Waiting
Login processing...

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

Engineering

ייצור של חיישן גמיש בהתאם לרוחב 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

אנו מציגים שיטה מפורטת כדי לפברק deformable לרוחב NIPIN phototransistor מערך עבור חיישני תמונה מעוקל. המערך phototransistor עם טופס רשת פתוחה, אשר מורכב של האיים סיליקון דק, מתיחה interconnectors מתכת, מספק גמישות, stretchability. במנתח בפרמטר מאפיין המאפיין חשמל של phototransistor מפוברק.

Abstract

רסיברים צילום גמיש נחקרו באינטנסיביות לשימוש של חיישני תמונה מעוקל, אשר מהווים מרכיב חיוני במערכות הדמיה בהשראה ביו, אבל נשארים מספר נקודות מאתגר, כגון יעילות הספיגה נמוכה בשל פעיל שכבה דקה, נמוך גמישות. אנו מציגים שיטה מתקדמת ליצור מערך phototransistor גמיש בעל הופעה חשמלית משופרת. בביצועים חשמל הוא מונע על ידי זרם אפל נמוכה בשל טומאה עמוקה סימום. Interconnectors מתכת מתיחה וגמישות מציעים בו זמנית stabilities חשמליים ומכניים במדינה מאוד מעוותת. הפרוטוקול מתאר במפורש את תהליך ייצור phototransistor באמצעות קרום דק סיליקון. על ידי מדידת-V מאפייני ההתקן הושלמה מדינות מעוותת, נדגים כי גישה זו משפרת את stabilities מכניים וחשמליים של המערך phototransistor. אנו מצפים כי זו הגישה phototransistor גמיש יכול להיות בשימוש נרחב עבור היישומים של לא רק הדור הבא מערכות הדמיה/אלקטרואופטיקה, אלא גם מכשירים שכאלו כגון חיישני מישוש/לחץ/טמפרטורה וצגים בריאות.

Introduction

בהשראת ביו מערכות הדמיה יכול לספק יתרונות רבים לעומת קונבנציונאלי דימות מערכות1,2,3,4,5. רשתית העין או ommatidia המיספרי הוא מרכיב משמעותי של מערכת הראייה ביולוגי1,2,6. חיישן התמונה מעוקל, אשר מחקה את אלמנט קריטי עיניים חייתיות, יכול לספק תצורה קומפקטי ופשוט של מערכות אופטיות עם סטייה נמוכה7. הפיתוחים מגוון של טכניקות ייצור וחומרים, לדוגמה, את השימוש בחומרים ממהותם רך כגון אורגני/ננו8,9,10,11, 12 והמבוא למבנים deformable מוליכים למחצה כולל צורן (Si) וגרמניום (לתת)1,2,3,13,14, 15,16,17, להבין את חיישני התמונה מעוקל. ביניהם, גישות סי מספקים יתרונות הגלום כגון שפע של חומר, טכנולוגיה, יציבות ויכולת עליונות אופטי/חשמל. מסיבה זו, למרות סי יש קשיחות מהותי, פריכות, מבוסס-סי אלקטרוניקה גמישה נרחב נחקרו ליישומים שונים, כגון אלקטרואופטיקה גמיש18,19,20 כולל תמונות מעוקל חיישנים1,2,3מכשירים הבריאות אפילו שכאלו21,22.

במחקר שנערך לאחרונה, אנו מנותח, שיפור ביצועי חשמל דק סי photodetector מערך23. במחקר הזה, תא יחידה האופטימלי של המערך photodetector מעוקל הוא סוג phototransistor (PTR) המורכבת של פוטודיודה ו דיודת חסימה. רווח צומת הבסיס מגביר את photocurrent שנוצר, ומכאן זה מוצגים דרך לשפר הופעה חשמלית עם מבנה סרט דק. בנוסף התא הבודד, המבנה סרט דק מתאים לדכא את זרם כהה, אשר נחשב כמו רעש photodetector. לגבי ריכוז סמים, ריכוז גדול יותר15 10 ס מ-3 היא מספיקה על מנת להשיג ביצועים יוצאי דופן שבו המאפיינים דיודה שניתן לתחזק את עוצמת האור מעל 10-3 W/cm2 23 . יתר על כן, התא הבודד PTR יש רעש עמוד נמוך ויציב שטיחות/חשמלית לעומת זו של פוטודיודה מאפייני. בהתבסס על כללי עיצוב אלה, אנחנו מפוברק מערך photodetector גמיש המורכב PTRs סי דק באמצעות סיליקון-על-מבודד רקיק (SOI). באופן כללי, כלל חשוב לעיצוב של חיישני תמונה גמיש הוא מושג נייטרלי המטוס מכני אשר מגדירה את המיקום באמצעות העובי של המבנה איפה זנים אפס עבור r קטן באופן שרירותי24. נקודה מכרעת נוספת היא הגיאומטריה סרפנטין של האלקטרודה צורה גליים מספק stretchability הפיך באופן מלא את האלקטרודה. בשל אלו שני מושגים חשוב לעיצוב, המערך photodetector יכול להיות גמיש מתיחה. הוא מקל להרכב תלת-ממד של המערך photodetector בצורת חצי כדור או צורה מעוגלת כמו הרשתית של עיניים חייתיות2.

בעבודה זו, אנו מפרטים את התהליכים על הזיוף של המערך PTR מעוקל באמצעות תהליכי ייצור מוליכים למחצה (למשל, סמים בספורט, תחריט, התצהיר), העברת ההדפסה. כמו כן, אנו לאפיין PTR יחיד במונחים של מעגל-V. בנוסף על שיטת ייצור ו תא בודד ניתוח, ניתוח התכונה חשמל של המערך PTR מדינות מעוותת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

התראה: כמה כימיקלים (כלומר., חומצה הידרופלואורית במאגר תחמוצת etchant, אלכוהול איזופרופיל, וכו.) בשימוש זה פרוטוקול יכולים להיות מסוכנים לבריאות. נא עיין גליונות נתונים בטיחות חומרים רלוונטיים כל לפני כל הכנת הדוגמא מתקיים. לנצל את ציוד מגן אישי המתאים (למשל., המעבדה, בטיחות משקפיים, כפפות) הנדסה פקדים (למשל., רטוב תחנת, מנדף) בעת טיפול etchants, ממיסים.

1. סי סימום ובידוד

הערה: ראה איור 1a - 1 י.

  1. הכן רקיק SOI מסומם על ידי implantation יון עם התנאים כדלקמן: dopant-זרחן/בורון, האנרגיה של 80/50 קוו, מנה של 5 x 1015/3 x 1015 ס מ-3 עבור n+ ו- p+ סמים בספורט, בהתאמה. כדי לשחזר את crystallinity הנגדי של, anneal את הדגימה בטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס במשך 120 דקות בתנור לאחר ההשתלה יון. הכינו את הדגימות מסומם באמצעות תהליך implantation יון מן המרכז הלאומי NanoFab (NNFC) עבור יציבות התהליך גבוה ו עמוק סימום עומק (איור 1 א').
  2. כדי להסיר את תחמוצת מקורית, לטבול המדגם קוביות באמצעות של הדובה טפלון בשנת etchant במאגר אוקסיד (BOE) עבור 5 s ולנקות את הדגימה קוביות ברצף עם אצטון, אלכוהול איזופרופיל (IPA) ומים (DI) יונים.
  3. בצורת תבנית photoresist (PR) עבור הבידוד סי (איור 1b).
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של המפתח עבור 1 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. קשה לאפות את הדגימה להקשחת השכבה יחסי ציבור ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
  4. יבש לחרוט מדגם סי באמצעות inductively בשילוב פלזמה-איכול (ICP-RIE) עם 100 W RF 0 W ICP כוח, 30 mTorr קאמרית הלחץ, והכוח SF גז6 (40 sccm) 6 דקות (איור 1 c).
  5. כדי להסיר את שכבת תחמוצת קבורה, לטבול את הדגימות חומצה הידרופלואורית 49% למשך 2 דקות, באמצעות העגלה של טפלון (איור 1 d).
  6. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים. כדי להסיר את הלחות, יבש את הדגימה. עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.

2. התצהיר שכבת תחמוצת ההקרבה

הערה: ראה איור 1e - 1 g.

  1. להפקיד שכבה ההקרבה של2 SiO עם עובי של 130 nm באמצעות פלזמה משופרת בתצהיר אדים כימיים (לחץ) עם טמפרטורה של 230 ° C, 20 W RF 1000 mTorr לחץ, SiH4 גז (100 sccm), והכוח N2O גז (800 sccm) למשך 2 דקות ( איור 1e).
  2. תבנית השכבה יחסי ציבור כמו מסכה של SiO2 השכבה ההקרבה (איור 1f).
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של המפתח עבור 1 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. קשה לאפות את הדגימה להקשחת השכבה יחסי ציבור ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
  3. על תבנית בשכבת תחמוצת לחץ, לטבול את הדגימה ב BOE ב-30 s, באמצעות העגלה של טפלון (איור 1 g).
  4. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים. כדי להסיר את הלחות, יבש את הדגימה. עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.

3. הפקדת השכבה הראשונה של פוליאימיד וביצוע את Metallization הראשונה

  1. ספין המעיל פוליאימיד (PI) על הדגימה ב- 4,000 סל ד 60 s, anneal זה ב 110 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות ו ב 150 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות על פלטה חמה, ו anneal זה ב 230 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות באווירה2 N הרציונאלית N2 לתנור (איור 1 h).
  2. להפקיד שכבה2 SiO עם עובי של 130 nm באמצעות לחץ לטמפרטורה של 230 מעלות צלזיוס, 20 W RF כוח, 1,000 mTorr לחץ, SiH4 גז (100 sccm), גז2O N (800 sccm) למשך 2 דקות.
  3. דפוס SiO2 כשכבה מסכת קשה עבור PI איכול (איור 1i) יבש.
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של המפתח עבור 1 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. קשה לאפות את הדגימה להקשחת השכבה יחסי ציבור ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
    3. על תבנית המסיכה קשה של2 SiO, לטבול את הדגימה ב BOE ב-30 s באמצעות העגלה טפלון, לנקות אותו במים DI, לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.
  4. יבש לחרוט את PI באמצעות ורי עם כוח W RF 30, גז2 O (30 sccm) וגז Ar (70 sccm) במשך 20 דקות.
  5. כדי להסיר את שכבת תחמוצת לחץ, לטבול את הדגימה ב BOE ב-30 s, באמצעות העגלה של טפלון.
  6. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים. כדי להסיר את הלחות, יבש את הדגימה. עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.
  7. להפקיד 10 ננומטר/200 ננומטר עובי Cr/Au על ידי התזה.
  8. תבנית בשכבת מתכת Cr/Au (איור 1j).
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של המפתח עבור 1 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. להקשיח ליחסי ציבור, קשה לאפות את הדגימה ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
    3. לחרוט את השכבה Cr/Au עם etchant רטוב לסופרן s/20 60, בהתאמה.
  9. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים. כדי להסיר את הלחות, יבש את הדגימה. עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.
    הערה: תהליך ניקוי חייב להיות זהיר מאוד מאז קיים סיכון של קילוף השכבה PI.

4. בתצהיר של השכבה השנייה של פוליאימיד וביצוע של Metallization השני

  1. ספין המעיל PI על הדגימה ב- 4,000 סל ד 60 s, anneal זה ב 110 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות ו ב 150 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות על פלטה חמה, ו anneal זה ב 230 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות באווירה2 N הרציונאלית N2 לתנור (איור 1 k).
  2. להפקיד שכבה2 SiO עם עובי של 130 nm באמצעות לחץ עם טמפרטורת 230 ° C, 20 W RF 1,000 mTorr לחץ, SiH4 גז (100 sccm), והכוח N2O גז (800 sccm) למשך 2 דקות.
  3. תבנית ה-2 SiO כשכבה מסכת קשה עבור איכול יבש (l איור 1).
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של המפתח עבור 1 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. קשה לאפות את הדגימה להקשחת השכבה יחסי ציבור ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
    3. על תבנית המסיכה קשה של2 SiO, לטבול את הדגימה ב BOE ב-30 s באמצעות העגלה טפלון, לנקות אותו במים DI, לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.
  4. יבש לחרוט החוקר באמצעות ורי עם כוח W RF 30, גז2 O (30 sccm) וגז Ar (70 sccm) למשך 50 דקות.
  5. כדי להסיר את שכבת תחמוצת לחץ, לטבול את הדגימה ב BOE ב-30 s, באמצעות העגלה של טפלון.
  6. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים.
  7. להפקיד 10 ננומטר/200 ננומטר בעובי של Cr/או על ידי ציפוי לרעוד. להוציא.
  8. תבנית בשכבת מתכת Cr/Au (איור 1 מ').
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של המפתח עבור 1 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. קשה לאפות את הדגימה להקשחת השכבה יחסי ציבור ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
    3. לחרוט את השכבה Cr/Au מאת etchant רטוב לסופרן s/20 60, בהתאמה.
  9. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים.
  10. כדי להסיר את הלחות, יבש המצע נקי עם חנקן ורובה כשאת מחזיקה אותו עם מלקחיים.
    הערה: קיים סיכון של קילוף השכבה פוליאימיד, אז לבצע את תהליך הניקוי בזהירות רבה.

5. לבצע את הדגימה עם PI, פתיחת דרך חורים ומבנה רשת

  1. ספין המעיל PI על הדגימה ב- 4,000 סל ד 60 s, anneal זה ב 110 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות ו ב 150 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות על פלטה חמה, ו anneal זה ב 230 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות באווירה2 N הרציונאלית N2 לתנור (איור 1n).
  2. להפקיד שכבה2 SiO עם עובי של 650 nm באמצעות לחץ עם טמפרטורת 230 ° C, 20 W RF 1,000 mTorr לחץ, SiH4 גז (100 sccm), והכוח N2O גז (800 sccm) במשך 8 דקות.
  3. דפוס SiO2 כשכבה מסכת קשה עבור איכול יבש.
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של היזם למשך 2 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. קשה לאפות את הדגימה להקשחת השכבה יחסי ציבור ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
    3. תבנית המסיכה קשה של2 SiO, לטבול המדגם ב BOE עבור s 1 דקות 30 באמצעות העגלה טפלון, לנקות אותו במים DI של לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.
      הערה: בשל גודל קטן המתבנת, יש צורך לתת לזה להתפתח יותר קצב ההתפתחות הקודמים.
  4. יבש לחרוט החוקר באמצעות ורי עם כוח W RF 30, גז2 O (30 sccm) וגז Ar (70 sccm) למשך 75 דקות.
  5. יבש לחרוט את סי על ידי ICP-RIE עם כוח W RF 100, 0 W ICP כוח, 30 mTorr קאמרית הלחץ וגז 40 sccm SF6 על 6 דקות (איור 1o).
  6. כדי להסיר את שכבת תחמוצת לחץ, לטבול את הדגימה ב BOE עבור s 1 דקות 30, באמצעות העגלה של טפלון.
  7. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים.
  8. להפקיד שכבה2 SiO עם עובי של 130 nm באמצעות לחץ עם טמפרטורת 230 ° C, 20 W RF 1000 mTorr לחץ, SiH4 גז (100 sccm), והכוח N2O גז (800 sccm) למשך 2 דקות.
  9. דפוס SiO2 כשכבה מסכת קשה עבור איכול יבש.
    1. ספין המעיל PR חיוביים על הדגימה ב- 4,000 סל ד עבור 40 s ורך אופים המדגם מצופה ב 90 מעלות צלזיוס במשך וחושפים ס' 90 המדגם לאור אולטרא סגול עם מסיכה פוטוליתוגרפיה 10 s.
    2. לטבול המדגם של המפתח עבור 1 דקות כדי להגדיר את התבנית, לנקות אותו במים DI לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים. קשה לאפות את הדגימה להקשחת השכבה יחסי ציבור ב 110 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
    3. תבנית המסיכה קשה של2 SiO, לטבול המדגם ב BOE עבור s 1 דקות 30 באמצעות העגלה טפלון, לנקות אותו במים DI של לייבש אותו עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.
  10. יבש לחרוט החוקר על ידי ורי בכוח W RF 30, גז2 O (30 sccm) וגז Ar (70 sccm) למשך 75 דקות.
  11. כדי להסיר את שכבת תחמוצת לחץ, לטבול את הדגימה ב BOE ב-30 s, באמצעות העגלה של טפלון.
  12. נקי הדגימה ברצף עם אצטון, IPA DI מים. כדי להסיר את הלחות, יבש המדגם נקי עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים.

6. תצריב השכבה ההקרבה והעברת את הדגימה אל המצע גמיש

הערה: ראה באיור 2.

  1. לחרוט את השכבה ההקרבה במועט לדגימה חומצה הידרופלואורית 49% למשך 20 דקות (איור 2 א; שיבוץ).
  2. יש לשטוף את דגימת די מים.
  3. לאחר השימוש לתופעת נימי קידמית כדי לספוג את הלחות בין המצע להתקן, יבש המדגם נקי עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים כדי להסיר את הלחות הנותרים (איור 2 א).
    1. לבצע את התהליך של שטיפה וייבוש המדגם. עקב הדבקה נמוך בין ההתקן לבין המצע, לזה צריך להיעשות בזהירות רבה, כדי שלא להפריד את המצע ואת ההתקן.
  4. להחזיק את הדגימה באמצעות פחמן הקלטת ולצרף את הקלטת מסיסים במים.
  5. מוריד את הקלטת מסיסים במים מיידית כדי למנוע מההתקן שנותרו על המצע (איור 2b).
  6. לאשר כי המדגם מחובר בקלטת מסיסים במים.
  7. להעביר את הדגימה polydimethylsiloxane (PDMS) מצופה פוליאתילן terephthalate (PET) הסרט (איור 2 c).
    1. הכנת PDMS (10:1 תערובת של prepolymer: אשפרה הסוכן) להסיר את כל בועות האוויר ב PDMS על-ידי degassing.
    2. ספין המעיל PDMS על הסרט חיית מחמד-1,000 סל ד עבור 30 s ואופים הסרט חיית המחמד על פלטה חמה בטמפרטורה של 110 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
    3. לחשוף את הדגימה לאור אולטרא סגול ב-30 s כדי לשפר את הידבקות של PDMS ולצרף את הקלטת מסיסים במים עם הדגימה הסרט חיית המחמד מצופים PDMS.
      הערה: UV הטיפול משפר את הידבקות של משטח PDMS.
  8. כדי להסיר את הקלטת מסיסים במים, בזהירות טיפה מים, באמצעות פיפטה. הוצא את הקלטת מסיסים במים עם זרם איטי של מים כדי למנוע מההתקן השטפות ליד המים. יבש את הדגימה לאט עם רובה הנשיפה2 N תוך החזקתה עם מלקחיים (איור דו-ממדי).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 3a ו- 3b להציג את מבנה מעוצב, מפוברק של NIPIN PTR בהתחשב מחקרים קודמים2,23. שיבוץ ב איור 3a תערוכות מאפיין בסיסי אני-V של PTR. הפרמטרים מבני נתונים היסטוריים של PTR מוצגים באיור 3b. תהליך סימום של השכבה סי על וופל SOI נערך באמצעות implantation יון של NNFC. העומק סמים נמצא ~1.25 מיקרומטר, אשר שווה ל עובי השכבה סי, והם הריכוז סימום של n+ ו- p+ ~ 1019 ס מ-3. התפלגות סימום על גבי סי שכבה יש אצבע-סוג של סמים. האזור דלדול צד בין אזור n+ p+ באזור, אשר נוצר על ידי האצבע-סוג להזרקות, שימושית להפחית את אובדן שנוצרו על-ידי צילום נושאות25. יתר על כן, האצבע-סוג להזרקות מרחיבה האזור הפעיל יצירת נושאות שנוצרו על-ידי צילום, ובכך מגדיל את יעילות תא. איור 3 c מציג תמונה אופטי של מסומם PTR סי איי. המאפיין-V של PTR יחיד מוצג איורתלת-ממד.

איור 4a מציג המערך PTR מפוברק לפני שלב העברת ההדפסה. תמונה מוגדלת מראה התא הבודד PTR בפירוט. האלקטרודה סרפנטין PI-אנקפסולציה מספק stretchability על המכשיר ומגן אלקטרודות ותאים סי קראק או כישלון. בנוסף יציבות מכנית, השכבה PI ממלאת תפקיד כמו ציפוי מבטל לשמור עליהם antireflective על-ידי הפחתת ההבדל בין סי בשכבת אוויר מדדי השבירה. איור 4b מציג תמונה אופטי עבור ההתקן מועברת על גבי סרט מצופים PDMS חיית מחמד. באמצעות שיטת הדפסה העברה, המכשיר שהושלמו ניתן להניח על מצע גמיש (למשל, סרט חיית המחמד דק). איור 4 c מוצגים האיורים סכמטי של ההתקנה מדידה והגדרתה של רדיוס עקמומיות (RoC). כדי למדוד את מופע חשמלי במצב כיפוף, שהפקנו את הבמה ידניות בהזמנה אישית לכופף את הדגימה על-ידי הזזת מצד לצד. איור 4 d מציגה-V מאפייני המערך PTR RoCs שונים (כלומר, אינפיניטי, 10 ס מ, 8 ס"מ, 6 ס"מ, 4 ס מ, 2 ס מ). תוצאה זו ממחישה כי התכונה חשמל של PTR הוא קבוע, ללא קשר RoCs. מקור האור נעשה שימוש בניסוי זה הוא אור לבן המושרה על ידי מנורת הלוגן. איור 4e מציג את היחס בין photocurrent על זרם אפל כפונקציה של מתח עם RoCs שונים. הטווח הדינמי, הקובע את רמת הרגישות של photodetector, נשמר ~ 600 ויותר, מעל מתח הסטייה של 2 V. תוצאה זו מראה כי קרום דק סי ניתן להשיג טווח דינמי משמעותית בשל זרם אפל נמוכה כפי שמוצג על שיבוץ של איור 4e. איור 4f מציג את התמונות עבור המערך PTR מכופף עם כל RoC.

Figure 1
איור 1: איורים סכמטי של תהליך ייצור של המערך מעוקל phototransistor. הלוחות () - (o) להראות את התהליך רציפים של בדיית מכשיר phototransistor על מצע SOI מסומם ליצירת דרך החור כדי להסיר את שכבת ההקרבה של המצע סוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: איורים סכמטית לצורך העברת הדפסה של המערך phototransistor מ- SOI וופל כדי המצע גמיש. () לוח זה מראה כיצד ליצור מבנה רשת פתוחה, להסיר את שכבת ההקרבה. (b) לוח זה מראה כיצד לנתק את ההתקן עם קלטת מסיסים במים. (ג) לוח זה מראה כיצד להעביר את ההתקן מצע דביק גמיש (למשל, PDMS). (ד) לוח זה מראה כיצד להסיר את הקלטת מסיסים במים על ידי הטלת מים על זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: הסכמות תא יחידה של phototransistor (PTR) והתוצאה סימולציה של מאפייני-V. הלוחות הראשונים מראים () הטיה נוף PTR (b) נוף העליון PTR. ריכוז סמים הוא ~ 1019 ס מ-3 עבור שניהם את p+ ואזורים n+ . הערכים גיאומטרי מפורט מוצגים באיור 3b. שיבוץ ב איור 3a מציג מאפיין בסיסי אני-V של PTR. (ג) לוח זה מציג תמונה מיקרוסקופ אופטי PTRs Si מסומם. צבע צהוב מציין את PTRs סי. המצע הירוק היא שכבה תיבת2 SiO. (d) לוח זה מציג-V מאפייני PTR יחיד תחת הברית בהיר וכהה. שיבוץ מראה האפל הנוכחי של התא הבודד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: סכימטי של שיטות, תוצאות מדידת מאפיינים-V במדינת מעוקל של מערך phototransistor. () לוח זה מראה את הצילום של המכשיר מפוברק. תמונה מוגדלת מראה התא הבודד PTR בפירוט. (b) לוח זה מציג צילומים של מכשיר שהועברו על סרט מצופים PDMS חיית מחמד. (ג) לוח זה הוא סכימטי מפושטת של ההתקנה מדידה. רדיוס עקמומיות (RoC) מוגדרת הרדיוס של המעגל ממרכז המעגל כמופיע ב שיבוץ. (d) לוח זה מראה את המאפיינים-V של המערך PTR תחת תאורה עם RoCs שונים. (e) לוח זה הוא מגרש של היחס בין photocurrent על זרם אפל. שיבוץ מדגים רמה נמוכה ביותר כהה הנוכחי, ובכך לגרום טווח דינמי גבוה. (f) לוח זה מציג התמונות אופטי עבור המערך PTR כפוף לכל RoC. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הטכנולוגיה פבריקציה נוספת המתוארים כאן תורמת באופן משמעותי ההתקדמות של האלקטרוניקה המתקדמת, מכשירים שכאלו. במושגי יסוד של גישה זו השתמש סי קרום דק מסוגל להתמתח מתכת interconnectors. למרות סי הוא חומר שביר וקשה יכול בקלות להיות שברים, שכבת סי ניתן להשיג26,גמישות27. במקרה interconnector מתכת, הצורה גליים מציע stretchability גמישות28,29. בפרט, interconnectors מתכת לשמש אלקטרודות עבור המכשיר כולו לפעול כסוג מטריקס. הצורה מטריצה של רשת פתוחה, המיושמת השלב הסופי, מספק רכות למכשיר בצורה מובנית. יחד עם היתרונות של השכבה סי דק ואלקטרודות סרפנטין, זה משיגה מתח בידוד ומשחרר התקן גאומטריה. כמו כן, השכבה PI המקיף את כל המתקן בו זמנית את ההשפעות של antireflection, ומציע מגן על המכשיר מפני סדקים או פגמים. באמצעות העברה הדפסה בשיטה, המכשיר מפוברק ניתן להניח על מצע גמיש, ומכאן, זה מאבטח את התנאי כי המכשיר יכול להיות מעוותים. באמצעות התהליך השלבים המוצגים כאן מכשיר סי בעל יתרונות רבים מבחינת המאפיינים של התקנים, ניתן למימוש תהליך בגרות כ אלקטרוניקה deformable.

כדי לקבל PTR תא עם זרם נמוך כהה, המכשיר סימום תהליך חיוני. העומק סימום היא יותר קריטיים ממנו ריכוז הטומאה להזרקות עמוקות יכול ליצור אזורים דלדול יותר בהשוואה לזו של סימום רדוד. אזור המחסור שנוצר על-ידי צילום אלקטרונים וחורים לא נגרם, וזה הגורם העיקרי הפחתת הזרם האפל ב- PTR מסטול-עמוק. עבור סימום עמוק יותר, שיטת implantation יון מתאים יותר מאשר השיטה דיפוזיה. ערכנו הטומאה להזרקות באמצעות השיטה implantation יון המתאים בשלב 1 של פרוטוקול זה. לבצע בהצלחה את תהליך סימום, שקול להשתמש הדמיות תכנון בעזרת מחשב (TCAD) טכנולוגיה מסחרית כדי להעריך את עומק סימום וריכוז.

Metallization השלבים (שלב 3 ו- 4) הם אחד התהליכים הקריטיים ביותר בטכנולוגיית ייצור המתוארים כאן. פרוטוקול זה, Au משמש כנתיב אלקטרונית, אך Au יש אדהזיה המסכן עם שכבה PI. לפיכך, שכבה Cr (או Ti) יש צורך לקדם את הידבקות של Au ו- PI. בשל עובי PI, אשר ~1.2 מיקרומטר בניסוי זה, קווי מתכת שהופקדו על ידי evaporations קרן או תרמית אלקטרון אין כיסוי מספיק צעד. ב פרוטוקול זה, תהליך המלהגים משמש בשלב זה. אנו ממליצים להשתמש תהליך לרעוד. להוציא לציפוי. אחרי תבנית מתכת נוצרת על ידי פתרון לתחריט, המדגם ינוקו במים DI. מכה זהיר של גז2 N ואז נדרש להתייבש מהמים בדגימה, כי מכה חזקה גז יכול לקלף את השכבות מתכת.

ויוצרים דרך החור (שלב 5), אשר חודר PI והן סי שכבות באמצעות תהליך חריטה, חיוני גם בטכנולוגיה זו פבריקציה נוספת. קשה להחליט אם דרך החור דפוסי טוב נוצרים או לא כי דרך חורים יש קוטר קטן (~ 2 מיקרומטר). מאז הצבע משתנה לאחר תהליך חריטה, אנו ממליצים על התבוננות מבפנים דרך החור דפוסי על ידי מיקרוסקופ במהלך כל שלב. לאחר מכן, השכבה PI צריך להיות בדוגמת בצורה של סרפנטין רשת שינוי. זהו צעד חיוני עבור ההתקן לקבל נכס גמיש/מתיחה.

להסרת השכבה2 SiO ההקרבה (שלב 6), זה חיוני לדעת מידת תחריט של שכבת תחמוצת תיבת על ידי חומצה הידרופלואורית (HF) דרך התבוננות מיקרוסקופית רציפה. בנוסף, ייבוש המים DI שנותר לאחר הניקוי של HF צריך להיות בזהירות מוצא להורג, כי פיצוץ הגז2 N ייתכן לקלף מן הטיפול סי המצע. אנו ממליצים על פיצוץ הגז2 N בעדינות. מכיוון HF מאוד מזיקים לגוף האדם, הניסוי וצריך להתנהל בסביבה מאובזר עם ציוד מגן, כפפות מגן גז מערכת אוורור. השלב שלאחר מכן פרוטוקול זה, תהליך ההדפסה העברה (שלב 6), זקוק טכניקות בררן, מיומן. למשל, כאשר הסרת ההתקן באמצעות קלטת מסיסים במים, זה יתרון כדי לאבטח את התשואה על-ידי הסרת את הקלטת במהירות גבוהה.

לסיכום, מאמר זה הציג תהליך של בדיית מערך PTR סי גמיש באמצעות סדרה של תהליכי ייצור מוליכים למחצה כגון התצהיר, תחריט, פוטוליתוגרפיה העברת הדפסה. על התובנה של תהליך ייצור, מאמר זה מאויר שיטות ייצור ספציפי עם תיאורים מפורטים. בנוסף, מאמר זה תיאר איך היינו הגישה המתוארת כאן כדי להמציא את הדגימה למדוד את הביצועים התקן של הדגימות מפוברק מאפיינים-V עם ובלי את התאורה עבור RoCs שונים. תוצאה זו ממחישה כי המערך PTR סי יש יציבות מכניים וחשמליים במצב המעוות. במחקר זה, המגבלות מכני של החומרים סי יש להתגבר על ידי החדרת מבנה מסוגל עיוות תלת מימדיים לתוך סי, אשר אינה מטבעו רך. מסיבה זו, ההליך פבריקציה נוספת יכול להיות גם שימושי עבור יישומים אחרים בתחום של אלקטרוניקה גמישה/מתיחה, מכשירים שכאלו כגון צגים הבריאות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על-ידי התוכנית גילוי חומרים יצירתי דרך לאומי מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF) ממומן על ידי משרד המדע ICT (ה-NRF-2017M3D1A1039288). כמו כן, מחקר זה נתמך על ידי המכון גרנט מידע, קידום טכנולוגיית תקשורת (IITP) ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MSIP) (No.2017000709, גישות משולבת של unclonable פיזית פרימיטיביים הצפנה באמצעות לייזרים אקראי, אלקטרואופטיקה).

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

הנדסה גיליון 136 phototransistors לרוחב אלקטרוניקה גמישה מכשירי מתיחה מכשירים שכאלו מעוקל חיישני תמונה
ייצור של חיישן גמיש בהתאם לרוחב 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