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Engineering

Herstellung von flexiblen Bildsensor basierend auf seitliche NIPIN Fototransistoren

Published: June 23, 2018 doi: 10.3791/57502
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1
1School of Electrical Engineering and Computer Science, Gwangju Institute of Science and Technology
* These authors contributed equally

Summary

Wir präsentieren Ihnen eine detaillierte Methode, um eine verformbare seitliche NIPIN Fototransistor-Array für gebogene Bildsensoren zu fabrizieren. Der Fototransistor-Array mit einer offene Mesh-Form, die von dünnen Silizium-Inseln und dehnbare Metall Verbindungsleitungen zusammengesetzt ist, bietet Flexibilität und Dehnbarkeit. Der Parameter-Analyzer charakterisiert die elektrischen Eigenschaften von den vorgefertigten Fototransistor.

Abstract

Flexible Photodetektoren für die Verwendung von gekrümmten Bildsensoren, die eine entscheidende Komponente in Bio-inspirierte bildgebenden Systemen sind, intensiv untersucht worden, aber einige schwierige Punkte bleiben, wie eine geringe Absorption Effizienz durch eine aktive Dünnschicht und niedrige Flexibilität. Wir präsentieren eine fortgeschrittene Methode, um eine flexible Fototransistor-Array mit einer verbesserten elektrischen Leistung zu fabrizieren. Die elektrische Leistungsfähigkeit wird durch einen niedrigen Dunkelstrom wegen doping-Tiefe Unreinheit angetrieben. Dehnbar und flexibel Metall Verbindungsleitungen bieten gleichzeitig elektrische und mechanische Stabilitäten in einem stark verformten Zustand. Das Protokoll beschreibt explizit den Fertigungsprozess von den Fototransistor verwenden eine dünne Silizium-Membran. Durch die Messung-V Eigenschaften des fertigen Gerätes in deformierten Staaten, zeigen wir, dass dieser Ansatz die mechanischen und elektrischen Stabilitäten der Fototransistor-Arrays verbessert. Wir erwarten, dass dieser Ansatz für eine flexible Fototransistor für die Anwendungen der nächsten Generation bildgebende Systeme/Optoelektronik sondern auch tragbare Geräte wie taktile/Druck/Temperatur-Sensoren und Systemüberwachungen verbreitet werden kann.

Introduction

Bioinspirierte bildgebende Systeme bieten viele Vorteile gegenüber der konventionellen bildgebenden Systeme1,2,3,4,5. Netzhaut oder halbkugelförmigen Facettenaugen ist ein wesentlicher Bestandteil des biologischen Sehsystem1,2,6. Ein gebogene Bildsensor, der das kritische Element der Tieraugen imitiert, bieten eine kompakte und einfache Konfiguration von optischen Systemen mit geringen Abweichungen7. Diverse Zuführungen der Fertigungstechniken und Materialien, zum Beispiel die Verwendung von intrinsisch weiche Materialien wie Bio/Nanomaterialien8,9,10,11, 12 und die Einführung der verformbaren Strukturen in Halbleitern wie Silizium (Si) und Germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, erkennen die gebogene Bildsensoren. Unter anderem bieten Si-basierte Ansätze inhärenten Vorteile wie eine Fülle von Material, ausgereifte Technologie, Stabilität und optische/elektrische Überlegenheit. Aus diesem Grund obwohl Si innere Festigkeit und Sprödigkeit, sind Si-basierte flexible Elektronik weithin für verschiedene Anwendungen, wie z. B. flexible Optoelektronik18,19,20 untersucht worden einschließlich gebogenen Image Sensoren1,2,3, und sogar tragbare Medizingeräte21,22.

In einer aktuellen Studie haben wir analysiert und verbessert die elektrische Leistung der eine dünne Si Photodetektor Array23. In dieser Studie ist die optimale Einheit Zelle des gebogenen Photodetektor Arrays einen Fototransistor (PTR) Typ, der aus einer Fotodiode und Sperrdiode besteht. Die Basis Kreuzung Verstärkung verstärkt eine generierte fotostromes, und daher weist es eine Route um eine elektrische Leistung mit einer Dünnschicht-Struktur zu verbessern. Zusätzlich zu der einzelnen Zelle eignet sich die Dünnschicht-Struktur einen Dunkelstrom zu unterdrücken, die als Rauschen in den Photodetektor gilt. In Bezug auf die Dotierungskonzentration ist eine Konzentration, die größer als 1015 cm-3 ausreichen, um eine außergewöhnliche Leistung zu erreichen, in der die Diode Merkmale mit einer Lichtstärke über 10-3 W/cm2 23 eingehalten werden können . Darüber hinaus die PTR einzelne Zelle hat einen niedrige Spalte Lärm und optisch/elektrisch stabile Eigenschaften im Vergleich zu der Fotodiode. Basierend auf diesen Design-Regeln, hergestellt wir eine flexible Photodetektor-Array, das aus dünnen Si PTRs mit Silikon-auf-Insulator (SOI) Wafer besteht. Im Allgemeinen ist eine wichtige Regel flexible Bildsensoren die neutrale mechanischen Ebene-Konzept, das die Position durch die Dicke der Struktur definiert, wo Stämme NULL für eine willkürlich kleine R24 sind. Ein weiterer entscheidender Punkt ist eine serpentine Geometrie der Elektroden, da eine wellige Form vollständig reversibel Dehnbarkeit der Elektrode bietet. Durch diese beiden wichtigen Design-Konzepte kann die Photodetektor Array flexibel und dehnbar sein. Es erleichtert die 3D Deformation des Photodetektor Arrays in eine halbkugelförmige Form oder eine gebogene Form wie der Netzhaut von Tieraugen2.

In dieser Arbeit haben wir ausführlich die Prozesse für die Herstellung von gebogenen PTR-Array mit Halbleiter-Fertigungsprozesse (z. B.doping, Radierung und Ablagerung) und Transferdruck. Wir charakterisieren auch, eine einzige PTR in Bezug auf eine-Spannungs-Kennlinie. Neben dem Herstellungsverfahren und individuelle Zellanalyse wird die elektrische Funktion des PTR-Arrays in deformierten Staaten analysiert.

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Protocol

Achtung: Einige Chemikalien (i.e., Flusssäure, gepufferte oxid Ätzmittel, Isopropyl-Alkohol, etc..) verwendet in diesem Protokoll kann gesundheitsschädlich sein. Konsultieren Sie bitte alle relevanten Sicherheitsdatenblätter, bevor irgendwelche Probenvorbereitung stattfindet. Geeigneten persönlichen Schutzausrüstung zu nutzen (zB., Laborkittel, Schutzbrille, Handschuhe) und technische Kontrollen (zB., Bahnhof nass, Rauch Haube) beim Umgang mit Ätzmittel und Lösungsmittel.

(1) Si Doping und Isolation

Hinweis: Siehe Abbildung 1a - 1D.

  1. Vorbereiten einen dotierten SOI Wafer durch Ionenimplantation mit den Bedingungen wie folgt: Dotierstoff-Phosphor/Bor, Energie von 80/50 keV und eine Dosis von 5 x 10153 x 1015 cm-3 für n+ und p+ , doping, beziehungsweise. Zum Wiederherstellen einer Kristallinität des Wafers Tempern der Probe bei einer Temperatur von 1.000 ° C für 120 min im Ofen nach Ionen-Implantation. Bereiten Sie die dotierten Proben mit der Ionen-Implantation Prozess von nationale NanoFab Mitte (NNFC) für hohe Prozessstabilität und tief doping Tiefe (Abb. 1a).
  2. Um das native Oxid zu entfernen, Tauchen Sie die gewürfelte Probe mit einer Teflon-Dipper in gepufferten oxid Ätzmittel (BOE) für 5 s und reinigen Sie die gewürfelte Probe sequentiell mit Aceton, Isopropylalkohol (IPA) und deionisiertes Wasser (DI).
  3. Bilden Sie ein Photoresist (PR) Muster für die Si-Isolierung (Abbildung 1 b).
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 1 min zu definieren das Muster, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten. Backen Sie hart die Probe für die Härtung der PR-Schicht bei 110 ° C für 5 min.
  4. Trockenen Ätzen der Stichprobe von Si mit induktiv gekoppelte Plasma-reaktive Ionen Ätzen (ICP-RIE) mit 100 W HF-Leistung, 0 W ICP macht 30 mTorr Kammerdruck und SF6 Gas (40 Sccm) für 6 min (Abbildung 1 c).
  5. Um einen vergrabenen Oxidschicht zu entfernen, Tauchen Sie die Proben in Flusssäure 49 % für 2 min, mit einer Teflon-Dipper (Abbildung 1-d).
  6. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser. Um die Feuchtigkeit zu entfernen, trocknen Sie die Probe mit einem N-2 -Blaspistole mit Zangen halten.

2. Opfer oxid Abscheidung von Schichten

Hinweis: Siehe Abbildung 1e - 1G.

  1. Hinterlegen Sie eine SiO2 Opferschicht mit einer Stärke von 130 nm mit Plasma enhanced chemical Vapor Deposition (PECVD) mit einer Temperatur von 230 ° C, 20 W HF-Leistung, 1000 mTorr Druck SiH4 Gas (100 Sccm) und N2O gas (800 Sccm) für 2 min ( Abbildung 1e).
  2. Muster der PR-Ebene als Maske für eine SiO2 Opferschicht (Abb. 1f).
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 1 min um das Muster zu definieren, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit N2 Blasrohr halten Sie es mit der Pinzette. Backen Sie hart die Probe für die Härtung der PR-Schicht bei 110 ° C für 5 min.
  3. Um die PECVD-oxid-Schicht Muster, Eintauchen die Probe in BOE für 30 s, mit einer Teflon-Dipper (Abbildung 1 g).
  4. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser. Um die Feuchtigkeit zu entfernen, trocknen Sie die Probe mit einem N-2 -Blaspistole mit Zangen halten.

3. Abscheidung der ersten Schicht von Polyimid und Durchführung der ersten Metallisierung

  1. Spin-Mantel Polyimid (PI) auf die Probe bei 4.000 u/min für 60 s, Tempern, bei 110 ° C für 3 min und bei 150 ° C für 10 min auf einer heißen Platte und Tempern es bei 230 ° C für 60 min in einer N-2 -Atmosphäre durch die Bereitstellung von N2 in den Ofen schieben (Bild 1 h).
  2. Hinterlegen Sie eine SiO2 -Schicht mit einer Dicke von 130 nm mit einer Temperatur von 230 ° C, 20 W HF-Leistung, 1.000 mTorr Druck, SiH4 Gas (100 Sccm), PECVD und N2O Gas (800 Sccm) 2 min. lang.
  3. Muster der SiO2 als eine harte Ebenenmaske für PI trockene Radierung (Abbildung 1i).
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 1 min zu definieren das Muster, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten. Backen Sie hart die Probe für die Härtung der PR-Schicht bei 110 ° C für 5 min.
    3. Um die SiO2 harte Maske Muster, Eintauchen die Probe in BOE für 30 s mit einer Teflon-Dipper in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einem N-2 -Blaspistole halten Sie es mit der Pinzette.
  4. Chemische Ätzung die PI mittels RIE mit 30 W HF-Leistung, O2 Gas (30 Sccm) und Ar-Gas (70 Sccm) für 20 Minuten.
  5. Um die PECVD-oxid-Schicht zu entfernen, Tauchen Sie die Probe in BOE für 30 s, mit einer Teflon-Wagen.
  6. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser. Um die Feuchtigkeit zu entfernen, trocknen Sie die Probe mit einem N-2 -Blaspistole mit Zangen halten.
  7. 10 nm/200 nm Dicke der Cr/Au durch Sputtern zu hinterlegen.
  8. Muster der Cr/Au Metallschicht (Abbildung 1j).
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 1 min zu definieren das Muster, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten. Um die PR zu Härten, Backen Sie hart die Probe bei 110 ° C für 5 Minuten.
    3. Ätzen Sie die Cr/Au-Schicht mit einem nassen Ätzmittel für 60 S/20 s bzw..
  9. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser. Um die Feuchtigkeit zu entfernen, trocknen Sie die Probe mit einem N-2 -Blaspistole mit Zangen halten.
    Hinweis: Die Reinigung muss sehr vorsichtig sein, da gibt es ein Risiko des Peelings der PI-Schicht.

(4) Ablagerung der zweiten Schicht von Polyimid und Durchführung der zweiten Metallisierung

  1. Spin-Mantel PI auf Probe bei 4.000 u/min für 60 s, Tempern, bei 110 ° C für 3 min und bei 150 ° C für 10 min auf einer heißen Platte und Tempern es bei 230 ° C für 60 min in einer N-2 -Atmosphäre durch die Bereitstellung von N2 in den Ofen schieben (Abbildung 1-k).
  2. Hinterlegen Sie eine SiO2 -Schicht mit einer Dicke von 130 nm mit PECVD mit einer Temperatur von 230 ° C, 20 W HF-Leistung, 1.000 mTorr Druck, SiH4 Gas (100 Sccm) und N2O gas (800 Sccm) 2 min. lang.
  3. Muster der SiO2 als eine harte Ebenenmaske für trockene Radierung (Abbildung 1 l).
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 1 min zu definieren das Muster, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten. Backen Sie hart die Probe für die Härtung der PR-Schicht bei 110 ° C für 5 min.
    3. Um die SiO2 harte Maske Muster, Eintauchen die Probe in BOE für 30 s mit einer Teflon-Dipper in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einem N-2 -Blaspistole halten Sie es mit der Pinzette.
  4. Chemische Ätzung die PI mit RIE mit 30 W HF-Leistung, O2 Gas (30 Sccm) und Ar-Gas (70 Sccm) für 50 min..
  5. Um die PECVD-oxid-Schicht zu entfernen, Tauchen Sie die Probe in BOE für 30 s, mit einer Teflon-Wagen.
  6. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser.
  7. 10 nm/200 nm Dicke der Cr/Au durch Sputter-Beschichtung zu hinterlegen.
  8. Muster der Cr/Au Metallschicht (Abbildung 1 m).
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 1 min zu definieren das Muster, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten. Backen Sie hart die Probe für die Härtung der PR-Schicht bei 110 ° C für 5 min.
    3. Ätzen Sie die Cr/Au-Schicht durch eine nasse Ätzmittel für 60 S/20 s, beziehungsweise.
  9. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser.
  10. Um die Feuchtigkeit zu entfernen, trocken Sie sauber Substrates mit einem Stickstoff-Blaspistole mit Zangen halten.
    Hinweis: Besteht die Gefahr der polyimidschicht Peeling, so führen Sie den Reinigungsprozess sehr sorgfältig.

(5) Verkapselung der Probe mit PI und Öffnung über Löcher und Mesh-Struktur

  1. Spin-Mantel PI auf Probe bei 4.000 u/min für 60 s, Tempern, bei 110 ° C für 3 min und bei 150 ° C für 10 min auf einer heißen Platte und Tempern es bei 230 ° C für 60 min in Wohlfühlatmosphäre N2 N2 in den Ofen schieben (Abbildung 1n) liefern.
  2. Hinterlegen Sie eine SiO2 -Schicht mit einer Dicke von 650 nm mit PECVD mit einer Temperatur von 230 ° C, 20 W HF-Leistung, 1.000 mTorr Druck, SiH4 Gas (100 Sccm) und N2O gas (800 Sccm) für 8 Minuten.
  3. Muster der SiO2 als eine harte Ebenenmaske für trockene Radierung.
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 2 min zu definieren das Muster, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten. Backen Sie hart die Probe für die Härtung der PR-Schicht bei 110 ° C für 5 min.
    3. Muster der SiO2 harten Maske, Eintauchen der Probe in BOE für 1 min 30 s mit einer Teflon-Dipper, reinigen Sie es mit DI-Wasser und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten.
      Hinweis: Aufgrund der geringen Größe der Musterung ist es notwendig, lassen es länger als die vorherigen Entwicklungszeit zu entwickeln.
  4. Chemische Ätzung die PI mit RIE mit 30 W HF-Leistung, O2 Gas (30 Sccm) und Ar-Gas (70 Sccm) für 75 min.
  5. Chemische Ätzung die Si durch ICP-RIE mit 100 W HF-Leistung, 0 W ICP macht 30 mTorr Kammerdruck und 40 Sccm SF6 Gas für 6 min (Abbildung 1o).
  6. Um die PECVD-oxid-Schicht zu entfernen, Tauchen Sie die Probe in BOE für 1 min 30 s, mit einer Teflon-Wagen.
  7. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser.
  8. Hinterlegen Sie eine SiO2 -Schicht mit einer Dicke von 130 nm mit PECVD mit einer Temperatur von 230 ° C, 20 W HF-Leistung 1000 mTorr Druck, SiH4 Gas (100 Sccm) und N2O gas (800 Sccm) 2 min. lang.
  9. Muster der SiO2 als eine harte Ebenenmaske für trockene Radierung.
    1. Mantel positive PR auf der Probe bei 4.000 u/min drehen, für 40 s und weich beschichteten Probe bei 90 ° C für 90 S. Expose die Probe mit UV-Licht mit einer Photolithographie-Maske für 10 Backen s.
    2. Eintauchen der Probe in der Entwickler für 1 min zu definieren das Muster, in VE-Wasser reinigen und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten. Backen Sie hart die Probe für die Härtung der PR-Schicht bei 110 ° C für 5 min.
    3. Muster der SiO2 harten Maske, Eintauchen der Probe in BOE für 1 min 30 s mit einer Teflon-Dipper, reinigen Sie es mit DI-Wasser und trocknen Sie ihn mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten.
  10. Chemische Ätzung die PI durch RIE mit 30 W HF-Leistung, O2 Gas (30 Sccm) und Ar-Gas (70 Sccm) für 75 min.
  11. Um die PECVD-oxid-Schicht zu entfernen, Tauchen Sie die Probe in BOE für 30 s, mit einer Teflon-Wagen.
  12. Die Probe sequentiell mit Aceton, IPA und DI sauberes Wasser. Um die Feuchtigkeit zu entfernen, trocknen Sie die saubere Probe mit einer N-2 -Blaspistole mit Zangen halten.

6. die Opferschicht Ätz- und die Probe auf flexiblen Substrat übertragen

Hinweis: Siehe Abbildung 2.

  1. Ätzen der Opferschicht durch Eintauchen der Probe in Flusssäure 49 % für 20 min (Abbildung 2a; Einschub).
  2. Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser.
  3. Trocknen Sie nachdem Sie mithilfe der Kapillaren Phänomens ein Abstreifer absorbieren die Feuchtigkeit zwischen dem Substrat und das Gerät die saubere Probe mit einer N-2 -Blaspistole halten Sie es mit einer Pinzette zu entfernen, die restliche Feuchtigkeit (Abbildung 2a).
    1. Führen Sie den Vorgang der Spülung und Trocknung der Probenmaterials. Durch die geringe Haftung zwischen dem Gerät und dem Substrat hat dies sehr sorgfältig durchgeführt werden, um nicht das Substrat und das Gerät zu trennen.
  4. Halten Sie die Probe mit Kohlenstoff Klebeband und befestigen Sie das wasserlösliche Klebeband.
  5. Das wasserlösliche Band im Handumdrehen zu verhindern, dass das Gerät verbleiben auf dem Substrat (Abb. 2 b) abstreifen.
  6. Bestätigen Sie, dass die Probe das wasserlösliche Band befestigt ist.
  7. Übertragen Sie die Probe ein Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet Polyethylen Polyethylenterephthalat (PET) Film (Abbildung 2 c).
    1. PDMS vorbereiten (10:1 Mischung von Prepolymer: Härtemittel) und entfernen Sie eventuell vorhandene Luftbläschen in der PDMS durch Entgasung.
    2. Spin-Mantel PDMS auf PET-Folien bei 1.000 u/min 30 s und PET-Folien auf einer heißen Platte bei einer Temperatur von 110 ° C für 10 min. Backen.
    3. Setzen Sie die Probe mit UV-Licht für 30 s, verbessern die Haftung der PDMS und befestigen das wasserlösliche Klebeband mit der Probe zu PDMS-beschichtete PET-Folien.
      Hinweis: UV-Behandlung verbessert die Haftung einer PDMS Oberfläche.
  8. Um das wasserlösliche Band zu entfernen, Tropfen Sie sorgfältig Wasser drauf, mit einer Pipette. Entfernen Sie das wasserlösliche Band mit einer langsamen Strömung von Wasser zu verhindern, dass das Gerät wird vom Wasser mitgerissen. Trocknen Sie die Probe langsam mit einer N-2 -Blaspistole, halten Sie es mit der Pinzette (Abb. 2d).

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Representative Results

Abbildung 3a und 3 b zeigen die entworfene und gefertigte Struktur des NIPIN PTR unter Berücksichtigung der bisherigen Studien2,23. Der Einschub in Abbildung 3a zeigt eine grundlegende spannungs-Eigenschaft der PTR. Die detaillierte Strukturparameter von PTR sind in Abbildung 3 bgezeigt. Der doping Prozess für eine Si-Schicht auf eine SOI Wafer wurde mit der Ionenimplantation die NNFC durchgeführt. Die doping Tiefe beträgt ~1.25 µm, der die Dicke der Si Ebene entspricht, und die Dotierungskonzentration n+ und p+ sind ~ 1019 cm-3. Die Dotierung Verteilung auf der Oberseite Si Schicht hat eine Finger-Dotierung. Die Seite Raumladungszone zwischen der n+ Region und p+ -Region, die durch die Finger-Dotierung erzeugt wird, empfiehlt es sich, den Foto-erzeugt Träger25zu reduzieren. Darüber hinaus erweitert die Finger-Dotierung die aktiven Region Foto erzeugt Fördermaschinen, wodurch die Zelle Effizienz erzeugen. Abbildung 3 c stellt ein optisches Bild von dotierten Si PTR Inseln. Die spannungs-Charakteristik des einen einzigen PTR ist in Abbildung 3ddargestellt.

Abbildung 4a zeigt die fabrizierte PTR-Array vor einem Transfer Druck Schritt. Ein vergrößertes Bild zeigt im Detail die einzelne PTR-Zelle. Die PI-gekapselte serpentine Elektrode bietet Dehnbarkeit auf das Gerät und einen Riss oder Ausfall der Elektroden und Si-Zellen verhindert. Neben der mechanischen Stabilität Rolle die PI-Schicht eine als eine Antireflex-Beschichtung durch eine Verringerung der Differenz in Brechungsindizes der Si-Schicht und Luft. Abbildung 4 b zeigt das optische Bild für die übertragenen Gerät auf einem PDMS-beschichtete PET-Folien. Durch die Verwendung einer Transfer-Druckverfahren, kann das fertige Gerät auf ein flexibles Substrat (z.B. einer dünnen PET-Folie) platziert werden. Abbildung 4 c zeigt den schematischen Abbildungen des Messaufbaus und die Definition von einem Radius der Krümmung (RoC). Um eine elektrische Leistung in einem Biegemoment Zustand Messen, produzierten wir die maßgeschneiderte manuelle Bühne um die Probe zu biegen, indem Sie von Seite zu Seite bewegen. Abbildung 4 d zeigt die-V Eigenschaften des PTR-Arrays in verschiedenen RoCs (d.h., Unendlichkeit, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Dieses Ergebnis zeigt, dass die elektrische Funktion der PTR konstant, unabhängig von den RoCs. In diesem Experiment verwendete Lichtquelle ist ein weißes Licht induziert durch eine Halogen-Lampe. Abbildung 4e zeigt das Verhältnis des fotostromes um Dunkelstrom als Funktion der Spannung mit verschiedenen RoCs. Der dynamische Bereich, der welche die Empfindlichkeit der Photodetektor bestimmt, wird auf ~ 600 oder mehr über eine Bias-Spannung von 2 V gehalten. Dieses Ergebnis zeigt, dass eine dünne Si-Membran eine erhebliche Dynamik aufgrund einer niedrigen Dunkelstrom erreichen kann, wie im Einschub der 4e Abbildunggezeigt. Abbildung 4f zeigt die Bilder für das gebogene PTR-Array mit jeder RoC.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Abbildungen von den Fertigungsprozess des gebogenen Fototransistor Arrays. Die Paneele (ein) - (o) zeigen den sequentiellen Prozess von der Herstellung ein Fototransistor-Gerät auf einem dotierten SOI Substrat zu schaffen eine über Loch, die Opferschicht SOI Substrat zu entfernen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Schematische Abbildungen für den Transfer Druck der Fototransistor Array aus SOI Wafer zu flexiblen Substrat. (ein) dieses Panel zeigt, wie eine offene Mesh-Struktur zu bilden, und entfernen die Opferschicht. (b) dieses Panel zeigt wie man das Gerät mit wasserlöslichen Klebeband zu lösen. (c) dieses Panel zeigt, wie das Gerät zu einem klebrigen flexiblen Substrat (z.B., PDMS) übertragen. (d) dieses Panel zeigt, wie man die wasserlösliche Band zu entfernen, indem man Wasser drauf. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Schaltpläne für die Einheit Zelle der Fototransistor (PTR) und Simulationsergebnis Merkmale-V. Die ersten beiden Platten anzeigen (eine) einer Neigung der PTR und (b) eine Draufsicht auf den PTR. Die Dotierungskonzentration ist ~ 1019 cm-3 für sowohl der p+ und n+ Regionen. Die detaillierte geometrische Werte sind in Abbildung 3 bangezeigt. Der Einschub in Abbildung 3a zeigt eine grundlegende spannungs-Charakteristik der PTR. (c) dieses Panel zeigt ein Bild der optischen Mikroskopie auf dotierten Si PTRs. Die gelbe Farbe zeigt die Si PTRs. Das grüne Substrat ist eine SiO2 -Feld-Schicht. (d) zeigt dieses Panel-V Eigenschaften der einzelnen PTR unter den hellen und dunklen Staaten. Der Inset zeigt die Dunkelheit von der einzelnen Zelle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: Schematische Methoden und Ergebnisse für die Messung von spannungs-Eigenschaften im gebogenen Zustand der Fototransistor Array. (ein) zeigt dieses Fenster die Fotografie des gefertigten Gerätes. Ein vergrößertes Bild zeigt im Detail die einzelne PTR-Zelle. (b) zeigt dieses Fenster die Fotografie eines übertragenen Geräts auf ein PDMS-beschichtete PET-Folien. (c) dieses Panel ist ein vereinfachtes Schema des Messaufbaus. Der Krümmungsradius (RoC) ist definiert als der Radius eines Kreises von der Mitte des Kreises, wie im Einschub dargestellt. (d) zeigt dieses Panel-V Eigenschaften des PTR Arrays unter Beleuchtung mit verschiedenen RoCs. (e) dieses Panel ist eine Darstellung des Verhältnisses des fotostromes um Dunkelstrom. Der Inset zeigt eine sehr dunkle aktuelle niedrig, wodurch eine hohe Dynamik. (f) zeigt dieses Panel optische Bilder für das gebogene PTR-Array in jeder RoC. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Die hier beschriebene Technik der Herstellung trägt wesentlich zum Fortschritt der moderne Elektronik und tragbare Geräte. Die grundlegenden Konzepte von diesem Ansatz verwenden eine dünne Si-Membran und Metall Verbindungsleitungen in der Lage, Stretching. Zwar Si ein Material spröde und hart, die leicht gebrochen werden können, erhalten eine sehr dünne Schicht Si eine Flexibilität26,27. Bei der Metall-Verbindung bietet die gewellte Form Dehnbarkeit und Flexibilität28,29. Handeln vor allem die Metall Verbindungsleitungen als Elektroden für das gesamte Gerät zu bedienen als eine Art Matrix. Die Form einer Matrix von einer offenen Maschen, die im letzten Schritt umgesetzt wird, bietet Weichheit an das Gerät strukturiert. Zusammen mit die Verdienste des Si-Dünnschicht und die Serpentinen Elektroden das Stress Isolierung erreicht und Gerät Geometrie löst. Auch die PI-Schicht, die das ganze Gerät gleichzeitig umgibt bietet die Auswirkungen von Antireflection und schützt das Gerät vor Risse oder Mängel. Mithilfe einer Transferdruck Methode gefertigte Gerät kann auf ein flexibles Substrat platziert werden und sichert somit die Bedingung, dass das Gerät verformt werden kann. Durch den Prozess Schritte präsentiert hier eine Si-Gerät mit vielen Vorteilen in Bezug auf die Geräteeigenschaften und Prozessreife als eine verformbare Elektronik realisiert werden kann.

Um einen PTR-Zelle mit einem niedrigen Dunkelstrom zu erhalten, ist das Gerät doping-Prozess entscheidend. Die doping Tiefe ist kritischer als die Unreinheit Konzentration, weil die tiefen doping mehr Erschöpfung Regionen im Vergleich zu der doping-seichte bilden kann. In der Raumladungszone Foto-generierten Elektronen und Löcher nicht rekombinieren, und dies ist der wichtigste Faktor, die Verringerung der Dunkelstrom in tief-dotierte PTR. Für tiefere doping ist eine Ionen-Implantation Methode besser geeignet als die Diffusion-Methode. Wir führten die Unreinheit doping mit der Ionen-Implantation Methode, Schritt 1 in diesem Protokoll entspricht. Um erfolgreich den doping Prozess auszuführen, verwenden Sie kommerzielle Technologie Computer aided Design (TCAD) Simulationen zur Schätzung der doping Tiefe und Konzentration.

Metallisierung Schritte (Schritt 3 und 4) sind einer der wichtigsten Prozesse in der Fertigungstechnik, die hier beschrieben. In diesem Protokoll Au dient als elektronischer Pfad, aber Au hat eine schlechte Haftung mit einer PI-Schicht. Somit ist eine Cr (oder Ti) Schicht notwendig, das Anhaften von Au und PI zu fördern. Aufgrund PI Dicke, die ~1.2 µm in diesem Experiment ist, keinen Metall-Leitungen durch ein Elektron Lichtstrahl oder thermische Verdunstungen hinterlegt eine ausreichende Deckung der Schritt. In diesem Protokoll wird in diesem Schritt einen Sputterprozess verwendet. Es wird empfohlen, mit einem Sputter-Verfahren für die Metallisierung. Nachdem das Metall Muster von Lösung Radierung gebildet wird, wird die Probe mit VE-Wasser gereinigt. Ein sorgfältige N2 Gas Schlag ist dann das Wasser aus der Probe Trocknen erforderlich, da die Metallschichten ein starken Gas Schlag abziehen kann.

Bilden eine über Loch (Schritt 5), die die PI und Si Schichten durch einen Ätzprozess eindringt, ist auch entscheidend in dieser Fertigungstechnik. Es ist schwierig zu entscheiden, ob die über Bohrung Muster entstehen gut oder nicht weil die über Löcher haben einen kleinen Durchmesser (~ 2 µm). Da die Farbe nach der Ätzvorgang geändert wird, empfehlen wir beobachten das Innere der über Lochmustern durch Mikroskop bei jedem Schritt. Anschließend muss die PI-Schicht in Form von Serpentin netzchen angeordnet werden. Dies ist ein wichtiger Schritt für das Gerät eine flexible/dehnbare Eigenschaft zu erhalten.

Für die Entfernung von SiO2 Opferschicht (Schritt 6) ist es wichtig zu wissen, der Radierung an der Box-oxid-Schicht von Flusssäure (HF) durch kontinuierliche mikroskopische Beobachtung. Auch sollten Trocknen DI-Wasser, das nach der Reinigung des HF geblieben ist sorgfältig ausgeführt werden, da weht der N2 Gas das Gerät aus dem Umgang mit Si-Substrat abziehen kann. Es wird empfohlen, das N2 Gas sanft weht. Da HF sehr schädlich für den menschlichen Körper ist, sollte das Experiment in einer Umgebung, ausgestattet mit Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und ein Gas Entlüftung System durchgeführt werden. Nächsten Schritt in diesem Protokoll wird der Transfer-Druckverfahren (Schritt 6), braucht anspruchsvolle und qualifizierte Techniken. Beispielsweise, wenn Sie das Gerät mit einem wasserlöslichen Band zu entfernen, ist es vorteilhaft, den Ertrag zu sichern, indem Sie entfernen das Klebeband mit hoher Geschwindigkeit.

Abschließend stellte dieses Artikels ein Verfahren zur Herstellung einer flexiblen Si PTR-Array mit einer Reihe von Halbleiter-Fertigungsprozesse wie eine Ablagerung, Radierung, Photolithographie und Transferdruck. Für die Einsicht von diesem Fertigungsprozess illustriert dieses Artikels spezielle Herstellungsmethoden mit detaillierten Beschreibungen. Auch beschrieben in diesem Artikel wir genutzt, um die Probe zu fabrizieren und messen die Geräteleistung vorgefertigten Beispielen in-V Eigenschaften mit und ohne Beleuchtung für verschiedene RoCs der hier beschriebenen Ansatz. Dieses Ergebnis zeigt, dass das Si PTR-Array eine mechanische und elektrische Stabilität im verformten Zustand aufweist. In dieser Studie werden die mechanischen Einschränkungen der Si-Materialien überwinden durch die Einführung einer Struktur in der Lage, eine dreidimensionale Verformung in Si, die nicht von Natur aus weich ist. Aus diesem Grund kann die Fertigung Verfahren auch für andere Anwendungen im Bereich der flexiblen/dehnbare Elektronik und tragbare Geräte wie z. B. medizinische Monitore nützlich sein.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Forschung wurde von der kreativen Materialien-Discovery-Programm durch die National Research Foundation von Korea (NRF) gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft und IKT (NRF-2017M3D1A1039288) unterstützt. Diese Forschung wurde auch vom Institut für Informations- und Kommunikations-Technologie-Förderung (IITP) Zuschuss gefördert durch die Regierung von Korea (MSIP) (No.2017000709, integrierte Ansätze der körperlich unclonable kryptografischen primitiven mit unterstützt. zufällige Laser und Optoelektronik).

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

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References

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Herstellung von flexiblen Bildsensor basierend auf seitliche NIPIN Fototransistoren
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