Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Fabrikasjon av fleksible Image Sensor basert på Lateral NIPIN Phototransistors

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

Vi presenterer en detaljert metode å utvikle en deformerbare lateral NIPIN phototransistor matrise for buede bildesensorer. Phototransistor matrise med en åpen mesh form, som består av tynne silisium øyer og elastisk metall interconnectors, gir fleksibilitet og stretchability. Parameteren analysatoren karakteriserer elektrisk eiendom fabrikkerte phototransistor.

Abstract

Fleksibel photodetectors har vært intenst undersøkt for bruk av buet bildesensorer, som er en viktig komponent i bio-inspirert imaging-systemer, men flere utfordrende steder fortsatt, som en lav absorpsjon effektivitet aktive løsmasse og lav fleksibilitet. Vi presenterer en avansert metode å utvikle en fleksibel phototransistor matrise med en forbedret elektriske ytelse. En utmerket elektriske ytelse er drevet av en lav mørke strøm på grunn av dyp urenhet doping. Elastisk og fleksibel metal interconnectors tilby samtidig elektrisk og mekanisk stabilitet i en svært deformert tilstand. Protokollen beskriver eksplisitt fabrikasjon prosessen med phototransistor med en tynn silikon membran. Ved å måle IV kjennetegner fullført enheten i deformert stater, viser vi at denne tilnærmingen forbedrer de mekaniske og elektriske stabilitet av phototransistor array. Vi forventer at denne tilnærmingen til en fleksibel phototransistor kan bli mye brukt for programmer ikke bare neste generasjon tenkelig systemer/Optoelektronikk, men også bærbar enheter som taktil/press/temperatur sensorer og helse skjermer.

Introduction

Bio-inspirert imaging-systemer kan tilby mange fordeler i forhold til konvensjonelle imaging systems1,2,3,4,5. Netthinnen eller hemisfæriske ommatidia er en vesentlig komponent av biologiske visuelle systemet1,2,6. En buet bildesensor, som etterligner det kritiske elementet dyr øyne, kan gi en kompakt og enkel konfigurasjon av optiske systemer med lite avvik7. Mangfoldig fremskritt av fabrikasjon teknikker og materialer, for eksempel bruk av egentlig myke materialer som organisk/nanomaterialer8,9,10,11, 12 og innføring av deformerbare strukturer til halvledere inkludert silikon (Si) og germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, innser de buede bildesensorer. Blant dem gi Si tilnærminger iboende fordeler som en overflod av materiale, moden teknologi, stabilitet og optisk/elektrisk overlegenhet. Derfor tross Si har iboende stivhet og skjørhet, har Si-baserte fleksibel elektronikk blitt mye studert for ulike applikasjoner, som fleksibel optoelectronics18,19,20 inkludert buet bilde sensorer1,2,3og selv bærbar helsetjenester enheter21,22.

I en fersk studie, vi analysert og bedre elektrisk ytelsen til en tynn Si photodetector matrise23. I denne studien er optimal enkeltenhet cellen i buede photodetector matrisen en phototransistor (PTR) som består av en photodiode og blokkerer diode. Basen krysset gevinst forsterker en generert photocurrent, og dermed det utstillinger en rute en elektrisk ytelsen med en tynn film. I tillegg til en enkelt celle er tynnfilm strukturen egnet til å undertrykke en mørk strøm, som regnes som støy i photodetector. Om doping konsentrasjon er en konsentrasjon som er større enn 1015 cm-3 tilstrekkelig for å oppnå en eksepsjonell ytelse som diode egenskapene kan opprettholdes med lav intensitet over 10-3 W/cm2 23 . Videre PTR enkelt celle har en lav kolonnen støy og optisk/elektrisk stabil egenskaper sammenlignet med photodiode. Basert på disse regler, laget vi en fleksibel photodetector matrise som består av tynne Si PTR bruker en silisium-på-isolator (SOI) wafer. Generelt, er en viktig design rettssikkerhet fleksibel bildesensorer nøytral mekanisk flyet konseptet som definerer plasseringen gjennom tykkelsen av strukturen der stammer er null for en vilkårlig liten r24. En annen avgjørende punktet er en serpentin geometri av elektroden fordi en bølget figur gir fullt reversibel stretchability til elektroden. På grunn av disse to viktige design konsepter, kan photodetector matrisen være fleksibel og elastisk. Den letter 3D deformasjon av photodetector matrisen i en hemisfæriske figur eller en buet som netthinnen av dyr øyne2.

I dette arbeidet vi detalj prosessene for fabrikasjon av buet PTR matrisen med halvleder metallbearbeiding prosesser (f.eks, doping, etsning og deponering) og overføring utskrift. Også karakterisere vi en enkelt PTR i en IV kurve. I tillegg til fabrikasjon metoden og personlige celle analyse, er elektriske funksjonen av PTR matrisen analysert i deformert stater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Advarsel: Noen kjemikalier (dvs., flussyre bufrede oksid etsematerialer isopropyl alkohol, osv.) i denne protokollen kan være farlig for helsen. Ta kontakt med alle relevante sikkerhetsdatablader før noen eksempel forberedelser finner sted. Bruke riktig personlig verneutstyr (f.eks., labfrakker, vernebriller, hansker) og tekniske kontroller (f.eks., våt stasjon, fume hette) når du håndterer saltoppløsninger og løsemidler.

1. Si Doping og isolasjon

Merk: Se figur 1a - 1 d.

  1. Forberede en dopet SOI wafer av ion implantering med vilkår som følger: dopant-fosfor/boron, energi av 80/50 keV, og en dose 5 x 1015/3 x 1015 cm-3 for n+ og p+ doping, henholdsvis. For å gjenopprette en crystallinity av kjeks, anneal prøven ved en temperatur på 1000 ° C i 120 minutter i en ovn etter ion implantasjon. Klargjør dopet prøvene ved ion implantasjon prosessen fra National NanoFab Center (NNFC) for høy prosessen stabilitet og dypt doping dybde (figur 1a).
  2. For å fjerne den opprinnelige oksid, dyppe terninger prøven med en Teflon dipper i bufret oksid etsematerialer (BOE) for 5 s og terninger prøven sekvensielt med aceton, isopropylalkohol (IPA) og deionisert (DI) vann.
  3. Danne en photoresist (PR) mønster for Si isolasjon (figur 1b).
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren for 1 min å definere mønsteret, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang. Hardt bake utvalget for herding PR laget på 110 ° C i 5 minutter.
  4. Tørr etse prøven av Si bruke Induktivt kombinert plasma-reaktive ion etsing (ICP-RIE) med 100 W RF power, 0 W ICP makt, 30 mTorr kammer trykk og SF6 gass (40 sccm) for 6 min (figur 1 c).
  5. Hvis du vil fjerne et begravet oksid lag, dypp eksemplene i flussyre 49% i 2 minutter, bruker en Teflon dipper (figur 1 d).
  6. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann. Hvis du vil fjerne fuktighet, tørr prøven med en N2 blåserør mens du holder det med tang.

2. oppofrende oksid lag avsetning

Merk: Se figur 1e - 1 g.

  1. Sette inn et SiO2 oppofrende lag med en tykkelse på 130 nm bruker plasma forbedret kjemiske damp avsetning (PECVD) med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr press, SiH4 gass (100 sccm) og N2O gass (800 sccm) i 2 minutter ( Finne 1e).
  2. Mønster PR laget som en maske for et SiO2 oppofrende lag (figur 1f).
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren for 1 min å definere mønsteret, rengjør det i DI vann og tørk den med N2 blåserør mens du holder det med tang. Hardt bake utvalget for herding PR laget på 110 ° C i 5 minutter.
  3. For å mønster PECVD oksid laget, dyppe eksemplet i BOE for 30 s, med en Teflon dipper (figur 1 g).
  4. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann. Hvis du vil fjerne fuktighet, tørr prøven med en N2 blåserør mens du holder det med tang.

3. deponering av det første laget av polyimid (pi) og utføre de første Metallization

  1. Spin pels polyimid (pi) (PI) på prøven ved 4000 rpm for 60 s, anneal det 110 ° C i 3 minutter og 150 ° C i 10 min på en kokeplate og anneal det på 230 ° C for 60 min i en N2 atmosfære ved å forsyne N2 til ovnen (figur 1 h).
  2. Sette inn et SiO2 lag med en tykkelse på 130 nm ved å bruke PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr press, SiH4 gass (100 sccm), og N2O gass (800 sccm) i 2 minutter.
  3. Mønster SiO2 som en hard maske laget for PI tørr etsing (figur 1i).
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren for 1 min å definere mønsteret, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang. Hardt bake utvalget for herding PR laget på 110 ° C i 5 minutter.
    3. For å mønster SiO2 hard masken, dyppe eksemplet i BOE for 30 s med en Teflon dipper, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang.
  4. Tørr etse PI ved hjelp av RIE med 30 W RF power, O2 gass (30 sccm) og Ar gass (70 sccm) for 20 min.
  5. Hvis du vil fjerne PECVD oksid laget, dyppe eksemplet i BOE for 30 s, med en Teflon dipper.
  6. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann. Hvis du vil fjerne fuktighet, tørr prøven med en N2 blåserør mens du holder det med tang.
  7. Sette inn 10 nm/200 nm tykkelsen på Cr/Au ved sputtering.
  8. Mønster Cr/Au metall laget (figur 1j).
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren for 1 min å definere mønsteret, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang. For å stivne PR, hardt bake prøven på 110 ° C i 5 minutter.
    3. Etch Cr/Au laget med en våt etsematerialer for 60 s/20 s, henholdsvis.
  9. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann. Hvis du vil fjerne fuktighet, tørr prøven med en N2 blåserør mens du holder det med tang.
    Merk: Rengjøringen har være veldig forsiktig fordi det er en risiko for peeling PI laget.

4. deponering av andre lag av polyimid (pi) og utføre andre Metallization

  1. Spin pels PI på prøven ved 4000 rpm for 60 s, anneal det 110 ° C i 3 minutter og 150 ° C i 10 min på en kokeplate og anneal det på 230 ° C for 60 min i en N2 atmosfære ved å forsyne N2 til ovnen (figur 1 k).
  2. Sette inn et SiO2 lag med en tykkelse på 130 nm bruke PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr press, SiH4 gass (100 sccm) og N2O gass (800 sccm) i 2 minutter.
  3. Mønster SiO2 som en hard maske laget for tørr etsing (figur 1 l).
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren for 1 min å definere mønsteret, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang. Hardt bake utvalget for herding PR laget på 110 ° C i 5 minutter.
    3. For å mønster SiO2 hard masken, dyppe eksemplet i BOE for 30 s med en Teflon dipper, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang.
  4. Tørr etse PI RIE med 30 W RF power, O2 gass (30 sccm) og Ar gass (70 sccm) for 50 min.
  5. Hvis du vil fjerne PECVD oksid laget, dyppe eksemplet i BOE for 30 s, med en Teflon dipper.
  6. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann.
  7. Innskudd 10 nm/200 nm tykkelsen på Cr/Au av frese belegg.
  8. Mønster Cr/Au metall laget (figur 1 m).
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren for 1 min å definere mønsteret, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang. Hardt bake utvalget for herding PR laget på 110 ° C i 5 minutter.
    3. Etch Cr/Au laget av en våt etsematerialer for 60 s/20 s, henholdsvis.
  9. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann.
  10. For å fjerne fuktighet, tørke ren underlaget med en nitrogen blåserør mens du holder det med tang.
    Merk: Det er en risiko for peeling polyimid (pi) laget, så utføre rengjøringen nøye.

5. innkapsle prøven med PI og åpning Via hull og Mesh struktur

  1. Spin pels PI på prøven ved 4000 rpm for 60 s, anneal det 110 ° C i 3 minutter og 150 ° C i 10 min på en kokeplate og anneal det på 230 ° C for 60 min i en N2 atmosfære ved å forsyne N2 til ovnen (figur 1n).
  2. Sette inn et SiO2 lag med en tykkelse på 650 nm bruke PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr press, SiH4 gass (100 sccm) og N2O gass (800 sccm) til 8 min.
  3. Mønster SiO2 som en hard maske laget for tørr etsning.
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren i 2 minutter å definere mønsteret, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang. Hardt bake utvalget for herding PR laget på 110 ° C i 5 minutter.
    3. Mønster SiO2 hard masken, dyppe utvalget i BOE for 1 min 30 s med en Teflon dipper, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang.
      Merk: På grunn av den lille størrelsen på finske er det nødvendig å la det utvikle lenger enn forrige utvikling.
  4. Tørr etse PI RIE med 30 W RF power, O2 gass (30 sccm) og Ar gass (70 sccm) for 75 min.
  5. Tørr etch Si av ICP-RIE med 100 W RF power, 0 W ICP makt, 30 mTorr kammer trykk og 40 sccm SF6 gass for 6 min (figur 1o).
  6. Hvis du vil fjerne PECVD oksid laget, dypp utvalget i BOE for 1 min 30-s, med en Teflon dipper.
  7. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann.
  8. Sette inn et SiO2 lag med en tykkelse på 130 nm bruke PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr press, SiH4 gass (100 sccm) og N2O gass (800 sccm) i 2 minutter.
  9. Mønster SiO2 som en hard maske laget for tørr etsning.
    1. Spin pels positiv PR på prøven ved 4000 rpm for 40 s og myke bake belagt prøven ved 90 ° C i 90 s. utsett prøven for UV-lys med en klima og jordsmonn maske for 10 s.
    2. Fordype eksemplet i utvikleren for 1 min å definere mønsteret, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang. Hardt bake utvalget for herding PR laget på 110 ° C i 5 minutter.
    3. Mønster SiO2 hard masken, dyppe utvalget i BOE for 1 min 30 s med en Teflon dipper, rense den i DI vann og tørke den med en N2 blåserør mens du holder det med tang.
  10. Tørr etse PI av RIE med 30 W RF power, O2 gass (30 sccm) og Ar gass (70 sccm) for 75 min.
  11. Hvis du vil fjerne PECVD oksid laget, dyppe eksemplet i BOE for 30 s, med en Teflon dipper.
  12. Ren prøven sekvensielt med aceton, IPA og DI vann. For å fjerne fuktighet, tørke ren prøven med en N2 blåserør mens du holder det med tang.

6. etsing oppofrende laget og overføre prøven til fleksible substrat

Merk: Se figur 2.

  1. Etch oppofrende laget av leve eksemplet i flussyre 49% etter 20 min (figur 2a, innfelt).
  2. Skyll prøven med DI vann.
  3. Etter benytter en vindusvisker kapillær fenomenet for å absorbere fuktighet mellom underlaget og enheten, tørke ren prøven med en N2 blåserør mens du holder det med pinsett fjerne gjenværende fuktighet (figur 2a).
    1. Utføre skylling og tørking prøven. På grunn av lav vedheft mellom enheten og underlaget har dette gjøres veldig nøye, for ikke å skille underlaget og enheten.
  4. Hold prøven ved hjelp av karbon bånd og feste vannløselige båndet.
  5. Kle av vannløselige tape på et øyeblikk å forhindre apparatet fra gjenværende på underlaget (figur 2b).
  6. Bekreft at prøven er tilknyttet vannløselige båndet.
  7. Overføre prøve å en polydimethylsiloxane (PDMS) belagt polyetylen terephthalate (PET) filmen (figur 2 c).
    1. Forberede PDMS (10:1 blanding av prepolymer: herding agent) og fjern eventuelle luftbobler i PDMS av avgassing.
    2. Spin pels PDMS på PET filmen på 1000 rpm for 30 s og stek PET filmen på en stekeplate ved en temperatur på 110 ° C i 10 min.
    3. Utsette prøven for UV-lys for 30 s å forbedre vedheft av PDMS og legge vannløselige båndet med prøven PDMS-belagt PET filmen.
      Merk: UV-behandling forbedrer vedheft av en PDMS overflate.
  8. Hvis du vil fjerne vannløselige tape, nøye slippe vann, bruker en pipette. Fjerne vannløselige båndet med en treg flyten av vann for å hindre at enheten blir feid bort av vannet. Tørr prøven sakte med en N2 blåserør mens du holder det med tang (figur 2d).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3a og 3b viser designet og fabrikkert oppbygning NIPIN PTR vurderer tidligere studier2,23. Rammemargen i figur 3a utstillinger grunnleggende IV karakteristisk for PTR. Detaljert strukturelle parametere av PTR er vist i figur 3b. Doping prosessen for et Si lag på en SOI wafer ble utført med ion implantering av NNFC. Doping dybden er ~1.25 µm, som er lik for tykkelsen på Si laget, doping konsentrasjonen av n+ og p+ er ~ 1019 cm-3. Doping fordelingen på toppen Si lag har en finger-type doping. Siden uttømming regionen mellom n+ regionen og p+ -regionen, som genereres av finger-type doping, er nyttig for å redusere tap av bilde-generert bærere25. Videre utvider finger-type doping det aktive området genererer bildet generert bærere, og dermed øke effektiviteten cellen. Figur 3 c presenterer en optisk image av dopet Si PTR øyene. IV karakteristisk for en enkelt PTR er vist i figur 3d.

Figur 4a viser fabrikkerte PTR matrisen før en overføring utskrift trinn. Et forstørret bilde viser én PTR cellen i detalj. PI-innkapslet serpentin elektroden har stretchability til enheten og beskytter de elektroder og Si fra en sprekk eller feil. I tillegg til mekanisk stabilitet spiller PI laget en rolle som en antireflective belegg ved å redusere forskjellen i refractive indekser det Si laget og luft. Figur 4b viser optisk bildet for overførte enheten på en PDMS-belagt PET film. Ved hjelp av en utskrift overføringsmetode, kan ferdige enheten plasseres på en fleksibel substrat (f.eks, en tynn PET film). Figur 4 c viser skjematisk illustrasjonene for måling og definisjonen av en radius på kurvatur (RoC). For å måle en elektrisk ytelse i en bøying tilstand, produserte vi skreddersydde manuell scenen å bøye prøven ved å flytte fra side til side. Figur 4 d viser IV kjennetegner PTR matrisen i ulike RoCs (dvs., uendelig, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Dette resultatet viser at funksjonen elektriske av PTR er konstant, uavhengig av RoCs. Lyskilden brukes i dette eksperimentet er et hvitt lys indusert av en halogenlampe. Figur 4e viser forholdet mellom photocurrent mørk gjeldende som en funksjon av spenning med ulike RoCs. Det dynamiske området, som bestemmer følsomheten til photodetector, opprettholdes ~ 600 eller mer, over en bias spenning 2 V. Dette resultatet viser at en tynn Si membran kan oppnå et betydelig dynamisk område på grunn av en lav mørke strøm som vist i rammemargen i finne 4e. Figur 4f viser bildene for bøyd PTR matrise med hver RoC.

Figure 1
Figur 1: skjematisk illustrasjoner av fabrikasjon prosessen med buet phototransistor matrisen. Panelene (en) - (o) viser den sekvensielle prosessen fra fabrikere en phototransistor enhet på et dopet SOI substrat for å opprette en via hull fjerne oppofrende laget av SOI underlaget. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: skjematisk illustrasjoner for overføring utskrift av phototransistor matrise fra SOI wafer til fleksible substrat. (en) dette panelet viser hvordan å danne en åpen mesh struktur og fjerne oppofrende laget. (b) dette panelet viser hvordan koble enheten med vannløselige tape. (c) dette panelet viser hvordan overføre enheten til en klissete fleksibel substrat (f.eksPDMS). (d) dette panelet viser hvordan fjerne vannløselige båndet ved å slippe vann på den. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: skjematisk for enhet-cellen for phototransistor (PTR) og simulering resultatet av IV egenskaper. De første to panelene visning (en) en tilt PTR og (b) en ovenifra PTR. Doping konsentrasjonen er ~ 1019 cm-3 for begge p+ og n+ regioner. Detaljert geometriske verdiene vises i figur 3b. Rammemargen i figur 3a viser grunnleggende IV karakteristisk for PTR. (c) dette panelet viser et optisk mikroskopi bilde dopet Si PTR. Den gule fargen angir Si PTR. Grønne underlaget er en SiO2 for lag. (d) dette panelet viser IV kjennetegner en enkelt PTR under lyse og mørke statene. Rammemargen viser mørke på enkelt celle. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: skjematisk av metoder og resultater for å måle IV egenskaper i buet delstaten phototransistor matrise. (en) dette panelet viser fotografiet av fabrikkerte enheten. Et forstørret bilde viser én PTR cellen i detalj. (b) dette panelet viser fotografiet av en overført enhet på en PDMS-belagt PET film. (c) dette panelet er en forenklet skjematisk av måling. Kurveradiusen (RoC) er definert som radius av en sirkel fra midten av sirkelen, som vist i rammemargen. (d) dette panelet viser IV kjennetegner PTR matrisen under belysning med ulike RoCs. (e) dette panelet er en tomt på forholdet mellom photocurrent mørk gjeldende. Rammemargen demonstrerer en svært lav mørke gjeldende nivå, og dermed forårsaker en høy dynamisk område. (f) dette panelet viser optisk bilder for bøyd PTR matrise i hver RoC. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fabrikasjon teknologien beskrevet her bidrar betydelig til utviklingen av Avansert elektronikk og bærbare enheter. De grunnleggende begrepene for denne tilnærmingen bruker en tynn Si membran og metall interconnectors i stand til å strekke. Selv om Si er en sprø og hard materiale som kan lett bli brukket, kan et meget tynt Si lag få en fleksibilitet26,27. I tilfelle av metall interconnector tilbyr bølgete figuren stretchability og fleksibilitet28,29. Spesielt fungere de metall interconnectors som elektroder for hele enheten som en matrise-typen. Matrisen i form av en åpen mesh, som er implementert i det siste trinnet, gir mykhet på enheten på en strukturert måte. Fortjeneste av tynne Si lag og serpentin elektrodene, dette oppnår stress isolasjon og utgivelser enheten geometri. Også PI laget som omgir hele enheten samtidig tilbyr effekten av antireflection og beskytter enheten mot sprekker eller defekter. Ved hjelp av en overføring utskrift metoden, den ferdige enheten kan plasseres på en fleksibel substrat, og derfor det sikrer betingelsen at enheten kan bli deformert. Gjennom prosessen trinn presenteres her, en Si enhet med mange fordeler i forhold til enheters karakteristika og prosessmodenhet kan bli realisert som en deformerbare elektronikk.

For å få en PTR celle med en lav mørke strøm, er enheten doping prosessen avgjørende. Doping dybden er mer kritisk enn urenhet konsentrasjonen fordi dyp doping kan danne flere uttømming regioner sammenlignet med grunne doping. I regionen utarming, foto-generert elektroner og hull recombine ikke og dette er den primære faktoren reduserer mørke strømmen i dyp-dopet PTR. For dypere doping er en ion implantasjon metode mer egnet enn metoden spredning. Vi gjennomførte urenhet doping ved hjelp av metoden for ion-implantasjon tilsvarer trinn 1 i denne protokollen. Hvis du skal utføre doping prosessen, kan du vurdere å bruke kommersielle teknologi dataassistert konstruksjon (TCAD) simuleringer for å anslå doping dybden og konsentrasjon.

Metallization trinn (trinn 3 og 4) er en av de viktigste prosessene i fabrikasjon teknologien beskrevet her. I denne protokollen, Au brukes som en elektronisk bane, men Au har en dårlig heft med et PI. Et Cr (eller Ti) lag er derfor nødvendig å vedheft for Au og PI. På grunn av PI tykkelse, som er ~1.2 µm i dette eksperimentet, har metall linjer avsatt av et elektron strålen eller termisk evaporations ikke en tilstrekkelig trinn dekning. I denne protokollen brukes en sputtering prosess i dette trinnet. Det anbefales at du bruker en frese for metallization. Etter metall mønsteret er dannet av løsning etsing, rengjøres prøven med DI. Et forsiktig N2 gass slag kreves deretter å tørke vannet fra utvalget, fordi en sterk gass slag kan skrelle av metall lagene.

Danner en via hull (trinn 5), som trenger både PI og Si lag av en etsning prosess, er også kritisk i denne fabrikasjon teknologien. Det er vanskelig å avgjøre om den via hull mønstre er godt generert eller ikke fordi den via hull har en liten diameter (~ 2 µm). Siden fargen endres etter etsing prosessen, anbefaler vi observere innsiden av den via hull mønstre av mikroskopet på hvert trinn. Deretter må PI laget være mønstrede i form av en serpentin mesh. Dette er et viktig skritt for enheten til en fleksibel/elastisk eiendom.

For fjerning av oppofrende SiO2 laget (trinn 6) er det viktig å vite etsing graden av boksen oksid laget av flussyre (HF) gjennom kontinuerlig mikroskopiske observasjon. Også bør tørking DI vann som har vært etter rengjøring av HF nøye utføres fordi blåser N2 gassen kan skrelle av enheten fra håndtering Si substrat. Vi anbefaler blåser N2 gassen forsiktig. HF er svært skadelig for menneskekroppen, bør eksperimentet utføres i et miljø som er utstyrt med verneutstyr, vernehansker og en gass lufting systemet. Det påfølgende trinnet i denne protokollen, må overføring utskriftsprosessen (trinn 6), kresen og dyktige teknikker. For eksempel, når du fjerner enheten bruker en vannløselig tape, er det fordelaktig å sikre avkastningen ved å fjerne tapen med høy hastighet.

I konklusjonen, presenteres denne artikkelen en prosess for å fabrikere en fleksibel Si PTR matrise med en rekke semiconductor metallbearbeiding prosesser som deponering, etsing, klima og jordsmonn og overføre utskrift. For innblikket av denne fabrikasjon prosessen illustrert denne artikkelen bestemt fabrikasjon metoder med detaljerte beskrivelser. Denne artikkelen beskrives også hvordan vi pleide tilnærming beskrevet her å dikte prøven og måle enheten ytelsen fabrikkerte prøvene i IV egenskaper med og uten belysning for forskjellige RoCs. Dette resultatet viser at Si PTR matrisen har en mekanisk og elektrisk stabilitet i en deformert tilstand. I denne studien er mekanisk begrensningene av Si overvinne ved å innføre en struktur i stand til en tredimensjonal deformasjon i Si, som ikke er iboende myk. Derfor kan fabrikasjon prosedyren også være nyttig for andre programmer innen fleksibel/elastisk elektronikk og bærbare enheter som helsetjenester skjermer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen ble støttet av den kreative funn programmet gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) finansiert av departementet for vitenskap og IKT (NRF-2017M3D1A1039288). Også ble denne forskningen støttet av Institutt for informasjon og kommunikasjon teknologi forfremmelse (IITP) gi finansiert av Korea regjeringen (MSIP) (No.2017000709, integrert tilnærming av fysisk unclonable kryptografiske primitiv bruker tilfeldig lasere og optoelectronics).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ko, H. C., et al. A hemispherical electronic eye camera based on compressible silicon optoelectronics. Nature. 454, 748-753 (2008).
  2. Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Li, X., et al. Constructing fast carrier tracks into flexible perovskite photodetectors to greatly improve responsivity. ACS Nano. 11 (2), 2015-2023 (2017).
  12. 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).
  13. Dumas, D., et al. Infrared camera based on a curved retina. Optics Letters. 37 (4), 653-655 (2012).
  14. 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).
  15. Gregory, J. A., et al. Development and application of spherically curved charge-coupled device imagers. Applied Optics. 54 (10), 3072-3082 (2015).
  16. Guenter, B., et al. Highly curved image sensors: a practical approach for improved optical performance. Optics Express. 25 (12), 13010-13023 (2017).
  17. Wu, T., et al. Design and fabrication of silicon-tessellated structures for monocentric imagers. Microsystems & Nanoengineering. 2, 16019 (2016).
  18. Yoon, J., et al. Flexible concentrator photovoltaics based on microscale silicon solar cells embedded in luminescent waveguides. Nature Communications. 2, 343 (2011).
  19. Lee, S. M., et al. Printable nanostructured silicon solar cells for high-performance, large-area flexible photovoltaics. ACS Nano. 8 (10), 10507-10516 (2014).
  20. 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).
  21. Van den Brand, J., et al. Flexible and stretchable electronics for wearable health devices. Solid-State Electronics. , 116-120 (2015).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Kim, D. H., et al. Stretchable and foldable silicon integrated circuits. Science. 320, 507-511 (2008).
  25. 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).
  26. Lu, N. Mechanics, materials, and functionalities of biointegrated electronics. The Bridge. 43 (4), 31-38 (2013).
  27. 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).
  28. Shin, G., et al. Micromechanics and advanced designs for curved photodetector arrays in hemispherical electronic-eye cameras. Small. 6 (7), 851-856 (2010).
  29. Jung, I., et al. Paraboloid electronic eye cameras using deformable arrays of photodetectors in hexagonal mesh layouts. Applied Physics Letters. 96 (2), 21110 (2010).

Tags

Engineering buet problemet 136 lateral phototransistors fleksibel elektronikk elastisk enheter bærbare enheter bildesensorer
Fabrikasjon av fleksible Image Sensor basert på Lateral NIPIN Phototransistors
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, H. M., Lee, G. J., Kim, M. S.,… More

Kim, H. M., Lee, G. J., Kim, M. S., Song, Y. M. Fabrication of Flexible Image Sensor Based on Lateral NIPIN Phototransistors. J. Vis. Exp. (136), e57502, doi:10.3791/57502 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter