Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fabrikation af fleksible billedsensor baseret på Lateral RAFNS 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 præsenterer en detaljeret metode til at fabrikere en deformerbare laterale RAFNS phototransistor array for buede billedsensorer. Phototransistor array med en åben mesh form, som er sammensat af tynde silicium øer og elastisk metal samkøringslinjer, giver fleksibilitet og strækbarhed. Parameter analyzer karakteriserer den opdigtede phototransistor elektriske ejendom.

Abstract

Fleksibel fotodetektor er blevet intenst undersøgt for brug af buede billedsensorer, som er en afgørende komponent i bio-inspirerede Billeddannende systemer, men flere udfordrende punkter forbliver som en lav absorptionsevnen på grund af en tynd aktive lag og lav fleksibilitet. Vi præsenterer en avanceret metode for at fremstille en fleksibel phototransistor array med en forbedret elektriske ydeevne. Den fremragende elektriske ydeevne er drevet af en mørk svagstrøm på grund af dyb urenhed doping. Stretchable og fleksibel metal samkøringslinjer tilbyde samtidig elektrisk og mekanisk stabilitet i en stærkt deforme tilstand. Protokollen beskriver udtrykkeligt fabrikationsproces af phototransistor ved hjælp af en tynd silicium membran. Ved at måle-V egenskaber af de færdige enhed i deforme stater, vise vi, at denne strategi forbedrer de mekaniske og elektriske stabilitet af phototransistor array. Vi forventer, at denne tilgang til en fleksibel phototransistor kan være almindeligt anvendt for anvendelser af næste generations Billeddannende systemer/Optoelektronik, men også bærbare enheder som taktile/tryk/temperatur sensorer og sundhed skærme.

Introduction

Bio-inspirerede Billeddannende systemer kan give mange fordele i forhold til de konventionelle imaging systems1,2,3,4,5. Nethinden eller halvkugleformet ommatidia er en væsentlig komponent i biologisk visuelle system1,2,6. En buet billedsensor, der efterligner det kritiske element i dyrenes øjne, kan give en kompakt og enkel konfiguration af optiske systemer med lav aberrationer7. Forskellige uddybelser fabrication teknikker og materialer, for eksempel, brug af uløseligt bløde materialer som økologisk/nanomaterialer8,9,10,11, 12 og indførelsen af deformerbare strukturer til halvledere herunder silicium (Si) og germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, realisere de buede billedsensorer. Blandt dem giver Si-baserede tilgange iboende fordele såsom en overflod af materiale, modne teknologi, stabilitet og optisk/elektrisk overlegenhed. Af denne grund, selvom Si har iboende stivhed og sprødhed, er Si-baserede fleksible elektronik blevet bredt undersøgt for forskellige anvendelser, såsom fleksibel Optoelektronik18,19,20 herunder buede billede sensorer1,2,3, og endda wearable healthcare enheder21,22.

I en nylig undersøgelse, vi analyseret og forbedret den elektriske udførelse af en tynd Si fotodetektor array23. I denne undersøgelse er den optimale enkelte enhed celle i matrixen buede fotodetektor typen phototransistor (PTR), der består af en fotodiode og blokerende diode. Base junction gevinst forstærker en genereret photocurrent, og dermed det udstiller en rute for at forbedre en elektrisk ydeevne med en tynd film struktur. Ud over en enkelt celle er tynd film velegnet til at undertrykke en mørk strøm, der betragtes som støj i fotodetektor. Med hensyn til doping koncentration er en koncentration, der er større end 1015 cm-3 tilstrækkelig til at opnå en enestående ydeevne, diode karakteristika kan opretholdes med en let intensitet over 10-3 W/cm2 23 . Derudover PTR enkelt celle har en lav kolonne støj og optisk/elektrisk stabilt egenskaber sammenlignet med en fotodiode. Baseret på disse designregler, opdigtet vi en fleksibel fotodetektor array, der består af tynde Si PTRs ved hjælp af en silicium-på-insulator (SOI) wafer. Generelt er et vigtigt design regel af fleksible billedsensorer begrebet neutral mekaniske fly, som definerer position gennem tykkelsen af strukturen hvor stammer er nul for et vilkårligt lille r24. Et andet afgørende punkt er en serpentine geometri af elektroden fordi en bølget form giver fuldt reversibel strækbarhed til elektrode. På grund af disse to vigtige designkoncepter, kan fotodetektor array være smidig og elastisk. Det letter 3D deformationen af matrixen fotodetektor i en halvkugleformet figuren eller en buet som nethinden af dyrs øjne2.

I dette arbejde, vi detalje processer til fremstilling af den buede PTR array ved hjælp af halvleder fabrication processer (f.eks., doping, ætsning og deposition) og overførsel udskrivning. Også, vi karakterisere en enkelt PTR i form af en-V kurve. Ud over de fabrication metode og individuelle celle analyse, er det elektriske element i matrixen PTR analyseres i deforme stater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsigtig: Nogle kemikalier (dvs., flussyre, buffered oxid TIPkan, isopropylalkohol, osv.) anvendes i denne protokol kan være sundhedsfarlige. Kontakt venligst alle relevante leverandørbrugsanvisninger, før nogen prøveforberedelse finder sted. Bruge relevante personlige værnemidler (fx., lab frakker, sikkerhedsbriller, handsker) og teknisk kontrol (fx., våd station, fume hood) ved håndtering af produktet og opløsningsmidler.

1. Si Doping og Isolation

Bemærk: Se figur 1a - 1 d.

  1. Forberede en doteret SOI wafer af Ionimplantering med betingelser som følger: dopant-fosfor/boron, energi af 80/50 keV og en dosis af 5 x 1015/3 x 1015 cm-3 for n+ og p+ doping, henholdsvis. For at genoprette en crystallinity af wafer, at anneal prøve ved en temperatur på 1.000 ° C i 120 minutter i en ovn efter Ionimplantering. Forberede de doteret prøver ved hjælp af ion implantation proces fra nationalt NanoFab Center (NNFC) til høj proces stabilitet og dybt doping dybde (figur 1a).
  2. Hvis du vil fjerne den indfødte oxid, dyppe hakkede prøven ved hjælp af en Teflon dipper i bufferet oxid TIPkan (BOE) for 5 s og rense den hakkede prøve sekventielt med acetone, isopropylalkohol (IPA) og deioniseret vand (DI) vand.
  3. Danne en photoresist (PR) mønster for Si isolation (figur 1b).
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 1 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. Hårdt bage prøve for hærdning laget PR på 110 ° C i 5 min.
  4. Tør etch prøven af Si ved hjælp af Induktivt koblet plasma-reaktiv ion radering (ICP-RIE) med 100 W RF power, 0 W ICP power, 30 mTorr kammeret pres og SF6 gas (40 sccm) for 6 min (figur 1 c).
  5. Hvis du vil fjerne en begravet oxidlag, dyppe prøver i hydrogenfluorid 49% for 2 min, ved hjælp af en Teflon dipper (fig. 1 d).
  6. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand. For at fjerne fugt, tør prøve med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.

2. opoffrende oxid lag Deposition

Bemærk: Se figur 1e - 1 g.

  1. Indbetale et SiO2 blote lag med en tykkelse på 130 nm med plasma forbedret kemisk dampudfældning (PECVD) med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr pres, SiH4 gas (100 sccm) og N2O gas (800 sccm) i 2 min. ( Figur 1e).
  2. Mønster PR lag som en maske til et SiO2 blote lag (figur 1f).
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 1 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. Hårdt bage prøve for hærdning laget PR på 110 ° C i 5 min.
  3. For at mønster PECVD oxidlag, dyppe prøven i BOE for 30 s, ved hjælp af en Teflon dipper (figur 1 g).
  4. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand. For at fjerne fugt, tør prøve med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.

3. deposition af det første lag af polyimid og udføre den første Metallization

  1. Spin frakke Polyimid (PI) på prøve ved 4000 rpm for 60 s, bind det på 110 ° C i 3 min og ved 150 ° C i 10 min på en varmeplade, og bind det ved 230 ° C i 60 min i en N2 atmosfære ved at levere N2 til ovn (figur 1 h).
  2. Indbetale et SiO2 lag med en tykkelse på 130 nm ved hjælp af PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1.000 mTorr pres, SiH4 gas (100 sccm), og N2O gas (800 sccm) for 2 min.
  3. Mønster SiO2 som en hård maske lag for PI tørre radering (figur 1i).
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 1 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. Hårdt bage prøve for hærdning laget PR på 110 ° C i 5 min.
    3. For at mønster SiO2 hårde maske, dyppe prøven i BOE for 30 s bruger en Teflon dipper, rense det i DI vand, og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.
  4. Tør etch PI ved hjælp af RIE med 30 W RF power, O2 gas (30 sccm) og Ar gas (70 sccm) i 20 min.
  5. Hvis du vil fjerne oxidlaget PECVD, dyppe prøven i BOE for 30 s, ved hjælp af en Teflon dipper.
  6. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand. For at fjerne fugt, tør prøve med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.
  7. Depositum 10 nm/200 nm tykkelse af Cr/Au ved katodeforstøvning.
  8. Mønster Cr/Au metallag (figur 1j).
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 1 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. For at hærde PR, hårdt bage prøve på 110 ° C i 5 min.
    3. Etch Cr/Au lag med en våd TIPkan for 60 s/20 s, henholdsvis.
  9. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand. For at fjerne fugt, tør prøve med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.
    Bemærk: Den rensning oparbejde har at være meget forsigtig, da der er en risiko for afskalning PI lag.

4. aflejring af det andet lag af polyimid og udfører den anden Metallization

  1. Spin frakke PI på prøve ved 4000 rpm for 60 s, bind det på 110 ° C i 3 min og ved 150 ° C i 10 min på en varmeplade, og bind det ved 230 ° C i 60 min i en N2 atmosfære ved at levere N2 til ovn (figur 1 k).
  2. Indbetale et SiO2 lag med en tykkelse på 130 nm ved hjælp af PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1.000 mTorr pres, SiH4 gas (100 sccm) og N2O gas (800 sccm) for 2 min.
  3. Mønster SiO2 som en hård maske lag til tørre ætsning (figur 1 l).
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 1 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. Hårdt bage prøve for hærdning laget PR på 110 ° C i 5 min.
    3. For at mønster SiO2 hårde maske, dyppe prøven i BOE for 30 s bruger en Teflon dipper, rense det i DI vand, og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.
  4. Tør etch PI ved hjælp af RIE med 30 W RF power, O2 gas (30 sccm) og Ar gas (70 sccm) i 50 min.
  5. Hvis du vil fjerne oxidlaget PECVD, dyppe prøven i BOE for 30 s, ved hjælp af en Teflon dipper.
  6. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand.
  7. Depositum 10 nm/200 nm tykkelse af Cr/Au af sputter belægning.
  8. Mønster Cr/Au metallag (figur 1 m).
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 1 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. Hårdt bage prøve for hærdning laget PR på 110 ° C i 5 min.
    3. Etch Cr/Au lag af en våd TIPkan for 60 s/20 s, henholdsvis.
  9. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand.
  10. For at fjerne fugt, tør og ren bærematerialet med en nitrogen blæsepistol samtidig holde den med pincet.
    Bemærk: Der er en risiko for afskalning polyimid lag, så udføre renseprocessen meget omhyggeligt.

5. indkapsling prøve med PI og åbning Via huller og Mesh struktur

  1. Spin frakke PI på prøve ved 4000 rpm for 60 s, bind det på 110 ° C i 3 min og ved 150 ° C i 10 min på en varmeplade, og bind det ved 230 ° C i 60 min i en N2 atmosfære ved at levere N2 til ovn (figur 1n).
  2. Indbetale et SiO2 lag med en tykkelse på 650 nm ved hjælp af PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1.000 mTorr pres, SiH4 gas (100 sccm) og N2O gas (800 sccm) for 8 min.
  3. Mønster SiO2 som en hård maske lag til tørre ætsning.
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 2 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. Hårdt bage prøve for hærdning laget PR på 110 ° C i 5 min.
    3. Til mønster SiO2 hårde maske, dyppe prøven i BOE for 1 min 30 s bruger en Teflon dipper, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.
      Bemærk: På grund af den lille størrelse af mønstret, det er nødvendigt at lade det udvikle længere end den foregående udviklingstid.
  4. Tør etch PI ved hjælp af RIE med 30 W RF power, O2 gas (30 sccm) og Ar gas (70 sccm) til 75 min.
  5. Tør etch Si af ICP-RIE med 100 W RF power, 0 W ICP power, 30 mTorr kammeret pres og 40 sccm SF6 gas til 6 min (figur 1o).
  6. Hvis du vil fjerne oxidlaget PECVD, dyppe prøven i BOE for 1 min 30 s, ved hjælp af en Teflon dipper.
  7. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand.
  8. Indbetale et SiO2 lag med en tykkelse på 130 nm ved hjælp af PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr pres, SiH4 gas (100 sccm) og N2O gas (800 sccm) for 2 min.
  9. Mønster SiO2 som en hård maske lag til tørre ætsning.
    1. Spin frakke positive PR på prøve ved 4000 rpm for 40 s og bløde bage belagt prøven ved 90 ° C til 90 s. udsætte prøven til UV-lys med en fotolitografi maske for 10 s.
    2. Fordyb prøven i udvikleren nemlig 1 min til at definere mønsteret, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet. Hårdt bage prøve for hærdning laget PR på 110 ° C i 5 min.
    3. Til mønster SiO2 hårde maske, dyppe prøven i BOE for 1 min 30 s bruger en Teflon dipper, rense det i Deioniseret vand og tør det med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet.
  10. Tør etch PI af RIE med 30 W RF power, O2 gas (30 sccm) og Ar gas (70 sccm) til 75 min.
  11. Hvis du vil fjerne oxidlaget PECVD, dyppe prøven i BOE for 30 s, ved hjælp af en Teflon dipper.
  12. Ren prøve sekventielt med acetone, IPA og DI vand. For at fjerne fugt, tør og ren prøven med en N2 blæsepistol samtidig holde den med pincet.

6. ætsning det blote lag og overføre prøven til fleksibel substrat

Bemærk: Se figur 2.

  1. Etch det blote lag ved at nedsænke prøven i hydrogenfluorid 49% for 20 min (figur 2a, indsatser).
  2. Skyl prøve med Deioniseret vand.
  3. Efter benytter en vinduesvisker kapillær fænomenet til at absorbere fugt mellem substratet og enheden, tør og ren prøven med en N2 blæsepistol samtidig holde den med pincet til at fjerne de resterende fugt (figur 2a).
    1. Udføre skylning og tørring prøven. På grund af lav friktion mellem enheden og substrat har dette skal gøres meget omhyggeligt, for ikke at adskille substratet og enheden.
  4. Holde prøven ved hjælp af kulstof tape og vedhæfte den vandopløselige tape.
  5. Krænge af den vandopløselige tape på et øjeblik til at forhindre, at enheden fra resterende på substrat (figur 2b).
  6. Bekræfte, at prøven er knyttet til den vandopløselige tape.
  7. Overføre prøven til et Polydimethylsiloxan (PDMS) belagt polyethylen polyethylenterephthalatfolie (PET) film (figur 2 c).
    1. Forberede PDMS (10:1 blanding af prepolymer: hærdning agent), og fjern eventuelle luftbobler i PDMS ved afgasning.
    2. Spin frakke PDMS på PET-folie på 1000 rpm for 30 s og bages PET-folie på en varmeplade ved en temperatur på 110 ° C i 10 min.
    3. Udsætte prøven til UV-lys til 30 s til at forbedre vedhæftning af PDMS og vandopløselige båndet med prøven til PDMS-belagt PET-folie.
      Bemærk: UV behandling forbedrer vedhæftning af et PDMS overflade.
  8. For at fjerne den vandopløselige tape, opmærksomt drop vand på det, ved hjælp af en pipette. Fjern den vandopløselige tape med en langsom strøm af vand for at forhindre den fra at blive fejet væk af vandet. Tør prøve langsomt med en N2 blæsepistol mens du holder det med pincet (figur 2d).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3a og 3b Vis NIPIN PTR overvejer tidligere undersøgelser2,23designede og fremstillede struktur. Indsatser i figur 3a udstiller en grundlæggende I-V, der kendetegner PTR. PTR detaljerede strukturelle parametre er vist i figur 3b. Doping processen for et Si lag på en SOI wafer blev gennemført ved hjælp af Ionimplantering af NNFC. Doping dybden er ~1.25 µm, hvilket svarer til tykkelsen af laget Si, og doping koncentrationen af n+ og p+ er ~ 1019 cm-3. Doping fordelingen på toppen Si lag har en finger-type doping. Side nedbrydning region mellem n+ region og p+ region, som er genereret af finger-type doping, er nyttig til at reducere tabet af foto-genereret luftfartsselskaber25. Derudover udvider finger-type doping active regionen generere foto-genereret luftfartsselskaber, dermed øge celle effektivitet. Figur 3 c præsenterer et optisk billede af doteret Si PTR øer. V karakteristisk for en enkelt PTR er vist i figur 3d.

Figur 4a viser den opdigtede PTR array før en overførsel udskrivning trin. Et forstørret billede viser cellen enkelt PTR i detaljer. PI-indkapslede serpentine elektrode giver strækbarhed til enheden og beskytter elektroder og Si celler fra en knæk eller svigt. Ud over mekaniske stabilitet spiller PI lag en rolle som en antireflective belægning ved at reducere forskellen i refraktive indeks Si lag og luft. Figur 4b viser den optisk billede for den overførte enhed på en PDMS-belagt PET-folie. Ved hjælp af en udskrivning overførselsmetode, kan det færdige enhed placeres på en fleksibel substrat (fx, en tynd PET-folie). Figur 4 c udstiller de skematiske illustrationer af opsætningen til måling og definitionen af en krumningsradius (RoC). For at måle en elektrisk ydelse i tilstanden bøjning, producerede vi skræddersyede manuel scenen for at bøje prøven ved at flytte fra side til side. Figur 4 d viser matrixen PTR-V egenskaber i forskellige RoCs (dvs., infinity, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Dette resultat viser, at den elektriske funktion af PTR er konstant uanset RoCs. Lyskilde anvendes i dette eksperiment er et hvidt lys, fremkaldt af en halogenlampe. Figur 4e viser forholdet mellem photocurrent til mørke strøm som funktion af spændingen med forskellige RoCs. Dynamikområde, som bestemmer følsomheden af fotodetektor, bibeholdes på ~ 600 eller mere over en bias spænding på 2 V. Dette resultat viser, at en tynd Si membran kan opnå en betydelig dynamikområde på grund af en mørk svagstrøm som vist i indsatser af figur 4e. Figur 4f viser billeder til den bøjet PTR array med hver RoC.

Figure 1
Figur 1: skematisk illustrationer af fabrikationsproces af matrixen buede phototransistor. Panelerne (en) - (o) viser den sekventielle proces fra opdigte en phototransistor enhed på et doteret SOI substrat til at skabe en via hul for at fjerne det blote lag af SOI substrat. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: skematisk illustrationer til overførsel udskrivning af matrixen phototransistor fra SOI wafer til fleksibel substrat. (en) dette panel viser hvordan man danner en åben mesh struktur og fjerne det blote lag. (b) dette panel viser hvordan man afmontere enheden med vandopløselige tape. (c) dette panel viser, hvordan til at overføre enheden til en klæbrig fleksible substrat (fxPDMS). (d) dette panel viser, hvordan du fjerner den vandopløselige tape ved at droppe vand på det. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: skemaer for enkelt enhed celle phototransistor (PTR) og simulation resultatet af I-V egenskaber. De første to paneler viser (en) en tilt udsigt den PTR og (b) en ovenfra af PTR. Doping koncentrationen er ~ 1019 cm-3 for begge p+ og n+ regioner. De detaljerede geometriske værdier vises i figur 3b. Indsatser i figur 3a viser en grundlæggende I-V, der kendetegner PTR. (c) dette panel viser et optisk mikroskopi billede på doteret Si PTRs. Den gule farve indikerer Si PTRs. Den grønne substrat er en SiO2 boks lag. (d) dette panel viser en enkelt PTR-V egenskaber under de lyse og mørke stater. Indsatsen viser mørke nuværende af en enkelt celle. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: skematisk af metoder og resultater for måling-V egenskaber i den buede tilstand af phototransistor array. (en) dette panel viser fotografering af de fabrikerede enhed. Et forstørret billede viser cellen enkelt PTR i detaljer. (b) dette panel viser fotografering af en overførte enhed på en PDMS-belagt PET-folie. (c) dette panel er en forenklet skematisk af opsætningen af måling. Krumningsradius (RoC) defineres som radiussen af en cirkel fra midten af cirklen, som illustreret i indsatsen. (d) dette panel viser matrixen PTR under belysning med forskellige RoCs-V egenskaber. (e) dette panel er et plot af forholdet mellem photocurrent til mørke aktuelle. Indsatsen viser en meget lav mørke nuværende niveau, hvorved et højt dynamikområde. (f) dette panel viser optiske billeder for matrixen bøjet PTR i hver RoC. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den fabrikation teknologi beskrevet her bidrager væsentligt til udvikling af avanceret elektronik og bærbare enheder. De grundlæggende begreber i denne fremgangsmåde bruger en tynd Si membran og metal samkøringslinjer i stand til at strække. Selvom Si er en skør og hårde materiale, der kan nemt være brækket, kan et meget tyndt Si opnå en fleksibilitet26,27. I tilfælde af metal samkøringslinjen tilbyder den bølgede form strækbarhed og fleksibilitet28,29. Navnlig fungere metal samkøringslinjerne som elektroder til hele enheden til at fungere som en matrix type. Matrix form af en åben mesh, som er implementeret i den endelige skridt, giver blødhed til enheden på en struktureret måde. Sammen med fordelene ved Si tyndt og serpentine elektroderne, dette opnår stress isolation og frigiver enhed geometri. Også, det PI lag, der omgiver hele enheden samtidig tilbyder virkningerne af antireflection og beskytter enheden mod revner eller defekter. Ved hjælp af en overførsel udskrivning metode, fabrikerede enheden kan placeres på en fleksibel substrat, og dermed, det sikrer den betingelse, at enheden kan være deforme. Gennem processen trin præsenteres her, en Si-enhed med mange fordele med hensyn til enhedens egenskaber og procesmodenhed kan realiseres som en deformerbare elektronik.

For at opnå en PTR celle med en mørk svagstrøm, er enheden doping proces afgørende. Doping dybden er mere kritisk end urenhed koncentration, fordi den dybe doping kan danne mere udtynding regioner sammenlignet med lavvandede doping. Foto-genereret elektroner og huller kombinere ikke i regionen udtynding, og dette er den primære faktor at reducere den mørke aktuelle i dyb-doped PTR. For dybere doping er en ion implantation metode mere egnet end metoden diffusion. Vi har gennemført urenhed doping ved hjælp af metoden ion implantation svarer til trin 1 i denne protokol. At held udføre de doping proces, overveje at bruge kommercielle teknologi computerstøttet design (TCAD) simuleringer til at vurdere de doping dybde og koncentration.

Metallization trin (trin 3 og 4) er en af de mest kritiske processer i den fabrikation teknologi beskrevet her. I denne protokol, Au bruges som en elektronisk sti, men Au har en dårlig vedhæftning med en PI lag. En Cr (eller Ti) lag er således nødvendig for at fremme vedhæftning af Au og PI. På grund af PI tykkelse, som er ~1.2 µm i dette eksperiment, har metal linjer deponeret af en elektron stråle eller termisk evaporations ikke et tilstrækkeligt skridt dækning. I denne protokol bruges en spruttende proces i dette trin. Vi anbefaler at bruge en sputter proces for metallization. Efter metal mønsteret er dannet af løsning ætsning, renset prøven med Deioniseret vand. En omhyggelig N2 gas blow kræves derefter tørre vand fra stikprøven, fordi en stærk gas blow kan skalle af metal lagene.

Danner en via hul (trin 5), som trænger både PI og Si lag af en Radering proces, er også vigtige i denne fabrikation teknologi. Det er vanskeligt at afgøre, om den via hul mønstre er godt genereret eller ikke fordi den via huller har en lille diameter (~ 2 µm). Da farven er ændret efter ætsning-processen, anbefaler vi at observere indersiden af den via hul mønstre af mikroskop under hvert trin. Derefter, PI lag skal være mønstrede i form af en serpentine mesh. Dette er et vigtigt skridt for enheden for at opnå en fleksibel/elastisk ejendom.

Til fjernelse af den hellige SiO2 lag (trin 6) er det vigtigt at kende ætsning graden af oxidlag boks af flussyre (HF) gennem kontinuerlig mikroskopiske observation. Også, tørring DI vand, der er forblevet efter rengøring af HF bør omhyggeligt udføres, fordi blæser N2 gas kan skalle af enheden fra håndtering Si substrat. Vi anbefaler blæser N2 gas forsigtigt. Fordi HF er meget skadelige for den menneskelige krop, bør forsøget foretages i et miljø, der er udstyret med beskyttelsesudstyr, beskyttelseshandsker og en gas udluftning system. De efterfølgende trin i denne protokol, overførsel udskrivning proces (trin 6), skal kræsen og dygtig teknikker. For eksempel, når du fjerner enheden ved hjælp af et vandopløseligt bånd, er det fordelagtigt at sikre udbyttet ved at fjerne tape med høj hastighed.

Sidst præsenteres i denne artikel en proces for at fabrikere en fleksibel Si PTR array ved hjælp af en række semiconductor fabrication processer såsom deposition, ætsning, fotolitografi, og overførsel udskrivning. For indsigt i denne fabrikationsproces illustreret denne artikel bestemt fabrikation metoder med detaljerede beskrivelser. Denne artikel beskrives også, hvordan vi brugt metoden beskrevet her til at fabrikere prøven og måle enhed ydeevne af opdigtede prøverne i-V egenskaber med og uden belysning for forskellige RoCs. Dette resultat viser, at Si PTR matrix har en mekanisk og elektrisk stabilitet i en deform tilstand. I denne undersøgelse, er de mekaniske begrænsninger af materialerne, Si overvinde ved at indføre en struktur, der er i stand til af en tre-dimensionel deformation i Si, som ikke er i sagens natur blød. På grund af dette, kan fabrikation procedure også være nyttige for andre programmer i feltet af fleksibel/elastisk elektronik og bærbare enheder såsom sundhedspleje skærme.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet af den kreative materialer Discovery Program gennem National Research Foundation af Korea (NRF) finansieret af Ministeriet for videnskab og IKT (NRF-2017M3D1A1039288). Også blev denne forskning støttet af Institut for informations- og kommunikations teknologi fremme (IITP) tilskud finansieret af Korea regering (MSIP) (No.2017000709, integrerede strategier for fysisk unclonable kryptografiske primitiver ved hjælp af tilfældige lasere og 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

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 sag 136 lateral phototransistors fleksibel elektronik elastisk enheder bærbare enheder billedsensorer
Fabrikation af fleksible billedsensor baseret på Lateral RAFNS 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