CN101582448B - 薄膜晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄膜晶体管，包括一源极、一漏极、一半导体层及一栅极，该漏极与该源极间隔设置，该半导体层与该源极和漏极电连接，该栅极通过一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置，其中，该栅极、源极和/或漏极包括一碳纳米管层，该碳纳米管层包括多个碳纳米管。

Description

薄膜晶体管
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管，尤其涉及一种基于碳纳米管的薄膜晶体管。
背景技术
薄膜晶体管（Thin Film Transistor,TFT）是现代微电子技术中的一种关键性电子元件，目前已经被广泛的应用于平板显示器等领域。薄膜晶体管主要包括栅极、绝缘层、半导体层、源极和漏极。其中，源极和漏极间隔设置并与半导体层电连接，栅极通过绝缘层与半导体层及源极和漏极间隔绝缘设置。所述半导体层位于所述源极和漏极之间的区域形成一沟道区域。薄膜晶体管中的栅极、源极、漏极均由导电材料构成，该导电材料一般为金属或合金。当在栅极上施加一电压时，与栅极通过绝缘层间隔设置的半导体层中的沟道区域会积累载流子，当载流子积累到一定程度，与半导体层电连接的源极漏极之间将导通，从而有电流从源极流向漏极。
现有技术中的薄膜晶体管半导体层的材料为非晶硅、多晶硅或有机半导体聚合物等，绝缘层的材料为氮化硅等绝缘材料，源极、漏极及栅极为导电金属层(R.E.I.Schropp,B.Stannowski,J.K.Rath,New challenges in thin filmtransistor research,Journal of Non-Crystalline Solids,299-302,1304-1310(2002))。然而采用金属层形成的源极、漏极及栅极具有机械性能不好等缺点，并且当用于柔性薄膜晶体管时，金属层在多次使用后由于基板的弯折易脱落和损坏，从而容易导致薄膜晶体管的耐用性差，寿命较短。另外，采用金属层形成的源极、漏极及栅极耐高温性能不好，在较高的温度下金属融化导致薄膜晶体管结构破坏。
综上所述，确有必要提供一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管具有较高的载流子迁移率，较高的响应速度，以及较好的柔韧性及耐高温性能。
发明内容
一种薄膜晶体管，包括一源极、一漏极、一半导体层及一栅极，该漏极与该源极间隔设置，该半导体层与该源极和漏极电连接，该栅极通过一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置，其中，该栅极、源极和/或漏极包括一碳纳米管层，该碳纳米管层包括多个碳纳米管。
本技术方案实施例提供的采用金属性碳纳米管层作为源极、漏极和/或栅极的薄膜晶体管具有以下优点：其一，金属性碳纳米管的优异的力学特性使得金属性碳纳米管层具有很好的韧性和机械强度，故，采用金属性碳纳米管层代替现有的金属层作源极、漏极和栅极，可以相应的提高薄膜晶体管的耐用性，尤其适用于柔性薄膜晶体管；其二，由于金属性碳纳米管层中的碳纳米管的结构在高温下不会受到影响，故采用金属性碳纳米管层的源极、漏极和栅极在高温下能够正常工作，使薄膜晶体管具有很好的耐高温性能；其三，由于金属性碳纳米管具有良好的导电性能，并且在所述的金属性碳纳米管层中均匀分布，故，采用上述的金属性碳纳米管层作源极、漏极和栅极，可使得源极、漏极和栅极具有均匀的阻值分布及较好的导电性能。
附图说明
图1是本技术方案第一实施例薄膜晶体管的剖视结构示意图。
图2是本技术方案第一实施例薄膜晶体管中金属性碳纳米管薄膜的扫描电镜照片。
图3是本技术方案第一实施例工作时的薄膜晶体管的结构示意图。
图4是本技术方案第二实施例薄膜晶体管的剖视结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本技术方案实施例提供的薄膜晶体管。
请参阅图1，本技术方案第一实施例提供一种薄膜晶体管10，该薄膜晶体管10为顶栅型，其包括一半导体层140、一源极151、一漏极152、一绝缘层130及一栅极120。所述薄膜晶体管10形成在一绝缘基板110表面。
上述半导体层140设置于上述绝缘基板110表面。上述源极151及漏极152间隔设置于上述半导体层140表面。上述绝缘层130设置于上述半导体层140表面。上述栅极120设置于上述绝缘层130表面，并通过该绝缘层130与该半导体层140及源极151和漏极152绝缘设置。所述半导体层140位于所述源极151和漏极152之间的区域形成一沟道156。
所述源极151及漏极152的设置位置不限。只要确保上述源极151及漏极152间隔设置，并与上述半导体层140电接触即可。具体地，所述源极151及漏极152可以间隔设置于所述半导体层140的上表面位于所述绝缘层130与半导体层140之间，此时，源极151、漏极152与栅极120设置于半导体层140的同一侧，形成一共面型薄膜晶体管10。或者，所述源极151及漏极152可以间隔设置于所述半导体层140的下表面，此时，源极151、漏极152与栅极120设置于半导体层140的不同侧，位于所述绝缘基板110与半导体层140之间，形成一交错型薄膜晶体管10。
所述绝缘基板110起支撑作用，其材料可选择为玻璃、石英、陶瓷、金刚石、硅片等硬性材料或塑料、树脂等柔性材料。本实施例中，所述绝缘基板110的材料为玻璃。所述绝缘基板110用于对薄膜晶体管10提供支撑。所述绝缘基板110也可选用大规模集成电路中的基板，且多个薄膜晶体管10可按照预定规律或图形集成于同一绝缘基板110上，形成薄膜晶体管面板或其它薄膜晶体管半导体器件。
所述半导体层140的材料为非晶硅、多晶硅、有机半导体聚合物或半导体性碳纳米管等。优选地，所述半导体层140为一半导体性碳纳米管层。该半导体性碳纳米管层包括多个单壁或多壁半导体性碳纳米管。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米；所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳米。优选地，所述碳纳米管的直径小于10纳米。具体地，上述碳纳米管层中可进一步包括一个半导体性碳纳米管薄膜，或多个重叠设置的半导体性碳纳米管薄膜，该半导体性碳纳米管薄膜为无序或者有序的半导体性碳纳米管薄膜。无序的半导体性碳纳米管薄膜中，半导体性碳纳米管为无序或各向同性排列。该无序排列的半导体性碳纳米管相互缠绕，该各向同性排列的半导体性碳纳米管平行于半导体性碳纳米管薄膜的表面。有序的半导体性碳纳米管薄膜中，半导体性碳纳米管为沿同一方向择优取向排列或沿不同方向择优取向排列。当半导体性碳纳米管层包括多层有序半导体性碳纳米管薄膜时，该多层半导体性碳纳米管薄膜可以沿任意方向重叠设置，因此，在该半导体性碳纳米管层中，半导体性碳纳米管为沿相同或不同方向择优取向排列。本技术领域的技术人员应该明白，所述半导体性碳纳米管层可包括多个半导体性碳纳米管长线结构，所述半导体性碳纳米管长线结构包括多个首尾相连的半导体性碳纳米管束组成的束状结构或由多个首尾相连的半导体性碳纳米管束组成的绞线结构。本技术方案实施例中的半导体性碳纳米管层中包括两个重叠的半导体性碳纳米管薄膜，相邻的半导体性碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合。每一半导体性碳纳米管薄膜包括多个择优取向排列且通过范德华力首尾相连的半导体性碳纳米管。相邻的两层半导体性碳纳米管薄膜中的半导体性碳纳米管形成一夹角α，且0°≤α≤90°。所述半导体层140采用半导体性碳纳米管层可以与源极151和漏极152中的金属性碳纳米管层更好的结合，有利于减少半导体层140与源极151和漏极152之间的接触电阻。
上述半导体层140的长度为1微米~100微米，宽度为1微米~1毫米，厚度为0.5纳米~100微米。所述沟道156的长度为1微米~100微米，宽度为1微米~1毫米。本技术方案实施例中，所述半导体层140的长度为50微米，宽度为300微米，厚度为1微米。所述沟道156的长度为40微米，宽度为300微米。
所述绝缘层130材料为氮化硅、氧化硅等硬性材料或苯并环丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸树脂等柔性材料。该绝缘层130的厚度为5纳米~100微米。本实施例中，所述绝缘层130的材料为氮化硅。可以理解，根据具体的形成工艺不同，上述绝缘层130不必完全覆盖上述源极151、漏极152及半导体层140，只要能保证半导体层140、源极151和漏极152与相对设置的栅极120绝缘即可。
所述源极151、漏极152和/或栅极120为一金属性碳纳米管层，该金属性碳纳米管层包括多个金属性碳纳米管。优选地，所述源极151、漏极152及栅极120均为一金属性碳纳米管层。具体地，上述金属性碳纳米管层中可进一步包括一个金属性碳纳米管薄膜，或多个重叠设置的金属性碳纳米管薄膜，该金属性碳纳米管薄膜具有均匀的厚度。具体地，该金属性碳纳米管层包括无序的金属性碳纳米管薄膜或者有序的金属性碳纳米管薄膜。无序的金属性碳纳米管薄膜中，金属性碳纳米管为无序或各向同性排列。该无序排列的金属性碳纳米管相互缠绕，该各向同性排列的金属性碳纳米管平行于金属性碳纳米管薄膜的表面。有序的金属性碳纳米管薄膜中，金属性碳纳米管为沿同一方向择优取向排列或沿不同方向择优取向排列。当金属性碳纳米管层包括多层有序金属性碳纳米管薄膜时，该多层金属性碳纳米管薄膜可以沿任意方向重叠设置，因此，在该金属性碳纳米管层中，金属性碳纳米管为沿相同或不同方向择优取向排列。该金属性碳纳米管层的厚度为0.5纳米~100微米。
本技术领域的技术人员应该明白，所述金属性碳纳米管层可包括多个金属性碳纳米管长线结构，所述金属性碳纳米管长线结构包括多个首尾相连的金属性碳纳米管束组成的束状结构或由多个首尾相连的金属性碳纳米管束组成的绞线结构。
本实施例中的金属性碳纳米管层中包括两个重叠的金属性碳纳米管薄膜，相邻的金属性碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合。每一金属性碳纳米管薄膜包括多个择优取向排列且通过范德华力首尾相连的金属性碳纳米管束。相邻的两层金属性碳纳米管薄膜中的金属性碳纳米管束形成一夹角α，且0°≤α≤90°。请参阅图2，该金属性碳纳米管薄膜进一步包括多个连续的金属性碳纳米管束片段，每个金属性碳纳米管束片段具有大致相等的长度且每个金属性碳纳米管束片段由多个相互平行的金属性碳纳米管束构成，金属性碳纳米管束片段两端通过范德华力相互连接。该金属性碳纳米管层的长度、宽度及厚度均不限，可根据实际需求制备。该金属性碳纳米管层中的金属性碳纳米管包括单壁碳纳米管，双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米，双壁碳纳米管的直径为1纳米~50纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。
上述金属性碳纳米管薄膜可通过从碳纳米管阵列中直接拉取并进一步处理获得。该金属性碳纳米管薄膜具有粘性，可以直接黏附于半导体层140及绝缘层130表面。具体地，根据源极151及漏极152与半导体层140设置的相对位置不同，可以先在绝缘基板110上设置一半导体层140，后将两层金属性碳纳米管薄膜重叠黏附于上述半导体层140表面作为源极151，并以相似的方法在上述半导体层140表面形成漏极152，使源极151及漏极152间隔设置；也可先将两层金属性碳纳米管薄膜重叠黏附于绝缘基板110表面作为源极151，并以相似的方法在绝缘基板110表面形成漏极152，使源极151及漏极152间隔设置，再沿源极151至漏极152的方向形成半导体层140，并覆盖该源极151及漏极152。当采用该金属性碳纳米管薄膜作为栅极120时，可以直接将两层金属性碳纳米管薄膜重叠黏附于绝缘层130表面。
请参见图3，使用时，所述源极151接地，在所述漏极152上施加一电压Vds，在所述栅极120上施一电压Vg，栅极120电压Vg在半导体层140中的沟道156区域中产生电场，并在沟道156区域靠近栅极120的表面处产生感应载流子。随着栅极120电压Vg的增加，所述沟道156靠近栅极120的表面处逐渐转变为载流子积累层，当载流子积累到一定程度时，就会在源极151和漏极152之间产生电流。该源极151与漏极152与应用该薄膜晶体管10的电子设备的相应控制部件相连接，栅极120用于在沟道156区域中形成一电场，使半导体层140中积累载流子。因此，源极151、漏极152及栅极120应具有良好的导电性。由于所述金属性碳纳米管具有较好的导电性，故由所述金属性碳纳米管组成的金属性碳纳米管层作为栅极120，可以为所述薄膜晶体管10提供稳定的栅极120电压，进而提高薄膜晶体管10的响应速度，由所述金属性碳纳米管组成的金属性碳纳米管层作为源极151及漏极152，可以使所述薄膜晶体管10具有较好的输入输出性能。另外，当半导体层140为半导体性碳纳米管层时，由于半导体性碳纳米管具有较好的半导体性，故由所述半导体性碳纳米管组成的半导体性碳纳米管薄膜作为半导体层140，可以使所述薄膜晶体管10具有较大的载流子迁移率，进而提高薄膜晶体管10的响应速度。本技术方案实施例中，所述薄膜晶体管10的载流子迁移率高于10cm2V-1s-1。开关电流比为1.0×102~1.0×106。
请参阅图4，本技术方案第二实施例提供一种薄膜晶体管20，该薄膜晶体管20为背栅型，其包括一栅极220、一绝缘层230、一半导体层240、一源极251及一漏极252。该薄膜晶体管20设置在一绝缘基板210上。
本技术方案第二实施例薄膜晶体管20的结构与第一实施例中的薄膜晶体管10的结构基本相同，其区别在于：上述栅极220设置于所述绝缘基板210表面；上述绝缘层230设置于该栅极220表面；上述半导体层240设置于该绝缘层230表面，通过绝缘层230与栅极220绝缘设置；上述源极251及漏极252间隔设置并与上述半导体层240电接触，该源极251、漏极252及半导体层240通过绝缘层230与上述栅极220电绝缘。所述半导体层240位于所述源极251和漏极252之间的区域形成一沟道256。
所述源极251及漏极252可以间隔设置于该半导体层240的上表面，此时，源极251、漏极252与栅极220设置于半导体层140的不同面，形成一逆交错型薄膜晶体管20。或者，所述源极251及漏极252可以间隔设置于该半导体层240的下表面，位于绝缘层230与半导体层240之间，此时，源极251、漏极252与栅极220设置于半导体层240的同一面，形成一逆共面型薄膜晶体管20。
本技术方案实施例提供的采用包含金属性碳纳米管层的源极、漏极和/或栅极的薄膜晶体管具有以下优点：其一，金属性碳纳米管的优异的力学特性使得金属性碳纳米管层具有很好的韧性和机械强度，故，采用金属性碳纳米管层代替现有的金属层作源极、漏极和栅极，可以相应的提高薄膜晶体管的耐用性，尤其适用于柔性薄膜晶体管；其二，由于金属性碳纳米管薄膜中的金属性碳纳米管的结构在高温下不会受到影响，故采用金属性碳纳米管层的源极、漏极和栅极在高温下能够正常工作，使薄膜晶体管具有很好的耐高温性能；其三，由于金属性碳纳米管具有良好的导电性能，并且在所述的金属性碳纳米管层中均匀分布，故，采用上述的金属性碳纳米管层作源极、漏极和栅极，可使得源极、漏极和栅极具有均匀的阻值分布及较好的导电性能。其四，由于金属性碳纳米管具有较高的导热系数，可以有效地将薄膜晶体管工作时所产生的热量导出，从而有利于解决薄膜晶体管集成于大规模集成电路中的散热问题；其五，当薄膜晶体管的半导体层为一半导体性碳纳米管层时，可以与源极和漏极更好的匹配，减少半导体层与源极、漏极之间的接触电阻。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (16)

1.一种薄膜晶体管，包括：
一源极；
一漏极，该漏极与该源极间隔设置；
一半导体层，该半导体层与该源极和漏极电连接；以及
一栅极，该栅极通过一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置；
其特征在于，该源极、漏极和/或栅极包括一金属性碳纳米管层，该金属性碳纳米管层包括一层金属性碳纳米管薄膜、重叠设置的多层金属性碳纳米管薄膜或金属性碳纳米管长线结构，该金属性碳纳米管薄膜包括多个金属性碳纳米管，所述金属性碳纳米管薄膜中的金属性碳纳米管为沿一个固定方向择优取向排列，并且具有相等的长度且通过范德华力首尾相连，从而形成连续的金属性碳纳米管，所述金属性碳纳米管长线结构包括由多个首尾相连的金属性碳纳米管束组成的束状结构或绞线结构。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述金属性碳纳米管薄膜中的金属性碳纳米管平行于金属性碳纳米管薄膜表面。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述多个重叠设置的金属性碳纳米管薄膜中相邻的两层金属性碳纳米管薄膜中的金属性碳纳米管形成一夹角α，且0°≤α≤90°。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述金属性碳纳米管层中的金属性碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳米，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘层设置于所述栅极和半导体层之间。
6.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘层的材料为氮化硅、氧化硅、苯并环丁烯、聚酯或丙烯酸树脂。
7.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极及漏极设置于所述半导体层表面。
8.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管设置于一绝缘基板上，其中，所述半导体层设置于该绝缘基板表面，所述源极及漏极间隔设置于所述半导体层表面，所述绝缘层设置于所述半导体层表面，所述栅极设置于所述绝缘层表面，并通过该绝缘层与该半导体层、源极和漏极电绝缘。
9.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管设置于一绝缘基板上，其中，所述栅极设置于该绝缘基板表面，所述绝缘层设置于所述栅极表面，所述半导体层设置于所述绝缘层表面，通过所述绝缘层与栅极电绝缘，所述源极及漏极间隔设置并通过绝缘层与上述栅极电绝缘。
10.如权利要求8或9所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘基板的材料为玻璃、石英、陶瓷、金刚石、塑料或树脂。
11.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管的载流子迁移率为10~1500cm2V-1s-1，开关电流比为1.0×102~1.0×106。
12.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层的材料为非晶硅、多晶硅、有机半导体聚合物或半导体性碳纳米管。
13.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层为半导体性碳纳米管层，该半导体性碳纳米管层包括一层半导体性碳纳米管薄膜、重叠设置的多层半导体性碳纳米管薄膜或多个半导体性碳纳米管长线结构。
14.如权利要求13所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体性碳纳米管薄膜中的半导体性碳纳米管为无序排列、各向同性排列、沿一个固定方向择优取向排列或沿不同方向择优取向排列。
15.如权利要求14所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述择优取向排列的半导体性碳纳米管薄膜进一步包括多个半导体性碳纳米管束片段，每个半导体性碳纳米管束片段具有相等的长度且每个半导体性碳纳米管束片段由多个相互平行的半导体性碳纳米管束构成，半导体性碳纳米管束片段两端通过范德华力首尾相连。
16.如权利要求12所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体性碳纳米管为单壁碳纳米管或双壁碳纳米管，半导体性碳纳米管的直径小于10纳米。
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