JP5231327B2 - 薄膜トランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、薄膜トランジスタに関し、特にカーボンナノチューブを含む薄膜トランジスタに関するものである。

薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）は、パネル表示装置に広く応用される。従来の薄膜トランジスタは、主に、ゲート電極、絶縁層、半導体層、ソース電極及びドレイン電極を含む。前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、分離して設置され、前記半導体層と電気的に接続される。前記ゲート電極は、前記絶縁層に設置され、該絶縁層により前記半導体層、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と分離して絶縁する。前記半導体層の、前記ソース電極とドレイン電極との間に位置される領域には、チャンネル領域が形成される。

前記薄膜トランジスタのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極は、導電材料からなる。該導電材料は、金属又は合金である。前記ゲート電極に電圧を印加すると、前記絶縁層により該ゲート電極と分離して設置された前記半導体層におけるチャンネル領域で、キャリヤーが蓄積することができる。該キャリヤーが所定の程度に蓄積される場合、前記半導体層に電気的に接続される前記ソース電極及び前記ドレイン電極が電気的に接続されるので、前記ソース電極から前記ドレイン電極に流れる電流がある。

従来技術として、薄膜トランジスタの半導体層の材料は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン又は有機半導体重合体である（非特許文献１を参照）。アモルファスシリコンを半導体層とする薄膜トランジスタにおいて、該半導体層で多くのダングリングボンド（Ｄａｎｇｌｉｎｇ Ｂｏｎｄ）を含むので、キャリヤーの移動度は、小さくなる。該キャリヤーの移動度が一般的に１ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１より小さいので、前記薄膜トランジスタの応答速度は、遅い。多結晶シリコンを半導体層とする薄膜トランジスタにおいて、キャリヤーの移動度は、大きくなる。該キャリヤーの移動度が一般的に１０ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１ほどであるので、前記薄膜トランジスタの応答速度は、速い。しかし、多結晶シリコンを半導体層とする薄膜トランジスタは、方法が複雑であり、コストが高く、大面積製造が難しく、オフ電流が大きい。従来の無機薄膜トランジスタと比べて、有機半導体重合体を半導体層とする有機薄膜トランジスタは、コストが低く、製造の温度が低く、高い強靭性を有する長所がある。

"Ｎｅｗ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ、２００２年、第２９９−３０２巻、第１３０４〜１３１０頁

しかし、有機薄膜トランジスタは、室温でジャンプ伝導するので、抵抗率が高く、キャリヤーの移動度が小さくなる。従って、前記有機薄膜トランジスタの応答速度は、遅いという欠点がある。

従って、本発明は、大きなキャリヤーの移動度を有し、速い応答速度を有し、高い靭性を有する薄膜トランジスタを提供することを課題とする。

薄膜トランジスタは、ソース電極と、前記ソース電極と分離して設置されるドレイン電極と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極に電気的に接続される半導体層と、絶縁層と、前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と絶縁状態で設置されるゲート電極と、を含む。前記半導体層は、積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、前記隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、端と端で接続され、同じ方向に沿って配列されている。

前記カーボンナノチューブフィルムは、半導体性を有するカーボンナノチューブを含む。

前記隣接するカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で接続されている。

前記積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、前記ソース電極から前記ドレイン電極への方向に沿って配列されている。

前記薄膜トランジスタのキャリヤーの移動度が１０ｃｍ^２／Ｖｓ〜１５００ｃｍ^２／Ｖｓであり、オン／オフ電流比が１．０×１０^２〜１．０×１０^６である。

従来の薄膜トランジスタと比べると、本発明の薄膜トランジスタにおいて、前記半導体層に積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを利用することにより、該カーボンナノチューブフィルムは、優れた強靭性と機械強度を有するので、該半導体層を有する薄膜トランジスタは、更に優れた強靭性を有する。前記カーボンナノチューブフィルムが優れた耐熱性を有するので、本発明の薄膜トランジスタ及び、該薄膜トランジスタを利用した半導体素子は、高温で作動することができる。第三は、前記カーボンナノチューブが大きな熱伝導率を有し、同じ方向に沿って配列された前記カーボンナノチューブは、熱量が前記方向に沿って伝導することに有利となるので、前記カーボンナノチューブフィルムは、前記薄膜トランジスタの作動において発生する熱量を放熱することができる。従って、前記薄膜トランジスタを、大規模集積回路に応用する場合の放熱の問題を解決することができる。第四は、各々のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、端と端で接続され、同じ方向に沿って配列されるので、前記薄膜トランジスタは、大きなキャリヤーの移動度を有し、速い応答速度を有する。

本発明の実施例１に係る薄膜トランジスタの断面図である。 本発明の実施例１に係る薄膜トランジスタにおけるカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 図２に示すカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。 本発明の実施例１に係る薄膜トランジスタが作動する時の構造を示す図である。 本発明の実施例２に係る薄膜トランジスタの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１を参照すると、本発明の実施例１は、薄膜トランジスタ１０を提供する。該薄膜トランジスタ１０は、トップゲート型(Ｔｏｐ Ｇａｔｅ Ｔｙｐｅ)薄膜トランジスタであり、絶縁基板１１０の一つの表面に形成される。該薄膜トランジスタ１０は、ゲート電極１２０、絶縁層１３０、半導体層１４０、ソース電極１５１及びドレイン電極１５２を含む。

前記半導体層１４０は、前記絶縁基板１１０の表面に設置され、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２は、それぞれ前記半導体層１４０の表面に分離して設置され、該半導体層１４０に電気的に接続されている。前記絶縁層１３０は、前記半導体層１４０の表面に設置されている。前記ゲート電極１２０は、前記絶縁層１３０の表面に設置されている。該絶縁層１３０により、前記ゲート電極１２０を、前記半導体層１４０、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２と絶縁状態に設置する。前記半導体層１４０の、前記ソース電極１５１とドレイン電極１５２との間に位置される領域に、チャンネル１５６が形成される。

前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２は、前記半導体層１４０の、前記絶縁基板１１０に隣接する表面の反対側に分離して設置され、前記絶縁層１３０と前記半導体層１４０との間に位置される。この場合、前記ソース電極１５１、前記ドレイン電極１５２及び前記ゲート電極１２０は、前記半導体層１４０の同一側に位置され、コープレーナー型（Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタ１０を形成する。或いは、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２は、それぞれ前記絶縁基板１１０及び前記半導体層１４０の間に分離して設置される。この場合、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２と、前記ゲート電極１２０とは、前記半導体層１４０の異なる側に位置され、スタガード型（Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタ１０を形成する。前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２は、位置が制限されず、該ソース電極１５１と該ドレイン電極１５２が分離して設置し、前記半導体層１４０と電気的に接続することができる。例えば、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２は前記半導体層１４０と同じ平面に設置されることができる。

前記絶縁基板１１０の材料は、例えば、シリコン、石英、セラミック、ガラス及びダイヤモンドなどの硬性材料又は例えば、プラスチック及び樹脂などの柔らかな材料である。本実施例において、前記絶縁基板１１０の材料は、ガラスであることが好ましい。該絶縁基板１１０は、前記薄膜トランジスタ１０を支持することに用いられる。

前記半導体層１４０は、積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。隣接するカーボンナノチューブフィルムは分子間力で緊密に接続される。図２を参照すると、各々のカーボンナノチューブフィルムは、端と端で接続され、同じ方向に沿って配列され、半導体性を有する複数のカーボンナノチューブを含む。即ち、各々のカーボンナノチューブフィルムにおける一部のカーボンナノチューブは、半導体性を有するカーボンナノチューブであってもよい。好ましくは、各々のカーボンナノチューブフィルムにおける全てのカーボンナノチューブが、半導体性を有するカーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、同じ方向、即ち、前記ソース電極１５１から前記ドレイン電極１５２への方向に沿って配列される。

図３を参照すると、具体的には、前記カーボンナノチューブフィルムは、端と端で接続され、基本的に同じ長さの複数のカーボンナノチューブセグメント１４３を含む。前記カーボンナノチューブセグメント１４３は、端と端が分子間力で連接される。各々のカーボンナノチューブセグメント１４３は、同じ方向に沿って、均一的に配列される複数のカーボンナノチューブ１４５からなり、各々の前記カーボンナノチューブ１４５は分子間力で緊密に連接される。

一枚の前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。該カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ又は二層カーボンナノチューブである。前記単層カーボンナノチューブの直径は、０．５ナノメートル〜５０ナノメートルであり、前記二層カーボンナノチューブの直径は、１．０ナノメートル〜５０ナノメートルである。好ましくは、前記カーボンナノチューブの直径は、１０ナノメートル以下である。

前記半導体層１４０は、長さが１．０マイクロメートル〜５０マイクロメートルであり、幅が１マイクロメートル〜１ミリメートルであり、厚さが０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。前記チャンネル１５６は、長さが１マイクロメートル〜１００マイクロメートルであり、幅が１マイクロメートル〜１ミリメートルである。

本実施例において、前記半導体層１４０は、積層された五枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、各々のカーボンナノチューブフィルムの厚さが５ナノメートルである。各々のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、半導体性を有するカーボンナノチューブフィルムであり、配列される方向が同じであり、前記ソース電極１５１から前記ドレイン電極１５２への方向に沿って配列される。該半導体層１４０は、長さが５０マイクロメートルであり、幅が３００マイクロメートルであり、厚さが２５ナノメートルである。前記チャンネル１５６は、長さが４０マイクロメートルであり、幅が３００マイクロメートルである。

前記半導体層１４０におけるカーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから伸び出すことによって、形成される。該カーボンナノチューブフィルムは、接着性を有するので、前記絶縁基板１１０の表面に直接接着することができる。具体的には、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２の前記半導体層１４０との位置によって、薄膜トランジスタを製造する工程が異なる。例えば、前記絶縁基板１１０の一つ表面にカーボンナノチューブフィルムを接着した後、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配列される方向に沿って、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２を該カーボンナノチューブフィルムの表面に分離して、設置してもよい。或いは、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２を前記絶縁基板１１０の表面に分離して設置した後、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブを前記ソース電極１５１から前記ドレイン電極１５２への方向に沿って配列させ、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２を被覆させるように該絶縁基板１１０の一つ表面に設置させる。本実施例において、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２は、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配列された方向に沿って、該カーボンナノチューブフィルムの両端に分離して設置され、それぞれ、該カーボンナノチューブフィルムに電気的に接続される。

前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２の間の距離は、１マイクロメートル〜１００マイクロメートルである。前記ソース電極１５１、前記ドレイン電極１５２及び前記ゲート電極１２０は、導電材料からなる。前記ソース電極１５１、前記ドレイン電極１５２及び前記ゲート電極１２０は、導電フィルムであることが好ましい。該導電フィルムの厚さは、０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。該導電フィルムの材料は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）フィルム、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）、銀ペースト、導電重合体又は導電性カーボンナノチューブなどである。前記金属は、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、ネオジム、パラジウム又はセシウムなどである。前記合金は、前記金属の合金である。本実施例において、前記ソース電極１５１、前記ドレイン電極１５２及び前記ゲート電極１２０の材料は、金属のパラジウムフィルムであり、その厚さは５ナノメートルである。前記金属のパラジウムと前記カーボンナノチューブとは、優れた濡れ性を有する。前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２との距離は、１マイクロメートル〜１００マイクロメートルである。

前記絶縁層１３０の材料は、窒化珪素、酸化珪素などの硬性材料又はベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）、アクリル酸樹脂などの柔らかな材料である。前記絶縁層１３０の厚さは、５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、前記絶縁層１３０は窒化珪素からなり、その厚さは２００ナノメートルである。勿論、前記半導体層１４０、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２と、ゲート電極１２０とを絶縁状態に設置することに限り、前記絶縁層１３０は、完全に前記ソース電極１５１、前記ドレイン電極１５２及び半導体層１４０を被覆しないように設置してもよい。例えば、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２は、前記半導体層１４０の前記絶縁基板１１０と隣接する表面の反対側に設置される場合、前記絶縁層１３０は、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２との間に設置し、前記半導体層１４０だけを被覆してもよい。

図４を参照すると、前記薄膜トランジスタ１０の前記ソース電極１５１を接地し、前記ドレイン電極１５２に電圧Ｖ_ｄｓを印加し、前記ゲート電極１２０に電圧Ｖ_ｇを印加する場合、前記ゲート電極１２０に電圧Ｖ_ｇを印加することにより、前記半導体層１４０におけるチャンネル１５６に電界を形成させると同時に、該チャンネル１５６の、前記ゲート電極１２０に隣接する領域においてキャリヤーが形成される。前記ゲート電極電圧Ｖ_ｇの増加に伴って、前記チャンネル１５６の、前記ゲート電極１２０に隣接する領域においてキャリヤーが蓄積される。該キャリヤーが所定の程度に蓄積される場合、前記ソース電極１５１とドレイン電極１５２との間に電流を形成することができる。該電流は、前記ソース電極１５１から前記ドレイン電極１５２に流れる。この場合、前記薄膜トランジスタ１０は、オン状態になる。

前記半導体層１４０におけるカーボンナノチューブは、優れた半導体性を有し、該カーボンナノチューブが前記ソース電極１５１からドレイン電極１５２への方向に沿って、配列されるので、キャリヤーは、優れた軸向輸送性を有するカーボンナノチューブにおいて、大きな移動度を有する。従って、半導体層１４０にカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブフィルムを利用することにより、前記薄膜トランジスタ１０に大きなキャリヤーの移動度を有させるので、該薄膜トランジスタ１０の応答速度は、速くなる。本実施例において、前記薄膜トランジスタ１０のキャリヤーの移動度は、１０ｃｍ^２／Ｖｓ〜１５００ｃｍ^２／Ｖｓであり、オン／オフ電流比は、１．０×１０^２〜１．０×１０^６である。

（実施例２）
図５を参照すると、本発明の実施例２は、薄膜トランジスタ２０を提供する。該薄膜トランジスタ２０は、ボトムゲート型(Ｂｏｔｔｏｍ Ｇａｔｅ Ｔｙｐｅ)薄膜トランジスタであり、絶縁基板２１０の一つの表面に形成される。該薄膜トランジスタ２０は、ゲート電極２２０、絶縁層２３０、半導体層２４０、ソース電極２５１、ドレイン電極２５２を含む。

本実施例の薄膜トランジスタ２０の構造と実施例１の薄膜トランジスタ１０の構造とは、基本的に同じである。本実施例と実施例１と異なる所は、前記ゲート電極２２０が前記絶縁基板２１０の一つの表面に設置され、前記絶縁層２３０が前記ゲート電極２２０の、前記絶縁基板２１０に隣接する表面との反対側に設置され、前記半導体層２４０が前記絶縁層２３０の前記ゲート電極２２０に隣接する表面との反対側に設置される。該絶縁層２３０により、前記ゲート電極２２０と前記半導体層２４０とを絶縁させる。前記ソース電極２５１と前記ドレイン電極２５２とが前記半導体層２４０の前記絶縁層２３０に隣接する表面との反対側に分離して設置され、前記半導体層２４０に電気的に接続される。前記絶縁層２３０により、前記ソース電極２５１及び前記ドレイン電極２５２と、前記半導体層２４０と、を前記ゲート電極２２０から絶縁させるので、前記半導体層２４０の、前記ソース電極２５１と前記ドレイン電極２５２との間の領域にチャンネル２５６を形成する。前記ゲート電極２２０は、前記絶縁基板２１０の、前記チャンネル２５６に対向する領域に設置し、前記絶縁層２３０により、前記ソース電極２５１、前記ドレイン電極２５２及び前記半導体層２４０から絶縁することが好ましい。

本実施例の薄膜トランジスタ２０におけるゲート電極２２０、ソース電極２５１、ドレイン電極２５２及び絶縁層２３０の材料は、実施例１の薄膜トランジスタ１０におけるゲート電極１２０、ソース電極１５１、ドレイン電極１５２及び絶縁層１３０の材料と同じである。本実施例の薄膜トランジスタ２０におけるチャンネル２５６及び半導体層２４０の形状、面積は、実施例１の薄膜トランジスタ１０におけるチャンネル１５６及び半導体層１４０の形状、面積と同じである。

前記ソース電極２５１と前記ドレイン電極２５２は、前記半導体層２４０又は絶縁層２３０の表面に設置されることができる。さらに、前記ソース電極２５１と前記ドレイン電極２５２は、前記半導体層２４０の、前記絶縁層２３０に隣接する表面との反対側に分離して設置される場合、前記ソース電極２５１及び前記ドレイン電極２５２と、前記ゲート電極２２０とは、前記半導体層２４０の異なる側に位置され、インバーテッド・スタガード型（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタが形成される。或いは、前記ソース電極２５１と前記ドレイン電極２５２は、前記半導体層２４０の前記絶縁層２３０に隣接する表面に分離して設置され、即ち、前記絶縁層２３０と前記半導体層２４０との間に位置される場合、前記ソース電極２５１及び前記ドレイン電極２５２と、前記ゲート電極２２０とは、前記半導体層２４０の同じ側に位置され、インバーテッド・コープレーナー型（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタが形成される。

本発明の薄膜トランジスタにおいて、前記半導体層に積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを利用することにより、各々のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの端と端が接続され、前記ソース電極から前記ドレイン電極への方向に沿って配列されるので、キャリヤーが前記ソース電極から前記半導体層を通って、前記ドレイン電極へ移動し、移動距離が小さくなる。従って、前記薄膜トランジスタは、大きなキャリヤーの移動度を有し、速い応答速度を有する。

前記薄膜トランジスタにおいて、前記半導体層に積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを利用することにより、各々のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが分子間力で端と端が接続されるので、該カーボンナノチューブフィルムは、優れた靭性と機械強度を有する。従って、該半導体層を有する薄膜トランジスタは、優れた靭性を有する。

前記カーボンナーブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、高温で影響を受けないので、該カーボンナノチューブフィルムからなる半導体層は、高温で大きなキャリヤーの移動度を有する。従って、前記薄膜トランジスタは高温の領域に応用されることができる。前記カーボンナノチューブが大きな熱伝導率を有し、同じ方向に沿って配列された前記カーボンナノチューブは、熱量が前記方向に沿って伝導することに有利となるので、前記カーボンナノチューブフィルムは、前記薄膜トランジスタの作動において発生する熱量を放熱することができる。従って、前記薄膜トランジスタを、大規模集積回路に応用する場合の放熱の問題を解決することができる。

１０、２０ 薄膜トランジスタ
１１０、２１０ 絶縁基板
１２０、２２０ ゲート電極
１３０、２３０ 絶縁層
１４０、２４０ 半導体層
１４３ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
１５１、２５１ ソース電極
１５２、２５２ ドレイン電極
１５６、２５６ チャンネル

Claims (3)

1. ソース電極と、
   前記ソース電極と分離して設置されるドレイン電極と、
   前記ソース電極及び前記ドレイン電極に電気的に接続される半導体層と、
   絶縁層と、
   前記絶縁層により、前記半導体層と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と絶縁状態で設置されるゲート電極と、
   を含む薄膜トランジスタにおいて、
   前記半導体層が積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを含み、
   各々のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、端と端で接続され、同じ方向に沿って配列され、
   積層された少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが前記ソース電極から前記ドレイン電極への方向に沿って配列されており、
   前記薄膜トランジスタのキャリヤーの移動度が１０ｃｍ ^２ ／Ｖｓ〜１５００ｃｍ ^２ ／Ｖｓであり、オン／オフ電流比が１．０×１０ ^２ 〜１．０×１０ ^６ であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. 前記カーボンナノチューブフィルムが、半導体性を有するカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
3. 前記隣接するカーボンナノチューブフィルムが分子間力で接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタ。