Summary
Presenteren we een gedetailleerde methode om een vervormbare laterale NIPIN fototransistor array voor gebogen beeldsensors. De fototransistor matrix met een open mesh-formulier, dat is samengesteld uit dunne silicium-eilanden en rekbare metalen interconnectoren, biedt flexibiliteit en rekbaarheid. De parameter analyzer kenmerkt de elektrische eigenschap van de gefabriceerde fototransistor.
Abstract
Flexibele fotodetectoren intens hebben onderzocht voor het gebruik van gebogen beeldsensoren, die een essentieel onderdeel in bio-geïnspireerde beeldvormingssystemen, maar verschillende uitdagende punten blijven, zoals een laag absorptie-efficiëntie als gevolg van een actieve laagje en lage flexibiliteit. We presenteren een geavanceerde methode om een flexibele fototransistor matrix met een elektrische prestatieverbetering. De uitstekende elektrische prestaties wordt gedreven door een laag donkere stroom als gevolg van diepe onzuiverheid doping. Elastische en flexibele metalen interconnectoren bieden tegelijkertijd elektrische en mechanische stabilities in een sterk vervormde toestand. Het protocol wordt expliciet beschreven het fabricageproces van de fototransistor met behulp van een dunne silicium-membraan. Door het meten van I-V kenmerken van het afgesloten apparaat in misvormde Staten, we laten zien dat deze aanpak de mechanische en elektrische stabilities van de fototransistor matrix verbetert. Wij verwachten dat deze benadering van een flexibele fototransistor breed inzetbaar voor de toepassingen van niet alleen de volgende-generatie imaging systemen/opto-elektronica, maar ook draagbare apparaten zoals tactiele/druk/temperatuur sensoren en gezondheid monitoren.
Introduction
Bio-geïnspireerde imaging systemen bieden veel voordelen ten opzichte van de conventionele beeldvorming systemen1,2,3,4,5. Netvlies of halfronde ommatidia is een wezenlijk onderdeel van biologisch visuele systeem1,2,6. Een gebogen beeldsensor, die de kritische element van dierlijke ogen bootst, kan een compacte en eenvoudige configuratie van optische systemen met lage aberraties7bieden. Diverse vorderingen van fabricage technieken en materialen, bijvoorbeeld het gebruik van intrinsiek zachte materialen zoals biologisch/nanomaterialen8,9,10,11, 12 en het binnenbrengen van vervormbare structuren voor halfgeleiders zoals silicium (Si) en germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, beseffen de gebogen beeldsensors. Onder hen bieden Si-gebaseerde benaderingen inherente voordelen zoals een overvloed aan materiaal, volgroeide technologie, stabiliteit en optische/elektrische superioriteit. Om deze reden, hoewel Si ingebouwde starheid en broosheid heeft, zijn Si gebaseerde flexibele elektronica wijd bestudeerd voor diverse toepassingen, zoals flexibele opto-elektronica18,19,20 inclusief gebogen beeld sensoren1,2,3, en zelfs draagbare gezondheidszorg apparaten21,22.
In een recente studie, we geanalyseerd en verbeterd de elektrische prestaties van een dunne Si foto-elektrische cel matrix23. In deze studie is de optimale eenheid-cel van de gebogen foto-elektrische cel-matrix een fototransistor (PTR) type dat uit een fotodiode en blokkerende diode bestaat. De basis junction winst versterkt een gegenereerde photocurrent, en vandaar het vertoont een route om een elektrische prestaties met een dunne film-structuur te verbeteren. Naast de eencellige is de structuur van de dunne film geschikt om te onderdrukken een donkere stroom, die wordt beschouwd als ruis in de foto-elektrische cel. Met betrekking tot doping concentratie is een concentratie groter dan 1015 cm-3 voldoende om een uitzonderlijke prestaties, waarin de diode kenmerken kunnen worden gehandhaafd met een lage intensiteit 10-3 W/cm2 23 . Bovendien, de PTR eencellige heeft een lage kolom ruis en optisch/elektrisch stabiele eigenschappen vergeleken met die van de fotodiode. Op basis van deze regels voor het ontwerp, wij een flexibele foto-elektrische cel-matrix die bestaat uit dunne Si PTRs met behulp van een silicium-op-isolator (SOI) wafer gefabriceerd. In het algemeen, is een belangrijk ontwerp regel van flexibel beeldsensoren de neutrale mechanische vliegtuig concept dat de positie door de dikte van de structuur waar stammen nul voor een willekeurig kleine r24 zijnbepaalt. Een ander cruciaal punt is een serpentine geometrie van de elektrode omdat een golvende vorm volledig omkeerbaar rekbaarheid op de elektrode biedt. Als gevolg van deze twee belangrijke ontwerpconcepten kunnen de foto-elektrische cel-matrix flexibel en rekbaar. Het vergemakkelijkt de 3D vervorming van de foto-elektrische cel-matrix in een halfronde vorm of een gebogen vorm zoals het netvlies van dierlijke ogen2.
In dit werk, we detail van de procédés voor de fabricage van de gebogen PTR-array gebruikmakend van halfgeleider fabricage processen (b.v., doping, etsen en afzetting) en overdracht afdrukken. Ook karakteriseren wij een enkele PTR in termen van een curve-V. Naast de fabricage methode en individuele cel analyse, wordt de elektrische functie van de PTR-matrix geanalyseerd in misvormde Staten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: Sommige chemische stoffen (dwz., fluorwaterstofzuur gebufferde oxide etchant, isopropyl alcohol, enz.) gebruikt in dit protocol kan worden gevaarlijk voor de gezondheid. Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen alvorens elke bereiding van de monsters plaatsvindt. Gebruiken van passende persoonlijke beschermingsmiddelen (bv., Labjassen, veiligheidsbrillen, handschoenen) en engineering van besturingselementen (bv., NAT station, fume hood) bij het verwerken van etchants en oplosmiddelen.
1. Si Doping en isolatie
Opmerking: Zie Figuur 1a - 1 d.
- Bereiden van een zegel SOI gedoopt door ion implantatie met de voorwaarden als volgt: dopering-fosfor/boor, energie van 80/50 keV en een dosis van 5 x 1015/3 x 1015 cm-3 voor n+ en p+ doping, respectievelijk. Om te herstellen een kristalliniteit van het zegel, het monster bij een temperatuur van 1000 ° C gedurende 120 minuten in een oven te ontharden na implantatie van ion. Bereiden de gedoopt monsters met behulp van de ion implantatie proces van de nationale NanoFab Center (NNFC) voor hoge proces stabiliteit en diep doping diepte (Figuur 1a).
- Als u wilt verwijderen de inheemse oxide, dompel de blokjes monster met behulp van een Teflon beer in gebufferde oxide etchant (BOE) voor 5 s en reinig de blokjes monster opeenvolgend met aceton, isopropyl alcohol (IPA) en gedeïoniseerd water (DI).
- Vormen een patroon fotoresist (PR) voor de Si-isolatie (Figuur 1b).
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 1 min aan de patroon definiëren, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Hard bak het monster voor de verharding van de PR-laag bij 110 ° C gedurende 5 min.
- Droog de steekproef van de Si met inductief gekoppeld plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) etch met 100 W RF power, 0 W ICP macht, 30 mTorr kamer druk en SF6 gas (40 sccm) voor 6 min (Figuur 1 c).
- Als u wilt verwijderen een begraven oxide-laag, dompel de monsters in fluorwaterstofzuur 49% gedurende 2 minuten, met behulp van een beer met Teflon (Figuur 1 d).
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI. Als u wilt verwijderen van het vocht, drogen het monster met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
2. de opofferende Oxide laag depositie
Opmerking: Zie Figuur 1e - 1 g.
- Storten een SiO2 opofferende laag met een dikte van 130 nm met behulp van plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) met een temperatuur van 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr druk, SiH4 gas (100 sccm) en N2O gas (800 sccm) gedurende 2 minuten ( Figuur 1e).
- Het patroon van de PR-laag als een masker voor een SiO2 opofferende laag (Figuur 1f).
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 1 min te definiëren het patroon, schoon in DI water en droog het met N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Hard bak het monster voor de verharding van de PR-laag bij 110 ° C gedurende 5 min.
- Om het patroon van de PECVD oxide laag, dompel het monster in BOE voor 30 s, met behulp van een beer met Teflon (Figuur 1 g).
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI. Als u wilt verwijderen van het vocht, drogen het monster met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
3. de afzetting van de eerste laag van Polyimide en het uitvoeren van de eerste metallisatie
- Spin vacht polyimide (PI) op het monster bij 4000 rpm voor 60 s, het gloeien bij 110 ° C gedurende 3 minuten en bij 150 ° C gedurende 10 minuten op een hete plaat en het gloeien bij 230 ° C gedurende 60 minuten in een sfeer van N2 door het verstrekken van N2 naar de oven (Figuur 1 h).
- Storten een SiO2 laag met een dikte van 130 nm met behulp van PECVD met een temperatuur van 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr druk, SiH4 gas (100 sccm), en N2O gas (800 sccm) gedurende 2 minuten.
- Patroon de SiO-2 als een harde maskeerlaag voor PI droog etsen (figuur 1i).
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 1 min aan de patroon definiëren, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Hard bak het monster voor de verharding van de PR-laag bij 110 ° C gedurende 5 min.
- Om het patroon van het SiO2 harde masker, dompel het monster in BOE voor 30 s met behulp van een Teflon dipper, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
- Droog de PI etch met behulp van de RIE met 30 W RF power, O2 gas (30 sccm), en Ar gas (70 sccm) voor 20 min.
- Als u wilt verwijderen de PECVD oxide laag, dompel het monster in BOE voor 30 s, met behulp van een Teflon-Beer.
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI. Als u wilt verwijderen van het vocht, drogen het monster met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
- Stort 10 nm/200 nm dikte van Cr/Au door sputteren.
- Het patroon van de Cr/Au metalen laag (figuur 1j).
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 1 min aan de patroon definiëren, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Om te harden de PR, bak hard het monster bij 110 ° C gedurende 5 minuten.
- Etch de Cr/Au-laag met een natte etchant voor 60 s/20 s, respectievelijk.
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI. Als u wilt verwijderen van het vocht, drogen het monster met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
Opmerking: Het reinigingsproces heeft moet heel voorzichtig zijn, want er een risico is voor het pellen van de PI-laag.
4. de afzetting van de tweede laag van Polyimide en het uitvoeren van de tweede metallisatie
- Spin jas PI aan het monster bij 4000 rpm voor 60 s, het gloeien bij 110 ° C gedurende 3 minuten en bij 150 ° C gedurende 10 minuten op een hete plaat en het gloeien bij 230 ° C gedurende 60 minuten in een sfeer van N2 door het verstrekken van N2 naar de oven (Figuur 1 k).
- Storten een SiO2 laag met een dikte van 130 nm via PECVD met een temperatuur van 230 ° C, 20 W RF power 1000 mTorr druk, SiH4 gas (100 sccm) en N2O gas (800 sccm) gedurende 2 minuten.
- Het patroon van de SiO2 als een harde maskeerlaag voor droge etsen (Figuur 1 l).
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 1 min aan de patroon definiëren, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Hard bak het monster voor de verharding van de PR-laag bij 110 ° C gedurende 5 min.
- Om het patroon van het SiO2 harde masker, dompel het monster in BOE voor 30 s met behulp van een Teflon dipper, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
- Droog de PI RIE met 30 W RF power, etch O2 gas (30 sccm), en Ar gas (70 sccm) gedurende 50 minuten.
- Als u wilt verwijderen de PECVD oxide laag, dompel het monster in BOE voor 30 s, met behulp van een Teflon-Beer.
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI.
- Stort 10 nm/200 nm dikte van Cr/Au door sputter coating.
- Het patroon van de Cr/Au metalen laag (Figuur 1 m).
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 1 min aan de patroon definiëren, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Hard bak het monster voor de verharding van de PR-laag bij 110 ° C gedurende 5 min.
- Etch de Cr/Au laag door een NAT etchant voor 60 s/20 s, respectievelijk.
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI.
- Als u wilt verwijderen van het vocht, drogen de schone ondergrond met een blaaspijp stikstof terwijl het met een tang.
Opmerking: Er is een risico voor het pellen van de laag van polyimide, dus het reinigingsproces zeer zorgvuldig uit te voeren.
5. encapsulating het monster met PI en openstelling Via gaten en Mesh structuur
- Spin jas PI aan het monster bij 4000 rpm voor 60 s, het gloeien bij 110 ° C gedurende 3 minuten en bij 150 ° C gedurende 10 minuten op een hete plaat en het gloeien bij 230 ° C gedurende 60 minuten in een sfeer van N2 door het verstrekken van N2 naar de oven (figuur 1n).
- Storten een SiO2 laag met een dikte van 650 nm via PECVD met een temperatuur van 230 ° C, 20 W RF power 1000 mTorr druk, SiH4 gas (100 sccm) en N2O gas (800 sccm) voor 8 min.
- Het patroon van de SiO2 als een harde maskeerlaag voor droge etsen.
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 2 min aan de patroon definiëren, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Hard bak het monster voor de verharding van de PR-laag bij 110 ° C gedurende 5 min.
- Patroon van de SiO2 harde masker, dompel het monster in BOE voor 1 min 30 s met behulp van een Teflon dipper, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
Opmerking: Als gevolg van de geringe omvang van de patroon van de muziek is het nodig te laten ontwikkelen langer dan de vorige ontwikkelingstijd.
- Droog de PI RIE met 30 W RF power, etch O2 gas (30 sccm), en Ar gas (70 sccm) voor 75 min.
- Droge etch de Si door ICP-RIE met 100 W RF power, 0 W ICP macht, 30 mTorr kamer druk en 40 sccm SF6 gas voor 6 min (figuur 1o).
- Als u wilt verwijderen de PECVD oxide laag, dompel het monster in BOE voor 1 min 30 s, met behulp van een Teflon-Beer.
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI.
- Storten een SiO2 laag met een dikte van 130 nm via PECVD met een temperatuur van 230 ° C, 20 W RF power 1000 mTorr druk, SiH4 gas (100 sccm) en N2O gas (800 sccm) gedurende 2 minuten.
- Het patroon van de SiO2 als een harde maskeerlaag voor droge etsen.
- De positieve PR van de vacht op het monster bij 4000 rpm draaien voor 40 s en zachte bak het bekleed monster bij 90 ° C gedurende 90 s. bloot aan UV-licht met een masker fotolithografie voor 10 monster s.
- Dompel het monster in de ontwikkelaar voor 1 min aan de patroon definiëren, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang. Hard bak het monster voor de verharding van de PR-laag bij 110 ° C gedurende 5 min.
- Patroon van de SiO2 harde masker, dompel het monster in BOE voor 1 min 30 s met behulp van een Teflon dipper, schoon in DI water en droog het met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
- Droog de PI door RIE etch met 30 W RF power, O2 gas (30 sccm), en Ar gas (70 sccm) voor 75 min.
- Als u wilt verwijderen de PECVD oxide laag, dompel het monster in BOE voor 30 s, met behulp van een Teflon-Beer.
- Schoon water het monster opeenvolgend met aceton, IPA en DI. Schakel het vocht, drogen de schone monster met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang.
6. de opofferende laag etsen en het overbrengen van het monster naar flexibele substraat
Opmerking: Zie Figuur 2.
- Etch de opofferende laag door onderdompeling van het monster in fluorwaterstofzuur 49% voor 20 min (Figuur 2a; inzet).
- Spoel het monster met DI water.
- Droog na het gebruik van de capillaire verschijnsel van een wisser te absorberen het vocht tussen het substraat en het apparaat, de schone monster met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang om de resterende vocht (Figuur 2a) te verwijderen.
- Uitvoeren van het proces van spoelen en drogen van het monster. Als gevolg van de lage wrijvingscoëfficiënt tussen het apparaat en het substraat moet dit worden gedaan zeer zorgvuldig, om niet te scheiden van het substraat en het apparaat.
- Houd het monster met behulp van koolstof tape en hechten de in water oplosbare tape.
- Strip uit de in water oplosbare tape in een handomdraai om te voorkomen dat het apparaat nog op het substraat (Figuur 2b).
- Bevestigen dat het monster is aangesloten op de in water oplosbare tape.
- Overdracht van het monster, tot op een Polydimethylsiloxaan (PDMS) bekleed polyethyleentereftalaat (PET) film (Figuur 2 c).
- Bereiden PDMS (10:1 mengsel van prepolymeren: genezen van agent) en verwijder alle luchtbellen in de PDMS door ontgassing.
- Spin jas het PDMS op de PET-film bij 1000 t/min voor 30 s en bak de PET-film op een hete plaat bij een temperatuur van 110 ° C gedurende 10 minuten.
- Blootstellen aan het UV-licht voor 30 monster s ter verbetering van de hechting van het PDMS en hechten de in water oplosbare tape met het monster aan de PDMS beklede PET-film.
Opmerking: UV behandeling verbetert de hechting van een PDMS oppervlak.
- Als u wilt verwijderen de in water oplosbare tape, zorgvuldig druppel water op, met behulp van een precisiepipet. Verwijder de in water oplosbare tape met een langzame stroming van water om te voorkomen dat het apparaat wordt weggevaagd door het water. Droog het monster langzaam met een N2 blaaspijp terwijl het met een tang (figuur 2d).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 3a en 3b weergeven de ontworpen en gefabriceerde structuur van NIPIN PTR gelet op eerdere studies2,23. De inzet in Figuur 3a vertoont een fundamentele I-V kenmerk van PTR. De gedetailleerde structurele parameters van PTR staan in Figuur 3b. De doping proces voor een Si-laag op een wafer SOI werd uitgevoerd met behulp van de ion inplanting van de NNFC. De doping diepte is ~1.25 µm, die gelijk aan de dikte van de Si-laag is, en de doping concentratie van n+ en p+ zijn ~ 1019 cm-3. De doping verdeling op de bovenste laag van de Si heeft een vinger-type doping. De kant uitputting regio tussen de n+ regio en p+ -regio, die wordt gegenereerd door de vinger-type doping, is handig om het verlies van foto gegenereerde dragers25. Bovendien, de vinger-type doping verbreedt het actieve gebied genereren foto gegenereerde vervoerders, waardoor de efficiëntie van de cel. Figuur 3 c presenteert een optische beeld van gedoopt Si PTR eilanden. Het I-V-kenmerk van een enkele PTR wordt weergegeven in figuur 3d.
Figuur 4a wordt de verzonnen PTR-matrix vóór een overdracht afdrukken stap weergegeven. Een vergrote afbeelding toont de eencellige PTR in detail. De PI-ingekapseld serpentine elektrode rekbaarheid naar het apparaat en de elektroden en Si cellen beschermt tegen een spleet of uitval. Naast mechanische stabiliteit speelt de PI laag een rol als een antireflectiecoating doordat het verschil in brekingsindices tussen de Si laag en de lucht. Figuur 4b toont het optische beeld voor de overgedragen apparaat op een PDMS beklede PET-film. Met behulp van een afdrukmethode overdracht, kan het voltooide apparaat worden geplaatst op een flexibele substraat (bv, een dunne film van de PET). Figuur 4 c vertoont de schematische illustraties van de setup van de meting en de definitie van kromtestraal (RoC). Voor het meten van een elektrische prestaties in een buigende staat, geproduceerd we de op maat gemaakte handmatige stadium om te buigen van het monster door het verplaatsen van links naar rechts. Figuur 4 d toont de I-V-kenmerken van de PTR-array in verschillende RoCs (dat wil zeggen, oneindig, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Dit resultaat toont aan dat de elektrische functie van de PTR ongewijzigd, ongeacht de RoCs. De lichtbron gebruikt in dit experiment is een wit licht geïnduceerd door een halogeenlamp. Figuur 4e geeft de verhouding van de photocurrent naar donkere huidige als functie van de spanning met verschillende RoCs. Het dynamisch bereik, die bepalend is voor de gevoeligheid van foto-elektrische cel, is gehandhaafd op ~ 600 of meer, boven een bias spanning van 2 V. Dit resultaat toont aan dat een dun membraan van het Si een belangrijke dynamisch bereik als gevolg van een laag donkere stroom bereiken kan, zoals wordt weergegeven in de inzet van het 4e cijfer. Figuur 4f worden de afbeeldingen voor de gebogen PTR-matrix met elk RoC weergegeven.
Figuur 1: schematische illustraties van het fabricageproces van de matrix gebogen fototransistor. De panelen (een) - (o) Toon de sequentiële proces van het fabriceren van een fototransistor apparaat op een gedoopt SOI substraat voor het maken van een via gat te verwijderen van de opofferende laag van het substraat SOI. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: schematische illustraties voor de overdracht van de fototransistor matrix van SOI wafer op flexibele substraat afdrukken. (een) dit paneel toont hoe een open mesh structuur vormen en de opofferende laag verwijderen. (b) dit paneel laat zien hoe loskoppelen van het apparaat met wateroplosbare tape. (c) dit paneel toont hoe de overdracht van het apparaat op een kleverige flexibele substraat (bvPDMS). (d) dit paneel toont hoe te verwijderen van de in water oplosbare tape door water op het slepen en neerzetten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: schema's voor de cel van de eenheid van de fototransistor (PTR) en simulatie resultaat van I-V kenmerken. De eerste twee borden weergeven (een) een schuine stand van de PTR en (b) een bovenaanzicht van de PTR. De doping concentratie is ~ 1019 cm-3 voor zowel de p+ als n+ regio's. De gedetailleerde geometrische waarden worden weergegeven in Figuur 3b. De inzet in Figuur 3a geeft een fundamentele I-V-kenmerk van de PTR. (c) dit paneel toont een beeld van de optische microscopie op gedoopt Si PTRs. De gele kleur geeft aan de Si PTRs. Het groene substraat is een SiO2 vak laag. (d) dit paneel toont de I-V kenmerken van een enkele PTR onder de heldere en donkere Staten. De inzet toont het donker stroom van een enkele cel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: schematische van methoden en resultaten voor het meten van I-V kenmerken in de gebogen Braziliaanse deelstaat fototransistor matrix. (een) dit paneel toont de fotografie van het gefabriceerde apparaat. Een vergrote afbeelding toont de eencellige PTR in detail. (b) dit paneel toont de fotografie van een overgedragen apparaat op een PDMS beklede PET-film. (c) dit paneel is een vereenvoudigd schema van de installatie van de meting. Kromtestraal (RoC) wordt gedefinieerd als de straal van een cirkel vanuit het midden van de cirkel, zoals geïllustreerd in de inzet. (d) dit paneel toont de I-V-kenmerken van de PTR-matrix onder verlichting met verschillende RoCs. (e) dit paneel is een complot van de verhouding van de photocurrent naar donkere huidige. De inzet toont een zeer laag donkere huidige niveau, waardoor een hoog dynamisch bereik. (f) dit paneel toont de optische beelden voor de gebogen PTR-array in elk RoC. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De fabricage technologie beschreven hier bijdraagt aanzienlijk aan de ontwikkeling van geavanceerde elektronica en draagbare apparaten. De fundamentele concepten van deze aanpak gebruikt een dun membraan van Si en metalen interconnectoren staat uit te rekken. Hoewel Si een Bros en hard materiaal dat gemakkelijk kan worden gebroken is, kunt een zeer dunne laag van de Si verkrijgen een flexibiliteit26,27. In het geval van de metalen interconnector biedt de golvende vorm rekbaarheid en flexibiliteit28,29. In het bijzonder fungeren de metalen interconnectoren als elektroden voor het hele apparaat als het type van een matrix. De matrixvorm van een open mesh, die in de laatste stap is geïmplementeerd, biedt zachtheid aan het apparaat op een gestructureerde manier. Samen met de verdiensten van de dunne laag van Si en de serpentine elektroden kan dit stress isolatie bereikt en releases apparaat geometrie. Ook de PI-laag die het hele apparaat tegelijk omringt biedt de effecten van antireflection en beschermt het apparaat tegen scheuren of gebreken. Met behulp van een overdracht methode afdrukken, het verzonnen apparaat kan worden geplaatst op een flexibele substraat, en vandaar, het beveiligt de voorwaarde dat het apparaat kan worden vervormd. Door het proces stappen die hier gepresenteerd, een Si-apparaat met vele voordelen in termen van apparaat kenmerken en proces volwassenheid kan worden gerealiseerd als een vervormbare elektronica.
Voor het verkrijgen van een PTR-cel met een laag donkere stroom, zijn het apparaat doping proces onontbeerlijk. De doping diepte is kritischer dan de onzuiverheid concentratie omdat de diepe doping meer uitputting regio's ten opzichte van het ondiepe doping kan vormen. In de regio van uitputting, foto gegenereerde elektronen en gaten doen niet recombineren, en dit is de primaire factor die vermindering van de donkere stroom in diep-doped PTR. Voor de diepere doping is een ion implantatie methode beter geschikt dan de diffusie-methode. We voerde de onzuiverheid doping met behulp van de ion implantatie methode overeenkomt met stap 1 in dit protocol. Als u met succes uitvoert de doping proces, kunt u overwegen commerciële technologie computer aided design (TCAD) simulaties te schatten de doping diepte en concentratie.
Metallisatie stappen (stap 3 en 4) zijn een van de meest kritieke processen in de fabricage technologie hier beschreven. In dit protocol, Au wordt gebruikt als een elektronische pad, maar Au heeft een slechte hechting met een PI-laag. Een laag Cr (of Ti) is dus nodig ter bevordering van de hechting van de Au en PI. Als gevolg van de dikte van de PI, oftewel ~1.2 µm in dit experiment, hoeft metalen lijnen afgezet door een elektron lichtbundel of thermische skvoznyak niet een voldoende stap dekking. In dit protocol, wordt een sputteren proces gebruikt in deze stap. Het is raadzaam voor de metallisatie een sputter procédé gebruiken. Nadat de metalen patroon wordt gevormd door oplossing etsen, wordt het monster met DI water gereinigd. Een zorgvuldige N2 gas blazen is dan het water uit het monster drogen vereist, omdat een sterke gas blazen kan schil van de metalen lagen.
Vorming van een via gat (stap 5), die zowel de PI en Si lagen door een ETS proces doordringt, is ook van cruciaal belang in deze fabricage technologie. Het is moeilijk om te beslissen of de via gat patronen worden goed gegenereerd of niet omdat de via gaten hebben een kleine diameter (~ 2 µm). Omdat de kleur wordt gewijzigd na het ETS proces, raden wij het observeren van de binnenkant van de via gat patronen door Microscoop tijdens elke stap. De PI-laag moet worden in de vorm van een serpentine mesh patroon. Dit is een essentiële stap voor het apparaat te verkrijgen van een flexibele/elastische eigenschap.
Voor het verwijderen van de opofferende SiO2 laag (stap 6) is het essentieel om te weten de mate van de etsen van de vak oxide laag door waterstoffluoride (HF) door middel van continue microscopische observatie. Ook moet DI-water dat is gebleven na het schoonmaken van de HF drogen worden zorgvuldig uitgevoerd, omdat het apparaat van de afhandeling Si substraat waait het N2 gas kan afschilferen. Het is raadzaam de N2 gas zachtjes blazen. Omdat HF zeer schadelijk voor het menselijk lichaam is, moet het experiment worden uitgevoerd in een omgeving die is uitgerust met beschermende kleding, beschermende handschoenen en een gas ventilatie systeem. De volgende stap in dit protocol, het afdrukproces overdracht (stap 6), moet kieskeurig en geschoolde technieken. Bijvoorbeeld, wanneer u het apparaat met behulp van een in water oplosbare tape verwijdert, is het voordeligste teneinde de opbrengst door het verwijderen van de tape op een hoge snelheid.
Kortom, voorgelegd dit artikel een proces voor het fabriceren van een flexibele Si PTR-array gebruikmakend van een aantal halfgeleider fabricage processen zoals een afzetting, etsen, fotolithografie en overdracht afdrukken. Voor het inzicht van deze productie-procédé geïllustreerd in dit artikel specifieke fabricage methoden met gedetailleerde beschrijvingen. Ook beschreven in dit artikel hoe wij de hier beschreven fabriceren van het monster te meten van de Apparaatprestaties van de gefabriceerde monsters in I-V kenmerken met en zonder verlichting voor verschillende RoCs aanpak gebruikt. Dit resultaat toont aan dat de Si PTR-array een mechanische en elektrische stabiliteit in een vervormde toestand heeft. In deze studie, worden de mechanische beperkingen van de Si-materialen overwonnen door de invoering van een structuur die een driedimensionale vervorming in Si, die niet inherent zacht staat. Vanwege dit, kan de fabricatie-procedure ook bruikbaar voor andere toepassingen op het gebied van flexibele/elastische elektronica en draagbare apparaten zoals gezondheidszorg monitoren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd gesteund door de creatieve materialen ontdekking programma via de nationale onderzoek Stichting van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap en ICT (NRF-2017M3D1A1039288). Ook werd dit onderzoek gesteund door het Instituut voor informatie en communicatie technologie promotie (IITP) subsidie gefinancierd door de regering van Korea (MSIP) (No.2017000709, geïntegreerde aanpak van fysiek unclonable cryptografische primitieven gebruiken willekeurige lasers en opto-elektronica).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MBJ3 | karl suss | MJB3 UV400 MASK ALIGNER | Mask aligner |
| 80 plus RIE | Oxford instruments | Plasmalab 80 Plus for RIE | ICP-RIE |
| 80 plus PECVD | Oxford instruments | Plasmalab 80 Plus forPECVD, | PECVD |
| SF-100ND | Rhabdos Co., Ltd. | SF-100ND | Spin coater |
| Polyimide | Sigma-Aldrich | 575771 | Poly(pyromellitic dianhydride-co-4,4′-oxydianiline), amic acid solution |
| SOI (silicon on insulator) wafer, 8inch | Soitec | SOI (silicon on insulator) wafer, 8inch | 8inch SOI Wafer (silicon Thickness: 1.25μm) |
| Acetone | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 3051 | Acetone |
| Isopropyl Alcohol (IPA) | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 4614 | Isopropyl Alcohol (IPA) |
| Buffered Oxide Etch 6:1 | Avantor | 1278 | Buffered Oxide Etch 6:1 |
| HSD150-03P | Misung Scientific Co., Ltd | HSD150-03P | Hot plate |
| AZ5214 | Microchemical | AZ5214 | Photoresist |
| MIF300 | Microchemical | MIF300 | Developer |
| SYLGARD184 | Dow Corning | SYLGARD184 | Polydimethylsiloxane elastomer |
| Hydrofluoric Acid | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 2919 | Hydrofluoric Acid |
| CR-7 | KMG Chemicals, Inc | 210023 | Chrome mask etchant |
| MFCD07370792 | Sigma-Aldrich | 651842 | Gold etchant |
References
- Ko, H. C., et al. A hemispherical electronic eye camera based on compressible silicon optoelectronics. Nature. 454, 748-753 (2008).
- Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
- Jung, I., et al. Dynamically tunable hemispherical electronic eye camera system with adjustable zoom capability. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (5), 1788-1793 (2011).
- Floreano, D., et al. Miniature curved artificial compound eyes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9267-9272 (2013).
- Liu, H., Huang, Y., Jiang, H. Artificial eye for scotopic vision with bioinspired all-optical photosensitivity enhancer. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (23), 3982-3985 (2016).
- Pang, K., Fang, F., Song, L., Zhang, Y., Zhang, H. Bionic compound eye for 3D motion detection using an optical freeform surface. Journal of the Optical Society of America B. 34 (5), B28-B35 (2017).
- Lee, G. J., Nam, W. I., Song, Y. M. Robustness of an artificially tailored fisheye imaging system with a curvilinear image surface. Optics & Laser Technology. 96, 50-57 (2017).
- Xu, X., Mihnev, M., Taylor, A., Forrest, S. R. Organic photodetector arrays with indium tin oxide electrodes patterned using directly transferred metal masks. Applied Physics Letters. 94 (4), 1-3 (2009).
- Deng, W., et al. Aligned single -crystalline perovskite microwire arrays for high -performance flexible image sensors with long -term stability. Advanced Materials. 18 (11), 2201-2208 (2016).
- Liu, X., Lee, E. K., Kim, D. Y., Yu, H., Oh, J. H. Flexible organic phototransistor array with enhanced responsivity via metal-ligand charge transfer. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (11), 7291-7299 (2016).
- Li, X., et al. Constructing fast carrier tracks into flexible perovskite photodetectors to greatly improve responsivity. ACS Nano. 11 (2), 2015-2023 (2017).
- Li, L., Gu, L., Lou, Z., Fan, Z., Shen, G. ZnO quantum dot decorated Zn2SnO4 nanowire heterojunction photodetectors with drastic performance enhancement and flexible ultraviolet image sensors. ACS Nano. 11 (4), 4067-4076 (2017).
- Dumas, D., et al. Infrared camera based on a curved retina. Optics Letters. 37 (4), 653-655 (2012).
- Dumas, D., Fendler, M., Baier, N., Primot, J., le Coarer, E. Curved focal plane detector array for wide field cameras. Applied Optics. 51 (22), 5419-5424 (2012).
- Gregory, J. A., et al. Development and application of spherically curved charge-coupled device imagers. Applied Optics. 54 (10), 3072-3082 (2015).
- Guenter, B., et al. Highly curved image sensors: a practical approach for improved optical performance. Optics Express. 25 (12), 13010-13023 (2017).
- Wu, T., et al. Design and fabrication of silicon-tessellated structures for monocentric imagers. Microsystems & Nanoengineering. 2, 16019 (2016).
- Yoon, J., et al. Flexible concentrator photovoltaics based on microscale silicon solar cells embedded in luminescent waveguides. Nature Communications. 2, 343 (2011).
- Lee, S. M., et al. Printable nanostructured silicon solar cells for high-performance, large-area flexible photovoltaics. ACS Nano. 8 (10), 10507-10516 (2014).
- Kang, D., et al. Flexible opto-fluidic fluorescence sensors based on heterogeneously integrated micro-VCSELs and silicon photodiodes. ACS Photonics. 3 (6), 912-918 (2016).
- Van den Brand, J., et al. Flexible and stretchable electronics for wearable health devices. Solid-State Electronics. , 116-120 (2015).
- Yu, K. J., et al. Bioresorbable silicon electronics for transient spatiotemporal mapping of electrical activity from the cerebral cortex. Nature Materials. 15, 782-791 (2015).
- Kim, M. S., Lee, G. J., Kim, H. M., Song, Y. M. Parametric optimization of lateral NIPIN phototransistors for flexible image sensors. Sensors. 17 (8), 1774 (2017).
- Kim, D. H., et al. Stretchable and foldable silicon integrated circuits. Science. 320, 507-511 (2008).
- Shin, K. S., et al. Characterization of an integrated fluorescence-detection hybrid device with photodiode and organic light-emitting diode. IEEE Electron Device Letters. 27 (9), 746-748 (2006).
- Lu, N. Mechanics, materials, and functionalities of biointegrated electronics. The Bridge. 43 (4), 31-38 (2013).
- Burghartz, J. N., et al. Ultra-thin chip technology and applications, a new paradigm in silicon technology. Solid-State Electronics. 54 (9), 818-829 (2010).
- Shin, G., et al. Micromechanics and advanced designs for curved photodetector arrays in hemispherical electronic-eye cameras. Small. 6 (7), 851-856 (2010).
- Jung, I., et al. Paraboloid electronic eye cameras using deformable arrays of photodetectors in hexagonal mesh layouts. Applied Physics Letters. 96 (2), 21110 (2010).
