近日，电子信息学院半导体压电晶体管团队取得重要科研进展，相关研究论文在应用物理学权威期刊《Applied Physics Letters》（APL，《应用物理快报》）正式发表，论文题目为A coplanar electrode operating mode for piezoelectric energy harvesting and self-powered sensing。《Applied Physics Letters》创刊于1962年，是应用物理领域极具影响力的核心期刊，以发表简明扼要的最新报告为特色，聚焦物理现象在科学、工程及现代技术所有分支中的实际应用，致力于快速传播应用物理学领域的重大新发现。
该研究工作由研究生郝健在我院半导体压电晶体管团队指导下完成，电子科技大学中山学院是论文第一单位。郝健为论文第一作者，刘萍教授担任通讯作者，高光龙、高庆国、杨健君、刘黎明老师为共同合作者。
半导体的压电性能研究和制备是电子材料中最活跃、最前沿的研究领域之一。压电器件的结构，一般为三明治结构，如下图右图所示。该文以氮化铝为压电材料，设计了如下图左图所示的共面电极器件结构，并通过数值模拟、实验制备、性能表征等方法进行了性能分析。
图1：压电器件结构:(a) 共面电极结构，(b) 三明治结构
研究核心创新亮点：
（1）开发了一种新的压电工作模式，并制备了相应的压电器件，实现了能量收集和自供电传感。两个电极共平面，设置于压电层的上方，区别于传统的三明治结构。当对一侧电极施加压力时，由于两侧电极处的形变差异，会产生不同的压电电荷密度，从而在两侧电极上产生电势差。并且，通过外部电荷转移的方向，可以判断施加压力的位置。
（2）使用了有限元方法模拟了器件在不同结构参数下的压电性能。随着电极间距的增大，两个电极的电势差以及电荷密度差都在增大，但是器件面积也在增加。进一步研究了共面电极结构的压电性能与器件面积之间的折中关系，发现当电极间距等于电极长度时，具有器件设计的优值。
（3）使用氮化铝作为压电材料，金属铝电极，制备了共面电极结构的压电器件，实现了52.24mV/kPa的电压灵敏度，以及3.78nA/kPa的电流灵敏度。在引入载流子后，输出电压在1M欧姆负载下提升了70.48%，在10M欧姆负载下提升了194.88%。我们开发的压电工作模式，以及相应的器件结构，在新型集成式低功耗传感器中有应用潜力。
本次研究成果为新型微纳无源传感器提供全新设计思路，彰显我院在半导体压电电子方向的创新能力。未来团队将持续推进器件优化与产业化落地研究。
图2：科研实景