專利名稱：一種碳納米管場效應晶體管有源層的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及半導體場效應晶體管器件的制備方法，尤其涉及一種碳納米管場效應晶體管及其制備方法。
背景技術(shù)：
ニ維網(wǎng)絡狀的碳納米管(CNT)由于其具有很好的傳輸特性及有望在電子器件如場效應晶體(TFT)和化學傳感方面發(fā)揮重要作用，近年來備受廣大人們的關注。為了更好地使其在電子器件方面的發(fā)揮作用，因此制備質(zhì)量好的ニ維交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)碳納米管薄膜具有非常重要的意義。
目前，用于制備ニ維網(wǎng)絡狀的碳納米管薄膜的方法主要有干法和濕法兩種，干法主要是指CVD法，這種方法通常需要較高的反應溫度并且操作比較復雜。溶液法主要包括旋涂、LB膜和印刷方式。但是，目前用于制備網(wǎng)絡狀的碳納米管薄膜的溶液法均存在著一個問題，碳納米管在成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)薄膜的過程中容易發(fā)生聚集，從而導致不同形貌尺寸的薄膜出現(xiàn)大片的團簇現(xiàn)象。此外，旋涂和LB成膜過程中存在著分子排列無序，容易混入雜質(zhì)的缺點，而印刷成膜存在著對墨水的粘度、表面張カ等物理化學性質(zhì)要求極為苛刻，同時印刷設備本身的成本高的缺陷。因此,開發(fā)一種低成本，同時能更好地改善碳納米管薄膜質(zhì)量的制備方法來獲得高性能的晶體管顯得尤為迫切。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供這種碳納米管場效應晶體管的有源層的制備方法，所述有源層是通過采用電紡絲法將碳納米管、高分子聚合物及有機溶劑組成的組合物噴射到接收板上，紅外加熱揮發(fā)有機溶剤，獲得有源層。其中，所述碳納米管與高分子聚合物質(zhì)量比為1:廣10:1。所述高分子聚合物在所述有機溶劑中的質(zhì)量濃度為f 20wt%?？梢员ＷC有源層的結(jié)晶性，以及防止碳納米管在成膜過程的聚集，同時使混合溶液具有一定的黏度達到可電紡的條件。進ー步地，所述組合物的配制方法是將所述碳納米管分散于所述有機溶劑中，然后加入高分子聚合物攪拌至完全溶解。進ー步地，所述高分子聚合物屬于可溶性高分子聚合物，包括聚こ烯基吡咯烷酮，聚こ烯醇，聚こ烯，聚(丁ニ烯-苯こ烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯こ烯、聚甲基丙烯酸甲酯的至少ー種，進ー步地，所述有機溶劑是能溶解上述高分子聚合物的有機溶劑，例如為氯仿，こ
醇，丙酮，ニ氯甲烷或甲苯中ー種。接收板進一歩地，所述電紡絲法，是在10 100KV電壓下將所述組合物噴射到接收板上。所述電紡絲設備設有噴絲管，所述噴絲管的管頭內(nèi)徑為0. 5 5mm ;所述噴絲管到所述接收板的距離為5 30cm。進一步地，所述碳納米管場效應晶體管還包括襯底，所述襯底的材質(zhì)為玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一種。進一步地，所述碳納米管場效應晶體管還包括源電極和漏電極，所述源電極、漏電極的材質(zhì)為金、銀、銅、PEDOT: PSS聚合物中至少一種。進一步地，所述源電極、漏電極的制作方法是氣溶膠印刷法、噴墨印刷法、磁控濺射、光刻或真空蒸鍍沉積法之一。有益效果本發(fā)明提供了一種碳納米管場效應晶體管其有源層的制作方法。利用了二維網(wǎng)絡狀的碳納米管作為有源層，從而使晶體管具有良好的傳輸特性。通過電紡絲技術(shù)實現(xiàn)低成本、大規(guī)模的納米尺度、高性能場效應晶體管的制作。同時，該制備方法要求的環(huán)境很寬松，不需要在手套箱等無水無氧環(huán)境下實施，簡化了工藝，且制得的有機電子器件具有很強的抗水氧能力，很好地簡化了有源層的制作方法，同時改善了有源層的性能，獲得聞性能的碳納米管場效應晶體管。
圖I為本發(fā)明實施例I底柵-頂接觸型的碳納米管場效應晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例I有源層的制作流程圖。圖3為本發(fā)明實施例I有源層的形貌示意圖。圖4為本發(fā)明實施例2頂柵-頂接觸型的碳納米管場效應晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實施例3頂柵-底接觸型的碳納米管場效應晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明實施例4底柵-底接觸型的碳納米管場效應晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施例進行詳細敘述。實施例I本實施例以底柵-頂接觸型的碳納米管場效應晶體管為例。如圖I所示，這種碳納米管場效應晶體管從下至上依次為襯底I、柵極2、絕緣層3、有源層5、源極4a和漏極4b。其中，有源層5的制備方法如下本實施例中采用碳納米管(以下簡稱CNT)為原材料、氯仿為有機溶劑、高分子聚合物為聚丙烯腈。結(jié)合圖2中的步驟SlOl至S103，本實施例有源層的制作流程首先，將CNT經(jīng)強力攪拌2h分散在氯仿中，然后按照與CNT的質(zhì)量比為1:1的比例加入聚丙烯腈，在20°C下用磁力攪拌儀攪拌O. 5h，至聚丙烯腈完全溶解于所述氯仿當中，形成CNT與聚丙烯腈系。其中，聚丙烯腈在氯仿中的質(zhì)量濃度為lwt%。然后，將上述步驟中形成的混合體系放置到電紡絲設備的噴絲管中，其中，噴絲管的管頭內(nèi)徑為O. 5mm ;同時將待沉積有源層5的表面作為接收板接地，噴絲管到接收板的距離為5cm。在IOKV電壓下通過電紡絲的噴絲管，將所述混合體系噴射到接收板(即絕緣層3)表面上。在20° C_150° C下用紅外燈進行加熱，待有機溶劑揮發(fā)，形成具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的復合納米纖維膜，如圖3所示，即可作為有源層5制作在CNT場效應晶體管上。
下面，將對這種底柵-頂接觸的CNT場效應晶體管整個制備過程作出詳細說明。本實施例以玻璃為襯底1，在襯底I上依次制作柵極2、絕緣層3，然后采用上述介紹的有源層5制備方在絕緣層3上形成有源層5，最后采用氣溶膠印刷法在有源層5相對兩側(cè)制作源極4a和漏極4b,其中，源極4a和漏極4b的制作材料為金。紅外烘干后可形成底柵-頂接觸型的CNT場效應晶體管。實施例2本實施例制作頂柵-頂接觸型的CNT場效應晶體管，如圖4所示。本實施例的CNT場效應晶體結(jié)構(gòu)為從下至上依次為襯底I、有源層5、源極4a和漏極4b、絕緣層3、柵極2。其中，本實施例有源層5的制作步驟中，高分子聚合物采用聚こ烯醇，與CNT的質(zhì) 量比為1:4，溶解到こ醇后形成混合體系后的質(zhì)量濃度為10wt%。再通過管頭內(nèi)徑為5mm的噴絲管，加電壓100KV，將所述混合體系噴射到距離噴絲管管頭30cm處的接收板(即襯底I)上。有源層5制備方法的其余步驟可參考實施例I所述。進ー步地，本實施例的襯底I為陶瓷，源極4a和漏極4b的制作材料為銀，通過噴墨印刷的方法制作在所述有源層5上方。然后依次在源極4a、漏極4b及其之間的有源層5上制作絕緣層3、柵極2，紅外烘干后可形成頂柵-頂接觸型的CNT場效應晶體管。實施例3本實施例制作頂柵-底接觸型的CNT場效應晶體管，如圖5所示。本實施例的CNT場效應晶體結(jié)構(gòu)為從下至上依次為襯底I、源極4a和漏極4b、有源層5、絕緣層3、柵極2。其中，本實施例有源層5的制作步驟中，高分子聚合物采用聚苯こ烯，與CNT的質(zhì)量比為1:10,溶解到甲苯后形成混合體系后的質(zhì)量濃度為15wt%。再通過管頭內(nèi)徑為Imm的噴絲管，加電壓20KV，將所述混合體系噴射到距離噴絲管管頭IOcm處的接收板(即源極4a、漏極4b及其之間的襯底I)表面上。有源層5制備方法的其余步驟可參考實施例I所述。進ー步地，本實施例的襯底I為硅，源極4a和漏極4b的制作材料為銅，通過磁控噴射エ藝制作在所述襯底I上方。然后依次在源級、漏極4b及其之間的襯底I上制作有源層5、絕緣層3、柵極2，紅外烘干后可形成頂柵-底接觸型的CNT場效應晶體管。實施例4本實施例制作底柵-頂接觸型的CNT場效應晶體管，如圖6所示。本實施例的CNT場效應晶體結(jié)構(gòu)為從下至上依次為襯底I、柵極2、絕緣層3、有源層5、源極4a和漏極4b。其中，本實施例有源層5的制作步驟中，高分子聚合物采用聚甲基丙烯酸甲酷，與CNT的質(zhì)量比為1:8，溶解到丙酮后形成混合體系后的質(zhì)量濃度為20wt%。再通過管頭內(nèi)徑為2. 5mm的噴絲管，加電壓50KV，將所述混合體系噴射到距離噴絲管管頭15cm處的接收板(即襯底I)上。有源層5制備方法的其余步驟可參考實施例I所述。進ー步地，本實施例襯底I為塑料，在塑料襯底I上依次制作柵極2、絕緣層3、源極4a和漏極4b、以及有源層5。其中源極4a和漏極4b的制作材料為PED0T:PSS聚合物，通過光刻エ藝制作在所述有源層5上方，最后通過紅外烘干后可形成底柵-底接觸型的CNT場效應晶體管。其中，高分子聚合物是ー種可溶性高的聚合物，除本實施例涉及的高分子聚合物夕卜，還可以是聚こ烯基吡咯烷酮，聚こ烯，聚(丁ニ烯-苯こ烯)，聚酰胺，、聚丙烯酸等常用的聚合物，本領域技術(shù)人員應該熟知能很好地溶解上述高分子聚合物，將CNT和高分子聚合物混合還可以采用實施例提及以外的有機溶劑，例如ニ氯甲烷。
在其他實施例中，碳納米管與高分子聚合物質(zhì)量比控制在1:廣10:1范圍內(nèi)，而高分子聚合物在所述有機溶劑中的質(zhì)量濃度控制在f20wt%，所述電紡絲法工作電壓控制在10 100KV,其噴絲管的管頭內(nèi)徑為O. 5 5mm ;噴絲管到所述接收板的距離為5 30cm。在上述參數(shù)范圍內(nèi)制作的有源層均能到較好的質(zhì)量和性能。另外，碳納米管場效應晶體管襯底的材質(zhì)為玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少一種；源電極、漏電極的材質(zhì)為金、銀、銅、PED0T:PSS聚合物中至少一種；且源電極、漏電極的制作方法是氣溶膠印刷法、噴墨印刷法、磁控濺射、光刻或真空蒸鍍沉積法之一。本發(fā)明提供了一種CNT效應晶體管的結(jié)構(gòu)，以及其有源層的制作方法。通過電紡絲技術(shù)實現(xiàn)低成本、大規(guī)模的納米尺度、高效場效應晶體管的制作。同時，該制備方法要求的環(huán)境很寬松，不需要在手套箱等無水無氧環(huán)境下實施，簡 化了工藝，且制得的有機電子器件具有很強的抗水氧能力，很好地簡化了有源層的制作方法，同時改善了有源層的性能，獲得高性能的CNT場效應晶體管。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管場效應晶體管有源層的制備方法，其特征在于，所述有源層是通過采用電紡絲法將碳納米管、高分子聚合物及有機溶劑組成的組合物噴射到接收板上形成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述碳納米管與高分子聚合物質(zhì)量比為I I 10: I。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述有源層的制備方法，其特征在于，所述高分子聚合物在所述有機溶劑中的質(zhì)量濃度為f20wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述有源層的制備方法，其特征在于，所述組合物的配制方法是將所述碳納米管分散于所述有機溶劑中，然后加入高分子聚合物攪拌至完全溶解。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述有源層的制備方法，其特征在于，所述高分子聚合物包括聚こ烯基吡咯烷酮，聚こ烯醇，聚こ烯，聚(丁ニ烯-苯こ烯)，聚酰胺，聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚苯こ烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少ー種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述有源層的制備方法，其特征在于，所述有機溶劑為氯仿，こ醇，丙酮，ニ氯甲烷或甲苯中的ー種。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述有源層的制備方法，其特征在于，所述電紡絲法，是在10 100KV電壓下將所述組合物噴射到接收板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述有源層的制備方法，其特征在于，所述電紡絲法的工作設備包括噴絲管，所述噴絲管的管頭內(nèi)徑為0. 5 5mm ;所述噴絲管到所述接收板的距離為5 30cmo
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述有源層的制備方法，其特征在于，所述碳納米管場效應晶體管還包括襯底，所述襯底的材質(zhì)為玻璃、陶瓷、硅、塑料中的至少ー種。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述有源層的制備方法，其特征在于，所述碳納米管場效應晶體管還包括源電極和漏電極，所述源電極、漏電極的材質(zhì)為金、銀、銅、PEDOT:PSS聚合物中至少ー種。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述有源層的制備方法，其特征在于，所述源電極、漏電極的制作方法是氣溶膠印刷法、噴墨印刷法、磁控濺射、光刻或真空蒸鍍沉積法之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體制備技術(shù)，提供一種碳納米管場效應晶體管其有源層的制備方法，包括如下步驟將碳納米管分散在有機溶劑中，然后加入高分子聚合物，在常溫下攪拌至高分子聚合物完全溶解于所述有機溶劑中，形成碳納米管與高分子聚合物的混合體系，采用電紡絲設備，在10～100KV電壓下將所述混合體系噴射到接收板上；揮發(fā)有機溶劑，形成有源層。本發(fā)明提出的制備碳納米管場效應晶體的方法具有成本低、對環(huán)境要求寬松、制作工藝簡單的優(yōu)點，且制得的有機電子器件具有很強的抗水氧能力，很好地簡化了有源層的制作方法，同時改善了有源層的性能。
文檔編號H01L21/336GK102856211SQ20121036563
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者潘革波, 肖燕 申請人:中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所