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Engineering

Fabbricazione di sensore di immagine flessibile basato su Francesca laterale fototransistori

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

Presentiamo un metodo dettagliato per fabbricare una matrice di fototransistor Paola deformabile laterale per sensori di immagine curvo. La matrice di fototransistor con una forma di mesh a trama larga, che si compone di isole di silicio sottile ed estensibile in metallo interconnettori, fornisce flessibilità ed elasticità. L'analizzatore di parametro caratterizza la proprietà elettrica del fabbricato fototransistor.

Abstract

Fotorivelatori flessibile sono stati intensamente studiati per l'utilizzo di sensori di immagine curvo, che sono una componente cruciale in sistemi di imaging bio-ispirati, ma rimangono diversi punti difficili, come un efficienza di assorbimento basso a causa di un sottile strato attivo e basso flessibilità. Presentiamo un metodo avanzato per fabbricare una matrice fototransistor flessibile con un miglioramento delle prestazioni elettrica. La prestazione elettrica eccezionale è guidata da una bassa corrente di buia a causa di impurità profonde doping. Interconnettori metallo estensibile e flessibile contemporaneamente offrono stabilità elettrica e meccanica in uno stato altamente deforme. Il protocollo descrive in modo esplicito il processo di fabbricazione di fototransistor utilizzando una membrana di silicio sottile. Misurando le caratteristiche I-V del dispositivo completato negli stati deformati, dimostriamo che questo approccio migliora la stabilità meccanica ed elettrica della matrice fototransistor. Ci aspettiamo che questo approccio a un fototransistor flessibile può essere ampiamente usato per le applicazioni non solo generazione imaging systems/optoelettronica, ma anche dispositivi indossabili come sensori tattili/pressione/temperatura e monitoraggi di integrità.

Introduction

Sistemi di imaging bio-ispirati possono fornire molti vantaggi rispetto alla convenzionale imaging systems1,2,3,4,5. Retina o ommatidi emisferiche è un componente notevole del sistema visivo biologico1,2,6. Un sensore di immagine curvo, che imita l'elemento critico degli occhi degli animali, può fornire una configurazione compatta e semplice dei sistemi ottici con aberrazioni di basso7. Diversi progressi delle tecniche di fabbricazione e materiali, ad esempio, l'uso di materiali intrinsecamente morbidi come organico/nanomateriali8,9,10,11, 12 e l'introduzione di strutture deformabili ai semiconduttori tra cui il silicio (Si) e germanio (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, realizzare i sensori di immagine curvo. Fra loro, approcci basati su Si forniscono vantaggi intrinseci quali un'abbondanza di materiale, tecnologia matura, stabilità e superiorità ottico/elettrico. Per questo motivo, anche se Si ha rigidità intrinseca e fragilità, Si-based elettronica flessibile è stati ampiamente studiati per varie applicazioni, come ad esempio optoelettronica flessibile18,19,20 tra cui sensori di immagine curvo1,2,3e dispositivi sanitari anche indossabili21,22.

In un recente studio, abbiamo analizzato e migliorato le prestazioni elettriche di un sottile Si fotorivelatore matrice23. In quello studio, la cella ottimale singola unità della matrice fotorivelatore curvo è un tipo di Fototransistor (PTR) che è costituito da un fotodiodo e diodo di blocco. Il guadagno di giunzione base amplifica una fotocorrente generata, e quindi esibisce un percorso per migliorare una prestazione elettrica con una struttura di film sottile. Oltre la singola cella, la struttura di film sottile è adatta sopprimere una corrente di buio, che è considerata come rumore nella cellula fotoelettrica. Per quanto riguarda la concentrazione di drogaggio, una concentrazione maggiore di 1015 cm-3 è sufficiente per ottenere prestazioni eccezionali in cui le caratteristiche del diodo possono essere mantenute con un'intensità di luce sopra 10-3 W/cm2 23 . Inoltre, la singola cella PTR ha un rumore basso colonna e otticamente/elettricamente stabile proprietà rispetto a quella del fotodiodo. Basato su tali regole di progettazione, abbiamo fabbricato una matrice fotorivelatore flessibile che consiste di sottili Si PTRs utilizzando un wafer di silicio-su-isolante (SOI). In generale, una regola importante progettazione di sensori di immagine flessibile è il concetto di piano meccanico neutro che definisce la posizione attraverso lo spessore della struttura dove ceppi sono pari a zero per un arbitrariamente piccolo r24. Un altro punto cruciale è una serpentina geometria dell'elettrodo perché una forma ondulata fornisce elasticità completamente reversibile all'elettrodo. A causa di questi due concetti di design importante, la matrice di rivelatore fotoelettrico può essere flessibile ed estensibile. Esso facilita la deformazione 3D della matrice rivelatore fotoelettrico in una forma emisferica o una forma curva come la retina degli occhi animali2.

In questo lavoro, abbiamo dettaglio i processi per la fabbricazione della matrice curva PTR utilizzando processi di fabbricazione a semiconduttore (ad es., il doping, acquaforte e deposizione) e stampa di trasferimento. Inoltre, ci caratterizzano un singolo record PTR in termini di una curva-V. Oltre al metodo di fabbricazione e analisi di singole cellule, la funzionalità elettrica della matrice PTR viene analizzata stati deformati.

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Protocol

Attenzione: Alcune sostanze chimiche (cioè., acido fluoridrico, tamponata ossido mordenzante, alcool isopropilico, ecc.) ai fini del presente protocollo possa essere pericoloso per la salute. Si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza prima di qualsiasi preparazione del campione avviene. Utilizzare appropriati dispositivi di protezione individuale (ad es., camici, occhiali protettivi, guanti) e controlli tecnici (ad es., bagnato stazione, cappa aspirante) quando si maneggia mordenzanti e solventi.

1. Si Doping e isolamento

Nota: Vedere Figura 1a - 1D.

  1. Preparare un wafer SOI drogato di impiantazione ionica con le condizioni come segue: drogante-fosforo/boro, energia di 80/50 keV e una dose di 5 x 10153 x 1015 cm-3 per n+ e p+ , doping, rispettivamente. Per recuperare una cristallinità del wafer, temprare il campione ad una temperatura di 1000 ° C per 120 minuti in un forno dopo l'impiantazione ionica. Preparare i campioni drogati utilizzando il processo di impianto di ioni dal centro nazionale di NanoFab (NNFC) per alta sicurezza di processo e doping profonda profondità (Figura 1a).
  2. Per rimuovere l'ossido nativo, immergere il campione a dadini con un mestolo di Teflon in ossido tamponata mordenzante (BOE) per 5 s e pulire il campione a dadini in sequenza con acetone, alcool isopropilico (IPA) e acqua deionizzata (DI).
  3. Formano un reticolo di photoresist (PR) per l'isolamento di Si (Figura 1b).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
  4. Secco etch il campione di Si usando acquaforte ioni reattivi al plasma accoppiato induttivamente (ICP-RIE) con potenza di 100 W RF, 0 potenza W ICP, pressione dell'alloggiamento mTorr 30 e SF6 gas (40 sccm) per 6 min (Figura 1C).
  5. Per rimuovere uno strato di ossido sepolto, immergere i campioni in acido fluoridrico 49% per 2 min, utilizzando un mestolo di Teflon (Figura 1D).
  6. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.

2. sacrificale ossido Layer Deposition

Nota: Vedere Figura 1e - 1g.

  1. Depositare uno strato sacrificale di SiO2 con uno spessore di 130 nm usando plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) con una temperatura di 230 ° C, 20 W RF di potenza, 1000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min ( Figura 1e).
  2. Lo strato di PR del modello come maschera per uno strato sacrificale di SiO2 (Figura 1f).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con cerbottana2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
  3. Per la modellazione dello strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon (Figura 1 g).
  4. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.

3. deposizione del primo strato di Polyimide e di eseguire la prima metallizzazione

  1. Avvitabile cappotto poliimmide (PI) il campione a 4.000 giri/min per 60 s, esso tempri a 110 ° C per 3 min e a 150 ° C per 10 minuti su una piastra calda e ricottura a 230 ° C per 60 min in un'atmosfera di2 N fornendo N2 al forno (Figura 1 h).
  2. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 130 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, 20 W RF di potenza, pressione di 1.000 mTorr, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min.
  3. Modello il SiO2 come un livello maschera duro per PI a secco acquaforte (Figura 1i).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  4. A secco etch il PI utilizzando RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 20 min.
  5. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  6. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  7. Deposito di 10 spessore di nm nm/200 Cr/au da sputtering.
  8. Lo strato di metallo Cr/Au (Figura 1j) del modello.
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Per indurire il PR, duro cuocere il campione a 110 ° C per 5 min.
    3. Mordenzare lo strato di Cr/Au con un mordenzante bagnato per 60 s/20 s, rispettivamente.
  9. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
    Nota: Il processo di pulizia deve essere molto attenti, poiché non vi è un rischio di peeling lo strato PI.

4. deposizione del secondo strato di Polyimide e di eseguire la seconda metallizzazione

  1. Spin cappotto PI sul campione a 4.000 giri/min per 60 s, esso tempri a 110 ° C per 3 min e a 150 ° C per 10 minuti su una piastra calda e ricottura a 230 ° C per 60 min in un'atmosfera di2 N fornendo N2 al forno (Figura 1 k).
  2. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 130 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, potenza di 20 W RF, 1.000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min.
  3. Modello il SiO2 come un livello maschera duro per incisione a secco (Figura 1 l).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  4. A secco etch il PI utilizzando RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 50 min.
  5. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  6. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita.
  7. Cassetta 10 nm/200 nm di spessore di Cr/Au da polverizza rivestimento.
  8. Modello lo strato di metallo Cr/Au (Figura 1 m).
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Mordenzare lo strato Cr/Au di un mordenzante bagnato per 60 s/20 s, rispettivamente.
  9. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita.
  10. Per rimuovere l'umidità, asciugare il substrato pulito con una cerbottana di azoto, tenendola con le pinzette.
    Nota: Esiste un rischio di peeling lo strato di polyimide, quindi eseguire il processo di pulizia molto attentamente.

5. che incapsula il campione con PI e apertura tramite i fori e la struttura della maglia

  1. Spin cappotto PI sul campione a 4.000 giri/min per 60 s, esso tempri a 110 ° C per 3 min e a 150 ° C per 10 minuti su una piastra calda e ricottura a 230 ° C per 60 min in un'atmosfera di2 N fornendo N2 al forno (Figura 1n).
  2. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 650 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, potenza di 20 W RF, 1.000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 8 min.
  3. Modello di SiO2 come un livello maschera duro per incisione a secco.
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 2 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 1 min 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
      Nota: A causa delle piccole dimensioni della campitura, è necessario lasciarlo a sviluppare più a lungo il tempo di sviluppo precedente.
  4. A secco etch il PI utilizzando RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 75 min.
  5. A secco etch il Si di ICP-RIE con 100 W RF potenza, potenza W ICP 0, pressione dell'alloggiamento mTorr 30 e 40 sccm SF6 gas per 6 min (Figura 1o).
  6. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 1 min 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  7. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita.
  8. Depositare un SiO2 strati con uno spessore di 130 nm utilizzando PECVD con una temperatura di 230 ° C, potenza di 20 W RF, 1000 mTorr pressione, SiH4 gas (100 sccm) e N2O gas (800 sccm) per 2 min.
  9. Modello di SiO2 come un livello maschera duro per incisione a secco.
    1. Girare il PR positivo cappotto sul campione a 4.000 giri/min per 40 s e morbido cuocere il campione rivestito a 90 ° C per 90 s. esporre il campione a luce UV con una maschera di fotolitografia per 10 s.
    2. Immergere il campione nello sviluppatore per 1 min per definire il modello, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette. Duro cuocere il campione per indurimento del livello di PR a 110 ° C per 5 min.
    3. Per conformare la maschera dura di SiO2 , immergere il campione nel BOE per 1 min 30 s usando un mestolo di Teflon, lavatelo in acqua deionizzata e asciugarlo con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.
  10. A secco etch il PI di RIE con 30 W RF potenza, O2 gas (30 sccm) e Ar gas (70 sccm) per 75 min.
  11. Per rimuovere lo strato di ossido PECVD, immergere il campione nel BOE per 30 s, utilizzando un mestolo di Teflon.
  12. Il campione in modo sequenziale con acetone, IPA e DI acqua pulita. Per rimuovere l'umidità, asciugare il campione pulito con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette.

6. mordenzatura lo strato sacrificale e il trasferimento del campione su substrati flessibili

Nota: Vedere la Figura 2.

  1. Mordenzare lo strato sacrificale immergendo il campione in acido fluoridrico 49% per 20 min (Figura 2a; inserto).
  2. Lavare il campione con acqua deionizzata.
  3. Dopo aver utilizzato il fenomeno capillare di un tergicristallo per assorbire l'umidità tra il substrato e il dispositivo, asciugare il campione pulito con una cerbottana di2 N, tenendola con le pinzette per rimuovere l'umidità residua (Figura 2a).
    1. Eseguire il processo di risciacquo e asciugatura del campione. Dovuto alla bassa adesione tra il dispositivo e il substrato, questo ha da fare con molta attenzione, per non separare il substrato e il dispositivo.
  4. Tenere l'esempio utilizzando nastri di carbonio e fissate il nastro solubile in acqua.
  5. Togliere il nastro solubile in acqua in un istante per evitare che il dispositivo rimanga sul substrato (Figura 2b).
  6. Confermare che il campione è attaccato al nastro solubile in acqua.
  7. Trasferire il campione per un polidimetilsilossano (PDMS) rivestito in polietilene tereftalato (PET) (Figura 2C).
    1. Preparare PDMS (10:1 miscela del prepolimero: agente indurente) e rimuovere eventuali bolle d'aria nel PDMS di degasaggio.
    2. Cappotto di spin il PDMS sulla pellicola PET a 1.000 giri/min per 30 s e cuocere la pellicola dell'animale domestico su una piastra calda ad una temperatura di 110 ° C per 10 min.
    3. Esporre il campione ai raggi UV per 30 s per migliorare l'adesione del PDMS e fissate il nastro solubile in acqua con il campione per il film di PET rivestite con PDMS.
      Nota: Il trattamento UV aumenta l'adesione di una superficie PDMS.
  8. Per rimuovere il nastro solubile in acqua, attentamente goccia d'acqua su di esso, utilizzando una pipetta. Rimuovere il nastro solubile in acqua con un flusso lento di acqua per impedire al dispositivo di essere spazzata via dall'acqua. Essiccare il campione lentamente con una cerbottana di2 N, tenendola con il forcipe (figura 2d).

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Representative Results

Figura 3a e 3b mostrano la struttura progettata e fabbricata di NIPIN PTR considerando precedente studi2,23. L'inserto in Figura 3a esibisce una caratteristica di base V di PTR. I parametri strutturali dettagliati di PTR sono riportati nella Figura 3b. Il processo di anti-doping per un strato Si su un wafer SOI è stata condotta utilizzando l'impiantazione ionica la NNFC. La profondità di doping è ~1.25 µm, che è uguale allo spessore dello strato Si, e la concentrazione del drogaggio di n+ e p+ sono 10 ~19 cm-3. La distribuzione di anti-doping in alto strato Si ha un dito-tipo di doping. La regione di svuotamento laterale tra la regione di n+ e la regione di p+ , che viene generato dal doping dito-tipo, è utile per ridurre la perdita di vettori generati foto25. Inoltre, il dito-tipo doping allarga la regione attiva generando vettori generati foto, aumentando così l'efficienza della cella. Figura 3 c presenta un'immagine ottica di drogati Si PTR isole. La caratteristica I-V di un singolo record PTR è mostrata in figura 3d.

Figura 4a visualizzata la matrice PTR fabbricata prima di un passaggio di stampa di trasferimento. Un'immagine ingrandita Mostra la singola cella PTR in dettaglio. L'elettrodo di serpentino PI-incapsulato fornisce elasticità al dispositivo e protegge gli elettrodi e le celle Si da una crepa o un guasto. Oltre alla stabilità meccanica, lo strato PI svolge un ruolo come antiriflesso riducendo la differenza di indici di rifrazione tra la strato Si e l'aria. Figura 4b Mostra l'immagine ottica per il dispositivo trasferito su pellicola PET rivestite con PDMS. Utilizzando un metodo di stampa di trasferimento, il dispositivo completato può essere posizionato su un substrato flessibile (ad es., un sottile film di PET). Figura 4c esibisce le illustrazioni schematiche del setup di misura e la definizione di un raggio di curvatura (RoC). Per misurare una prestazione elettrica in uno stato di flessione, abbiamo prodotto la fase manuale su misura per piegare l'esempio spostando da un lato a altro. Figura 4 d Mostra le caratteristiche I-V della matrice PTR in diversi RoCs (cioè, infinity, 10 cm, 8cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Questo risultato dimostra che la caratteristica elettrica del PTR è costante, indipendentemente dal fatto il RoCs. La sorgente di luce utilizzata in questo esperimento è una luce bianca, indotta da una lampada alogena. 4e figura Mostra il rapporto tra la corrente fotoelettrica a corrente di buio in funzione della tensione con diversi RoCs. La gamma dinamica, che determina la sensibilità del rivelatore fotoelettrico, è mantenuta a ~ 600 o più, sopra una tensione di polarizzazione di 2 V. Questo risultato dimostra che una sottile membrana Si può raggiungere una significativa gamma dinamica a causa di una bassa corrente di buio, come mostrato nella rientranza della Figura 4e. Figura 4f Visualizza le immagini per la matrice PTR piegata con ogni RoC.

Figure 1
Figura 1: illustrazioni schematiche del processo di fabbricazione della matrice curvo fototransistor. I pannelli (a) - (o) mostrano il processo sequenza da fabbricare un dispositivo fototransistor su un substrato SOI drogato alla creazione di una via foro per rimuovere lo strato sacrificale del substrato SOI. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: illustrazioni schematiche per il trasferimento di stampa della matrice su substrati flessibili fototransistor da wafer SOI. (un) questo pannello Mostra come a formare una struttura a maglia aperta e rimuovere lo strato sacrificale. (b) questo pannello Mostra come scollegare il dispositivo con nastro adesivo solubile in acqua. (c) questo pannello Mostra come trasferire il dispositivo a un substrato flessibile appiccicoso (ad es., PDMS). (d) questo pannello viene illustrato come rimuovere il nastro solubile in acqua facendo cadere dell'acqua su di esso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: schemi per la cella di singola unità di Fototransistor (PTR) e risultato della simulazione delle caratteristiche I-V. I primi due pannelli mostrano (un) un tilt vista del PTR e (b) una vista dall'alto del PTR. La concentrazione di anti-doping è ~ 1019 cm-3 per entrambi i p+ e regioni n+ . I valori geometrici dettagliati vengono visualizzati in Figura 3b. L'inserto in Figura 3a Visualizza una caratteristica di base V del PTR. (c) questo pannello mostra un'immagine di microscopia ottica su drogati Si PTRs. Il colore giallo indica il PTRs Si. Il substrato verde è uno strato di SiO2 casella. (d) questo pannello mostra le caratteristiche I-V di un singolo record PTR sotto gli stati chiari e scuri. L'inserto Mostra corrente della cella singola al buio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: schematica dei metodi e dei risultati per la misura-V caratteristiche nello stato curvato di matrice fototransistor. (un) questo pannello mostra la fotografia del dispositivo fabbricato. Un'immagine ingrandita Mostra la singola cella PTR in dettaglio. (b) questo pannello mostra la fotografia di un dispositivo trasferito su un film di PET rivestite con PDMS. (c) questo pannello è uno schema semplificato dell'apparato di misura. Il raggio di curvatura (RoC) è definito come il raggio di un cerchio dal centro del cerchio, come illustrato nella rientranza. (d) questo pannello mostra le caratteristiche I-V della matrice PTR sotto illuminazione con diversi RoCs. (e) questo pannello è un complotto del rapporto tra la corrente fotoelettrica a corrente di buio. L'inserto viene illustrato un bassissimo livello di corrente scuro, causando così un'alta gamma dinamica. (f) questo pannello Mostra immagini ottiche per la matrice PTR piegata in ogni RoC. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

La tecnologia di fabbricazione descritta qui contribuisce in modo significativo al progresso dell'elettronica avanzata e dispositivi indossabili. I concetti fondamentali di questo approccio utilizzano una sottile membrana di Si e metallo interconnettori capace di stretching. Anche se Si è un materiale fragile e duro che può facilmente essere fratturato, uno strato molto sottile Si può ottenere una flessibilità26,27. Nel caso l'interconnettore metallo, la forma ondulata offre elasticità e flessibilità28,29. In particolare, i metallo interconnettori agiscono come elettrodi per l'intero dispositivo di operare come un tipo di matrice. La forma di matrice di una maglia aperta, che è implementata nel passaggio finale, fornisce morbidezza al dispositivo in modo strutturato. Insieme con i meriti del sottile strato di Si e gli elettrodi di serpentino, questo raggiunge lo stress isolamento e rilascia la geometria del dispositivo. Inoltre, lo strato di PI che circonda l'intero dispositivo contemporaneamente offre gli effetti del trattamento antiriflesso e protegge il dispositivo da crepe o difetti. Utilizzando un metodo di stampa di trasferimento, il dispositivo fabbricato può essere posizionato su un substrato flessibile, e quindi, assicura la condizione che il dispositivo può essere deformato. Attraverso il processo di passaggi presentati qui, un dispositivo di Si con molti vantaggi in termini di caratteristiche del dispositivo e maturità dei processi può essere realizzato come un elettronica deformabile.

Per ottenere una cella PTR con una bassa corrente di buio, il dispositivo di processo il doping è di vitale importanza. La profondità di doping è più critica che la concentrazione di impurità perché il doping profonda possa formare altre regioni di svuotamento rispetto a quella del doping poco profonde. Nella regione di svuotamento, fori ed elettroni generati foto non si ricombinano, e questo è il fattore primario, riducendo la corrente di buio profondo-drogati PTR. Per doping più profondo, un metodo di impianto dello ione è più adatto rispetto al metodo di diffusione. Abbiamo condotto il doping impurità utilizzando il metodo di impianto ionico corrispondente al passo 1 in questo protocollo. Per eseguire correttamente il processo di drogaggio, considerare l'utilizzo di simulazioni di progettazione assistita da elaboratore (TCAD) tecnologia commerciale per stimare la profondità di doping e la concentrazione.

Passaggi di metallizzazione (passo 3 e 4) sono uno dei processi più critici nella tecnologia di fabbricazione descritto qui. In questo protocollo, Au è usato come un percorso elettronico, ma Au ha una scarsa adesione con uno strato di PI. Così, uno strato di Cr (o Ti) è necessario promuovere l'adesione di Au e PI. A causa di spessore di PI, che è ~1.2 µm in questo esperimento, righe del metallo depositati da un evaporazioni di termiche o fascio di elettroni non hanno una sufficiente copertura di passaggio. In questo protocollo, un processo per sputtering è usato in questo passaggio. Si consiglia di utilizzare un processo di polverizzazione per la metallizzazione. Dopo il reticolo del metallo è formata da acquaforte di soluzione, il campione viene pulito con dell'acqua distillata. Un colpo di gas2 N attenta è quindi necessaria per asciugare l'acqua dal campione, perché un colpo di gas forte può staccare gli strati metallici.

Formando una via foro (passo 5), che penetra negli strati il PI e il Si di un processo di incisione, è anche fondamentale in questa tecnologia di fabbricazione. È difficile decidere se la via foro modelli ben vengono generati o non perché la via i fori hanno un diametro piccolo (~ 2 µm). Poiché il colore è cambiato dopo il processo di incisione, si consiglia di osservare all'interno della tramite modelli di foro da microscopio durante ogni passaggio. Quindi, il livello di PI deve essere modellato in forma di una mesh serpentina. Questo è un passo essenziale per il dispositivo ottenere una proprietà flessibile/estensibile.

Per la rimozione del livello2 SiO sacrificale (passaggio 6), è indispensabile conoscere il grado di incisione dello strato di ossido casella di acido fluoridrico (HF) attraverso la continua osservazione microscopica. Inoltre, essiccazione DI acqua che è rimasta dopo la pulizia la HF deve essere accuratamente eseguito, perché soffia il gas2 N si può staccare il dispositivo dalla movimentazione substrato Si. Si consiglia di soffiare delicatamente il gas2 N. Perché HF è molto nocivo al corpo umano, l'esperimento deve svolgersi in un ambiente dotato di indumenti protettivi, guanti protettivi e un sistema di scarico di gas. Il passo successivo in questo protocollo, il processo di stampa di trasferimento (passaggio 6), ha bisogno di tecniche esigenti e qualificate. Per esempio, quando si rimuove il dispositivo utilizzando un nastro solubile in acqua, è vantaggioso per garantire il rendimento rimuovendo il nastro ad alta velocità.

In conclusione, questo articolo ha presentato un processo per la realizzazione di una matrice Si PTR flessibile utilizzando una serie di processi di fabbricazione a semiconduttore come una deposizione, Acquaforte, fotolito e stampa a trasferimento. Per la comprensione di questo processo di fabbricazione, in questo articolo illustrato metodi di fabbricazione specifici con descrizioni dettagliate. Inoltre, questo articolo viene descritto come abbiamo utilizzato l'approccio descritto qui per fabbricare il campione e misurare le prestazioni del dispositivo dei campioni fabbricati in caratteristiche I-V con e senza l'illuminazione per diversi RoCs. Questo risultato dimostra che la matrice Si PTR ha una stabilità meccanica ed elettrica in uno stato deformato. In questo studio, le limitazioni meccaniche dei materiali Si sono superate con l'introduzione di una struttura capace di una deformazione tridimensionale in Si, che non è intrinsecamente morbido. Per questo motivo, la procedura di fabbricazione può essere anche utile per altre applicazioni nel campo dell'elettronica flessibile/stretchable e dispositivi indossabili come monitor di cure mediche.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Questa ricerca è stata sostenuta dal programma di scoperta di materiali creativi attraverso la National Research Foundation di Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza e ICT (NRF-2017M3D1A1039288). Inoltre, questa ricerca è stata sostenuta dall'Istituto per informazioni e comunicazioni tecnologia Promozione (IITP) sovvenzione finanziata dal governo di Corea (MSIP) (No.2017000709, approcci integrati di fisicamente inclonabile primitive crittografiche utilizzando casuale laser e optoelettronica).

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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