TWI493719B - 薄膜電晶體 - Google Patents

Description

薄膜電晶體

本發明涉及一種薄膜電晶體，尤其涉及一種基於奈米碳管的薄膜電晶體。

薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)係現代微電子技術中的一種關鍵性電子元件，目前已經被廣泛的應用於平板顯示器等領域。薄膜電晶體主要包括閘極、絕緣層、半導體層、源極和汲極。其中，源極和汲極間隔設置並與半導體層電連接，閘極通過絕緣層與半導體層及源極和汲極間隔絕緣設置。所述半導體層位於所述源極和汲極之間的區域形成一通道區域。薄膜電晶體中的閘極、源極、汲極均由導電材料構成，該導電材料一般為金屬或合金。當於閘極上施加一電壓時，與閘極通過絕緣層間隔設置的半導體層中的通道區域會積累載子，當載子積累到一定程度，與半導體層電連接的源極汲極之間將導通，從而有電流從源極流向汲極。於實際應用中，對薄膜電晶體的要求係希望得到較大的開關電流比。影響上述開關電流比的因素除薄膜電晶體的製備工藝外，薄膜電晶體半導體層中半導體材料的載子移動率為影響開關電流比的最重要的影響因素之一。

先前技術中，薄膜電晶體中形成半導體層的材料為非晶矽、多晶矽或有機半導體聚合物等(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))。以非晶矽作為半導體層的非晶矽薄膜電晶體的製造技術較為成熟，但於非晶矽薄膜電晶體中，由於半導體層中通常含有大量的懸挂鍵，使得載子的遷移率很低(一般小於1cm²V^-1s^-1)，從而導致薄膜電晶體的響應速度較慢。以多晶矽作為半導體層的薄膜電晶體相對於以非晶矽作為半導體層的薄膜電晶體，具有較高的載子移動率(一般約為10cm²V^-1s^-1)，故響應速度也較快。但多晶矽薄膜電晶體低溫製造成本較高，方法較複雜，大面積製造困難，且多晶矽薄膜電晶體的關態電流較大。相較於上述傳統的無機薄膜電晶體，採用有機半導體聚合物做半導體層的有機薄膜電晶體具有成本低、製造溫度低的優點，且有機薄膜電晶體具有較高的柔韌性。但由於有機半導體於常溫下多為跳躍式傳導，表現出較高的電阻率、較低的載子移動率，使得有機薄膜電晶體的響應速度較慢。

奈米碳管具有優異的力學及電學性能。並且，隨著奈米碳管螺旋方式的變化，奈米碳管可呈現出金屬性或半導體性。半導體性的奈米碳管具有較高的載子移動率(一般可達1000~1500cm²V^-1s^-1)，係製造電晶體的理想材料。先前技術中已有報道採用半導體性奈米碳管形成的奈米碳管層作為薄膜電晶體的半導體層。先前技術中的奈米碳管層中，奈米碳管為無序排列或垂直於基底排列，形成一無序奈米碳管層或一奈米碳管陣列。然而，於上述無序奈米碳管層中，奈米碳管隨機分佈。載子於上 述無序奈米碳管層中的傳導路徑較長，不利於獲得具有較高載子移動率的薄膜電晶體。另外，上述無序奈米碳管層為通過噴墨法形成，奈米碳管層中的奈米碳管之間通過黏結劑相互結合，故，該奈米碳管層為一較為鬆散結構，柔韌性較差，不利於製造柔性薄膜電晶體。於上述奈米碳管陣列中，奈米碳管排列方向垂直於基底方向。由於奈米碳管具有較好的載子軸向傳輸性能，而徑向方向的傳輸性能較差，故垂直於基底方向排列的奈米碳管同樣不利於獲得具有較高載子移動率的薄膜電晶體。故上述兩種奈米碳管的排列方式均不能有效利用奈米碳管的高載子移動率。故，先前技術中採用無序奈米碳管層或奈米碳管陣列作半導體層的薄膜電晶體不利於獲得具有較高載子移動率及較高的響應速度的薄膜電晶體，且先前技術中的薄膜電晶體的柔韌性較差。

有鑒於此，提供一種具有較高的載子移動率，較高的響應速度，及較好的柔韌性的薄膜電晶體實為必要。

一種薄膜電晶體，包括：一源極；一汲極，該汲極與該源極間隔設置；一半導體層；以及一閘極，該閘極通過一絕緣層與該半導體層、源極及汲極絕緣設置；其中，該半導體層包括多個奈米碳管，所述多個奈米碳管相互平行，且至少部分所述奈米碳管的兩端分別與所述源極和汲極接觸且電連接。

相較於先前技術，本技術方案實施例提供的採用多個兩端分別與所述源極和汲極電連接的奈米碳管形成的半導 體層的薄膜電晶體具有以下優點：其一，由於組成半導體層的奈米碳管的兩端分別與所述源極和汲極電連接，故載子由源極經半導體層至汲極方向傳輸具有較短的傳輸路徑，同時可有效利用奈米碳管的軸向傳輸特性，從而有利於獲得具有較大的載子移動率的薄膜電晶體，進而有利於提高薄膜電晶體的響應速度。其二，由於奈米碳管具有優異的力學性能，則由多個擇優取向排列且兩端分別與所述源極和汲極電連接的奈米碳管組成的半導體層具有較好的韌性及機械強度，有利於製造柔性薄膜電晶體。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案實施例提供的薄膜電晶體。

請參閱圖1，本技術方案第一實施例提供一種薄膜電晶體10，該薄膜電晶體10為頂閘型，其包括一半導體層140、一源極151、一汲極152、一絕緣層130及一閘極120。所述薄膜電晶體10形成於一絕緣基板110表面。

上述半導體層140設置於上述絕緣基板110表面。上述源極151及汲極152間隔設置於上述半導體層140表面。上述絕緣層130設置於上述半導體層140表面。上述閘極120設置於上述絕緣層130表面，並通過該絕緣層130與該半導體層140及源極151和汲極152絕緣設置。所述半導體層140位於所述源極151和汲極152之間的區域形成一通道156。

所述源極152及汲極154可以間隔設置於所述半導體層 140的上表面位於所述絕緣層130與半導體層140之間，此時，源極151、汲極152與閘極120設置於所述半導體層140的同一側，形成一共面型薄膜電晶體10。或者，所述源極151及汲極152可以間隔設置於所述半導體層140的下表面，位於所述絕緣基板110與半導體層140之間，此時，所述源極151、汲極152與閘極120設置於所述半導體層140的不同側，形成一交錯型薄膜電晶體10。可以理解，上述源極151及汲極152的設置位置不限於所述半導體層140表面。只要保證上述源極151及汲極152間隔設置，並與上述半導體層140電接觸即可。

所述絕緣基板110起支撑作用，其材料可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、矽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用於對薄膜電晶體10提供支撑。所述絕緣基板110也可選用大規模集成電路中的基板，且多個薄膜電晶體10可按照預定規律或圖形集成於同一絕緣基板110上，形成薄膜電晶體面板或其它薄膜電晶體半導體器件。

所述半導體層140包括多個半導體性奈米碳管，所述多個奈米碳管平行於所述半導體層140的表面，所述多個奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互結合，且至少部分奈米碳管的兩端分別與所述源極151和汲極152電連接。所述半導體層140可包括一奈米碳管薄膜，該奈米碳管薄膜包括多個相互平行的奈米碳管。進一步地，所述多個奈米碳管具有大致相等的長度。優選地，所述奈米碳管均沿所 述源極151至汲極152的方向緊密排列。所述奈米碳管可為單壁奈米碳管或雙壁奈米碳管。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米。優選地，所述奈米碳管的直徑小於10奈米。所述奈米碳管的長度為1微米~100微米。所述半導體層140也可包括兩個或兩個以上相互重叠的奈米碳管薄膜。相鄰兩層奈米碳管薄膜中的奈米碳管之間具有一交叉角度α，α大於等於0度且小於等於90度。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奈米~100微米。所述通道156的長度為1微米~100微米，寬度為1微米~1毫米。

本技術方案實施例中，所述半導體層140為一奈米碳管薄膜。請參見圖2，所述奈米碳管薄膜包括多個相互平行的奈米碳管。所述多個奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管薄膜中的奈米碳管沿所述源極151至汲極152方向緊密排列。所述半導體層140的長度為50微米，寬度為300微米，厚度為5奈米。所述通道156的長度為40微米，寬度為300微米。

所述源極151、汲極152及閘極120由導電材料組成。優選地，所述源極151、汲極152及閘極120均為一層導電薄膜。該導電薄膜的厚度為0.5奈米~100微米。該導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)、導電銀膠、導電聚合物或導電性奈米碳管等。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、釹、鈀、銫或其合金。本實施例中，所述源極151、 汲極152及閘極120的材料為金屬鈀膜，厚度為5奈米。所述金屬鈀與奈米碳管具有較好的潤濕效果，有利於所述源極151和汲極152與所述半導體層140之間形成良好的電接觸，减少歐姆接觸電阻。

所述絕緣層130材料為氮化矽、氧化矽等硬性材料或苯並環丁烯(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奈米~100微米。本實施例中，所述絕緣層130的材料為氮化矽。可以理解，根據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、汲極152及半導體層140，只要能保證所述半導體層140、源極151和汲極152與相對設置的閘極120絕緣即可。

請參見圖3，使用時，所述源極151接地，於所述汲極152上施加一電壓Vds，於所述閘極120上施一電壓Vg，閘極120電壓Vg於半導體層140中的通道156中產生電場，並於通道156靠近閘極120的表面處產生感應載子。隨著閘極電壓Vg的增加，所述通道156靠近閘極120的表面處逐漸轉變為載子積累層，當載子積累到一定程度時，就會於源極151和汲極152之間產生電流。由於組成所述半導體層140的部分奈米碳管的兩端分別與所述源極151和汲極152電連接，故載子由源極151經半導體層140至汲極152方向傳輸具有較短的傳輸路徑，從而使獲得的薄膜電晶體10具有較大的載子移動率及較高的響應速度。

本技術方案實施例採用從源極151至汲極152方向擇優取向排列的奈米碳管作半導體層140，且所述奈米碳管的兩端分別與所述源極151及汲極152電連接，所述奈米碳管 之間的間距為20微米，所述薄膜電晶體10的載子移動率高於10cm²/V^-1s^-1，開關電流比為1.0×10²~1.0×10⁶。優選地，所述薄膜電晶體10的載子移動率為10~1500cm²/V^-1s^-1。

請參閱圖4，本技術方案第二實施例提供一種薄膜電晶體20，該薄膜電晶體20為底閘型，其包括一閘極220、一絕緣層230、一半導體層240、一源極251及一汲極252。該薄膜電晶體20設置於一絕緣基板210上。

本技術方案第二實施例薄膜電晶體20的結構與第一實施例中的薄膜電晶體10的結構基本相同，其區別在於：上述閘極220設置於所述絕緣基板210表面；上述絕緣層230設置於該閘極220表面；上述半導體層240設置於該絕緣層230表面，通過絕緣層230與閘極220絕緣設置；上述源極251及汲極252間隔設置並與上述半導體層240電接觸，該源極251、汲極252及半導體層240通過絕緣層230與上述閘極220電絕緣。所述半導體層240位於所述源極251和汲極252之間的區域形成一通道256。

所述源極251及汲極252間隔設置於所述半導體層240的上表面，此時，所述源極251、汲極252與閘極220設置於所述半導體層240的不同面，形成一逆交錯型薄膜電晶體20。或者，所述源極251及汲極252可以間隔設置於該半導體層240的下表面，位於絕緣層230與半導體層240之間，此時，所述源極251、汲極252與閘極220設置於所述半導體層240的同一面，形成一逆共面型薄膜電晶體20。

本技術方案實施例提供的採用部分兩端分別與所述源極和汲極電連接的奈米碳管作為半導體層的薄膜電晶體具有以下優點：其一，由於組成半導體層的至少部分奈米碳管的兩端分別與所述源極和汲極電連接，故載子由源極經半導體層至汲極方向傳輸具有較短的傳輸路徑，從而有利於獲得具有較大的載子移動率的薄膜電晶體，進而有利於提高薄膜電晶體的響應速度。其二，由於奈米碳管具有優異的力學性能，則由兩層或兩層以上沿不同方向排列的奈米碳管薄膜組成的半導體層具有較好的韌性及機械強度，從而有利於製備柔性薄膜電晶體。其三，由於奈米碳管在高溫下不會受到影響，故由該奈米碳管組成的半導體層在高溫下仍具有較高的載子移動率。故該薄膜電晶體可應用於高溫領域。其四，由於奈米碳管具有較高的導熱係數，可以有效地將薄膜電晶體工作時所產生的熱量導出，從而有利於解決薄膜電晶體集成於大規模集成電路中的散熱問題。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10,20‧‧‧薄膜電晶體

110,210‧‧‧絕緣基板

120,220‧‧‧閘極

130,230‧‧‧絕緣層

140,240‧‧‧半導體層

151,251‧‧‧源極

152,252‧‧‧汲極

156,256‧‧‧通道

圖1係本技術方案第一實施例薄膜電晶體的剖視結構示意圖。

圖2係本技術方案第一實施例薄膜電晶體中奈米碳管薄膜 的掃描電鏡照片。

圖3係本技術方案第一實施例工作時的薄膜電晶體的結構示意圖。

圖4係本技術方案第二實施例薄膜電晶體的剖視結構示意圖。

10‧‧‧薄膜電晶體

110‧‧‧絕緣基板

120‧‧‧閘極

130‧‧‧絕緣層

140‧‧‧半導體層

151‧‧‧源極

152‧‧‧汲極

156‧‧‧通道

Claims (18)

1. 一種薄膜電晶體，包括：一源極；一汲極，該汲極與該源極間隔設置；一半導體層；以及一閘極，該閘極通過一絕緣層與該半導體層、源極及汲極絕緣設置，其改良在於，該半導體層包括多個奈米碳管，所述多個奈米碳管相互平行，且至少部分所述奈米碳管的兩端分別與所述源極和汲極接觸且電連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管為半導體性奈米碳管。
3. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述多個奈米碳管平行於所述半導體層的表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管沿所述源極至汲極的方向擇優取向排列。
5. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管的長度為1微米~100微米。
6. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體層包括至少一層奈米碳管薄膜，該奈米碳管薄膜包括多個相互平行的奈米碳管。
7. 如申請專利範圍第6項所述的薄膜電晶體，其中，所述半導體層包括至少兩層相互重叠的奈米碳管薄膜，相鄰兩層奈米碳管薄膜之間通過凡德瓦爾力緊密結合，且相鄰兩層奈米碳管薄膜中的奈米碳管之間具有一交叉角度α，α大 於等於0度且小於等於90度。
8. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述奈米碳管為單壁奈米碳管或雙壁奈米碳管，且所述奈米碳管的直徑小於10奈米。
9. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述絕緣層設置於所述閘極和半導體層之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述絕緣層的材料為氮化矽、氧化矽、苯並環丁烯、聚酯或丙烯酸樹脂。
11. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述源極及汲極設置於所述半導體層表面。
12. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述閘極、源極及汲極的材料為金屬、合金、銦錫氧化物、銻錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物或金屬性奈米碳管。
13. 如申請專利範圍第12項所述的薄膜電晶體，其中，所述閘極、源極及汲極的材料為鈀、銫、鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、釹或其合金。
14. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體設置於一絕緣基板上，所述半導體層設置於該絕緣基板表面，所述源極及汲極間隔設置於所述半導體層表面，所述絕緣層設置於所述半導體層表面，所述閘極設置於所述絕緣層表面，並通過該絕緣層與該半導體層、源極和汲極電絕緣。
15. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體設置於一絕緣基板上，所述閘極設置於該絕緣基板表面，所述絕緣層設置於所述閘極表面，所述半導體層 設置於所述絕緣層表面，並通過所述絕緣層與閘極絕緣設置，所述源極及汲極間隔設置於所述半導體層表面並通過絕緣層與上述閘極電絕緣。
16. 如申請專利範圍第14或15項所述的薄膜電晶體，其中，所述絕緣基板的材料為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、塑料或樹脂。
17. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體的載子移動率為10~1500cm²/V^-1s^-1，開關電流比為1.0×10²~1.0×10⁶。
18. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體，其中，所述薄膜電晶體進一步包括一通道，該通道為所述半導體層位於所述源極和汲極之間的區域，該通道及半導體層的長度為1微米~100微米，寬度為1微米~1毫米，厚度為0.5奈米~100微米。