基于横向NIPIN光电晶体管的柔性图像传感器制备

摘要

我们提出一种用于曲面图像传感器的可变形横向NIPIN光电晶体管阵列的详细制备方法。该光电晶体管阵列采用开放网状结构，由薄硅岛和可拉伸金属互连组成，具有柔韧性和可拉伸性。使用参数分析仪表征所制备光电晶体管的电学特性。

摘要

柔性光电探测器因其在曲面图像传感器中的应用而受到广泛研究，而曲面图像传感器是生物启发成像系统中的关键组件。然而仍存在若干挑战，例如由于活性层较薄导致的光吸收效率低以及柔韧性不足的问题。本文提出一种先进方法，用于制备具有优异电学性能的柔性光电晶体管阵列。优异的电学性能源于通过深杂质掺杂实现的低暗电流。可拉伸且柔性的金属互连结构在高度形变状态下同时提供了电学与机械稳定性。本实验方案详细描述了使用薄硅膜制备光电晶体管的具体工艺流程。通过对完成器件在形变状态下的I-V特性进行测量，我们验证了该方法可显著提升光电晶体管阵列的机械与电学稳定性。我们预期，这种柔性光电晶体管的制备方法不仅可广泛应用于新一代成像系统/光电子器件，还可拓展至触觉/压力/温度传感器及健康监测等可穿戴设备领域。

引言

与传统成像系统相比，仿生成像系统具有诸多优势^1,2,3,4,5。视网膜或半球形小眼结构是生物视觉系统的重要组成部分^1,2,6。模仿动物眼睛关键结构的曲面图像传感器，能够以紧凑简单的结构实现光学系统，并具有较低的像差⁷。在制造技术与材料方面的多种进展，例如使用本征柔软的有机/纳米材料^8,9,10,11,12，以及将可变形结构引入硅（Si）和锗（Ge）等半导体材料中^1,

方案

警告：某些化学品（即氢氟酸、缓冲氧化物刻蚀液、异丙醇 等等本方案中使用的试剂可能对健康有害。在进行任何样品制备之前，请查阅所有相关的材料安全数据表。使用适当的个人防护装备（例如，实验服、护目镜、手套）和工程控制措施（例如处理蚀刻剂和溶剂时，应在通风橱、湿法操作台等适当设施中进行。

1. 硅掺杂与隔离

注意：参见图1a - 1d。

1. 通过离子注入制备掺杂SOI晶圆，条件如下：掺杂剂为磷/硼，能量为80/50 keV，剂量为5 × 10¹⁵/3 × 10¹⁵ cm^-3 n 的值⁺ 和 p⁺ 掺杂。为了恢复晶圆的结晶性，在离子注入后，将样品置于炉中于1,000 °C退火120分钟。采用国家纳米制造中心（NNFC）的离子注入工艺制备掺杂样品，以获得高工艺稳定性和深掺杂深度图1a).
2. 使用聚四氟乙烯（Teflon）镊子将切割好的样品浸入缓冲氧化物刻蚀液（BOE）中5秒以去除原生氧化层，随后依次用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水（DI水）清洗切割好的样品。

结果

图3a 和3b展示了基于先前研究^2,23设计并制备的NIPIN型PTR结构。图3a插图展示了PTR的基本I-V特性。图3b显示了PTR的详细结构参数。SOI晶圆上Si层的掺杂工艺采用NNFC的离子注入实现。掺杂深度约为1.25 µm，与Si层厚度相等，n⁺和p⁺区域的掺杂浓度均约为10¹⁹ cm^-3。顶层Si层上的掺杂分布呈指状结构。由指状掺杂在n⁺区与p⁺区之间形成的侧向耗尽区有助于减少光生载流子的损失²⁵。此外，指状掺杂扩展了产生光生载流子的有效区域，从而提高了器件.......

讨论

本文所述的制造技术对先进电子器件和可穿戴设备的发展具有重要意义。该方法的基本原理是采用一层薄硅膜和具有拉伸能力的金属互连结构。尽管硅是一种脆性且坚硬的材料，容易发生断裂，但极薄的硅层可以获得柔韧性^26,27。对于金属互连结构而言，其波浪形结构可提供拉伸性和柔韧性^28,29。特别是，这些金属互连结构作为电极，使整个器件能够以矩阵形式工作。在最后一步中实现的开放式网状矩阵结构，以有序的方式赋予器件柔软性。结合薄硅层和蛇形电极的优点，该设计实现了应力隔离并释放了器件的几何形变能力。此外，包围整个器件的聚酰亚胺（PI）层同时具有抗反射效果，并能保护器件免受裂纹或缺陷的影响。通过使用转移印刷方法，所制备的器件可被转移至柔性基底上，从而确保器件具备可变形的条件。通过本文所介绍的工艺步骤，可将具有优异器件特性与成熟工艺优势的硅器件实现为可变形电子器件。

为了获得暗.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
MBJ3	karl suss	MJB3 UV400 掩模对准器	掩模对准器
80 plus RIE	Oxford instruments	Plasmalab 80 Plus 用于 RIE	ICP-RIE
80 plus PECVD	Oxford instruments	Plasmalab 80 Plus 用于 PECVD,	PECVD
SF-100ND	Rhabdos Co., Ltd.	SF-100ND	旋涂仪
聚酰亚胺	Sigma-Aldrich	575771	聚（均苯四甲酸二酐-共-4,4′-二氨基二苯醚）酰胺酸溶液
绝缘体上硅（SOI）晶圆，8英寸	Soitec	绝缘体上硅（SOI）晶圆，8英寸	8英寸SOI晶圆（硅层厚度：1.25μm）
丙酮	Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.	3051	丙酮
异丙醇（IPA）	Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.	4614	异丙醇（IPA）
缓冲氧化物刻蚀液 6:1	Avantor	1278	缓冲氧化物刻蚀液 6:1
HSD150-03P	Misung Scientific Co., Ltd	HSD150-03P	加热板
AZ5214	Microchemical	AZ5214	光刻胶
MIF300	Microchemical	MIF300	显影液
SYLGARD184	Dow Corning	SYLGARD184	聚二甲基硅氧烷弹性体
氢氟酸	Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.	2919	氢氟酸
CR-7	KMG Chemicals, Inc	210023	铬掩模刻蚀液
MFCD07370792	Sigma-Aldrich	651842	金刻蚀液