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)代孩t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，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，/人而有電流/人源極流向漏極。在實際應(yīng)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(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lOcn^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)的無機薄膜晶體管，采用有機半導(dǎo)體聚合物做半導(dǎo)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(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。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(dǎo) 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(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；以及一柵才及，該柵極通過一絕纟彖層與該半導(dǎo)體層、源才及及漏極 絕緣設(shè)置；其中，該半導(dǎo)體層包括多個碳納米管長線，且至少部分所述碳納 米管長線的兩端分別與所述源極和漏極電連接。
本技術(shù)方案實施例提供的采用多個碳納米管長線作為半導(dǎo)體層的薄膜晶體管具有以下優(yōu)點其一，由于組成半導(dǎo)體層的部分碳納米管長線的兩端 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 可具有較短的傳輸路徑，同時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，則由定向排列的 碳納米管組成的碳納米管長線具有較好的韌性及機械強度，故采用該多個碳 納米管長線作為半導(dǎo)體層，有利于制造柔性薄膜晶體管。


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束狀結(jié)構(gòu)碳納米管長線的掃 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立體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5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(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，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。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，位于 所述絕緣基板110與半導(dǎo)體層140之間，此時，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，形成一交錯型薄膜晶體管?？?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。 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包括多個碳納米管長線，且至少部分碳納米管長線的 兩端分別與所述源極151和漏極152電連接。所述碳納米管長線包括多個首 尾相連的碳納米管束組成的束狀結(jié)構(gòu)或由多個首尾相連的碳納米管束組成 的絞線結(jié)構(gòu)。該相鄰的碳納米管束之間通過范德華力緊密結(jié)合，該碳納米管 束包括多個平行且定向排列的半導(dǎo)體性碳納米管。所述碳納米管長線的設(shè)置 方式不限，可平行排列或交叉排列，只要確保至少部分碳納米管長線的兩端 分別與所述源極151和漏極152電連接即可。優(yōu)選地，上述多個石灰納米管長 線均沿所述源極151指向漏極152的方向平行且緊密排列，且所述多個碳納 米管長線的兩端分別與所述源極151及漏極152電連接。所述碳納米管長線 的直徑不限。優(yōu)選地，所述碳納米管長線的直徑為0.5納米 100微米。所述 碳納米管長線之間的設(shè)置間距為0~1毫米。所述半導(dǎo)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(dǎo)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156的長度為40微米，寬度為300微米。
所述半導(dǎo)體層中的碳納米管長線可通過從碳納米管陣列中直接拉取并 進一步處理獲得。所迷碳納米管長線的尺寸可根據(jù)實際需求制得。本實施例 中采用4英寸的基底生長超順排碳納米管陣列，該碳納米管長線的直徑可為0.5納米 100微米，其長度不限。其中，碳納米管長線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。
所述多個碳納米管長線作為薄膜晶體管IO的半導(dǎo)體層時，該多個碳納 米管長線可通過粘結(jié)劑粘結(jié)在所述絕緣基板IIO上形成所述半導(dǎo)體層。具體 地，根據(jù)源極151及漏極152設(shè)置位置的不同，可以先在絕緣基板IIO上粘 附多個碳納米管長線，后將源極151及漏極152間隔設(shè)置在所述碳納米管長 線的兩端，且分別與所述碳納米管長線電連接；也可先將源極151及漏極152 分別間隔形成于所述絕緣基板110表面，再沿源極151至漏極152的方向鋪 設(shè)多個碳納米管長線，覆蓋該源極151及漏極152。本技術(shù)方案實施例中， 上述碳納米管長線沿所述源極151指向漏極152的方向緊密排列，且所述源 極151及漏極152形成在所述碳納米管長線的兩端，并分別與所述碳納米管 長線電接觸。
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、鴒、鉬、金、鈦、釹、釔、銫或其合金。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，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。 本實施例中，所述絕緣層130的材料為氮化硅?？梢岳斫猓鶕?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與相對設(shè)置的柵極 120絕緣即可。
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(dǎo)體層140中的溝道156中產(chǎn)生電場，并在溝道156靠近4冊極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，就會在源極151和 漏極152之間產(chǎn)生電流。由于組成半導(dǎo)體層140的部分碳納米管長線的兩端 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 米管長線作半導(dǎo)體層140,且所述碳納米管長線的兩端分別與所述源極151 及漏極152電連接，所述碳納米管長線之間的間距為10微米，所述薄膜晶 體管10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。
請參閱圖4及圖5，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)置于所述柵極220表面；上述半導(dǎo)體層240設(shè) 置于所述絕緣層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；所述半導(dǎo)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。
所述半導(dǎo)體層240包括多個碳納米管長線260,且至少部分碳納米管長 線260的兩端分別與所述源極251和漏極252電連接。所述源極251及漏極 252可以間隔設(shè)置于所述半導(dǎo)體層240的上表面，此時，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，位于絕緣層230與半導(dǎo)體層240之間，此時，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。
9本技術(shù)方案實施例提供的采用多個平行的碳納米管長線作為半導(dǎo)體層
的薄膜晶體管具有以下優(yōu)點其一，由于碳納米管長線由首尾相連的碳納米 管組成且組成半導(dǎo)體層的部分碳納米管長線的兩端分別與所述源極和漏極
徑，同時有利于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，則由首尾相連的碳納米管組成的 束狀結(jié)構(gòu)或絞線結(jié)構(gòu)的碳納米管長線具有較好的韌性及機械強度，故采用該 多個碳納米管長線作為半導(dǎo)體層有利于制備柔性薄膜晶體管。其三，由于碳 納米管長線中的碳納米管的結(jié)構(gòu)在高溫下不會受到影響，故由該碳納米管長 線組成的半導(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 薄膜晶體管工作時所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)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(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)體層包括多個碳納米管長線，且至少部分所述碳納米管長線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，所述碳納米管長線的直徑 為0.5納米 100微米。
3. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管長線包括由 多個首尾相連的碳納米管束組成的束狀結(jié)構(gòu)或絞線結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求3所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述相鄰的碳納米管束之 間通過范德華力緊密結(jié)合，每一碳納米管束包括多個首尾相連且定向排列 的碳納米管。
5. 如權(quán)利要求4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。
6. 如權(quán)利要求4所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述碳納米管包括單壁碳 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。
7. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述多個碳納米管長線相 互平行，且沿所述源極至漏極的方向排列。
8. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述絕緣層設(shè)置于所述柵 極和半導(dǎo)體層之間。
9. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述絕緣層的材料為氮化 硅、氧化硅、苯并環(huán)丁烯、聚酯或丙烯酸樹脂。
10. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述源極及漏極設(shè)置于 所述半導(dǎo)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。
12. 如權(quán)利要求11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、鎢、鉬、金、鈦、釹或其合金。
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 極和漏才及電絕纟彖。
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 層與柵極絕緣設(shè)置，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。
15. 如權(quán)利要求13或14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。
16. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管的載流 子遷移率為10 1500cmVv-V1,開關(guān)電流比為100~100萬。
17. 如權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于，所述薄膜晶體管進一步 包括一溝道，該溝道為所述半導(dǎo)體層位于所述源極和漏極之間的區(qū)域，該 溝道與所述半導(dǎo)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)體層包括多個碳納米管長線，且至少部分所述碳納米管長線的兩端分別與所述源極和漏極電連接。
文檔編號H01L29/786GK101582450SQ20081006727
公開日2009年11月18日 申請日期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 申請人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司