一种薄膜晶体管、其制作方法及相应装置与流程

本发明涉及显示器技术领域，特别涉及一种薄膜晶体管、其制作方法及相应装置。

背景技术：

目前，碳纳米管自被发现以来，一直得到学术界和工业界的广泛关注和研究。碳纳米管由于其优异的电学性能，良好的导热性和机械强度等特性，被广泛应用在显示，传感器，RF电路，柔性电路等领域，且展示出了巨大的应用潜能。

现有技术中将碳纳米管应用到薄膜晶体管方面，主要采用碳纳米管作为有源层材料，其碳纳米管的直径范围一般在1.2nm-1.6nm之间，即有源层采用一定直径分布的碳纳米管组成随机网络来形成空间分布均匀的薄膜。由于碳纳米管的能级带隙与碳纳米管的直径之间有反比的关系，因而碳纳米管的能级带隙可以近似估算为0.7/d(eV)。直径1.2nm-1.6nm的碳纳米管与金属接触的势垒较高，对于本征碳纳米管而言，碳纳米管与金属接触的肖特基势垒金属一侧的势垒高度的具体估算公式为：其中，q为单位电荷电量，为金属到半导体的接触电势差，Eg为碳纳米管的能级带隙，χ为碳纳米管的电子亲合势，Wm为金属的功函数；Eg近似等于0.7/d(eV)。为了保证薄膜晶体管低的金属接触电阻和的器件正常工作，目前的现有技术中，通常需要采用Pd，Au等贵金属作为碳纳米管的接触金属(即源漏极)来构建薄膜晶体管，制作成本较高。另外，如果简单的只将接触区域的碳纳米管直径换成大直径的碳纳米管来降低金属-碳纳米管接触势垒高度，两种半导体型碳纳米管会形成半导体异质结构，载流子从大直径到小直径碳纳米管注入面临较高势垒的问题，载流子从电极到沟道的注入仍然很困难。

综上所述，现有技术中的薄膜晶体管，其有源层采用一定直径分布的碳纳米管组成随机网络来形成空间分布均匀的薄膜，需要采用贵金属作为碳纳米管的源漏极，制作成本较高。

技术实现要素：

本发明提供一种薄膜晶体管、其制作方法及相应装置，用以解决现有技术中的薄膜晶体管，其有源层采用一定直径分布的碳纳米管组成随机网络来形成空间分布均匀的薄膜，需要采用贵金属作为碳纳米管的源漏极，制作成本较高的问题。

基于上述问题，本发明实施例提供了一种薄膜晶体管，包括：源电极，漏电极，以及由至少三种不同直径的碳纳米管构成的有源层；其中，

构成所述有源层的沟道区域的碳纳米管的直径值最小；

分别与所述源电极和所述漏电极接触的碳纳米管的直径相同、且直径值最大；

在最小直径的碳纳米管和最大直径的碳纳米管之间设置有至少一种不同直径的碳纳米管。

本发明中有源层包括至少三种不同直径的碳纳米管，与源漏极接触的碳纳米管的直径最大，构成有源层沟道区域的碳纳米管的直径最小，两者之间还设置有不同直径的碳纳米管，即三种直径的碳纳米管按照直径大小排列，三种直径的碳纳米管的价带形成阶梯，中间直径的碳纳米管可以作为能级缓冲层，更有利于空穴从电极到沟道的注入，进而本发明只需要采用普通金属作为源漏极，即可保证薄膜晶体管能够正常工作，降低了制作成本。

较佳的，所述最小直径的碳纳米管为构成所述有源层的一整层结构，所述最大直径的碳纳米管与所述至少一种不同直径的碳纳米管在垂直方向的投影重合。

较佳的，所述最小直径的碳纳米管、所述最大直径的碳纳米管、以及所述至少一种不同直径的碳纳米管同层设置；所述至少一种不同直径的碳纳米管设置在所述有源层的沟道区域。

较佳的，若所述最小直径的碳纳米管和所述最大直径的碳纳米管之间，设置有多种不同直径的碳纳米管；所述多种不同直径的碳纳米管按照直径由小到大的顺序，依次从所述最小直径的碳纳米管一侧向所述最大直径的碳纳米管一侧排列。

较佳的，所述最小直径为0.8nm-1.1nm。

较佳的，所述最大直径为1.3nm-1.8nm。

较佳的，相互接触的两种不同直径的碳纳米管之间的直径差值不大于预设阈值，其中所述预设阈值为使薄膜晶体管正常工作的碳纳米管之间的最大直径差值。

较佳的，所述预设阈值为0.1nm-0.2nm。

较佳的，所述有源层为轴对称结构。

本发明实施例提供了一种阵列基板，包括本发明实施例提供的上述薄膜晶体管。

本发明实施例提供了一种显示装置，该显示装置包括本发明实施例提供的上述阵列基板。

本发明实施例提供了一种制作本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的方法，该方法包括形成由碳纳米管制作而成的有源层的步骤：

在栅绝缘层上形成最小直径的碳纳米管薄膜；

继续形成至少一种不同直径的碳纳米管薄膜；

在所述有源层与所述源电极或所述漏电极接触区域形成最大直径的碳纳米管薄膜。

较佳的，所述形成由碳纳米管制作而成的有源层具体包括：

在栅绝缘层上涂布一整层最小直径的碳纳米管薄膜；

去除未作为有源层的区域的碳纳米管；

在剩余的碳纳米管薄膜上涂布光刻胶，在所述光刻胶上采用光刻板掩膜，对需要形成源极和漏极区域的光刻胶进行曝光、显影，去除被曝光的光刻胶，形成露出所述最小直径的碳纳米管薄膜的接触窗口；

在所述接触窗口中形成至少一种不同直径的碳纳米管薄膜；

在所述接触窗口中继续形成最大直径的碳纳米管薄膜。

较佳的，所述形成由碳纳米管制作而成的有源层具体包括：

在栅绝缘层上通过喷墨打印涂布最小直径的碳纳米管薄膜；

从所述最小直径的碳纳米管薄膜的边缘开始，分别向外喷墨打印涂布至少一种不同直径的碳纳米管薄膜；

从所述至少一种不同直径的碳纳米管薄膜的边缘开始，分别继续向外喷墨打印涂布最大直径的碳纳米管薄膜；

其中，所述最小直径的碳纳米管、所述最大直径的碳纳米管、以及所述至少一种不同直径的碳纳米管同层设置。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种薄膜晶体管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第一种有源层中不同直径的碳纳米管的排列方式的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第二种有源层中不同直径的碳纳米管的排列方式的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种制作如本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的方法步骤流程图；

图5为本发明实施例提供的浸涂法制备有源层的方法步骤流程图；

图6为本发明实施例提供的喷墨打印法制备有源层的方法步骤流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供的薄膜晶体管包括：源电极，漏电极，以及由至少三种不同直径的碳纳米管构成的有源层；其中，构成有源层的沟道区域的碳纳米管的直径值最小；分别与源电极和漏电极接触的碳纳米管的直径相同、且直径值最大；在最小直径的碳纳米管和最大直径的碳纳米管之间设置有至少一种不同直径的碳纳米管。本发明中有源层包括至少三种不同直径的碳纳米管，三种直径的碳纳米管按照直径大小排列，三种直径的碳纳米管的价带形成阶梯，中间直径的碳纳米管可以作为能级缓冲层，更有利于空穴从电极到沟道的注入，进而本发明只需要采用普通金属作为源漏极，即可保证薄膜晶体管能够正常工作，降低了制作成本。

下面结合附图，对本发明实施例提供的薄膜晶体管、其制作方法及相应装置的具体实施方式进行详细地说明。

附图中各膜层的厚度和区域的大小形状不反映薄膜晶体管和阵列基板各部件的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

如图1所示，本发明实施例提供的一种薄膜晶体管的结构示意图，该薄膜晶体管包括：源电极101，漏电极102，以及由至少三种不同直径的碳纳米管构成的有源层103；其中，

构成有源层103的沟道区域的碳纳米管的直径值最小；

分别与源电极101和漏电极102接触的碳纳米管的直径相同、且直径值最大；

在最小直径的碳纳米管和最大直径的碳纳米管之间设置有至少一种不同直径的碳纳米管。

现有技术中将碳纳米管应用到薄膜晶体管方面，主要采用碳纳米管作为有源层材料，其碳纳米管的直径范围一般在1.2nm-1.6nm之间，即有源层采用一定直径分布的碳纳米管组成随机网络来形成空间分布均匀的薄膜。直径1.2nm-1.6nm的碳纳米管与金属接触的势垒较高，与一般贵金属的功函数相当。为了保证薄膜晶体管的正常工作，目前的现有技术中，通常需要采用Pd，Au等贵金属作为碳纳米管的接触金属(即源漏极)来构建薄膜晶体管，制作成本较高。

本发明实施例提供的薄膜晶体管的有源层103包括至少三种不同直径的碳纳米管，而其它的膜层，则可以参见现有技术中的薄膜晶体管，本发明中构成薄膜晶体管的有源层且与源漏极接触的碳纳米管的直径最大，构成有源层沟道区域的碳纳米管的直径最小，两者之间还设置有不同直径的碳纳米管，即三种直径的碳纳米管按照直径大小排列，三种直径的碳纳米管的价带形成阶梯，中间直径的碳纳米管可以作为能级缓冲层，更有利于空穴从电极到沟道的注入，进而本发明只需要采用普通金属(如铜、镍等)作为源漏极，即可保证薄膜晶体管能够正常工作，降低了制作成本。

其中，上述不同直径的碳纳米管，可以通过现有技术中碳纳米管的制作方法进行制作。本发明实施例提供的碳纳米管的手性指数(n，m)满足(n-m)/3的数值为非整数。即碳纳米管为半导体型。

例如，将采用电弧法(或热等离子体法，激光烧蚀法)制备的单壁碳纳米管粉末，与含聚合物的甲苯溶液进行混合，经过分散，离心，过滤后，重新分散得到半导体性单壁碳纳米管的溶液，再进一步使用该碳纳米管的溶液制作本发明实施例中的薄膜晶体管的有源层(之后的制作方法部分会进行详细介绍)。

具体的，可以对聚合物F8BT采用分散电弧法制备的单壁碳纳米管，手性为(15，4)，管径为1.36nm；对聚合物PFOPy采用分散激光烧蚀法制备的单壁碳纳米管，手性为(13，5)，管径为1.26nm；对聚合物PFO采用分散激光烧蚀法制备的单壁碳纳米管，手性为(9，7)，管径为1.09nm。在具体实施时，碳纳米管并不限于举例的三种直径值，其直径的具体数值，可以根据需要进行选择。较佳的，碳纳米管的最小直径为0.8nm-1.1nm。碳纳米管的最大直径为1.3nm-1.8nm。

现有技术中构成薄膜晶体管有源层的碳纳米管的直径范围一般在1.2nm-1.6nm之间，即由不同直径的碳纳米管随机排列形成有源层。现有技术中沟道区域的碳纳米管的直径偏大，进而可能会带来三个方面的问题：(1)器件的关态电流较高，约10^-11A。(2)温度偏压稳定性不佳，阈值电压漂移增大。(3)阈值电压调控到0V附近，转移特性曲线容易出现双极性等问题，不利于薄膜晶体管在显示领域中的应用。

在具体实施时，本发明实施例提供的构成薄膜晶体管有源层的三种碳纳米管的直径不同，与源漏极接触的碳纳米管的直径最大，构成有源层沟道区域的碳纳米管的直径最小，两者之间还设置有一种能够作为能级缓冲层的不同直径的碳纳米管，三种直径的碳纳米管按照直径大小排列，三种直径的碳纳米管的价带形成阶梯，中间直径的碳纳米管可以作为能级缓冲层，更有利于空穴从电极到沟道的注入。从上述碳纳米管的最小直径和最大直径的取值可以看出，本发明中与源漏极接触的碳纳米管的直径比现有技术要大，而成有源层沟道区域的碳纳米管的直径比现有技术要小。

进一步的，由于碳纳米管的能级带隙与碳纳米管的直径之间有反比的关系，与金属(源电极和/或漏电极)直接接触的碳纳米管的直径较大，其带隙较小，价带距离真空能级更高，因此对于相同的金属，其肖特基势垒高度会降低，对于本征碳纳米管而言，金属一侧的势垒高度的具体估算公式为：其中，q为单位电荷电量，为金属到半导体的接触电势差，Eg为碳纳米管的能级带隙，χ为碳纳米管的电子亲合势，Wm为金属的功函数；Eg近似等于0.7/d(eV)；因此大的直径的碳纳米管可以保证碳纳米管与金属接触具有低的接触势垒。同时，由于构成沟道区域的碳纳米管的直径较小，其带隙较大，而关态电流和热稳定性等与带隙呈反相关，对于P型薄膜晶体管而言，当带隙较大时，P型耗尽到形成反型层导电(N型导电)需要更大的栅极电压，因此双极性现象也可以在一定程度被抑制。

进一步的，在具体实施时，为了避免碳纳米管之间的直径差值过大造成的碳纳米管之间的较高势垒，较佳的，相互接触的两种不同直径的碳纳米管之间的直径差值不大于预设阈值，其中预设阈值为使薄膜晶体管正常工作的碳纳米管之间的最大直径差值。较佳的，预设阈值为0.1nm-0.2nm。各层碳纳米管的价带形成阶梯，中间直径的碳纳米管可以作为能级缓冲层，更有利于空穴从电极到沟道的注入。

针对由至少三种不同直径的碳纳米管构成的薄膜晶体管的有源层103，具体可以不限定其至少三种不同直径的碳纳米管的排列形式，只要保证三种直径的碳纳米管不随机排列，而是按照直径大小排列即可，较佳的，本发明实施例提供了两种可行的有源层的排列方式，下面具体进行介绍。

一、第一种有源层中不同直径的碳纳米管的排列方式；

较佳的，最小直径的碳纳米管1031为构成有源层的一整层结构，最大直径的碳纳米管1032与至少一种不同直径的碳纳米管1033在垂直方向的投影重合。

如图2所示，为本发明实施例提供的第一种有源层中不同直径的碳纳米管的排列方式的结构示意图；图中三种不同直径的碳纳米管分层设置构成了薄膜晶体管的有源层，其中同一直径的碳纳米管设置在同一层，图中最小直径的碳纳米管1031为构成有源层的一整层结构，而图中两条虚线之间的碳纳米管构成了有源层的沟道区域，第一条虚线的左侧区域和第二条虚线的右侧区域的最上层的最大直径的碳纳米管1032分别与源电极或漏电极接触；而设置的至少一种不同直径的碳纳米管1033位于一整层的最小直径的碳纳米管1031，以及最大直径的碳纳米管1032之间，且至少一种不同直径的碳纳米管1033和最大直径的碳纳米管1032在垂直方向的投影重合，即大小相等。

二、第二种有源层中不同直径的碳纳米管的排列方式；

较佳的，最小直径的碳纳米管1031、最大直径的碳纳米管1032、以及至少一种不同直径的碳纳米管1033同层设置；至少一种不同直径的碳纳米管1033设置在有源层的沟道区域。

如图3所示，为本发明实施例提供的第二种有源层中不同直径的碳纳米管的排列方式的结构示意图；图中三种不同直径的碳纳米管同层设置构成了薄膜晶体管的有源层，图中两条虚线之间的碳纳米管构成了有源层的沟道区域，其中至少一种不同直径的碳纳米管1033设置在有源层的沟道区域的边缘位置，最小直径的碳纳米管1031位于有源层的中间位置，而第一条虚线的左侧区域和第二条虚线的右侧区域的最大直径的碳纳米管1032分别与源电极或漏电极接触。

在具体实施时，本发明实施例提供的构成薄膜晶体管的有源层的不同直径的碳纳米管，至少包括三种不同的直径，为了使各个不同直径的碳纳米管之间的能级得到缓冲，还可以包括多种不同的直径，较佳的，若最小直径的碳纳米管和最大直径的碳纳米管之间，设置有多种不同直径的碳纳米管；多种不同直径的碳纳米管按照直径由小到大的顺序，依次从最小直径的碳纳米管一侧向最大直径的碳纳米管一侧排列。

具体的，若最小直径的碳纳米管和最大直径的碳纳米管之间，设置有多种不同直径的碳纳米管，则可以不用具体限定各碳纳米管的排列方式，例如，可以按照第一种或者第二种方式排列均可，只要满足各个不同直径的碳纳米管按照直径由小到大的顺序排列即可，同时，较佳的，本发明实施例提供的上述所有由不同直径的碳纳米管构成的有源层为轴对称结构，即以有源层沟道区域的中轴线为对称轴，有源层与源电极接触的一侧、以及有源层与漏电极接触的一侧的结构相同。

基于同一发明构思，本发明实施例提供的一种阵列基板，该阵列基板包括本发明实施例提供的上述薄膜晶体管。由于该阵列基板解决问题的原理与上述薄膜晶体管相似，因此该阵列基板的实施可以参见上述薄膜晶体管的实施，重复之处不再赘述。

基于同一发明构思，本发明实施例提供的一种显示装置，该显示装置包括本发明实施例提供的上述阵列基板。由于该显示装置解决问题的原理与上述阵列基板相似，因此该显示装置的实施可以参见上述阵列基板的实施，重复之处不再赘述。

基于同一发明构思，本发明实施例提供的一种制作本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的方法，如图4所示，为本发明实施例提供的一种制作如本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的方法步骤流程图，该方法包括形成由碳纳米管制作而成的有源层的步骤：

步骤401，在栅绝缘层上形成最小直径的碳纳米管薄膜；

步骤402，继续形成至少一种不同直径的碳纳米管薄膜；

步骤403，在有源层与源电极或漏电极接触区域形成最大直径的碳纳米管薄膜。

在具体实施时，可以使用上述提到的半导体性单壁碳纳米管的溶液制作本发明的薄膜晶体管，其中制作薄膜晶体管除有源层以外的其它膜层的方法，可以参见现有技术，现只对形成由碳纳米管制作而成的有源层的步骤进行详细说明。由于本发明实施例提供的薄膜晶体管的有源层由至少三种不同直径的碳纳米管构成，因而在制作时，根据碳纳米管的直径分别形成不同直径的碳纳米管薄膜。下面具体介绍两种不同的制作方法。

一、浸涂法制备有源层；

如图5所示，为本发明实施例提供的浸涂法制备有源层的方法步骤流程图，较佳的，形成由碳纳米管制作而成的有源层具体包括：

步骤501，在栅绝缘层上涂布一整层最小直径的碳纳米管薄膜；例如，可以通过溶液工艺浸涂法经过8个小时涂布最小直径的碳纳米管(如直径为1.09nm)，形成一层碳纳米管薄膜。

步骤502，去除未作为有源层的区域的碳纳米管；例如，可以通过光刻，显影后，利用光刻胶掩膜进行O2的反应离子刻蚀，去除周围不作为有源层的区域的碳纳米管。

步骤503，在剩余的碳纳米管薄膜上涂布光刻胶，在光刻胶上采用光刻板掩膜，对需要形成源极和漏极区域的光刻胶进行曝光、显影，去除被曝光的光刻胶，形成露出最小直径的碳纳米管薄膜的接触窗口；

步骤504，在接触窗口中形成至少一种不同直径的碳纳米管薄膜；

步骤505，在接触窗口中继续形成最大直径的碳纳米管薄膜。例如，再通过溶液工艺浸涂法在上述形成的接触窗口中依次沉积至少一种不同直径的碳纳米管(如直径为1.26nm)和最大直径的碳纳米管(如直径为1.36nm)。

二、喷墨打印法制备有源层；

除了上述浸涂法能够制备有源层之外，还可以通过其它可行的方法制备有源层，如喷墨打印法。如图6所示，为本发明实施例提供的喷墨打印法制备有源层的方法步骤流程图，较佳的，形成由碳纳米管制作而成的有源层具体包括：

步骤601，在栅绝缘层上通过喷墨打印涂布最小直径的碳纳米管薄膜；

步骤602，从最小直径的碳纳米管薄膜的边缘开始，分别向外喷墨打印涂布至少一种不同直径的碳纳米管薄膜；

步骤603，从至少一种不同直径的碳纳米管薄膜的边缘开始，分别继续向外喷墨打印涂布最大直径的碳纳米管薄膜；

其中，最小直径的碳纳米管、最大直径的碳纳米管、以及至少一种不同直径的碳纳米管同层设置。

在具体实施时，用于制备本发明实施例提供的薄膜晶体管的方法并不限于上述两种方法，其它能够制备出由至少三种不同直径的碳纳米管构成的有源层的方法都可以应用到本发明中。

从上述内容可以看出：本发明实施例提供的薄膜晶体管的有源层包括至少三种不同直径的碳纳米管，与源电极和/或漏电极接触的碳纳米管的直径最大，构成有源层沟道区域的碳纳米管的直径最小，两者之间还设置有不同直径的碳纳米管，即三种直径的碳纳米管按照直径大小排列，三种直径的碳纳米管的价带形成阶梯，中间直径的碳纳米管可以作为能级缓冲层，更有利于空穴从电极到沟道的注入，进而本发明只需要采用普通金属作为源电极和/或漏电极，即可保证薄膜晶体管能够正常工作，降低了制作成本。与现有技术相比，本发明实施例提供的薄膜晶体管的制作工艺简单易行，且制作的薄膜晶体管具有更低的关态电流，更好的稳定性，抑制双极性现象等优点。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。