半導體組件的製作方法

2023-08-03 05:09:01

本發明涉及一種半導體組件，尤其涉及一種靜電感應的半導體組件。

背景技術：

科技與人類的互動在於接口的設計，如何將信息輸入與輸出為最重要的功能。人類的感知來自於五種知覺：視覺、聽覺、味覺、嗅覺與觸覺，其中以觸覺為最直接的感知源但也較難以仿造。

目前的半導體組件通常需外加電壓或接外部電源以使半導體組件正常運作，致使半導體在製程上較為複雜且使其應用範圍受限。因此，若能夠使半導體組件自行發電，不需外加電壓或藉由外部電源供應而運作的半導體組件，將可擴大其應用範圍。

技術實現要素：

本發明提供一種半導體組件，可藉由產生感應電荷而自行發電，並達到可撓性、透明且薄型的優點。

本發明提供一種半導體組件。半導體組件包括基板、接觸層以及活性層。接觸層位於基板上，接觸層與可移動對象進行相對運動。活性層位於接觸層與基板之間。

在本發明的一實施例中，上述接觸層為介電層。

在本發明的一實施例中，上述接觸層的材料包括聚乙二醇、氧化矽、聚二甲基矽氧烷、聚醯亞胺(polyimide)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride,pvdf)、二氧化鈦、二氧化錫、二硒化鋅、二硒化錫、二氧化釩、多孔性二氧化矽、pcbm([6,6]-phenyl-c61-butyricacidmethylester)、pedot:pss(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrenesulfonate)或任何有機與無機的介電係數>1的材料，另外，亦包括尼絨(nylon)、矽膠、橡膠、毛皮等但不限於此。

在本發明的一實施例中，上述接觸層的厚度介於10nm至20mm之間。

在本發明的一實施例中，還包括源極和漏極位於接觸層中。

在本發明的一實施例中，上述可移動對象與接觸層之間具有相對電位差。

在本發明的一實施例中，上述活性層的材料包括銻化銦、砷化鎵、磷化銦、矽化鍺、碳化矽、鍺、矽、氧化鋅、二氧化鈦、二氧化錫、二氧化釩、五氧化二釩、二硫化鉬、二硒化鎢、二硒化鋅、二硒化錫、二硫化鎢、氧化鎢、石墨烯、紅磷、黑磷、棕磷、氮化鎵、pcbm([6,6]-phenyl-c61-butyricacidmethylester)、石墨/p3ht(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)：pcbm、meh-ppv(poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])、pedot：ps(polystyrene)、tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium(al(c9h6no)3,alq3)、碳60、iii-v族或ii-vi族半導體或其組合。

在本發明的一實施例中，上述可移動對象與接觸層之間的間距的範圍介於10nm至20mm之間，且較佳為介於1μm至200μm之間。

基於上述，本發明的半導體組件，藉由材料的選擇，可做成具有可撓性、透明且薄型的半導體組件。此外，由於本發明是藉由控制可移動對象與半導體組件的接觸層之間的間距，產生相對電位差而感應電流或電壓，所產生的感應電流或電壓足以控制半導體組件開關(活性層的通道開閉)。因此，本發明的半導體組件的柵極源不需外加電壓或接外部電源即可運作。本發明的半導體組件是藉由可移動對象取代傳統半導體組件結構中的柵電極，也就是說，當以手指作為本發明的可移動對象時，可省去傳統半導體組件結構中的柵電極構件，故可減少整體半導體組件的厚度，而達到薄型化的優點。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1為依照本發明的一實施例所顯示的半導體組件的剖面圖；

圖2a至圖2e為依照本發明的一實施例所顯示的半導體組件的電荷感應原理圖；

圖3a和圖3b為依照圖2a至圖2e所顯示的半導體組件電荷感應的電性表現圖；

圖4a至圖4e為依照本發明的另一實施例所顯示的半導體組件的電荷感應原理圖；

圖5a和圖5b為依照圖4a至圖4e所顯示的半導體組件電荷感應的電性表現圖；

圖6a和圖6b為依照本發明的不同實施例的可移動對象與接觸層材料之間的電位差模擬圖；

圖7為依照本發明的實施例應用於網狀式數組電極的電路圖。

附圖標記：

10：半導體組件

100：基板

102：接觸層

104：活性層

105a：增強區域

105b：空乏區域

106：源極

108：漏極

110、110a、110b：可移動對象

300：網狀式數組電極

302、304：電極

d：間距

w：寬度

d1、d2：方向

具體實施方式

圖1為依照本發明的一實施例所顯示的半導體組件的剖面圖。

請參照圖1，本發明的半導體組件10包括基板100、接觸層102以及活性層104。基板100的材料包括可撓性材料或硬式材料，例如聚對苯二甲酸乙酯(polyethyleneterephthalate，pet)、玻璃、矽、不鏽鋼、氧化鋁(al2o3)、鋁、聚醯亞胺(polyimide，pi)、聚間苯二甲酸乙二酯(polyethylenenaphthalate，pen)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)、銅、塑料、聚偏 二氟乙烯(polyvinylidenefluoride,pvdf)、玻璃纖維，或有機與無機的混合物等，但不限於此，且這些材料可為透明或不透明的材料。基板100的厚度例如是介於1μm至10mm之間，較佳厚度介於100μm至1mm之間。

接觸層102位於基板100上。接觸層102可以例如是介電層。舉例來說，接觸層102的材料例如包括聚乙二醇(polyethyleneoxide，peo)、氧化矽(sio2)、聚二甲基矽氧烷、聚醯亞胺(polyimide)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride,pvdf)、二氧化鈦、二氧化錫、二硒化鋅、二硒化錫、二氧化釩、多孔性二氧化釩、pcbm、pedot、pss或任何有機與無機的高介電係數(介電係數>1)的材料等，但不限於此。在一具體實施例中，當接觸層102的材料為聚乙二醇時，由於聚乙二醇具有較佳的量子電容量(4×10-3f/m2)，聚乙二醇為透明且具有可撓性的材料，因而可使製程簡便並使後續的應用更為廣泛，但本發明不以上述材料為限。接觸層102的厚度例如介於10nm至20mm，且較佳厚度介於100μm與1mm之間。在一實施例中，接觸層102例如還包括源極106與漏極108位於其中。在一實施例中，漏極108例如可以接地。

活性層104位於接觸層102與基板100之間。活性層104的材料例如是有機或無機n型、p型或p-n型的半導體材料，也可以例如是有機與無機混成的半導體材料。舉例來說，活性層104的材料例如包括銻化銦(insb)、砷化鎵(gaas)、磷化銦(inp)、矽化鍺(sige)、碳化矽(sic)、鎵(ga)、矽(si)、氧化鋅(zno)、二氧化鈦(tio2)、二氧化錫(sno2)、二氧化釩(vo2)、五氧化二釩(v2o5)、二硒化鉬(mose2)、二硫化鐵(fes2)、二硫化釩(vs2)、二硒化釩(vse2)、二硫化鉻(crs2)、二硒化鉻(crse2)、二硫化鉬(mos2)、二硒化鎢(wse2)、二硫化鎢(ws2)、氧化鎢(wox)、石墨烯(graphene)、紅磷(redphosphorous)、黑磷(blackphosphorous)、棕磷(brownphosphorous)、氮化鎵、pcbm、石墨/p3ht：pcbm、meh-ppv、pedot：ps、alq3、碳60、iii-v族或ii-vi族半導體或其組合，但不限於此，且可為任何離子型、非離子型的半導體材料。上述材料可以是寬能隙或窄能隙的半導體材料，也可以是單界面或p-n接面混合的半導體材料，但本發明不限於此。

值得注意的是，接觸層102可以與一可移動對象110進行相對運動。接 觸層102與可移動對象110之間的相對運動產生間距d，間距d範圍例如介於10nm至20mm之間，且較佳為介於1μm至200μm之間。可移動對象110的材料沒有特定限制，只要可移動對象110的材料與接觸層102的材料之間具有相對電位差即可。舉例來說，當接觸層102的材料為聚乙二醇，可移動對象110的材料相較於聚乙二醇可以是帶有較高陰電性(亦稱高電負度，highelectronegativity)的材料，即得電子親合能力較強的材料，例如聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，ptfe)。反之，可移動對象110的材料相較於聚乙二醇可以是帶有較高正電性(亦稱低電負度，lowelectronegativity)的材料，即得電子親合能力較弱的材料，例如手指或鋁，但本發明不限於此，只要可移動對象110的材料與接觸層102的材料之間具有相對電位差即可。

圖2a至圖2e為依照本發明的一實施例所顯示的半導體組件的電荷感應原理圖。

本發明的半導體組件電荷感應的操作原理將以圖2a至圖2e的半導體組件的剖面圖來說明。

在此實施例中，將以增強區域(enhancementzone)型電荷感應的操作原理進行說明。舉例來說，基板100的材料例如是聚對苯二甲酸乙酯，接觸層102的材料例如是聚乙二醇，可移動對象110a的材料例如是聚四氟乙烯。此時，可移動對象110a相較於接觸層102是帶有較高陰電性的材料。活性層104的材料例如是銻化銦，但本發明不限於此。

如圖2a所示，在可移動對象110a與接觸層102尚未接觸或靠近時，並不會有感應電荷的產生。

接著，如圖2b所示，將可移動對象110a接觸到接觸層102時，由於可移動對象110a相對於接觸層102帶有較高陰電性，亦即102本身具有高的正電性(低電負度)，當接觸層102與可移動對象110a接觸時，高的正電性102與高陰電性110a形成電中性平衡。

然後，如圖2c所示，將可移動對象110a緩慢遠離接觸層102，由於接觸層102的表面仍呈現帶正電荷的狀態，為了達到靜電力平衡(electrostaticequilibrium)，電子會從接地的漏極108導入以維持電中性，促使活性層104的電子濃度增加產生增強區域105a，其中增強區域105a具有寬度w。

接著，如圖2d所示，當可移動對象110a與接觸層102之間的間距d持 續增加時，電子濃度亦會逐漸達到最大值，且增強區域105a的寬度w亦逐漸增加，致使流經源極106的電流上升。當靜電力達到平衡時，此時為電荷平衡的電中性狀態，電流將不再上升，而強區域105a達到最大值。

然後，如圖2e所示，將可移動對象110a再次靠近接觸層102，即可移動對象110a與接觸層102之間的間距d縮小，電子會開始從漏極回流至接地處。此時，電子濃度下降，使增強區域105a的寬度w逐漸降低，直到回到原始狀態。

值得一提的是，在上述可移動對象110a與接觸層102之間進行相對運動的過程中，由於靜電力平衡所產生的電流，足以達到控制半導體組件的開關。也就是說，半導體組件的柵極不需再外接電流控制。另外，可移動對象110a是位於外部且獨立於半導體組件，因此，不一定需要與本體半導體組件進行線路連結，可有效簡化組件設計與製程及其成本。

圖3a和圖3b為依照圖2a至圖2e所顯示的半導體組件電荷感應的電性表現圖。

如圖3a所示的結果可以得知，可移動對象110a從與接觸層102接觸至可移動對象110a遠離接觸層102，間距d逐漸增加，電流大小亦逐漸增加。此外，由圖3b所示的結果，可計算得到在固定源極106的偏壓為1伏特時，將可移動對象110a與接觸層102接觸(d＝0μm)至可移動對象110a逐漸遠離接觸層102(d＝80μm)的過程中，電流大小從約6μa增加至約12μa，增加倍率約為2倍。

圖4a至圖4e為依照本發明的另一實施例所顯示的半導體組件的電荷感應原理圖。

在此實施例中，將以空乏區域(depletionzone)型電荷感應的操作原理進行說明，與上述增強區域型電荷感應的操作原理相反。更具體地說，與上述增強區域型的電荷感應不同之處在於可移動對象110b相較於接觸層102為帶有較高正電性的材料。舉例來說，接觸層102的材料例如是聚乙二醇，可移動對象110b的材料例如是手指、鋁、二氧化矽、多孔性二氧化矽或尼龍，但本發明不限於此。

如圖4a所示，在可移動對象110b與接觸層102尚未接觸或靠近時，並不會有感應電荷的產生。接著，如圖4b所示，將可移動對象110b接觸到接 觸層102時，由於可移動對象110b相對於接觸層102帶有較高正電性(或低電負度)，因此，可移動對象110b本身帶正電荷而接觸層102具有較高陰電性(或高電負度)，故高正電性的可移動對象110b與高陰電性的接觸層102接觸時會形成電中性平衡。然後，如圖4c所示，將可移動對象110b緩慢遠離接觸層102，由於接觸層102的表面仍呈現帶負電荷的狀態，為了達到靜電力的平衡，電子會從接地的漏極108導出，致使活性層104電子濃度減少，而產生空乏區域105b。接著，如圖4d所示，當可移動對象110b與接觸層102之間的間距d持續增加，空乏區域105b的寬度w亦逐漸增加，致使流經源極106的電流下降，直到靜電力達到平衡。然後，如圖4e所示，將可移動對象110b再次靠近接觸層102，即可移動對象110b與接觸層102之間的間距d縮小，電子會再度由接地端流回漏極108以抵消原來在活性成層104的正電荷，促使接觸層102的電流會開始上升直到回到原始狀態。

圖5a和圖5b為依照圖4a至圖4e所顯示的半導體組件電荷感應的電性表現圖。

如圖5a所示的結果可以得知，可移動對象110b從與接觸層102接觸至可移動對象110b遠離接觸層102，電流大小會隨可移動對象110b與接觸層102之間的間距d增加而下降。此外，由圖5b所示的結果，可計算得到在固定源極106的偏壓為1伏特時，將可移動對象110b與接觸層102接觸(d＝0μm)至可移動對象110b逐漸遠離接觸層102(d＝80μm)的過程中，電流大小從約7μa下降至約1.5μa，下降倍率約為5倍。

圖6a和圖6b為依照本發明的不同實施例的可移動對象與接觸層材料之間的電位差模擬圖。

根據圖6a的電位差模擬圖，可得知聚四氟乙烯相較於聚乙二醇帶有較高陰電性，其中，基於理論計算其輸出電勢可達+126v～-206v。根據圖6b的電位差模擬圖，可得知鋁相較於聚乙二醇帶有較高正電性，其中，基於理論計算其輸出電勢可達+151v～-132v。從上述電位差模擬圖可以得知本發明的可移動對象與接觸層可以選擇具有不同帶電性的材料，也就是說，本發明可以藉由材料之間彼此得失電子的差異所產生的電流或電壓進行自發電。此外，可移動對象與接觸層的材料也可以例如選擇聚四氟乙烯與鋁做搭配，或調控聚四氟乙烯與鋁的表面粗糙度及多孔性結構，使鋁的正電荷提升或聚四氟乙 烯的負電荷提升，以達到更高的電位差效果，但本發明不限於此。

圖7為依照本發明的實施例應用於網狀式數組電極的電路圖。

如圖7所示，本發明的半導體組件可應用於網狀式數組電極300的設計，多個第一電極302沿著第一方向d1排列且沿著第二方向d2延伸，多個第二電極304沿著第二方向d2排列且沿著第一方向d1延伸。在每個第一電極302與每個第二電極304的交界處分別設置本發明的半導體組件使其電性連接，並可藉由接觸層與可移動對象之間的電位差通過接觸摩擦在柵極與接觸層間產生電場效應。所述電場效應可通過前述的增強型與空乏型模式達到控制活性層的漏極與源極間的通道電流。再者，本半導體組件可形成數組式控制/觸控電路感應位置並由電流大小與強弱來判斷控制信號以處理電信信息。

在一實施例中，網狀式數組電極例如是包括多個本發明的半導體組件10，如上述電荷感應原理，藉由控制可移動對象與接觸層之間的間距，可以控制任意位置的半導體組件10的開關。

值得一提的是，本發明的半導體組件無需外加其他電源即可控制其通道的開關，可以達到簡化柵極製程並達到薄型化(小於1毫米)的優點。

此外，本發明半導體組件接觸層的材料與可移動對象的材料並沒有特別限制，只要二者的材料之間具有相對的電位差即可。除上述所列舉的材料之外，可移動對象與接觸層的材料亦可從以下所列舉材料中任選二種材料組合搭配，即此二種材料之間具有相對的電位差即可。以下所述材料其帶電性由正至負依序為皮膚、玻璃、尼龍(nylon)、羊毛(wool)、鉛(lead)、棉花(cotton)、鋁(aluminum)、紙(paper)、鋼(steel)、明膠(gelatin)、鎳和銅(nickel,copper)、金和鉑(gold,platinum)、天然橡膠(naturalrubber)、硫(sulfur)、醋酸鹽(acetate)、聚酯(polyester)、賽璐珞(celluloid)、氨基甲酸乙酯(urethane)、聚乙烯(polyethylene)、乙烯(vinyl)、矽(silicon)、鐵氟龍(teflon)，但本發明不限於此。

本發明的半導體組件可應用於鍵盤、脈搏傳感器、力量傳感器、位移監測器、速度傳感器、觸控面板、應變傳感器、遊戲遊戲杆、遊戲鍵盤等相關應用，但本發明不限於此。

綜上所述，本發明的半導體組件，藉由材料的選擇，可做成具有可撓性、透明且薄型的半導體組件。此外，由於本發明是藉由控制可移動對象與半導 體組件的接觸層之間的間距，產生相對電位差而感應電流或電壓，所產生的感應電流或電壓足以控制半導體組件開關(活性層的通道開閉)。因此，本發明的半導體組件不需外加電壓或接外部電源即可運作。本發明的半導體組件是藉由可移動對象取代傳統半導體組件結構中的柵電極，也就是說，當以手指作為本發明的可移動對象，可省去傳統半導體組件結構中的柵電極構件，故可減少整體半導體組件的厚度，而達到薄型化的優點。

雖然本發明已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的改動與潤飾，故本發明的保護範圍當視所附權利要求界定範圍為準。