场效应二极管及包括其的全波整流电桥和能量管理电路的制作方法

本发明涉及电子器件领域，具体涉及一种场效应二极管及包括其的全波整流电桥和能量管理电路。

背景技术：

可穿戴电子设备在近些年得到了快速发展，直接推动了消费电子市场模式的转变。可穿戴设备的正常运转依赖于稳定可靠的能量供给。为了顺应质量轻和体积小的市场要求，集能量捕获、能量管理和能量存储器件为一体的自供电系统被认为是可穿戴设备最好的能量解决方案。

在众多能量捕获器件中，摩擦纳米发电机(teng)被公认为最具发展潜力的能量捕获器件。自2012年首次报道以来，柔性teng已具备了高的能量密度(500w/m²)和高的能量转化效率(70.6％)，其性能已基本能满足可穿戴设备的用电要求。然而，teng的输出阻抗非常高，其输出电压通常为大于100v的交流(ac)电压，很难被直接使用或者存储。因此，作为连接能量获取与能量存储之间的关键纽带，高压的能量管理系统具有十分重要的研究意义和巨大的产业价值。

高压二极管是高压能量管理系统中的一种核心元器件，它的发展一直受到学术界和产业界的广泛关注。实际上，基于碳化硅(sic)、氮化镓(gan)和金刚石等宽禁带半导体材料的肖特基、p-n和p-i-n等结构的高压二极管已经进入产业化的应用阶段，但是这些器件都是利用较厚的(大于100μm)块体材料制成，因此很难具有良好的柔韧性(可弯折性)；另一方面，这些材料的制备需要高温(高于1000℃)生长工艺，因此无法在常规的柔性衬底材料，如聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺(pi)和聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等上制备，从而无法应用到柔性电路中。除此之外，上述基于肖特基结、p-n结或p-i-n结的高压二极管通常具有很大的反向泄漏电流，这会消耗由teng产生的电能，因此不适合在可穿戴设备中使用。

场效应二极管是一种依托于电场调控沟道电阻效应的两端整流器件，场效应二极管的导电沟道在正向偏压下打开，在反向偏压下关闭。场效应二极管的整流比高达10⁸，比其它类型的二极管高出约4个数量级；此外，场效应二极管的反向泄漏电流低至10^-15a/μm，非常适合应用在可穿戴设备等需要低待机功耗的系统中。但是，目前报道的场效应二极管的工作电压均较小(约20v)，无法应用在高压电子电路中。

技术实现要素：

因此，针对现有技术存在的上述问题，本发明的实施例提供了一种场效应二极管，包括：

绝缘层；

位于所述绝缘层的相对两侧的沟道层和第一正电极；

与所述沟道层相接触的负电极和第二正电极，所述第二正电极与第一正电极电连接；

其中所述负电极和第一正电极之间具有错排区域。

优选的，所述场效应二极管还包括用于支撑所述第一正电极和绝缘层的衬底，所述沟道层位于所述绝缘层上，所述负电极和第二正电极位于所述沟道层上，所述第二正电极穿过所述沟道层和绝缘层后与所述第一正电极电连接。

优选的，所述负电极呈开口圆环形；所述第二正电极包括圆形部和直线部，其圆形部位于所述负电极内部，其直线部穿过所述负电极的开口向外延伸。

优选的，所述场效应二极管还包括用于支撑所述第一正电极和绝缘层的衬底，所述负电极、第二正电极和沟道层位于所述绝缘层上，所述第二正电极穿过所述绝缘层后与第一正电极电连接。

优选的，所述负电极呈圆环形，所述第二正电极呈圆形，所述第二正电极位于所述负电极内部。

优选的，所述场效应二极管还包括用于支撑所述第二正电极和沟道层的衬底，所述绝缘层和负电极位于所述沟道层上，所述第一正电极位于所述绝缘层上，所述第一正电极穿过所述绝缘层和沟道层与所述第二正电极电连接。

优选的，所述负电极呈圆环形，所述第一正电极呈圆形，所述第一正电极位于所述负电极内部。

优选的，所述场效应二极管还包括用于支撑所述第二正电极、负电极和沟道层的衬底，所述第一正电极位于所述绝缘层上，所述第一正电极穿过所述绝缘层和沟道层后与所述第二正电极电连接。

优选的，所述负电极呈圆环形，所述第一正电极呈圆形，所述第一正电极位于所述负电极内部。

优选的，所述错排区域的长度为0.5～10微米，优选的，所述错排区域的长度为1～5微米。

优选的，所述衬底的材料为pen、pet、pi、pmma、聚二甲基硅氧烷(pdms)、石英玻璃、蓝宝石、gaas、聚碳酸酯(pc)、聚氯乙烯(pvc)和聚苯乙烯(ps)中任一种；所述第一正电极、第二正电极和负电极的材料为氧化铟锡(ito)、铝锌氧(azo)、铬(cr)、金(au)、铝(al)、银纳米线(agnw)、钛/金(ti/au)、钛/铂/金(ti/pt/au)、镓锌氧(gzo)、氟锡氧(fto)、碳纳米管(cnt)、石墨烯、银(ag)、铜(cu)和钼(mo)中任一种；所述绝缘层的材料为氧化铝(al2o3)、氧化硅(sio2)、pmma、氧化铪(hfo2)、氧化锆(zro2)、氮化硅(si3n4)、铝镓氮(algan)、铝镓砷(algaas)、氧化钽(ta2o5)和聚乙烯吡咯烷酮(pvp)中任一种；所述沟道层的材料为氧化锌(zno)、铟镓锌氧(igzo)、并五苯、二硫化钼(mos2)、镁锌氧(mgzno)、非晶硅(a-si)、氮化镓(gan)、砷化镓(gaas)、cnt、铟锌氧(inzno)、锌锡氧(znsno)和聚-3己基噻吩(p3ht)中任一种。

本发明的实施例还提供了一种全波整流电桥，包括四个如上所述的场效应二极管。

本发明的实施例还提供了一种能量管理电路，包括：

摩擦纳米发电机；

如上所述的全波整流电桥，所述全波整流电桥的输入端连接至所述摩擦纳米发电机的两端；

p沟道耗尽型晶体管；

电容，所述电容与p沟道耗尽型晶体管串联后连接至所述全波整流电桥的输出端；

n沟道增强型晶体管和可充电电池，所述可充电电池的正极和负极通过n沟道增强型晶体管连接至所述电容的两端；以及

电压比较器，所述电压比较器的输出端连接至所述p沟道耗尽型晶体管和n沟道增强型晶体管的栅极。

本发明的场效应二极管中的错排区域能够吸收电压降，不需要较厚的块体材料也可以承受很高的电压，是一种高压二极管。由于所有材料都可以在低温(100℃)条件下制备，因此本发明的场效应二极管适合制作成柔性器件。由于场效应的原因，场效应二极管在反向偏压下完全关闭，使得反向泄漏电流非常低，非常适合在可穿戴设备中使用。本发明的场效应二极管采用透明电极使其在可见光范围内呈现全透明的效果。

附图说明

以下参照附图对本发明的实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管的光学显微照片；

图2是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管的剖视图；

图3是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管的电流-电压特性曲线图；

图4是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管在不同拉应变状态下的电流-电压特性曲线图；

图5是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管的光学透过率谱图；

图6是根据本发明的第二实施例制备的柔性全透明场效应二极管的光学显微照片；

图7是根据本发明的第二实施例制备的柔性全透明场效应二极管的剖视图；

图8是根据本发明的第三实施例制备的柔性场效应二极管的光学显微照片；

图9是根据本发明的第三实施例制备的柔性场效应二极管的剖视图；

图10是根据本发明的第四实施例制备的柔性场效应二极管的光学显微照片；

图11是根据本发明的第四实施例制备的柔性场效应二极管的剖视图；

图12是具有不同错排区域长度的场效应二极管中绝缘层内的模拟电场强度图；

图13是根据本发明较佳实施例的全波整流电桥的光学显微照片；

图14是图13所示的全波整流电桥与电容和电阻连接的全波整流电路图；

图15是图14所示的全波整流电路的输入电压波形图；

图16是图14所示的全波整流电路的输出电压波形图；

图17示出了将全波整流得到的电能存储到电容器时其电压-时间关系图；

图18是根据本发明的第一个实施例的能量管理系统的电路示意图；

图19是根据本发明的第二个实施例的能量管理系统的电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。

第一实施例

图1是根据本发明第一个实施例制备的柔性全透明场效应二极管0100的光学显微照片。如图1所示，场效应二极管包括呈开口圆环形的负电极0105，第二正电极0122以及位于负电极0105和第二正电极0122之间的沟道层0104，其中第二正电极0122具有圆形部和直线部，第二正电极0122的圆形部位于呈开口圆环形的负电极0105内部，其直线部穿过负电极0105的开口向外延伸。场效应二极管还包括被负电极0105、第二正电极0122和沟道层0104所覆盖的绝缘层0103和第一正电极0121。

图2是根据本发明第一个实施例制备的柔性全透明场效应二极管0100的剖视图，其中剖面经过图1中的虚线。如图2所示，场效应二极管0100从下到上依次包括：pen衬底0101；ito第一正电极0121；al2o3绝缘层0103；zno沟道层0104；位于zno沟道层0104上的ito第二正电极0122和呈开口圆环形的ito负电极0105；其中ito第二正电极0122穿过zno沟道层0104和al2o3绝缘层0103后与ito第一正电极0121电连接形成场效应二极管0100的正极。ito负电极0105和ito第一正电极0121之间的区域为错排区域，错排区域的长度l为5微米。

以下将简述场效应二极管0100的制备方法：首先提供pen衬底0101；在pen衬底0101上进行第一次光刻并沉积ito第一正电极0121；在第一正电极0121上依次沉积al2o3绝缘层0103和zno沟道层0104，并对它们进行图形化，露出第一正电极0121的一部分；最后在沟道层0104上光刻并沉积ito负电极0105和ito第二正电极0122，其中第二正电极0122与第一正电极0121接触。

由于负电极0105和第一正电极0121之间存在错排区域，使得第一正电极0121和负电极0105之间的电势差有足够的耐受长度，因此可以在很大程度上降低电场强度，从而避免器件被击穿。

图3是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管0100的电流-电压特性曲线图。从图3可以看到，场效应二极管0100的正向电流随着电压的增大而迅速增大，而反向电流基本不随反向电压增加而增加。直到反向电压达到约150v时，场效应二极管0100的反向电流才开始出现不稳定的现象，本实施例的场效应二极管0100的反向击穿电压高达150v。由此可知，本实施例的场效应二极管0100具有良好的单向导电性能，其整流比大于10⁸，比一般的结型高压二极管高出3～4个数量级。本发明的场效应二极管0100可以看作是薄膜晶体管中的栅电极(即第一正电极0121)和漏电极(即第二正电极0122)电连接而形成，因此场效应二极管0100具有反向泄漏电流非常低的优点。

图4是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管在不同拉应变状态下的电流-电压特性曲线图。从图4可以看出，拉应变达到0.57％(弯曲半径r＝11mm)时，场效应二极管0100的电学性能仍能基本保持不变。这表明，本实施例的场效应二极管0100具有应用在可穿戴设备中的巨大潜力。

图5是根据本发明的第一实施例制备的柔性全透明场效应二极管的光学透过率谱图。由于制作场效应二极管0100所用到的材料均在可见光范围内(400-760nm)具有较高的透过率，因此制作完成的裸片在可见光范围具有大于85％的透过率，非常适合应用在全透明电路中。

第二实施例

图6是根据本发明的第二实施例制备的柔性全透明场效应二极管0200的光学显微照片。与图1所示的场效应二极管0100的区别在于，场效应二极管0200中的负电极0205呈圆环形，圆形的第二正电极0222位于呈圆环形的负电极0205内部，这可以保证电场在各个方向上分布更加均衡，有利于提高器件的耐受电压能力。

图7是根据本发明的第二实施例制备的柔性全透明场效应二极管0200的剖视图，其中剖面经过图6中的虚线。如图7所示，场效应二极管0200从下到上依次包括：pet衬底0201；azo第一正电极0221；sio2绝缘层0203；位于sio2绝缘层0203上的azo负电极0205和azo第二正电极0222；以及位于azo负电极0205和azo第二正电极0222之间的igzo沟道层0204。其中azo第二正电极0222穿过sio2绝缘层0203与azo第一正电极0221电连接，负电极0205和第一正电极0221之间的区域为错排区域，其长度l为0.5微米。实验结果表明，场效应二极管0200的击穿电压为65v，整流比为10⁹。

第三实施例

图8是根据本发明的第三实施例制备的柔性场效应二极管0300的光学显微照片。如图8所示，场效应二极管0300中的负电极0305呈圆环形，第一正电极0321呈圆形，第一正电极0321位于负电极0305内部。图9是根据本发明的第三实施例制备的柔性场效应二极管0300的剖视图，其中剖面经过图8中的虚线。如图9所示，场效应二极管0300从下到上依次包括：pi衬底0301；cr第二正电极0322；并五苯沟道层0304；位于并五苯沟道层0304上的pmma绝缘层0303和au负电极0305；以及位于pmma绝缘层0303上的au第一正电极0321。其中au第一正电极0321穿过pmma绝缘层0303和并五苯沟道层0304与cr第二正电极0322电连接，负电极0305和第一正电极0321之间的区域为错排区域，其长度l为2微米。实验结果表明，场效应二极管0300的击穿电压为92v，整流比为10⁸。

第四实施例

图10是根据本发明的第四实施例制备的柔性场效应二极管0400的光学显微照片。如图10所示，负电极0405呈圆环形，第一正电极0421呈圆形，且第一正电极0421位于负电极0405内部。图11是根据本发明的第四实施例制备的柔性场效应二极管0400的剖视图，其中剖面经过图10中的虚线。如图11所示，场效应二极管0400从下到上依次包括：pmma衬底0401；位于pmma衬底0401上的al第二正电极0422和al负电极0405；mos2沟道层0404；hfo2绝缘层0403；al第一正电极0421。其中al第一正电极0421穿过hfo2绝缘层0403和mos2沟道层0404与al第二正电极0422电连接，负电极0405和第一正电极0421之间的区域为错排区域，其长度l为10微米。实验结果表明，场效应二极管0400的击穿电压为600v，整流比为10³。

第五实施例

本发明的第五实施例制备的柔性场效应二极管与图2的场效应二极管0100的结构基本相同，区别在于，衬底的材料为pdms，第一正电极的材料为agnw，绝缘层的材料为zro2，沟道层的材料为mgzno，负电极和第二正电极的材料为agnw，错排区域的长度l为1微米。实验结果表明，场效应二极管的击穿电压为72v，整流比为10⁸。

第六实施例

本发明的第六实施例制备的柔性场效应二极管与图7的场效应二极管0200的结构基本相同，区别在于，衬底的材料为石英玻璃，第一正电极的材料为al，绝缘层的材料为si3n4，沟道层的材料为a-si，第二正电极和负电极的材料为al，错排区域的长度l为3微米。实验结果表明，场效应二极管的击穿电压为100v，整流比为10⁸。

第七实施例

本发明的第七实施例制备的柔性场效应二极管与图9的场效应二极管0300的结构基本相同，区别在于，衬底的材料为蓝宝石，第二正电极的材料为ti/au，沟道层的材料为gan，绝缘层的材料为algan，第一正电极和负电极的材料为ti/au，错排区域的长度l为4微米。实验结果表明，场效应二极管的击穿电压为125v，整流比为10⁸。

第八实施例

本发明的第八实施例制备的柔性场效应二极管与图11的场效应二极管0400的结构基本相同，区别在于，衬底的材料为gaas，第二正电极和负电极的材料为ti/pt/au，沟道层的材料为gaas，绝缘层的材料为algaas，第一正电极的材料为ti/pt/au，错排区域的长度l为6微米。实验结果表明，场效应二极管的击穿电压为175v，整流比为10⁷。

第九实施例

本发明的第九实施例制备的柔性场效应二极管与图2的场效应二极管0100的结构具备相同，区别在于，错排区域长度l为7微米。实验结果表明，场效应二极管的击穿电压为420v，整流比为10²。

第十实施例

本发明的第十实施例制备的柔性场效应二极管与图2的场效应二极管0100的结构基本相同，区别在于，衬底的材料为pc，第一正电极的材料为au，绝缘层的材料为ta2o5，沟道层的材料为cnt，负电极和第二正电极的材料为au，错排区域长度l为8微米。实验结果表明，场效应二极管的击穿电压为450v，整流比为10²。

第十一实施例

本发明的第十一实施例制备的柔性场效应二极管与图2的场效应二极管0100的结构基本相同，区别在于，错排区域的长度l为9微米。实验结果表明，场效应二极管的击穿电压为550v，整流比为10²。

图12是具有不同错排区域长度的场效应二极管中al2o3绝缘层内的模拟电场强度图。比较l≤0(没有错排区域)和l>0(有错排区域)的结果可以看出，后者比前者的电场强度降低了约一个数量级。进一步比较l＝1微米、l＝2微米和l＝3微米的结果，发现电场强度随着错排区域长度的增加而降低。然而，过长的错排区域也会降低场效应二极管的正向电流。因此，可以综合权衡击穿电压和正向电流两方面性能来选择合适的错排区域长度。

本发明中的场效应二极管的衬底不限于pen、pet、pi、pmma、pdms、石英玻璃、蓝宝石、gaas和pc，还可以是聚pvc或ps等。电极材料并不限于ito、azo、cr、au、al、agnw、ti/au和ti/pt/au，还可以是gzo、fto、cnt、石墨烯、ag、cu、或mo等。绝缘层材料并不限于al2o3、sio2、pmma、hfo2、zro2、si3n4、algan、algaas和ta2o5，还可以是pvp等。沟道层不限于zno、igzo、并五苯、mos2、mgzno、a-si、gan、gaas和cnt，还可以是其它半导体材料，例如inzno、znsno、p3ht等。本发明中的薄膜生长技术包括但不限于原子层沉积、磁控溅射、电子束蒸积、激光脉冲沉积、金属有机物化学气相沉积、旋涂、滴涂、喷涂、打印或印刷工艺等。

图13是根据本发明较佳实施例的全波整流电桥的光学显微照片，其中图13的右侧是左侧的虚线框中的四个场效应二极管的光学放大图。如图13所示，全波整流电桥1200包括四个场效应二极管0100，其具有交流输入电极1201、1204，输出正电极1203和输出负电极1202。由四个场效应二极管组合而成的全波整流电桥可以充分捕获正负两个极性的电量，从而使得相应的全波整流电桥具有更高的能量转换效率。

图14是图13所示的全波整流电桥与电容和电阻连接的全波整流电路图，电容1205和电阻1206连接在输出正电极1203和输出负电极1202之间。

图15是图14所示的全波整流电路的输入电压波形图，图16是图14所示的全波整流电路的输出电压波形图。如图15和16所示，一系列不同幅值的交流方波输入至全波整流电路的输入端，并最终在输出端输出一系列直流电压。

图17示出了将全波整流得到的电能存储到10微法的电容器时其电压-时间关系图。从图17可以看出，本发明的全波整流电桥1200能够有效地捕获电能并将其存储到电容器中。

图18是根据本发明第一个实施例的能量管理系统的电路示意图。如图18所示，能量管理系统1300包括teng1301；全波整流电桥1302，其输入端连接至teng1301的两端；p沟道耗尽型晶体管(pd)组1303；多个电容组1304，多个电容组1304与p沟道耗尽型晶体管(pd)组1303串联后连接至全波整流电桥1302的输出端；n沟道增强型晶体管组1306和可充电电池组1307，图18示出了三个串联的可充电电池b1、b2、b3，以及四个n沟道增强型晶体管ne1、ne2、ne3、ne4，可充电电池组1307中的每一个可充电电池的正极和负极分别通过一个n沟道增强型晶体管连接至电容组的两端；以及电压比较器组1305，电压比较器的输出端连接至p沟道耗尽型晶体管和n沟道增强型晶体管的栅极。

其工作原理简述如下：人的行走等肢体活动引发了teng1301中上下摩擦层的接触和分离，产生了高电压、小电流的交流电信号；该交流电信号输入到全波整流电桥1302，即可在输出端获得高电压的直流脉冲信号；该直流脉冲信号经过导通的p沟道耗尽型晶体管(pd)组1303存储到多个电容组1304中；当一个电容组的电压高于电压比较器组1305的参考电压时，电压比较器组1305输出高电平；该高电平施加到p沟道耗尽型晶体管(pd)组1303和n沟道增强型晶体管组1306的栅极上，将p沟道耗尽型晶体管(pd)组1303的导电沟道关闭，并将n沟道增强型晶体管组1306的导电沟道打开；多个电容组1304中的电量被存储到可充电电池组1307中；经过一段时间t之后，电容组的电压低于电压比较器组1305的参考电压，电压比较器组1305输出低电平(即0v)，n沟道增强型晶体管组1306的导电沟道被关闭，同时p沟道耗尽型晶体管(pd)组1303的导电沟道被开启，全波整流电桥1302再次通过导通的p沟道耗尽型晶体管(pd)组1303对多个电容组1304进行充电。

本实施例能量管理系统1300采用全波整流电桥1302作为重要组成元件，将人运动的机械能转化为电能存储于电池中以供电子设备使用。本实施例能量管理系统1300提供了一种应用在可穿戴设备上的能量供给方案。

图19是根据本发明的第二个实施例的能量管理系统的电路示意图。其与图18基本相同，区别在于，能量管理系统1400还包括p沟道耗尽型晶体管(pd)1408和dc/ac换流器1409，其中dc/ac换流器1409的输入端通过p沟道耗尽型晶体管(pd)1408分别连接至可充电电池组1407的正极和负极。

其工作原理简述如下：海浪、风等自然活动引发了teng1401中上下摩擦层的滑动和摩擦，产生了高电压、小电流的交流电信号；该交流电信号输入到全波整流电桥1402，即可在输出端获得高电压的直流脉冲信号；该直流脉冲信号经过导通的p沟道耗尽型晶体管(pd)组1403存储到多个电容组1404中；当一个电容组的电压高于电压比较器组1405的参考电压时，电压比较器组1405输出高电平；该高电平施加到p沟道耗尽型晶体管(pd)组1403和p沟道耗尽型晶体管(pd)组1408的栅极上，将p沟道耗尽型晶体管(pd)组1403和p沟道耗尽型晶体管(pd)组1408的导电沟道关闭，同时该高电平也施加到n沟道增强型晶体管组1406的栅极上，将n沟道增强型晶体管组1406的导电沟道打开；多个电容组1404中的电量被存储到可充电电池组1407中；经过时间t之后，电容组的电压低于电压比较器组1405的参考电压，电压比较器组1405输出低电平(即0v)，n沟道增强型晶体管组1406的导电沟道被关闭，同时p沟道耗尽型晶体管(pd)组1403和p沟道耗尽型晶体管(pd)组1408的导电沟道被开启，一方面全波整流电桥1402继续对多个电容组1404进行充电，另一方面可充电电池组1407的电量经过dc/ac换流器1409转变为交流电后并入国家电网。

本实施例能量管理系统1400采用全波整流电桥1402作为重要组成元件，将自然活动所产生的机械能转化为电能，最终并入国家电网中。本实施例能量管理系统1400提供了一种可应用在海洋、沙漠和高山等地点的能量捕获方案。

虽然本发明专利已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明专利并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明专利范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。