硅基挠曲电电子学晶体管

一、研究背景：

人和环境中的机械信号难以直接与目前的硅基技术进行交互作用，这不仅受到小尺寸下异构部件复杂集成的限制，还受到电子元件与机械作用之间缺乏主动交互的限制。硅不具有压电性能，因此对机械触发不敏感。应变诱导的半导体极化主要分为两类，第一类是压电极化，主要存在于具有特殊结构的非中心对称半导体，以具有纤锌矿结构的第三代半导体最具代表性。应变诱导的第三代半导体压电极化-电/光多场耦合引发了很多全新的物理现象，有望突破现有第三代半导体器件性能的瓶颈。第二类是非均匀应变诱导的挠曲电极化，可以在非压电材料中诱导“压电”特性，广泛存在于各种晶体材料且不受材料对称性限制，可以有效解决第三代半导体压电极化界面调控对晶体结构要求的局限性，极大拓展界面极化调控在其它半导体中的应用，对半导体材料物性研究和极化调控的半导体器件的研制和发展具有重要意义。将挠曲电极化与半导体的电输运特性相耦合，用于实现硅基电子器件的机电交互，对构建下一代硅基机电纳米器件和纳米系统的发展具有重要意义。

二、文章简介：

针对上述问题，中科院北京纳米能源与系统研究所翟俊宜研究员、王龙飞研究员、王中林院士设计、开发了硅基挠曲电电子学晶体管（SFT），它可以创新地将机械驱动转换为电控制信号，直接实现硅基机电功能。利用硅中的应变梯度诱导的挠曲电极化场作为“门控”，可以对宏观硅基晶体管中的金属-半导体界面肖特基势垒的高度和SFT的沟道宽度进行大幅调制，进而实现载流子输运的调控，并且在不同的受力模式下具有特定的可调谐电子输运特性。基于此，团队进一步开发了硅基感知系统，它不仅可以具有较高的应变灵敏度，而且还可以识别机械受力的位置。相关研究成果发表于Science Advances。中科院纳米能源所翟俊宜研究员、王龙飞研究员、王中林院士为共同通讯作者。

三、研究内容：

图1、硅基挠曲电电子学晶体管的机理。（A, C）应变梯度门控挠曲电电子学晶体管的示意图。（B）不均匀应变在硅中产生的挠曲电极化，对自由载流子的浓度和分布产生一定的影响，导致（D）沟道宽度和（E）界面势垒门控的机制，（F）通过可调谐的电学输运实现机电相互作用。

图2、SFT的沟道宽度门控效应。（A）SFT沟道宽度门控效应示意图。应变梯度引起的负挠曲极化电荷吸引空穴并在沟道处形成增强区域。（B, C）非均匀应力下器件电输运的对称调制。（D）均匀应力下的硅晶体管示意图。（E）均匀应力下可忽略的电输运调制。

图3、（双）SFT的界面势垒门控效应。（A）在漏极上施加机械应力的SFT示意图。（B）界面势垒门控机制的能带图。（C）在漏极和源极都施加机械应力的SFT示意图。（D）双界面势垒门控机制的能带图。（E, F）界面势垒电输运的非对称调制。（H, I）双界面势垒门控电输运的对称调制。

图4、硅基挠曲电电子晶体管的传感性能。

图5、机械信号识别的感知系统原型。机械-感觉过程：（A）机械动作与系统的感知交互；（B）产生具有各种特性的电子信号。识别过程：（C）通过深度学习捕获的电子信号特征；（D）机械位置的识别。

四、结论与展望：

该文在前期的研究工作基础上，开发了硅基挠曲电电子学晶体管，进一步研究了界面极化在硅基电子中的应用，利用应变梯度产生的挠曲电极化不仅可以调控宏观硅基电子器件的界面势垒也可以调控沟道的宽度，实现了机械驱动和硅基电子信号的直接交互。根据器件在不同调控模式下特定的电学输运特性，进一步开发了硅基触觉感知系统，这对于硅基人机界面的研究具有一定的意义和价值，是压电电子学在硅基电子中的进一步拓展，也是对半导体挠曲电效应的进一步探索，极大拓展了界面极化电子器件的研究。

五、致谢：

感谢国家自然科学基金项目的资助。

Authors: Di Guo†, Pengwen Guo†, Lele Ren, Yuan Yao, Wei Wang, Mengmeng Jia, Yulong Wang, Longfei Wang*, Zhonglin Wang*, and Junyi Zhai*

Title: Silicon flexoelectronic transistors

Published in: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.add3310