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CN100533770C - 场效应型晶体管及其制造方法 - Google Patents

场效应型晶体管及其制造方法 Download PDF

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CN100533770C
CN100533770C CNB2004800205805A CN200480020580A CN100533770C CN 100533770 C CN100533770 C CN 100533770C CN B2004800205805 A CNB2004800205805 A CN B2004800205805A CN 200480020580 A CN200480020580 A CN 200480020580A CN 100533770 C CN100533770 C CN 100533770C
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Abstract

本发明提供一种场效应型晶体管，其具有载流子从源区域注入向漏区域移动的半导体层，上述半导体层由含有有机半导体材料和纳米管的复合材料形成。上述纳米管可以是多个纳米管连接形成的纳米管。

Description

场效应型晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及场效应型晶体管及其制造方法，特别涉及薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
现在，场效应型的薄膜晶体管(下面也称为TFT)，适合作为平板显示器等中的驱动元件使用。作为此TFT的结构，已经提出过各种结构，但基本上构成为：通过向经由相对于半导体层的绝缘层设置的栅电极上施加的电压(即，由施加的电压产生的电场)，来控制流经与半导体层接触设置的源极电极和漏极电极之间的电流。通常，TFT通过对基板上的层进行精密地控制加工构成的薄膜控制工艺来制造。对这些TFT要求优异的电性能和高的稳定可靠性。在现在已实用化的TFT中，半导体层中使用非晶硅(a-Si：H)或低温多晶硅，使用氧化硅或氮化硅作为栅极绝缘层。制造以非晶硅(a-Si：H)或低温多晶硅的器件为基底的有源矩阵型液晶显示器(AMLCD)的多种材料和处理方式，由于大多需要在高温下的制造工艺，如果在其它情况下，就不能使用多数有用的基板物质。
在平板显示器的技术发展中，对基板的轻量化、机械柔性、耐冲击性或节省资源都提出了要求，对薄式(sheet-like)或纸页式(paper-like)显示器或便携设备等的实现也提出了要求。但是，对这些方面有用的AMLCD用塑料板或树脂膜，在150℃到超过250℃的温度下的制造工艺中难以使用。
近年来，代替上述非晶硅或低温多晶硅等半导体，对利用由显示出半导体性质的有机材料基底构成的有机半导体制造的有机半导体TFT也进行了研究。通过使用有机材料，不需要准备在使用硅的工艺中所必需的花费高成本的设备，就能够制造这些器件。机械柔性提高，能够用在室温或其附近的低温下的方法制造器件，可以利用柔韧的塑料基板或树脂膜作为适合于薄式或纸页式显示器的基板使用。
在半导体层中使用一直以来已知的并五苯(pentacene)等低分子系有机半导体材料的TFT中，作为由单晶或多晶的结晶相构成的有机半导体层，与具有硅系半导体层的TFT相比，载流子的迁移率较小，只能得到约0.1～0.6cm2/Vs的值。晶界增大、结晶度降低时，迁移率变得更小，不能作为TFT使用。
另外，也可以使用噻吩系等高分子系有机半导体材料作为有机半导体材料，但由于是非晶体，载流子的迁移率很小(例如，参照TakeoKawase等2人，IDW‘02，AMD2/EP1-1，pp.219-222，“PolymerSemiconductor Active-Matrix Backplane Fabricated by Ink-Jet Technique”(非专利文献1))。根据非专利文献1，在半导体层中使用芴-并噻吩(bithiophene)共聚物的TFT中，沟道(channel)的载流子迁移率为0.003～0.005cm2/Vs的低值。
在具有非专利文献1中所示的低载流子迁移率的半导体层的TFT中，通常在约几百微米的极端需要形状大的栅极宽度，这并不实用。而且，使用载流子迁移率较小的高分子系有机半导体时，有必要使源极电极和漏极电极之间的距离极短，需要进行极为精细的加工，这是不现实的。另外，在半导体层仅由噻吩系等高分子系有机半导体构成的TFT中，断开电阻高，半导体层和绝缘层的剥离强度强，但沟道的载流子迁移率小，接通传导性低。
与此相反，在半导体层中使用最近研究的、由碳制造的具有纳米结构的碳纳米管的TFT中，由于具有非常良好的导电性并具有强韧的性质，载流子迁移率较大，达到大约1000～1500cm2/Vs左右(例如，参照Sami Rosenblatt等5人，Nano Lett.2，pp.869-872(2002)，“HighPerformance Electrolyte Gated Carbon Nanotube Transistors”(非专利文献2))。另外，使用据认为具有非专利文献2中所示的高载流子迁移率值的半导体碳纳米管作为半导体层的TFT的结构和制造方法，已有报道(例如，参照Phaedon Avouris，Chem.Phys.281，pp.429-445(2002)，图6，“Carbon nanotube electronics”(非专利文献3))。
图15是示意性地表示具有使用了碳纳米管的半导体层的以往例的TFT结构的截面图。根据非专利文献3，如图15所示，在TFT60中，在兼作为栅电极的p+硅基板61上形成由热氧化硅构成的厚度为150nm的栅极绝缘层62，在栅极绝缘层62上以适当的分散密度配置直径1.4nm的半导体碳纳米管，从而形成厚度1.4nm的半导体层63。然后，在半导体层63上蒸镀钛(Ti)或钴(Co)金属，在与碳纳米管的接触部66、67的两侧形成由钛碳化物(titan carbide)或钴构成的源极电极64、漏极电极65，构成具有结电阻小、跨导(transconductance)良好的特性的TFT。
但是，在半导体层只由纳米管构成的TFT中，沟道的载流子迁移率大，接通传导性高，但是，由于在栅极绝缘层62上形成有只装载纳米管的半导体层63，其剥离强度弱，制造困难。
另外，如非专利文献3所示，在以适当的分散密度将直径1.4nm的碳纳米管等纳米管分散配置以形成厚度为1.4nm的半导体层的工序中，提高纳米管的分散密度并使其一定，在实际中很困难。而且，将具有纳米结构的多根纳米管不重复地并列排列的工序是一个不稳定因素，会出现TFT的电气特性偏差变大的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，第一目的是提供一种机械柔性和耐冲击性优异的高载流子迁移率的场效应型晶体管、尤其是TFT，不需要极小的微细结构、电特性的偏差小的TFT及该TFT的制造方法。
本发明的第二目的是提供配置多个上述场效应型晶体管的有源矩阵型显示器或在集成电路部使用上述场效应型晶体管的无线ID标签(tag)或便携式机械。
为了达到这些目的，本发明的场效应型晶体管具有载流子从源极区域注入、向漏极区域移动的半导体层，上述半导体层由包含有机半导体材料和纳米管的复合材料形成。在本说明书中，所谓源极区域和漏极区域是表示包括源极电极和漏极电极、以及使源极电极和漏极电极与半导体层连接的接触层或高浓度不纯物区域等的概念。
上述半导体层包括例如上述纳米管的周围被上述有机半导体材料覆盖的结构。
而且，在上述半导体层中，也可以是多个上述纳米管连接而成的结构。例如，上述多个纳米管可以通过化学键连接。在此情况下，优选上述纳米管相连接的部分被上述有机半导体材料覆盖。
作为上述纳米管，优选使用碳纳米管。
作为上述有机半导体材料，优选使用例如由噻吩系材料构成的高分子有机半导体材料。
作为上述有机半导体材料，另外优选使用例如由氮烯构成的低分子有机半导体材料。
在上述半导体层中，优选构成为使得上述纳米管大致按规定的方向取向。
上述场效应型晶体管优选为TFT。
另外，上述场效应型晶体管优选在基板上形成。上述基板可以由例如塑料板或树脂膜形成。
本发明是具有载流子从源极区域注入、向漏极区域移动的半导体层的场效应型晶体管的制造方法，该方法包括准备含有有机半导体材料和纳米管的复合材料的工序(a)和使用上述复合材料形成上述半导体层的工序(b)。
例如，上述工序(a)包括将上述有机半导体材料和上述纳米管混合、制备上述复合材料的工序。
另外，例如，在上述工序(a)中，向上述有机半导体材料的溶液中混合上述纳米管、制备上述复合材料，在上述工序(b)中，将上述复合材料干燥、形成半导体层。
另外，例如，在上述工序(a)中，制备含有被上述有机半导体材料覆盖的上述纳米管的上述复合材料。作为这样的方法，可以采用反复进行将上述纳米管浸渍在上述有机半导体材料的溶液中、过滤的工序来制备上述复合材料的方法。
作为上述纳米管，优选使用碳纳米管。
另外，在上述工序(a)中，也可以多个上述纳米管连接使用。在此情况下，例如，在上述工序(a)之前，包括将多个上述纳米管连接的工序(c)。在上述工序(c)中，可以通过化学键将多个上述纳米管连接起来。
另外，本发明的有源矩阵型显示器，配置多个在本发明第一方面～第十五方面中任一方面所述的场效应型晶体管作为用来驱动像素的开关元件而形成。
另外，本发明的无线ID标签，利用在本发明第一方面～第十五方面中任一方面所述的场效应型晶体管作为用于构成集成电路的半导体元件。
另外，本发明的便携式机械，利用在本发明第一方面～第十五方面中任一方面所述的场效应型晶体管作为用于构成集成电路的半导体元件。
参照附图，根据以下的优选实施方式的详细说明，可以阐明本发明的上述目的、其它目的、特征和优点。
附图说明
图1是示意性地表示第一实施方式的TFT的结构的截面图。
图2是表示形成半导体层的方法的流程图。
图3是概念性地表示第一实施方式的TFT的半导体层中的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。
图4是示意性地表示第二实施方式的TFT的结构的截面图。
图5是概念性地表示第二实施方式的TFT的半导体层中的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。
图6是示意性地表示第三实施方式的TFT的结构的截面图。
图7A是概念性地表示在第三实施方式的TFT的制造工序中，刚涂敷复合材料之后的半导体层中的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。
图7B是概念性地表示从图7A的状态使碳纳米管析出的状态下的半导体层中的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。
图8是示意性地表示第四实施方式的TFT的结构的截面图。
图9是概念性地表示第四实施方式的TFT的半导体层中的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。
图10是示意性地表示第五实施方式的TFT的结构的截面图。
图11是概念性地表示第五实施方式的TFT的半导体层中的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。
图12是示意性地表示第六实施方式的有源矩阵型显示器的结构的截面图。
图13是示意性地表示使用第六实施方式的TFT的无线ID标签的结构的立体图。
图14是示意性地表示使用第六实施方式的TFT的便携式电话的结构的正面图。
图15是示意性地表示具有使用碳纳米管的半导体层的以往例的TFT的结构的截面图。
具体实施方式
下面，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下说明的附图中，对于同一要素标注相同的符号。
(第一实施方式)
第一实施方式涉及半导体层由包含有机半导体材料和纳米管的复合材料形成的TFT。
图1是示意性地表示本实施方式的TFT的结构的截面图。如图1所示，TFT1在基板2上具有栅电极5、栅极绝缘层3、半导体层4、源极电极6和漏极电极7。具体地说，在基板2的主面上设有栅电极5，以覆盖该栅电极5的方式设有栅极绝缘层3。然后，在栅极绝缘层3上设有半导体层4，在半导体层4上，以互相分离的方式设有源极电极6和漏极电极7。另外，栅电极5设置成在平面图中位于源极电极6和漏极电极7之间。通过这样的结构，形成栅电极5通过栅极绝缘层3与在半导体层4中形成的沟道8电气分离的结构。
半导体层4使用包含高分子有机半导体材料和碳纳米管的复合材料形成。在本实施方式中，作为复合材料，使用由芴-并噻吩共聚物构成的高分子有机半导体材料与通常在制造碳纳米管时得到的半导体系和金属系共存的混合系碳纳米管复合的材料。
下面，对本实施方式的TFT1的制造方法进行说明。图2是表示形成半导体层4的方法的流程图。如图2所示，具有预先制备将由芴-并噻吩共聚物构成的高分子有机半导体材料和上述混合系的碳纳米管材料混合的复合材料的复合材料制备工序(St1)和使用制备的复合材料、在栅极绝缘层3上形成半导体层4的半导体层形成工序(St2)。
在复合材料制备工序中，最好能调节有机半导体材料和纳米管的混合比率进行混合。通过调节混合比率，能够调节TFT1的载流子迁移率。以相对于整体的体积比计，纳米管的混合比率可以是大约30～90％。纳米管的体积比低于30％时，难以在半导体层4中得到充分的导电率。纳米管的体积比大于90％时，难以表现出充分的粘结作用，难以形成稳定的半导体层4。纳米管的体积比在大约50～70％更好。另外，在复合材料制备工序中，也可以加入其它的工序或材料，使得复合材料制备工序和半导体层形成工序顺利地进行。
另外，在上述内容中，通过复合材料制备工序(St1)准备复合材料，但也可以用准备已经制备好的复合材料的工序来代替复合材料制备工序(St1)。
由于TFT1使用复合材料形成半导体层4，所以，不需要通过只将多根纳米管分散排列而形成半导体层的困难工序，能够容易、稳定地制造具有优异特性的TFT。
接下来，说明TFT1整体的制造方法。首先，为了在基板2上形成栅电极5，通过使用预先图案化以使能得到期望的形状的丝网印刷版(screen printing plate)印刷规定的电极材料，进行充分干燥。通过此工序，在基板2上形成期望的形状的栅电极5。
接着，为了形成栅极绝缘层3，通过使用预先图案化的丝网印刷版在基板2和栅电极5上印刷规定的绝缘材料，进行充分干燥。通过此工序，在基板2和栅电极5上形成栅极绝缘层3。
接下来，通过上述的半导体形成工序，在栅极绝缘层3上形成半导体层4。具体地说，通过将在复合材料制备工序中预先制备的有机半导体材料和纳米管混合形成的复合材料涂敷在栅极绝缘层3上，形成半导体层4。
然后，在半导体层4上蒸镀规定的电极材料，形成源极电极6和漏极电极7。
图3是概念性地表示本实施方式的TFT1的半导体层4中的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。如图3所示，在半导体层4中，在长度约为0.1μm～几μm、直径约为1～几nm的半导体系和金属系混杂的材料即每一个混合系的碳纳米管10的周围都覆盖有由柔韧的芴-并噻吩共聚物构成的高分子有机半导体材料11。即，在半导体层4中，碳纳米管10混合分散在有机半导体材料11中。本实施方式的TFT1的沟道的迁移率是110cm2/Vs，与半导体层4只由有机半导体材料构成的TFT相比，大幅度提高。
在TFT1接通时，半导体层4中的电流在混合系的碳纳米管10中流动，在邻近的隔开短距离配置的纳米管10之间，在包围纳米管10周围的高分子有机半导体材料11中流过电流。因此，根据本实施方式，能够制成与半导体层仅由高分子有机半导体材料构成的TFT相比，载流子迁移率或接通特性大幅度改善的TFT1。在TFT1断开时，每个碳纳米管10由于其周围被有机半导体材料11覆盖而不直接接触，所以，与半导体层仅由纳米管构成的TFT相比，断开特性也更良好。由于在电路中每个碳纳米管10的接触部存在的有机半导体材料11实质上成为开关部，即使不形成困难的极为微细的图案，在基板上也具有微细结构，所以容易制造，而且能够制成特性偏差小的TFT。
如上所述，无论在接通状态下，还是在断开状态下，本实施方式的TFT1的特性，都成为仅由有机半导体材料或仅由纳米管材料形成半导体层的TFT的特性的中间值，接通状态、断开状态中任一方的特性不充分的情况能够改善。例如，在具有仅由载流子迁移率较低的有机半导体材料构成的半导体层的TFT的情况下，其栅极宽度必须为约几百μm的形状，而在具有仅由载流子迁移率极高的纳米管材料构成的半导体层的TFT的情况下，变成约0.1μm的极为微小的栅极宽度，两者都不实用。与此相反，本实施方式的TFT1的载流子迁移率是两者的中间值，用几μm左右的实用的栅极宽度就能够设计制作，即使在长而宽的沟道区域也可以使用，对照接通和断开时的导电率，沟道形状设计的自由度提高。
另外，在本实施方式的TFT1中，由于使用将可以形成柔韧的半导体层4的高分子有机半导体材料和纳米管混合而成的复合材料形成半导体层4，与具有仅由高分子有机半导体材料构成的半导体层的TFT或具有仅由纳米管材料构成的半导体层的TFT相比，剥离强度等机械强度提高，与具有仅由高分子有机半导体材料构成的半导体层的TFT相比，化学稳定性、耐热性提高，可以制成容易制造、容易利用的TFT。
在TFT1的制造工序中，在形成半导体层4时，预先对栅极绝缘层3的表面进行取向处理，可以使半导体层4具有取向。取向处理的方法可以利用液晶技术中的研磨法(rubbing method)等本领域技术人员众所周知的方法。由此，使有机半导体材料11取向，同时，也能够使碳纳米管10在半导体层4的内部方向一致地良好取向，进而可以改善其特性。
另外，在TFT1的制造方法中，复合材料制备工序也可以是将纳米管浸渍在高分子有机半导体材料的溶液中、然后过滤，通过反复该操作以制备复合材料的工序。按照此工序操作时，大致除去多余的溶液，可以制备出使有机半导体材料良好地覆盖在纳米管周围的复合材料。使用这种复合材料，能够容易地形成由复合材料构成的半导体层4。
复合材料制备工序也可以将分散了纳米管的高分子有机半导体材料的溶液进行喷雾、干燥来制备复合材料。按照此工序，能够制备出由周围被有机半导体材料覆盖的纳米管构成的粉体状的复合材料。通过使用该复合材料，可以容易地形成由复合材料构成的半导体层4。
复合材料制备工序也可以向有机半导体材料的高浓度溶液中投入大量的纳米管、进行混炼，制备出糊状的复合材料。然后，在半导体层形成工序中，可以将糊状的复合材料进行涂敷或印刷，使其干燥而形成半导体层。按照这样的复合材料制备工序时，可以制备出将有机半导体材料覆盖在纳米管周围的糊状复合材料，在半导体层形成工序中涂敷或印刷该复合材料并使其干燥，可以容易地形成半导体层。
作为上述基板2，使用例如由聚碳酸酯构成的塑料板，但也可以使用具有挠性、能够弯曲的其它塑料板或薄的玻璃基板、厚度很薄的聚酰亚胺薄膜等具有柔性质的树脂膜等。通过使用这样的基板，能够将TFT用于纸页式显示器或薄式显示器等当中。
另外，可以用于上述栅电极5、源极电极6、漏极电极7中的物质，只要是具有导电性、不与基板2和半导体层4反应的物质就能够使用。除了掺杂的硅或金、银、铂、铂(platina)、钯等贵金属或锂、铯、钙、镁等碱金属或碱土类金属以外，也可以使用铜、镍、铝、钛、钼等金属或它们的合金。此外，也可以使用聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚对苯撑乙烯(poly(phenylene vinylene))等具有导电性的有机物。特别地，由于栅电极5即使比其它的电极6、7的电阻更大也能够工作，所以，为了容易制造，也可以使用与源极电极6、漏极电极7不同的材料。这些电极能够在室温或接近室温的温度下进行粘附形成的室温处理工艺。
上述栅极绝缘层3，只要是具有电绝缘性、与基板2和电极5、6、7、半导体层4不反应的物质，就可以使用。作为基板2，除了前面举例的柔性的物质以外，可以使用硅。在由硅构成的基板2上，形成通常的硅氧化膜，可以以其作为栅极绝缘层3。还可以在氧化膜形成后设置树脂等薄层，作为栅极绝缘层3发挥功能。也可以将由与基板2和电极5、6、7不同的元素构成的化合物，通过用CVD、蒸镀、喷镀等方法堆积，或者通过涂敷、喷涂、电解吸附等方法来形成栅极绝缘层3。另外，为了降低TFT的栅极电压，已知要使用高介电常数的物质作为栅极绝缘层，也可以使用作为介电常数比较大的化合物的高介电常数化合物或高介电常数以外的化合物。而且，并不限于无机物，也可以是聚偏氟乙烯类或聚偏氰乙烯类等高介电常数的有机物。
此外，在本实施方式中，使用噻吩系的共聚物作为在复合材料中所含的高分子有机半导体材料，但只要是载流子迁移率具有适当值的高分子有机半导体材料，同样可以实施。而且，也可以使用低分子有机半导体材料来代替高分子有机半导体材料，例如，可以优选使用具有高载流子迁移率的氮烯类材料。通过用含有这样的有机半导体材料的复合材料形成半导体层，能够制成具有优异特性的TFT。
另外，目前使用碳纳米管作为纳米管，将来也有可能使用由碳以外的材料构成的纳米管。
在使用具有液晶相的高分子有机半导体材料的溶液作为高分子有机半导体材料的情况下，通过取向处理，使高分子有机半导体分子排列整齐，同时，也能够进一步使纳米管良好地排列。高分子有机半导体材料，可以其自身就是由液晶性高分子构成的有机半导体材料，能够通过取向处理使其硬化而使用。在使用由液晶性高分子构成的有机半导体材料的情况下，取向性进一步提高。通过使纳米管具有取向，可以更没有间隙地填充纳米管，可以提高纳米管的分散密度，从而可以更加提高载流子迁移率。
另外，本实施方式的TFT1是在基板上设有栅电极5的底栅极(bottom gate)型，但TFT1的结构并不限于图1所示的结构，例如，也可以是将栅电极设置在栅极绝缘层上与基板相反一侧的顶栅极(topgate)型TFT。
(第二实施方式)
第二实施方式涉及半导体层由含有有机半导体材料和纳米管的复合材料形成的TFT。
图4是示意性地表示本实施方式的TFT的结构的截面图。如图4所示，TFT15在基板2上具有栅电极5、栅极绝缘层3、源极电极6、漏极电极7和半导体层16。具体地说，在基板2的主面上设有栅电极5，以覆盖此栅电极5的方式设有栅极绝缘层3。然后，在栅极绝缘层3上以彼此分离的方式设有源极电极6和漏极电极7，以覆盖源极电极6、漏极电极7和栅极绝缘层3的方式设有半导体层16。此外，栅电极5设置成在平面视图上位于源极电极6和漏极电极7之间。通过这样的结构，形成栅电极5通过栅极绝缘层3与在半导体层4中生成的沟道8电气分离的结构。
本实施方式的TFT15的制造方法，除了半导体层16的形成方法以外，与第一实施方式的TFT1(参照图1)的制造方法只是各结构要素的叠层顺序不同，所以省略除了半导体层16的形成方法以外的说明。
在本实施方式中，使用含有高分子有机半导体材料和半导体系碳纳米管的复合材料形成半导体层16。详细地说，将由芴-并噻吩共聚物构成的高分子有机半导体材料与通常从半导体系和金属系混杂得到的碳纳米管中挑选得到的半导体系碳纳米管混合以制备复合材料。
形成半导体层16的顺序与第一实施方式的图2中所示的顺序相同，具有将半导体系碳纳米管浸渍到上述有机半导体材料的溶液中、制备得到的复合材料溶液的复合材料制备工序(St1)和将该复合材料的溶液涂敷在栅极绝缘层3上，或者通过喷墨法等进行喷涂，将其浓缩使被有机半导体材料覆盖的半导体系碳纳米管析出从而形成半导体层16的半导体层形成工序(St2)。通过这些工序，不需要具有调节每一根纳米管的排列使之分散排列的困难工序，就可以使多根纳米管分散排列，可以以简便的工序形成半导体层16。
图5是概念性地表示本实施方式的TFT15的半导体层16的有机半导体材料和纳米管的关系的俯视图。在复合材料制备工序中，通过将半导体系碳纳米管浸渍到高分子有机半导体溶液中，每一根半导体系碳纳米管17的周围都被由柔韧的芴-并噻吩共聚物构成的高分子有机半导体材料18覆盖。然后，将碳纳米管17和高分子有机半导体材料18混合而成的有机半导体材料的溶液涂敷或喷涂在栅极绝缘层3或电极6、7上的期望位置上，通过使其浓缩、析出，形成半导体层16。即，半导体层16是由每一根的周围都被柔韧的高分子有机半导体材料18覆盖的长度大约0.1～几μm、直径大约1～几nm的半导体系碳纳米管17重叠而形成的。这样，高分子有机半导体材料18就能够容易而且光滑地覆盖在各个碳纳米管17的周围。
在此，制造出具有由具有约0.003～0.01cm2/Vs的低载流子迁移率的噻吩系高分子有机半导体材料18和具有约1000～1500cm2/Vs的高载流子迁移率的半导体系碳纳米管17构成的半导体层16的TFT15。该TFT15的沟道8的载流子迁移率显示出170cm2/Vs的值，可以制成具有高载流子迁移率、优异特性的TFT。
当TFT15接通时，半导体层16中的电流大部分流到半导体系纳米管17中，在接近的间隔短距离排列的纳米管17之间，电流流经在纳米管17的周围形成的高分子有机半导体材料中。所以，与仅由有机半导体材料形成半导体层的TFT相比，载流子迁移率或接通特性得到大幅度改善。
在TFT断开时，由于每一个纳米管17与覆盖在其周围形成的高分子有机半导体材料18成为复合的半导体层16，与半导体层16只由纳米管17构成的TFT相比，断开特性更良好。另外，由于与半导体层16只由纳米管17构成的TFT相比，可以使用长而宽的沟道区域，所以调和了接通和断开时导电率的沟道形状的设计自由度提高。
另外，由于制造出了含有能够形成机械柔性的膜的高分子有机半导体材料和纳米管的复合材料构成的半导体层16，与只使用高分子有机半导体材料的情况或者与只使用纳米管材料的情况相比，剥离强度等机械强度进一步提高，与只使用高分子有机半导体材料的情况相比，在化学性和耐热性方面其可靠性提高，能够制成容易制造且容易使用的TFT。
另外，在TFT15的制造方法中，复合材料制备工序是制备分散了纳米管的复合材料的工序，而半导体层形成工序可以是将复合材料进行喷雾、干燥以形成半导体层的工序。由此，在复合材料制备工序中，准备以有机半导体材料覆盖周围的方式分散纳米管的复合系半导体材料溶液，而在半导体层形成工序中，将复合系半导体材料的溶液喷雾到基板上的规定位置上，或者用喷墨的方法等进行喷涂，通过使其干燥，可以容易地形成半导体层。
(第三实施方式)
第三实施方式涉及半导体层由含有有机半导体材料和纳米管的复合材料形成的TFT。
图6是示意性地表示本实施方式的TFT的结构的截面图。如图6所示，TFT20是在基板2上具有源极电极6、漏极电极7、半导体层13、栅极绝缘层3和栅电极5的顶栅极(top gate)型TFT。具体地说，在基板2的主面上设有互相分离的源极电极6和漏极电极7，以覆盖源极电极6、漏极电极7和基板2的方式设有半导体层13，在半导体层13上设有栅极绝缘层3，在栅极绝缘层3上设有栅电极5。此外，栅电极5设置成在平面视图上位于源极电极6和漏极电极7之间。通过这样的结构，形成栅电极5通过栅极绝缘层3与在半导体层13上生成的沟道在电气分离的结构。
本实施方式的TFT20的制造方法，除了半导体层13的形成方法以外，与第一实施方式的TFT1(参照图1)的制造方法，只是各结构要素叠层的顺序不同，所以省略除了半导体层13的形成方法以外的说明。
用于形成半导体层13所用的复合材料，与第二实施方式是同样的。半导体层13的形成方法，除了使纳米管17取向这一点以外，与第二实施方式相同。即，在半导体层形成工序中，利用研磨法等将至少在与形成沟道8的部分相当的基板2表面上形成的聚酰亚胺膜或单分子膜等取向膜在规定方向上进行取向处理之后，在栅极绝缘层3上涂敷或喷涂复合材料的溶液，将其浓缩、使被有机半导体材料覆盖的半导体系碳纳米管17析出，从而形成半导体层13。
图7A是概念性地表示在半导体层形成工序中，在基板2的表面上刚涂敷复合材料溶液之后的半导体层13中的有机半导体材料和纳米管之间关系的俯视图。图7B是概念性地表示在将涂敷的复合材料浓缩、使被有机半导体材料覆盖的半导体系碳纳米管17析出的状态下的半导体层13中，有机半导体材料与纳米管之间关系的俯视图。如图7A所示，复合材料的溶液19中，各个碳纳米管17相对于基板(省略图示)表面的取向处理方向(箭头A)呈物理上方向大致一致地排列。根据液晶取向技术，该取向原理很清楚。在该状态下浓缩复合材料的溶液19时，如图7B所示，碳纳米管17一边其周围被高分子有机半导体材料18覆盖，一边在良好地取向的状态下在基板(省略图示)上析出。取向方向相对于连接源极电极和漏极电极(省略图示)的直线，选择能够得到期望的电特性的方向。例如，关于碳纳米管的取向方向，提高接通特性的方向就是与连接源极电极和漏极电极的直线相平行的方向。
在使用液晶性高分子有机半导体材料作为有机半导体材料的情况下，通过取向处理，使高分子有机半导体分子排列整齐，同时，可以进一步使纳米管的排列得到良好的取向。通过使纳米管方向一致地排列，能够形成没有间隙、填充率高的半导体层13，所以能够提高分散密度，能够构成具有高载流子迁移率的TFT。通过使纳米管方向一致地排列，也有使电子更加流畅地流动的效果，该效果有助于提高载流子迁移率。
(第四实施方式)
第四实施方式涉及半导体层由含有有机半导体材料和纳米管的复合材料形成的TFT。上述纳米管包括多个连接在一起的纳米管。
图8是示意性地表示本实施方式的TFT的结构的截面图。如图8所示，本实施方式的TFT21的结构，除了半导体层22以外，都与图1中所示的第一实施方式的结构相同，所以除了半导体层22形成工序以外的说明均省略。
在第四实施方式中，半导体层22由含有有机半导体材料和多个相连的纳米管的复合材料形成。
更详细地说，复合材料包括使用载流子迁移率高的碳纳米管、以共价键等将其端部相互化学连接的碳纳米管和由芴-并噻吩共聚物构成的高分子有机半导体。碳纳米管的连接个数没有限定，可以包括2个互相连接或3个以上互相连接。
图9是概念性地表示本实施方式的TFT的半导体层22的有机半导体材料和纳米管之间关系的俯视图。在复合材料制备工序中，制备包括含有通过结合部27将碳纳米管25的单元之间相互结合的碳纳米管的纳米管材料和有机半导体材料26的复合材料。
例如，如下所述，预先准备至少在其端部通过共价键等、利用化学结合的方法连接碳纳米管25之间的纳米管材料。碳纳米管单元的典型例子以下面(化学式1)的形状表示。
(化学式1)
Figure C200480020580D00181
为了使由(化学式1)所示的5元环和6元环形成的碳纳米管的末端互相化学结合，准备(化学式2)所示的用二己氧基取代的二砜。
(化学式2)
Figure C200480020580D00182
使该(化学式2)所示的化合物和(化学式1)的纳米管等摩尔量在1，2，4-三氯苯溶剂中回流、进行反应。在反应大约20小时后，生成纳米管之间被连接的如(化学式3)所示的化合物。
(化学式3)
如(化学式3)所示，碳纳米管在其端部被双-邻-醌二甲烷基(quinodimethane)化学键相连接。如此来准备以共价键连接碳纳米管25之间的纳米管材料。
在本实施方式中，用如上所述的合成方法，将形状具有纳米结构、长度为0.2～3μm、直径大约1.5nm(1.4nm以上)的碳纳米管10彼此之间在其端部以共价键结合的结合部12的间隔部分连接起来。
如图9所示，在半导体层22中，至少用上述合成方法连接的碳纳米管25的周围或其结合部27或其结合部27的周围28，被非晶体、机械强度高的芴-并噻吩共聚物高分子有机半导体26的材料覆盖。即，在图9中，半导体层22中，由纳米结构构成的互相连接的碳纳米管25或其结合部27以及结合部27的周围28，被非晶体、机械强度高的高分子有机半导体材料构成的有机半导体26覆盖。其结果，作为柔性材料的高分子有机半导体材料很好地填充在多个连接的碳纳米管25之间，能够使整体保持柔性。
当TFT21接通时，在碳纳米管25中传导的载流子，经由碳纳米管25之间的结合部27的周围28的有机半导体材料26，能够在碳纳米管25之间进行传导。即，通过有机半导体材料26，使碳纳米管25具有的高载流子迁移率能够补偿在结合部27中的化学键中的降低，可以制造出具有高载流子迁移率的TFT。本实施方式的TFT21的沟道8的载流子迁移率为210cm2/Vs，显示出具有高的载流子迁移率。
根据上述内容，在形成半导体层22的复合材料中，通过使用互相结合而连接的纳米管25，能够进一步提高半导体层22内的纳米管25的配置数或者填充密度，能够进一步提高纳米管25之间的电气接合点密度，从而能够进一步提高载流子迁移率。另外，由于半导体层22中含有互相通过化学键连接的纳米管25，半导体层22的机械强度提高。
另外，通过用有机半导体材料26覆盖碳纳米管25和碳纳米管25之间的结合部27的至少周围28，最好通过用高分子有机半导体材料覆盖，在碳纳米管之间的结合部和结合部的周边等覆盖上形成了坚固的膜的高分子有机半导体，所以，碳纳米管保持牢固地配置，成为机械强度高的TFT。
另外，在TFT22断开时，每个纳米管25的周围覆盖着有机半导体材料26而不直接接触，所以TFT21的断开特性良好。
由于在微观上每个纳米管25的接合点上存在的有机半导体材料26成为开关部件，所以无须在基板上形成制作困难的极端微细的图案，能够制成特性偏差较小的TFT。
此外，在复合材料制备工序和半导体层形成工序中，可以采用各种各样的方法，与第一实施方式相同。但是，在本实施方式中，在复合材料制备工序之前，要预先准备相互连接的纳米管，只是在将该纳米管用于制备复合材料这一点上与第一实施方式不同。
此外，通过如上所述的本申请发明的结构，半导体层是将有机半导体和纳米管(NT)混合并复合化而形成的复合系半导体层，与复合系半导体层内的纳米管被混合分散的情况相比，碳纳米管的配置数增大，纳米管之间电接合点的密度提高，能够制成更高性能的薄膜晶体管。
(第五实施方式)
第五实施方式涉及半导体层由含有有机半导体材料和纳米管的复合材料形成的TFT。上述纳米管包括多个相连的纳米管。
图10是示意性地表示本实施方式的TFT的结构的截面图。如图10所示，本实施方式的TFT23的结构，除了半导体层24以外，都与图4所示的第二实施方式的结构相同，所以省略除了半导体层24的形成工序以外的说明。
在第五实施方式中，半导体层24由含有有机半导体材料和多个连接在一起的纳米管的复合材料构成。
形成半导体层24的方法具有：首先，将多根相连的碳纳米管浸渍在高分子有机半导体材料的溶液中、制备复合材料的复合材料制备工序；和将上述复合材料涂敷在栅极绝缘层3上或者用喷墨法等喷涂在栅极绝缘层3上，再经过浓缩或干燥，之后，通过将被高分子有机半导体材料覆盖的连接在一起的碳纳米管析出的工序，在栅极绝缘层3上形成半导体层24的半导体层形成工序。
图11是概念性地表示本实施方式的TFT23的半导体层24中的有机半导体材料和纳米管之间关系的截面图。在形成半导体层24时，使用由芴-并噻吩共聚物的高分子有机半导体材料构成的有机半导体材料26和用如下所述的合成方法制成的由多根碳纳米管25形成的纳米管材料复合构成的复合材料。将碳纳米管25之间至少在其端部用化学键结合、制造多根相连的纳米管材料的合成方法如下。
将(化学式4)所示的碳纳米管的(三甲基甲硅烷基)乙炔基衍生物，在THF中由氟化物离子进行脱甲硅烷基化，形成(化学式5)的纳米管衍生物分散液。反应进行、如果充分形成(化学式5)所示的纳米管的烷基衍生物化合物，则用三氟乙酸终止反应。
(化学式4)
Figure C200480020580D00211
(化学式5)
然后，在室温空气中，将形成的(化学式5)在氯苯中用CuCl和TMEDA氧化偶联6小时，合成了图6所示的多根碳纳米管连接起来的化合物。
(化学式6)
Figure C200480020580D00213
如图11所示，通过如上所述的合成方法形成了长度0.2～3μm、直径大约1.5nm(1.4nm以上)的由纳米结构构成的碳纳米管25，通过共价键将2～4根碳纳米管25连接起来，形成由连接起来的碳纳米管25和高分子有机半导体材料26构成的半导体层16。如本实施方式中所示，通过使用将多根具有高载流子迁移率的碳纳米管25连接起来的碳纳米管，能够使碳纳米管彼此之间更加接近地配置，并且，在碳纳米管的结合部27，能够使载流子经由有机半导体26移动的电接合点增加，从而能够制成具有更高载流子迁移率的半导体层24。
制作出TFT23，其具有将具有大约0.003～0.02cm2/Vs的低载流子迁移率的噻吩系高分子有机半导体材料26和具有大约1000～1500cm2/Vs的高载流子迁移率的多根碳纳米管25连接起来的碳纳米管复合而形成的复合系半导体层24。该TFT23的沟道8载流子迁移率显示的值为240cm2/Vs，可以作为具有高载流子迁移率的优异性能的TFT。
另外，在复合材料制备工序中，在多根具有纳米结构的碳纳米管连接形成的碳纳米管的周围表面上，覆盖形成机械强度高的高分子有机半导体膜。在半导体形成工序中，一边将制作出的复合材料浓缩并析出，一边将被高分子有机半导体膜覆盖的多根连接在一起的碳纳米管进行堆积，从而形成半导体层24。由于高分子有机半导体材料是柔性的膜材料，能够高填充率地保持相连接的碳纳米管，并且在结合部传输载流子，所以，能够容易地制造出机械强度和性能得到提高的TFT。
另外，复合材料制备工序可以是制备将上述连接起来的碳纳米管分散在有机半导体材料的溶液中而形成的复合材料的溶液的工序，半导体层形成工序也可以是对复合材料的溶液进行喷雾并使其干燥的工序。
在TFT23接通(on)时，半导体层24中的电流大部分流到碳纳米管25中，在以接近的短距离结合而连接起来的碳纳米管25之间，电流流向周围覆盖的高分子有机半导体材料26中。在使用结合并连接在一起的碳纳米管时，与不连接时相比，半导体层24内纳米管互相接近的频率提高。因此，与具有只由高分子有机半导体材料构成的半导体层或具有在高分子有机半导体材料中分散有不连接的纳米管的半导体层的TFT相比，能够制成具有高载流子迁移率、接通特性优异的TFT。
另外，由于连接的纳米管25和在其周围覆盖形成的高分子有机半导体材料26形成复合的半导体层24，与具有只由纳米管构成的半导体层的TFT相比，能够得到更为良好的接通特性。
在第四、第五实施方式中，作为使纳米管之间结合的方法，使用由共价键进行合成的方法的一个例子进行了说明，但使用其它的合成方法也可以同样地实施。
另外，第四、第五实施方式的TFT的半导体层，至少含有连接的纳米管，连接的纳米管的含量可以占纳米管总量的20～100％。最好是优选纳米管总量的50～100％，由于连接的纳米管含有得越多，半导体层中的纳米管的接合点的密度就增加越多，从而能够制成性能更高的TFT。
另外，第四、第五实施方式中使用的纳米管，可以使用长度0.2～3μm，直径1nm以上、优选1.4nm以上的形状范围内的纳米管，但并不限定在此范围内。而且，在上述纳米管中，可以使用含有金属性和半导体性的混合系或者不含金属性的半导体性的纳米管，但优选使用多种半导体性纳米管。进一步，可以优选全部为半导体性纳米管。
另外，在上述说明中，纳米管使用碳纳米管来进行说明，但将来也有可以使用由碳以外的材料构成纳米管的可能性。
上述第一～第五实施方式的TFT，可以适用于半导体电路装置、使用该半导体电路装置的便携设备或一次性的设备或者其它的电子设备等。
(第六实施方式)
在本实施方式中，以使用第一～第五实施方式的TFT的应用为例，说明薄式的柔性(flexible)显示器、无线ID标签和便携式电话。
首先，对作为柔性显示器的有源矩阵型显示器的构成例进行说明。
图12是示意性地表示本实施方式的有源矩阵型显示器的结构的截面图。如图12所示，本实施方式的有源矩阵型显示器111，在塑料基板112上具有矩阵型配置的多个电极113、114。在电极113、114的交点115处配置有第一～第五实施方式中任何一个的TFT(未图示)，作为各像素的开关元件发挥作用。作为各像素开关元件的第一～第五实施方式的TFT，能够以良好的特性打开/关闭(ON/OFF)信息信号，所以，可以提供高可靠性的可重写的(rewritable)有源矩阵型显示器。在TFT上配置有显示面板118。还具有通过电极113、114驱动配置在各个交点115上的TFT的驱动电路116a、116b和对驱动电路116a、116b进行控制的控制电路117。对于驱动电路116a、116b和控制电路117，可以由包括第一～第五实施方式的TFT的半导体电路构成。通过形成这样的结构，能够将显示面板118、驱动电路116a、116b和控制电路117制成一体，所以，能够提供机械柔性和耐冲击性优异的薄式显示器。
作为有源矩阵型的显示器，可以构成薄式(sheetlike)或纸页式(paperlike)的显示器，而作为显示面板，则可以使用液晶显示方式、电泳显示方式、有机EL方式、电致变色显示方式(ECD)、电解析出方式、电子粉流体方式、干涉型调制(MEMS)方式等显示面板方式。
接下来，对将本发明的TFT应用于无线ID标签的情况进行说明。图13是示意性地表示使用本实施方式TFT的无线ID标签结构的立体图。
如图13所示，本实施方式的无线ID标签120，使用薄膜状的塑料基板121作为基材。在此基板121上设有天线部122和存储器IC部123。在此，存储器IC部123能够利用第一～第五实施方式中任何一个的TFT构成。该无线ID标签120，在背面上具有胶粘效果，能够粘贴在点心袋或饮料罐之类的不平坦处使用。此外，在无线ID标签120的表面上，根据需要可设置保护膜。
这样，通过使用第一～第五实施方式的TFT构成无线ID标签，能够制成可以粘贴在各种各样形状或原材料上的、柔性的、难以损坏的无线ID标签。而且，能够制成反应速度(处理速度)快的无线ID标签。
此外，本发明的效果，并不限于如图13所示的无线ID标签的结构。因此，天线部和存储器IC部的配置和构成方法能够任意地设定。例如，能够将逻辑电路部组合到无线ID标签中。在本实施方式中，对在塑料基板121上预先形成天线部122和存储器IC部123的方式进行了说明，但本发明并不限于这样的方式，也可以使用喷墨印刷的方法，直接在对象物上形成无线ID标签。在此情况下，通过使用本发明的TFT的结构，能够制造出机械柔性、耐冲击性优异的高性能无线ID标签。
下面，以在便携式电话中应用的情况作为将本发明的TFT应用于便携设备的一个例子进行说明。图14是示意性地表示使用本实施方式的TFT的便携式电话的结构的正面图。
如图14所示，本实施方式的便携式电话140具有由显示电话号码等的液晶显示装置等构成的显示部141、在此由能够自由收起的鞭状天线(whip antenna)构成的能够接收和发送通信电波的发送接收部142、由输出通信声音的扬声器等构成的语音输出部143、具有能够照相的CCD元件等的摄像部144、根据需要用于将便携式电话140折叠起来的折叠用可动部145、用于输入电话号码和声音的多个操作开关146和由输入通信声音的电容式送话器等构成的语音输入部147。
该便携式电话140，在其内部具有在图14中没有特别图示的ID或LSI等集成电路。利用本发明TFT的集成电路，适合于作为构成便携式电话140的运算元件、存储元件、开关元件等。由此，使便携式电话140具有便携式通讯终端的作用。
根据上面的说明，对本领域的技术人员来说，本发明的多种改良和其它的实施方式是显而易见的。因此，上述说明只是作为例子进行解释，以向本领域的技术人员教学为目的、提供实施本发明的最佳方式。只要不偏离本发明的主旨，可以对其结构和/或功能的细节进行实质地改变。
产业上的可利用性
本发明作为机械柔性和耐冲击性优异的高载流子迁移率的TFT及其制造方法是有用的。而且，本发明的TFT可用于制造薄式或纸页式的有源矩阵型显示器、无线ID标签、便携式电话等便携设备等。

Claims (14)

1.一种场效应型晶体管，其特征在于：
具有载流子从源区域注入向漏区域移动的半导体层，所述半导体层由含有有机半导体材料和碳纳米管的复合材料形成，
在所述半导体层中，在每个所述碳纳米管的周围覆盖有所述有机半导体材料，所述碳纳米管的混合比率以相对于所述半导体层总体的体积比率计为30～90％。
2.如权利要求1所述的场效应型晶体管，其特征在于：
所述有机半导体材料是高分子有机半导体材料。
3.如权利要求2所述的场效应型晶体管，其特征在于：
所述高分子有机半导体材料是噻吩系材料。
4.如权利要求1所述的场效应型晶体管，其特征在于：
所述有机半导体材料是低分子有机半导体材料。
5.如权利要求4所述的场效应型晶体管，其特征在于：
所述低分子有机半导体材料是氮烯类材料。
6.如权利要求1所述的场效应型晶体管，其特征在于：
在所述半导体层中，所述碳纳米管在规定方向上取向。
7.如权利要求1所述的场效应型晶体管，其特征在于：
所述场效应型晶体管是薄膜晶体管。
8.如权利要求1所述的场效应型晶体管，其特征在于：
所述场效应型晶体管在基板上形成。
9.如权利要求8所述的场效应型晶体管，其特征在于：
所述基板是塑料板或树脂薄膜。
10.一种场效应型晶体管的制造方法，制造具有载流子从源区域注入向漏区域移动的半导体层的场效应型晶体管，其特征在于：
包括：准备含有有机半导体材料和碳纳米管的复合材料的工序(a)，和使用所述复合材料形成所述半导体层的工序(b)；所述工序(a)具有通过在所述有机半导体材料的溶液中浸渍所述碳纳米管并过滤来制备所述复合材料的工序。
11.一种有源矩阵型显示器，其特征在于：
配置多个如权利要求1所述的场效应型晶体管，作为用于驱动像素的开关元件。
12.一种无线ID标签，其特征在于：
利用如权利要求1所述的场效应型晶体管作为用于构成集成电路的半导体元件。
13.一种便携设备，其特征在于：
利用如权利要求1所述的场效应型晶体管作为用于构成集成电路的半导体元件。
14.一种场效应型晶体管的制造方法，制造具有载流子从源区域注入向漏区域移动的半导体层的场效应型晶体管，其特征在于：
包括：准备含有有机半导体材料和碳纳米管的复合材料的工序(a)，和使用所述复合材料形成所述半导体层的工序(b)；
所述工序(a)具有通过将分散有碳纳米管的高分子有机半导体材料的溶液进行喷雾、干燥来制备所述复合材料的工序。
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