JP2017519369A - 摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタ - Google Patents

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Abstract

本発明は、摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタを提供している。当該バックゲート電界効果トランジスタは、導電基板と、導電基板の正面に形成される絶縁層と、チャネル層、ドレイン、ソース及びゲートを含む電界効果トランジスタユニットと、ゲートの下面に形成される静止摩擦層、静止摩擦層と所定の距離で離れて対向して設けられる移動可能摩擦層、移動可能摩擦層の外側に形成され且つソースに電気的に接続される第２の導電層を含む摩擦発電ユニットと、を備え、静止摩擦層及び移動可能摩擦層は、帯電列における異なる位置にある材料で作製され、外力の作用によって、静止摩擦層及び移動可能摩擦層は、分離状態と接触状態との間に往復して切り換えられる。本発明は、摩擦発電機によって発生される静電位をバックゲート電界効果トランジスタのゲート信号として、半導体におけるキャリア伝送特性に対する調節を実現できる。【選択図】 図１

Description

本発明は、ナノエレクトロニクス及び電子デバイス技術分野に関し、特に、摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタに関している。
電界効果トランジスタは、ゲート電圧によって素子における電流伝送過程を制御するトランジスタデバイスである。バックゲートＳＯＩ構造に基づく金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、構造が簡単で、電界が低く、トランスコンダクタンスが高く、短いチャネル特性が良好であるなどの長所を有すると共に、そのバック基板をバックゲートとし、バックゲート電圧によって最上層シリコンにおける導電チャネルの幅を調節することができる。電界効果トランジスタ技術が十分に成熟であるにも関わらず、デバイスユニットの三端部の構造によって、特にゲート電源を提供する必要があり、集積が複雑である。そして、このような電界効果トランジスタで作製される圧力センシングデバイスは、外部環境と電子デバイスとが直接的に作用してインタラクションを実行するメカニズムを欠いている。
圧電効果は、圧電材料が応力作用によって変形する際に発生した内部電位現象である。酸化亜鉛、窒化ガリウム、硫化カドミウムなどの圧電半導体材料について、圧電効果は、金属-半導体の界面障壁及びPＮ接合の伝送性質を変化することができる。これは圧電エレクトロニクス効果である。当該圧電エレクトロニクス効果は、実際に、圧電効果と半導体効果との組み合わせである。圧電エレクトロニクス効果は、部材が受ける機械的な作用を局所電子制御信号に変換するので、圧電位をゲート電圧として調節し、および、歪み、応力や圧力によって電子デバイス、マイクロナノ電気機械デバイス及びセンサーを駆動し制御する新たな方法を実現している。
圧電エレクトロニクストランジスタと伝統的な電界効果トランジスタは、異なる動作原理及び構造を有している。原理的には、伝統的な電界効果トランジスタは、印加電圧を制御信号とするものであるが、圧電エレクトロニクストランジスタは、機械的な変形によって電子制御信号を発生するものである。構造的には、伝統的な電界効果トランジスタは、三端部の部材であるが、圧電エレクトロニクストランジスタは、二端部の部材であり、その仮想の第３の端部の代わりに印加圧力を利用して、伝送特性に対する制御を実現している。これらの特徴によって、圧電エレクトロニクストランジスタは、伝統的なトランジスタにおけるゲート電極の作製を減少させ、機械的な圧力と電子デバイスとの直接なインタラクションを実現できる。その適用範囲は、人工知能、マン-マシンインタラクション、生物医療及び通信等の分野を含む。ただし、圧電エレクトロニクストランジスタは、必ず圧電材料で作製され、それが発生する圧電電位の調節可能性、材料の選択及び適用が制限されている。
近年、中国科学院北京納米能源与系統研究所及び米国ジョージア理工学院の王中林教授は、摩擦式ナノ発電機という概念を提出している。摩擦式ナノ発電機は、接触帯電及び静電誘導の原理に基づいて、金属電極がメッキされた２種の高分子ポリマーフィルムを貼り合わせてデバイスを構成し、外力の作用によって、デバイスは機械的に変形し、２層のポリマーフィルム間に互いに摩擦し、電荷が分離されて電位差を形成する。当該電位差は、エネルギーの自己供給式の主動的な圧力センサーとされてもよく、半導体部材の制御信号とされてもよい。
上記技術課題に鑑みて、本発明は、バックゲート電界効果トランジスタを提供しており、摩擦帯電効果及び金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタを組み合わせて、摩擦発電機によって発生される静電位を電界効果トランジスタのゲート信号とし、半導体におけるキャリア伝送特性に対する調節を実現する。
本発明の摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタは、
導電基板１０と、
導電基板１０の正面に形成される絶縁層２０と、
絶縁層２０の上方に形成されるチャネル層３１と、チャネル層３１の上方に形成されるドレイン３２及びソース３３と、導電基板１０の裏面に形成されるゲート３４と、を含む電界効果トランジスタユニット３０と、
ゲート３４の下面に形成される静止摩擦層４１と、静止摩擦層４１に対向して設けられる移動可能摩擦層４２と、移動可能摩擦層４２の外側に形成され、ソース３３に電気的に接続される第２の導電層４４と、を含む摩擦発電ユニット４０と、
を備え、
静止摩擦層４１及び移動可能摩擦層４２は、帯電列における異なる位置にある材料で作製され、外力の作用によって、静止摩擦層４１及び移動可能摩擦層４２は、分離状態と接触状態との間に往復して切り換えられる。
上記技術案から分かるように、本発明の摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタは、以下の有益な効果を有している：
（１）摩擦帯電効果及びバックゲート電界効果トランジスタを組み合わせて、摩擦発電機によって発生される静電位をゲート信号とし、半導体におけるキャリア伝送特性に対する調節を実現し、良好な調節特性を有している。
（２）伝統的なトランジスタにおけるゲート電極の給電電圧の代わりに、摩擦発電機によって発生される静電位をゲート信号として、機械圧力と電子デバイスとの直接なインタラクションを実現し、半導体材料の選択範囲は圧電エレクトロニクストランジスタより広い。
（３）電界効果トランジスタ全体は、ＳＯＩシリコンシート及び摩擦発電機に基づいて作製され、構造が簡単で、集積しやすく、デバイスの微型化及び行列化を実現しやすい。
（４）摩擦発電機における移動可能摩擦層を、圧力を受ける部分として、ＳＯＩベース及びゲート、ソースなどは、圧力を直接的に受けない。また、移動可能摩擦層とＳＯＩベースとの間は、弾性部材によって接続されてもよい。このため、バックゲート電界効果トランジスタは、全体的に、大きい機械的な変形を受けることができ、外力センシングの範囲が圧電エレクトロニクストランジスタより広い。
図１は、本発明の第１の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。 図２は、図１に示すバックゲート電界効果トランジスタの動作原理図である。 図３は、図１に示すバックゲート電界効果トランジスタのソース・ドレイン電圧ＶＤが５Ｖである場合、ソース・ドレイン電流IＤが移動可能摩擦層とゲートとの間隔ｄ１につれて変化する曲線である。 図４は、本発明の第２の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。 図５は、本発明の第３の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。 図６は、図５に示すバックゲート電界効果トランジスタの動作原理図である。 図７は、図５に示すバックゲート電界効果トランジスタのソース・ドレイン電圧ＶＤが５Ｖである場合、ソース・ドレイン電流IＤが移動可能摩擦層と静止摩擦層との間隔ｄ１につれて変化する曲線である。 図８は、本発明の第４の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。
本発明は、摩擦発電機とバックゲート電界効果トランジスタとを組み合わせ、摩擦発電機の一つの摩擦層をバックゲート電界効果トランジスタのゲートと固定し、又は、両者を一つの部材に合成し、外力によって別の摩擦層と上記一つの摩擦層とを接触して帯電させ、ゲート電位を発生し、半導体におけるキャリアの伝送特性に対する調節を実現するものである。
理解の便宜上、まず、本発明に係る主要な素子に番号を付与して説明し、図面又は明細書の記載において、類似又は同じ部分について、以下のように、同じ番号を用いて説明する。
１０-導電基板；
２０-絶縁層；
３０-電界効果トランジスタユニット；
３１-チャネル層； ３２-ドレイン；
３３-ソース； ３４-ゲート；
４０-摩擦発電ユニット；
４１-静止摩擦層； ４２-移動可能摩擦層；
４３-弾性部材； ４４-第２の導電層。
本発明の目的、技術案並びに利点をより明瞭にするために、以下、具体的な実施例を組み合わせて、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
なお、図面に記載されていない実現方式が、当業者に公知される形式であることを説明すべきである。また、本明細書には、特定値を含むパラメーターを例示したが、パラメーターは相応的な値と確実に同じである必要がなく、許される誤差範囲又は設計的約束内に相応的な値に近づいてもよい。また、以下の実施例に言及される、例えば「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」などの方向用語は、図面を参照する方向のみである。したがって、使用される方向用語は、本発明を説明するものであり、本発明を制限するものではない。
一、第１の実施例
本発明の第１の例示的な実施例において、摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタを提供している。図１は、本発明の第１の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。図１に示すように、本実施例における摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタは、導電基板１０と、導電基板１０の正面に形成される絶縁層２０と、絶縁層２０の上方に形成されるチャネル層３１、チャネル層３１の上方に形成されるドレイン３２及びソース３３、導電基板１０の裏面に形成されるゲート３４、を含む電界効果トランジスタユニット３０と、導電基板１０と相対的に静止する静止摩擦層４１、静止摩擦層４１に対向して設けられる移動可能摩擦層４２、移動可能摩擦層４２の外側に形成されると共に、静止摩擦層４１に電気的に絶縁され、ソース３３に電気的に接続される第２の導電層４４、を含む摩擦発電ユニット４０と、を含み、前記静止摩擦層４１及び移動可能摩擦層４２は、帯電列における異なる位置にある材料で作製され、外力の作用によって、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２は、分離状態と接触状態との間に往復に切り換えることができる。
以下、本実施例における接触帯電に基づくバックゲート電界効果トランジスタの各組成部分を詳細に説明する。
本実施例は、ＳＯＩ基板を採用しており、当該ＳＯＩ基板におけるＳｉベースをｐ型高濃度にして導電基板１０とし、Ｓｉベースの上方のＳｉＯ２層を絶縁層２０とする。その中、Ｓｉベースの厚さｈ１は５００μｍであり、ｐ型高濃度にした後に、抵抗率は０.１Ω・ｃｍより小さい。ＳｉＯ２層の厚さｈ２は１５０ｎｍである。商用ＳＯＩ基板を採用することで、バックゲート電界効果トランジスタの作製ステップを節約し、製品の歩留まりを向上することができる。
ＳＯＩ基板以外、本発明は、他のタイプの材料によって導電基板１０及び絶縁層２０を作製してもよい。その中、導電基板１０は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ及びＰｔという金属導体材料、又はｎ型高濃度にしたＳｉ材料を採用して作製してもよく、抵抗率が０.１Ω・ｃｍよりも小さいという要求を満たせばよい。導電基板１０の厚さｈ１の選択可能範囲は、３００μｍ≦ｈ１≦１ｍｍである。また、絶縁層２０の材料は、例えば、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３などの他の絶縁材料であってもよい。当該絶縁層２０の厚さｈ２の選択可能範囲は、２ｎｍ≦ｈ２≦２００ｎｍである。
本実施例において、チャネル層３１は、ｐ型ドープのＳｉ層であり、最上層シリコンと単に言われる。当該最上層シリコン３１は、Ｓｉフィルムに対してｐ型ドープを行うことによって形成される。ｐ型ドープを介して、当該最上層シリコン３１の抵抗率ρは、１Ω・ｃｍ≦ρ≦１００Ω・ｃｍであり、その厚さｈ３は２μｍである。また、当該チャネル層は、例えば、Ｇｅなどの他のｐ型ドープ半導体材料であってもよく、厚さｈ３の選択可能範囲は、１μｍ≦ｈ３≦１００μｍである。
チャネル層３１の上方において、金属材料Ａｌによってドレイン３２及びソース３３を作製して形成する。当該ドレイン３２及びソース３３と、チャネル層３１との接触は、オーミック接触又はショットキー接触である。ソース３３は、グランドに接続されており、ドレイン３２の電圧は、ソース３３の電圧より５Ｖだけ高い。なお、当業者は、両者の電位差Ｖを合理的に調整してもよく、一般的には、当該電位差Ｖは、１Ｖ≦Ｖ≦１０Ｖを満たしている。
本実施例において、ソースとドレインとの間の間隔Ｌ１は、２００μｍであり、ソース３３とゲート３４との垂直方向における重なり面積Ｓ１は、２００μｍ×３００μｍである。本発明の他の実施例において、ソースとドレインとの間の間隔Ｌ１の選択可能は範囲は、１００ｎｍ≦Ｌ１≦１ｃｍであり、両者の垂直方向における重なり面積Ｓ１は、ゲート３４の面積の２５％〜５０％であり、一般的には、重なり面積Ｓ１は、１００ｎｍ×１００ｎｍ≦Ｓ１≦１ｃｍ×１ｃｍを満たしている。
ＳＯＩベースの裏面において、金属材料Ａｌによってゲート３４を作製する。当該ゲート３４とＳＯＩベースのｐ型高濃度のＳｉベースとの間にオーミック接触が形成されている。
当業者であれば分かるように、Ａｌ材料以外、ドレイン３２、ソース３３及びゲート３４は、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕなどの他の金属材料で作製されてもよい。また、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）などの金属材料性質を有する非金属材料によってソース及びドレインを作製してもよい。
本実施例において、摩擦発電ユニット４０は、静止摩擦層４１と、弾性部材４３を介して静止摩擦層４１に対向して設けられるとともに電気的に絶縁される移動可能摩擦層４２と、移動可能摩擦層の外側に作製され、ソース３３に電気的に接続される第２の導電層４４と、を含む。
本実施例において、電界効果トランジスタのゲートを静止摩擦層とし、移動可能摩擦層４２は、ポリイミド（Ｋａｐｔｏｎ）有機高分子材料で作製される。
本実施例において、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２が所定の距離で離れ、外力作用によって分離状態と接触状態との間に往復して切り換えられるように、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２との間にゴム材料で作製される弾性部材を設ける。ただし、これは、本発明を制限するものではない。他の実施例においては、他の方式によって、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２が外力作用によって分離状態と接触状態との間に往復して切り換えられることを実現してもよい。例えば、以下の通りである。
（１）弾性部材は、バネ又はＭＥＭＳ工程によって作製される単純支持梁部材であってもよい；
（２）静止摩擦層４１は、弾性又は非弾性部材によって、移動可能摩擦層４２と所定の距離で離れ、分離状態と接触状態との間に往復して切り換えられる；あるいは、
（３）静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２とが接続されておらず、移動可能摩擦層４２と第２の導電層４４に接続部材を設けるだけで、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２が所定の距離で離れ、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２とが外力作用によって分離状態と接触状態との間に往復して切り換えられる。このような構造のトランジスタデバイスは、他のデバイスとともに使用されることができる。
本実施例において、第２の導電層４４は、Ａｌ材料で作製される。当業者であれば分かるように、当該第２の導電層は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、ＩＴＯ、ＡＺＯなどの他の金属又は類金属の導体材料で作製されてもよい。本発明ではこれを限定しない。
なお、本実施例において、Ａｌ層及びポリイミド有機高分子材料をそれぞれ採用して、静止摩擦層及び移動可能摩擦層を作製している。しかしながら、当該静止摩擦層及び移動可能摩擦層は、帯電列における異なる位置にあるいずれの２種の材料で作製されてもよい。
ここでの「帯電列」とは、電荷に対する吸引の程度に応じて材料を並べた序列を意味する。２種の材料が互いに接触する瞬間、接触する面において、正電荷が、帯電列における極性が比較的に負になる材料の表面から、帯電列における極性が比較的に正になる材料の表面に移動する。今まで、電荷の移動のメカニズムを完全に解釈できる統一の理論がない。一般的に、このような電荷の移動は、材料の表面の仕事関数に係り、電子またはイオンが接触面で移動することで電荷の移動を実現すると考えられる。なお、電荷の移動には、２種の材料間の相対摩擦を必要せず、互いに接触すればよい。そのうち、上記「接触電荷」とは、帯電列における極性の異なる２種の材料が接触摩擦して離間した後、その表面が有する電荷を意味する。一般的に、このような電荷が材料の表面のみに分布され、分布の最大の深さが約１０ｎｍに過ぎないと考えられる。なお、接触電荷の符号は、正味の電荷の符号である。即ち、正の接触電荷を持つ材料の表面の一部の領域には、負電荷の集まり領域がある可能性もあるが、表面の正味の電荷全体の符号は正である。
本実施例において、静止摩擦層４１がゲート３４を兼ねるため、当該静止摩擦層は、導体材料で作製される必要がある。絶縁体に対して、導体はいずれも電子が奪われやすい摩擦帯電の特性を有し、常に帯電列におけるエンドに位置している。常用な導体は、金属、導電性酸化物又は導電高分子を含む。その中、金属は、金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、クロム又はセレン、及び上記金属からなる合金を含む。導電性酸化物は、例えば、酸化インジウム・スズＡＺＯ、ＩＴＯ等がある。導電材料自身が導電素子として利用できるため、静止摩擦層に導電材料が用いる場合、導電素子と静止摩擦層とを併用してもよい。
本実施例において、ポリイミド（Ｋａｐｔｏｎ）有機高分子材料によって移動可能摩擦層を作製する以外、他の導体又は絶縁材料等が第１の摩擦材料に接触して帯電した後に負電荷を帯電した材料によって、当該移動可能摩擦層を作製してもよい。当該導体は、静止摩擦層４１の材料と異なる導体材料であればよい。絶縁材料であれば、ここでは、常用な絶縁材料を例示し、帯電列が正極性から負極性までの順に配列すると、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド１１、ポリアミド６-６、羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、綿及びその織物、ポリウレタンエラストマー、スチレン-アクリロニトリルコーポリマー、スチレン-ブタジエンコーポリマー、木材、硬化ゴム、アセテート、人造繊維、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル（polyester）、ポリイソプチレン、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ブタジエン-アクリロニトリルコーポリマー、クロロプレンゴム、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリビスフェノールＡカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ（２,６-ジメチルポリフェニレン基酸化物）、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、及び、パリレンＣ、パリレンＮ、パリレンＤ、パリレンＨＴ、パリレンＡＦ４を含むパリレンが挙げられる。
また、半導体材料と金属が異なる摩擦帯電の特性を有するため、半導体材料は、移動可能摩擦層を作製する原料とされてもよい。よく使用される半導体は、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウムやリン化ガリウム等のような第III及び第Ｖ族化合物、硫化カドミウムや硫化亜鉛等のような第II及び第ＶI族化合物、及び、ガリウム−アルミニウム−ヒ素やガリウム−ヒ素−リン等のようなIII-Ｖ族化合物とII-ＶI族化合物とからなる固溶体、を含む。上記した晶質半導体以外に、非晶質のガラス半導体、有機半導体などもある。また、例えば、マンガン、クロム、鉄又は銅の酸化物、酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化鉄、酸化銅、酸化亜鉛、ＢｉＯ２、及び、Ｙ２Ｏ３のような、非導電性の酸化物、半導体酸化物及び複雑な酸化物も摩擦帯電の特性を有し、摩擦の過程で表面電荷を形成するため、本発明の摩擦層として使用してもよい。
紙幅の関係で、使用可能な全ての材料を例示することができないため、ここでは、参照として、いくつかの具体的な物質を例示する。もちろん、これらの具体的な材料は、本発明の保護範囲を限定する要素ではない。当業者は、発明の示唆の下で、これらの材料の摩擦帯電の特性に基づいて、類似する他の材料を容易に選択することができる。
図２は、図１に示すバックゲート電界効果トランジスタの動作原理図である。以下、図２を組み合わせて、本実施例における電界効果トランジスタの動作原理を説明する。
１、図２（ａ）を参照し、ゲート３４と移動可能摩擦層４２は、一対の摩擦面を形成し、初期状態では、それらの間隔はｄ０であり、ドレイン３２及びソース３３は外部電源に接続され、チャネル層３１に電流IＤが形成される。
２、図２（ｂ）を参照し、外力Ｆの作用によって、移動可能摩擦層４２とゲート３４は接触して摩擦を発生し、異なる電子吸引能力によって、移動可能摩擦層４２は負電荷を帯電し、ゲート３４は正電荷を帯電する。
３、図２（ｃ）を参照し、外力Ｆが低減するにつれて、ゲート３４と移動可能摩擦層４２は離れていき、それらの間隔はｄ１（ｄ１<ｄ０）となる。この過程において、電子は、電気的なバランスとなるように、第２の導電層４４からソース３３に流れる。ソース３３は負電荷を帯電し、ゲート３４と共に垂直方向における内部電界を形成する。
４、図２（ｄ）を参照し、外力Ｆがなくなる場合、移動可能摩擦層４２とゲート３４は完全に離れ、それらの間隔はｄ０に戻す。この場合、ソース３３は、ゲート３４とほぼ同じ電量の負電荷を帯電して電気的なバランスを形成し、垂直方向における内部電界が最大となる。この過程において、チャネル層３１は、内部電界の作用のため、電荷の極化を発生して、チャネル層３１の下面に電子を吸引させるとともに空孔を反発させ、空乏層を発生する。これによって、チャネル層３１における導電チャネルの幅を低減させたので、チャネル層３１における電流IＤの大きさを低減させ、半導体キャリアの伝送を調節する作用を奏している。
５、図２（ｅ）を参照し、外力Ｆの再び作用によって、移動可能摩擦層４２とゲート３４は近接しており、それらの間隔はｄ１（ｄ１<ｄ０）となる。この過程において、電子は、電気的なバランスとなるように、ソース３３から第２の導電層４４に流れる。ソース３３に帯電する負電荷が減少し、ゲート３４と共に形成される垂直方向における内部電界も減少し、この過程において、チャネル層３１における導電チャネルの幅が大きくなり、電流IＤが大きくなる。
次の循環において、外力Ｆが作用する際に、移動可能摩擦層４２とゲート３４が再び接触し、ソース３３に帯電する負電荷がほとんど第２の導電層４４に回流して電気的なバランスを形成し、電流IＤ方向に垂直する内部電界が最小となり、図２（ｂ）に示す状態に戻す。
上記原理から分かるように、本実施例における摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタにおいて、外力Ｆは、半導体における電流方向に垂直する静電荷電界の大きさを調節でき、ゲート電圧の作用を奏し、半導体における電流の大きさに対する調節を実現することができる。
本実施例において、絶縁層２０の厚さが最上層シリコン３１の厚さより遥かに小さく、かつ、ＳＯＩ基板１０が非常に低い抵抗率を有するため、ゲート電圧は、移動可能摩擦層４２とゲート３４との間隔の増加につれて大きくなり、形成されるゲート電圧の最大値は近似的に以下の［数１］のように示される。
Figure 2017519369
ただし、Ｑ0およびｄ0は、それぞれ、移動可能摩擦層４２とゲート３４が接触して摩擦することによって発生した電荷量、および、離れた間隔であり、Ｓ1は、ソース３３とゲート３４との垂直方向における重なり面積であり、ｄKおよびεKは、それぞれ、移動可能摩擦層４２の厚さおよび誘電率であり、ｄSiおよびεSiは、それぞれ、最上層シリコン３１の厚さおよび誘電率であり、ε0は、空気の誘電率である。
図３は、図１に示すバックゲート電界効果トランジスタのソース・ドレイン電圧ＶＤが５Ｖである場合、ソース・ドレイン電流IＤが移動可能摩擦層とゲートとの間隔ｄ１につれて変化する曲線である。図３において、横座標は、２つの摩擦層の離れた距離であり、縦座標は、チャネル層を流れる電流である。図３を参照すると、静止摩擦層とゲートとの間隔ｄ１の増大につれて、チャネル層を流れる電流は小さくなる。そして、２つの摩擦層の往復運動によって、ソースとゲートとの間に電位差を発生し、チャネル層のチャネル幅を変化させ、ソース・ドレイン間の電流の大きさを調節する作用を奏している。
本発明において、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２との間の所定の距離Ｌの範囲は、０≦Ｌ≦８００μｍであることが好ましく、０≦Ｌ≦８０μｍであることがより好ましい。
なお、上記した静止摩擦層と移動可能摩擦層は、相対的なものであり、２つの摩擦層のうちの一方を静止摩擦層とし、他方を摩擦層とすればよく、通常意味上の“静止”および“移動可能”ではない。
上記実施例の説明から分かるように、本実施例のバックゲート電界効果トランジスタは、伝統的なトランジスタにおけるゲート電極の給電電圧の代わりに、摩擦発電機によって発生した静電位をゲート信号とし、機械的な圧力と電子デバイスとの直接なインタラクションを実現するとともに、その構造が簡単で、製作集積しやすく、デバイスの微型化及び行列化を実現しやすく、材料の選択範囲が広い、といった従来技術の圧電エレクトロニクストランジスタに存在しない多くの長所を備える。
二、第２の実施例
本発明の第２の例示的な実施例において、他の接触帯電に基づくバックゲート電界効果トランジスタを提供している。図４は、本発明の第２の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。図４を参照すると、本実施例は第１の実施例の構造に類似しており、チャネル層３１がｎ型ドープのＳｉ材料で作製されることのみが異なっている。
当業者であれば理解できるように、本実施例のバックゲート電界効果トランジスタの電流変化傾向は、図３に示す曲線と逆になっており、移動可能摩擦層と静止摩擦層との距離の増大につれて、チャネル層を流れる電流が大きくなる。
本実施例と第１の実施例との共通点は以下の通りである：摩擦発電機の移動可能摩擦層は、圧力を受ける部材とされ、ＳＯＩベースおよびゲート、ソースなどは圧力を直接的に受けない。また、移動可能摩擦層とＳＯＩベースとの間は、弾性部材によって接続されてもよい。このため、バックゲート電界効果トランジスタは、全体的に大きい機械的な変形を受けることができる。圧電エレクトロニクストランジスタより、外力のセンシング範囲及び半導体材料の選択範囲が広い。
三、第３の実施例
本発明の第３の例示的な実施例において、他の摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタを提供している。図５は、本発明の第３の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。図５に示すように、本実施例のバックゲート電界効果トランジスタは、第１の実施例の構造に類似しており、以下のことが異なっている：静止摩擦層は、ポリイミド高分子材料で作製され、ゲート３４に固定される；移動可能摩擦層は、アルミニウム板であり、静止摩擦層との間に絶縁材料のバネを介して隔離される；当該アルミニウム板は、リード線によってソース３３に直接的に電気的に接続されている。
図６は、図５に示すバックゲート電界効果トランジスタの動作原理図である。以下、図６を組み合わせて、本実施例の電界効果トランジスタの動作原理を説明する：
１、図６（ａ）に示すように、移動可能摩擦層４２とポリイミド高分子ポリマーフィルム４１は一対の摩擦面を形成し、初期状態では、それらの間隔はｄ０であり、ドレイン３２及びソース３３は外部電源に接続され、チャネル層３１に電流IＤが形成されている。
２、図６（ｂ）に示すように、外力Ｆの作用によって、移動可能摩擦層４２と静止摩擦層４１は接触して摩擦を発生し、異なる電子吸引能力によって、静止摩擦層４１は負電荷を帯電し、移動可能摩擦層４２は正電荷を帯電する。
３、図６（ｃ）に示すように、外力Ｆが低減するにつれて、移動可能摩擦層４２と静止摩擦層４１は離れていき、それらの間隔はｄ１（ｄ１<ｄ０）となる。この過程において、電子は、電気的なバランスとなるように、ソース３３から移動可能摩擦層４２に流れる。ソース３３は正電荷を帯電し、静止摩擦層４１と共に垂直方向における内部電界を形成する。
４、図６（ｄ）に示すように、外力Ｆがなくなる場合、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２は完全に離れ、それらの間隔はｄ０に戻す。この場合、ソース３３は、速く移動可能摩擦層４２とほぼ同じ電量の正電荷を帯電して電気的なバランスを形成し、垂直方向における内部電界が最大となる。この過程において、チャネル層３１は、内部電界の作用のため、電荷の極化を発生して、チャネル層３１の下面に空孔を吸引させるとともに電子を反発させ、強化層を発生する。これによって、チャネル層３１におけるキャリアの濃度を増加させたので、チャネル層３１における電流IＤの大きさを向上させ、半導体キャリア伝送を調節する作用を奏している。
５、図６（ｅ）に示すように、外力Ｆの再び作用によって、移動可能摩擦層４２と静止摩擦層４１は近接しており、それらの間隔はｄ１（ｄ１<ｄ０）となる。この過程において、電子は、電気的なバランスとなるように、移動可能摩擦層４２からソース３３に流れる。ソース３３に帯電する正電荷が減少し、静止摩擦層４１と共に形成される垂直方向における内部電界も減少し、この過程において、チャネル層３１におけるキャリアの濃度が小さくなり、電流IＤが小さくなる。
６、外力Ｆが完全に作用する際に、移動可能摩擦層４２と静止摩擦層４１が再びに接触し、ソース３３に帯電する正電荷がほとんど移動可能摩擦層４２に回流し、電気的なバランスを形成し、電流IＤ方向に垂直する内部電界は最小となり、図６（ｂ）に示す状態に戻す。したがって、外力Ｆは、半導体における電流方向に垂直する静電荷電界の大きさを調節することができ、ゲート電圧の作用を奏し、半導体における電流の大きさに対する調節を実現することができる。
本実施例のバックゲート電界効果トランジスタにおいて、シリカ絶縁層２０の厚さがチャネル層３１の厚さより遥かに小さく、かつ、ＳＯＩ基板層１１が非常に低い抵抗率を有するため、強化モードに対して、外力Ｆによって形成されるゲート電圧の最大値は近似に以下の［数２］のように示される。
Figure 2017519369
ただし、Ｑ0及びｄ0は、それぞれ、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２が接触して摩擦することによって発生した電荷量、および離れた間隔であり、Ｓ1は、ソース３３とゲート３４との垂直方向における重なり面積であり、ｄKおよびεKは、それぞれ、静止摩擦層４１の厚さおよび誘電率であり、ｄSiおよびεSiは、それぞれ、チャネル層３１の厚さおよび誘電率であり、ε0は空気の誘電率である。
図７は、図５に示すバックゲート電界効果トランジスタのソース・ドレイン電圧ＶＤが５Ｖである場合、ソース・ドレイン電流IＤが移動可能摩擦層と静止摩擦層との間隔ｄ１につれて変化する曲線である。図７から分かるように、静止摩擦層と移動可能摩擦層との間隔のｄ１の増大につれて、チャネル層を流れる電流が大きくなる。そして、２つの摩擦層の往復運動によって、ソースとゲートとの間に電位差を発生し、チャネル層のチャネル幅を変化させ、ソース・ドレイン間の電流の大きさを調節する作用を奏している。
本実施例において、静止摩擦層４１と移動可能摩擦層４２との間の所定の距離の範囲は、０-８００μｍであることが好ましく、０-８０μｍであることがより好ましい。
四、第４の実施例
本発明の第４の例示的な実施例において、別の摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタを提供している。図８は、本発明の第４の実施例による摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタの構造概念図である。図８を参照すると、本実施例は第３の実施例の構造に類似しており、チャネル層３１がｎ型ドープのＳｉ材料で作製されることのみが異なっている。
当業者であれば理解できるように、本実施例のバックゲート電界効果トランジスタの電流変化傾向は、図７に示す曲線と逆になっており、移動可能摩擦層と静止摩擦層との間の距離の増大につれて、チャネル層を流れる電流が大きくなる。
ここまでは、図面を組み合わせて本発明の４つの実施例を詳細に説明している。上記説明に基づいて、当業者は、本発明の摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタを明確に理解できると考えられる。
また、上記した各素子及び方法に対する定義は、実施例に言及された具体的な構造、形状又は方式に限られず、当業者は、それに関して簡単に変更又は変換することができる。
上記のように、本発明の摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタは、摩擦発電機と金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタとを組み合わせ、摩擦発電機の一つの摩擦層をバックゲート電界効果トランジスタのゲートと固定し、又は両者を一つの部材に合成し、外力によって別の摩擦層と上記一つの摩擦層とを接触して帯電させ、ゲート電位を発生してゲート信号とされ、半導体におけるキャリア伝送特性に対する調節を実現するものであり、調節特性が良好であり、センシング範囲が広く、作製及び集積しやすいなどの長所を有し、センサー、マン-マシンインタラクション、マイクロ電気機械システム、ナノロボット及びフレキシブルエレクトロニクスなどの分野に広く適用されることができ、良好な適用前景を有している。
上記した具体的な実施例により、本発明の目的、技術案及び有益な効果をさらに詳細に説明している。上記内容は、本発明の具体的な実施例のみであり、本発明を制限するものではなく、本発明の主旨及び原則内の任意の補正、等価的な置き換え、改善などが、いずれも本分野の保護範囲に属することを理解すべきである。

Claims (15)

  1. 導電基板（１０）と、
    前記導電基板（１０）の正面に形成される絶縁層（２０）と、
    前記絶縁層（２０）の上方に形成されるチャネル層（３１）と、前記チャネル層（３１）の上方に形成されるドレイン（３２）及びソース（３３）と、前記導電基板（１０）の裏面に形成されるゲート（３４）と、を含む電界効果トランジスタユニット（３０）と、
    前記ゲート（３４）の下面に形成される静止摩擦層（４１）と、前記静止摩擦層（４１）に対向して設けられる移動可能摩擦層（４２）と、前記移動可能摩擦層（４２）の外側に形成され、前記ソース（３３）に電気的に接続される第２の導電層（４４）と、を含む摩擦発電ユニット（４０）と、
    を備え、
    前記静止摩擦層（４１）及び移動可能摩擦層（４２）は、帯電列における異なる位置にある材料で作製され、外力の作用によって、前記静止摩擦層（４１）及び移動可能摩擦層（４２）は、分離状態と接触状態との間に往復して切り換えられる
    ことを特徴とする摩擦接触帯電効果に基づくバックゲート電界効果トランジスタ。
  2. 前記ドレイン（３２）とソース（３３）が所定の距離で離れ、かつ、両者の間に所定の電位差が保持され、
    接触状態では、前記静止摩擦層（４１）と移動可能摩擦層（４２）が互いに接触して摩擦電荷を発生し、
    分離状態では、前記静止摩擦層（４１）と移動可能摩擦層（４２）が離れ、前記摩擦電荷によって、前記第２の導電層（４４）とソース（３３）との間に電位差を発生し、前記第２の導電層（４４）と前記ソース（３３）との間に電子が流れて、前記ソース（３３）とゲート（３４）との間に電位差を発生し、前記チャネル層（３１）のチャネル幅を変化させることで、前記ソース（３３）とドレイン（３２）との間の電流の大きさを調節する
    ことを特徴とする請求項１に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  3. 前記静止摩擦層（４１）および移動可能摩擦層（４２）のうちの一方は、材料が金属材料、金属合金材料又は導電性酸化物材料である
    ことを特徴とする請求項１に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  4. 前記ゲート（３４）は、材料が金属材料、金属合金材料又は導電性酸化物材料であり、前記静止摩擦層（４１）を兼ね、及び／又は、
    前記移動可能摩擦層は、材料が金属材料、金属合金材料又は導電性酸化物材料であり、前記第２の導電層（４４）を兼ねる
    ことを特徴とする請求項３に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  5. 前記金属材料は、金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、及びクロムであり、
    前記導電性酸化物材料は、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）又はアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）であり、
    前記金属合金材料は、金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、及びクロムのうちの少なくとも２種で作製される合金である
    ことを特徴とする請求項３に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  6. 前記静止摩擦層（４１）と移動可能摩擦層（４２）のうちの他方は、材料が絶縁材料又は半導体材料である
    ことを特徴とする請求項３に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  7. 前記絶縁材料は、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド１１、ポリアミド６-６、羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、綿及びその織物、ポリウレタンエラストマー、スチレン-アクリロニトリルコーポリマー、スチレン-ブタジエンコーポリマー、木材、硬化ゴム、アセテート、人造繊維、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、ブタジエン-アクリロニトリルコーポリマー、クロロプレンゴム、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリビスフェノールＡカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ（２,６-ジメチルポリフェニレン基酸化物）、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、及び、パリレンＣ、パリレンＮ、パリレンＤ、パリレンＨＴ、パリレンＡＦ４を含むパリレンの中の１種又は複数種であり、
    前記半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、第III及び第Ｖ族化合物、第II及び第ＶI族化合物、III-Ｖ族化合物とII-ＶI族化合物とからなる固溶体、ガラス半導体、有機半導体、半導体酸化物、及び、複雑酸化物の中の１種又は複数種である
    ことを特徴とする請求項６に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  8. 前記静止摩擦層（４１）と移動可能摩擦層（４２）との間に弾性部材（４３）を設置すること、前記静止摩擦層（４１）と移動可能摩擦層（４２）との間に弾性又は非弾性部材を設置すること、あるいは、前記移動可能摩擦層（４２）及び第２の導電層（４４）に接続部材を設置することによって、前記移動可能摩擦層（４２）と前記静止摩擦層（４１）が所定の距離で離れるようにする
    ことを特徴とする請求項１に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  9. 前記弾性部材は、弾性ゴム部材、バネ又は単純支持梁構造である
    ことを特徴とする請求項８に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  10. 前記絶縁層（２０）は、ＳＯＩ基板における上層のＳｉＯ２であり、
    前記導電基板（１０）は、前記ＳＯＩ基板における下層のＳｉ材料がｎ型又はｐ型ドープされて形成したものである
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  11. 前記チャネル層（３１）は、ｐ型ドープ又はｎ型ドープの半導体材料であり、
    当該ｐ型ドープ又はｎ型ドープの半導体材料の抵抗率ρは、１Ω・ｃｍ≦ρ≦１００Ω・ｃｍを満たしている
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  12. 前記ドレイン（３２）及びソース（３３）は、材料が金属又は非金属導体材料である
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  13. 前記ソース（３３）及びドレイン（３２）と、チャネル層との接触は、オーミック接触又はショットキー接触であり、
    前記ソース（３３）は、接地しており、前記ドレインの電圧Ｖは、１Ｖ≦Ｖ≦１０Ｖを満たしている
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  14. 前記静止摩擦層（４１）と移動可能摩擦層（４２）が離れた距離Ｌは、０≦Ｌ≦８００μｍを満たしている
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
  15. 前記距離Ｌは、０≦Ｌ≦８０μｍを満たしている
    ことを特徴とする請求項１３に記載のバックゲート電界効果トランジスタ。
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