摩擦电子学光电晶体管及应用其的复合能源收集器的制作方法

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种摩擦电子学光电晶体管及应用其的复合能源收集器。

背景技术：

光电子学作为飞速发展的新兴学科，在显示、照明、传感和能量收集等方面具有很广阔的应用，然而很多光电器件缺少与外界环境的交互机制和可调节性。另一方面，基于光伏特性的能量采集技术能够将光能转换为电能，可与其他风能、振动能等能量采集技术一起收集复合能源，来为一些微/纳电子器件或传感器网络节点供电。目前，虽然各种能量收集技术已十分成熟，但每种能量采集器件只能收集单一形式的能源，器件之间相对独立，缺乏对复合能源收集与转换的耦合机制。

2014年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究小组将摩擦纳米发电机与传统场效应晶体管相结合，研制出外力触控的接触起电场效应晶体管。该器件可在外力作用下使门极材料接触起电，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。接触起电场效应晶体管作为一种基础器件，可以衍生出一系列能够实现各种功能的人机交互器件，由此首次提出了摩擦电子学(Tribotronics)这一新的研究领域。摩擦电子学耦合了摩擦起电效应和半导体特性，是摩擦纳米发电机的全新应用，可以实现对外部机械能的采集并用于调控载流子的输运。通过进一步耦合光电子学，还可以衍生出摩擦光电子学(Tribo-phototronics)新领域，建立外部环境与光电子器件的直接交互机制，实现对半导体电-光、光-电转换过程的调控，同时也为复合能源的收集开辟了一条崭新的解决思路。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种摩擦电子学晶体管及应用其的复合能源收集器，以实现复合能源的收集和转换。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种摩擦电子学晶体管。该摩擦电子学晶体管包括：基材、栅极导体层和移动摩擦层。其中，基材包括：基底，其材料为重掺杂P型硅；绝缘层，形成于基底的正面；以及半导体层，形成于绝缘层之上，其由对光照敏感的半导体材料制备，在该半导体层上两不同位置沉积电极，引出摩擦电子学光电晶体管的源极和漏极。栅极导体层，形成于基底的背面，其引出摩擦电子学晶体管的栅极。移动摩擦件，其至少朝向栅极导体层的部分是由与制备栅极导体层的材料位于摩擦电极序上不同位置的材料制备，其可在外力作用下运动，与栅极导体层接触或分离。

根据本发明的一个方面，提供了一种应用上述摩擦电子学晶体管的复合能源收集器。该复合能源收集器包括：光能收集器、风能收集器和整流桥。其中：

光能收集器采用光电晶体管的形式，包括：基材和栅极导体层。基材包括：基底，其材料为重掺杂P型硅；绝缘层，形成于所述基底的正面；半导体层，形成于所述绝缘层之上，其材料为对光照敏感的半导体材料，在该半导体层上两不同位置沉积电极，引出所述光电晶体管的源极和漏极，栅极导体层形成于所述基底的背面，在其上引出所述光电晶体管的栅极。其中，所述光电晶体管的源极和漏极作为复合能源收集器中光能收集器的输出端；

风能收集器，包括：上静摩擦件、下静摩擦件。其中，上静摩擦件和下静摩擦件相对并隔开预设距离。移动摩擦件位于所述上静摩擦件和下静摩擦件之间，至少其上表面和下表面的材料是由与制备上静摩擦件和下静摩擦件相对两面的材料位于摩擦电极序上不同位置的材料制备，该移动摩擦件在风力的作用下振动或摆动，与所述上静摩擦件和下静摩擦件产生接触摩擦起电；

整流桥的两输入端分别连接至所述上静摩擦件和下静摩擦件，其两输出端作为复合能源收集器中风能的输出端，并且，其正输出端连接至所述光电晶体管的源极，其负输出端连接至所述光电晶体管的栅极。(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明摩擦电子学晶体管及应用其的复合能源收集器具有以下有益效果：

(1)将接触-分离式摩擦纳米发电机与场效应光电晶体管耦合，组成摩擦电子学光电晶体管，能够利用接触起电产生的静电势来调控场效应光电晶体管中的光电转换特性，取代传统的门电压，实现对器件光电转换特性的调控，成为一种新型的摩擦光电子学器件；

(2)通过耦合场效应光电晶体管和风力驱动的摩擦纳米发电机，提出了一种复合能源收集器，将风力摩擦纳米发电机的输出电压作为调控光能收集器性能的内部门电压，使得光能收集器的短路电流、开路电压和最大输出功率都能够随着风速的增加而变大，实现了对光能和风能的同时收集，同时用于提高复合能源收集器的输出性能，在光电探测、风速传感、自驱动系统以及复合能源的高效收集与利用等方面具有重要的应用前景。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例摩擦电子学光电晶体管的结构示意图；

图2为图1所示摩擦电子学光电晶体管的工作原理示意图；

图3为图1所示摩擦电子学光电晶体管的光电测试结果；

图4为根据本发明第二实施例复合能源收集器的结构示意图；

图5为图4所示复合能源收集器的等效电路图；

图6为图4所示复合能源收集器中光能收集器在不同风力下的短路电流和开路电压测试结果；

图7为图4所示复合能源收集器中光能收集器在不同风力下的最大输出功率测试结果。

【主要元件】

10-SOI片

11-基底； 12二氧化硅绝缘层

13-顶层硅

13a-重掺杂N型硅； 13b-未掺杂的P型顶层硅；

21-铜薄膜 22-FEP薄膜；

31-Al电极； 32-Al电极；

41-支撑端； 42-FEP薄膜；

43、45-Glass； 44、46-Cu薄膜；

47-整流器。

具体实施方式

本发明耦合了场效应光电晶体管和接触-分离式摩擦纳米发电机，提出了一种摩擦电子学光电晶体管，其能够利用接触起电产生的静电势来调控场效应光电晶体管中的光电转换特性，取代传统的门电压。在此基础上，通过耦合场效应光电晶体管和风力驱动的摩擦纳米发电机，提出了一种复合能源收集器。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种摩擦电子学光电晶体管。请参照图1，该摩擦电子学光电晶体管基于SOI片10。该SOI片的基底11为重掺杂P型硅，厚度500μm，电阻率小于0.01Ω·cm，顶层硅13为P型硅，厚度2.5μm，其与基底11之间为一层0.2μm厚的二氧化硅绝缘层12。

在顶层硅13的上表面部分区域，通过磷离子注入及快速退火工艺，形成一层重掺杂N型硅13a，深度为0.5um。该重掺杂N型硅13a与未进行离子注入的未掺杂P型顶层硅13b形成PN结。P型顶层硅13b和重掺杂N型硅13a的上表面分别沉积1μm厚的铝电极31和铝电极32，均形成欧姆接触，作为摩擦电子学光电晶体管的源级和漏极，外接电源。其中，漏极和源极之间施加正向电压，使得PN结受反偏电压。在这种情况下，重掺杂N型硅13a的上表面作为受光面，PN结可在光照下产生光电流。

需要说明的是，本实施例中的顶层硅13还可以替换为对光照十分敏感的其他半导体材料制备的薄膜，如二硫化钼、氧化锌、硫化镉以及有机光电导材料等，即在重掺杂的P型硅的基底上沉积绝缘层，而后制备这些半导体材料的薄膜。在这些半导体材料的薄膜上制备金属电极即可以引出摩擦电子学光电晶体管的源极和漏极，这些材料具有光电导效应，在光照下电导发生变化，从而也可以利用其制备场效应光电晶体管。

本实施例中，在SOI片的基底11下表面有一层欧姆接触的铜薄膜21，作为摩擦电子学光电晶体管的栅极。移动摩擦层为FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)薄膜22，与铜薄膜21有一定的间距，可在外力作用下垂直运动，与铜薄膜21接触或分离。

图2为摩擦电子学光电晶体管的工作原理图。如图2中(a)所示，FEP薄膜22因摩擦起电，其上表面带有负电荷。由于在初始状态与铜薄膜21有一定的间距d，不会对光电晶体管产生影响，栅电压为0。外接电压VDS恒定，在光照作用下，源漏电极之间产生电流IDS。如图2中(b)所示，在外力F作用下，FEP薄膜22与铜薄膜21接触，在FEP薄膜22负电荷的静电感应作用下，光电晶体管将承受负的栅电压，在未掺杂P型顶层硅13b的底部中形成P型增强层，从而增加了顶层硅1中电流IDS的大小，起到了调控器件光电转换特性的作用。当外力F撤去后，FEP薄膜22与铜薄膜21再次分离一定的距离，光电晶体管承受的栅电压变回为0，顶层硅1中的P型导电沟道逐渐恢复，电流IDS变小，回到如图2(a)所示的状态。因此，外力F通过改变FEP薄膜22与铜薄膜21之间的距离d，可以调控光电晶体管中的导电沟道，起到栅极电压的作用，从而实现对器件光电转换特性的调控。

图3为摩擦电子学光电晶体管的光电测试结果。如图3所示，当源漏电压VDS为0V，入射光为680nm红光，光照强度为1mW/cm²时，电流IDS随着距离d的减小而逐渐变大，测试结果符合摩擦电子学光电晶体管的工作原理。

本领域技术人员可以理解，除了铜薄膜之外，在SOI片的基底11下表面还可以沉积其他金属材料或非金属导电材料的薄膜作为栅极导电层，例如ITO薄膜、Au膜、Pt膜或者Ag膜等。同样，Al电极(31、32)也可以用其他导电材料的电极来代替。此外，除了FEP薄膜之外，还可以采用其他与制备栅极导体层的材料位于摩擦电极序上不同位置的材料制作移动摩擦层，优选采用高分子聚合物材料。

此处的高分子聚合物材料为以下材料中的一种：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。

该移动摩擦层与其承载件一起称为移动摩擦件。该移动摩擦件也可以是整体上由FEP或其他高分子聚合物材料制作，而不再区分移动摩擦层和承载件，同样能够实现本发明。

需要说明的是，关于“重掺杂”、“摩擦电极序”等概念，均为半导体领域内公认的概念，其具体含义可参看相应的教科书，此处不再对其进行详细解释。

本实施例中，将接触-分离式摩擦纳米发电机与场效应光电晶体管耦合，组成摩擦电子学光电晶体管，能够利用接触起电产生的静电势来调控场效应光电晶体管中的光电转换特性，取代传统的门电压，实现对器件光电转换特性的调控，成为一种新型的摩擦光电子学器件，具有广泛的应用前景。

基于上述摩擦电子学光电晶体管，本发明还提供了一种复合能源收集器。在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种复合能源收集器。该复合能源收集器包括：光能收集器和风能收集器。同时，该光能收集器和风能收集器相互耦合。

如图4所示，该光能收集器是在第一实施例摩擦电子学光电晶体管的基础上做了改进。与实施例一的摩擦电子学晶体管不同，在光能收集器中，源极和漏极之间不再需要施加正向电压，而是直接由源极和漏极作为光能收集器的能量输出的两端。本实施例中，以阻性负载R1为例，该光能收集器收集的能量被施加至阻性负载R1的两端。该光能收集器与实施例摩擦电子学晶体管相同的部分此处不再重述。

请继续参照图4，光能收集器包括：相对并隔开一预设距离的铜薄膜44、铜薄膜46；位于铜薄膜44、铜薄膜46之间的FET飘带；以及整流桥。其中，铜薄膜44和铜薄膜46分别由玻璃层43和玻璃层45支撑，并且，玻璃层43固定在SOI片背面的铜薄膜21上。FEP飘带42一端固定在支撑端41，另一端自由悬浮，在风力作用下可以上下摆动。铜薄膜44和铜薄膜46之间的距离小于风力作用下FEP飘带的振动幅度。该FEP飘带与上端的铜薄膜44和下端的铜薄膜46产生接触摩擦起电。FEP飘带42、铜薄膜44和铜薄膜46构成了一个风力驱动的摩擦纳米发电机，即风能收集器。同时，整流桥的正输出端连接至摩擦电子学光电晶体管的源级，负输出端连接至光电晶体管的栅极。该整流桥的正输出端和负输出端作为风能收集器的输出端。本实施例中，以阻性负载R2为例，该风能收集器收集的能量被施加至阻性负载R2的两端。

因此，在风力作用下，摩擦纳米发电机的电输出使得光电晶体管承受负栅压作用，从而增加了顶层硅13中电流IR1的大小。随着风力的增强，摩擦纳米发电机输出至阻性负载R2两端的电压变大，其中的电流IR2也随之增加，此外光能收集器的输出性能也随之增强。

图5为图4所示复合能源收集器的等效电路图。如图5所示，复合能源收集器可以等效为由一个场效应晶体管(MOSFET)、一个光电二极管(Photodiode)和一个直流摩擦纳米发电机(DC-TENG)组成。其中，直流摩擦纳米发电机取代了场效应晶体管的栅极电源，可在风力作用下向外电路阻性负载提供电能，输出电流IR2，并同时向场效应光电晶体管提供负的栅电压，调控源漏之间的沟道大小。光电二极管产生的光电流经过场效应晶体管的源漏沟道对外输出电流IR1。因此，该复合能源收集器可以同时收集太阳能和风能，而且由风能转换产生的电能可同时用于调控光能收集器的光电转换特性，从而提高复合能源收集器的输出性能。

图6为图4所示复合能源收集器中光能收集器在不同风力下的短路电流和开路电压测试结果。图7为图4所示复合能源收集器中光能收集器在不同风力下的最大输出功率测试结果。如图6、7所示，当太阳光照为2mW/cm²，风速变化为7m/s至11m/s时，光能收集器的短路电流、开路电压与最大输出功率均随风速的增加而变大，测试结果符合该复合能源收集器的设计原理。

同样本领域技术人员可以理解，在本实施例中，玻璃层43和铜薄膜44组成上静摩擦件。玻璃层45和铜薄膜46组成下静摩擦件。其中，铜薄膜44和铜薄膜46为导电材料，两者同时作为摩擦层和导体层，而摩擦产生的电荷可以直接输入至整流桥。此时，铜薄膜43和铜薄膜46还可以采用其他导电材料的薄膜来代替，例如：ITO薄膜、Au膜、Pt膜或者Ag膜等。并且，铜薄膜44和铜薄膜46还可以由其他绝缘材料的薄膜层或片状物承载，例如，塑料片、树脂片等。

本领域技术人员可以理解的是，在本发明其他实施例中，摩擦层和导体层可以分别独立设置，例如：

(1)对于上静摩擦件，其可以包括：上承载件，为由绝缘材料制备的片状件或薄膜，形成或固定于栅极导体层的下方；上导体层，形成于所述上承载件上；上摩擦层，形成于所述上导体层上。在这种情况下，上摩擦层摩擦产生的电荷经由上导体层输入至整流桥的一输入端；

(2)对于下摩擦层，其可以包括：下承载件，为由绝缘材料制备的片状件；下导体层，形成于所述下承载件上；下摩擦层，形成于所述下导体层上。在这种情况下，下摩擦层摩擦产生的电荷经由下导体层输入至整流桥的一另一输入端。

此外，FEP飘带42作为移动摩擦件还可以为其他高分子聚合物材料的飘带状或片状物件，并且该高分子聚合物材料与上、下摩擦层材料的摩擦电极序相差越远越好。

本实施例中，通过耦合场效应光电晶体管和风力驱动的摩擦纳米发电机，提出了一种复合能源收集器，将风力摩擦纳米发电机的输出至外电路阻性负载上的电压作为调控光能收集器性能的内部门电压，使得光能收集器的短路电流、开路电压和最大输出功率都能够随着风速的增加而变大，实现了对光能和风能的同时收集，并建立了不同能量采集技术之间的耦合机制，在光电探测、风速传感、自驱动系统以及复合能源的高效收集与利用等方面具有重要的应用前景。

至此，已经结合附图对本发明两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发明摩擦电子学光电晶体管及应用其的复合能源收集器有了清楚的认识。

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，例如：

(1)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些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值；

(2)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，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提出了一种摩擦电子学光电晶体管，展示由机械输入调控器件光电转换特性的人机交互器件。并在此基础上提出了一种复合能源收集器，能够同时收集太阳能和风能，并利用风能转换产生的电能作为器件内部门电压，实现对光能收集器输出性能的调控。本发明扩展了摩擦电子学功能器件在光电转换、能量采集等方面的应用，为可调制的光电器件以及高效收集和利用复合能源提供了潜在的解决途径。

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。