CN102856211A

CN102856211A - 一种碳纳米管场效应晶体管有源层的制备方法

Info

Publication number: CN102856211A
Application number: CN2012103656352A
Authority: CN
Inventors: 潘革波; 肖燕
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明涉及半导体制备技术，提供一种碳纳米管场效应晶体管其有源层的制备方法，包括如下步骤：将碳纳米管分散在有机溶剂中，然后加入高分子聚合物，在常温下搅拌至高分子聚合物完全溶解于所述有机溶剂中，形成碳纳米管与高分子聚合物的混合体系，采用电纺丝设备，在10～100KV电压下将所述混合体系喷射到接收板上；挥发有机溶剂，形成有源层。本发明提出的制备碳纳米管场效应晶体的方法具有成本低、对环境要求宽松、制作工艺简单的优点，且制得的有机电子器件具有很强的抗水氧能力，很好地简化了有源层的制作方法，同时改善了有源层的性能。

Description

一种碳纳米管场效应晶体管有源层的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体场效应晶体管器件的制备方法，尤其涉及一种碳纳米管场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

二维网络状的碳纳米管（CNT)由于其具有很好的传输特性及有望在电子器件如场效应晶体（TFT）和化学传感方面发挥重要作用，近年来备受广大人们的关注。为了更好地使其在电子器件方面的发挥作用，因此制备质量好的二维交联网络结构碳纳米管薄膜具有非常重要的意义。

目前，用于制备二维网络状的碳纳米管薄膜的方法主要有干法和湿法两种，干法主要是指CVD法，这种方法通常需要较高的反应温度并且操作比较复杂。溶液法主要包括旋涂、LB膜和印刷方式。但是，目前用于制备网络状的碳纳米管薄膜的溶液法均存在着一个问题，碳纳米管在成网络结构薄膜的过程中容易发生聚集，从而导致不同形貌尺寸的薄膜出现大片的团簇现象。此外，旋涂和LB成膜过程中存在着分子排列无序，容易混入杂质的缺点，而印刷成膜存在着对墨水的粘度、表面张力等物理化学性质要求极为苛刻，同时印刷设备本身的成本高的缺陷。因此，开发一种低成本，同时能更好地改善碳纳米管薄膜质量的制备方法来获得高性能的晶体管显得尤为迫切。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供这种碳纳米管场效应晶体管的有源层的制备方法，所述有源层是通过采用电纺丝法将碳纳米管、高分子聚合物及有机溶剂组成的组合物喷射到接收板上，红外加热挥发有机溶剂，获得有源层。

其中，所述碳纳米管与高分子聚合物质量比为1:1~10:1。

所述高分子聚合物在所述有机溶剂中的质量浓度为1~20wt%。可以保证有源层的结晶性，以及防止碳纳米管在成膜过程的聚集，同时使混合溶液具有一定的黏度达到可电纺的条件。

进一步地，所述组合物的配制方法是将所述碳纳米管分散于所述有机溶剂中，然后加入高分子聚合物搅拌至完全溶解。

进一步地，所述高分子聚合物属于可溶性高分子聚合物，包括聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙烯，聚(丁二烯-苯乙烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的至少一种，

进一步地，所述有机溶剂是能溶解上述高分子聚合物的有机溶剂，例如为氯仿，乙醇，丙酮，二氯甲烷或甲苯中一种。

接收板进一步地，所述电纺丝法，是在10～100KV电压下将所述组合物喷射到接收板上。

所述电纺丝设备设有喷丝管，所述喷丝管的管头内径为0.5～5mm；所述喷丝管到所述接收板的距离为5～30cm。

进一步地，所述碳纳米管场效应晶体管还包括衬底，所述衬底的材质为玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一种。

进一步地，所述碳纳米管场效应晶体管还包括源电极和漏电极，所述源电极、漏电极的材质为金、银、铜、PEDOT:PSS聚合物中至少一种。

进一步地，所述源电极、漏电极的制作方法是气溶胶印刷法、喷墨印刷法、磁控溅射、光刻或真空蒸镀沉积法之一。

有益效果：本发明提供了一种碳纳米管场效应晶体管其有源层的制作方法。利用了二维网络状的碳纳米管作为有源层，从而使晶体管具有良好的传输特性。通过电纺丝技术实现低成本、大规模的纳米尺度、高性能场效应晶体管的制作。同时，该制备方法要求的环境很宽松，不需要在手套箱等无水无氧环境下实施，简化了工艺，且制得的有机电子器件具有很强的抗水氧能力，很好地简化了有源层的制作方法，同时改善了有源层的性能，获得高性能的碳纳米管场效应晶体管。

附图说明

图1为本发明实施例1底栅-顶接触型的碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。

图2为本发明实施例1有源层的制作流程图。

图3为本发明实施例1有源层的形貌示意图。

图4为本发明实施例2顶栅-顶接触型的碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。

图5为本发明实施例3顶栅-底接触型的碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。

图6为本发明实施例4底栅-底接触型的碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明具体实施例进行详细叙述。

实施例1

本实施例以底栅-顶接触型的碳纳米管场效应晶体管为例。如图1所示，这种碳纳米管场效应晶体管从下至上依次为衬底1、栅极2、绝缘层3、有源层5、源极4a和漏极4b。其中，有源层5的制备方法如下：

本实施例中采用碳纳米管（以下简称：CNT）为原材料、氯仿为有机溶剂、高分子聚合物为聚丙烯腈。结合图2中的步骤S101至S103，本实施例有源层的制作流程：首先，将CNT经强力搅拌2h分散在氯仿中，然后按照与CNT的质量比为1:1的比例加入聚丙烯腈，在20℃下用磁力搅拌仪搅拌0.5h，至聚丙烯腈完全溶解于所述氯仿当中，形成CNT与聚丙烯腈系。其中，聚丙烯腈在氯仿中的质量浓度为1wt%。

然后，将上述步骤中形成的混合体系放置到电纺丝设备的喷丝管中，其中，喷丝管的管头内径为0.5mm；同时将待沉积有源层5的表面作为接收板接地，喷丝管到接收板的距离为5cm。在10KV电压下通过电纺丝的喷丝管，将所述混合体系喷射到接收板（即绝缘层3）表面上。

在20°C-150°C下用红外灯进行加热，待有机溶剂挥发，形成具有交联结构的复合纳米纤维膜，如图3所示，即可作为有源层5制作在CNT场效应晶体管上。

下面，将对这种底栅-顶接触的CNT场效应晶体管整个制备过程作出详细说明。

本实施例以玻璃为衬底1，在衬底1上依次制作栅极2、绝缘层3，然后采用上述介绍的有源层5制备方在绝缘层3上形成有源层5，最后采用气溶胶印刷法在有源层5相对两侧制作源极4a和漏极4b，其中，源极4a和漏极4b的制作材料为金。红外烘干后可形成底栅-顶接触型的CNT场效应晶体管。

实施例2

本实施例制作顶栅-顶接触型的CNT场效应晶体管，如图4所示。本实施例的CNT场效应晶体结构为：从下至上依次为衬底1、有源层5、源极4a和漏极4b、绝缘层3、栅极2。

其中，本实施例有源层5的制作步骤中，高分子聚合物采用聚乙烯醇，与CNT的质量比为1:4，溶解到乙醇后形成混合体系后的质量浓度为10wt%。再通过管头内径为5mm的喷丝管，加电压100KV，将所述混合体系喷射到距离喷丝管管头30cm处的接收板（即衬底1）上。有源层5制备方法的其余步骤可参考实施例1所述。进一步地，本实施例的衬底1为陶瓷，源极4a和漏极4b的制作材料为银，通过喷墨印刷的方法制作在所述有源层5上方。然后依次在源极4a、漏极4b及其之间的有源层5上制作绝缘层3、栅极2，红外烘干后可形成顶栅-顶接触型的CNT场效应晶体管。

实施例3

本实施例制作顶栅-底接触型的CNT场效应晶体管，如图5所示。本实施例的CNT场效应晶体结构为：从下至上依次为衬底1、源极4a和漏极4b、有源层5、绝缘层3、栅极2。

其中，本实施例有源层5的制作步骤中，高分子聚合物采用聚苯乙烯，与CNT的质量比为1:10，溶解到甲苯后形成混合体系后的质量浓度为15wt%。再通过管头内径为1mm的喷丝管，加电压20KV，将所述混合体系喷射到距离喷丝管管头10cm处的接收板（即源极4a、漏极4b及其之间的衬底1）表面上。有源层5制备方法的其余步骤可参考实施例1所述。进一步地，本实施例的衬底1为硅，源极4a和漏极4b的制作材料为铜，通过磁控喷射工艺制作在所述衬底1上方。然后依次在源级、漏极4b及其之间的衬底1上制作有源层5、绝缘层3、栅极2，红外烘干后可形成顶栅-底接触型的CNT场效应晶体管。

实施例4

本实施例制作底栅-顶接触型的CNT场效应晶体管，如图6所示。本实施例的CNT场效应晶体结构为：从下至上依次为衬底1、栅极2、绝缘层3、有源层5、源极4a和漏极4b。

其中，本实施例有源层5的制作步骤中，高分子聚合物采用聚甲基丙烯酸甲酯，与CNT的质量比为1:8，溶解到丙酮后形成混合体系后的质量浓度为20wt%。再通过管头内径为2.5mm的喷丝管，加电压50KV，将所述混合体系喷射到距离喷丝管管头15cm处的接收板（即衬底1）上。有源层5制备方法的其余步骤可参考实施例1所述。进一步地，本实施例衬底1为塑料，在塑料衬底1上依次制作栅极2、绝缘层3、源极4a和漏极4b、以及有源层5。其中源极4a和漏极4b的制作材料为PEDOT:PSS聚合物，通过光刻工艺制作在所述有源层5上方，最后通过红外烘干后可形成底栅-底接触型的CNT场效应晶体管。

其中，高分子聚合物是一种可溶性高的聚合物，除本实施例涉及的高分子聚合物外，还可以是聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯，聚(丁二烯-苯乙烯)，聚酰胺，、聚丙烯酸等常用的聚合物，本领域技术人员应该熟知：能很好地溶解上述高分子聚合物，将CNT和高分子聚合物混合还可以采用实施例提及以外的有机溶剂，例如二氯甲烷。

在其他实施例中，碳纳米管与高分子聚合物质量比控制在1:1~10:1范围内，而高分子聚合物在所述有机溶剂中的质量浓度控制在1~20wt%，所述电纺丝法工作电压控制在10～100KV，其喷丝管的管头内径为0.5～5mm；喷丝管到所述接收板的距离为5～30cm。在上述参数范围内制作的有源层均能到较好的质量和性能。

另外，碳纳米管场效应晶体管衬底的材质为玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一种；源电极、漏电极的材质为金、银、铜、PEDOT:PSS聚合物中至少一种；且源电极、漏电极的制作方法是气溶胶印刷法、喷墨印刷法、磁控溅射、光刻或真空蒸镀沉积法之一。

本发明提供了一种CNT效应晶体管的结构，以及其有源层的制作方法。通过电纺丝技术实现低成本、大规模的纳米尺度、高效场效应晶体管的制作。同时，该制备方法要求的环境很宽松，不需要在手套箱等无水无氧环境下实施，简化了工艺，且制得的有机电子器件具有很强的抗水氧能力，很好地简化了有源层的制作方法，同时改善了有源层的性能，获得高性能的CNT场效应晶体管。

Claims

1.一种碳纳米管场效应晶体管有源层的制备方法，其特征在于，所述有源层是通过采用电纺丝法将碳纳米管、高分子聚合物及有机溶剂组成的组合物喷射到接收板上形成的。

2.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管与高分子聚合物质量比为1:1~10:1。

3.根据权利要求2所述有源层的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物在所述有机溶剂中的质量浓度为1~20wt%。

4.根据权利要求1或2或3所述有源层的制备方法，其特征在于，所述组合物的配制方法是将所述碳纳米管分散于所述有机溶剂中，然后加入高分子聚合物搅拌至完全溶解。

5.根据权利要求4所述有源层的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物包括聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙烯，聚(丁二烯-苯乙烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。

6.根据权利要求5所述有源层的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为氯仿，乙醇，丙酮，二氯甲烷或甲苯中的一种。

7.根据权利要求1或2或3所述有源层的制备方法，其特征在于，所述电纺丝法，是在10～100KV电压下将所述组合物喷射到接收板上。

8.根据权利要求7所述有源层的制备方法，其特征在于，所述电纺丝法的工作设备包括喷丝管，所述喷丝管的管头内径为0.5～5mm；所述喷丝管到所述接收板的距离为5～30cm。

9.根据权利要求1所述有源层的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管场效应晶体管还包括衬底，所述衬底的材质为玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一种。

10.根据权利要求9所述有源层的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管场效应晶体管还包括源电极和漏电极，所述源电极、漏电极的材质为金、银、铜、PEDOT:PSS聚合物中至少一种。

11.根据权利要求10所述有源层的制备方法，其特征在于，所述源电极、漏电极的制作方法是气溶胶印刷法、喷墨印刷法、磁控溅射、光刻或真空蒸镀沉积法之一。