方法論記事

横 NIPIN フォト トランジスタを用いた柔軟な画像センサーの作製

DOI：

10.3791/57502

⸱

2018年6月23日

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

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

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

湾曲したイメージ センサーの変形横 NIPIN フォト トランジスタ アレイを作製する詳細な方法を提案します。薄いシリコン島と伸縮金属反るから構成されるメッシュ フォームを使ってフォト トランジスタ アレイは、柔軟性と延伸を提供します。パラメーター ・ アナライザーは、作製したトランジスタの電気的特性を特徴付けます。

要約

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

柔軟な受光素子研究されている激しくない生体イメージング システムの重要なコンポーネントは、湾曲したイメージ センサーを使用するため、薄い活性層による、低低吸収効率など、いくつか困難な点が残っています。柔軟性。電気的性能を向上させた柔軟なフォト トランジスタ アレイを作製する高度な方法を提案します。優れた電気的性能は、深い不純物ドーピングにより低暗電流によって駆動されます。伸縮自在で柔軟な金属反るは同時に著しく変形した状態での電気的・機械的安定性を提供しています。プロトコルは明示的に、薄いシリコン膜を用いたフォト トランジスタの作製プロセスをについて説明します。変形後の状態で完成したデバイス - 電圧特性を測定することによりこのアプローチがフォト トランジスタ アレイの機械的および電気的安定性を向上させることを示します。期待の次世代イメージング システム/光だけでなく、触覚/圧力/温度センサーなどヘルス モニターのウェアラブル デバイス用で広く柔軟なフォト トランジスタへのこのアプローチを使用できます。

概要

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

生体イメージング システムは、従来イメージング システム1,2,3,4、5と比較して多くの利点を提供できます。網膜や半球のシャコは、生体の視覚系1,2,6の実質的なコンポーネントです。動物の目の重要な要素を模倣する曲線のイメージ センサーは、低収差7と光学系のコンパクトでシンプルな構成を提供できます。加工技術、材料、ナノ材料/有機8,9,10、11,など本質的に柔らかい材料の使用などの多様な進歩12半導体シリコン (Si)、ゲルマニウム (Ge)1,2,3,13,14などへの変形構造の導入 15,16,17, 湾曲したイメージ センサーを実現します。その中でも、Si ベースのアプローチは、豊富な材料、成熟した技術、安定性、および光学的/電気的優位性などの固有の利点を提供します。このため、Si は本質的な剛性と脆性、Si ベースの柔軟な電子広く研究されている柔軟なオプトエレクトロニクス18,19,20等のさまざまな用途湾曲したイメージ センサー1,2,3ともウェアラブル医療機器21,22を含みます。

最近の研究では、分析し、薄膜 Si 受光素子配列23の電気的性能を向上します。その研究では、湾曲した光検出器アレイの最適な単位セルはフォト ダイオードとブロッキング ダイオードで構成されるフォト トランジスタ (PTR) タイプです。ベース接合の利得を生成された光電流増幅し、それゆえそれは薄膜の構造と電気的性能を向上させるためにルートを展示します。単一のセルに加えて薄膜構造は光検出器のノイズとして考慮される暗電流の抑制に適しています。ドーピング濃度について 1015 cm-3より大きい濃度はダイオード特性ことができます 10-3 23 W/cm2以上の光の強度を維持する優れた性能を達成するために十分です.また、PTR の単一のセル列の低ノイズを持っているし、光学的/電気的安定のフォト ダイオードと比較してプロパティ。これらの設計ルールに基づき、シリコン ・ オン ・ インシュレーター (SOI) ウエハーを用いた薄膜 Si シモノフから構成される柔軟な光検出器の配列を設計・試作しました。一般に、柔軟な画像センサーの重要な設計ルールは系統が小さな r24ゼロ構造の厚さを介して位置を定義する中立的な機械的平面概念です。波状形状電極を完全に可逆的張出し性を提供するため、別の重要なポイントは、電極の蛇紋岩ジオメトリです。これら 2 つの重要な設計概念による光検出器の配列は柔軟性と伸縮性をすることができます。半球状または動物目2網膜のような湾曲した形状に受光素子配列の 3 D 変形を促進します。

この作品では、半導体製造プロセス (例えば、ドーピング、エッチング、蒸着) を用いた曲線の PTR アレイの作製のためのプロセスの詳細を転写印刷。また、我々 は-V 曲線の面で 1 つの PTR を特徴付けます。作製法、個々 の細胞の解析に加えて変形後の状態でポインター配列の電気的機能を解析しました。

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プロトコル

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注意: いくつかの化学物質 (すなわち。、フッ化水素酸、バッファー酸化エッチング液、イソプロピル アルコールなど。) このプロトコルは健康に有害なことができます。任意のサンプルの準備が行われる前に、関連するすべての材料の安全データ用紙を参照してください。適切な個人用保護具を使用 (e.g。、白衣、安全メガネ、手袋) とコントロールをエンジニア リング (e.g。 ウェット ステーション、ドラフトチャンバー) 腐食液や溶剤を取り扱うとき。

1. Si ドーピングとの分離

注:図 1a - 1 dを参照してください。

  1. 次のように条件をイオン注入によるドープした SOI ウェハを準備: 80/50 のホウ素、ドーパント リン/エネルギー keV とドーピング、それぞれ 5 × 101510 3 ×15 cm-3 n+の p+の線量。ウェーハの結晶性を回復するには、イオン注入後炉で 120 分間 1,000 ° C の温度でサンプルをアニールします。高い加工安定性のイオン注入工程国立 NanoFab センター (NNFC) からを使用し、深い深度 (図 1 a) をドーピングによってドープした試料を準備します。
  2. ネイティブの酸化を削除するには、ディップ 5 バッファー酸化エッチング液 (BOE) のテフロンひしゃくを使用してさいの目に切ったサンプル s、アセトン、イソプロピル アルコール (IPA)、純水 (DI) と順番にさいの目に切ったサンプルをきれい。
  3. Si の分離 (図 1 b) (PR) フォトレジスト パターンを形成します。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して、N2吹き矢で鉗子で保持しながら乾燥 1 分の開発者にサンプルを浸します。ハード 110 ° C、5 分で PR 層を強化するためサンプルを焼きます。
  4. 乾燥 100 W 高周波電力、0 W 誘導電源、30 mTorr チャンバー圧力・ 6 分 (図 1 c) SF6ガス (40 sccm) を誘導結合プラズマ反応性イオン エッチング (ICP 理恵) を用いたシリコンのサンプルをエッチングします。
  5. 埋め込み酸化膜層を削除するには、フッ化水素酸 49% テフロンひしゃく (図 1 d) を使用して、2 分間試料を浸漬します。
  6. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。水分を削除するには、鉗子で保持しながら、N2吹き矢でサンプルを乾燥します。

2. 犠牲酸化層の堆積

注:図 1e - 1 gを参照してください。

  1. 130 の厚さと SiO2犠牲層を預金 nm プラズマ強化化学気相堆積 (PECVD) を 230 ° C の温度、20 W RF 電力、1000 mTorr 圧力、SiH4ガス (100 sccm) と N2O 2 分 ( (800 sccm) をガス図 1e)。
  2. SiO2犠牲層 (図 1 f) のマスクとして PR 層をパターンします。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して N2吹き矢を鉗子で保持しながら乾かして 1 分の開発者にサンプルを浸します。ハード 110 ° C、5 分で PR 層を強化するためサンプルを焼きます。
  3. プラズマ CVD 酸化膜をパターン化する 30 の BOE でサンプルを浸漬テフロンひしゃく (図 1 g) を使用して s。
  4. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。水分を削除するには、鉗子で保持しながら、N2吹き矢でサンプルを乾燥します。

3. ポリイミドおよび最初のメタライゼーションの実行の最初の層の堆積

  1. 60 4,000 rpm でサンプルのコート ポリイミド (PI) をスピン s、ホット プレート上で 10 分間 150 ° C と 110 ° C、3 分でそれをアニールし、N2オーブン (図 1 h) を指定して N2雰囲気の中で 60 分 230 ° C でそれをアニールします。
  2. 130 の厚さで SiO2層の入金温度 230 ° C、20 W 高周波電力、1,000 mTorr 圧力、SiH4ガス (100 sccm)、プラズマ CVD を用いた nm と N2O ガス (800 sccm) を 2 分間。
  3. PI のハードマスク層として SiO2パターンはドライ エッチング (図 1i) です。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して、N2吹き矢で鉗子で保持しながら乾燥 1 分の開発者にサンプルを浸します。ハード 110 ° C、5 分で PR 層を強化するためサンプルを焼きます。
    3. SiO2ハードマスクをパターン化する 30 の BOE でサンプルを浸漬テフロンひしゃくを使用して s の DI 水できれいにし、鉗子で保持しながら、N2吹き矢でそれを乾燥します。
  4. 30 W 高周波電力、RIE を用いた PI ・ ドライエッチ O2ガス (30 sccm)、Ar ガス (70 sccm) 20 分。
  5. プラズマ CVD 酸化膜を削除する 30 の BOE でサンプルを浸漬テフロンひしゃくを使用して s。
  6. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。水分を削除するには、鉗子で保持しながら、N2吹き矢でサンプルを乾燥します。
  7. スパッタ法による Cr/Au の 10 nm/200 nm の厚さを入金します。
  8. Cr/Au 金属層 (図 1 j) のパターンします。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して、N2吹き矢で鉗子で保持しながら乾燥 1 分の開発者にサンプルを浸します。PR を強化するには、ハード 110 ° C、5 分でサンプルを焼きます。
    3. それぞれ 60 の s/20 s のウェット エッチングと Cr/Au 層をエッチングします。
  9. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。水分を削除するには、鉗子で保持しながら、N2吹き矢でサンプルを乾燥します。
    注: クリーニング プロセスが PI 層の剥離の危険性があるので非常に注意します。

4. ポリイミドや 2 番目の配線を行うの 2 番目の層の堆積

  1. スピンコーター PI 60 4,000 rpm でサンプルの s、ホット プレート上で 10 分間 150 ° C と 110 ° C、3 分でそれをアニールし、N2オーブン (図 1 k) に供給することにより N2雰囲気の中で 60 分 230 ° C でそれをアニールします。
  2. 130 nm の厚さで SiO2層の入金 PECVD 230 ° C の温度で、20 W 高周波電力、1,000 mTorr 圧力、SiH4ガス (100 sccm)、N2O 2 分 (800 sccm) をガスします。
  3. ドライ エッチング (図 1 l) のハードマスク層として SiO2 をパターンします。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して、N2吹き矢で鉗子で保持しながら乾燥 1 分の開発者にサンプルを浸します。ハード 110 ° C、5 分で PR 層を強化するためサンプルを焼きます。
    3. SiO2ハードマスクをパターン化する 30 の BOE でサンプルを浸漬テフロンひしゃくを使用して s の DI 水できれいにし、鉗子で保持しながら、N2吹き矢でそれを乾燥します。
  4. ドライ エッチング 30 W RF 電力と RIE を用いた PI O2ガス (30 sccm)、Ar ガス (70 sccm) 50 分間。
  5. プラズマ CVD 酸化膜を削除する 30 の BOE でサンプルを浸漬テフロンひしゃくを使用して s。
  6. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。
  7. スパッタ コーティングによる Cr/Au の 10 nm/200 nm 厚を預金します。
  8. Cr/Au 金属層 (図 1 の m) のパターンします。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して、N2吹き矢で鉗子で保持しながら乾燥 1 分の開発者にサンプルを浸します。ハード 110 ° C、5 分で PR 層を強化するためサンプルを焼きます。
    3. それぞれ 60 の s/20 s のウェット エッチング液による Cr/Au 層をエッチングします。
  9. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。
  10. 水分を削除するには、鉗子で保持しながら窒素吹き矢できれいな基板を乾燥します。
    注: ポリイミド層を剥離の危険性がある、ので非常に慎重に洗浄プロセスを実行します。

5. サンプル PI と穴とメッシュ構造で開口部をカプセル化します。

  1. スピンコーター PI 60 4,000 rpm でサンプルの s、ホット プレート上で 10 分間 150 ° C と 110 ° C、3 分でそれをアニールし、を活かして、オーブン (図 1 n) N2 N2雰囲気の中で 60 分 230 ° C でそれをアニールします。
  2. 650 nm の厚さで SiO2層の入金 PECVD 230 ° C の温度で、20 W 高周波電力、1,000 mTorr 圧力、SiH4ガス (100 sccm)、N2O ガス (800 sccm) 8 分。
  3. ドライ エッチングのパターン ハード マスク レイヤーとして SiO2 。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して、N2吹き矢で鉗子で保持しながら乾燥を 2 分間開発者のサンプルを浸します。ハード 110 ° C、5 分で PR 層を強化するためサンプルを焼きます。
    3. SiO2ハード マスク パターン、テフロンひしゃくを使用して 1 分 30 秒の BOE でサンプルを浸し、DI 水できれいにし鉗子で保持しながら、N2吹き矢でそれを乾燥します。
      注: パターンのサイズが小さいため必要だ以前の開発時間より長くを開発できるように。
  4. ドライ エッチング 30 W RF 電力と RIE を用いた PI O2ガス (30 sccm)、Ar ガス (70 sccm) 75 分。
  5. ドライは、100 W RF 電力 0 W 誘導電源 30 mTorr 燃焼室圧力と 6 分 (図 1o) 40 sccm SF6ガス ICP-RIE によるシリコンをエッチングします。
  6. プラズマ CVD 酸化膜を削除するには、1 分 30 秒、テフロンひしゃくを使用しての BOE でサンプルをディップします。
  7. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。
  8. 130 nm の厚さで SiO2層の入金 PECVD 230 ° C の温度で、20 W 高周波電力、1000 mTorr 圧力、SiH4ガス (100 sccm)、N2O 2 分 (800 sccm) をガスします。
  9. ドライ エッチングのパターン ハード マスク レイヤーとして SiO2 。
    1. 40 s とソフト焼く 90 ° C でコーティング サンプル 90 s. 公開するため 10 のフォトリソグラフィ マスク紫外線にサンプルのコート 4,000 rpm でサンプルの肯定的な PR をスピン s。
    2. パターンを定義し、DI 水で掃除して、N2吹き矢で鉗子で保持しながら乾燥 1 分の開発者にサンプルを浸します。ハード 110 ° C、5 分で PR 層を強化するためサンプルを焼きます。
    3. SiO2ハード マスク パターン、テフロンひしゃくを使用して 1 分 30 秒の BOE でサンプルを浸し、DI 水できれいにし鉗子で保持しながら、N2吹き矢でそれを乾燥します。
  10. 30 W RF 電力と rie PI ・ ドライエッチ O2ガス (30 sccm)、Ar ガス (70 sccm) 75 分。
  11. プラズマ CVD 酸化膜を削除する 30 の BOE でサンプルを浸漬テフロンひしゃくを使用して s。
  12. きれいなアセトン、IPA、ディと順番にサンプルが水します。水分を削除するには、鉗子で保持しながら、N2吹き矢できれいなサンプルを乾燥します。

6. 犠牲層をエッチングとフレキシブル基板にサンプルを転送します。

注: は、図 2を参照してください。

  1. フッ化水素酸 (図 2 a; はめ込み) 20 分 49% のサンプルを浸すことによって犠牲層をエッチングします。
  2. DI 水でサンプルをすすいでください。
  3. 基板とデバイスの間の水分を吸収するワイパーの毛細管現象を使用した後 (図 2 a) の残りの水分を削除する鉗子で保持しながら、N2吹き矢できれいなサンプルを乾燥します。
    1. 洗浄し、試料の乾燥のプロセスを実行します。デバイスと基板間粘着力が弱いため、基板とデバイスを分離しないように非常に慎重に行う必要があります。
  4. カーボン テープを使用してサンプルを押し、水溶性テープを添付します。
  5. 残りの基板 (図 2 b) 上からデバイスを防ぐために瞬時に水溶性テープをはがします。
  6. サンプルは水溶性テープに接続されていることを確認します。
  7. サンプル ポリジメチルシロキサン (PDMS) を被覆ポリエチレン ポリエチレンテレフタ レート (PET) フィルム (図 2 c) を転送します。
    1. PDMS を準備 (プレポリマーの 10:1 の混合物: 硬化剤) および脱気により、PDMS の空気の泡を削除します。
    2. スピン コート 30 s や焼く 10 分の 110 ° C の高温ホット プレートに PET フィルムのため 1,000 rpm で PET フィルムに PDMS。
    3. 30 の紫外線にサンプルを公開 s、PDMS の密着性を向上し PDMS コーティング PET フィルムに水溶性テープのサンプルを添付します。
      注: 紫外線治療は、PDMS 表面の密着性を高めます。
  8. 水溶性テープを削除するには、慎重に水を落とす、ピペットを使用して。デバイスが水に流されるを防ぐために水の遅い流れと水溶性テープを削除します。鉗子 (図 d) を押しながら、N2吹き矢でゆっくりサンプルを乾燥させます。

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結果

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図 3 aと3 bは、以前研究2,23を考慮した NIPIN PTR の設計と作製構造を示します。図 3 aのはめ込みは、PTR の基本 V 特性を展示します。図 3bの PTR の詳細な構造パラメーターが表示されます。SOI 基板による Si 層のドーピング プロセスは、NNFC のイオン注入を用いて行った。ドーピングの深さは Si 層の厚さに等しいである ~1.25 μ m と n+と p+のドーピング濃度が 10 〜19 cm-3。トップ Si 層のドーピングの分布は指型ドーピングします。N+領域と指型ドーピングによって生成される ...

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ディスカッション

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ここで説明した加工技術は、高度なエレクトロニクスとウェアラブル デバイスの進歩に大きく寄与します。この方法の基本的な概念は、Si 薄膜と金属反るストレッチの対応を使用します。Si に簡単に骨折することが難しく、かつ不安定材料ですが、非常に薄い Si 層は柔軟性26,27を取得できます。金属インター コネクタの場合で、波状の形状は張出し性と柔軟性28,29を提供しています。特に、マトリックス型として動作するデバイスの全体のための電極として使用金属反る。最後の手順で実装されている、オープン メッシュの行列形式は、構造化された方法でデバイスに柔らかさを提供します。一緒に Si 薄膜と蛇紋岩の電極のメリット、これは応力分離を実現し、デバイスのジオメトリを解放します。また、同時に、デバイス全体を囲む PI 層反射防止の効果を提供しています、クラックや欠陥からデバイスを保護します。転写法を用いたフレキシブル基板に作製...

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開示事項

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

著者が明らかに何もありません。

謝辞

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

この研究は、創造的な材料探索プログラムを通じて国立研究財団の韓国 (NRF) 科学省と ICT (NRF 2017M3D1A1039288) によって資金を供給によって支えられました。また、本研究は、情報と通信技術振興 (IITP) 助成 (MSIP) (No.2017000709、統合的なアプローチを使用して物理的に複製の暗号プリミティブの韓国政府によって資金を供給された研究所によって支えられました。ランダム レーザーおよび光電子工学)。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
MBJ3カールサスMJB3 UV400 マスクアライナーマスクアライナー
80 plus RIEオックスフォード楽器Plasmalab 80 Plus for RIEICP-RIE
80 plus PECVDオックスフォード楽器Plasmalab 80 Plus forPECVD,PECVD
SF-100NDRhabdos Co., Ltd.SF-100NDスピンコーター
ポリイミドSigma-Aldrich575771ポリ(ピロメリティック二無水物-co-4,4′-オキシジアニリン)、アミン酸溶液
SOI(シリコンオンインシュレータ)ウェーハ、8インチソイテックSOI(シリコンオンインシュレータ)ウェーハ、8インチ8インチ SOIウェーハ(シリコン厚さ:1.25μ;m)
アセトン・デュクサン純薬品(株)3051アセトン
イソプロピルアルコール(IPA)Duksan Pure Chemicals Co., Ltd.4614イソプロピルアルコール(IPA)
緩衝酸化物エッチング 6:1Avantor1278緩衝酸化物エッチング 6:1
HSD150-03Pミスン・サイエンティフィック株式会社HSD150-03Pホットプレート
AZ5214マイクロケミカルAZ5214フォトレジスト
MIF300マイクロケミカルMIF300現像液
SYLGARD184ダウ・コーニングSYLGARD184ポリジメチルシロキサンエラストマー
フッ化水素酸 Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. (デュクサン純薬品株式会社)2919フッ化水素酸 
CR-7KMG Chemicals, Inc210023クロームマスクエッチング液
MFCD07370792Sigma-Aldrich651842Gold エッチング液

参考文献

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