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    一種壓力調控薄膜電晶體，其包括：一源極；一與該源極間隔設置之汲極；一半導體層，該半導體層與所述源極及汲極電連接；及一閘極，該閘極通過一絕緣層與所述半導體層、源極及汲極絕緣設置；其中，所述絕緣層為一高分子材料層，該高分子材料層之彈性模量為0.1兆帕至10兆帕，在所述絕緣層上施加一垂直於所述絕緣層之壓力，該壓力導致所述絕緣層之厚度發生變化，所述閘極電容與該厚度成反比，所述源極及汲極之間之電流與該閘極電容成正比。本發明還涉及一應用該壓力調控薄膜電晶體之壓力感測裝置。
    公开号:TW201301495A
    申请号:TW100126512
    申请日:2011-07-27
    公开日:2013-01-01
    发明作者:chun-hua Hu；Chang-Hong Liu；Shou-Shan Fan
    申请人:Hon Hai Prec Ind Co Ltd；
    IPC主号:H01L29-00
    专利说明:
    壓力調控薄膜電晶體及其應用
    本發明涉及一壓力調控薄膜電晶體及其應用。
    薄膜電晶體（Thin Film Transistor, TFT）系現代微電子技術中之一關鍵性電子元件，目前已經被廣泛應用於平板顯示器等領域。薄膜電晶體主要包括基板，及設置在基板上之閘極、絕緣層、半導體層、源極及汲極。其中，閘極通過絕緣層與半導體層間隔設置，源極及汲極間隔設置並與半導體層電連接。薄膜電晶體中之閘極、源極、汲極均為導電材料構成，該導電材料一般為金屬或合金。當在閘極上施加電壓時，與閘極通過絕緣層間隔設置之半導體層中會積累載流子，當載流子積累到一定程度，與半導體層電連接之源極及汲極之間將導通，從而有電流從源極流向汲極。然而，上述薄膜電晶體之各項參數（如源極與汲極之間之電流、閘極電容等）為固定值，具有參數不可調控之缺點，限制了其之廣泛應用。
    顏黃蘋等人（請參見顏黃蘋等，MOS場效應管壓力微感測器. 感測器技術，20（5），2001）提出了壓力調控之MOS場效應管，即，MOS場效應管之參數（如源極與汲極之間之電流、閘極電容等）可通過壓力調控。顏黃蘋等人提出之壓力調控MOS場效應管中，將閘極與氧化層分離形成之空氣膜及氧化層作為兩層絕緣層，而且閘極需要用兩PECVD製作之Si3N4之小型薄膜絕緣層（化學薄膜）夾住，結構較複雜，並且在製備過程需要生長Si3N4，製備工藝複雜、生產率低、成本高。
    有鑒於此，提供一結構簡單、製備工藝簡單且靈敏度較高之壓力調控薄膜電晶體實為必要。
    一種壓力調控薄膜電晶體，其包括：一源極；一與該源極間隔設置之汲極；一半導體層，該半導體層與所述源極及汲極電連接；及一閘極，該閘極通過一絕緣層與所述半導體層、源極及汲極絕緣設置；其中，所述絕緣層為一高分子材料層，該高分子材料層之彈性模量為0.1兆帕至10兆帕，在所述絕緣層上施加一垂直於所述絕緣層之壓力，該壓力導致所述絕緣層之厚度發生變化，所述閘極電容與該厚度成反比，所述源極及汲極之間之電流與該閘極電容成正比。
    一種壓力調控薄膜電晶體之使用方法，其包括以下步驟：步驟一、提供一壓力調控薄膜電晶體；步驟二、在所述絕緣層上施加一垂直於所述絕緣層之壓力，調節該壓力，所述絕緣層之厚度發生變化，致使所述閘極電容隨之變化，所述源極及汲極之間之電流也隨之變化。
    一種壓力感測裝置，其包括：一壓力產生單元、一壓力感測單元及一感應結果表示單元，所述壓力感測單元包括一上述壓力調控薄膜電晶體，所述壓力產生單元與所述壓力感測單元連接並使所產生之壓力垂直作用於所述壓力調控薄膜電晶體中絕緣層上，所述感應結果表示單元與所述壓力感測單元連接，用以收集所述壓力感測單元因受到壓力而產生之電流變化並轉化為可觀之訊號。
    與先前技術相比較，本發明提供之壓力調控薄膜電晶體及其應用具有以下優點：其一、製備過程中無需生長Si3N4，製備工藝簡單，成本低，適於大規模生產；其二、絕緣層之結構及材料比較單一，整體結構穩固、簡單，生產率高，並且功能穩定，使用壽命長；其三、具有較高之靈敏度。
    以下將結合附圖及具體實施例對本發明提供之壓力調控薄膜電晶體作進一步之詳細說明。
    具體實施例一
    請參見圖1，本發明具體實施例一提供一壓力調控薄膜電晶體10，該壓力調控薄膜電晶體10為頂柵型，其包括一閘極120、一絕緣層130、一半導體層140、一源極151及一汲極152，並且，該壓力調控薄膜電晶體10設置於一絕緣基板110上，所述絕緣層130為一高分子材料層，該高分子材料層之彈性模量為0.1兆帕至10兆帕。
    所述半導體層140設置於絕緣基板110表面；源極151及汲極152間隔設置於半導體層140表面並與該半導體層140電連接，且位於源極151及汲極152之間之半導體層形成一通道區域156；絕緣層130設置於半導體層140表面；閘極120設置於絕緣層130表面，並通過該絕緣層130與源極151、汲極152及半導體層140電絕緣，且絕緣層130設置於閘極120與半導體層140之間。優選地，閘極120可以對應通道區域156設置於所述絕緣層130表面。
    可以理解，所述源極151及汲極152可以間隔設置於該半導體層140之上表面位於絕緣層130與半導體層140之間，此時，源極151、汲極152與閘極120設置於半導體層140之同一面，形成一共面型壓力調控薄膜電晶體。或者，所述源極151及汲極152可以間隔設置於該半導體層140之下表面，位於絕緣基板110與半導體層140之間，此時，源極151、汲極152與閘極120設置於半導體層140之不同面，半導體層140設置於源極151、汲極152與閘極120之間，形成一交錯型壓力調控薄膜電晶體。
    可以理解，根據具體之形成工藝不同，所述絕緣層130不必完全覆蓋所述源極151、汲極152及半導體層140，只要能確保半導體層140與相對設置之閘極120，及閘極120與源極151、汲極152均絕緣即可。如，當所述源極151及汲極152設置於半導體層140上表面時，所述絕緣層130可僅設置於源極151及汲極152之間，只覆蓋於半導體層140之上。
    所述絕緣基板110起支撐作用，且絕緣基板110材料不限，可選擇為矽、石英、玻璃、陶瓷、金剛石等無機材料或塑膠、樹脂等高分子材料。本實施例中，所述絕緣基板110之材料為矽。所述絕緣基板110用於對壓力調控薄膜電晶體10提供支撐，且複數個壓力調控薄膜電晶體10可按照預定規律或圖形集成於同一絕緣基板110上，形成壓力調控薄膜電晶體面板，或其他壓力調控薄膜電晶體半導體器件。
    所述半導體層140之材料為非晶矽、多晶矽、有機半導體聚合物或碳奈米管等。優選地，所述半導體層140為一半導體性碳奈米管層。該半導體性碳奈米管層包括複數個單壁或多壁半導體性碳奈米管。所述單壁碳奈米管之直徑為0.5奈米至50奈米；所述雙壁碳奈米管之直徑為1奈米至50奈米。優選地，所述碳奈米管之直徑小於10奈米。具體地，上述碳奈米管層中可進一步包括一半導體性碳奈米管薄膜，或複數個重疊設置之半導體性碳奈米管薄膜，該半導體性碳奈米管薄膜為無序或者有序之半導體性碳奈米管薄膜。無序之半導體性碳奈米管薄膜中，半導體性碳奈米管為無序或各向同性排列。該無序排列之半導體性碳奈米管相互纏繞，該各向同性排列之半導體性碳奈米管平行於半導體性碳奈米管薄膜之表面。有序之半導體性碳奈米管薄膜中，半導體性碳奈米管為沿同一方向擇優取向排列或沿不同方向擇優取向排列。當半導體性碳奈米管層包括多層有序半導體性碳奈米管薄膜時，該多層半導體性碳奈米管薄膜可以沿任意方向重疊設置，因此，在該半導體性碳奈米管層中，半導體性碳奈米管為沿相同或不同方向擇優取向排列。本技術領域之技術人員應該明白，所述半導體性碳奈米管層可包括複數個半導體性碳奈米管長線結構，所述半導體性碳奈米管長線結構包括複數個首尾相連之半導體性碳奈米管束組成之束狀結構或由複數個首尾相連之半導體性碳奈米管束組成之絞線結構。本技術方案實施例中之半導體性碳奈米管層中包括兩重疊之半導體性碳奈米管薄膜，相鄰之半導體性碳奈米管薄膜之間通過凡得瓦力緊密結合，相鄰之兩層半導體性碳奈米管薄膜中之半導體性碳奈米管形成一夾角α，且0° ≦ α ≦ 90°。每一半導體性碳奈米管薄膜包括複數個擇優取向排列且通過凡得瓦力首尾相連之半導體性碳奈米管，請參見圖2，該半導體性碳奈米管薄膜中碳奈米管之排列方向基本平行於半導體性碳奈米管薄膜之拉伸方向。直接拉伸獲得之擇優取向排列之半導體性碳奈米管薄膜比無序之半導體性碳奈米管薄膜具有更好之均勻性，即，直接拉伸獲得之擇優取向排列之半導體性碳奈米管薄膜具有更均勻之厚度及具有均勻之半導體性能。並且，該半導體性碳奈米管薄膜具有良好之柔韌性及透明度。
    所述半導體層140之長度為1微米至100微米，寬度為1微米至1毫米，厚度為0.5奈米至100微米。所述通道區域156之長度為1微米至100微米，寬度為1微米至1毫米。本技術方案實施例中，所述半導體層140之長度為50微米，寬度為300微米，厚度為1微米。所述通道區域156之長度為40微米，寬度為300微米。
    所述源極151、汲極152及閘極120為一導電薄膜，該導電薄膜之材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一。具體地，所述閘極之材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一；所述源極之材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一；所述汲極之材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一。所述金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其任意組合之合金，具體地，所述閘極之材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其任意組合之合金；所述源極之材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其任意組合之合金；所述汲極之材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其任意組合之合金。本實施例中，所述源極151、汲極152及閘極120之材料為金屬鈀膜，厚度為5奈米。所述金屬鈀與碳奈米管具有較好之潤濕效果，有利於所述源極151及汲極152與所述半導體層140之間形成良好之電接觸，減少歐姆接觸電阻。一般地，該源極151及汲極152之厚度為0.5奈米至100微米，源極151至汲極152之間之距離為1微米至100微米。
    當半導體層140為一由複數個碳奈米管薄膜組成之碳奈米管層時，且該碳奈米管層中複數個碳奈米管薄膜沿基本相同之方向重疊時，該源極151及汲極152應沿碳奈米管層中碳奈米管之排列方向間隔形成於碳奈米管層上，從而使碳奈米管層中之碳奈米管之排列方向均沿源極151至汲極152之方向排列。
    所述絕緣層130為一高分子材料層，該高分子材料層之彈性模量為0.1兆帕至10兆帕。例如，聚二甲基矽氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）、聚酯、丁苯橡膠、氟橡膠、矽橡膠等。根據具體之形成工藝不同，該絕緣層130不必完全覆蓋上述源極151、汲極152及半導體層140，只要能保證半導體層140、源極151及汲極152與相對設置之閘極120絕緣即可。絕緣層130之厚度為1奈米至10微米，可以為1奈米、10奈米、50奈米、100奈米、500奈米、1微米、5微米或10微米等，優選地，所述絕緣層130之厚度為50奈米至1微米。本實施例中，絕緣層130之厚度為500奈米，絕緣層130為聚二甲基矽氧烷（PDMS），聚二甲基矽氧烷之彈性模量為500千帕。所述絕緣層130可以通過直接黏附或使用膠黏劑黏附高分子材料層，塗覆熔融態高分子材料或高分子溶液等方法形成。
    本發明採用高分子材料層作為壓力調控薄膜電晶體10之絕緣層130，在閘極120上施加一壓力，該壓力同樣會作用在絕緣層130上，由於絕緣層130具有很好之彈性，絕緣層130厚度d會隨壓力之變化而變化，閘極120之電容COX、源極151及汲極152之間之電流IDS也隨之變化，以此來實現薄膜電晶體之壓力調控。
    具體地，請參見圖3，本實施例提供之壓力調控薄膜電晶體10在使用時，在閘極120上施加一電壓Vg，將源極151接地，並在汲極152上施加一電壓Vds，閘極電壓Vg在半導體層140之通道區域156中產生電場，並在通道區域156表面處產生載流子。當Vg達到源極151及汲極152之間之開啟電壓時，源極151與汲極152之間之通道區域156導通，從而會在源極151及汲極152之間產生電流，電流由源極151通過通道區域156流向汲極152，從而使得該壓力調控薄膜電晶體10處於開啟狀態。
    壓力調控薄膜電晶體10中源極151及汲極152之間之電流IDS優選滿足以下關係：

    其中，μn代表載子移動率，W代表源極151與汲極152之間通道區域156之寬度，L代表源極151與汲極152之間通道區域156之長度，UGS代表閘極120與源極151之間之電壓，UTH代表閘極120之開啟電壓，UDS代表源極151與汲極152之間之電壓。
    壓力調控薄膜電晶體10中閘極120之電容COX優選滿足以下關係：

    其中，ε代表絕緣層130之介電常數，S代表源極151與汲極152之間通道區域156之面積，d代表絕緣層130之厚度。
    可以理解之，源極151及汲極152之間之電流IDS正比於閘極120之電容COX，而閘極120之電容COX又反比於絕緣層130之厚度d。
    在所述閘極120上均勻施加一垂直於所述閘極120之壓力時，該壓力會均勻垂直作用於絕緣層130上。所述施加一壓力之方式可以採用按壓或其他方式。由於絕緣層130為一高分子材料層，儘管絕緣層130垂直於壓力方向上之尺寸會變長，但絕緣層130相對於通道區域156之有效面積不變，即，S不變；而在壓力之作用下，絕緣層130之厚度d變小，因而閘極120之電容COX增大。而源極151及汲極152之間之電流IDS又正比於閘極120之電容COX，故源極151及汲極152之間之電流IDS增大。隨著壓力之逐漸增大，源極151及汲極152之間之電流IDS會越來越大；隨著壓力之逐漸減小，源極151及汲極152之間之電流IDS會越來越小。可以理解，壓力變化引起閘極120之電容COX之變化，從而導致源極151及汲極152之間之電流IDS發生變化，所施加之壓力之大小會調控壓力調控薄膜電晶體10中源極151及汲極152之間之電流IDS。即，通過壓力可以調控壓力調控薄膜電晶體10之參數，例如，源極151與汲極152之間之電流IDS、閘極120之電容COX等，從而使壓力調控薄膜電晶體10可更加廣泛地應用於電子領域。
    請一併參見圖4，圖4為壓力調控薄膜電晶體10中源極151及汲極152之間電流IDS隨壓力變化之趨勢圖。具體地，本實施例中，所述絕緣層130為聚二甲基矽氧烷（PDMS），聚二甲基矽氧烷之彈性模量為500千帕。可以理解，根據不同之應用場合，可以選擇對應彈性模量之高分子材料。當在絕緣層130上均勻施加一垂直於所述絕緣層130之壓力為100KPa時，絕緣層130之厚度d減小到無施加壓力時之80%，閘極120之電容COX增大到無施加壓力時之1.25倍，進而源極151及汲極152之間之電流IDS增大到無施加壓力時之1.25倍；當在絕緣層130上施加一垂直於所述絕緣層130之壓力為250KPa時，絕緣層130之厚度d減小到無施加壓力時之50%，閘極120之電容COX增大到無施加壓力時之2倍，進而源極151及汲極152之間之電流IDS增大到無施加壓力時之2倍。
    先前技術之壓力調控MOS場效應管中，將閘極120與氧化層分離形成之空氣膜及氧化層作為兩層絕緣層130，通過垂直作用於氧化層上之壓力使空氣膜之厚度發生變化，從而使閘極120之電容COX等發生變化；本發明提供之壓力調控薄膜電晶體10中，將高分子材料層作為絕緣層130，通過均勻垂直作用於絕緣層130上之壓力使絕緣層130之厚度發生變化，從而使閘極120之電容COX等發生變化。空氣之介電常數為1，高分子材料之介電常數均大於1。高分子材料之介電常數大於空氣之介電常數，因此，在同等條件下，即施加同等大小之壓力，並且通道區域156之面積S、空氣膜厚度或絕緣層厚度d均相等之情況下，本發明提供之壓力調控薄膜電晶體之閘極120之電容COX變化之範圍更大，從而使源極151及汲極152之間之電流IDS變化之範圍也更大。可以理解，本發明提供之壓力調控薄膜電晶體相比於先前技術具有更高之靈敏度。
    請參見圖5，本發明進一步提供一上述壓力調控薄膜電晶體10之製備方法，具體包括以下步驟：
    步驟一、提供一絕緣基板110。
    所述絕緣基板110之形狀不限，可為方形、圓形等任何形狀。所述絕緣基板110之大小尺寸不限，具體可根據實際情況而定。另外，所述絕緣基板110也可選用大型積體電路中之基板。本實施例中，所述絕緣基板110為一方形矽基底，該矽基底之長度及寬度均為3厘米。所述絕緣基板110具有一平整之表面。具體地，所述絕緣基板110之材料可以為無機材料，如P型或N型矽、形成有氧化層之矽、透明石英、或形成有氧化層之透明石英等。另外，該絕緣基板110之材料還可以系塑膠、樹脂等高分子材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜等。
    步驟二、提供一半導體層140，並將該半導體層140設置於所述絕緣基板110上。
    所述半導體層140為一碳奈米管層，所述碳奈米管層至少包括一碳奈米管薄膜，該碳奈米管薄膜之製備方法主要包括以下步驟：
    （1）提供一碳奈米管陣列，優選地，該陣列為超順排碳奈米管陣列。
    所述碳奈米管陣列為單壁碳奈米管陣列、雙壁碳奈米管或多壁碳奈米管陣列。本實施例中，超順排碳奈米管陣列之製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：（a）提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層之矽基底，本實施例優選為採用4英寸之矽基底；（b）在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）或其任意組合之合金之一；（c）將上述形成有催化劑層之基底在700度至900度之空氣中退火約30分鐘至90分鐘；（d）將處理過之基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500度至740度，然後通入碳源氣體反應約5分鐘至30分鐘，生長得到超順排碳奈米管陣列，其高度為200微米至400微米。該超順排碳奈米管陣列為複數個彼此平行且垂直於基底生長之碳奈米管形成之純碳奈米管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排碳奈米管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留之催化劑金屬顆粒等。該碳奈米管陣列中之碳奈米管彼此通過凡得瓦力緊密接觸形成陣列。該碳奈米管陣列與上述基底面積基本相同。
    本實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑之碳氫化合物，本實施例優選之碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選之保護氣體為氬氣。
    可以理解，本實施例提供之碳奈米管陣列不限於上述製備方法，也可為石墨電極恒流電弧放電沈積法、鐳射蒸發沈積法等。
    （二）採用一拉伸工具從步驟（一）中所得之碳奈米管陣列中拉取獲得至少一碳奈米管薄膜。其具體包括以下步驟：（a）從上述碳奈米管陣列中選定一定寬度之複數個碳奈米管片斷，本實施例優選為採用具有一定寬度之膠帶接觸碳奈米管陣列以選定一定寬度之複數個碳奈米管片斷；（b）以一定速度沿基本垂直於碳奈米管陣列生長方向拉伸該複數個碳奈米管片斷，以形成一連續之碳奈米管薄膜。
    在上述拉伸過程中，該複數個碳奈米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底之同時，由於凡得瓦力作用，該選定之複數個碳奈米管片斷分別與其他碳奈米管片斷首尾相連地連續地被拉出，從而形成一碳奈米管薄膜。該碳奈米管薄膜包括複數個首尾相連且定向排列之碳奈米管束。該碳奈米管薄膜中碳奈米管之排列方向基本平行於碳奈米管薄膜之拉伸方向。
    由於本實施例超順排碳奈米管陣列中之碳奈米管非常純淨，且由於碳奈米管本身之比表面積非常大，故該碳奈米管薄膜本身具有較強之黏性。因此，可直接將上述碳奈米管薄膜黏附在絕緣基板110表面作為半導體層。另外，可以通過重複步驟二從碳奈米管陣列中拉取複數個碳奈米管薄膜，並將該複數個碳奈米管薄膜重疊黏附於絕緣基板110表面，形成一碳奈米管層。該碳奈米管薄膜之重疊方向不限，複數個碳奈米管薄膜間通過凡得瓦力緊密結合。
    另外，可使用有機溶劑處理上述黏附在絕緣基板110上之碳奈米管層。具體地，可通過試管將有機溶劑滴落在碳奈米管層表面浸潤整個碳奈米管層。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。該碳奈米管層經有機溶劑浸潤處理後，在揮發性有機溶劑之表面張力之作用下，該碳奈米管層可牢固地貼附在絕緣基板110表面，且表面體積比減小，黏性降低，具有良好之機械強度及韌性。
    步驟三：間隔形成一源極151及一汲極152，並使該源極151及汲極152與上述碳奈米管層電連接。
    根據形成源極151及汲極152之材料種類之不同，可以採用不同方法形成該源極151及汲極152。具體地，當該源極151及汲極152之材料為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）時，可以通過濺鍍、濺射、沈積、掩模及蝕刻等方法形成源極151及汲極152。當該源極151及汲極152之材料為導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層或碳奈米管複合層時，可以通過印刷塗附或直接黏附之方法，將該導電銀膠或碳奈米管薄膜塗附或黏附於絕緣基板110或碳奈米管層表面，形成源極151及汲極152。
    本實施例中，該源極151及汲極152材料為金屬。上述步驟三具體可通過兩種方式進行。第一方式具體包括以下步驟：首先，在上述碳奈米管層表面均勻塗覆一層光刻膠；其次，通過曝光及顯影等光刻方法在光刻膠上形成源極151及汲極152區域，在該源極151及汲極152區域露出該碳奈米管層；再次，通過真空濺鍍、磁控濺射或電子束蒸發沈積等沈積方法在上述光刻膠、源極151及汲極152區域表面沈積一金屬層，優選為鈀、鈦或鎳金屬層；最後，通過丙酮等有機溶劑去除光刻膠及其上之金屬層，即得到形成在碳奈米管層上之源極151及汲極152。第二種方式具體包括以下步驟：首先，在碳奈米管層表面沈積一金屬層；其次，在該金屬層表面塗覆一層光刻膠；再次，通過曝光及顯影等光刻方法去除源極151區域及汲極152區域外之光刻膠；最後，通過電漿體蝕刻等方法去除源極151區域及汲極152區域外之金屬層，並以丙酮等有機溶劑去除源極151區域及汲極152區域上之光刻膠，即得到形成在碳奈米管層上之源極151及汲極152。本實施例中，該源極151及汲極152之厚度為1微米，源極151至汲極152之間之距離為50微米。
    可以理解，為了得到具有更好之半導體性之碳奈米管層，在形成源極151及汲極152之後，可以進一步包括一去除碳奈米管層中之金屬性碳奈米管之步驟。具體包括以下步驟：首先，提供一外部電源，其次，將外部電源之正負兩極連接至源極151及汲極152；最後，通過外部電源在源極151及汲極152兩端施加一電壓，使金屬性之碳奈米管發熱並燒蝕，獲得一半導體性之碳奈米管層。該電壓在1伏至1000伏範圍內。
    另外，上述去除碳奈米管層中金屬性碳奈米管之方法也可以使用氫電漿體、微波、太赫茲（THz）、紅外線（IR）、紫外線（UV）或可見光（Vis）照射該碳奈米管層，使金屬性之碳奈米管發熱並燒蝕，獲得一半導體性之碳奈米管層。
    步驟四：在半導體層140上形成一絕緣層130，該絕緣層130為一高分子材料層，所述高分子材料層之彈性模量為0.1兆帕至10兆帕。
    所述高分子材料層由熔融態高分子材料或高分子材料溶液乾燥後形成。所述熔融態高分子材料系指高分子材料在一定溫度下本身形成熔融態，所述高分子材料溶液系指高分子材料溶於揮發性有機溶劑而形成。
    在半導體層140上形成所述絕緣層130之方法有很多種，比如，直接黏附或使用膠黏劑黏附高分子材料層，塗覆熔融態高分子材料或高分子溶液等。
    具體地，在半導體層140上通過直接黏附一高分子材料層形成所述絕緣層130之具體過程為：取一高分子材料層，該高分子材料層本身具有一定之黏度；將所述高分子材料層直接黏附在半導體層140上。所述高分子材料層利用本身之黏度緊密黏附在半導體層140上形成絕緣層130。
    在半導體層140上通過膠黏劑形成所述絕緣層130之具體過程為：取一高分子材料層，在該高分子材料層上均勻旋塗一層膠黏劑，然後通過所述膠黏劑，將高分子材料層黏附在半導體層140上。
    在半導體層140上採用塗覆之方法形成所述絕緣層130之具體過程為：採用刷子或其他工具沾取一定量之熔融態高分子材料或高分子材料溶液，均勻塗敷於半導體層140，乾燥後形成一高分子材料層。可以理解，在半導體層140上塗敷熔融態高分子材料或高分子材料溶液之方式不限，可以為旋塗或其他方式，只要可以在半導體層140上形成均勻之高分子材料層即可。
    可以理解，根據壓力調控薄膜電晶體10之不同應用，可以採用與形成源極151及汲極152相似之光刻或蝕刻之方法將所述源極151及汲極152之一部分暴露在絕緣層130外。
    步驟五：形成一閘極120於所述絕緣層130表面，得到一壓力調控薄膜電晶體10。
    該閘極120之材料應具有較好之導電性。具體地，該閘極120之材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金或它們之合金。具體地，當該閘極120之材料為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）時，可以通過濺鍍、濺射、沈積、掩模及蝕刻等方法形成閘極120。當該閘極120之材料為導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層時，可以通過直接黏附或印刷塗附之方法形成閘極120。一般地，該閘極120之厚度為0.5奈米至100微米。
    本實施例中通過與形成源極151及汲極152相似之方法在絕緣層130表面且與半導體層相對之位置形成一導電薄膜作為閘極120。該閘極120通過絕緣層130分別與半導體層140、源極151及汲極152電絕緣。本實施例中，所述閘極120之材料為鋁，閘極120之厚度約為1微米。
    具體實施例二
    請參見圖6，本發明具體實施例二採用與具體實施例一相似之方法提供一壓力調控薄膜電晶體20，該壓力調控薄膜電晶體20為底柵型，該壓力調控薄膜電晶體20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，並且，該壓力調控薄膜電晶體20設置於一絕緣基板210表面，所述絕緣層230為一高分子材料。
    本發明具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20之結構與具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10基本相同，其區別在於：（1）具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10為頂柵型，具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20為底柵型；（2）具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10在進行壓力調控時，在閘極120上施加一垂直作用於閘極120之壓力，該壓力同樣垂直作用於絕緣層130，具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20在進行壓力調控時，在半導體層240上施加一垂直作用於半導體層240之壓力，該壓力同樣垂直作用於絕緣層230。
    所述閘極220設置於該絕緣基板210表面，所述絕緣層230設置於閘極220表面，所述半導體層240設置於該絕緣層230表面，所述絕緣層230設置於閘極220與半導體層240之間；所述源極251、汲極252間隔設置於該半導體層240表面，並通過該半導體層240電連接；所述半導體層240位於所述源極251及汲極252之間之區域形成一通道區域256。優選地，該閘極220可以與源極251、汲極252之間之通道區域256對應設置於絕緣基板210表面，且該閘極220通過該絕緣層230與源極251、汲極252及半導體層240電絕緣。本技術方案具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20中，閘極220、源極251、汲極252及絕緣層230之材料與具體實施例一中壓力調控薄膜電晶體10之閘極120、源極151、汲極152及絕緣層130之材料相同。具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20中，通道區域256、半導體層240之形狀、面積與具體實施例一中壓力調控薄膜電晶體10之通道區域156、半導體層240之形狀、面積相同。
    所述源極251及汲極252可以設置於該半導體層240上表面，此時，源極251、汲極252與閘極220設置於半導體層240之不同面，半導體層240設置於源極251、汲極252與閘極220之間，形成一逆交錯結構之壓力調控薄膜電晶體。或者，所述源極251及汲極252也可以設置於該半導體層240下表面與絕緣層230之間，此時，源極251、汲極252與閘極220設置於半導體層240之同一面，形成一逆共面結構之壓力調控薄膜電晶體。
    具體實施例三
    本發明具體實施例三提供一應用具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10或具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20之壓力感測裝置。
    該壓力感測裝置包括一壓力產生單元、一壓力感測單元及一感應結果表示單元，所述壓力感測單元包括一壓力調控薄膜電晶體10或壓力調控薄膜電晶體20，所述壓力產生單元與所述壓力感測單元連接並使所產生之壓力垂直作用於所述壓力調控薄膜電晶體10或壓力調控薄膜電晶體20中絕緣層130上，所述感應結果表示單元與所述壓力感測單元連接，用以收集所述壓力感測單元因受到壓力而產生之電流變化並轉化為可觀之訊號。
    可選擇地，該壓力調控薄膜電晶體10或壓力調控薄膜電晶體20具有一受壓部，所述壓力產生單元與所述壓力感測單元連接並使所產生之壓力垂直作用於該受壓部，進而通過該受壓部使壓力垂直作用於所述絕緣層130。所述壓力產生單元可以系來自於固態、氣態、液態或熔融態等各種形態物體所形成之壓力，固態物體所形成之壓力，比如，手指之按壓、重物之按壓、重物本身之重量等；氣態物體所形成之壓力，比如，氣態環境之壓力變化等；液態物體所形成之壓力，比如，流體流動所形成之壓力等；熔融態物體所形成壓力，比如，熔融態金屬之重量所形成之壓力等。
    下面僅以利用液態所形成之壓力來調控薄膜電晶體為例，具體說明壓力感測裝置之使用，其他利用固態、氣態、熔融態等物體所形成之壓力來調控薄膜電晶體與之類似，這裏不再贅述。
    請參見圖7，圖7系一應用具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10之壓力感測裝置之剖視結構示意圖。該壓力感測裝置中之壓力來自於流體所形成之壓力。該壓力感測裝置由具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10、封裝層160、通道170及通過通道170之流體172組成，所述壓力調控薄膜電晶體10設置於通道170之外側壁上，所述封裝層160設置於壓力調控薄膜電晶體10中閘極120與通道170外側壁之間。Ⅰ為流體172之流動方向，Ⅱ為流體172之壓力方向。所述通道170之材料不限，可以為高分子材料或金屬等，比如，聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、鋼等，只要可以使流體172通過之材料都可以製作為通道170。所述封裝層160為一可選擇部分，所述封裝層160可以確保所述閘極120與所述通道170之間電絕緣。所述封裝層160之材料為柔性絕緣材料，如樹脂或絕緣塑膠等。本實施例中，所述封裝層160之厚度為200奈米，材料為絕緣塑膠。
    由於閘極120之電容COX、源極151及汲極152之間電流IDS直接或間接與流體172之壓力有關，因此通過閘極120之電容COX、源極151及汲極152之間電流IDS可以知道所施加之壓力之大小。而壓力與流體172之流速ν之關係如下：

    其中，P代表流體172之壓強，ρ代表流體172之密度，g代表重力加速度，h代表流體172之垂直高度，ν代表流體172之流速，Const代表常量。
    因此，根據所施加壓力之大小可以計算出流體172之流速ν。即，根據閘極120之電容COX、源極151及汲極152之間電流IDS可以計算出流體172之流速ν。
    進一步地，當所述壓力調控薄膜電晶體10被封裝層160整體封裝，也就系說，當壓力調控薄膜電晶體10全部被封裝層160包覆時，所述壓力調控薄膜電晶體10可以設置於所述通道170之內側壁上。其中，所述壓力調控薄膜電晶體10中絕緣基板110緊貼通道170之內側壁，所述封裝層160確保壓力調控薄膜電晶體10與流體172電絕緣。
    可以理解，應用具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20之壓力感測裝置與上述應用具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10之壓力感測裝置相類似，本領域技術人員根據上述應用具體實施例一提供之壓力調控薄膜電晶體10之壓力感測裝置，可以明白如何應用具體實施例二提供之壓力調控薄膜電晶體20之壓力感測裝置，這裏不再贅述。
    所述壓力感測裝置可廣泛應用於水塔、無塔供水、鍋爐氣壓及水位之自動控制系統中。
    可以理解，本發明提供之壓力調控薄膜電晶體10或壓力調控薄膜電晶體20可廣泛應用於各種電子設備之按鍵、醫療儀器、調節器、流體自控器及工業控制及監測設備等領域。
    與先前技術相比較，本發明提供之壓力調控薄膜電晶體具有以下優點：其一、製備過程中無需生長Si3N4，製備工藝簡單，成本低，適於大規模生產；其二、絕緣層之結構及材料比較單一，整體結構穩固、簡單，生產率高，並且功能穩定，使用壽命長；其三、僅含有一層絕緣層，相比於先前技術中之兩層絕緣層，本發明之壓力調控薄膜電晶體具有較薄之厚度；其四、具有較高之靈敏度；其五、當高分子材料層作為絕緣層，半導體性碳奈米管作為半導體層時，由於所述絕緣層及半導體層均具有很好之柔性，提高了壓力調控薄膜電晶體之柔韌性，因而，本發明提供之壓力調控薄膜電晶體可廣泛地應用於柔性之電子器件中。
    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．．．壓力調控薄膜電晶體
    110，210．．．絕緣基板
    140，240．．．半導體層
    130，230．．．絕緣層
    151，251．．．源極
    152，252．．．汲極
    120，220．．．閘極
    156，256．．．通道區域
    160．．．封裝層
    170．．．通道
    172．．．流體
    I．．．流動方向
    Ⅱ．．．壓力方向
    圖1為本發明第一具體實施例提供之壓力調控薄膜電晶體之剖視結構示意圖。
    圖2為本發明第一具體實施例提供之壓力調控薄膜電晶體中碳奈米管薄膜之掃描電鏡照片。
    圖3為本發明第一具體實施例提供之壓力調控薄膜電晶體工作時之結構示意圖。
    圖4為本發明第一具體實施例提供之壓力調控薄膜電晶體中源極及汲極之間電流隨壓力變化之趨勢圖。
    圖5為本發明第一具體實施例提供之壓力調控薄膜電晶體之製備方法之工藝流程圖。
    圖6為本發明第二具體實施例提供之壓力調控薄膜電晶體之剖視結構示意圖。
    圖7為本發明第三具體實施例提供之應用壓力調控薄膜電晶體之壓力感測裝置之剖視結構示意圖。
    10．．．壓力調控薄膜電晶體
    110．．．絕緣基板
    140．．．半導體層
    130．．．絕緣層
    151．．．源極
    152．．．汲極
    120．．．閘極
    156．．．通道區域
    权利要求:
    Claims (28)
    [1] 一種壓力調控薄膜電晶體，其包括：一源極；一與該源極間隔設置之汲極；一半導體層，該半導體層與所述源極及汲極電連接；及一閘極，該閘極通過一絕緣層與所述半導體層、源極及汲極絕緣設置；其改良在於，所述絕緣層為一高分子材料層，該高分子材料層之彈性模量為0.1兆帕至10兆帕，在所述絕緣層上施加一垂直於所述絕緣層之壓力，該壓力導致所述絕緣層之厚度發生變化，所述閘極電容與該厚度成反比，所述源極及汲極之間之電流與該閘極電容成正比。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述絕緣層之厚度與所述閘極之電容COX之關係滿足公式： 其中，ε代表絕緣層之介電常數，S代表源極與汲極之間通道區域之面積，d代表絕緣層之厚度；所述源極及汲極之間之電流IDS與所述閘極之電容COX之關係 滿足公式： 其中，μn代表載子移動率，W代表源極與汲極之間通道區域之寬度，L代表源極與汲極之間通道區域之長度，UGS代表閘極與源極之間之電壓，UTH代表開啟閘極電壓，UDS代表汲極與源極之間之電壓。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述高分子材料層系由熔融態高分子材料或高分子材料溶液乾燥後形成。
    [4] 如申請專利範圍第3項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述高分子材料為聚二甲基矽氧烷。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述絕緣層之厚度為1奈米至10微米。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述絕緣層之厚度為50奈米至1微米。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述絕緣層之厚度為500奈米。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述絕緣層採用直接黏附、塗覆、使用膠黏劑之方式與所述半導體層結合。
    [9] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述閘極之材料為金屬、合金、銦錫氧化物、銻錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一；所述源極之材料為金屬、合金、銦錫氧化物、銻錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一；所述汲極之材料為金屬、合金、銦錫氧化物、銻錫氧化物、導電銀膠、導電聚合物、金屬性碳奈米管層及碳奈米管金屬複合層或其任意組合中之一。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述閘極之材料為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其任意組合之合金；所述源極之材料為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其任意組合之合金；所述汲極之材料為鋁、銅、鎢、鉬、金、銫、鈀或其任意組合之合金。
    [11] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述半導體層之材料為非晶矽、多晶矽、有機半導體聚合物或碳奈米管。
    [12] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述半導體層為一半導體性碳奈米管層。
    [13] 如申請專利範圍第12項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述半導體性碳奈米管層包括一半導體性碳奈米管薄膜，或複數個重疊設置之半導體性碳奈米管薄膜。
    [14] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述絕緣層設置於閘極與半導體層之間。
    [15] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述源極及汲極間隔設置於所述半導體層之表面。
    [16] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述壓力調控薄膜電晶體設置於一絕緣基板之表面，其中，所述半導體層設置於該絕緣基板之表面，所述源極及汲極間隔設置於所述半導體層之表面，所述絕緣層設置於該半導體層之表面，所述閘極設置於絕緣層之表面，所述閘極通過該絕緣層與源極、汲極及半導體層電絕緣。
    [17] 如申請專利範圍第16項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述源極及汲極之間之半導體層形成一通道區域，所述閘極對應該通道區域設置於所述絕緣層之表面。
    [18] 如申請專利範圍第16項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述壓力調控薄膜電晶體在進行壓力調控時，該壓力垂直作用於閘極。
    [19] 如申請專利範圍第1項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述壓力調控薄膜電晶體設置於一絕緣基板之表面，其中，所述閘極設置於該絕緣基板之表面，所述絕緣層設置於該閘極之表面，所述半導體層設置於該絕緣層之表面，所述半導體層通過所述絕緣層與所述閘極電絕緣，所述源極及汲極間隔設置於該半導體層之表面，所述源極及汲極通過該絕緣層與閘極電絕緣。
    [20] 如申請專利範圍第19項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述源極及汲極之間之半導體層形成一通道區域，所述絕緣層對應該通道區域設置於所述閘極之表面。
    [21] 如申請專利範圍第19項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述壓力調控薄膜電晶體在進行壓力調控時，該壓力垂直作用於半導體層。
    [22] 如申請專利範圍第16或19項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述絕緣基板之材料為玻璃、陶瓷、金剛石、塑膠。
    [23] 如申請專利範圍第16或19項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述源極、汲極與閘極設置於半導體層之同一面。
    [24] 如申請專利範圍第16或19項所述之壓力調控薄膜電晶體，其中，所述源極、汲極與閘極設置於所述半導體層之不同面，所述半導體層設置於所述源極、汲極與閘極之間。
    [25] 一種壓力調控薄膜電晶體之使用方法，其包括以下步驟：步驟一、提供一如申請專利範圍第1至24項中任一項所述之壓力調控薄膜電晶體；步驟二、在所述絕緣層上施加一垂直於所述絕緣層之壓力，調節該壓力，所述絕緣層之厚度發生變化，致使所述閘極電容隨之變化，所述源極及汲極之間之電流也隨之變化。
    [26] 一種壓力感測裝置，其包括：一壓力產生單元、一壓力感測單元及一感應結果表示單元，其改良在於，所述壓力感測單元包括一如申請專利範圍第1至24項中任一項所述之壓力調控薄膜電晶體，所述壓力產生單元與所述壓力感測單元連接並使所產生之壓力垂直作用於所述壓力調控薄膜電晶體中絕緣層上，所述感應結果表示單元與所述壓力感測單元連接，用以收集所述壓力感測單元因受到壓力而產生之電流變化並轉化為可觀之訊號。
    [27] 如申請專利範圍第26項所述之壓力感測裝置，其中，所述壓力調控薄膜電晶體具有一受壓部，所述壓力產生單元與所述壓力感測單元連接並使所產生之壓力垂直作用於該受壓部，進而通過該受壓部使壓力垂直作用於所述絕緣層。
    [28] 如申請專利範圍第26項所述之壓力感測裝置，其中，所述壓力產生單元可以系來自於固態、氣態、液態或熔融態所形成之壓力。
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    法律状态:
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