Summary
Nous présentons une méthode détaillée pour fabriquer un tableau déformable du phototransistor Mikael latéral pour les capteurs d’images courbes. Le tableau de phototransistor avec une forme de mailles ouvertes, qui se compose des îles de silicium mince et interconnexions métalliques extensibles, apporte souplesse et extensibilité. L’analyseur de paramètre caractérise les propriétés électriques du phototransistor fabriqué.
Abstract
Photodétecteurs flexibles ont été intensément étudiés pour l’utilisation de capteurs d’images courbes, qui sont une composante essentielle dans les systèmes d’imagerie bio-inspirés, mais plusieurs points difficiles demeurent, comme une efficacité d’absorption faible en raison d’une fine couche active et peu flexibilité. Nous présentons une méthode avancée pour fabriquer un tableau phototransistor flexible avec une amélioration des performances électriques. Excellentes performances électriques sont entraînée par un faible courant d’obscurité en raison de la profonde impureté dopage. Extensibles et flexibles des interconnexions métalliques offrent simultanément des stabilités électriques et mécaniques dans un état très déformée. Le protocole décrit explicitement le processus de fabrication du phototransistor utilisant une membrane mince de silicium. En mesurant les caractéristiques I-V de l’appareil rempli dans les États déformés, nous démontrons que cette approche améliore la stabilité mécanique et électrique du tableau phototransistor. Nous espérons que cette façon d’aborder un phototransistor flexible peut être employée couramment pour les applications non seulement nouvelle génération de systèmes d’imagerie/optoélectronique, mais également les dispositifs portables tels que les capteurs tactiles/pression/température et santé.
Introduction
Systèmes d’imagerie bio-inspirés peuvent fournir beaucoup d’avantages par rapport à la classique systèmes d’imagerie1,2,3,4,5. Les ommatidies hémisphériques ou la rétine est un élément essentiel du système visuel biologique1,2,6. Un capteur incurvé, qui imite l’élément critique des animaux yeux, peut fournir une configuration compacte et simple de systèmes optiques avec des aberrations faible7. Diverses améliorations des techniques de fabrication et de matériaux, par exemple, l’utilisation de matériaux intrinsèquement mous tels que de l’organique/nanomatériaux8,9,10,11, 12 et l’introduction de structures déformables à semi-conducteurs comme le silicium (Si) et le germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, réaliser les capteurs d’image courbée. Parmi eux, approches Si fournissent des avantages intrinsèques tels que l’abondance des matériaux, la technologie mature, stabilité et supériorité optique/électrique. Pour cette raison, bien que TR a rigidité intrinsèque et fragilité, électronique flexible axée sur les Si ont été largement étudiés pour différentes applications, telles qu’optoélectronique flexible18,19,20 y compris les courbes image capteurs1,2,3et des dispositifs de soins de santé même portable21,22.
Dans une étude récente, nous avons analysé et amélioré le rendement électrique d’un mince TR photodétecteur tableau23. Dans cette étude, la maille unique optimale du tableau photodétecteur incurvée est un type de phototransistor (PTR) constitué d’une photodiode et la diode de blocage. Le gain de la jonction base amplifie un photocourant généré, et d'où il montre une voie pour améliorer un rendement électrique avec une structure de couche mince. En plus de la cellule, la structure de la couche mince est conçue pour supprimer un courant d’obscurité, qui est considéré comme du bruit dans le photodétecteur. Concernant la concentration de dopage, une concentration supérieure à 1015 cm-3 est suffisante pour atteindre une performance exceptionnelle dans laquelle les caractéristiques de la diode peuvent être maintenues avec une intensité lumineuse de plus de 10-3 W/cm2 23 . Par ailleurs, la cellule unique PTR a un colonne bas de bruit et optiquement/électrique stable propriétés par rapport à celle de la photodiode. Basé sur ces règles de conception, nous avons fabriqué un tableau photodétecteur flexible qui se compose de fines Si REE à l’aide d’une plaquette de silicium sur isolant (SOI). En règle générale, une règle de conception importantes de capteurs d’images flexible est le concept de plan mécanique neutre qui définit la position dans l’épaisseur de la structure où les souches sont nulles pour un arbitrairement petit r24. Un autre point crucial est une géométrie de serpentine de l’électrode parce qu’une forme ondulée offre une extensibilité complètement réversible à l’électrode. En raison de ces deux concepts de conception importantes, le tableau de photodétecteur peut être flexibles et extensibles. Il facilite la déformation 3D du tableau photodétecteur dans une forme hémisphérique ou une forme incurvée comme la rétine des yeux animaux2.
Dans ce travail, nous détailler les processus de fabrication du tableau PTR courbe à l’aide de procédés de fabrication de semi-conducteurs (p. ex., le dopage, la gravure et le dépôt) et impression de transfert. En outre, nous caractérisons un PTR unique en ce qui concerne une courbe I-V. En plus de la méthode de fabrication et de l’analyse de cellules individuelles, la caractéristique électrique du tableau PTR est analysée dans les États déformés.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ATTENTION : Certains produits chimiques (i.e., acide fluorhydrique, oxyde tamponné etchant, alcool isopropylique, etc..) utilisés dans le présent protocole peut être dangereux pour la santé. S’il vous plaît consulter toutes les fiches de données de sécurité avant toute préparation de l’échantillon n’ait lieu. Utiliser les équipements de protection individuelle approprié (par exemple., sarraus de laboratoire, des lunettes de protection, des gants) et contrôles d’ingénierie (e.g., mouillé station, hotte des fumées) lors de la manipulation de solvants et agents de gravure pour.
1. Si le dopage et l’isolement
Remarque : Voir la Figure 1 a - 1D.
- Préparer une tranche SOI dopée par implantation d’ions avec les conditions comme suit : dopant-phosphore/bore, énergie de 80/50 keV et une dose de 5 x 10153 x 1015 cm-3 pour n+ et p+ , dopage, respectivement. Pour récupérer une cristallinité de la gaufrette, recuire l’échantillon à une température de 1000 ° C pendant 120 min dans un four après implantation ionique. Préparer les échantillons dopés en utilisant le processus d’implantation ionique de la Centre National de la NanoFab (NNFC) pour la stabilité du procédé haute et profonde dopage profondeur (Figure 1 a).
- Pour enlever l’oxyde natif, tremper l’échantillon en dés à l’aide d’une louche de téflon en oxyde tamponné etchant (BOE) pour 5 s et nettoyer l’échantillon en dés dans l’ordre avec l’acétone, l’alcool isopropylique (IPA) et de l’eau désionisée (DI).
- Former un motif de résine photosensible (PR) pour isoler Si (Figure 1 b).
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 1 min à définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince. Dur, cuire au four de l’échantillon pour le durcissement de la couche de PR à 110 ° C pendant 5 min.
- Sèche etch de l’échantillon de Si à l’aide de la gravure par ions réactifs-plasma inductif (ICP-RIE) avec une puissance de 100 W RF, 0 puissance ICP W, pression de chambre 30 mTorr et SF6 gaz (40 sccm) pendant 6 min (Figure 1C).
- Pour supprimer une couche d’oxyde enterrés, tremper les échantillons dans l’acide fluorhydrique 49 % pendant 2 min, à l’aide d’une louche de téflon (Figure 1D).
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre. Pour enlever l’humidité, sécher l’échantillon avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
2. dépôt de couches d’oxyde sacrificiel
Remarque : Voir Figure 1e - 1 g.
- Déposer une couche sacrificielle de SiO2 d’une épaisseur de 130 nm à l’aide de plasma enhanced le dépôt chimique en phase vapeur (PECVD) avec une température de 230 ° C, 20 puissance RF W, pression de 1000 mTorr, SiH4 gaz (100 sccm) et N2O gaz (800 sccm) pendant 2 min ( Figure 1e).
- Patron de la couche PR comme un masque pour une couche sacrificielle de SiO2 (Figure 1f).
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 1 min à définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec sarbacane2 N en le tenant avec une pince. Dur, cuire au four de l’échantillon pour le durcissement de la couche de PR à 110 ° C pendant 5 min.
- Pour le modèle de la couche d’oxyde PECVD, tremper l’échantillon à BOE pour 30 s, à l’aide d’une louche de téflon (Figure 1 g).
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre. Pour enlever l’humidité, sécher l’échantillon avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
3. le dépôt de la première couche de Polyimide et effectuer la première métallisation
- Tourner le manteau polyimide (PI) sur l’échantillon à 4 000 tr/min pendant 60 s, il recuire à 110 ° C pendant 3 min et à 150 ° C pendant 10 min sur une plaque chauffante et il recuire à 230 ° C pendant 60 minutes dans une atmosphère de2 N en fournissant N2 du four (Figure 1 h).
- Déposer une couche de2 SiO avec une épaisseur de 130 nm en utilisant PECVD avec une température de 230 ° C, 20 puissance RF W, pression de 1 000 mTorr, SiH4 gaz (100 sccm) et N2O gas (800 sccm) pendant 2 min.
- Modèle de la SiO2 comme une couche de masque dur pour PI sec eau-forte (Figure 1i).
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 1 min à définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince. Dur, cuire au four de l’échantillon pour le durcissement de la couche de PR à 110 ° C pendant 5 min.
- Pour modèle le masque dur de SiO2 , tremper l’échantillon à BOE pendant 30 s à l’aide d’une louche de téflon, nettoyez-le à l’eau distillée et sécher avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
- Dry etch la PI en utilisant RIE avec 30 W RF power, O2 gaz (30 sccm) et Ar gaz (70 sccm) pendant 20 min.
- Pour retirer la couche d’oxyde PECVD, tremper l’échantillon à BOE pour 30 s, à l’aide d’une louche de téflon.
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre. Pour enlever l’humidité, sécher l’échantillon avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
- Déposer 10 épaisseur de nm nm/200 de Cr/UA par pulvérisation.
- Le patron de la couche métallique de Cr/UA (Figure 1j).
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 1 min à définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince. Pour durcir le PR, dur de faire cuire l’échantillon à 110 ° C pendant 5 min.
- Décapez la couche Cr/UA avec un humides de mordançage pour 60 s/20 s, respectivement.
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre. Pour enlever l’humidité, sécher l’échantillon avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
Remarque : Le processus de nettoyage doit être très prudent car il y a un risque de peler la couche PI.
4. le dépôt de la deuxième couche de Polyimide et effectuer la deuxième métallisation
- Tourner la couche PI sur l’échantillon à 4 000 tr/min pendant 60 s, il recuire à 110 ° C pendant 3 min et à 150 ° C pendant 10 min sur une plaque chauffante et il recuire à 230 ° C pendant 60 minutes dans une atmosphère de2 N en fournissant N2 du four (Figure 1 k).
- Déposer une couche de2 SiO avec une épaisseur de 130 nm en PECVD avec une température de 230 ° C, 20 W RF power, 1 000 mTorr pression, SiH4 gaz (100 sccm) et N2O gaz (800 sccm) pendant 2 min.
- Patron de la SiO2 comme une couche de masque dur pour gravure sèche (Figure 1D).
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 1 min à définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince. Dur, cuire au four de l’échantillon pour le durcissement de la couche de PR à 110 ° C pendant 5 min.
- Pour modèle le masque dur de SiO2 , tremper l’échantillon à BOE pendant 30 s à l’aide d’une louche de téflon, nettoyez-le à l’eau distillée et sécher avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
- Dry etch la PI à l’aide de RIE avec 30 W RF power, O2 gaz (30 sccm) et Ar gaz (70 sccm) pendant 50 min.
- Pour retirer la couche d’oxyde PECVD, tremper l’échantillon à BOE pour 30 s, à l’aide d’une louche de téflon.
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre.
- Déposer 10 nm/200 nm épaisseur Cr/Au revêtement par pulvérisation cathodique.
- Le patron de la couche métallique de Cr/UA (Figure 1 m).
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 1 min à définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince. Dur, cuire au four de l’échantillon pour le durcissement de la couche de PR à 110 ° C pendant 5 min.
- Décapez la couche Cr/UA par un gel de mordançage humide pour 60 s/20 s, respectivement.
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre.
- Pour enlever l’humidité, sécher le substrat propre avec une sarbacane azote tout en le maintenant avec une pince.
Remarque : Il existe un risque de pelage de la couche de polyimide, effectuer le nettoyage avec beaucoup d’attention.
5. encapsulant l’échantillon avec PI et ouverture par des trous et Structure de la maille
- Tourner la couche PI sur l’échantillon à 4 000 tr/min pendant 60 s, il recuire à 110 ° C pendant 3 min et à 150 ° C pendant 10 min sur une plaque chauffante et il recuire à 230 ° C pendant 60 minutes dans une atmosphère de2 N en fournissant N2 du four (Figure 1n).
- Déposer une couche de2 SiO avec une épaisseur de 650 nm en PECVD avec une température de 230 ° C, 20 W RF power, 1 000 mTorr pression, SiH4 gaz (100 sccm) et N2O gaz (800 sccm) pendant 8 min.
- Modèle le SiO2 comme une couche de masque dur pour gravure sèche.
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 2 min pour définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince. Dur, cuire au four de l’échantillon pour le durcissement de la couche de PR à 110 ° C pendant 5 min.
- Pour le masque dur de SiO2 de mires, tremper l’échantillon à BOE pour 1 min 30 s à l’aide d’une louche de téflon, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
Remarque : En raison de l’exiguïté de la structuration, il est nécessaire de le laisser développer plus longtemps que la période de développement précédent.
- Dry etch la PI à l’aide de RIE avec 30 W RF power, O2 gaz (30 sccm) et Ar gaz (70 sccm) pour 75 min.
- Dry Mordancer le Si par ICP-RIE avec puissance de 100 W RF, 0 puissance ICP W, pression de chambre 30 mTorr et sccm 40 SF6 gaz pendant 6 min (Figure 1o).
- Pour retirer la couche d’oxyde PECVD, tremper l’échantillon à BOE pour 1 min 30 s, à l’aide d’une louche de téflon.
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre.
- Déposer une couche de2 SiO avec une épaisseur de 130 nm en PECVD avec une température de 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr pression, SiH4 gaz (100 sccm) et N2O gaz (800 sccm) pendant 2 min.
- Modèle le SiO2 comme une couche de masque dur pour gravure sèche.
- Tourner la couche PR positif sur l’échantillon à 4 000 tr/min pour 40 s et doux cuire l’échantillon couché à 90 ° C pendant 90 s. exposer l’échantillon aux UV avec un masque de photolithographie pour 10 s.
- Immergez l’échantillon dans le développeur pendant 1 min à définir le modèle, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince. Dur, cuire au four de l’échantillon pour le durcissement de la couche de PR à 110 ° C pendant 5 min.
- Pour le masque dur de SiO2 de mires, tremper l’échantillon à BOE pour 1 min 30 s à l’aide d’une louche de téflon, nettoyez-le à l’eau distillée et séchez-le avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
- Dry etch la PI par RIE avec 30 W RF power, O2 gaz (30 sccm) et Ar gaz (70 sccm) pour 75 min.
- Pour retirer la couche d’oxyde PECVD, tremper l’échantillon à BOE pour 30 s, à l’aide d’une louche de téflon.
- L’échantillon dans l’ordre avec l’acétone, IPA et DI eau propre. Pour enlever l’humidité, sécher l’échantillon pur avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince.
6. gravure à l’eau-forte la couche sacrificielle et de transférer l’échantillon dans un substrat Flexible
Remarque : Voir la Figure 2.
- Décapez la couche sacrificielle en immergeant l’échantillon dans l’acide fluorhydrique 49 % pendant 20 min (Figure 2 a; en médaillon).
- Rincer l’échantillon avec l’eau distillée.
- Après avoir utilisé le phénomène capillaire d’un essuie-glace pour absorber l’humidité entre le substrat et le dispositif, sécher l’échantillon pur avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince pour enlever l’humidité résiduelle (Figure 2 a).
- Effectuer le processus de rinçage et séchage de l’échantillon. En raison de la faible adhérence entre l’appareil et le substrat, cela a à faire avec beaucoup d’attention, afin de ne pas séparer le substrat et l’appareil.
- Tenez l’échantillon à l’aide de ruban adhésif carbone et attachez la bande soluble dans l’eau.
- Enlever la bande soluble dans l’eau en un instant pour empêcher l’appareil de rester sur le substrat (Figure 2 b).
- Confirmer que l’échantillon est fixée sur la bande soluble dans l’eau.
- Transférer l’échantillon à un polydiméthylsiloxane (PDMS) enduit polyéthylène téréphtalate (PET) (Figure 2c).
- Préparer le PDMS (10:1 mélange de prépolymère : agent de polymérisation) et éliminez les bulles d’air dans le PDMS de dégazage.
- Manteau de spin le PDMS sur le film PET à 1 000 tr/min pendant 30 s et cuire le film PET sur une plaque chauffante à une température de 110 ° C pendant 10 min.
- Exposer l’échantillon aux UV pendant 30 s pour améliorer l’adhérence de la PDMS et attachez la bande soluble dans l’eau avec l’exemple du film PET PDMS-enduit.
Remarque : Le traitement anti-UV améliore l’adhérence d’une surface PDMS.
- Pour enlever le ruban soluble dans l’eau, déposez soigneusement l’eau là-dessus, à l’aide d’une pipette. Enlever le ruban soluble dans l’eau avec un débit lent de l’eau pour empêcher l’appareil d’être emporté par l’eau. Sécher l’échantillon lentement avec une sarbacane de2 N en le tenant avec une pince (Figure 2d).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figure 3 a et 3 b montrent la structure conçue et fabriquée des NIPIN PTR compte tenu des précédentes études2,23. L’encart dans la Figure 3 présente une caractéristique de base I-V de PTR. Les paramètres de structure détaillées de PTR sont indiquées dans la Figure 3 b. Le processus de dopage pour une couche Si sur une tranche SOI a été réalisé à l’aide de l’implantation d’ions de la NNFC. La profondeur de dopage est ~1.25 µm, qui est égale à l’épaisseur de la couche Si, et la concentration de dopage n+ et p+ sont ~ 1019 cm-3. La distribution de dopage au dessus de la couche Si a un dopage de type doigt. La région de déplétion de côté entre la région n+ et p+ , qui est généré par le dopage de doigt-type, est utile pour réduire la perte de transporteurs photo généré25. En outre, le dopage de type doigt élargit la région active, générant des transporteurs photo générés, augmentant ainsi l’efficacité de la cellule. C de la figure 3 présente une image optique de dopés Si PTR îles. La caractéristique I-V d’un unique PTR est montrée en Figure 3d.
Figure 4 a affiche un tableau PTR fabriqué avant une étape de transfert d’impression. Une image agrandie montre la seule cellule PTR en détail. L’électrode de serpentine encapsulé PI offre l’extensibilité à l’appareil et protège les électrodes et les cellules Si d’une fissure ou d’échec. En plus de la stabilité mécanique, la couche PI joue un rôle comme un revêtement antireflet en réduisant l’écart entre la couche Si et l’air des indices de réfraction. Figure 4 b montre l’image optique pour le dispositif transféré sur un film PET PDMS-enduit. En utilisant une méthode d’impression transfert, l’appareil rempli peut être placé sur un substrat flexible (par exemple, une fine pellicule de PET). C de la figure 4 présente les illustrations schématiques de l’installation de mesure et la définition d’un rayon de courbure (RoC). Pour mesurer une performance électrique dans un état de flexion, nous avons produit l’étape manuelle sur mesure pour plier l’échantillon en se déplaçant d’un côté à l’autre. D de la figure 4 montre les caractéristiques I-V du tableau PTR dans différents RoCs (c.-à-d., infini, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Ce résultat montre que la caractéristique électrique de la PTR est constante, quel que soit le roc. La source lumineuse utilisée dans cette expérience est une lumière blanche induite par une lampe halogène. 4e de la figure montre le rapport du photocourant de courant d’obscurité en fonction de la tension avec différents RoCs. La gamme dynamique, qui détermine la sensibilité du photodétecteur, est maintenue à ~ 600 ou plus, une tension de polarisation de 2 V. Ce résultat montre qu’une fine membrane Si peut atteindre une plage dynamique importante en raison d’un faible courant d’obscurité comme indiqué dans l’encart de la Figure 4e. Figure 4f affiche les images pour le tableau PTR courbé avec chaque RoC.
Figure 1 : illustrations schématiques du processus de fabrication du tableau courbes phototransistor. Les panneaux (un) - (o) montrent le processus séquentiel de fabriquer un dispositif phototransistor sur un substrat dopé de SOI pour créer un par trou pour enlever la couche sacrificielle du substrat SOI. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : illustrations schématiques pour le transfert d’impression du tableau phototransistor de tranche SOI sur un substrat flexible. (a) ce panneau montre comment former une structure à mailles ouvertes et enlever la couche sacrificielle. (b) ce panneau montre comment détacher le dispositif avec un ruban soluble dans l’eau. (c) ce panneau montre comment transférer l’appareil sur un substrat flexible collant (p. ex., PDMS). (d) ce panneau montre comment faire pour supprimer la bande soluble dans l’eau en laissant tomber de l’eau sur elle. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : schéma de la cellule monobloc du phototransistor (PTR) et le résultat de la simulation des caractéristiques I-V. Les deux premiers panneaux montrent (un) une inclinaison de la vue sur le PTR et (b) une vue de dessus de la PTR. La concentration de dopage est ~ 1019 cm-3 pour de la p+ et régions n+ . Les valeurs géométriques détaillés sont affichés dans la Figure 3 b. L’encart dans la Figure 3 affiche une caractéristique de base I-V de la PTR. (c) ce panneau montre une image de microscopie optique sur dopés Si REE. La couleur jaune indique le RFP TR. Le substrat vert est une couche de boîte2 SiO. (d) ce panneau montre les caractéristiques I-V d’un PTR unique sous les États claires et sombres. L’encart montre l’obscurité actuelle de la cellule unique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : schéma des méthodes et des résultats de mesure des caractéristiques I-V dans l’État incurvée du tableau phototransistor. (a) ce panneau montre la photographie d’un appareil fabriqué. Une image agrandie montre la seule cellule PTR en détail. (b) ce panneau montre la photographie d’un dispositif de transfert sur un film PET PDMS-enduit. (c) ce panneau est un schéma simplifié de l’installation de mesure. Le rayon de courbure (RoC) est défini comme le rayon d’un cercle à partir du centre du cercle, tel qu’illustré dans le médaillon. (d) ce panneau montre les caractéristiques I-V du tableau PTR sous illumination avec différents RoCs. (e) ce panneau est un complot du ratio du photocourant de courant d’obscurité. L’encart montre un très faible niveau actuel sombre, provoquant ainsi une plage dynamique élevée. (f) ce panneau montre des images optiques pour le tableau PTR courbé dans chaque RoC. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
La technologie de fabrication décrite ici contribue de manière significative au progrès de l’électronique de pointe et des dispositifs portables. Les concepts fondamentaux de cette approche utilisent une fine membrane Si et capable d’étirer les interconnexions métalliques. Bien que TR est un matériau fragile et dur qui peut facilement être fracturé, une très mince couche Si peut obtenir une flexibilité26,27. Dans le cas de l’interconnexion en métal, la forme ondulée offre extensibilité et flexibilité28,29. En particulier, les interconnexions métalliques servent d’électrodes pour l’ensemble du dispositif de fonctionner comme un type de matrice. La forme de la matrice d’une maille ouverte, qui est implémentée dans l’étape finale, procure douceur à l’appareil de manière structurée. Ainsi que le bien-fondé de la mince couche de Si et les électrodes serpentines, cela atteint la tension d’isolement et libère la géométrie de l’appareil. En outre, la couche PI qui entoure l’ensemble du dispositif en même temps offre des effets d’antireflet et protège l’appareil contre les fissures ou défauts. En utilisant un méthode de transfert, le dispositif fabriqué peut être placé sur un substrat flexible, et par conséquent, il sécurise la condition que le périphérique peut être déformé. Grâce au processus présentés ici, un dispositif Si avec de nombreux avantages en termes de caractéristiques du dispositif et de maturité de processus peut être réalisée comme une électronique déformable.
Pour obtenir une cellule PTR avec un faible courant d’obscurité, le dispositif processus de dopage est vital. La profondeur de dopage est plus critique que la concentration d’impureté car le dopage profonde peut former plusieurs régions épuisement comparées à celle du dopage peu profondes. Dans la région de déplétion, trous et électrons générés par photo se recombinent pas, et c’est le principal facteur réduisant le courant d’obscurité dans PTR dopé au profond. Pour dopage plus profond, une méthode d’implantation ionique est plus appropriée que la méthode de diffusion. Nous avons organisé le dopage d’impuretés à l’aide de la méthode d’implantation ionique correspondant à l’étape 1 dans le présent protocole. Pour exécuter avec succès le processus de dopage, envisagez d’utiliser des simulations de conception assistée par ordinateur (TCAD) technologie commerciale pour estimer la profondeur de dopage et de la concentration.
Étapes de métallisation (étapes 3 et 4) sont un des procédés plus critiques dans la technologie de fabrication décrite ici. Dans ce protocole, UA est utilisé comme un chemin d’accès électronique, mais Au a une mauvaise adhérence avec une couche de PI. Ainsi, une couche de Cr (ou Ti) est nécessaire pour promouvoir l’adhésion de l’Union africaine et de la PI. En raison de l’épaisseur de la PI, qui est ~1.2 µm dans cette expérience, les lignes métalliques déposés par un évaporations de faisceau ou thermique des électrons n’ont pas une couverture suffisante d’étape. Dans le présent protocole, un processus de pulvérisation est utilisé dans cette étape. Nous recommandons d’utiliser un procédé de pulvérisation pour la métallisation. Après que le modèle métallique est formé par la gravure de solution, l’échantillon est nettoyé avec l’eau distillée. Un coup de gaz attention N2 doit ensuite sécher l’eau de l’échantillon, car un coup de gaz forte peut décoller les armatures.
Formant un par trou (étape 5), qui pénètre les couches de la PI et Si par un procédé de gravure, est également essentielle dans cette technologie de fabrication. Il est difficile de décider si la via trou modèles générés bien ou pas parce que le via les trous ont un petit diamètre (environ 2 µm). Puisque la couleur est modifiée après le processus de gravure, il est recommandé d’observer l’intérieur de la via des modèles de trou microscopique au cours de chaque étape. Ensuite, la couche PI doit être modelé sous la forme d’une maille serpentine. Il s’agit d’une étape essentielle pour l’appareil obtenir une propriété flexible/extensible.
Pour le retrait de la SiO2 couche sacrificielle (étape 6), il est essentiel de connaître le degré de la gravure de la couche d’oxyde de boîte par l’acide fluorhydrique (HF) grâce à l’observation microscopique continue. Aussi, séchage de l’eau distillée qui est resté après le nettoyage de la HF doit être soigneusement exécutée, car soufflant gaz2 N peut décoller l’appareil le substrat Si la manipulation. Nous recommandons de souffler le gaz2 N doucement. Parce que l’acide fluorhydrique est très nocif pour le corps humain, l’expérience se fasse dans un environnement équipé d’un équipement de protection, gants de protection et un gaz système d’évacuation. L’étape ultérieure dans le présent protocole, le processus d’impression transfert (étape 6), besoins techniques exigeantes et qualifiés. Par exemple, lorsque vous retirez le périphérique en utilisant une bande soluble dans l’eau, il est avantageux pour garantir le rendement en enlevant la bande à grande vitesse.
En conclusion, cet article présente un processus de fabrication d’un tableau Si PTR flexible à l’aide d’une série de procédés de fabrication de semi-conducteur comme un dépôt, gravure, photolithographie et impression de transfert. Pour la compréhension de ce processus de fabrication, cet article illustré de PROCEDES de fabrication spécifiques avec des descriptions détaillées. En outre, cet article décrit comment nous avons utilisé l’approche décrite ici pour fabriquer de l’échantillon et de mesurer la performance de l’appareil des échantillons fabriqués en caractéristiques I-V avec et sans l’éclairage pour différents RoCs. Ce résultat montre que le tableau Si PTR a une stabilité mécanique et électrique dans un état de déformation. Dans cette étude, les limites mécaniques des matériaux Si sont surmontés en introduisant une structure capable d’une déformation tridimensionnelle en Si, qui n’est pas intrinsèquement mou. Pour cette raison, la procédure de fabrication peut aussi être utile pour d’autres applications dans le domaine de l’électronique flexible/extensible et dispositifs portables tels que les moniteurs de soins de santé.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Cette recherche a été financée par le programme de découverte de matériaux créatifs grâce à la Fondation de la recherche nationale de Corée (NRF) financé par le ministère de la Science et de la TIC (FRO-2017M3D1A1039288). En outre, cette recherche a été financée par l’Institut de l’Information et la Promotion de la technologie de Communications (IITP) subvention financée par le gouvernement de la Corée (MSIP) (No.2017000709, des approches intégrées de physiquement INCLONABLE primitives cryptographiques utilisant les lasers aléatoires et optoélectronique).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MBJ3 | karl suss | MJB3 UV400 MASK ALIGNER | Mask aligner |
| 80 plus RIE | Oxford instruments | Plasmalab 80 Plus for RIE | ICP-RIE |
| 80 plus PECVD | Oxford instruments | Plasmalab 80 Plus forPECVD, | PECVD |
| SF-100ND | Rhabdos Co., Ltd. | SF-100ND | Spin coater |
| Polyimide | Sigma-Aldrich | 575771 | Poly(pyromellitic dianhydride-co-4,4′-oxydianiline), amic acid solution |
| SOI (silicon on insulator) wafer, 8inch | Soitec | SOI (silicon on insulator) wafer, 8inch | 8inch SOI Wafer (silicon Thickness: 1.25μm) |
| Acetone | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 3051 | Acetone |
| Isopropyl Alcohol (IPA) | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 4614 | Isopropyl Alcohol (IPA) |
| Buffered Oxide Etch 6:1 | Avantor | 1278 | Buffered Oxide Etch 6:1 |
| HSD150-03P | Misung Scientific Co., Ltd | HSD150-03P | Hot plate |
| AZ5214 | Microchemical | AZ5214 | Photoresist |
| MIF300 | Microchemical | MIF300 | Developer |
| SYLGARD184 | Dow Corning | SYLGARD184 | Polydimethylsiloxane elastomer |
| Hydrofluoric Acid | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 2919 | Hydrofluoric Acid |
| CR-7 | KMG Chemicals, Inc | 210023 | Chrome mask etchant |
| MFCD07370792 | Sigma-Aldrich | 651842 | Gold etchant |
References
- Ko, H. C., et al. A hemispherical electronic eye camera based on compressible silicon optoelectronics. Nature. 454, 748-753 (2008).
- Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
- Jung, I., et al. Dynamically tunable hemispherical electronic eye camera system with adjustable zoom capability. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (5), 1788-1793 (2011).
- Floreano, D., et al. Miniature curved artificial compound eyes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9267-9272 (2013).
- Liu, H., Huang, Y., Jiang, H. Artificial eye for scotopic vision with bioinspired all-optical photosensitivity enhancer. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (23), 3982-3985 (2016).
- Pang, K., Fang, F., Song, L., Zhang, Y., Zhang, H. Bionic compound eye for 3D motion detection using an optical freeform surface. Journal of the Optical Society of America B. 34 (5), B28-B35 (2017).
- Lee, G. J., Nam, W. I., Song, Y. M. Robustness of an artificially tailored fisheye imaging system with a curvilinear image surface. Optics & Laser Technology. 96, 50-57 (2017).
- Xu, X., Mihnev, M., Taylor, A., Forrest, S. R. Organic photodetector arrays with indium tin oxide electrodes patterned using directly transferred metal masks. Applied Physics Letters. 94 (4), 1-3 (2009).
- Deng, W., et al. Aligned single -crystalline perovskite microwire arrays for high -performance flexible image sensors with long -term stability. Advanced Materials. 18 (11), 2201-2208 (2016).
- Liu, X., Lee, E. K., Kim, D. Y., Yu, H., Oh, J. H. Flexible organic phototransistor array with enhanced responsivity via metal-ligand charge transfer. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (11), 7291-7299 (2016).
- Li, X., et al. Constructing fast carrier tracks into flexible perovskite photodetectors to greatly improve responsivity. ACS Nano. 11 (2), 2015-2023 (2017).
- Li, L., Gu, L., Lou, Z., Fan, Z., Shen, G. ZnO quantum dot decorated Zn2SnO4 nanowire heterojunction photodetectors with drastic performance enhancement and flexible ultraviolet image sensors. ACS Nano. 11 (4), 4067-4076 (2017).
- Dumas, D., et al. Infrared camera based on a curved retina. Optics Letters. 37 (4), 653-655 (2012).
- Dumas, D., Fendler, M., Baier, N., Primot, J., le Coarer, E. Curved focal plane detector array for wide field cameras. Applied Optics. 51 (22), 5419-5424 (2012).
- Gregory, J. A., et al. Development and application of spherically curved charge-coupled device imagers. Applied Optics. 54 (10), 3072-3082 (2015).
- Guenter, B., et al. Highly curved image sensors: a practical approach for improved optical performance. Optics Express. 25 (12), 13010-13023 (2017).
- Wu, T., et al. Design and fabrication of silicon-tessellated structures for monocentric imagers. Microsystems & Nanoengineering. 2, 16019 (2016).
- Yoon, J., et al. Flexible concentrator photovoltaics based on microscale silicon solar cells embedded in luminescent waveguides. Nature Communications. 2, 343 (2011).
- Lee, S. M., et al. Printable nanostructured silicon solar cells for high-performance, large-area flexible photovoltaics. ACS Nano. 8 (10), 10507-10516 (2014).
- Kang, D., et al. Flexible opto-fluidic fluorescence sensors based on heterogeneously integrated micro-VCSELs and silicon photodiodes. ACS Photonics. 3 (6), 912-918 (2016).
- Van den Brand, J., et al. Flexible and stretchable electronics for wearable health devices. Solid-State Electronics. , 116-120 (2015).
- Yu, K. J., et al. Bioresorbable silicon electronics for transient spatiotemporal mapping of electrical activity from the cerebral cortex. Nature Materials. 15, 782-791 (2015).
- Kim, M. S., Lee, G. J., Kim, H. M., Song, Y. M. Parametric optimization of lateral NIPIN phototransistors for flexible image sensors. Sensors. 17 (8), 1774 (2017).
- Kim, D. H., et al. Stretchable and foldable silicon integrated circuits. Science. 320, 507-511 (2008).
- Shin, K. S., et al. Characterization of an integrated fluorescence-detection hybrid device with photodiode and organic light-emitting diode. IEEE Electron Device Letters. 27 (9), 746-748 (2006).
- Lu, N. Mechanics, materials, and functionalities of biointegrated electronics. The Bridge. 43 (4), 31-38 (2013).
- Burghartz, J. N., et al. Ultra-thin chip technology and applications, a new paradigm in silicon technology. Solid-State Electronics. 54 (9), 818-829 (2010).
- Shin, G., et al. Micromechanics and advanced designs for curved photodetector arrays in hemispherical electronic-eye cameras. Small. 6 (7), 851-856 (2010).
- Jung, I., et al. Paraboloid electronic eye cameras using deformable arrays of photodetectors in hexagonal mesh layouts. Applied Physics Letters. 96 (2), 21110 (2010).
