Artículo de método

Fabricación del Sensor de imagen Flexible basado en Lateral NIPIN fototransistores

DOI:

10.3791/57502

⸱

23 de junio de 2018

 ,  ,  , 
1School of Electrical Engineering and Computer Science, Gwangju Institute of Science and Technology

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Se presenta un detallado método para fabricar un deformable lateral NIPIN fototransistor arreglo de discos para sensores de imagen curvada. La matriz de fototransistor con una forma de malla abierta, que está compuesto por islas de silicio fino y elásticos interconectores metálicos, proporciona flexibilidad y elasticidad. El analizador de parámetro caracteriza la propiedad eléctrica del fototransistor fabricado.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Fotodetectores flexibles han sido intensamente estudiados para el uso de sensores de imagen curvada, que son un componente crucial en los sistemas de proyección de imagen bio-inspirados, pero quedan varios puntos difíciles, como una eficacia de absorción baja debido a una delgada capa activa y baja flexibilidad. Presentamos un método avanzado para fabricar una matriz flexible fototransistor con un mejor rendimiento eléctrico. El rendimiento eléctrico es impulsado por una corriente oscura baja debido a la impureza profundo dopaje. Interconexiones de metal flexibles y estirables simultáneamente ofrecen estabilidades eléctricos y mecánicos en un estado muy deforme. El protocolo describe explícitamente el proceso de fabricación del fototransistor utilizando una membrana de silicona delgada. Mediante la medición de características i-v del dispositivo terminado en Estados deformidos, demostramos que este enfoque mejora las estabilidades eléctricas y mecánicas de la matriz de fototransistor. Esperamos que este acercamiento a un fototransistor flexible puede ser ampliamente utilizado para las aplicaciones de próxima generación de sistemas/optoelectrónica, pero también para dispositivos como sensores de tacto/presión/temperatura y monitores de salud.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sistemas bio-inspirados de imagen pueden proporcionar muchas ventajas en comparación con la convencional imagen sistemas1,2,3,4,5. Retina o ommatidia hemisférico es un componente substancial del sistema visual biológico1,2,6. Un sensor de imagen curvada que imita el elemento crítico de los ojos animales, puede proporcionar una configuración compacta y sencilla de sistemas ópticos con aberraciones baja7. Diversos avances de las técnicas de fabricación y materiales, por ejemplo, la utilización de materiales intrínsecamente suaves como orgánico/nanomateriales8,9,10,11, 12 y la introducción de estructuras deformables en semiconductores como el silicio (Si) y germanio (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, dan cuenta de los sensores de imagen curvada. Entre ellos, los enfoques basados en Si proporcionan ventajas inherentes tales como una abundancia de material, la tecnología madura, la estabilidad y la superioridad óptica/eléctrica. Por esta razón, aunque Si tiene rigidez intrínseca y la fragilidad, electrónica flexible basada en Si ha sido ampliamente estudiado para diversas aplicaciones, tales como optoelectrónica flexible18,19,20 como imagen curvada sensores1,2,3, incluso para dispositivos sanitarios21,22.

En un reciente estudio, había analizado y había mejorado el rendimiento eléctrico de un fotodetector Si fina matriz23. En ese estudio, la célula unidad óptima de la matriz curva fotodetector es un tipo de fototransistor (PTR) que consiste en un fotodiodo y un diodo de bloqueo. La Unión base ganancia amplifica un photocurrent generada, y por lo tanto exhibe una ruta para mejorar un rendimiento eléctrico con una estructura de película delgada. Además de la célula, la estructura de película delgada es conveniente suprimir una corriente oscura, que se considera como ruido en el fotodetector. En cuanto a concentración de dopaje, una concentración mayor de 1015 cm-3 es suficiente para conseguir un rendimiento excepcional en el que las características del diodo se pueden mantener con una intensidad de luz por 10-3 W/cm2 23 . Por otra parte, la célula solo PTR tiene un ruido de baja de la columna y ópticamente/eléctricamente estable propiedades en comparación con el fotodiodo. Basado en estas reglas de diseño, hemos fabricado un array fotodetector flexible que consiste en finas Pad Si mediante una oblea de silicio sobre aislante (SOI). En general, una regla importante del diseño de sensores de imagen flexible es el concepto de plano mecánico neutral que define la posición a través del espesor de la estructura donde las cepas son cero para una r arbitrariamente pequeña24. Otro punto crucial es una serpentina geometría del electrodo debido a una forma ondulada proporciona elasticidad totalmente reversible al electrodo. Debido a estos dos conceptos de diseño importante, el array fotodetector puede ser flexible y elástico. Facilita la deformación 3D de la matriz de célula fotoeléctrica en una forma semiesférica o una forma curva como la retina de los ojos animales2.

En este trabajo, detallar los procesos para la fabricación de la matriz PTR curvada usando procesos de fabricación de semiconductores (por ejemplo, dopaje, aguafuerte y deposición) e impresión de la transferencia. Además, se caracteriza un PTR solo en términos de una curva de i-v. Además del método de fabricación y análisis de células individuales, se analiza la característica eléctrica de la matriz PTR en Estados deformidos.

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Protocolo

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PRECAUCIÓN: Algunos productos químicos (i.e., grabador de óxido tamponado, alcohol isopropílico, ácido fluorhídrico, etcetera.) utilizado en este protocolo puede ser peligroso para la salud. Consulte todas las hojas de datos de seguridad de materiales antes de cualquier preparación de la muestra. Utilizar equipo de protección personal (e.g., batas de laboratorio, gafas, guantes) y controles de ingeniería (e.g., mojado estación, campana de humos) manejo de grabadores y solventes.

1. Si el dopaje y el aislamiento

Nota: Vea la Figura 1a - 1D.

  1. Preparar una oblea SOI dopada por implantación de iones con las condiciones como sigue: energía dopante-fósforo/boro, de 80/50 keV y una dosis de 5 x 10153 x 1015 cm-3 n+ + y dopaje, respectivamente. Para recuperar una cristalinidad de la oblea, templar la muestra a una temperatura de 1.000 ° C 120 minutos en un horno después de la implantación de iones. Preparar las muestras dopadas por usando el proceso de implantación de iones desde el Centro Nacional de NanoFab (NNFC) para procesos alta estabilidad y dopaje profunda profundidad (Figura 1a).
  2. Para quitar el óxido nativo, sumergir la muestra en cuadritos con un cucharón de teflón en grabador de óxido tamponado (BOE) para 5 s y limpiar la muestra dados secuencialmente con acetona, alcohol isopropílico (IPA) y agua desionizada (DI).
  3. Forman un patrón de Fotoprotección (PR) para el aislamiento de Si (Figura 1b).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
  4. Dry etch la muestra de Si usando aguafuerte ion reactivo de plasma acoplado inductivamente (ICP-RIE) 100 W potencia 0 potencia ICP W, presión de cámara 30 mTorr y SF6 de gas (40 sccm) 6 min (figura 1C).
  5. Para quitar una capa de óxido enterrado, sumergir las muestras en ácido fluorhídrico 49% por 2 min, usando un cucharón de teflón (figura 1 d).
  6. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.

2. deposición de la capa de óxido sacrificio

Nota: Ver Figura 1e - 1 g.

  1. Depositar una capa sacrificial de SiO2 con un espesor de 130 nm utilizando plasma mayor deposición de vapor químico (PECVD) con una temperatura de 230 ° C, 20 W potencia presión 1000 mTorr, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) por 2 min ( Figura 1e).
  2. Patrón de la capa de PR como una máscara de una capa sacrificial de SiO2 (figura 1f).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
  3. Para el patrón de la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón (figura 1 g).
  4. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.

3. depósito de la primera capa de poliimida y realizar la primera de la metalización

  1. Girar la capa polyimide (PI) en la muestra a 4.000 rpm por 60 s, recuecen a 110 ° C por 3 min y a 150 ° C durante 10 minutos sobre una placa caliente y cocer a 230 ° C durante 60 min en una atmósfera de N2 mediante el suministro de N2 del horno (figura 1 h).
  2. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 130 nm utilizando PECVD con una temperatura de 230 ° C, 20 W potencia, presión de 1.000 mTorr, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 2 minutos.
  3. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para PI seca Aguafuerte (figura 1i).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. Para el patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  4. Dry etch PI mediante RIE con la 30 potencia W, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) por 20 min.
  5. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón.
  6. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  7. Depósito grueso de nm nm/200 10 de Cr/Au por pulverización.
  8. Patrón de la capa de metal de Cr/Au (figura 1j).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Para endurecer el PR, duro cueza al horno la muestra a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. Rayar la capa de Cr/Au con un grabador mojado para 60 de s/20 de s, respectivamente.
  9. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
    Nota: El proceso de limpieza tiene que ser muy cuidadoso ya que se corre el riesgo de pelar la capa del PI.

4. deposición de la segunda capa de poliimida y realizar el segundo de la metalización

  1. Girar la capa PI en la muestra a 4.000 rpm por 60 s, recuecen a 110 ° C por 3 min y a 150 ° C durante 10 minutos sobre una placa caliente y cocer a 230 ° C durante 60 min en una atmósfera de N2 mediante el suministro de N2 del horno (figura 1 k).
  2. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 130 nm usando PECVD con una temperatura de 230 ° C, potencia 20 W, presión mTorr 1.000, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 2 minutos.
  3. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para aguafuerte seca (figura 1 l).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. Para el patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  4. Dry etch el PI con RIE 30 potencia W, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) durante 50 minutos.
  5. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón.
  6. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua.
  7. Depósito 10 nm/200 nm de espesor de Cr/Au de recubrimiento sputter.
  8. Patrón de la capa de metal de Cr/Au (figura 1 m).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. La capa Cr/Au de grabado por un grabador mojado para 60 de s/20 de s, respectivamente.
  9. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua.
  10. Para quitar la humedad, seque el sustrato limpio con una Cerbatana de nitrógeno mientras lo sujeta con unas pinzas.
    Nota: Existe el riesgo de pelar la capa de poliamida, para realizar el proceso de limpieza muy cuidadosamente.

5. encapsulando la muestra con PI y apertura a través de los agujeros y la estructura de la malla

  1. Girar la capa PI en la muestra a 4.000 rpm por 60 s, recuecen a 110 ° C por 3 min y a 150 ° C durante 10 minutos sobre una placa caliente y cocer a 230 ° C durante 60 min en una atmósfera de N2 mediante el suministro de N2 del horno (figura 1n).
  2. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 650 nm usando PECVD con una temperatura de 230 ° C, potencia 20 W, presión mTorr 1.000, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 8 minutos.
  3. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para aguafuerte seca.
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer por 2 min para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. A patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 1 min 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
      Nota: Debido al pequeño tamaño de los dibujos, es necesario dejar que desarrollar ya que la vez anterior de desarrollo.
  4. Dry etch el PI con RIE 30 potencia W, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) durante 75 minutos.
  5. Dry etch Si por ICP-RIE con 100 W potencia, 0 potencia ICP W, presión 30 mTorr y sccm 40 SF6 gas durante 6 minutos (figura 1o).
  6. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 1 min 30 s, con un cucharón de teflón.
  7. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua.
  8. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 130 nm usando PECVD con una temperatura de 230 ° C, potencia 20 W, 1000 presión mTorr, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 2 minutos.
  9. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para aguafuerte seca.
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. A patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 1 min 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  10. Dry etch PI por RIE con potencia de 30 W de RF, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) durante 75 minutos.
  11. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón.
  12. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra limpia con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.

6. grabado de la capa de sacrificio y transferir la muestra al substrato Flexible

Nota: Véase la figura 2.

  1. Grabe la capa sacrificial sumergiendo la muestra en ácido fluorhídrico 49% durante 20 minutos (Figura 2a; inserción).
  2. Enjuague la muestra con agua desionizada.
  3. Después de utilizar el fenómeno capilar de un limpiador para absorber la humedad entre el sustrato y el dispositivo, secar la muestra limpia con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas para eliminar la humedad restante (Figura 2a).
    1. Realizar el proceso de lavado y secado de la muestra. Debido a la baja de la adherencia entre el dispositivo y el sustrato, esto tiene que hacerse con mucho cuidado, para no separar el sustrato y el dispositivo.
  4. Sujete la muestra usando cinta de carbón y coloque la cinta soluble en agua.
  5. Tira de la cinta soluble en agua en un instante para impedir que el dispositivo queda en el sustrato (figura 2b).
  6. Confirmar que la muestra se une a la cinta soluble en agua.
  7. Transferir la muestra a un polidimetilsiloxano (PDMS) recubierta polietileno tereftalato (PET) película (figura 2C).
    1. Preparación de PDMS (10:1 mezcla de prepolímero: agente de curado) y eliminar las posibles burbujas de aire en el PDMS por desgasificación.
    2. Capa de vuelta el PDMS en la película de PET a 1.000 rpm durante 30 s y cueza al horno la película del animal doméstico en un plato caliente a una temperatura de 110 ° C durante 10 minutos.
    3. Exponer la muestra a la luz de 30 UV s para mejorar la adherencia de los PDMS y coloque la cinta soluble en agua con la muestra en la película de PET recubierto de PDMS.
      Nota: Tratamiento UV mejora la adherencia de una superficie PDMS.
  8. Para retirar la cinta soluble en agua, cuidadosamente deje caer agua en él, utilizando una pipeta. Retire la cinta soluble en agua con un flujo lento de agua para evitar que el dispositivo siendo arrastrado por el agua. Secar la muestra lentamente con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas (Figura 2d).

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Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Figura 3a y 3b muestran la estructura diseñada y fabricada de PTR NIPIN considerando anteriores estudios2,23. El recuadro en la figura 3a muestra una característica básica V de PTR. Los parámetros estructurales detallados de PTR se muestran en la figura 3b. El proceso de dopaje de una capa de Si en una oblea SOI se llevó a ca...

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Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La tecnología de fabricación aquí descrita contribuye significativamente al progreso de la electrónica de avanzada y dispositivos portátiles. Los conceptos fundamentales de este enfoque utilizan una fina membrana de Si y capaz de estirar metal interconexiones. Aunque Si es un material frágil y duro que fácilmente puede ser fracturado, una fina capa Si puede obtener una flexibilidad26,27. En el caso de la interconexión metálica la forma ondulada ofrece elasticidad...

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Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Esta investigación fue apoyada por el programa de descubrimiento creativo de materiales a través de la nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia y TIC (NRF-2017M3D1A1039288). Además, esta investigación fue apoyada por el Instituto de información y promoción de tecnología de comunicaciones (IITP) subvención por el gobierno de Corea (MSIP) (No.2017000709, enfoques integrados de físicamente unclonable primitivas criptográficas usando al azar láseres y optoelectrónica).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
MBJ3karl sussMJB3 UV400 MASK ALIGNERAlineador de mascarillas
80 plus RIEOxford instrumentsPlasmalab 80 Plus para RIEICP-RIE
80 plus PECVDOxford instrumentsPlasmalab 80 Plus forPECVD,PECVD
SF-100NDRhabdos Co., Ltd.SF-100NDRecubrimiento
giratorio PoliimidaSigma-Aldrich575771Poli(dianhídrido piromelítico-co-4,4′-oxidianilina), solución de ácido ámico
Oblea SOI (silicio en aislante), obleaSoitecSOI (silicona en aislante) de 8 pulgadas, obleaSOI de 8 pulgadas y 8 pulgadas (silicio Espesor: 1.25μ m)
AcetonaDuksan Pure Chemicals Co., Ltd.3051
Acetona Alcohol isopropílico (IPA)Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.4614Alcohol isopropílico (IPA)
Grabado de óxido tamponado 6:1Avantor1278Grabado de óxido tamponado 6:1
HSD150-03PMisung Scientific Co., LtdHSD150-03P Placacalefactora
AZ5214MicroquímicoAZ5214Fotorresistente
MIF300MicroquímicoMIF300Revelador
SYLGARD184Dow CorningSYLGARD184Elastómero de polidimetilsiloxano
Ácido fluorhídrico Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.2919Ácido fluorhídrico 
CR-7KMG Chemicals, Inc210023Grabador de máscara de cromo
MFCD07370792Sigma-Aldrich651842Grabador de oro

Referencias

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