CN103972296A - 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，该漏极与该源极间隔设置；一半导体层，所述半导体层与所述源极及漏极接触设置，所述半导体层位于所述源极与漏极之间的部分形成一沟道；以及一栅极，该栅极通过一第一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置；其中，所述源极包括一源极本体及一源极延伸部，所述漏极包括一漏极本体及一漏极延伸部，所述源极延伸部及漏极延伸部相互间隔设置且覆盖部分沟道，且所述源极延伸部及漏极延伸部的功函数与所述半导体层的功函数不相同。

Description

薄膜晶体管
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管。
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。在实际应用中，对薄膜晶体管的要求是希望得到较大的开关电流比，即，具有较好的P型或N型单极性。
现有技术中，为了制备N型或P型的碳纳米管场效应晶体管，通常使用的方法主要有沟道掺杂（包括化学掺杂，类似的方法有引入氧化层表面电荷），或使用特定功函数大小的金属作为源漏接触电极，例如使用钯(Pd)作为源漏电极的晶体管表现为p型，而使用钪(Sc)作为源漏电极的晶体管表现为n型。不论用何种方法，它们的本质都是引入了对空穴电子产生选择性的机制，从而使器件表现出单极性。
然而这些方法也存在一些问题，如使用化学掺杂的方法存在降低载流子迁移率、稳定性低、掺杂扩散污染的潜在缺点；而使用不同功函数作为源漏电极的接触金属的方法，由于碳纳米管的费米能级钉扎效应（fermi level pinning），这种方法对双极性的抑制作用有限，仍会表现出一定双极性。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管具有较好的P型或N型单极性。
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，所述半导体层与所述源极及漏极接触设置，所述半导体层位于所述源极与漏极之间的部分形成一沟道；以及一栅极，该栅极通过一第一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置；其中，所述源极包括一源极本体及一源极延伸部，所述漏极包括一漏极本体及一漏极延伸部，所述源极延伸部及漏极延伸部相互间隔设置且覆盖部分沟道，且所述源极延伸部及漏极延伸部的功函数与所述半导体层的功函数不相同。
本发明提供的薄膜晶体管具有以下优点：由于所述源极延伸部及漏极延伸部覆盖部分的沟道，而源极延伸部及漏极延伸部的功函数与所述半导体层不同，因而，所述沟道对应于所述源极延伸部及漏极延伸部的部分分别受所述源极延伸部及漏极延伸部的调制，而在靠近源极延伸部及及漏极延伸部的表面出现感应载流子，故，所述薄膜晶体管表现出较好的P型或N型的单极性。
附图说明
图1是本发明第一实施例薄膜晶体管的剖视结构示意图。
图2是本发明第一实施例工作时的薄膜晶体管的结构示意图。
图3是本发明第二实施例薄膜晶体管的剖视结构示意图。
主要元件符号说明
薄膜晶体管 10，20
绝缘基板 110
栅极 120
第一绝缘层 130
半导体层 140
沟道 142
源极 150
源极本体 151
源极延伸部 152
漏极 160
漏极本体 161
漏极延伸部 162
第二绝缘层 170
沟道长度 d
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明实施例提供的薄膜晶体管作进一步的说明。
请参阅图1，为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管10，该薄膜晶体管10为底栅型，其包括一栅极120、一第一绝缘层130、一半导体层140、一源极150、一漏极160及一第二绝缘层170。所述漏极160与源极150间隔设置。所述半导体层140与所述漏极160及源极150接触设置。所述栅极120通过所述第一绝缘层130与所述半导体层140、所述漏极160及源极150绝缘设置。所述薄膜晶体管10形成于一绝缘基板110表面。
所述栅极120设置于所述绝缘基板110表面。所述第一绝缘层130设置于所述栅极120远离绝缘基板110的表面。所述半导体层140设置于所述第一绝缘层130远离所述栅极120的表面，并通过所述第一绝缘层130与所述栅极120绝缘设置。所述源极150及漏极160相互间隔设置，并分别与所述半导体层140接触设置。所述半导体层140位于所述源极150和漏极160之间的区域形成一沟道142。
所述源极150通过所述第二绝缘层170与所述漏极160绝缘设置。具体的，所述源极150包括一源极本体151及一源极延伸部152。所述源极本体151与所述源极延伸部152为一体结构。所述源极本体151与所述半导体层140相接触，所述源极延伸部152设置于所述第二绝缘层170远离所述半导体层140的表面。所述漏极160包括一漏极本体161及一漏极延伸部162。所述漏极本体161与漏极延伸部162为一体结构。所述漏极本体161与所述半导体层140相接触，所述漏极延伸部162设置于所述第二绝缘层170远离所述半导体层140的表面。
在平行于所述绝缘基板110的表面的一个方向定义为一第一方向，即X方向；垂直于所述X方向且平行于所述绝缘基板110的表面的方向定义为一第二方向，即Y方向；垂直于所述绝缘基板110的表面的方向定义为一Z方向。定义所述源极延伸部152在Y轴方向上，向所述半导体层140垂直投射形成的投影为AB段，定义所述漏极延伸部162在Y轴方向上，向所述半导体层140垂直投射形成的投影为CD段，定义所述栅极120在Y轴方向上，向所述半导体层140垂直投射形成的投影为EF段。所述源极延伸部152及漏极延伸部162沿所述Y轴方向在所述半导体层140表面的投影与所述栅极120沿Y轴方向在所述半导体层140的投影至少部分重叠。具体的，所述半导体层140中沟道142在X方向的长度定义为L。所述沟道142的长度L、所述源极延伸部152沿Y轴方向在所述半导体层140的投影AB段、所述漏极延伸部162沿Y轴方向在所述半导体层140的投影CD段与所述栅极120沿Y轴方向在所述半导体层140的投影EF段满足以下关系式：AB+CD+EF≧L。
所述源极延伸部152的功函数与所述漏极延伸部162的功函数相同，且所述源极延伸部152及漏极延伸部162的功函数(work-fuction)与所述半导体层140的功函数不相同。具体的，所述源极延伸部152及漏极延伸部162的材料与所述半导体层140的材料不同，且所述源极延伸部152与漏极延伸部162采用相同的材料。由于所述源极延伸部152的功函数与所述半导体层140不同，因而，所述沟道142对应于所述源极延伸部152的AB段受所述源极延伸部152的调制，在所述沟道142的AB段靠近源极延伸部152的表面出现感应载流子，该感应载流子的类型由所述源极延伸部152及半导体层140的功函数决定。具体的，当所述源极延伸部152及漏极延伸部162的功函数比所述半导体层140高，由于所述源极延伸部152与所述源极本体151为一体的结构，因而所述半导体层140中沟道142的AB段中的电子会向所述源极延伸部152的方向移动，而使得所述沟道142的AB段中感应载流子的类型为空穴，因此，所述薄膜晶体管10可以具有较好的P型单极性。当所述源极延伸部152及漏极延伸部162的功函数比所述半导体层140低时，所述沟道142的AB段中载流子的类型为电子，因此，所述薄膜晶体管10可以实现较好的N型单极性。即，通过对所述源极延伸部152及漏极延伸部162的材料的选择，可调节所述沟道142的AB段及CD段中载流子的类型为电子或空穴，而进一步使得所述薄膜晶体管10具有P型或N型的单极性。
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的材料为二氧化硅。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包括多个碳纳米管长线，且至少部分碳纳米管长线的两端分别与所述源极150和漏极160电连接。所述碳纳米管长线包括多个首尾相连的碳纳米管束组成的束状结构或由多个首尾相连的碳纳米管束组成的绞线结构。该相邻的碳纳米管束之间通过范德华力紧密结合，该碳纳米管束包括多个平行且定向排列的半导体性碳纳米管。所述碳纳米管长线的设置方式不限，可平行排列或交叉排列，只要确保至少部分碳纳米管长线的两端分别与所述源极150和漏极160电连接即可。优选地，上述多个碳纳米管长线均沿所述源极150指向漏极160的方向平行且紧密排列，且所述多个碳纳米管长线的两端分别与所述源极150及漏极160电连接。所述碳纳米管长线的直径不限。优选地，所述碳纳米管长线的直径为0.5纳米~100微米。所述碳纳米管长线之间的设置间距为0~1毫米。所述半导体层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142的长度为1微米~100微米，宽度为1微米~1毫米。本实施例中，所述半导体层140的长度为50微米，宽度为300微米，厚度为5纳米。所述沟道142的长度为40微米，宽度为300微米。
所述半导体层140中的碳纳米管长线可通过从碳纳米管阵列中直接拉取并进一步处理获得。所述碳纳米管长线的尺寸可根据实际需求制得。本实施例中采用4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列，该碳纳米管长线的直径可为0.5纳米~100微米，其长度不限。其中，碳纳米管长线中的碳纳米管可以是单壁碳纳米管或双壁碳纳米管。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。
所述多个碳纳米管长线作为薄膜晶体管10的半导体层时，该多个碳纳米管长线可通过粘结剂粘结在所述绝缘基板110上形成所述半导体层。具体地，根据源极150及漏极160设置位置的不同，可以先在第一绝缘层130上粘附多个碳纳米管长线，后将源极150及漏极160间隔设置在所述碳纳米管长线的两端，且分别与所述碳纳米管长线接触；也可先将源极150及漏极160分别间隔形成于所述绝缘基板110表面，源极150与漏极160之间设置第二绝缘层170，再沿源极150至漏极160的方向铺设多个碳纳米管长线，覆盖该源极150、第二绝缘层170及漏极160。本实施例中，所述碳纳米管长线沿所述源极150指向漏极160的方向紧密排列，且所述源极150及漏极160形成在所述碳纳米管长线的两端，并分别与所述碳纳米管长线电接触。
该半导体层140也可为一碳纳米管层，该碳纳米管层中碳纳米管为无序排列或有序排列。当该碳纳米管层中碳纳米管为有序排列时，该碳纳米管层为垂直绝缘基板110定向排列的多个碳纳米管组成的超顺排碳纳米管阵列。该碳纳米管层中仅包含半导体性的碳纳米管。该碳纳米管层的厚度为0.5纳米~100微米，其中碳纳米管的直径小于5纳米。优选地，该碳纳米管的直径小于2纳米。
当该碳纳米管层中碳纳米管为无序排列时，该碳纳米管层包括多个相互缠绕且各向同性的半导体性的碳纳米管，所述多个碳纳米管通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。由于碳纳米管相互缠绕，因此所述碳纳米管层具有很好的韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。该网络状结构包括成大量的微孔结构，该微孔孔径小于50微米。由于该碳纳米管层中包括大量的微孔结构，因此，该碳纳米管层的透光性较好。该碳纳米管层的厚度为0.5纳米~100微米，该碳纳米管为半导体性的碳纳米管，该碳纳米管层中的碳纳米管的直径小于5纳米，该碳纳米管层中的碳纳米管的长度为10纳米~1毫米。优选地，该碳纳米管的直径小于2纳米，长度为2微米~1毫米。
所述栅极120、源极150及漏极160由导电材料组成。可以理解，所述栅极120的材料与所述源极150及漏极160的材料可以不同。所述源极150的材料与所述漏极160相同，以保证所述源极延伸部152的材料与所述漏极延伸部162相同，从而使得薄膜晶体管呈现较好的单极性。优选地，所述栅极120、源极150及漏极160均为一层导电薄膜。该导电薄膜的厚度为0.5纳米~100微米。该导电薄膜的材料为金属，如铝、铜、钨、钼、金、钛、钕、钯、铯等。具体的，比碳纳米管的功函数低的金属有铝(Al)、钛(Ti)、钪(Sc)、铪(Hf)、钾(K)、钠(Na)、或锂(Li)，优选为钪，即当源极延伸部152及漏极延伸部162的材料为钪时，所述薄膜晶体管10为N型晶体管。比碳纳米管的功函数高的金属有镍(Ni)、铑(Rh)、钯(Pd)、或铂(Pt)，优选为钯，即当源极延伸部152及漏极延伸部162的材料为钯时，所述薄膜晶体管10为P型晶体管。可以理解，所述源极150中源极本体151的材料可与所述源极延伸部152不相同，所述漏极160中漏极本体161的材料可与所述漏极延伸部162不相同。
本实施例中，所述栅极120、源极150及漏极160的材料为金属钯，厚度为40纳米。由于所述金属钯的功函数比碳纳米管高，因而，所述薄膜晶体管10的类型为P型晶体管。
所述第一绝缘层130及第二绝缘层170的材料为氧化铝、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。该第一绝缘层130及第二绝缘层170的厚度为10纳米~100微米。本实施例中，所述第一绝缘层130及第二绝缘层170的材料为氧化铝，所述第一绝缘层130及第二绝缘层170的厚度为40纳米。可以理解，根据具体的形成工艺不同，所述第一绝缘层130及第二绝缘层170不必完全覆盖所述源极150、漏极160及半导体层140，只要能保证半导体层140、源极150和漏极160与相对设置的栅极120绝缘即可。
请参见图2，使用时，所述源极150接地，在所述漏极160上施加一电压Vds，在所述栅极120上施一电压Vg。当栅极120施加一定的正电压或负电压，在沟道142对应于所述栅极120的部分产生电场，并在沟道142靠近栅极120的表面处产生感应载流子。当沟道142对应于所述栅极120的部分的感应载流子的类型与所述沟道142对应于所述源极延伸部152及漏极延伸部162的部分的感应载流子一致时，在源极150和漏极160之间会产生电流，从而使获得的薄膜晶体管10具有较好的开关电流比以及单极性。
请参阅图3，本发明第二实施例提供一种薄膜晶体管20，该薄膜晶体管20为顶栅型，其包括包括一栅极120、一第一绝缘层130、一半导体层140、一源极150、一漏极160及一第二绝缘层170。所述薄膜晶体管10形成在一绝缘基板110表面。所述漏极160与源极150间隔设置。所述半导体层140与所述漏极160及源极150接触设置。所述栅极120通过所述第一绝缘层130与所述半导体层140、所述漏极160及源极150绝缘设置。所述薄膜晶体管10形成于一绝缘基板110表面。
本发明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：所述薄膜晶体管20为顶栅型，即，所述源极150及漏极160相互间隔设置于所述绝缘基板110的表面，所述源极150与漏极160之间为所述第二绝缘层，所述半导体层140覆盖所述源极150、第二绝缘层170及漏极160，所述第一绝缘层130设置于半导体层140远离所述绝缘基板110的表面，所述栅极120设置于所述第一绝缘层130的表面，并通过所述第一绝缘层130与所述半导体层140绝缘设置。
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 (15)

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，所述半导体层与所述源极及漏极接触设置，所述半导体层位于所述源极与漏极之间的部分形成一沟道；以及
一栅极，该栅极通过一第一绝缘层与该半导体层、源极及漏极绝缘设置；
其特征在于，所述源极包括一源极本体及一源极延伸部，所述漏极包括一漏极本体及一漏极延伸部，所述源极延伸部及漏极延伸部相互间隔设置且覆盖部分沟道，且所述源极延伸部及漏极延伸部的功函数与所述半导体层的功函数不相同。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极延伸部与所述源极本体为一体的结构。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述漏极延伸部与所述漏极本体为一体的结构。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极延伸部及漏极延伸部在所述半导体层表面的投影与所述栅极在所述半导体层表面的投影至少部分重叠。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极延伸部与漏极延伸部的的材料相同。
6.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极延伸部及漏极延伸部的材料为铝、钛、钪、铪、钾、钠或锂。
7.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极延伸部及漏极延伸部的材料为镍、钼、铑、钌、钯、锑、钨、铼或铂。
8.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层包括多个碳纳米管长线。
9.如权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管长线包括由多个首尾相连的碳纳米管束组成的束状结构或绞线结构。
10.如权利要求9所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述相邻的碳纳米管束之间通过范德华力紧密结合，每一碳纳米管束包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管。
11.如权利要求10所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述碳纳米管为半导体性碳纳米管。
12.如权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述多个碳纳米管长线相互平行，且沿所述源极至漏极的方向排列。
13.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层设置于所述栅极和半导体层之间。
14.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极本体及漏极本体设置于所述半导体层表面，所述源极本体及漏极本体通过所述第二绝缘层相互绝缘设置。
15.如权利要求14所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述源极延伸部及漏极延伸部设置于所述第二绝缘层远离所述半导体层的表面。
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