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(yīng)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(dǎo)體層、源極和漏極。其中，源極和漏極間隔設(shè)置 并與半導(dǎo)體層電連接，柵極通過絕緣層與半導(dǎo)體層及源極和漏極間隔絕緣設(shè) 置。所述半導(dǎo)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(dǎo)電材料構(gòu)成，該導(dǎo)電材料一般為金屬或合 金。當(dāng)在柵極上施加一電壓時(shí)，與柵極通過絕緣層間隔設(shè)置的半導(dǎo)體層中的 溝道區(qū)域會(huì)積累載流子，當(dāng)載流子積累到一定程度，與半導(dǎo)體層電連接的源 極漏極之間將導(dǎo)通，從而有電流從源極流向漏極。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)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(dǎo)體層中半導(dǎo)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(dǎo)體層的材料為非晶硅、多晶硅或有 機(jī)半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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—V1)，從而導(dǎo)致薄膜晶體管 的響應(yīng)速度較慢。以多晶硅作為半導(dǎo)體層的薄膜晶體管相對(duì)于以非晶硅作為 半導(dǎo)體層的薄膜晶體管，具有較高的載流子遷移率(一般約為10cr^V—V1)， 因此響應(yīng)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(fù)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
4無機(jī)薄膜晶體管，采用有機(jī)半導(dǎo)體聚合物做半導(dǎo)體層的有機(jī)薄膜晶體管具有 成本低、制造溫度低的優(yōu)點(diǎn)，且有機(jī)薄膜晶體管具有較高的柔韌性。但由于 有機(jī)半導(dǎo)體在常溫下多為跳躍式傳導(dǎo)，表現(xiàn)出較高的電阻率、較低的載流子 遷移率，使得有機(jī)薄膜晶體管的響應(yīng)速度較慢。
碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)及電學(xué)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(dǎo)體性。半導(dǎo)體性的碳納米管具有較高
的載流子遷移率( 一般可達(dá)1000 1500cn^V-V1),是制造晶體管的理想材料。 現(xiàn)有技術(shù)中已有報(bào)道采用半導(dǎo)體性碳納米管形成的碳納米管層作為薄膜晶 體管的半導(dǎo)體層?，F(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(jī)分布。載流子在上述無序碳納米管層中的傳導(dǎo) 路徑較長(zhǎng)，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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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，該漏極與該源極間隔設(shè)置； 一半導(dǎo)體層；以及一柵極，該柵極通過一絕緣層與該半導(dǎo)體層、源極及漏極 絕緣設(shè)置；其中，該半導(dǎo)體層包括多個(gè)碳納米管，且至少部分碳納米管的兩 端分別與所述源極和漏極電連接。
本技術(shù)方案實(shí)施例提供的采用多個(gè)兩端分別與所述源極和漏極電連接的碳納米管形成的半導(dǎo)體層的薄膜晶體管具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，由于組成半 導(dǎo)體層的碳納米管的兩端分別與所述源極和漏極電連接，故載流子由源極經(jīng) 半導(dǎo)體層至漏極方向傳輸具有較短的傳輸路徑，同時(shí)可有效利用碳納米管的 軸向傳輸特性，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(jìn) 而有利于提高薄膜晶體管的響應(yīng)速度。其二，由于碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)
管組成的半導(dǎo)體層具有較好的韌性及機(jī)械強(qiáng)度，有利于制造柔性薄膜晶體
管,


圖1是本技術(shù)方案第一實(shí)施例的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(shí)施例的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(shí)施例工作時(shí)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(shí)施例薄膜晶體管的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本技術(shù)方案實(shí)施例提供的薄膜晶體管。
請(qǐng)參閱圖1，本技術(shù)方案第一實(shí)施例提供一種薄膜晶體管10,該薄膜晶 體管10為頂柵型，其包括一半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體層140表面。上述絕緣層130設(shè)置于上述半導(dǎo)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(dǎo)體層140及源極151和漏極152絕緣設(shè)置。所述半導(dǎo)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(dǎo)體層140的上表面位 于所述絕緣層130與半導(dǎo)體層140之間，此時(shí)，所述源極151、漏極152與 柵極120設(shè)置于所述半導(dǎo)體層140的同一面，形成一共面型薄膜晶體管10。 或者，所述源極151及漏極152可以間隔設(shè)置于所述半導(dǎo)體層140的下表面
6位于所述絕緣基板110與半導(dǎo)體層140之間，此時(shí)，所述源極151、漏極152 與柵極120設(shè)置于所述半導(dǎo)體層140的不同面，形成一交錯(cuò)型薄膜晶體管10。 可以理解，上述源極151及漏極152的設(shè)置位置不限于所述半導(dǎo)體層140表 面。只要保證上述源極151及漏極152間隔設(shè)置，并與上述半導(dǎo)體層140電 接觸即可。
所述絕緣基板IIO起支撐作用，其材料可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金 剛石、硅片等硬性材料或塑料、樹脂等柔性材料。本實(shí)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(duì)薄膜晶體管IO提供支撐。 所述絕緣基板IIO也可選用大規(guī)模集成電路中的基板，且多個(gè)薄膜晶體管10 可按照預(yù)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(dǎo)體器件。
所述半導(dǎo)體層140包括多個(gè)半導(dǎo)體性碳納米管，所述多個(gè)碳納米管平行 于所述半導(dǎo)體層140的表面，所述多個(gè)碳納米管之間通過范德華力相互結(jié)合， 且至少部分碳納米管的兩端分別與所述源極151和漏極152電連接。所述半 導(dǎo)體層140可包括一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜包括多個(gè)相互平行的碳 納米管。進(jìn)一步地，所述多個(gè)碳納米管具有大致相等的長(zhǎng)度。優(yōu)選地，所述 碳納米管均沿所述源極151至漏極152的方向緊密排列。所述碳納米管可為 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vf友納米管的直徑為1.0納米 50納米。優(yōu)選地，所述^f友納米管 的直徑小于IO納米。所述半導(dǎo)體層140也可包括兩個(gè)或兩個(gè)以上相互重疊 的碳納米管薄膜。相鄰兩層碳納米管薄膜中的碳納米管之間具有一交叉角度 a， ce大于等于0度且小于等于90度。所述半導(dǎo)體層140的長(zhǎng)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(zhǎng)度為1微米 100微米，寬度為1微米~1毫米。
本技術(shù)方案實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體層140為一碳納米管薄膜。請(qǐng)參見圖 2,所述碳納米管薄膜包括多個(gè)相互平行的碳納米管。所述多個(gè)碳納米管之 間通過范德華力緊密結(jié)合。該碳納米管薄膜中的碳納米管沿所述源極151至 漏極152方向緊密排列。所述半導(dǎo)體層140的長(zhǎng)度為50微米，寬度為300 微米，厚度為5納米。所述溝道156的長(zhǎng)度為40微米，寬度為300微米。
所述源極151、漏極152及柵極120由導(dǎo)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(dǎo)電薄膜。該導(dǎo)電薄膜的厚度為0.5 納米 100微米。該導(dǎo)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(dǎo)電銀膠、導(dǎo)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、鎢、鉬、金、鈦、釹、把、銫或其合金。本實(shí)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，有利于所述源極151和漏 極152與所述半導(dǎo)體層140之間形成良好的電接觸，減少歐姆接觸電阻。
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(shí)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(dǎo)體 層140，只要能保證半導(dǎo)體層140、源極151和漏極152與相對(duì)設(shè)置的柵極 120絕緣即可。
請(qǐng)參見圖3，使用時(shí)，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(dǎo)體層140 中的溝道156中產(chǎn)生電場(chǎng)，并在溝道156靠近柵4及120的表面處產(chǎn)生感應(yīng)載 流子。隨著柵極120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(dāng)載流子積累到一定程度時(shí)，就會(huì)在所述源極151 和漏極152之間產(chǎn)生電流。由于組成所述半導(dǎo)體層140的部分碳納米管的兩 端分別與所述源極151和漏極152電連接，故載流子由源極151經(jīng)半導(dǎo)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(yīng)速度。
本技術(shù)方案實(shí)施例采用從源極151至漏極152方向擇優(yōu)取向排列的碳納 米管作半導(dǎo)體層140,且所述碳納米管的兩端分別與所述源極151及漏極152 電連接，所述碳納米管之間的間距為20微米，所述薄膜晶體管IO的載流子 遷移率高于10cm"V-V1，開關(guān)電流比為100 100萬。優(yōu)選地，所述薄膜晶 體管的載流子遷移率為10 1500cm"V-V1。
請(qǐng)參閱圖4，本技術(shù)方案第二實(shí)施例提供一種薄膜晶體管20,該薄膜晶 體管20為底柵型，其包括一柵極220、 一絕緣層230、 一半導(dǎo)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(shí)施例薄膜晶體管20的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)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(dǎo)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(dǎo)體層240電接觸，該源極251、漏極252 及半導(dǎo)體層240通過絕緣層230與上述柵極220電絕緣。
所述源極251及漏極252可以間隔設(shè)置于該半導(dǎo)體層240的上表面，此 時(shí)所述源極251 、漏極252與柵極220設(shè)置于所述半導(dǎo)體層240的不同面， 形成一逆交錯(cuò)型薄膜晶體管20?；蛘?，所述源極251及漏極252可以間隔設(shè) 置于該半導(dǎo)體層240的下表面，位于所述絕緣層230與半導(dǎo)體層240之間， 此時(shí)，所述源極251、漏極252與柵極220設(shè)置于所述半導(dǎo)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(shí)施例提供的采用部分兩端分別與所述源極和漏極電連接 的碳納米管作為半導(dǎo)體層的薄膜晶體管具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，由于組成半導(dǎo)
源極經(jīng)半導(dǎo)體層至漏極方向傳輸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(jìn)而有利于提高薄膜晶體管的響應(yīng)速 度。其二，由于碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，則由兩層或兩層以上沿不同 方向排列的碳納米管薄膜組成的半導(dǎo)體層具有較好的韌性及機(jī)械強(qiáng)度，從而 有利于制備柔性薄膜晶體管。其三，由于碳納米管在高溫下不會(huì)受到影響， 故由該碳納米管組成的半導(dǎo)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(yīng)用于高溫領(lǐng)域。其四，由于碳納米管具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，
可以有效地將薄膜晶體管工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，從而有利于解決薄膜晶
體魯集成于大規(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(dāng)然這些依據(jù)
本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)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(dǎo)體層；以及一柵極，該柵極通過一絕緣層與該半導(dǎo)體層、源極及漏極絕緣設(shè)置；其特征在于，該半導(dǎo)體層包括多個(gè)碳納米管，且至少部分碳納米管的兩端分別與所述源極和漏極電連接。
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(dǎo)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，所述多個(gè)碳納米管平行于 所述半導(dǎo)體層的表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述多個(gè)碳納米管相互平 行。
5. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管沿所述源極 至漏極的方向擇優(yōu)取向排列。
6. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體層包括至少一 層碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜包括多個(gè)相互平行的碳納米管。
7. 如權(quán)利要求6所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體層包括至少兩 層相互重疊的碳納米管薄膜，相鄰兩層碳納米管薄膜之間通過范德華力緊 密結(jié)合，且相鄰兩層碳納米管薄膜中的碳納米管之間具有一交叉角度a， a大于等于0度且小于等于90度。
8. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管為單壁碳納 米管或雙壁碳納米管，且所述碳納米管的直徑小于IO納米。
9. 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(dǎo)體層之間。
10. 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。
11. 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(dǎo)體層表面。
12. 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(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電聚合物 或?qū)щ娦蕴技{米管。
13. 如權(quán)利要求12所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述柵極、源極及漏極 的材料為鈀、銫、鋁、銅、鴒、鉬、金、鈦、釹或其合金。
14. 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(dǎo)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(dǎo)體層表面，所述絕緣層設(shè)置于所述半導(dǎo)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(dǎo)體層、源 才及和漏^及電絕《彖。
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(dǎo)體層設(shè)置于所述絕緣層表面，并通過所述絕緣 層與柵極電絕緣，所述源極及漏極間隔設(shè)置于所述半導(dǎo)體層表面并通過絕 緣層與上述柵極電絕緣。
16. 如權(quán)利要求14或15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。
17. 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/vV1，開關(guān)電流比為100~100萬。
18. 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(jìn)一步 包括一溝道，該溝道為所述半導(dǎo)體層位于所述源才及和漏才及之間的區(qū)i或，該 溝道與所述半導(dǎo)體層的長(zhǎng)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孩i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，該漏極與該源極間隔設(shè)置；一半導(dǎo)體層；以及一柵極，該柵極通過一絕緣層與該半導(dǎo)體層、源極及漏極絕緣設(shè)置；其中，該半導(dǎo)體層包括多個(gè)碳納米管，且至少部分碳納米管的兩端分別與所述源極和漏極電連接。
文檔編號(hào)H01L29/786GK101582451SQ20081006727
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者姜開利, 李群慶, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司