基于接触起电的背栅场效应晶体管的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子行业电子元器件技术领域，尤其涉及一种基于接触起电的背栅场 效应晶体管。
【背景技术】
[0002] 场效应晶体管是基于通过利用门电压来控制元件中的电流输运过程的晶体管器 件。基于背栅SOI结构的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET)具有结构简单、低 电场、高跨导和良好的短沟道特性，其背衬底可作为背栅极，利用背栅电压来调控顶层硅中 的导电沟道宽度。虽然场效应晶体管技术十分成熟，但鉴于器件单元的三端结构，需要专门 提供栅极电源，集成具有复杂性，并且基于此类技术制成的压力传感器件缺乏外界环境与 电子器件直接作用交互的机制。
[0003] 近年来，中国科学院北京纳米能源与系统研究所和美国佐治亚理工学院王中林院 士开创的压电电子学受到了学术界的广泛关注。压电效应是压电材料在应力作用下产生形 变时出现的一种内部电势现象。对于氧化锌、氮化镓、硫化镉等压电半导体材料，压电效应 可以改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质，这就是压电电子学效应，是压电效 应和半导体效应的结合。压电电子学效应被用来将器件受到的机械作用转化为局域电子控 制信号，实现了利用压电势作为栅极电压调控及由应变、应力或压强驱动和控制电子器件、 微纳机电器件和传感器的新方法。压电电子学晶体管与传统场效应晶体管有不同的工作原 理和结构。在原理上，传统场效应晶体管是利用外加电压作为控制信号，而压电电子学晶体 管是利用机械形变来产生电子控制信号；在结构上，传统场效应晶体管是三端器件，而压电 电子学晶体管是两端器件，其虚拟的第三端由外加压力代替，实现对传输特性的控制。压电 电子学晶体管的这些特点，减少了传统晶体管中门电极的制备，实现了机械压力与电子器 件的直接交互，其应用范围将涵盖人工智能、人机交互、生物医疗和通信等领域。但是压电 电子学晶体管必须用压电材料来制备，其产生的压电电势的可调控性，以及在材料的选择 和应用上受到很多限制。
[0004] 纳米发电机也是王中林院士及其团队近年来的研究热点。其中，摩擦发电机利用 了接触起电和静电感应的原理，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成 器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，从而产生电 荷分离并形成电势差。该电势差既能作为自供能主动式压力传感器，又能作为半导体器件 的控制信号。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于摩擦接触起电的背栅场效应晶体管， 将摩擦起电效应和金属-氧化物-半导体场效应晶体管相结合，利用摩擦发电机产生的静 电势作为门极门信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控。
[0007] (二）技术方案
[0008] 本发明基于接触起电的背栅场效应晶体管包括：导电基底10 ;绝缘层20,形成于 导电基底10的正面；场效应晶体管组件30,包括：沟道层31，形成于绝缘层20的上方；漏 极32和源极33,形成于沟道层31的上方，两者之间隔开预设距离，并保持预设的电势差； 栅极34,形成于导电基底10的背面；以及摩擦发电组件40,包括：静止摩擦层41，形成于栅 极34的下表面；可移动摩擦层42,与静止摩擦层41隔开预设距离相对设置；以及第二导电 层44,形成于可移动摩擦层42的外侧，其电性连接至源极33 ;其中，静止摩擦层41和可移 动摩擦层42位于摩擦电极序的不同位置，在外力的作用下，静止摩擦层41和可移动摩擦层 42能够在分离状态和接触状态之间往复切换。
[0009] (三）有益效果
[0010] 从上述技术方案可以看出，本发明基于接触起电的背栅场效应晶体管具有以下有 益效果：
[0011] (1)将摩擦起电效应和背栅场效应晶体管相结合，利用摩擦发电机产生的静电势 作为门极门信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控，具有良好的调控特性；
[0012] (2)利用摩擦发电机产生的静电势作为门极门信号，替代了传统晶体管中门电极 的供电电压，实现机械压力与电子器件的直接交互，相比压电电子学晶体管具有更广泛的 半导体材料选择；
[0013] (3)整个场效应晶体管基于SOI硅片和摩擦发电机，结构简单，易于制作与集成， 易于实现器件的微型化和阵列化；
[0014] (4)摩擦发电机的其中一个摩擦层作为承载压力的部件，而SOI衬底和栅极、源极 等并不直接承载压力，而可移动摩擦层和SOI衬底之间可以采用弹性部件连接，因此背栅 场效应晶体管整体上可承受较大的机械形变，相比压电电子学晶体管具有更宽的外力传感 范围。
【附图说明】
[0015] 图1为根据本发明第一实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图；
[0016] 图2为图1所示场效应晶体管的工作原理图；
[0017] 图3给出了对于第一实施例，源漏电压Vd为5V时，源漏电流Id随可移动摩擦层与 栅极间距Cl 1的变化曲线；
[0018] 图4为根据本发明第二实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图；
[0019] 图5为根据本发明第三实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图；
[0020] 图6为图5所示场效应晶体管的工作原理图；
[0021] 图7给出了对于第三实施例背栅场效应晶体管，源漏电压Vd为5V时，源漏电流I d 随可移动摩擦层与静止摩擦层间距Cl1的变化曲线；
[0022] 图8为根据本发明第四实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图。
[0023] 【本发明主要元件符号说明】
[0024] 10-导电基底；
[0025] 20-绝缘层；
[0026] 30-场效应晶体管组件；
[0027] 31-沟道层； 32-漏极；
[0028] 33-源极； 34-栅极；
[0029] 40-摩擦发电组件；
[0030] 41-静止摩擦层；42-可移动摩擦层；
[0031] 43-弹性部件； 44-第二导电层。
【具体实施方式】
[0032] 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。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发明的保护范围。
[0033] 本发明将摩擦发电机和背栅场效应晶体管相结合，将摩擦发电机的一摩擦层与背 栅场效应晶体管的栅极固定或者将两者合为一个部件，利用外力使另一摩擦层与该摩擦层 接触起电并产生栅极电势，从而实现对半导体中载流子输运特性的调控。
[0034] 一、第一实施例
[0035] 在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种基于接触起电的背栅场效应晶体 管。图1为根据本发明第一实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图。如图 1所示，本实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管包括：导电基底10 ;绝缘层20,形成于 导电基底10的正面；场效应晶体管组件30,包括：沟道层31，形成于绝缘层20的上方；漏极 32和源极33,形成于沟道层31的上方，两者之间隔开预设距离，并保持预设的电势差；栅极 34,形成于导电基底10的背面；摩擦发电组件40,包括：静止摩擦层41，与导电基底10保持 相对静止，所述栅极34作为该静止摩擦层；可移动摩擦层42,与静止摩擦层41隔开预设距 离相对设置；第二导电层44,形成于可移动摩擦层42的外侧，并且，该第二导电层44与静 止摩擦层41电性绝缘，其电性连接至源极33 ;其中，所述静止摩擦层41和可移动摩擦层42 位于摩擦电极序的不同位置，在外力的作用下，静止摩擦层41和可移动摩擦层42能够在分 离状态和接触状态之间往复切换。
[0036] 对于本实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管而言，在接触状态，静止摩擦层 41和可移动摩擦层42相互接触，产生摩擦电荷，在随后的分离状态，静止摩擦层41和可移 动摩擦层42分开，摩擦电荷使第二导电层44和源极33之间产生电势差，使第二导电层44 的电子朝向源极33流动，进而在源极33和栅极34之间产生电势差，改变了沟道层31的沟 道宽度，从而起到了调节源漏之间电流大小的作用。
[0037] 以下对本实施例基于接触起电