JP7129713B2 - 擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス及びそれを組み込んだディスプレイ - Google Patents
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Description
本発明は、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス及びそれを組み込んだディスプレイに関し、特に、集積化送受器を有する擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスに関する。当該デバイスは、電子装置、設備、及びシステムに応用できる。さらに、本発明は、前記送受信デバイスを統合したディスプレイにも関する。
音響または超音波送受器などの従来の振動式送受信器（トランスデューサ、ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、医療臓器画像測定、ジェスチャー検出、三次元タッチ、指紋センシング、の生体情報（微小血管情報、血流情報）などの測定に使用することができる。このような振動式送受信器は、空気や流体を媒体としたり、物体接触式にしたりすることができる。従来の技術では、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはジルコン酸チタン酸鉛（ジルコン酸チタン酸鉛、ＰＺＴ）などの圧電材料を使用している。動作モードは、材料のｄ３３モードであり、すなわち、材料に加えられた電場の方向が振動の方向と平行である。
図１Ａ及び図１Ｂは、従来のｄ３３振動式送受信器の構造概略図を示している。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、従来のｄ３３振動式送受信器３００は、圧電材料ブロック３１０を備える。圧電材料ブロック３１０の上端及び下端には、電圧源３４０が供給され、電場を形成して圧電材料を変形させる。電場が変化し続けると、圧電材料ブロック３１０は、振動方向３２０に沿って振動し、圧電材料ブロック３１０が形成した電場方向３３０と振動方向３２０とが平行である場合、ｄ３３モードで動作する。図１Ａに示すように、電圧源３４０は、第１電極３１１と第２電極３１２とに、それぞれ、正電圧および負電圧を印加し、上向きの電場方向３３０を形成し、圧電材料ブロック３１０の収縮を引き起こす。図１Ｂでは、電圧源３４０は、第１電極３１１と第２電極３１２とに、それぞれ、正電圧および負電圧を印加し、下向きの電場方向３３０を形成し、圧電材料ブロック３１０の伸長を引き起こす。図１Ａ及び図１Ｂに交流電場が印加されると、造成圧電材料ブロック３１０の伸縮振動を形成する。
製造において、ＰＶＤＦは、エンジニアリングプラスチックであり、リソグラフィー（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などの半導体プロセスを使用して露光および現像などの処理方法を実行することは容易ではなく、通常は、レーザー加工に頼るしかない。したがって、ＰＶＤＦを半導体製造プロセスに統合するのが困難である。ＰＺＴは汚染性があり、微細加工が困難であり、且つ、ｄ３３モード（例えば、薄膜ＰＺＴはｄ３１モードで動作する）を実現するためにブロック材料を使用する必要がある。ブロック材料のＰＺＴは、通常７００～８００℃、さらには１０００℃までの温度で焼結することにより製造されるので、従来のｄ３３のＰＺＴ素子は、独立した部品であり、半導体プロセスに組み込むことはもちろん、圧電部品の製造を集積回路プロセスに組み込むことも困難であった。そして、鉛は半導体デバイスにも汚染され、また、ＰＺＴは電極として白金を必要とするため、製造コストが高くなる。
さらに、従来の圧電材料は、通常、数十ボルトから数百ボルトの電圧で動作する。 このような高電圧は、システムを集積化する際の問題であり、半導体プロセスとの集積化の際の大きな問題である。
本発明の一つの目的は、半導体プロセスとの一体化が容易であり、加工が容易であり、低コストであり、かつ無公害であるという利点を有する擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスを提供することである。
上述した目的を達成するために、本発明は、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスを提供する。前記擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスは、少なくとも、複数のトランジスターと複数の受信器とを備える。前記受信器は、前記トランジスターに電気的に接続され、各トランジスターは、物体が第１振動波を反射することで形成された第２振動波を受信して感測信号を生成するように、対応の各受信器を制御する。各受信器は、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置され、且つ半導体金属化合物が形成されることによって形成されたナノギャップとを備える。
本発明は、ディスプレイを提供し、前記ディスプレイは、少なくとも、複数のトランジスターと、複数の受信器と、複数の表示ユニットとを備える。前記受信器は、前記トランジスターに電気的に接続され、各トランジスターは、対応の各受信器が物体が第１振動波を反射することで形成された第２振動波を受信して感測信号を生成するように制御する。各受信器は、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置され、且つ半導体金属化合物が形成されることで形成されたナノギャップとを備える。各表示ユニットは、電気的に接続される少なくとも１つの表示制御トランジスターと表示ピクセルとを備え、表示制御トランジスターは、表示ピクセルの有効または無効を制御して、表示ピクセルが光信号を表示または不表示させることで、データを表示する。
本発明は、上述した実施形態によって、擬似的圧電ｄ３３構造を提供し、前記擬似的圧電ｄ３３構造は、振動式送受信デバイスとして使用可能であり、且つ圧電材料を利用しなくても、圧電振動素子と同様な機能を有する。特に、半導体製造プロセスに統合できるだけではなく、集積回路素子にも統合でき、温度制限や汚染問題が生じない。また、動作中、例えば、３．３Ｖ／５Ｖの標準電圧のみで動作可能であり、システムへの統合の難易度を大幅に改善できる。
本発明の上述した内容をより明白かつ理解可能にするために、以下、好ましい実施例及び図面を参照しながら、詳細に説明する。
本発明の実施例によって提供される擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスは、圧電材料を使用せず、真空またはエアギャップを有する薄膜構造である振動構造を使用し、印加された電場方向と振動方向とを同じ方向に送信する機能を実現している。通常、ｄ３３は圧電材料に対するが、本願発明では、従来の圧電材料を置き換えるために微細構造を使用しているため、本発明の振動式送受信デバイスは、バルク圧電材料の挙動を擬似する擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスと呼ばれる。
図２Ａ、２Ｂ及び図３は、携帯型電子機器に適用される本発明の好ましい実施例である擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００の３つの用途を示す構造概略図である。なお、本発明のデバイスの用途はこれに限定されない。図２Ａに示すように、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、携帯電話２００の前面（表示面）に設置されるディスプレイ２１０内に組み込まれ、または、ディスプレイ２１０の下方（例えば、ディスプレイ２１０の下表面に直接または間接的）に設けられる。ディスプレイ２１０の上面には、使用者がクリックするための複数の操作ブロック２２０が表示され、ディスプレイ２１０の横には、フロントカメラ２３０が設けられている。なお、携帯電話システムは、一例に過ぎない。時間及び応用技術の進化に伴い、携帯電話は変化する可能性があることは、当業者にとっては、自明な事項である。本発明のデバイスは、製造特性により、携帯電話ディスプレイに組み込まれ、または、ディスプレイ下に設置されることができる。また、一部の領域（例えば、図２Ａに示す破線の部分）または全部の領域（例えば、図２Ｂに示す振動式デバイス１００のディスプレイ２１０が含まれる全部の面積）に設けられることができる。携帯電話のディスプレイの全体を占める場合、本発明のデバイスは、バイオメトリックセンシング（指紋、指整脈、血流、心配数）観測、３Ｄタッチ、またはジェスチャー検出などの複数の機能を備えることができ、多機能の統合を実現することができる。なお、これらの特徴は従来技術には使用しておらず、本発明のデバイスの重要な特徴であることを留意されたい。図３に示すように、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、携帯電話２００の背面の背面カバー２４０の下方に設けられても良い。携帯電話２００の背面には、リアカメラ２５０が設けられても良い。擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、指紋センシング、血管静脈パターン、または血管情報などの機能を提供することができる。ただし、これには限定されず、任意の振動波によって検出できる物理量は、このデバイスで実施することができる。なお、本発明のデバイスは、携帯電話、ディスプレイ、またはモジュールに組み込まれなくてもよく、独立の振動波システムデバイスとして設計できる。このデバイスは、既存の圧電ｄ３３振動波素子（臓器観察用など）を置き換えることができる。例えば、携帯電話及びクラウドシステム（人工知能との組合せもできる）と本発明の独立したデバイスとを組み合わせて、例えば、医療または工業用撮影などの携帯式振動波検出システムとして使用することができる。つまり、本発明では、携帯電話に適用する指紋センシングを例として説明することは、当業者が本発明の特徴及び創作をより理解するためのものである。
本発明の実施例では、電圧を印加して、２つの電極を駆動して電界を生成し、そのうちの一つの電極は薄膜構造であり、もう一つの電極は基板に固定されており、２つの電極の間に真空またはエアギャップを有する。印加電場が交流信号である場合、当該薄膜が振動する。交流信号の周波数が当該薄膜構造の機械的な共振周波数と同じである場合、当該薄膜は機械的な共振を発生し、エネルギー及び振幅が増幅される。もちろん、これは好ましい実施例であり、本発明のデバイスは、薄膜構造の静電による吸引または引き込み（ｐｕｌｌ－ｉｎ）で接触することができる。このために、構造の剛性及び共振の周波数が変更することができる。別の実施例では、この構造は非共振式で動作することもできる。このような方式によって、本デバイスは、物体の異なる検出オブジェクト（特徴）の深度情報を検出して完全な３Ｄ画像の構築に役立つ周波数可変な送受器であり、例えば、指の生体情報を測定するために、周波数を変えて実行することができ、また、指紋及び指静脈パターンまたは血液情報などを同時に測定することができる。
図４は、本発明の好ましい実施例である擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００の構造概略図を示している。図５は、図４の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスの一例の局在部の断面図である。図４及び図５に示すように、本実施例の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、少なくとも、複数のトランジスター３０及び複数の受信器４０Ｒを備える。複数の受信器４０Ｒは、これらのトランジスター３０に電気的に接続され（図面では、並列構成を示しているが、例えば、受信器４０Ｒをトランジスター３０の上方に積み重ねられた積み重ね構造であっても良い）、各トランジスター３０は、対応の各受信器４０Ｒが物体Ｆが第１振動波Ｗ１を反射することにより生成された第２振動波Ｗ２を受信して感測信号を生成するように制御する。各受信器４０Ｒは、第１電極４１と、第２電極４２と、第１電極４１と第２電極４２との間に配置され且つ半導体金属化合物によって構成されたナノギャップ４３とを備える。本実施例において、各受信器４０Ｒは、送信器４０Ｔ、または送受信ユニット４０として使用しても良い。送受信ユニット４０とこれらのトランジスター３０のうちの１つとが集積化送受器２０として使用することができる。集積化送受器２０では、送受信ユニット４０がトランジスター３０に隣接し、トランジスター３０は、第１の時刻に、送受信ユニット４０が第１振動波Ｗ１を発信した後、第２の時刻に、送受信ユニット４０を制御して第２振動波Ｗ２を受信する。
上述した擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、基板１０と、駆動検出回路モジュール５０とをさらに備える。基板１０は、上表面１０Ｔ及び下表面１０Ｂを有する。各集積化送受器２０は、基板１０の上表面１０Ｔに設けられている。なお、単一の集積化送受器２０でも、本発明の機能を実現することができる。また、駆動検出回路モジュール５０は、内蔵型または外付け型の回路デバイスである。
基板１０は、ガラス基板、フレキシブル基板（例えば、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ，ＰＩ）基板）、任意の絶縁基板、または絶縁層が形成された半導体基板などであっても良いが、これらに限定されるものではない。
図５は、薄膜トランジスター（Ｔｈｉｎ－Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ， ＴＦＴ）を用いた本発明の実施例であり、前述したように、本発明のデバイスは、携帯電話システムに適用されるものとして説明しており、携帯電話では、ヒューマンマシンインターフェイスは、携帯電話ディスプレイである。したがって、本発明のデバイスは、携帯電話ディスプレイのＴＦＴ製造プロセスを利用して製造されている。同様に、携帯電話のように、有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ， ＯＬＥＤ）とともに単一のパネルに統合するか、または、ＯＬＥＤの製造プロセスを省略して、ＴＦＴ製造プロセスのみで本発明のデバイスを完成させる。なお、ＯＬＥＤディスプレイに限定されず、例えば、ＬＣＤまたは将来のｕＬＥＤ（Ｍｉｃｒｏ ＬＥＤ）の技術などでも、本発明が適用することができる。また、本発明のデバイスは、携帯電話ディスプレイまたは携帯電話の背面カバーまたは側面の下方に設置することができる。これは、本発明の最も重要な思想の一つである。複数の集積化送受器２０は、図５のＸ軸方向に沿ってアレイ上に配置され、且つ、基板１０上に設けられる。各集積化送受器２０は、少なくとも１つのトランジスター３０（１つまたは複数のトランジスターであり、ガラス基板または他の基板上に設けられる）、少なくとも１つの送受信ユニット４０とを備える。本実施例において、トランジスター３０は、薄膜トランジスターを例として説明しているが、本発明はこれに限定されない。送受信ユニット４０は、トランジスター３０の片側（水平側）に設けられ、且つ第１半導体層３４と第２半導体層４４とは、同一のポリシリコン層またはアモルファスシリコン層である。他の実施例では、送受信ユニット４０は、トランジスター３０の垂直側（上方または下方、例えば、２層のポリシリコン層またはアモルファスシリコン層を製造する）に積み重ねられてもよい。これによって、水平空間は、他の用途で利用できる。トランジスター３０は、基板１０上に配置され、且つ、ゲート電極３１と、ドレイン電極３２と、ソース電極３３と、ゲート電極３１とドレイン電極３２とソース電極３３との間に配置された第１半導体層３４とを備える。ゲート電極３１は、基板１０上に形成される。
送受信ユニット４０は、トランジスター３０に隣接し、トランジスター３０に直接または間接的に電気的に接続される。トランジスター３０は、送受信ユニット４０の送信及び受信（能動及び受動機能）を制御し、送受信ユニット４０（当該薄膜電極を駆動する）は、第１振動波Ｗ１を物体Ｆ（生体または非生体であってもよい）に発信させ、物体Ｆが第１振動波Ｗ１を反射して第２振動波Ｗ２を形成し、送受信ユニット４０は、第２振動波Ｗ２（当該薄膜電極を振動する）を受信して感測信号を生成する。例えば、指の物体ＦのピークパターンＦＲまたはバレーパターンＦＶは、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００に対する距離が異なり、異なる検出信号を生成する。送受信ユニット４０がトランジスター３０に隣接することは、送受信ユニット４０がトランジスター３０の左側、右側、上側、下側、左上、左下、右上、または右下に配置されていることを意味している。一例では、トランジスター３０と送受信ユニット４０とは、空間的に重なり合わない。
本実施例において、図５及び図４に示すように、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、第１電極４１及び第２電極４２に可変電場を印加することによって、上下に振動する第１振動波Ｗ１を形成し、上向きに伝達される第１振動波Ｗ１は、デバイス１００に接触する指Ｆの１つまたは複数の界面と接すると、指Ｆの界面によって反射され、第２振動波Ｗ２を形成する。デバイス１００は、第２振動波Ｗ２の性質を検出すること、または、第２振動波Ｗ２と第１振動波Ｗ１との干渉波Ｗ３を検出することによって、感測信号を生成する。一例では、第２振動波Ｗ２は、下向きに伝達され、第２電極４２と第１電極４１との間の検出静電容量の変化を干渉して感測信号を生成する。他の例では、第２振動波Ｗ２は、下向きに伝達され、且つ、下向きに伝達される第１振動波Ｗ１と干渉して干渉波Ｗ３を形成する。第２電極４２と第１電極４１とは、検出静電容量の変化により、干渉波Ｗ３を測定して感測信号を生成する。したがって、アレイデバイス１００の設計は、指ＦのピークパターンＦＲまたはバレーパターンＦＶとデバイス１００との距離情報を測定して、指紋画像（この時、皮膚が界面である）を生成することができる。また、第１振動波Ｗ１の周波数を同時または非同時に調整することができ、また、第１振動波Ｗ１を皮膚に透過させ、血管から反射された異なる振動波によって、血管の分布画像（この時、血管の血管壁が界面である）を測定することができる。一例では、干渉波Ｗ３は、第２振動波Ｗ２と第１振動波Ｗ１との強め合う干渉によって生成され、これによって、より大きな振幅が得られる。他の実施例では、干渉波Ｗ３は、第２振動波Ｗ２と第１振動波Ｗ１との相殺的干渉によって生成され、これによって、より小さな振幅を得られる。他に実施例では、デバイス１００は、指ＦのピークパターンＦＲの反射によって形成された第２振動波Ｗ２と第１振動波Ｗ１とを強め合う干渉させ、指ＦのバレーパターンＦＶの反射によって形成された第２振動波Ｗ２と第１振動波Ｗ１とを相殺的干渉させるように設定され、これによって、ピークパターンとバレーパターンっとの識別率を向上させることができる。もう一つの発信検出モードは、飛行時間（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ，ＴＯＦ）方式であり、発信時間と検出時間を切り替えることにより、時間差を検出して振動波の進行距離を判断し、物体Ｆの３Ｄ画像を構築する。異なる界面に遭遇する前方波の反射時間が異なるため、指紋及び静脈画像などの異なる界面から得られた画像を重ねて物体Ｆの３Ｄ画像を構築する。この時、異なる周波数の波を発信して異なる界面を検出する目的を達成することができる。本実施例では、当該振動波の周波数の範囲は、２０ＫＨｚ～２００ＭＨｚあり、好ましくは、２ＭＨｚ～４０ＭＨｚである。もう一つの検出モードは、複数の送受信ユニットを制御して、送受信ユニット同士の第１振動波の位相差によるビームフォーミング（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ）方式を利用する。この方式は、エネルギーが集中し、且つ、順次にスキャンすることができ、第１振動波Ｗ１のエネルギーを最大限にして（反射された第２振動波Ｗ２のエネルギーも大きくなる）、検出の感度を高めることができる。
簡単にするために、図４は、本発明の振動波デバイスの動作原理及び実際の応用について説明している。例えば、図２または図３に示す実施例では、デバイスと物体（例えば、指）との間に、他のディスプレイ構造を備えており、つまり、前述したＷ１またはＷ２は、ディスプレイにおける異なる材料間に伝達して、送受信機能を実現する。この部分は、当該技術分野における当業者が理解できるので、本明細書では、ディスプレイの構造について詳細を省略する。
送受信ユニット４０は、第１電極４１と、第２電極４２と、第１電極４１と第２電極４２との間に配置されるナノギャップ４３と、基板１０と第１電極４１との間に配置される第２半導体層４４とを備える。本実施例において、第１半導体層３４と第２半導体層４４とは、同じ層の材料である。薄膜トランジスターを使用する場合、第１半導体層３４と第２半導体層４４とは、同じ材料であり、両方とも同じ製造プロセスを用いて製造することができる。なお、本発明はこれに限定されない。例えば、以下の説明される図９に示すように、第１半導体層３４と第２半導体層４４とは、異なる材料（例えば、第１半導体層の材料は、単結晶シリコン、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンであり、第２半導体層４４は、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンであり、両方は同じ層または異なる層の材料である）である。ナノギャップ４３の高さは、（図５のＹ軸方向に沿った）は、２００ナノメートル（ｎｍ）以下であり、例えば、１００ｎｍまたは約５０ｎｍである。同じ駆動電圧の下では、電場強度は、距離の２乗に反比例し、且つギャップが小さいため、小さな電圧でも大きな電場を生成して電極を駆動する。これは本発明の技術的な思想である。したがって、各集積化送受器２０に電気的に接続される駆動検出回路モジュール５０は、３．３～１２Ｖの駆動電圧を各集積化送受器２０に提供することができ、従来技術のように、１０～１００Ｖの駆動電圧を提供する必要がない。したがって、本発明は、システム及び検出駆動集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ， ＩＣ）の設計が容易である。なお、電気的な接続方式は、従来の導体接続方法によって実現できるので、ここでは詳細を省略する。
従来の方法でそのような小さなナノギャップを得ることは、通常、犠牲層を使用することで達成されている。例えば、まず、犠牲層及び犠牲層上の保護層を形成し、そして、保護層上に複数の開口を形成し、これらの開口を介して犠牲層をエッチング除去する。しかし、ギャップが小さいため、犠牲層を除去するのが困難である（毛細管現象）。また、犠牲層が除去されたとしても、薄膜構造が底部の電極に付着するので、ナノメートルオーダーでの犠牲層構造は、非効率且つ製造が容易でない。また、これらの開口は、最後に埋める必要があるので、開口に充填材料が容易に落下して、膜に支持する支持構造となり、振動機能が発揮できなくなる。したがって、従来の技術は、簡単に実現することができない。なお、使用者のブラインドプレス（どのプレスでも目的の機能を完了することができる）を満たすために、指バイオセンサーの面積が大きいほど良い。また、２つ以上の指紋を同時に押してセキュリティを向上させることもできる。しかし、このような構造を得るために、シリコン集積回路の製造プロセスを採用すると、製造コストが高い。従来の圧電材料ブロックを使用して薄膜トランジスターの液晶ディスプレイ（Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ， ＴＦＴ－ＬＣＤ）に統合または適用する場合、非常に困難である。これは、前述したように、圧電材料ブロックは非常に高い温度でしか焼結できないという原因がある。これに対して、本発明の構造及び材料は、比較的に簡単であり、材料は無公害であるだけでなく、製造温度も比較的に低く（＜３００℃）、任意のＴＦＴ製造プロセス、シリコン集積回路製造プロセス（例えば、ＣＭＯＳ製造プロセス）などに統合できる。本発明の構造及び材料の前例がない。
本実施例において、第１電極４１は、半導体金属化合物（金属シリサイド層４１Ａ）と金属層４１Ｂ（完全反応により金属シリサイド層４１Ａとなる場合、不要である）とを備える。金属シリサイド層４１Ａは、第２半導体層４４に埋め込まれ、金属層４１Ｂは、金属シリサイド層４１Ａ上に配置される。一例では、金属層４１Ｂ（材料は例えばニッケルである）と第２半導体層４４（材料は例えばアモルファスシリコンまたはポリシリコンである）とは、熱反応（＜３００℃）により、一部または全部が反応して金属シリサイド層４１Ａを形成することができる。この金属シリサイドは形成中に体積が減少することまたは材料の選択によって実現されている。本発明の好ましい実施例では、ニッケルとシリコンとを材料としている。ニッケルは、保護層６０（例えば、酸化シリコンまたは窒化シリコンなど）と一緒にしても温度が３００℃以内であれば反応しないので、ニッケル（金属層４１Ｂ）は、第２半導体層４４の方向に向かって反応して、ニッケル（金属層４１Ｂ）の体積が小さくなる。これによって、ニッケル（金属層４１Ｂ）と保護層６０との間のナノギャップが形成され、且つ徐々に大きくなる。材料の厚さ、反応温度、及び時間制御によって、ニッケル（金属層４１Ｂ）を完全的または部分的に反応させることができる。つまり、本実施例のナノギャップ４３は、半導体金属化合物が形成した後に形成されている。換言すれば、ナノギャップ４３は、下方にある金属層４１Ｂに隣接しており、金属層４１Ｂは、金属シリサイド層４１Ａ（他の半導体材料を採用しても良いので、他の実施例では、半導体金属化合物である）に直接隣接している。また、金属層４１Ｂが第２半導体層４４と完全に反応して半導体金属化合物になると、ナノギャップ４３は、下方の半導体金属化合物に直接隣接する。したがって、ナノギャップ４３は、第１電極４１の金属層４１Ｂを介して、半導体金属化合物に隣接し、または半導体金属化合物に直接隣接している。保護層の下方にあるギャップは、所定のナノメートル範囲内に正確に制御できる。半導体物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ， ＰＶＤ）によって製造されたニッケル薄膜の厚さは、１００ｎｍまたは５０ｎｍであり、本発明によって形成されたギャップも同じ桁数の寸法を有する。この方法で製造されたデバイスは、前述した優れる点を実現することができ、低い操作電圧（＜１２Ｖ）を使用しても、比較的に大きな電場を得て、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスを駆動することができる。
擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、前述した保護層６０と絶縁層７０とをさらに備える。保護層６０は、ドレイン電極３２、ソース電極３３、第１半導体層３４及び第２半導体層４４を覆う。ナノギャップ４３は、保護層６０と第１電極４１とによって囲まれ、第２電極４２は、保護層６０上に配置される。絶縁層７０は、ゲート電極３１及び基板１０を覆っており、且つ第１半導体層３４と第２半導体層４４とを支持する。これまでに、当業者は、本発明のデバイスがＴＦＴ製造プロセスと互換性のある温度及び材料に、シリサイド金属プロセス（金属がＮｉであることは好ましいであるが、これに限定されない）を追加することによって、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスの製造を完成させることができる。これは、整合性だけではなく、コスト、さらに性能にも優れる。もちろん、ここでは、ＴＦＴ製造プロセスの一部のみを使用して説明しているが、他の後プロセス、例えば、ＩＴＯ電極、ＯＬＥＤまたはＬＣＤ材料または他のディスプレイ材料及び構造などの製造は、本発明の目的としておらず、詳細を省略する。ただし、現在の技術や将来の新しい技術により、任意の製造プロセスに行われた調整及び材料の変更は、本発明の思想を変更または影響を与えないことを留意されたい。
一例では、これらの送受信ユニット４０の第１電極４１は、第２半導体層４４及び第１半導体層３４を直接的または間接的に互いに電気的に接続して一体化された共通電極として機能する。別の例では、複数の第２電極４２を電気的に接続して共通電極として機能しても良い。
図６Ａ～図６Ｇは、図５の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスの製造方法の各プロセスの構造の断面図を示している。図６Ａに示すように、基板１０上の左側は、一部のトランジスター３０を形成し、右側は、トランジスター３０を形成する時に必要となる、例えば、絶縁層７０（酸化物、窒化物またはこれらの混合物、または他の材料）、第２半導体層４４、または第１半導体層３４などの一部の材料を残す。この時、第２半導体層４４及び第１半導体層３４は同一層であり、例えば、アモルファスシリコンまたはポリシリコン層であり、トランジスター３０の重要な材料層である。
次に、図６Ｂに示すように、第２半導体層４４、ドレイン電極３２及びソース電極３３上に、フォトレジスト層８１を覆う。次に、図６Ｃに示すように、フォトレジスト層８１をパターニングして開口８２を形成する。次に、図６Ｄに示すように、図６Ｃの構造の全体に、材料がニッケルである金属層８３を形成する。金属層８３が開口８２を充填し、フォトレジスト層８１も覆う。次に、図６Ｅに示すように、フォトレジスト層８１を除去し、一部の金属層８３を残す。本実施例において、リフトオフ（ｌｉｆｔ－ｏｆｆ）方式によって、一部の金属層８３が形成されるが、本発明はこれに限定されず、例えば、エッチングやフォトリソグラフィなどの他の方式により一部の金属層８３を形成しても良い。次に、図６Ｆに示すように、第２半導体層４４、ドレイン電極３２、ソース電極３３及び金属層８３上に、保護層６０を形成する。次に、図６Ｇに示すように、図６Ｆの構造全体をオーブンに移送し、２５０℃または以上の温度で、金属層８３と第２半導体層４４とを熱反応して金属シリサイド層４１Ａを合成する。この時、一部の金属層８３を保留して金属層４１Ｂを形成する。ナノギャップ４３の高さは、金属層８３の厚さ（例えば、１００ｎｍ）によって制御することができる。ナノギャップ４３は、金属材料と半導体材料とが一回または複数回の熱反応によって形成された真空またはほぼ真空の閉鎖チャンバである。熱反応で金属シリサイド層４１Ａが生成されるので、金属層８３の体積が減少し、ナノギャップ４３を形成することができる。その高さも、数十ナノメートルのように比較的に小さく制御することができる。これによって、３．３～１２Ｖの駆動電圧が第１電極４１及び第２電極４２に形成した電場は、１０～１００Ｖの駆動電圧が周知の構造に形成した電場と同等である。第２電極４２は、電場の駆動により、上下に振動して振動波を発信し、物体から反射された振動波を受信する。次に、図５に示すように、保護層６０上に第２電極４２が形成される。その材料は、例えば、インジウムスズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ， ＩＴＯ）導体である。また、ディスプレイと統合しても良い。なお、例えば、アルミニウムなどの他の材料であっても良い。なお、図６Ｆに第２電極４２を最初に形成してから、熱反応による合成を行っても良い。本実施例の効果に影響を与えないかぎり、製造プロセスの需要に応じて、金属シリサイドの形成順序を任意に決定することができる。
本実施例では、製造温度が３５０℃よりも小さい、互換性のあるアモルファスシリコンＴＦＴ（アモルファスシリコンの温度が３５０℃に達するが、その後の製造プロセスの温度１００～２００℃である）、製造温度が５００～６００℃である、互換性のある低温ポリシリコン（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｏｌｙ－ｓｉｌｉｃｏｎ， ＬＴＰＳ）ＴＦＴのいずれかを採用しても良い。ＴＦＴの既存のアモルファスシリコンまたはポリシリコンを保留層として金属層と熱反応してナノギャップを形成することで、本発明の効果を得られる。なお、本発明の製造方法及び構造は、ＣＭＯＳの製造の後に統合しても良い。
図７は、図４の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスの他の例の局在部の断面図である。図７に示すように、本実施例は、図５と類似するが、異なる点は、図５では下ゲート電極式（Ｂｏｔｔｏｍ－Ｇａｔｅ）薄膜トランジスターであり、図７のように上ゲート電極式（Ｔｏｐ－Ｇａｔｅ）薄膜トランジスターも実施可能な解決策であり、この場合、ドレイン電極３２とソース電極３３とが基板１０上に形成されている。図７に示すように、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００の保護層６０は、ゲート電極３１、第１半導体層３４、及び第２半導体層４４を覆っており、ナノギャップ４３は、保護層６０と第１電極４１とによって囲まれている。第２電極４２は、保護層６０上に配置され、絶縁層７０は、ゲート電極３１と第２半導体層４４との間に配置されている。
図７Ａ～図７Ｇは、図７の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスの製造方法の各プロセスでの構造の断面図を示している。製造方法は、図６Ａ～図６Ｇと類似している。図７Ａに示すように、基板１０上の左側は、一部のトランジスター３０が形成され、右側は、トランジスター３０を形成する時に使用する、例えば、絶縁層７０（酸化物または窒化物）、第２半導体層４４及び第１半導体層３４を残っている。この時、第２半導体層４４と第１半導体層３４とは同一層であり、例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン層またはゲルマニウム（Ｇｅ）層であり、且つトランジスター３０の重要な材料層である。
図７Ｂに示すように、第２半導体層４４、絶縁層７０及びゲート電極３１上に、フォトレジスト層８１を覆う。次に、図７Ｃに示すように、フォトレジスト層８１をパターニングして開口８２を形成する。そして、図７Ｄに示すように、図７Ｃの構造の全体の上面に、材料が例えばニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などである金属層８３を形成する。金属層８３は、開口８２を充填し、フォトレジスト層８１も覆う。次に、図７Ｅに示すように、フォトレジスト層８１を除去し、一部の金属層８３を残す。次に、図７Ｆに示すように、第２半導体層４４、第１半導体層３４、絶縁層７０、ゲート電極３１及び金属層８３上に、保護層６０を形成する。次に、図７Ｇに示すように、図７Ｆの全体構造をオーブンに移送し、２５０℃または以上の温度で、金属層８３と第２半導体層４４とを熱反応して金属シリサイド層４１Ａを合成する。この時、一部の金属層８３を保留して金属層４１Ｂを形成する。最後に、図７に示すように、保護層６０上に、材料がインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）導体であり且つディスプレイと統合できる第２電極４２が形成される。なお、例えばアルミニウムなどの他の材料であっても良い。なお、図７Ｆより先に第２電極４２を形成してから、熱反応による合成を行っても良い。本実施例の効果に影響を与えないかぎり、製造プロセスの需要に応じて、金属シリサイドの形成順序を任意に決定することができる。
図８は、本発明の好ましい実施例である擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００の別の用途を示す構造概略図である。図８に示すように、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、指Ｆの静脈ＶＩの画像または血流情報を検出することができる。これは、飛行時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｙ， ＴＯＦ）検出方法を通じて実現することができる。前述した図４の指紋検出を組み合わせて、本発明は、指紋と指静脈を同時に検出することができ、さらに、血流量及び心拍を測定することもできる。
図９は、本発明の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスをＣＭＯＳの後プロセスにおいてに統合する構造の構造概略図である。すなわち、トランジスター及び回路が最初に製造され、次に、後のプロセスの送受信ユニットの製造を行う。図９は、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００の一部、すなわち、送受信ユニットのみを有する部分を示しており、トランジスターの部分は省略されている。本実施例の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、少なくとも、本体１１０と、第１電極４１と、第２電極４２と、ナノギャップ４３とを備える。
第１電極４１は、本体１１０内に配置される。第２電極４２は、本体１１０内に配置され、且つ第１電極４１に対応する。第１電極４１と第２電極４２との少なくとも１つは、金属材料と半導体材料とが反応して生成された化合物で構成されている。ナノギャップ４３は、本体１１０内に形成され、且つ第１電極４１と第２電極４２との間に配置されている。ナノギャップ４３は、金属材料と半導体材料とが一回または複数回の熱反応を行うことによって形成されたので、ナノメートルオーダーのサイズを有するナノギャップである。形成方法の詳細及び優れる点は、上述されている。
本体１１０は、基板１１１（図５の基板１０に相当する）と、第１絶縁層１１２（図５の絶縁層７０に相当し、または、複数の金属接続層とこれらの金属接続層の間に設けられる複数の誘電体層とで構成された誘電体層グループに相当する）と、半導体材料層１１３（図５の第２半導体層４４に相当する）と、第２絶縁層１１４と、保護層１１５（素子１１４と素子１１５が図５の保護層６０に相当する）とを備える。半導体材料層１１３は、前述した半導体材料を備える。
第１絶縁層１１２は、基板１１１上に配置される。半導体材料層１１３は、第１絶縁層１１２上に配置され、第１電極４１は、半導体材料層１１３上に配置される。第２絶縁層１１４と第１電極４１とは、ナノギャップ４３を画定し、第２電極４２は、第２絶縁層１１４上に配置される。保護層１１５は、第２絶縁層１１４及び第２電極４２を覆う。
第１電極４１は、金属シリサイド層４１Ａと金属層４１Ｂとを備える。金属層４１Ｂは前述した金属材料を備える。金属シリサイド層４１Ａは、半導体材料層１１３上に配置される。金属層４１Ｂは、ナノギャップ４３に隣接し、且つ金属シリサイド層４１Ａ上に配置される。金属層４１Ｂと半導体材料層１１３とは、熱反応によって金属シリサイド層４１Ａを形成する。
本実施例において、第１電極４１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）， タングステン（Ｗ）などの金属導体を含む。第２電極４２の材料は、第１電極と同じ金属導体、低抵抗の半導体、または高分子導体などであり、半導体材料層１１３は、ポリシリコンまたはアモルファスシリコン層であっても良く、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）層などの他の半導体材料層であっても良い。
第１絶縁層１１２は、基板１１１に配置される。なお、第１絶縁層１１２は多層構造出会っても良い。一般的な集積回路を構成する構造は、後のプロセスで形成された導体層（例えば、金属層）、導体層同士にある誘電体層、または導体層同士にあるプラグ導体（ｖｉａ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であってもよく、これは周知の技術であり、ここでは詳細を省略する。もちろん、第１絶縁層１１２は、複数の誘電体層と複数の金属接続層とで構成された回路を更に備え、シリコン基板１１１内の能動回路要素と受動回路要素を協働して特定の機能を有する集積回路１１２Ａを形成する。したがって、本発明の実施例は、振動式デバイスの底部または側部に配置され且つ第１電極４１及び第２電極４２に電気的に接続されて信号処理を行う集積回路１１２Ａをさらに備えることができる。
半導体材料層１１３は、第１絶縁層１１２上に配置される。金属シリサイド層４１Ａは、半導体材料層１１３内に形成される。金属層４１Ｂは、半導体材料層１１３上に配置され、且つ、金属シリサイド層４１Ａに対応して接続されている。フォトリソグラフィ法（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）により、半導体材料層１１３、金属層４１Ｂ及び金属シリサイド層４１Ａは、第１絶縁層１１２の一部の面積を占めているので、第２絶縁層１１４は、一部の第１絶縁層１１２上に配置されることができる。したがって、四辺と上下の封止により、ナノギャップ４３を形成することができる。このギャップの形成による特徴は後述する。また、金属層４１Ｂはもともとナノギャップ４３の体積全体を占めているので、一部の体積は、底層の半導体材料層１１３と高温で反応して化合物を形成することによって消費され、ナノギャップ４３を形成する。
ナノギャップ４３は、第２絶縁層１１４と金属層４１Ｂとの間に設けられ、これらの間に、第２絶縁層１１４で間隔されてもされなくても良い。第２電極４２は、第２絶縁層１１４上に配置され、且つ、ナノギャップ４３及び金属層４１Ｂに対応する。保護層１１５は、第２電極４２及び第２絶縁層１１４上に配置されている。保護層１１５の表面は、このように、物体によって押されることができる。保護層１１５は、複数層の絶縁層構造であっても良く、静電保護などのシステムの要求に応じて、導電性材料を追加することもできる。したがって、保護層１１５の最上表面には、情報を入力可能な物体に触れることができる。もちろん、第２電極４２は、腐食などの環境影響を受けないとので、本実施例の保護層１１５は使用しなくても良い。したがって、送受信ユニットは、誘電体層グループ１１２と第２絶縁層１１４と保護層１１５とをさらに備え、前記誘電体層グループ１１２は、基板１１１と第１電極４１との間に配置され、基板１１１と誘電体層グループ１１２とは、集積回路１１２Ａを形成し、且つ第１電極４１と第２電極４２とに接続され、前記第２絶縁層１１４は、ナノギャップ４３と第２電極４２との間に配置あれ、前記保護層１１５は、第２電極４２を覆う。なお、保護層１１５は必須の要素ではないため、省略することができる。
上述した実施例では、ガラス基板またはフレキシブル基板を採用してもよく、この場合、半導体基板より安価であり、且つ携帯電話ディスプレイと容易に一体化されることができる。擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、ジェスチャー、指紋、指静脈などの生体学的な情報、非生物学的情報（工業応用）などを検出するために用いられている。指紋センサーに関して、集積化送受器２０は、二次元アレイ状に配列され、且つピッチ（ｐｉｔｃｈ）が約５０μｍ～７０μｍである。擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、独立したデバイスであっても良く、ディスプレイと統合してディスプレイの一部になっても良い。
図９Ａ～図９Ｃは、図９の実施例の個数が変化した例を示す構造概略図である。図９Ａに示すように、本変化例は、図９と類似するが、異なる点は、誘電体層グループ１１２は、例えば、銅プラグまたはタングステンプラグ（これに限定されない）などの複数の金属プラグ１１２Ｂを備え、前記金属プラグ１１２Ｂは、第１電極４１と集積回路１１２Ａとの間に設けられ、第１電極４１を集積回路１１２Ａに電気的に接続させることである。集積回路１１２Ａは、送受信ユニットに電気的に接続される前記少なくとも１つのトランジスターを備え、前記トランジスターが基板１１１上または内に設けられている。基板１１１は、例えば、ＣＭＯＳ素子に用いられるシリコン基板であり、もちろん、シリコン半導体基板またはＣＭＯＳ素子に限定されない。なお、誘電体層グループ１１２及び金属接続層は、他の金属プラグ（図示せず）により、電気接続の機能を実現することができる。図９Ｂに示すように、本実施例は、図９Ａと類似するが、異なる点は、第２電極４２の形成方式である。図９Ｂにおいて、第２絶縁層１１４を完成した後、第２絶縁層１１４に対して、例えば、化学機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ， ＣＭＰ）による平坦化プロセスを行い、次に、準備されたシリコンウェーハ（単結晶シリコン）４００に絶縁層４１０が形成され、その後、絶縁層４１０にポリシリコン層（４２）が形成され、ポリシリコン層（４２）が第２絶縁層１１４に接合される。一例では、第２絶縁層１１４は、例えば、化学機械研磨された酸化シリコン層を融合・接合（Ｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）ための界面層とする。第２絶縁層１１４と別の単結晶シリコンウェーハは、低温溶融接合方式（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって水素結合強度を有する界面を形成する。なお、低温溶融接合の前に、表面活性化を達成するために、例えば、酸素ガス（Ｏ２）及び窒素ガス（Ｎ２）の雰囲気下で、表面プラズマ（Ｐｌａｓｍａ）処理を行うことができ、接合表面が良好の平坦度を有するために、ＣＭＰを利用して接合予定の表面を研磨及び平坦化することができる。次に、シリコンウェーハ４００を薄く削り、残存のシリコンウェーハ４００をエッチングして絶縁層４１０を露出させ、その後、絶縁層４１０（または絶縁層４１０を除去しない）を除去してポリシリコン層（４２）を露出させ、第２電極４２を形成するためにポリシリコン層（４２）をパターニングする。最後に、図９Ａに示す保護層１１５（保護層は前記の絶縁層４１０であっても良い）を形成する。なお、上記ポリシリコン層（４２）は、他の単結晶シリコンウェーハで置き換えることができ、使用されるプロセスは、公知の絶縁層上シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ， ＳＯＩ）を形成するプロセスであり、ここでは詳細を省略する。
図９Ｃに示すように、本実施例は、図９Ａと類似するが、異なる点は、第２電極４２の形成方式である。図９Ｃでは、第２絶縁層１１４を完成した後、第２絶縁層１１４に対して、例えば、ＣＭＰの平坦化プロセスを行い、その後、準備されたシリコンウェーハ（単結晶シリコン）４００を第２絶縁層１１４（上記の融合・接合と類似する）に接合する。もちろん、高分子材料接合（ｐｏｌｙｍｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ）技術または他の金属融合・接合技術（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ）などで実行されても良い。そして、シリコンウェーハ４００を薄く削り、第２電極４２を形成する。最後に、図９Ａに示す保護層１１５を形成する。
図１０Ａ～図１０Ｄは、受信器及び送信器の配置の４つの例を示す構造概略図である。図１０Ａに示すように、基板１０の上面に配置される送受信ユニット４０は、異なる時刻で、送信器４０Ｔまたは受信器４０Ｒとして使用している。送受信ユニット４０は、二次元アレイ状に配置される。トランジスター（図示せず）は、送受信ユニット４０の横または下方に配置され、この配置は図５、図７などの実施例に適用する。図１０Ｂに示すように、基板１０の上面に、送信器４０Ｔと８つの受信器４０Ｒが配置され、送信器４０Ｔが振動波を発信した後、受信器４０Ｒが振動波を受信する。この配置は、図５、図７などの実施例に適用する。図１０Ｃに示すように、基板１０の上面に、複数の送信器４０Ｔと複数の受信器４０Ｒとが交互に配置され、送信器４０Ｔが振動波を発信した後、受信器４０Ｒが振動波を受信する。この配置は図５、図７などの実施例に適用する。図１０Ｄに示すように、基板１０の上面に、複数の受信器４０Ｒが二次元アレイ状に配置され、送信器４０Ｔは、単一の大面積の送信器であり、基板１０の下表面または基板１０の上方のディスプレイモジュールの部分に配置され、送信器４０Ｔが振動波を発信し、受信器４０Ｒが振動波を受信する。なお、図１０Ａ～図１０Ｄは、異なる実施例の設計を示しているが、本発明はこのような幾何学的な配置には限定されず、任意の寸法及び個数の送信器４０Ｔ及び受信器４０Ｒの設計も本発明の範囲を逸脱しないことを留意されたい。
図１１は、２つの異なる高さのナノギャップを有する集積化送受器の局在部の断面構造を示す構造概略図である。図１１に示すように、この実施例は図１０Ｂ及び図１０Ｃの示例に適用することができ、且つ図７の実施例と類似している。図４及び図１１に示すように、擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス１００は、トランジスター３０に電気的に接続される送信器４０Ｔを備える。トランジスター３０は、第１の時刻に、送信器４０Ｔを制御して第１振動波Ｗ１を発信した後、第２の時刻に、受信器４０Ｒを制御して第２振動波Ｗ２を受信する。また、送信器４０Ｔは、第１電極４１と、第２電極４２と、第１電極４１と第２電極４２との間に配置され且つ半導体金属化合物（または、他の実施例では、他の半導体金属化合物である）で構成された第２ナノギャップ４３'とを備える。送信器４０Ｔ及び受信器４０Ｒは、基板１０上に設置され、各トランジスター３０は、基板１０上または内に設置され、第２ナノギャップ４３'の高さは各ナノギャップ４３の高さよりも高い。受信器４０Ｒの検出感度については、ナノギャップ４３は、可能な限り小さくなければならい。例えば、ナノギャップ４３は小さい場合、第２電極４２の振幅はナノギャップ４３の１／１０に容易に到達しえる。これによって、３．３Ｖ電圧によって反射される信号は、３３０ｍＶであり、集積回路設計にとって、このような反射された信号は非常に大きいである。送信器４０Ｔの信号強度については、第２ナノギャップ４３'は大きければ大きいほど良い（ギャップの高さは、使用仕様に従って最適化される）。このように、第２ナノギャップ４３'がナノギャップ４３より大きくなるように設計することにより、振動式デバイスの性能の改善ができる。対応の金属層４１Ｂ（例えば、図６Ｆの金属層８３）の厚さまたは第２半導体層４４のポリシリコンまたはアモルファスシリコン層の厚さが増加することで、第２ナノギャップ４３'を増加させることができる。
図１２は、図１０Ｄの送信器の配置を示す構造概略図である。図１２は、図４と類似するが、これらの受信器４０Ｒは、基板１０の上表面１０Ｔ上に設置され、各トランジスター３０は、基板１０上または内に設置されている。異なる点は、送信器４０Ｔ及び受信器４０Ｒは異なり、送信器４０Ｔは圧電送信器であり、また、基板１０の下表面１０Ｂまたは受信器４０Ｒの上方（一ディスプレイ２６０の下表面に設置され、または、ディスプレイ２６０の上表面、ディスプレイ２６０内、または他の適切な配置に配置されることができる）に配置されることができる。このようにして、信号検出機能も実現することができる。
図１３Ａ及び１３Ｂは、上記送受信デバイスを使用したディスプレイの２つの例を示す構造概略図である。図１３Ａ、図１３Ｂ及び図４に示すように、ディスプレイ２６０は、少なくとも、基板１０と、複数の集積化送受器２０と、複数の表示ユニット９０とを備える。ディスプレイ２６０は、図２Ａ及び図２Ｂに示されているディスプレイ２１０である。基板１０は、剛性基板（ガラス剛性プレートＯＬＥＤ、ＬＣＤなど）、フレキシブル基板（可撓性プレートＯＬＥＤ）または、透明基板である。ディスプレイ２６０は、ＯＬＥＤ、ＴＦＴ－ＬＣＤ、ＭＩＣＲＯ ＬＥＤディスプレイなどを含むが、これに限定されない。複数の集積化送受器２０は基板１０に配置される。各集積化送受器２０は、電気的に接続されている送受信ユニット４０及び少なくとも１つのトランジスター３０（特許請求の範囲では、送受信制御トランジスターである）を備えている。
トランジスター３０は、送受信ユニット４０の送信及び受信を制御し、送受信ユニット４０が第１振動波Ｗ１を物体Ｆに送信し、物体Ｆが第１振動波Ｗ１を反射して第２振動波Ｗ２を生成し、送受信ユニット４０が第２振動波Ｗ２で生成された感測信号を受信する。複数の表示ユニット９０は基板１０上に配置され、各表示ユニット９０は、電気的に接続される少なくとも１つの表示制御トランジスター９１と表示ピクセル９２を備える。表示制御トランジスター９１は、表示ピクセル９２の有効化及び無効化を制御するので、表示ピクセル９２は、光信号を表示または不表示することで、データを表示する。
分層の観点から見ると、ディスプレイは、トランジスター配置層９３と表示ピクセル配置層９４とを備える。トランジスター配置層９３は、基板１０上に配置される。トランジスター３０及び送受信ユニット４０は、トランジスター配置層９３内に配置される。表示ピクセル配置層９４は、トランジスター配置層９３上に配置される。表示ピクセル９２は、表示ピクセル配置層９４内に配置される。これによって、トランジスター配置層９３には、表示ピクセル９２及び送受信ユニット４０を制御するためのトランジスターが設けられている。また、表示ピクセル配置層９４は、発光層（例えば、ＯＬＥＤディスプレイの場合）または、光スイッチング層（例えば、ＬＣＤディスプレイの場合）である。別の示例では、表示ピクセル配置層９４の上方及び下方に、２つの電極層（陽極層及び陰極層、図示せず）が設けられ、表示ピクセル配置層９４の上方に、表示のために、少なくとも１つの光透過層（図示せず）が配置される。もちろん、タッチ機能を有するタッチ層が配置されても良い。ディスプレイ技術に通している当業者は、本発明が実施例では送受信ユニットの創造性及びディスプレイとの合の優位性に焦点を当て説明しているが、ディスプレイの制作などについて説明していないことを明白できる。つまり、ディスプレイに関する内容は、簡単な説明にすぎず、むしろ本発明デバイスの幾何学的な構成に焦点を当て、ディスプレイと統合して、表示機能及び本発明のデバイスのディスプレイの統合性を同時に完成できるのを主張していることを留意されたい。
図１３Ａは、図１３Ｂと類似しており、異なる点は、図１３Ａの配置では、各送受信ユニット４０は各表示ユニット９０が占める範囲（長方形の範囲）以外（すなわち、送受信ユニットと重ならない表示ユニットの領域）に配置される。図１３Ｂの配置では、各送受信ユニット４０は、各表示ユニット９０が占める範囲（長方形の範囲）以内（すなわち、送受信ユニットと重なる部分または全部の表示ユニットの領域）に配置されている。これによって、送受器をディスプレイに組み込み、表示とセンシング機能を同時に実現することができる。
上述した実施例の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスは、以下の優れる点を有する。（１）材料制限がなく、圧電材料を使用する必要がなく、適用可能な基板材料の選択範囲が広い。（２）標準製造プロセスとの統合は簡単である（３）低温製造プロセスで大面積の送受信デバイスを完成できる。（４）ナノギャップを使用することで、比較的に低い駆動電圧を使用できる（５）犠牲層が不要なので、ナノギャップのすべての周壁には、穴と充填材料を有しない（６）製造過程に使用される材料は、半導体デバイスを汚染しない。（７）送信器と受信器とは、異なるナノギャップを有し、送信器が発信する信号の振幅を増幅し、且つ、受信器の検出感度を高めることができる。
好ましい実施例に関する詳細な説明で提示された具体的な実施例は、本発明の技術的な内容を説明するためのものであり、本発明を上述した実施例に狭く限定するのではない。本発明の思想及び以下の特許請求の範囲を逸脱しない様々な変更は、本願発明の範囲に含まれている。
Ｆ：指／物体
ＦＲ：ピークパターン
ＦＶ：バレーパターン
Ｗ１：第１振動波
Ｗ２：第２振動波
Ｗ３：干渉波
Ｘ、Ｙ：座標軸
１０：基板
１０Ｂ：下表面
１０Ｔ：上表面
２０：集積化送受器
３０：トランジスター
３１：ゲート電極
３２：ドレイン電極
３３：ソース電極
３４：第１半導体層
４０：送受信ユニット
４０Ｒ：受信器
４０Ｔ：送信器
４１：第１電極
４１Ａ：金属シリサイド層
４１Ｂ：金属層
４２：第２電極
４３：ナノギャップ
４３'：第２ナノギャップ
４４：第２半導体層
５０：駆動検出回路モジュール
６０：保護層
７０：絶縁層
８１：フォトレジスト層
８２：開口
８３：金属層
９０：表示ユニット
９１：表示制御トランジスター
９２：表示ピクセル
９３：トランジスター配置層
９４：表示ピクセル配置層
１００：擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス
１１０：本体
１１１：基板
１１２：第１絶縁層
１１２Ａ：集積回路
１１３：半導体材料層
１１４：第２絶縁層
１１５：保護層
１４０：ナノギャップ
２００：携帯電話
２１０：ディスプレイ
２２０：操作ブロック
２３０：フロントカメラ
２４０：背面カバー
２５０：リアカメラ
３００：ｄ３３振動式送受信器
３１０：圧電材料ブロック
３１１：第１電極
３１２：第２電極
３２０：振動方向
３３０：電場方向
３４０：電圧源
４００：シリコンウェーハ
４１０：絶縁層
ＦＲ：ピークパターン
ＦＶ：バレーパターン
Ｗ１：第１振動波
Ｗ２：第２振動波
Ｗ３：干渉波
Ｘ、Ｙ：座標軸
１０：基板
１０Ｂ：下表面
１０Ｔ：上表面
２０：集積化送受器
３０：トランジスター
３１：ゲート電極
３２：ドレイン電極
３３：ソース電極
３４：第１半導体層
４０：送受信ユニット
４０Ｒ：受信器
４０Ｔ：送信器
４１：第１電極
４１Ａ：金属シリサイド層
４１Ｂ：金属層
４２：第２電極
４３：ナノギャップ
４３'：第２ナノギャップ
４４：第２半導体層
５０：駆動検出回路モジュール
６０：保護層
７０：絶縁層
８１：フォトレジスト層
８２：開口
８３：金属層
９０：表示ユニット
９１：表示制御トランジスター
９２：表示ピクセル
９３：トランジスター配置層
９４：表示ピクセル配置層
１００：擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス
１１０：本体
１１１：基板
１１２：第１絶縁層
１１２Ａ：集積回路
１１３：半導体材料層
１１４：第２絶縁層
１１５：保護層
１４０：ナノギャップ
２００：携帯電話
２１０：ディスプレイ
２２０：操作ブロック
２３０：フロントカメラ
２４０：背面カバー
２５０：リアカメラ
３００：ｄ３３振動式送受信器
３１０：圧電材料ブロック
３１１：第１電極
３１２：第２電極
３２０：振動方向
３３０：電場方向
３４０：電圧源
４００：シリコンウェーハ
４１０：絶縁層
Claims (34)
- 擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスであって、基板と少なくとも１つのトランジスターと少なくとも１つの受信器と誘電体層グループとを備え、
前記トランジスターは、前記基板上または前記基板内に配置され、
前記受信器は、前記基板上に配置され且つ前記トランジスターに電気的に接続され、前記トランジスターは対応の前記受信器の受信を制御し、前記受信器は、第１感測電極と、第２感測電極と、ナノギャップとを備え、第１感測電極と第２感測電極とが平行又は略平行するように配置され、前記ナノギャップが前記感測第１電極と前記第２感測電極との間に配置され且つ半導体材料と金属材料とが熱反応によって半導体金属化合物を形成することで形成され、前記受信機の前記第１感測電極は、金属層及び前記金属層に隣接する前記半導体金属化合物を含有し、前記第１感測電極と前記第２感測電極との間の検出静電容量の変化を測定して感測信号を生成し、
前記誘電体層グループは、前記基板と前記第１感測電極との間に配置され、少なくとも１つのトランジスターを備える集積回路は、前記第１感測電極の下方に位置され、前記ナノギャップは、前記第１感測電極の前記金属層に隣接し、複数の金属プラグが前記第１感測電極の前記半導体金属化合物と前記集積回路との間に配置され、前記金属プラグは、前記半導体金属化合物を介して前記第１感測電極の前記金属層を前記集積回路に電気的に接続させる、ことを特徴とする擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。 - 前記受信器は、送信器としての機能を有し、送受信ユニットとして使用可能であり、前記送受信ユニットと前記トランジスターとが集積化送受器を形成し、前記集積化送受器では、前記トランジスターは、第１の時刻に、前記送受信ユニットが前記第１振動波を発信するように制御した後、第２の時刻に、前記送受信ユニットが前記第２振動波を受信するように制御し、前記半導体金属化合物の前記トランジスターに電気的に接続されることによって、前記第２感測電極と前記半導体金属化合物を含有した前記第１電極との間の検出静電容量の変化を測定して感測信号を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記トランジスターは、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極，前記ソース電極との間に配置される第１半導体層とを備える、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記送受信ユニットは、第２半導体層をさらに備え、前記第２半導体層は、前記基板と前記第１感測電極との間に配置される、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記トランジスターは、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極，前記ソース電極との間に配置される第１半導体層とを備え、
前記送受信ユニットは、第２半導体層をさらに備え、前記第２半導体層は、前記基板と前記第１感測電極との間に配置され、
前記第１半導体層と前記第２半導体層とは、異なる材料層である、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。 - 前記ナノギャップの高さは、２００ナノメートル以下である、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 駆動検出回路モジュールをさらに備え、前記駆動検出回路モジュールは、前記集積化送受器に電気的に接続され、且つ、３．３～１２Ｖの駆動電圧を前記集積化送受器に提供する、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記半導体金属化合物は金属シリサイド層である、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 保護層をさらに備え、前記ナノギャップは、前記保護層と前記第１感測電極とによって囲まれることで構成され、前記第２感測電極は、前記保護層上に配置される、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記基板は、ガラス基板、フレキシブル基板、または絶縁層を形成した半導体基板である、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- ディスプレイ内に統合する、または前記ディスプレイの下方に組み込む、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記擬似的圧電ｄ３３振動式デバイスは、複数の前記集積化送受器を備え、前記送受信ユニットの前記第１振動波の位相差が同時に制御され、ビームフォーミング（ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ）方式によって、各前記第１振動波のエネルギーを最大限にして、検出の感度を高めるように、エネルギーが集中し、且つ、順次にスキャンする、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- バイオメトリックセンシング観測、３Ｄタッチ、ジェスチャー機能を同時に提供する、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 周波数可変な送受信器であり、前記物体の異なる特徴の深度情報を観測できる、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記ナノギャップのすべての周壁には、穴と充填材料を有しない、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記送受信ユニットは、第２絶縁層とをさらに備え、
前記第２絶縁層は、前記ナノギャップと前記第２感測電極との間に配置され、前記基板と前記誘電体層グループとが前記集積回路を形成し、前記集積回路が前記第１感測電極と前記第２感測電極とに電気的に接続される、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。 - 前記第２感測電極の材料は、単結晶シリコン、ポリシリコン、またはアモルファスシリコンである、ことを特徴とする請求項２に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 送信器をさらに備え、前記送信器は前記トランジスターに電気的に接続され、前記トランジスターは、第１の時刻に、前記送信器が前記第１振動波を発信するように制御した後、第２の時刻に、前記受信器が前記第２振動波を受信するように制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記送信器は、第１電極と、第２電極と、前記送信器の前記第１電極と前記送信器の前記第２電極との間に配置され、且つ前記半導体金属化合物または他の半導体金属化合物とが形成されることで形成される第２ナノギャップとを備える、ことを特徴とする請求項１８に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記送信器と前記受信器とは、前記基板上に配置され、前記トランジスターは、前記基板上または前記基板内に配置され、且つ前記第２ナノギャップの高さは、前記ナノギャップの高さよりも高い、ことを特徴とする請求項１９に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス。
- 前記受信器は、前記基板の上表面に配置され、前記トランジスターは、前記基板上または前記基板内に配置され、前記送信器は、圧電送信器であり、且つ前記基板の下表面または前記受信器の上方に配置される、ことを特徴とする請求項１８に記載の擬似的圧電ｄ３３振動式デバイス
- ディスプレイであって、基板と、少なくとも、複数のトランジスターと複数の受信器と複数の表示ユニットと、誘電体層グループとを備え、
前記トランジスターは、前記基板上または前記基板内に配置され、
前記受信器は、前記基板上に配置され且つ前記トランジスターに電気的に接続され、前記トランジスターは前記受信器の受信を制御し、前記受信器は、第１感測電極と、第２感測電極と、ナノギャップとを備え、ナノギャップとを備え、第１感測電極と第２感測電極とが平行又は略平行するように配置され、前記ナノギャップが前記感測第１電極と前記第２感測電極との間に配置され且つ半導体材料と金属材料とが熱反応によって半導体金属化合物を形成することで形成され、前記受信機の前記第１電極は、金属層及び前記金属層に隣接する前記半導体金属化合物を含有し、前記第１感測電極と前記第２感測電極との間の検出静電容量の変化を測定して感測信号を生成し、
前記誘電体層グループは、前記基板と前記第１感測電極との間に配置され、少なくとも１つのトランジスターを備える集積回路は、前記第１感測電極の下方に位置され、前記ナノギャップは、前記第１感測電極の前記金属層に隣接し、複数の金属プラグが前記第１感測電極の前記半導体金属化合物と前記集積回路との間に配置され、前記金属プラグは、前記半導体金属化合物を介して前記第１感測電極の前記金属層を前記集積回路に電気的に接続させ、
前記複数の表示ユニットは、電気的に接続される少なくとも１つの表示制御トランジスターと表示ピクセルとを備え、前記表示制御トランジスターは、前記表示ピクセルの有効化及び無効化を制御し、前記表示ピクセルが光信号を表示または不表示することで、データを表示する、ことを特徴とするディスプレイ。 - 前記受信器は、送信器としての機能を有し、送受信ユニットとして使用可能であり、前記送受信ユニットと複数の前記トランジスターのうちの対応の１つとは、集積化送受器を形成し、前記集積化送受器では、前記トランジスターは、第１の時刻に、前記送受信ユニットが前記第１振動波を発信するように制御した後、第２の時刻に、前記送受信ユニットが前記第２振動波を受信するように制御する、ことを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイ。
- 前記集積化送受器は、前記基板上に配置され、前記集積化送受器は、電気的に接続される前記送受信ユニットと、少なくとも１つの送受信制御トランジスターとを備え、前記送受信制御トランジスターは、前記送受信ユニットの送信及び受信を制御する、ことを特徴とする請求項２３に記載のディスプレイ
- トランジスター配置層と表示ピクセル配置層とをさらに備え、
前記トランジスター配置層は、前記基板上に配置され、送受信制御トランジスターと前記送受信ユニットとは、前記トランジスター配置層内に配置され、
前記表示ピクセル配置層は、前記トランジスター配置層上に配置され、前記表示ピクセルは前記表示ピクセル配置層内に配置される、ことを特徴とする請求項２４に記載のディスプレイ。 - 前記送受信ユニットは、前記表示ユニットが占める領域の範囲外にある、ことを特徴とする請求項２４に記載のディスプレイ。
- 前記送受信ユニットは、前記表示ユニットが占める領域の範囲内にある、ことを特徴とする請求項２４に記載のディスプレイ。
- 前記表示ピクセル配置層は、発光層または光スイッチング層である、ことを特徴とする請求項２５に記載のディスプレイ。
- 前記基板は、剛性基板、フレキシブル基板、または透明基板である、ことを特徴とする請求項２４に記載のディスプレイ。
- 前記ナノギャップのすべての周壁には、穴と充填材料を有しない、ことを特徴とする請求項２４に記載のディスプレイ。
- 送信器を更に備え、前記送信器は前記トランジスターに電気的に接続され、前記トランジスターは、第１の時刻に、前記送信器が前記第１振動波を発信することを制御した後、第２の時刻に、前記受信器が前記第２振動波を受信するように制御する、ことを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイ。
- 前記送信器は、第１電極と、第２電極と、前記送信器の前記第１電極と前記送信器の前記第２電極との間に設けられ、且つ前記半導体金属化合物または他の半導体金属化合物が形成されたことで形成される第２ナノギャップとを備える、ことを特徴とする請求項３１に記載のディスプレイ。
- 前記送信器と前記受信器とは、前記基板上に設けられ、前記トランジスターは、前記基板上または前記基板内に設けられ、且つ前記第２ナノギャップの高さは前記ナノギャップの高さよりも高い、ことを特徴とする請求項３２に記載のディスプレイ。
- 前記受信器は前記基板の上表面に設けられ、前記トランジスターは前記基板上または前記基板内に設けられ、前記送信器は圧電送信器であり、且つ前記基板の下表面または前記受信器の上方に設けられる、ことを特徴とする請求項３１に記載のディスプレイ。
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