CN104600114B - 摩擦电场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

摩擦电场效应晶体管属于柔性电子学器件领域，将摩擦起电效应和半导体效应相结合，利用外力产生摩擦，形成静电势作为门极信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控。本发明能够将器件受到的机械作用转化为局域电子控制信号，实现了利用摩擦效应产生静电势作为栅极电压调控电子器件中载流子输运特性的新方法。与传统场效应晶体管不同，摩擦电场效应晶体管利用摩擦产生电子控制信号，取代了传统场效应晶体管中的门电极，实现了外力与电子器件的直接交互，具有较宽的外力传感范围，将广泛应用于人机交互、传感器、柔性电子学等领域。

Description

摩擦电场效应晶体管
技术领域
本发明属于柔性电子学器件领域，特别是涉及一种摩擦电场效应晶体管。
背景技术
场效应晶体管的核心技术是通过利用门电压来控制元件中的电流输运过程。虽然场效应晶体管技术十分成熟，但鉴于器件单元的三端结构，通常需要比较复杂的集成手段，并且基于此类技术制成的压力传感器件缺乏外界环境与电子器件直接作用交互的机制。
纳米发电机是近年来的研究热点。其中，摩擦型发电机利用了摩擦起电和静电感应的原理，将两种镀有电极的摩擦薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层薄膜之间发生相互摩擦，从而产生电荷分离并形成电势差。两个金属极板作为发电机的电能输出端，通过静电感应可以在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路形成电流。摩擦型发电机的研制，既能作为微纳器件的功率源，又能作为自供能主动式压力传感器，可为个人电子产品、环境监控、医学科学等提供自供电和自驱动设备，有着巨大的商用和实用潜力，也将为柔性电子学的研究和应用开辟新的领域。但是，所有的这些应用利用的都是纳米发电机对外电路输出的电信号，而单纯对其摩擦表面之间形成的静电势都没有很好的利用方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种摩擦电场效应晶体管，将摩擦起电效应和半导体效应相结合，利用摩擦引起的静电势作为门极门信号来实现对半导体中载流子输运特性的调控，以减少传统晶体管中门电极的制备，实现机械压力与电子器件的直接交互，解决压电电子晶体管对压电半导体材料的依赖和外力传感范围较小等问题。
为实现上述目的，本发明提供一种摩擦电场效应晶体管，包括：半导体层、在该半导体层上分隔设置的源电极和漏电极、在该半导体层的相对两侧分别设置的第一电极层和第二电极层，其特征在于，所述第一电极层与所述半导体层之间能够形成间距变化的相对运动，所述第二电极层与所述半导体层之间保持欧姆接触；
优选地，所述第一电极层和第二电极层之间电连接；
优选地，所述半导体层为N型或P型半导体，选自锗、硅、砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌和氧化锌；
优选地，所述半导体层为体材料、薄膜、单根纳米线或纳米线阵列；
优选地，所述半导体层中还包含源极区和漏极区，所述源极区和漏极区为与所述半导体层形成P-N结的半导体，或，与所述半导体层形成肖特基接触的金属；所述源电极和漏电极分别位于相互分隔的所述源极区和漏极区之上；
优选地，在所述半导体层的部分上表面上覆盖有栅绝缘层，所述栅绝缘层位于所述源极区和漏极区之间，并且与所述源极区和漏极区同时接触；
优选地，所述栅绝缘层与所述第一电极层面对面，并且所述第一电极层与所述栅绝缘层之间能够形成接触和分离的相对运动；
优选地，所述第一电极层与栅绝缘层在接触时能够覆盖所述栅绝缘层的全部表面，并且与所述源极区和漏极区不能接触；
优选地，所述栅绝缘层面向所述第一电极层的表面材料，与，第一电极层面向栅绝缘层的表面材料，具备不同的得失电子能力；
优选地，所述半导体层为N型半导体，所述栅绝缘层面向所述第一电极层的表面材料相对于所述第一电极层面向栅绝缘层的表面材料具有更强的得电子能力；或者，所述半导体层为P型半导体，所述栅绝缘层面向所述第一电极层的表面材料相对于所述第一电极层面向栅绝缘层的表面材料具有较弱的得电子能力；
优选地，所述源极区和漏极区为金属，同时承担所述源电极和漏电极的功能；
优选地，所述半导体层包括沟道层、与所述沟道层呈反型的阻碍层和在二者之间形成的耗尽层，所述阻碍层与所述第一电极层面对面，所述耗尽层的初始跨度小于所述源电极和漏电极之间的最小间距；
优选地，所述源电极和所述漏电极均为金属材料，并且与所述沟道层形成欧姆接触；
优选地，所述第一电极层与所述阻碍层之间能够发生接触-分离式的相对运动；
优选地，所述阻碍层为P型半导体、N型半导体或金属，所述沟道层为P型或N型半导体；
优选地，所述沟道层为体材料、薄膜、单根纳米线或纳米线阵列；
优选地，还包括摩擦层，所述摩擦层延伸覆盖所述阻碍层的部分上表面，所述第一电极层与所述摩擦层之间能够发生接触-分离式的相对运动；
优选地，所述阻碍层为P型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有更强的得电子能力；或者，所述阻碍层为N型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有较弱的得电子能力；或者，所述阻碍层为金属，所述沟道层为P型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有较弱的得电子能力；或者，所述阻碍层为金属，所述沟道层为N型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有更强的得电子能力；
优选地，所述摩擦层为多层结构，其中与所述阻碍层接触的一侧为金属层，而与第一电极层面对面的一侧为绝缘层或半导体层；
优选地，所述第一电极层含有导电材料，所述导电材料选自金属、合金以及导电氧化物；
优选地，所述第一电极层为多层结构，其上表面为导电材料，面向所述栅绝缘层、所述沟道层或所述摩擦层的下表面为绝缘材料或半导体材料；
优选地，所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体；
优选地，所述第一电极层面向所述栅绝缘层、所述沟道层或所述摩擦层的表面，和/或，所述栅绝缘层面、所述沟道层或所述摩擦层向所述第一电极层的表面，全部或部分设置有微纳结构，所述微纳结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由上述结构形成的阵列；
优选地，所述第一电极层与所述栅绝缘层、所述沟道层或所述摩擦层具有相同或相近的尺寸和形状；
优选地，所述第二电极层的形状与所述第一电极层相比相同或相似，尺寸相同或更大；
优选地，所述第二电极层与所述第一电极层的材料相同或不同。
本发明的特点是：将摩擦起电效应和半导体效应相结合，利用外力产生摩擦，形成静电势作为门极信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控。本发明能够将器件受到的机械作用转化为局域电子控制信号，实现了利用摩擦效应产生静电势作为栅极电压调控电子器件中载流子输运特性的新方法。与传统场效应晶体管不同，摩擦电场效应晶体管利用摩擦产生电子控制信号，取代了传统场效应晶体管中的门电极，实现了外力与电子器件的直接交互，将广泛应用于人机交互、传感器、柔性电子学等领域。
和已有的压电电子晶体管相比，本发明有以下优势：1）不局限于压电半导体材料，应用范围可面向所有半导体；2）可基于现有硅基CMOS技术，易于集成，易于实现器件的微型化和阵列化；3）器件可承受较大的机械形变，具有较宽的外力传感范围。
附图说明
图1为本发明中摩擦电绝缘栅型场效应晶体管的典型结构示意图；
图2为本发明中摩擦电绝缘栅型场效应晶体管的工作原理图；
图3为本发明中摩擦电绝缘栅型场效应晶体管的另一种典型结构示意图；
图4为本发明中摩擦电结型场效应晶体管的典型结构示意图；
图5为本发明中摩擦电结型场效应晶体管的工作原理图；
图6为本发明中摩擦电结型场效应晶体管的另一种典型结构示意图；
图7为本发明中摩擦电结型场效应晶体管的另一种典型结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
本发明将摩擦电效应与场效应晶体管结合形成一种全新的摩擦电场效应晶体管，主要包括半导体层、在该半导体层上分隔设置的源电极和漏电极、在该半导体层的相对两侧分别设置的第一电极层和第二电极层，其中第一电极层与所述半导体层之间能够形成间距变化的相对运动，而第二电极层与所属半导体层之间保持欧姆接触。本发明的摩擦电场效应晶体管将传统场效应晶体管中固定的栅电极改变成活动的电极层，并且利用该电极层与半导体层或栅绝缘层之间的摩擦来形成内电场，作为控制沟道宽度的门电压，从而实现了环境机械能与电子器件的直接交互。本发明的摩擦电场效应晶体管分为绝缘栅型和结型，分别对应于传统的绝缘栅型和结型场效应晶体管，以下将结合具体的实施例分别进行说明。
图1为本发明摩擦电绝缘栅型场效应晶体管的一种典型结构，包括：半导体层1，在半导体层1上分隔形成的源极区2-1和漏极区2-2，在半导体层1的部分上表面上形成的、位于源极区2-1和漏极区2-2之间的栅绝缘层3，位于栅绝缘层3上方的第一电极层4和与半导体层1的至少部分下表面形成欧姆接触的第二电极层5；其中，该栅绝缘层3同时与源极区2-1和漏极区2-2接触，第一电极层4与栅绝缘层3面对面，二者之间能够形成接触和分离的相对运动，第一电极层4与栅绝缘层3的接触表面在半导体层1上表面的投影同时与源极区2-1和漏极区2-2有交集，并且第一电极层4不能与源极区2-1和漏极区2-2接触，第一电极层4和第二电极层5之间通过导线连接。
图2为本发明摩擦电绝缘栅型场效应晶体管的工作原理图，此处以N型半导体衬底为半导体层1、源极区2-1和漏极区2-2分别由P型半导体区形成的场效应晶体管为例进行说明，该原理对于采用本领域其他常规材料来制备半导体层1、源极区2-1和漏极区2-2的情况也同样适用。
如图2(a)所示，第一电极层4与栅绝缘层3形成一对摩擦面，初始状态其间距为d0。两个P型区2-1和2-2外接电源，在外电场的作用下，半导体层1中形成电流ID。
如图2(b)所示，在外力F作用下，栅绝缘层3与第一电极层4接触并产生摩擦，由于不同的电子束缚能力，栅绝缘层3带负电，第一电极层4带正电。
如图2(c)所示，当外力F逐渐撤去时，第一电极层4与栅绝缘层3逐渐分离，其间距为d1（d1<d0），此过程电子从第二电极层5流向第一电极层4以达到电平衡。由此导致第二电极层5带正电，与栅绝缘层3形成了垂直于电流ID方向的内电场。
如图2(d)所示，当外力F完全撤去后，第一电极层4与栅绝缘层3完全分离，其间距恢复为d0，此时第二电极层5带与栅绝缘层3等量的正电荷，以形成电平衡，垂直于电流ID方向的内电场达到最大。此过程中N型半导体层1在内电场作用下产生电荷极化，使得N型半导体层1的上表面吸引空穴、排斥电子，并产生反型，增加了N型半导体层1中的导电沟道宽度，提高了电流ID的大小，起到了调控半导体载流子输运的作用。
如图2(e)所示，当外力F再次作用时，第一电极层4与栅绝缘层3逐渐接近，其间距为d1（d1<d0），此过程电子从第一电极层4流向第二电极层5以达到电平衡。第二电极层5带的正电逐渐减小，与栅绝缘层3形成的垂直于电流ID方向的内电场也逐渐减小，此过程N型半导体层1中的导电沟道宽度变小，电流ID变小。当外力F完全作用时，第一电极层4与栅绝缘层3再次接触，第一电极层4带与栅绝缘层3等量的正电荷，以形成电平衡，垂直于电流ID方向的内电场达到最小，回到了如图2(b)所示的状态。
通过上述摩擦电场效应晶体管的工作原理可以看出，外力F可以调控垂直于半导体层1中电流方向的静电场大小，起到栅极电压的作用，从而可实现对半导体层中电流大小的调控。
对于摩擦电绝缘栅型场效应晶体管，栅绝缘层3的厚度远小于半导体层1的厚度，因此外力F形成的栅极电压最大值为：
其中，QG为栅绝缘层3与第一电极层4接触摩擦产生的电荷量，SG为栅绝缘层3的上表面积，dS为半导体层1的厚度，εS为半导体层1的介电常数。
半导体层1是本发明摩擦电场效应晶体管的基本部件，为本领域常用的N型或P型半导体，一般为晶态半导体，比如元素半导体锗、硅，化合物半导体砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌、氧化锌等，特别是硅半导体。在栅型场效应晶体管中，半导体层1为均匀组成的材料，一般不分层。当半导体层1为N型半导体时，源极区2-1和漏极区2-2应为P型半导体或金属，以在栅极电压下形成P型导电沟道；当半导体层1为P型半导体时，源极区2-1和漏极区2-2应为N型半导体或金属，以在栅极电压下形成N型导电沟道。半导体层1选自体材料、薄膜、单根纳米线或纳米线阵列，其厚度在100nm至10μm之间，优选在源极区2-1和漏极区2-2连线方向上横向排布的单根纳米线。
对于绝缘栅型场效应晶体管，源极区2-1和漏极区2-2与半导体层1之间必须形成P-N结或肖特基接触，为此，二者均可选自半导体或金属。当源极区2-1和漏极区2-2为半导体时，二者与半导体层1之间可以是同质P-N结，也可以是异质P-N结，并且分别通过与其欧姆接触的源电极6-1和漏电极6-2与外电源连接。所述P-N结既可以通过扩散或注入的方式直接在半导体层1上直接形成，也可以通过后期加工的方式与半导体层1进行复合。例如在P型半导体层1中引入例如P、As或Sb的N型掺杂剂；或在N型半导体层1引入例如B、Ga或In的P型掺杂剂形成。
当源极区2-1和漏极区2-2为金属时，优选使用过渡金属及其合金，例如Er、Y、Yb、Ni、Pt、以及包含上述金属的合金，更优选通过沉积的方式在半导体层1的表面形成分隔的金属源极区2-1和金属漏极区2-2。图3为具有金属源/漏极结构的摩擦电场效应晶体管的典型结构示意图，其主要结构与图1所示的实施方式相同，唯一的区别在于源极区2-1和漏极区2-2是由沉积的金属形成，并与半导体层1之间形成肖特基接触，从而省略了源电极6-1和漏电极6-2。
源极区2-1和漏极区2-2可以位于半导体层1的两端，也可以位于半导体层1上表面的中部，二者之间的距离并不严格限定，优选在100nm至10mm范围内，比较方便加工。
栅绝缘层3与半导体层1的上表面紧密接触，并且同时与源极区2-1和漏极区2-2接触，以保证能够形成连续的导电沟道。常规的绝缘材料均可用于制作栅绝缘层3，优选选自二氧化硅、SiON、GeO2、GrONd、HfO2、氧化铝、HfAlxOy、HfxLayO、LaxOy、LazZryO和ZrxOy。栅绝缘层3一般为薄膜材料，厚度在0.1nm至10nm之间。作为本发明摩擦电场效应晶体管的一个重要部件，栅绝缘层3还提供了一个用于产生表面电荷和内电场的摩擦层，为此栅绝缘层3的材料选择还需要结合与其配套使用的第一电极层4来考虑。
第一电极层4的作用与传统场效应晶体管中的栅电极类似，但是并不完全相同。二者的共同点在于都是通过使栅绝缘层3带电来形成内电场，从而控制沟道的宽度。区别在于：第一，传统的栅电极与栅绝缘层3之间始终保持紧密接触，而本发明中的第一电极层4与栅绝缘层3之间则能够形成接触和分离的相对移动，并且在二者接触时产生摩擦，以在接触表面形成表面电荷；第二，传统的栅电极必须通过外加电压才能够实现对沟道宽度的调节效果，而本发明则无需外加电压，仅通过第一电极层4与栅绝缘层3之间的摩擦和相对位移即可达到相同的效果。因此，本发明对第一电极层4首先需要控制的是其形状和尺寸，应保证第一电极层4与栅绝缘层3的接触表面在半导体层1上表面的投影同时与源极区2-1和漏极区2-2有交集，并且第一电极层4不能与源极区2-1和漏极区2-2接触，优选，第一电极层4与栅绝缘层3在接触时能够覆盖绝缘层3的全部表面，更优选第一电极层4与栅绝缘层3具有相同的形状和尺寸，以保证二者在接触时表面完全重合。其次需要控制的是第一电极层4、栅绝缘层3和沟道类型之间的匹配关系。根据前述的本发明摩擦电场效应晶体管的工作原理可以清楚的知道，晶体管的内电场方向是由栅绝缘层3上的电荷电性来控制的，只有能够引起晶体管反型的内电场方向才是有效的内电场。因此，就要求栅绝缘层3上聚集的表面电荷应该与沟道载流子具有相反的电性。即，对于在栅压下形成P型导电沟道的晶体管，栅绝缘层3在与第一电极层4摩擦后应聚集一定量的负电荷，而对于在栅压下形成N型导电沟道的晶体管，栅绝缘层3上则应聚集一定的正电荷。为实现该目的，可调整栅绝缘层3和第一电极层4的选材，首先，栅绝缘层3面向第一电极层4的表面材料与第一电极层4面向栅绝缘层3的表面材料之间必须具备不同的得失电子能力，当栅绝缘层3材料的得电子能力更强，那么二者在接触摩擦并分离后栅绝缘层3上留下的即为负电荷，相反则为正电荷。对于材料的得失电子能力可以参考本领域的一般规律，半导体的得电子能力一般优于金属，而绝缘材料的得电子能力一般较强。
第一电极层4可以选自金属、合金以及导电氧化物，优选金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，更优选为铂电极。
第一电极层4还可以是多层结构，例如，其上表面为导电材料层，而与栅绝缘层3接触的下表面为绝缘材料或半导体材料。由于绝缘材料和半导体材料在摩擦过程中对电子的得失能力与金属相差较大，而且材料的可选择种类较多，这样的结构更有利于灵活的调控第一电极层4与栅绝缘层3摩擦后，栅绝缘层3的表面电荷电性。其中，绝缘材料和半导体材料选择摩擦纳米发电机中常用的材料即可，例如聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦材料，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO2和Y2O3。
为了增加第一电极层4和栅绝缘层3之间的摩擦效果，可以从两个方面入手，第一是调整第一电极层4和栅绝缘层3的材料匹配。实验表明，当二者对表面电子的束缚能力相差越大时，接触摩擦后产生的表面电荷就越多，二者分离后在晶体管内形成的内电场就越强，对沟道的控制就越有利。二是对第一电极层4和栅绝缘层3的接触表面进行修饰和改性。例如，在第一电极层4的下表面和/或栅绝缘层3的上表面全部或部分修饰有微纳结构，可以有效的增加二者的接触面积，从而提高接触电荷的密度。该微纳结构可以选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由上述结构形成的阵列。还可以通过物理或者化学修饰的方式，在容易得电子的表面引入更容易得电子的官能团，而在容易失去电子的表面引入更容易失电子的官能团，这些在现有技术中都有常规的方法，在此不再赘述。
第二电极层5通过与第一电极层4之间的电子转移而带电，并成为给摩擦电场效应晶体管施加内电场的一个电极。本发明对其尺寸和形状并没有严格限定，但是为了提高内电场的均匀性，优选第二电极层5与第一电极层4具有相同或相似的形状、相等或更大的尺寸。第二电极层5由导电材料制备，例如金属、合金或导电氧化物，与第一电极层4的材料可以相同，也可以不同，优选金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，更优选为金属铂。
为了实现第一电极层4和第二电极层5之间的电荷转移，从而构建本发明所需的内电场，二者之间应保持电连接，优选通过导线直接连接。
图4为本发明摩擦电结型场效应晶体管的典型结构示意图，包括：半导体层、在该半导体层上分隔形成的金属源电极9-1和金属漏电极9-2、在半导体层上方设置的第一电极层11、与半导体层下表面呈欧姆接触的第二电极层12、以及摩擦层10；其中，所述半导体层包括沟道层6、与沟道层6呈反型的阻碍层7和在二者之间形成的耗尽层8；摩擦层10延伸覆盖阻碍层7的部分上表面，并且与第一电极层11面对面，第一电极层11能够与摩擦层10之间发生接触-分离式的相对运动，第一电极层11和第二电极层12之间通过导线连接，耗尽层8的初始跨度小于金属源电极9-1和金属漏电极9-2之间的最小间距，所述的“初始跨度”为在未施加门电压的情况下所形成的耗尽层8的跨度。
图5为图4所示的摩擦电结型场效应晶体管的工作原理图。此处以N型半导体材料作为沟道层6、在其上表面扩散形成的P型区作为阻碍层7、与P型区7形成欧姆接触的金属材料作为摩擦层10为例进行说明：
如图5(a)所示，第一电极层11与摩擦层10形成一对摩擦面，初始状态其间距为d0。源电极9-1和漏电极9-2外接电源，在半导体中形成电流ID。
如图5(b)所示，在外力F作用下，第一电极层11与摩擦层10接触产生摩擦，由于不同的电子束缚能力，摩擦层10带负电，第一电极层11带正电。
如图5(c)所示，当外力F逐渐撤去时，第一电极层11与摩擦层10逐渐分离，其间距为d1（d1<d0），此过程电子从第二电极层12流向第一电极层11以达到电平衡。第二电极层12带正电，与摩擦层10形成了垂直于电流ID方向的内电场。
如图5(d)所示，当外力F完全撤去后，第一电极层11与摩擦层10完全分离，其间距恢复为d0，此时第二电极层12带与摩擦层10等量的正电荷，以形成电平衡，垂直于电流ID方向的内电场达到最大。此过程中N型半导体沟道层6与P型区的阻碍层7形成的P-N结在内电场作用下产生反向偏置，使得耗尽层8的厚度增大，缩小了N型半导体沟道层6的宽度，减小了电流ID的大小，起到了调控半导体载流子输运的作用。
如图5(e)所示，当外力F再次作用时，第一电极层11与摩擦层10逐渐接近，其间距为d1（d1<d0），此过程电子从第一电极层11流向第二电极层12以达到电平衡。第二电极层12带的正电逐渐减小，与摩擦层10形成的垂直于电流ID方向的内电场也逐渐减小，此过程中N型半导体沟道层6的导电宽度变大，电流ID增大。
当外力F完全作用时，第一电极层11与摩擦层10再次接触，第一电极层11带与摩擦层10等量的正电荷，以形成电平衡，垂直于电流ID方向的内电场达到最小，回到了如图5(b)所示的状态。
因此，外力F可以调控垂直于半导体中电流方向的静电场大小，起到栅极电压的作用，从而可实现对半导体中电流大小的调控。P型沟道层的摩擦电结型场效应晶体管工作原理与图5相同，只需控制通过摩擦形成内电场的方向相反即可。
本实施方式中的半导体层由沟道层6、阻碍层7和二者之间的耗尽层8构成，其中沟道层6和阻碍层7可以使用本领域在制备结型场效应晶体管中常用的半导体材料，其中阻碍层7可以通过扩散或注入的方式在沟道层的表面直接制备从而形成同质P-N结，也可以通过其他方式制备异质P-N结，例如AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InAlAs或InAlAs/InGaAs等异质界面。或者阻碍层7也可替换成与沟道层6形成肖特基接触的金属材料。
沟道层6选自半导体体材料、薄膜、纳米线或纳米线阵列，其厚度在100nm至10μm之间，优选在金属源电极9-1和金属漏电极9-2连线方向上横向排布的单根纳米线。阻碍层7的尺寸没有明确限定，只要满足耗尽层8的初始跨度小于金属源电极9-1和金属漏电极9-2之间的最小间距即可，所述的“初始跨度”为在未施加门电压的情况下所形成的耗尽层8的跨度。
金属源电极9-1和金属漏电极9-2需要与沟道层6形成欧姆接触，可以使用本领域常规的电极材料，例如过渡金属及其合金，优选Er、Y、Yb、Ni、Pt、以及包含上述金属的合金。二者可以制备在沟道层6的同一侧面上，也可以分散在不同的侧面上，尤其是分散在相对的两个侧面，对于尺寸没有特殊要求。
摩擦层10作为产生并保持内电场的一个组件，与第一电极层11配合构成了摩擦纳米发电机的两个摩擦表面。为了形成方向合适的内电场，摩擦层10的材料选择需要考虑第一电极层11和阻碍层7的材料：如果阻碍层7为P型半导体，那么摩擦层10在摩擦后应该持有负的表面电荷，才能有效增加耗尽层8的宽度，为此摩擦层10面向第一电极层11的表面材料相对于第一电极层面向摩擦层10的表面材料11而言，得电子能力应该更强，例如半导体或绝缘体；相反，如果阻碍层7为N型半导体，摩擦层10面向第一电极层11的表面材料相对于第一电极层11面向摩擦层10的表面材料而言，得电子能力应该较弱，例如某些绝缘体或金属；如果阻碍层7为金属，沟道层6为N型半导体，则摩擦层10在摩擦后应该持有负的表面电荷，才能有效增加耗尽层8的宽度；如果阻碍层7为金属，而沟道层6为P型半导体，则摩擦层10在摩擦后应该持有正的表面电荷，才能有效增加耗尽层8的宽度。综上，根据具体情况的不同，摩擦层10可以选择金属、半导体或绝缘体，其中半导体和绝缘体的选择范围与前面图1所示实施例中第一电极层4下表面材料的选择范围相同。
另外，摩擦层10不仅可以是单层结构，还可以是多层结构，例如其与阻碍层7接触的一侧为金属层而与第一电极层11接触的一侧为绝缘层或半导体层。多层结构可以在第一电极层11的材料不可更改的情况下，满足对不同内电场的要求。
第一电极层11除了电极的功能外，还是一个摩擦表面。因此如前所述，对第一电极层11的材料选择需要协调考虑摩擦层10和阻碍层7的材料。为了达到较好的摩擦效果，第一电极层11的形状和尺寸优选与摩擦层10的形状和尺寸相同或相似，以使二者能够完全重合、有效摩擦面积达到最大。而第二电极层12则主要起电极的作用，因此本领域的常规电极材料均可使用。对其尺寸和形状没有特别限定，但是为了对耗尽层8的调整更为灵敏，优选其具有与摩擦层10相同或相近的尺寸和形状。
为了优化第一电极层11和摩擦层10的摩擦效果，可以对第一电极层11的下表面和/或摩擦层10的上表面做物理或化学的处理或修饰，使其具有微纳结构或连接不同的官能团，具体细节与前面对图1所示的实施方式中描述的一致，在此不再赘述。
图6为本发明摩擦电结型场效应晶体管的另一种典型结构，其主要结构与图4所示的实施方式相同，唯一的区别在于：省略了摩擦层10，而摩擦层10的作用由阻碍层7来承担。以P型半导体材料作为阻碍层7为例，当第一电极层11在外力的作用下与阻碍层7接触发生摩擦后，由于得失电子能力的差异，使得阻碍层7表面带有负电荷，而第一电极层11表面带有正电荷；当施加的外力逐渐减小、第一电极层11与阻碍层7分离时，为了实现电荷的平衡，部分电子由第二电极层12流入第一电极层11，而是两个电极层均带有部分正电荷，从而在阻碍层7和第二电极层12之间形成了内电场，并促使耗尽层的宽度增加，由此达到了类似门电压的作用。该实施例中第一电极层11的形状应与阻碍层7相同或相似，尺寸应小于阻碍层7。
本实施例中阻碍层7除了可以选择P型或N型的半导体材料，还可以选择常规的金属材料，并通过与沟道层6之间的肖特基接触来形成耗尽层8。
图7为本发明摩擦电结型场效应晶体管的另一种典型结构，其主要结构与图4所示的实施方式相同，唯一的区别在于在第一电极层11为多层结构，其下表面为第二摩擦层13，用以调整在摩擦过程中摩擦层10上所产生的表面电荷的电性，从而控制内电场的方向和大小。第二摩擦层13可以根据需要选自前述的绝缘体或半导体材料。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (31)

1.一种摩擦电场效应晶体管，包括：半导体层、在该半导体层上分隔设置的源电极和漏电极、在该半导体层的相对两侧分别设置的第一电极层和第二电极层，其特征在于，所述第一电极层与所述半导体层之间能够形成间距变化的相对运动，所述第二电极层与所述半导体层之间保持欧姆接触，所述第一电极层和第二电极层之间电连接。
2.如权利要求1所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层为N型或P型半导体，选自锗、硅、砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌和氧化锌。
3.如权利要求1-2任一项所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层为体材料、薄膜、单根纳米线或纳米线阵列。
4.如权利要求1-2任一项所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层中还包含源极区和漏极区，所述源极区和漏极区为与所述半导体层形成P-N结的半导体，或，与所述半导体层形成肖特基接触的金属；所述源电极和漏电极分别位于相互分隔的所述源极区和漏极区之上。
5.如权利要求4所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，在所述半导体层的部分上表面上覆盖有栅绝缘层，所述栅绝缘层位于所述源极区和漏极区之间，并且与所述源极区和漏极区同时接触。
6.如权利要求5所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层与所述第一电极层面对面，并且所述第一电极层与所述栅绝缘层之间能够形成接触和分离的相对运动。
7.如权利要求6所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层与栅绝缘层在接触时能够覆盖所述栅绝缘层的全部表面，并且与所述源极区和漏极区不能接触。
8.如权利要求5所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层面向所述第一电极层的表面材料，与，第一电极层面向栅绝缘层的表面材料，具备不同的得失电子能力。
9.如权利要求8所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层为N型半导体，所述栅绝缘层面向所述第一电极层的表面材料相对于所述第一电极层面向栅绝缘层的表面材料具有更强的得电子能力；或者，所述半导体层为P型半导体，所述栅绝缘层面向所述第一电极层的表面材料相对于所述第一电极层面向栅绝缘层的表面材料具有较弱的得电子能力。
10.如权利要求4所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述源极区和漏极区为金属，同时承担所述源电极和漏电极的功能。
11.如权利要求1-2任一项所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层包括沟道层、与所述沟道层呈反型的阻碍层和在二者之间形成的耗尽层，所述阻碍层与所述第一电极层面对面，所述耗尽层的初始跨度小于所述源电极和漏电极之间的最小间距。
12.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述源电极和所述漏电极均为金属材料，并且与所述沟道层形成欧姆接触。
13.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层与所述阻碍层之间能够发生接触-分离式的相对运动。
14.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述阻碍层为P型半导体、N型半导体或金属，所述沟道层为P型或N型半导体。
15.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述沟道层为体材料、薄膜、单根纳米线或纳米线阵列。
16.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，还包括摩擦层，所述摩擦层延伸覆盖所述阻碍层的部分上表面，所述第一电极层与所述摩擦层之间能够发生接触-分离式的相对运动。
17.如权利要求16所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述阻碍层为P型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有更强的得电子能力；或者，所述阻碍层为N型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有较弱的得电子能力；或者，所述阻碍层为金属，所述沟道层为P型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有较弱的得电子能力；或者，所述阻碍层为金属，所述沟道层为N型半导体，所述摩擦层面向第一电极层的表面相对于所述第一电极层面向摩擦层的表面，具有更强的得电子能力。
18.如权利要求16所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述摩擦层为多层结构，其中与所述阻碍层接触的一侧为金属层，而与第一电极层面对面的一侧为绝缘层或半导体层。
19.如权利要求1-2任一项所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层含有导电材料，所述导电材料选自金属、合金以及导电氧化物。
20.如权利要求5所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层为多层结构，其上表面为导电材料，面向所述栅绝缘层的下表面为绝缘材料或半导体材料。
21.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层为多层结构，其上表面为导电材料，面向所述沟道层的下表面为绝缘材料或半导体材料。
22.如权利要求16所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层为多层结构，其上表面为导电材料，面向所述摩擦层的下表面为绝缘材料或半导体材料。
23.如权利要求20所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体。
24.如权利要求5所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层面向所述栅绝缘层的表面，和/或，所述栅绝缘层面向所述第一电极层的表面，全部或部分设置有微纳结构，所述微纳结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由上述结构形成的阵列。
25.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层面向所述沟道层的表面，和/或，所述沟道层面向所述第一电极层的表面，全部或部分设置有微纳结构，所述微纳结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由上述结构形成的阵列。
26.如权利要求16所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层面向所述摩擦层的表面，和/或，所述摩擦层面向所述第一电极层的表面，全部或部分设置有微纳结构，所述微纳结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由上述结构形成的阵列。
27.如权利要求5所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层与所述栅绝缘层具有相同或相近的尺寸和形状。
28.如权利要求11所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层与所述沟道层具有相同或相近的尺寸和形状。
29.如权利要求16所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极层与所述摩擦层具有相同或相近的尺寸和形状。
30.如权利要求1-2任一项所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第二电极层的形状与所述第一电极层相比相同或相似，尺寸相同或更大。
31.如权利要求1-2任一项所述的摩擦电场效应晶体管，其特征在于，所述第二电极层与所述第一电极层的材料相同或不同。
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