CN110164981B - 调节肖特基器件的肖特基势垒的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种调节肖特基器件的肖特基势垒的方法，包括：将所述肖特基器件与摩擦纳米发电机连接；以及在所述摩擦纳米发电机上施加外力作用，使摩擦纳米发电机产生脉冲电压，以调节所述肖特基器件的肖特基势垒。本公开调节肖特基器件的肖特基势垒的方法，操作简单，成本低，安全性高，易于实现，可更精确、方便的调节肖特基势垒，从而改变肖特基器件的电性能。

Description

调节肖特基器件的肖特基势垒的方法
技术领域
本公开属于半导体技术领域，具体是涉及一种利用摩擦纳米发电机调节肖特基器件的肖特基势垒的方法。
背景技术
金属与半导体形成肖特基接触时，其器件的电性能主要受接触形成的肖特基势垒控制，其I-V曲线呈现整流特性。肖特基接触器件的电流与肖特基势垒成指数关系，微量的肖特基势垒的变化会引起显著的电流变化，相对于欧姆接触(I-V曲线为线性关系)，肖特基接触器件在传感领域具有更高的灵敏度。而物联网(Internet of Things)和电子皮肤(Electronic Skin或E-skin)技术的发展，对传感器提出了更高的要求，希望传感器具有更高的灵敏度和更快的响应-回复时间。
现有提高肖特基传感灵敏度的物理方法主要通过对具有压电效应的半导体材料施加外力，通过在半导材料内部形成压电势调控肖特基势垒的高度，耦合待检测对象对肖特基势垒的改变，提高检测的灵敏度和响应回复时间。这种方式只适合于具有压电效应的半导体材料(如GaN、ZnO，CdS和ZnSe等)。此外，具有压电效应的半导体构成的肖特基器件还存在其他的不足，主要包括：1)器件在服役环境中存在不允许器件产生形变的情况；2)微量形变在实际器件中不易获得或会增加器件的复杂性和成本；3)压电效应的存在造成器件在服役过程性能的不稳定；4)形变量有限，对肖特基势垒的调节也有限。
有鉴于此，亟需提出一种简单、稳定的调节肖特基器件的肖特基势垒的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种调节肖特基器件的肖特基势垒的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种调节肖特基器件的肖特基势垒的方法，包括：
将所述肖特基器件与摩擦纳米发电机连接；以及
在所述摩擦纳米发电机上施加外力作用，使摩擦纳米发电机产生脉冲电压，以调节所述肖特基器件的肖特基势垒。
在一些实施例中，通过所述脉冲电压产生镜像力调节所述肖特基器件的肖特基势垒，从而使所述肖特基势垒降低。
在一些实施例中，所述肖特基势垒的降低量满足以下关系式：
Figure BDA0001662530310000021
式中，qΔφ为镜像力引起的肖特基势垒的降低量，q为元电荷，ND为施主掺杂浓度，εs为半导体的介电常数，ε0为真空介电常数，VD内建电势电压，V为所述摩擦纳米发电机产生的脉冲电压。
在一些实施例中，所述摩擦纳米发电机的产生的脉冲电压介于50V～2000V之间，脉冲电压频率f≥0.5HZ，脉冲次数n≤2000次。
在一些实施例中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式、单电极模式、线性滑动模式或自由摩擦层模式。
在一些实施例中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为滑动模式，通过手动旋转或机械旋转在所述摩擦纳米发电机上施加所述外力作用。
在一些实施例中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式，通过手动拍打或机械拍打方式在所述摩擦纳米发电机上施加所述外力作用。
在一些实施例中，通过在摩擦纳米发电机上施加一定频率、一定时间的外力作用使肖特基势垒改变，其中，所述外力作用的时间、外力作用的频率根据所述脉冲电压大小、脉冲电压频率及肖特基势垒的降低量而定。
在一些实施例中，所述肖特基势垒的降低量随着所述脉冲电压大小和脉冲电压频率的增大而增大。
在一些实施例中，所述肖特基器件为金属与半导体接触所形成的肖特基二极管，其包括具有压电效应的半导体肖特基二极管和不具有压电效应的半导体肖特基二极管。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开利用摩擦纳米发电机调节肖特基器件的肖特基势垒的方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开利用摩擦纳米发电机可以对肖特基器件进行作用以调节其肖特基势垒，广泛适用于任意半导体构成肖特基二极管的肖特基势垒的调控，通过调节肖特基势垒的高低可以改变肖特基二极管的电性能。
(2)本公开为不具有压电效应的半导体肖特基器件提供了一种简单有效的调控肖特基势垒的方法，同时，弥补了压电效应调控肖特基势垒过程中存在的不足，也为具有压电效应的半导体肖特基器件的肖特基势垒的调控提供了另一种调节方式，成本低，安全性高，易于实现。
附图说明
图1为依据本公开调节肖特基器件的肖特基势垒的方法流程图。
图2a为本公开中TENG对氧化锌微米线二极管作用的示意图.
图2b为TENG对氧化锌微米线二极管作用后的I-V曲线变化图。
图3为TENG对氧化锌微米线二极管作用前后肖特基势垒的改变示意图(图3为图2b中虚线框部分放大图)。
图4为本公开中TENG对氧化锌微米线作用的电路连接示意图。
图5a为TENG作用不同次数后对氧化锌微米线二极管的I-V曲线的变化图。
图5b为TENG作用不同次数后对氧化锌微米线二极管的肖特基势垒的变化图。
图6为输出电压为500V的TENG对水中的氧化锌微米线二极管进行作用后的I-V曲线的改变示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。
本公开提出一种简单且易操作的调节肖特基器件的肖特基势垒的方法，其主要利用摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator，简称TENG)高电压、低电流的特性，通过将TENG输出端连接到肖特基器件的两端，利用TENG的高电压产生镜像力调控肖特基势垒的高度，为不具有压电效应的半导体肖特基器件提供了一种简单有效的调控肖特基势垒的方法，同时，弥补了压电效应调控肖特基势垒过程中存在的不足，也为具有压电效应的半导体肖特基器件的肖特基势垒的调控提供了另一种调节方式。
具体的，如图1所示，本公开一种调节肖特基器件的肖特基势垒的方法，包括：
将所述肖特基器件与摩擦纳米发电机连接；以及
在所述摩擦纳米发电机上施加外力作用，使摩擦纳米发电机产生脉冲电压，以调节所述肖特基器件的肖特基势垒。
其中，通过所述摩擦纳米发电机输出的所述脉冲电压产生镜像力调控所述肖特基器件肖特基势垒的降低，改变肖特基器件的电性能。
更具体而言，所述肖特基器件为金属与半导体接触所形成的肖特基二极管，其包括具有压电效应的半导体肖特基二极管和不具有压电效应的半导体肖特基二极管。
所述TENG的发电模式可以是是垂直接触分离模式(vertical contact-separation mode)、单电极模式(single-electrode mode)、线性滑动模式(linearsliding mode)和自由摩擦层模式(freestanding triboelectric-layer mode)中的任意一种。摩擦纳米发电机的输出电压可介于50V～2000V之间，具体需要可根据肖特基二极管的性能进行选择。
若所述摩擦纳米发电机的发电模式为滑动模式，可通过手动旋转或机械旋转在所述摩擦纳米发电机上施加所述外力作用。若所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式，可通过手动拍打或机械拍打方式在所述摩擦纳米发电机上施加所述外力作用。
更具体而言，如图2a所示，将TENG连接到肖特基二极管的两端(肖特基二极管可选用氧化锌微米线二极管)，通过在TENG上施加一定频率外力作用，使TENG产生脉冲电压，作用一定时间后(外力作用时间与外力作用频率，主要由脉冲电压的大小、频率和势垒的降低量确定)，肖特基二极管的I-V曲线特性以及肖特基势垒就会发生改变，如图2b和图3所示。TENG的脉冲电压越高，脉冲频率越大(单位时间电压脉冲的个数越多)，其降低肖特基势垒的能力越强。TENG的作用频率f应该≥0.5Hz，作用次数n≥5次，且一般不超过2000次。TENG的作用次数随着TENG的电压频率以及氧化锌微米线二极管的性能改变。
此外，本公开方法可以实现对肖特基势垒持续的降低，进而实现肖特基器件由肖特基接触(I-V曲线呈现整流特性)向欧姆接触(I-V曲线呈现线性特性)的转变。
所述肖特基势垒降低的原因是由于TENG高压产生的镜像力
Figure BDA0001662530310000051
式中，qΔφ为镜像力引起的肖特基势垒的降低量，q为元电荷，ND为施主掺杂浓度，εs为半导体的介电常数，ε0为真空介电常数，VD内建电势电压，V为施加的外部电压。当外部电压较大时，镜像力引起的势垒降低量就较为明显，而TENG的输出电压高，且是脉冲电压，电流小，既能够对肖特基二极管传感器的肖特基势垒进行改变，又不会对器件造成破坏性的损伤，为肖特基势垒的改变提供了一个简单且易获得的高压源。
进一步的，本公开方法也可以在液体环境中实现。
下面结合实例1和实例2详细介绍本公开利用摩擦纳米发电机调节肖特基器件的肖特基势垒的方法。
实例1
本实例为TENG调节Ag-ZnO微米线形成的肖特基结的势垒。TENG的电压为500V，对TENG作用的频率为1Hz，对ZnO微米线肖特基二极管的作用次数为50次。
在本实例中，TENG采用垂直接触分离模式，摩擦层材料采用铝(Al)箔和Kapton(高分子材料)，铝箔和Kapton的厚度分别为100μm和100μm。Kapton的背面采用磁控溅射的方式溅射100nm的铜作为背电极，溅射功率为100W，时间为15min。Al箔既充当摩擦层又充当电极层。随后Al箔和Kapton膜的接触面分别采用3000#的砂纸，打磨4次，在表面形成微米沟道状结构。用剪刀裁剪8cm×8cm大小的Al箔和Kapton膜，将裁剪好的Al箔和Kapton背面采用银浆将铜导线连接到发电机上作为输出端。摩擦层采用Kapton胶带固定到亚克力板(10cm×10cm)上，四周采用弹簧产生回弹力，由此制备得到摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机的输出电压为500V(脉冲)，电流为20μA。
所述ZnO微米线采用气-固(V-S法)制得，具体制备步骤如下：(1)将纯度为99.99％的ZnO和碳粉(99.99％)按质量比1∶1混合并研磨均勾。(2)将硅片(100)切成合适尺寸，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底。(3)将装有配好的ZnO和碳的混合粉末石英舟放入将石英管中，通入氩气和氧气(Ar∶O2＝10∶1)，石英管加热到1050℃反应40min，得到ZnO微米线。
进一步的，所述氧化锌微米线二极管的制作方法是，用导电银浆将氧化锌微米线的两端固定在硬质基底比如玻璃片上还有柔性基底PET(厚0.4mm)上，银浆两端连接导线，形成ZnO微米线二极管，两个银浆电极需要用丙烯酸树脂覆盖来防止银浆电极暴露于水中。
在本实例中，如图4所示，将输出电压为500V的TENG直接连接在ZnO微米线肖特基二极管的两端。肖特基接触的比较重要的特性就是I-V曲线呈现整流特性。ZnO微米线二极管的I-V曲线如图2b的初始状态所示，在本实例中，将输出近似导通的一端定义为源极，近似阻断的一端定义为漏极端。经TENG作用后输出电流均有所增加，可以从图5a中I-V曲线发现TENG作用次数越多，ZnO微米线二极管输出电流越大。
经计算肖特基势垒发现，图5a中ZnO微米线源极端与漏极端的肖特基势垒均随着TENG作用次数的增加而逐渐降低的，如图5b所示，当TENG作用次数足够多时，肖特基势垒降得足够低的时候ZnO微米线二极管的I-V曲线类似于欧姆接触，可见本方法可以达到将肖特基接触向欧姆接触转换的效果。
实例2
本实例为TENG在液体环境中调节Ag-ZnO微米线形成的肖特基结的势垒。液体可以为水溶液，乙醇溶液等，但不能是可以使ZnO微米线溶解的酸性溶液，也不可以为使封装层环氧树脂溶解的有机溶剂比如丙酮，乙醚等。如图6的I-V曲线所示，当用输出电压为500V的TENG对水溶液中的ZnO微米线二极管进行作用10次，ZnO微米线二极管的输出电流明显增加，且随着作用次数的增加，输出电流随着作用次数的增加不断增大，可见本方法可以在水溶液的环境中起作用。
本公开方法同样适用于部分液体环境，此处不再赘述。
需要说明的是，本公开中摩擦纳米发电机的模式、材质、制备工艺、厚度，肖特基二极管的类型、制备工艺等并不限于上述具体实施例中记载的，本领域技术人员可适当调整，均不影响本公开的实现。
综上，本公开利用摩擦纳米发电机对金属与半导体形成的肖特基二极管进行作用以调节其肖特基势垒的方法，该方法可以降低肖特基二极管的肖特基势垒，通过调节肖特基势垒的高低可以改变肖特基二极管的电性能，普遍适用于半导体构成肖特基二极管肖特基势垒的调控，操作简单，成本低，安全性高，易于实现。
至此，已经结合附图对本公开多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种调节肖特基器件的肖特基势垒的方法，包括：
将所述肖特基器件与摩擦纳米发电机连接；以及
在所述摩擦纳米发电机上施加外力作用，使摩擦纳米发电机产生脉冲电压，以调节所述肖特基器件的肖特基势垒，其中，
通过在摩擦纳米发电机上施加一定频率、一定时间的外力作用使肖特基势垒改变，所述外力作用的时间、外力作用的频率根据所述脉冲电压大小、脉冲电压频率及肖特基势垒的降低量而定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述脉冲电压产生镜像力调节所述肖特基器件的肖特基势垒，从而使所述肖特基势垒降低。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述肖特基势垒的降低量满足以下关系式：
Figure FDA0003549446840000011
式中，q△φ为镜像力引起的肖特基势垒的降低量，q为元电荷，ND为施主掺杂浓度，εs为半导体的介电常数，ε0为真空介电常数，VD内建电势电压，V为所述摩擦纳米发电机产生的脉冲电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式、单电极模式、线性滑动模式或自由摩擦层模式。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为滑动模式，通过手动旋转或机械旋转在所述摩擦纳米发电机上施加所述外力作用。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式，通过手动拍打或机械拍打方式在所述摩擦纳米发电机上施加所述外力作用。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述肖特基势垒的降低量随着所述脉冲电压大小和脉冲电压频率的增大而增大。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述肖特基器件为金属与半导体接触所形成的肖特基二极管，其包括具有压电效应的半导体肖特基二极管和不具有压电效应的半导体肖特基二极管。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述摩擦纳米发电机产生的脉冲电压介于50V～2000V之间，脉冲电压频率f≥0.5HZ，脉冲次数n≤2000次。
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