152之間的距離為l微米-100微米。
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5納米 100微米。本 實施例中，所述絕緣層130的材料為氮化硅。可以理解，根據(jù)具體的形成工 藝不同，上述絕緣層130不必完全覆蓋上述源極151、漏極152及半導體層 140,只要能保證半導體層140、源極151和漏極152與相對設(shè)置的柵極120 絕纟彖即可。
請參見圖3，使用時，所述源極151接地，在所述漏極152上施加一電 壓Vds，在所述柵極120上施一電壓Vg，柵極120電壓Vg在半導體層140 中的溝道156區(qū)域中產(chǎn)生電場，并在溝道156區(qū)域靠近柵極120的表面處產(chǎn) 生感應載流子。隨著柵極電壓Vg的增加，所述溝道156靠近柵極120的表面處逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩d流子積累層，當載流子積累到一定程度時，就會在源極151 和漏極152之間產(chǎn)生電流。由于半導體性的碳納米管具有較高的軸向載流子 遷移率，且碳納米管薄膜中的碳納米管首尾相連并沿從源極151至漏極152 的方向排列，故載流子由源極151經(jīng)半導體層140至漏極152方向傳輸具有 較短的傳輸路徑，從而使獲得的薄膜晶體管10具有較大的載流子遷移率及 較高的響應速度。
由于本技術(shù)方案實施例半導體層140中的碳納米管具有較好的半導體 性，由碳納米管組成的碳納米管薄膜沿從源極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 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。本技術(shù) 方案實施例中，所述薄膜晶體管IO的載流子遷移率高于lOcmVv-YL開關(guān) 電流比為1.0 x 102~1.0x 106。
請參閱圖4，本技術(shù)方案第二實施例提供一種薄膜晶體管20，該薄膜晶 體管20為背柵型，其包括一柵極220、 一絕緣層230、 一半導體層240、 一 源極251及一漏極252。該薄膜晶體管20設(shè)置在一絕緣基板210上。
本技術(shù)方案第二實施例薄膜晶體管20的結(jié)構(gòu)與第一實施例中的薄膜晶 體管IO的結(jié)構(gòu)基本相同，其區(qū)別在于上述柵極220設(shè)置于所述絕緣基板 210表面；上述絕緣層230設(shè)置于該柵極220表面；上述半導體層240設(shè)置 于該絕緣層230表面，通過絕緣層230與柵極220絕緣設(shè)置；上述源極251 及漏極252間隔設(shè)置并與上述半導體層240電接觸，該源極251、漏才及252 及半導體層240通過絕緣層230與上述柵極220電絕緣。所述半導體層240 位于所述源極251和漏才及252之間的區(qū)域形成一溝道256。
所述源極251及漏極252可以間隔設(shè)置于該半導體層240的上表面，此 時，源極251、漏極252與柵極220設(shè)置于半導體層140的不同面，形成一 逆交錯型薄膜晶體管20?；蛘撸鲈礃O251及漏極252可以間隔設(shè)置于該 半導體層240的下表面，位于絕緣層230與半導體層240之間，此時，源極 251、漏極252與柵極220設(shè)置于半導體層240的同一面，形成一逆共面型 薄膜晶體管20。
本技術(shù)方案實施例提供的采用至少兩個沿同一方向重疊設(shè)置的半導體性碳納米管薄膜作為半導體層的薄膜晶體管及半導體器件具有以下優(yōu)點其
從而有利于獲得具有較大的載流子遷移率的薄膜晶體管，進而有利于提高薄 膜晶體管的響應速度。其二，由于采用該至少兩個碳納米管薄膜重疊設(shè)置作 為半導體層，且每一碳納米管薄膜中碳納米管之間通過范德華力首尾相連， 則碳納米管薄膜具有較好的韌性及機械強度，可以用于制造柔性的薄膜晶體 管。其三，由于碳納米管薄膜中的碳納米管的結(jié)構(gòu)在高溫下不會受到影響， 故由該碳納米管薄膜組成的半導體層在高溫下仍具有較高的載流子遷移率。 故該薄膜晶體管可應用于高溫領(lǐng)域。其四，由于碳納米管具有較高的導熱系 數(shù)，且沿同一方向排列的碳納米管更有利于熱量沿該方向的傳導，因此，所 述碳納米管薄膜可以有效地將薄膜晶體管工作時所產(chǎn)生的熱量導出，從而有 利于解決薄膜晶體管集成于大規(guī)模集成電路中的散熱問題。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)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(quán)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(shè)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(shè)置；其特征在于，該半導體層包括至少兩個沿相同方向重疊的碳納米管薄膜，每一碳納米管薄膜包括多個首尾相連且沿同一方向排列的碳納米管，且至少部分碳納米管的排列方向沿源極至漏極方向延伸。
2. 如權(quán)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 碳納米管。
3. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述相鄰兩個碳納米管薄 膜之間通過范德華力緊密結(jié)合。
4. 如權(quán)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(gòu)成，碳納米管束片段兩端通 過范德華力首尾相連。
5. 如權(quán)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 100樣i米。
6. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管薄膜中的碳 納米管為單壁碳納米管或雙壁碳納米管，該碳納米管的直徑小于IO納米。
7. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述絕緣層設(shè)置于所述柵 極和半導體層之間。
8. 如權(quán)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。
9. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述源極及漏極設(shè)置于所 述半導體層表面。
10. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述柵極、源極及漏極的 材料為金屬、合金、銦錫氧化物、銻錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物或金 屬性碳納米管。
11. 如權(quán)利要求10所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述柵極、源極及漏極的材料為釔、銫、鋁、銅、鴒、鉬、金、鈦、釹或它們的合金。
12. 如權(quán)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(shè)置于一 絕緣基板上，其中，所述半導體層設(shè)置于該絕緣基板表面，所述源極及漏極 間隔設(shè)置于所述半導體層表面，所述絕緣層設(shè)置于所述半導體層表面，所述 柵極設(shè)置于所述絕緣層表面，并通過該絕緣層與該半導體層、源極和漏極電 絕緣。
13. 如權(quán)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(shè)置于一 絕緣基板上，其中，所述柵極設(shè)置于該絕緣基板表面，所述絕緣層設(shè)置于所 述柵極表面，所述半導體層設(shè)置于所述絕緣層表面，通過所述絕緣層與柵極 電絕緣，所述源極及漏極間隔設(shè)置并通過絕緣層與上述柵極電絕緣。
14. 如權(quán)利要求12或13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。
15. 如權(quán)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—V1，開關(guān)電流比為l.Ox 102~1.0x 106。
16. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管進一步包 括一溝道，該溝道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 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納 米 100微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管，包括一源極、一漏極、一半導體層及一柵極，該漏極與該源極間隔設(shè)置，該半導體層與該源極和漏極電連接，該柵極通過一絕緣層與該半導體層、源極及漏極絕緣設(shè)置，其中，該半導體層包括至少兩個沿相同方向重疊的碳納米管薄膜，每一碳納米管薄膜包括多個首尾相連且沿同一方向排列的碳納米管，且至少部分碳納米管沿源極至漏極方向排列。
文檔編號H01L29/06GK101582449SQ20081006717
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)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