專利名稱：薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)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(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(gòu)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。當該薄膜晶體管應用于半導體電子器件時，柵極連接控制電路，漏極連接相應的被控制元件，如液晶顯示器中的像素電極，通過薄膜晶體管可以控制該元件的工作。
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 challengesin 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TFT的制造技術(shù)較為成熟，但非晶硅TFT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TFT的響應速度也較慢。以多晶硅作為半導體層的TFT相對于以非晶硅作為半導體層的TFT，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TFT低溫制造成本較高，方法較復雜，大面積制造困難，且多晶硅TFT的關態(tài)電流較大。相較于傳統(tǒng)的無機TFT，采用有機半導體復合物做半導體層的有機TFT具有成本低、制造溫度低的優(yōu)點，且有機TFT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、
4較低的載流子遷移率(O.lcn^vV1),使得有機TFT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?，F(xiàn)有技術(shù)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法形成半導體層。
現(xiàn)有技術(shù)中釆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)щ姷膬?yōu)勢；第二，采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(jié)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。
現(xiàn)有技術(shù)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(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。
總之，現(xiàn)有技術(shù)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(shù)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(shù)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(jié)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4冊極通過一絕緣層與該半導體層、源極及漏極絕緣設置；其中，該半導體層包括至少兩個重疊設置的碳納米管薄膜，每一碳納米管薄膜包括多個定向排列的碳納米管，且相鄰的兩個碳納米管薄膜中的碳納米管沿不同同方向排列。
本技術(shù)方案實施例提供的采用至少兩個重疊設置的碳納米管薄膜作為
半導體層的薄膜晶體管及半導體器件具有以下優(yōu)點其一，由于碳納米管具有優(yōu)異的半導體性，則由首尾相連定向排列的碳納米管組成的碳納米管薄膜中的碳納米管具有共同的排列取向，可以發(fā)揮碳納米管軸向?qū)щ姷膬?yōu)勢，使薄膜晶體管具有較大的載流子遷移率，進而具有較快的響應速度。其二，由至少兩個重疊定向排列的碳納米管組成的碳納米管層中，相鄰的兩個碳納米管薄膜中的碳納米管沿不同同方向排列，由于碳納米管具有優(yōu)異的力學性能，故采用該交叉的碳納米管薄膜構(gòu)成的碳納米管層作為半導體層，可以提高薄膜晶體管的柔性。


圖1是本技術(shù)方案第一實施例TFT的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本技術(shù)方案第一實施例TFT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TFT中兩層碳納米管薄膜的掃描電鏡照片。
圖4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5是本技術(shù)方案第二實施例TFT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，其包括一柵極120、 一絕緣層130、 一半導體層140、 一源極151及一漏極152,并且，該薄膜晶體管IO形成于一絕緣基板110表面。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設置于所述絕緣層130表面，并通過該絕緣層130與源極151、漏極152及半導體層 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，所述柵極可以對應溝道區(qū)域156設置于絕緣層130表面。
可以理解，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。或者，所述源極151及漏4及152可以間隔設置于該半導體層140的下表面，位于絕緣基板110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，只覆蓋半導體層140。
所述絕緣基板110起支撐作用，該絕緣基板110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TFT面板，或其它TFT半導體器件。
所述半導體層140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定向排列的半導體性的碳納米管，且相鄰的兩個碳納米管薄膜中的碳納米管沿不同方向排列。所述半導體層140中至少一層碳納米管薄膜中至少部分碳納米管沿源極151至漏極152方向排列。優(yōu)選的，所述至少兩個碳納米管薄膜中至少有一個碳納米管薄膜中的碳納米管沿源極151指向漏極152的方向排列。所述相鄰兩個碳納米管薄膜中的碳納米管的排列方向具有一交叉角度a, 0<a^>0度，相鄰的碳納米管薄膜之間通過范德華力緊密結(jié)合，使得所述薄膜晶體管IO具有較好得韌性。
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(gòu)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?，該直接拉伸獲得的擇優(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l微米 1毫米。請參閱圖3，本技術(shù)方案實施例中，該半導體層140包括交叉重疊設置的二層碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜中包括多個首尾相連定向排列的碳納米管，二層碳納米管薄膜中的碳納米管的排列方向具有一交叉角度a為90度，每一碳納米管薄膜的厚度為5納米。所述半導體層140的長度為50微米，寬度為300微米，厚度為IO納米。所述溝道區(qū)域156的長度為40微米，寬度為300微米。
本實施例中，源極151、漏極152及槺極120為一導電薄膜。該導電薄膜的材料可以為金屬、合金、ITO、 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、鵠、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，厚度為200納米。
請參見圖4,本技術(shù)方案第一實施例的薄膜晶體管IO在使用時，在柵極120上施加一電壓Vg,將源極151接地，并在漏極152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(zhuǎn)變?yōu)檩d流子
8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，從而會在源極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， 乂人而〗吏得該薄膜晶體管10處于開啟狀態(tài)。由于所述半導體層140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中包括至少一層碳納米管薄膜中的碳納米管首尾相連地沿源極151到漏極152的方向排列，而碳納米管軸向?qū)щ娦暂^徑向強，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，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(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，且該半導體層中至少一層碳納米管薄膜中的碳納米管沿從源極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10的響應速度。本技術(shù)方案實施例中，所述薄膜晶體管10的載流子遷移率高于lOcmV^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/vV1。
請參閱圖5,本技術(shù)方案第二實施例采用于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，其包括一柵極220、絕緣層230 —半導體層240、 一源極251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(shù)方案第二實施例薄膜晶體管20的結(jié)構(gòu)與薄膜晶體管10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251、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電連接；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，該柵極220可以與源極251、漏才及252之間的溝道區(qū)域256對應設置于絕緣基^反210表面，且該4冊極220通過該絕緣層230與源4及251 、漏極252及半導體層240電絕緣。本技術(shù)方案第二實施例提供的薄膜晶體管20中，柵極220、源極251、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251及漏極252可以設置于該半導體層240上表面，此時，源極251、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251、漏極252與柵極220之間，形成一逆交錯結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管?；蛘撸鲈礃O251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251、漏極252與柵極220設置于半導體層140的同一面，形成一逆共面結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管。
本技術(shù)方案實施例提供的采用至少兩個重疊設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，采用至少兩層交叉重疊的碳納
米管薄膜作為半導體層，每個碳納米管薄膜中的碳納米管首尾相連定向排
列，且該半導體層中至少有一層碳納米管薄膜中碳納米管首尾相連沿薄膜晶
體管的源極到漏極的方向排列，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，因此可以使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，由至少兩個重疊定向排列的碳納米管組成的碳納米管層
中，至少兩個碳納米管薄膜交叉設置，由于每一碳納米管薄膜中碳納米管首
尾相連定向排列，故采用該交叉設置的碳納米管薄膜構(gòu)成的半導體層具有更
好的柔韌性，可以應用于制造柔性較高的薄膜晶體管。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，該薄膜晶體管以
及使用該薄膜晶體管的半導體器件可以在較高溫度下工作。
另外，本領域技術(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，該半導體層包括至少兩個重疊交叉設置的碳納米管薄膜，每一碳納米管薄膜包括多個定向排列的碳納米管，且相鄰的兩個碳納米管薄膜中的碳納米管沿不同方向排列。
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 的碳納米管。
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(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(gòu)成，碳納米管束 片段兩端通過范德華力相互連接。
5. 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。
6. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管薄膜包括多 個首尾相連定向排列的碳納米管。
7. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導體層中至少有一 個碳納米管薄膜中的碳納米管沿源極到漏極的方向排列。
8. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管薄膜的厚度 為0.5納米 100孩i米。
9. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述絕緣層設置于柵極與 半導體層之間。
10. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述源極及漏極間隔設置 于所述半導體層表面。
11. 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(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(quán)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(quán)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(quán)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(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孩t米。
17. 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。
18. 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、導電聚合物或?qū)щ娞技{米管。
19. 如權(quán)利要求18所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述柵極、源極及漏極 的材料為鋁、銅、鴿、鉬、金、銫、鈀或它們的合金。
20. 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、源極及漏極絕緣設置；其中，該半導體層包括至少兩個重疊設置的碳納米管薄膜，每一碳納米管薄膜包括多個定向排列的碳納米管，且相鄰的兩個碳納米管薄膜中的碳納米管沿不同方向排列。
文檔編號H01L29/06GK101582447SQ20081006716
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