基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子行業(yè)電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于接觸起電的背柵場 效應(yīng)晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002] 場效應(yīng)晶體管是基于通過利用門電壓來控制元件中的電流輸運(yùn)過程的晶體管器 件?；诒硸臩OI結(jié)構(gòu)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET)具有結(jié)構(gòu)簡單、低 電場、高跨導(dǎo)和良好的短溝道特性，其背襯底可作為背柵極，利用背柵電壓來調(diào)控頂層硅中 的導(dǎo)電溝道寬度。雖然場效應(yīng)晶體管技術(shù)十分成熟，但鑒于器件單元的三端結(jié)構(gòu)，需要專門 提供柵極電源，集成具有復(fù)雜性，并且基于此類技術(shù)制成的壓力傳感器件缺乏外界環(huán)境與 電子器件直接作用交互的機(jī)制。
[0003] 近年來，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所和美國佐治亞理工學(xué)院王中林院 士開創(chuàng)的壓電電子學(xué)受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。壓電效應(yīng)是壓電材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生形 變時(shí)出現(xiàn)的一種內(nèi)部電勢現(xiàn)象。對于氧化鋅、氮化鎵、硫化鎘等壓電半導(dǎo)體材料，壓電效應(yīng) 可以改變金屬-半導(dǎo)體的界面勢壘和p-n結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)，這就是壓電電子學(xué)效應(yīng)，是壓電效 應(yīng)和半導(dǎo)體效應(yīng)的結(jié)合。壓電電子學(xué)效應(yīng)被用來將器件受到的機(jī)械作用轉(zhuǎn)化為局域電子控 制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了利用壓電勢作為柵極電壓調(diào)控及由應(yīng)變、應(yīng)力或壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)和控制電子器件、 微納機(jī)電器件和傳感器的新方法。壓電電子學(xué)晶體管與傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管有不同的工作原 理和結(jié)構(gòu)。在原理上，傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管是利用外加電壓作為控制信號(hào)，而壓電電子學(xué)晶體 管是利用機(jī)械形變來產(chǎn)生電子控制信號(hào)；在結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管是三端器件，而壓電 電子學(xué)晶體管是兩端器件，其虛擬的第三端由外加壓力代替，實(shí)現(xiàn)對傳輸特性的控制。壓電 電子學(xué)晶體管的這些特點(diǎn)，減少了傳統(tǒng)晶體管中門電極的制備，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械壓力與電子器 件的直接交互，其應(yīng)用范圍將涵蓋人工智能、人機(jī)交互、生物醫(yī)療和通信等領(lǐng)域。但是壓電 電子學(xué)晶體管必須用壓電材料來制備，其產(chǎn)生的壓電電勢的可調(diào)控性，以及在材料的選擇 和應(yīng)用上受到很多限制。
[0004] 納米發(fā)電機(jī)也是王中林院士及其團(tuán)隊(duì)近年來的研究熱點(diǎn)。其中，摩擦發(fā)電機(jī)利用 了接觸起電和靜電感應(yīng)的原理，將兩種鍍有金屬電極的高分子聚合物薄膜貼合在一起組成 器件，在外力作用下器件產(chǎn)生機(jī)械形變，導(dǎo)致兩層聚合物膜之間發(fā)生相互摩擦，從而產(chǎn)生電 荷分離并形成電勢差。該電勢差既能作為自供能主動(dòng)式壓力傳感器，又能作為半導(dǎo)體器件 的控制信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一）要解決的技術(shù)問題
[0006] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于摩擦接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管， 將摩擦起電效應(yīng)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管相結(jié)合，利用摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的靜 電勢作為門極門信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體中載流子輸運(yùn)特性的調(diào)控。
[0007] (二）技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管包括：導(dǎo)電基底10 ;絕緣層20,形成于 導(dǎo)電基底10的正面；場效應(yīng)晶體管組件30,包括：溝道層31，形成于絕緣層20的上方；漏 極32和源極33,形成于溝道層31的上方，兩者之間隔開預(yù)設(shè)距離，并保持預(yù)設(shè)的電勢差； 柵極34,形成于導(dǎo)電基底10的背面；以及摩擦發(fā)電組件40,包括：靜止摩擦層41，形成于柵 極34的下表面；可移動(dòng)摩擦層42,與靜止摩擦層41隔開預(yù)設(shè)距離相對設(shè)置；以及第二導(dǎo)電 層44,形成于可移動(dòng)摩擦層42的外側(cè)，其電性連接至源極33 ;其中，靜止摩擦層41和可移 動(dòng)摩擦層42位于摩擦電極序的不同位置，在外力的作用下，靜止摩擦層41和可移動(dòng)摩擦層 42能夠在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換。
[0009] (三）有益效果
[0010] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管具有以下有 益效果：
[0011] (1)將摩擦起電效應(yīng)和背柵場效應(yīng)晶體管相結(jié)合，利用摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的靜電勢 作為門極門信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體中載流子輸運(yùn)特性的調(diào)控，具有良好的調(diào)控特性；
[0012] (2)利用摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的靜電勢作為門極門信號(hào)，替代了傳統(tǒng)晶體管中門電極 的供電電壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力與電子器件的直接交互，相比壓電電子學(xué)晶體管具有更廣泛的 半導(dǎo)體材料選擇；
[0013] (3)整個(gè)場效應(yīng)晶體管基于SOI硅片和摩擦發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作與集成， 易于實(shí)現(xiàn)器件的微型化和陣列化；
[0014] (4)摩擦發(fā)電機(jī)的其中一個(gè)摩擦層作為承載壓力的部件，而SOI襯底和柵極、源極 等并不直接承載壓力，而可移動(dòng)摩擦層和SOI襯底之間可以采用彈性部件連接，因此背柵 場效應(yīng)晶體管整體上可承受較大的機(jī)械形變，相比壓電電子學(xué)晶體管具有更寬的外力傳感 范圍。
【附圖說明】
[0015] 圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為圖1所示場效應(yīng)晶體管的工作原理圖；
[0017] 圖3給出了對于第一實(shí)施例，源漏電壓Vd為5V時(shí)，源漏電流Id隨可移動(dòng)摩擦層與 柵極間距Cl 1的變化曲線；
[0018] 圖4為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖5為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖6為圖5所示場效應(yīng)晶體管的工作原理圖；
[0021] 圖7給出了對于第三實(shí)施例背柵場效應(yīng)晶體管，源漏電壓Vd為5V時(shí)，源漏電流I d 隨可移動(dòng)摩擦層與靜止摩擦層間距Cl1的變化曲線；
[0022] 圖8為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 【本發(fā)明主要元件符號(hào)說明】
[0024] 10-導(dǎo)電基底；
[0025] 20-絕緣層；
[0026] 30-場效應(yīng)晶體管組件；
[0027] 31-溝道層； 32-漏極；
[0028] 33-源極； 34-柵極；
[0029] 40-摩擦發(fā)電組件；
[0030] 41-靜止摩擦層；42-可移動(dòng)摩擦層；
[0031] 43-彈性部件； 44-第二導(dǎo)電層。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等 于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的 方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033] 本發(fā)明將摩擦發(fā)電機(jī)和背柵場效應(yīng)晶體管相結(jié)合，將摩擦發(fā)電機(jī)的一摩擦層與背 柵場效應(yīng)晶體管的柵極固定或者將兩者合為一個(gè)部件，利用外力使另一摩擦層與該摩擦層 接觸起電并產(chǎn)生柵極電勢，從而實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體中載流子輸運(yùn)特性的調(diào)控。
[0034] 一、第一實(shí)施例
[0035] 在本發(fā)明的第一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體 管。圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖 1所示，本實(shí)施例基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管包括：導(dǎo)電基底10 ;絕緣層20,形成于 導(dǎo)電基底10的正面；場效應(yīng)晶體管組件30,包括：溝道層31，形成于絕緣層20的上方；漏極 32和源極33,形成于溝道層31的上方，兩者之間隔開預(yù)設(shè)距離，并保持預(yù)設(shè)的電勢差；柵極 34,形成于導(dǎo)電基底10的背面；摩擦發(fā)電組件40,包括：靜止摩擦層41，與導(dǎo)電基底10保持 相對靜止，所述柵極34作為該靜止摩擦層；可移動(dòng)摩擦層42,與靜止摩擦層41隔開預(yù)設(shè)距 離相對設(shè)置；第二導(dǎo)電層44,形成于可移動(dòng)摩擦層42的外側(cè)，并且，該第二導(dǎo)電層44與靜 止摩擦層41電性絕緣，其電性連接至源極33 ;其中，所述靜止摩擦層41和可移動(dòng)摩擦層42 位于摩擦電極序的不同位置，在外力的作用下，靜止摩擦層41和可移動(dòng)摩擦層42能夠在分 離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換。
[0036] 對于本實(shí)施例基于接觸起電的背柵場效應(yīng)晶體管而言，在接觸狀態(tài)，靜止摩擦層 41和可移動(dòng)摩擦層42相互接觸，產(chǎn)生摩擦電荷，在隨后的分離狀態(tài)，靜止摩擦層41和可移 動(dòng)摩擦層42分開，摩擦電荷使第二導(dǎo)電層44和源極33之間產(chǎn)生電勢差，使第二導(dǎo)電層44 的電子朝向源極33流動(dòng)，進(jìn)而在源極33和柵極34之間產(chǎn)生電勢差，改變了溝道層31的溝 道寬度，從而起到了調(diào)節(jié)源漏之間電流大小的作用。
[0037] 以下對本實(shí)施例基于接觸起電