JP6236552B2 - 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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Description
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。
(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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
Claims (15)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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