Summary
우리는 곡선된 이미지 센서에 대 한 변형 측면 NIPIN 포토 트랜지스터 배열 조작 하는 자세한 방법을 제시. 얇은 실리콘 섬과 stretchable 금속 interconnectors의 구성 되는 오픈 메쉬 형태로, 포토 트랜지스터 배열 유연성과 stretchability을 제공 합니다. 매개 변수 분석기 조작된 포토 트랜지스터의 전기 속성 특징.
Abstract
유연한 검출기 달아으로 바이오 영감을 이미징 시스템에서 중요 한 구성 요소는, 곡선된 이미지 센서의 사용으로 연구 되었습니다 하지만 얇은 활성 층으로 하 고 낮은 낮은 흡수 효율 등 여러 어려운 포인트 남아 유연성입니다. 우리는 향상된 된 전기 성능 가진 유연한 포토 트랜지스터 배열을 조작 하는 고급 방법 제시. 뛰어난 전기적 성능 깊은 불순물도 핑 때문에 낮은 전류에 의해 구동 됩니다. Stretchable 및 유연한 금속 interconnectors는 동시에 높은 변형된 상태에서 전기 및 기계적 안정성을 제공합니다. 프로토콜은 명시적으로 얇은 실리콘 멤브레인을 사용 하 여 포토 트랜지스터의 제조 과정을 설명 합니다. 변형된 상태에서 완성 된 소자의 i-v 특성을 측정 하 여이 방법은 포토 트랜지스터 배열의 기계적, 전기적 안정성 향상 설명 합니다. 우리는 유연한 포토 트랜지스터에이 접근의 다음-세대 이미징 시스템/광전자 뿐만 아니라 촉각/압력/온도 센서 및 상태 모니터 등 착용 할 수 있는 장치 응용 프로그램에 대 한 널리 사용 될 수 있다는 것을 기대 합니다.
Introduction
바이오 영감을 이미징 시스템은 기존의 이미징 시스템1,2,3,,45에 비해 많은 장점을 제공할 수 있습니다. 망막 또는 반구형 ommatidia 생물 시각 시스템1,,26의 기본적인 구성 요소입니다. 동물 눈의 중요 한 요소를 모방 하는 곡선된 이미지 센서는 낮은 차7광학 시스템의 콤팩트 하 고 간단한 구성을 제공할 수 있습니다. 제조 기술 및 재료, 유기/나노8,,910,11, 등 본질적으로 부드러운 재료의 사용 등의 다양 한 발전 12 그리고 반도체 실리콘 (Si)과 게르 마 늄 (Ge)1,2,3,,1314을 포함 한 변형 구조 소개 15,16,17, 실현 곡선된 이미지 센서. 그 중 시-기반 접근, 성숙한 기술, 안정성, 소재와 광학/전기 우월의 풍요로 움 등 고유의 장점을 제공합니다. 이러한 이유로, 비록 시 내장 강성 및 취 성, Si 기반 유연한 전자 널리 연구 유연한 광전자18,,1920 등 다양 한 응용 프로그램에 대 한 곡선된 이미지 센서1,2,3, 고도 착용 할 수 있는 의료 장치21,22에 포함 하 여.
최근 연구에서 우리는 분석 하 고 얇은 시 매칭 배열23의 전기적 성능 향상. 그 연구에서 곡선된 매칭 배열의 최적의 단일 단위 셀 포토 다이오드 및 블로킹 다이오드로 구성 되는 포토 트랜지스터 (PTR) 형식입니다. 생성 된 광 전류를 증폭 하는 기본 연결 이득 그리고 그것은 박막 구조와 전기적 성능 향상에 대 한 경로 전시 하는 따라서. 단일 셀 뿐만 아니라 박막 구조는 매칭에서 잡음으로 간주 되는 어두운 전류를 억제 하기 위해 적당 하다. 도 핑 농도 관한 1015 cm-3 보다 큰 농도는 다이오드 특성 유지 될 수 있는 빛의 강도를 10-3 W/c m2 23 이상의 뛰어난 성능을 달성 하기 위해 충분 하다 . 또한, PTR 단일 셀은 낮은 열 잡음과 광학/전기 속성 광다이오드에 비해 안정적인. 우리는 얇은 시 Ptr 실리콘에 절연체 (SOI) 웨이퍼를 사용 하 여 구성 된 유연한 매칭 배열 조작 이러한 디자인 규칙에 따라. 일반적으로 유연한 이미지 센서의 중요 한 설계 규칙 긴장은 임의로 작은 r240 구조체의 두께 통해 위치를 정의 하는 기계적 중립 평면 개념 이다. 또 다른 중요 한 포인트는 뱀 형상 전극의 전극에 완전히 뒤집을 수 있는 stretchability를 제공 하는 물결 모양 때문입니다. 이러한 두 가지 중요 한 설계 개념으로 매칭 배열 유연 하 고 유연할 수 있습니다. 2동물 눈 망막과 같은 곡선된 모양 또는 반구형 모양으로 매칭 배열의 3D 변형 용이.
이 작품에서는, 우리는 반도체 제조 프로세스 (예를 들어,도 핑, 에칭 및 증 착)를 사용 하 여 곡선된 PTR array의 제작에 대 한 프로세스를 자세히 설명 하 고 인쇄 전송. 또한, 우리는-V 곡선에 측면에서 단일 PTR 특징. 제조 방법 및 개별 셀 분석, PTR 배열의 전기 기능 변형된 상태에서 분석 된다.
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Protocol
주의: 일부 화학 물질 (즉., 소산, 버퍼링 된 산화 현상, 이소프로필 알코올, 등.)이 사용 프로토콜은 건강에 위험할 수 있다. 어떤 샘플 준비 발생 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트를 참조 하십시오. 적절 한 개인 보호 장비를 활용 (예., 실험실 코트, 안전 안경, 장갑) 컨트롤 기술 (예., 젖은 역, 퓸 후드) etchants 및 용 매를 처리할 때.
1. Si도 핑 및 절연
참고: 그림 1a - 1 d참조.
- 이온 주입 조건에 의해 다음과 같이 핑된 SOI 웨이퍼를 준비: 80/50의도 펀트 인/붕 소, 에너지 케빈, 그리고도 핑, 각각 5 x 1015/3 x 10의15 cm-3 + n 및 p+ 의 복용량. 복구는 웨이퍼의 결정, 이온 주입 후 용광로에서 120 분 1000 ° C의 온도에서 샘플을 anneal. 높은 프로세스 안정성에 대 한 국립 NanoFab 센터 (NNFC)에서 이온 주입 프로세스를 사용 하 여 깊은 깊이 (그림 1a)를도 핑도 핑된 샘플을 준비 합니다.
- 제거 하려면 기본 산화물, 5 버퍼링 된 산화 현상 (비오이)에 테 플 론 국자를 사용 하 여 절단된 샘플 찍어 s 아세톤, 이소프로필 알코올 (IPA), 그리고 이온된 (DI) 수와 순차적으로 절단된 샘플을 청소 하 고.
- 시 절연 (그림 1b)에 대 한 포토 레지스트 (PR) 패턴을 형성.
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블과 건조를 1 분에 대 한 개발자에 샘플을 담가. 열심히 구워 5 분 동안 110 ° C에 홍보 레이어 보안 강화를 위한 샘플.
- 건조와 100 W RF 전원, 0 W ICP 전원, 30 mTorr 챔버 압력, SF6 가스 (40 sccm) 6 분 (그림 1c)에 대 한 si 유도 결합된 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP-리에)를 사용 하 여 샘플을 에칭.
- 묻혀 산화물 층을 제거 하려면 2 분, 테 플 론 디퍼 (그림 1의 d)를 사용 하 여 소산 49%에서 샘플 찍어.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플. 수 분 제거, 집게로 잡고 N2 블으로 샘플을 건조.
2. 희생 산화물 층 증 착
참고: 그림 1e - 1 g
- 130의 두께와 SiO2 희생 층을 예금 nm 플라즈마를 사용 하 여 향상 된 230 ° C의 온도와 화학 증 착 (PECVD), 20 W RF 전력, 1000 mTorr의 압력, SiH4 가스 (100 sccm)와 N2O 2 분 ( (800 sccm) 가스 그림 1e).
- 홍보 레이어 마스크로 SiO2 희생 층 (그림 1 층)에 대 한 패턴.
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블과 건조를 1 분에 대 한 개발자에 샘플을 담가. 열심히 구워 5 분 동안 110 ° C에 홍보 레이어 보안 강화를 위한 샘플.
- PECVD 산화물 층을 패턴화 하려면 30 비오이에서 샘플 찍어 s, 테 플 론 디퍼 (그림 1 g)을 사용 하 여.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플. 수 분 제거, 집게로 잡고 N2 블으로 샘플을 건조.
3. 폴 및 첫 번째 금속을 수행의 첫 번째 층의 증 착
- 60에 대 한 4000 rpm에서 샘플에 코트 polyimide (PI)을 스핀 들, 3 분 동안 110 ° C와 뜨거운 접시에 10 분 동안 150 ° C에서 anneal 그리고 오븐 (그림 1 h)에 N2 를 제공 하 여 230 ° c N2 분위기에서 60 분 anneal.
- 130의 두께와 SiO2 층 보증금 PECVD 230 ° C, 20 W RF 전력, 1000 mTorr의 압력, SiH4 가스 (100 sccm)의 온도 함께 사용 하 여 nm와 N2O 가스 (800 sccm) 2 분.
- PI에 대 한 패턴 하드 마스크 레이어로 SiO2 드라이 에칭 (그림 1i).
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블과 건조를 1 분에 대 한 개발자에 샘플을 담가. 열심히 구워 5 분 동안 110 ° C에 홍보 레이어 보안 강화를 위한 샘플.
- 30 비오이에서 샘플 찍어 SiO2 하드 마스크 패턴, 테 플 론 국자를 사용 하 여 s 디 물에 깨끗 하 고 건조 한 그것 N2 블 집게로 잡고.
- 드라이 엣지 파이 30 W RF 전력, 리에 사용 하 여 O2 가스 (30 sccm), 그리고 20 분의 Ar 가스 (70 sccm).
- PECVD 산화물 층을 제거 하려면 30 비오이에서 샘플 찍어 s, 테 플 론 국자를 사용 하 여.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플. 수 분 제거, 집게로 잡고 N2 블으로 샘플을 건조.
- 스퍼터 링 하 여 Cr/Au의 10 nm/200 nm 두께 입금.
- Cr/Au 금속 레이어 (그림 1j) 패턴.
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블과 건조를 1 분에 대 한 개발자에 샘플을 담가. 홍보 강화, 5 분 동안 110 ° C에서 샘플을 구워 하드.
- 각각 60 s/20 s, 젖은 현상으로 Cr/Au 층을 에칭.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플. 수 분 제거, 집게로 잡고 N2 블으로 샘플을 건조.
참고: 청소 과정 이후 파이 층을 박 리의 위험이 매우 조심 하는.
4. 폴과 두 번째 금속 수행의 두 번째 층의 증 착
- 60 4000 rpm에서 샘플에 코트 PI를 스핀 들, 3 분 동안 110 ° C와 뜨거운 접시에 10 분 동안 150 ° C에서 anneal 그리고 오븐 (그림 1)에 N2 를 제공 하 여 230 ° c N2 분위기에서 60 분 anneal.
- 130 nm을 사용 하 여 두께와 SiO2 층 보증금 PECVD 230 ° C의 온도, 20 W RF 전력, 1000 mTorr의 압력, SiH4 가스 (100 sccm)와 N2O 2 분 (800 sccm) 가스.
- 드라이 에칭 (그림 1 l)에 대 한 하드 마스크 레이어로 SiO2 패턴.
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블과 건조를 1 분에 대 한 개발자에 샘플을 담가. 열심히 구워 5 분 동안 110 ° C에 홍보 레이어 보안 강화를 위한 샘플.
- 30 비오이에서 샘플 찍어 SiO2 하드 마스크 패턴, 테 플 론 국자를 사용 하 여 s 디 물에 깨끗 하 고 건조 한 그것 N2 블 집게로 잡고.
- 드라이 엣지 30 W RF 전력, 리에 사용 하 여 PI O2 가스 (30 sccm), 및 50 분에 대 한 아르곤 가스 (70 sccm).
- PECVD 산화물 층을 제거 하려면 30 비오이에서 샘플 찍어 s, 테 플 론 국자를 사용 하 여.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플.
- 10 nm/200 nm 두께의 Cr/Au 스퍼터 코팅에 의해 예금.
- Cr/Au 금속 레이어 (그림 1 m) 패턴.
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블과 건조를 1 분에 대 한 개발자에 샘플을 담가. 열심히 구워 5 분 동안 110 ° C에 홍보 레이어 보안 강화를 위한 샘플.
- 60 s/20 s, 젖은 현상에 의해 Cr/Au 레이어를 각각 에칭.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플.
- 수 분을 제거 하려면 건조 한 질소 블와 깨끗 한 기판 집게로 잡고.
참고: 폴 레이어 박 리의 위험이 있다, 그래서 청소 과정을 매우 신중 하 게 수행.
5. PI와 개통 구멍 및 메쉬 구조를 통해 샘플을 캡슐화
- 60 4000 rpm에서 샘플에 코트 PI를 스핀 들, 3 분 동안 110 ° C와 뜨거운 접시에 10 분 동안 150 ° C에서 anneal 그리고 오븐 (그림 1n)에 N2 를 제공 하 여 230 ° c N2 분위기에서 60 분 anneal.
- 사용 하 여 650 nm의 두께 가진 SiO2 층 보증금 PECVD 230 ° C의 온도, 20 W RF 전력, 1000 mTorr의 압력, SiH4 가스 (100 sccm)와 N2O 8 분 (800 sccm) 가스.
- 드라이 에칭에 대 한 패턴 하드 마스크 레이어로 SiO2 입니다.
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블으로 드라이를 2 분 동안 개발자에 샘플을 담가. 열심히 구워 5 분 동안 110 ° C에 홍보 레이어 보안 강화를 위한 샘플.
- SiO2 하드 마스크 패턴, 테 플 론 국자를 사용 하 여 1 분 30 s 비오이에서 샘플, 디 물에서 청소와 집게로 잡고 N2 블으로 건조.
참고: 모방 하는 작은 크기 때문에 그것은 이전 개발 시간 보다는 더 이상 개발할 수 있도록 필요한.
- 드라이 엣지 30 W RF 전력, 리에 사용 하 여 PI O2 가스 (30 sccm), 및 75 분 Ar 가스 (70 sccm).
- 드라이와 100 W RF 전원, 0 W ICP 전원, 30 mTorr 챔버 압력, 40 sccm SF6 가스 6 분 (그림 1o)에 대 한 ICP-리에 의해 Si를 에칭.
- PECVD 산화물 층을 제거 하려면 1 분 30 초, 테 플 론 국자를 사용 하 여에 대 한 비오이에서 샘플 찍어.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플.
- 130 nm을 사용 하 여 두께와 SiO2 층 보증금 PECVD 230 ° C의 온도, 20 W RF 전력, 1000 mTorr의 압력, SiH4 가스 (100 sccm)와 N2O 2 분 (800 sccm) 가스.
- 드라이 에칭에 대 한 패턴 하드 마스크 레이어로 SiO2 입니다.
- 40 s와 부드러운 빵 90 ° C에서 코팅된 샘플 90 미 노출에 대 한 샘플 10 포토 리소 그래피 마스크 자외선을 위해 4000 rpm에서 샘플에 코트 긍정적인 홍보를 회전 s.
- 패턴 정의 디 물에 그것을 청소 하 고 집게로 잡고 N2 블과 건조를 1 분에 대 한 개발자에 샘플을 담가. 열심히 구워 5 분 동안 110 ° C에 홍보 레이어 보안 강화를 위한 샘플.
- SiO2 하드 마스크 패턴, 테 플 론 국자를 사용 하 여 1 분 30 s 비오이에서 샘플, 디 물에서 청소와 집게로 잡고 N2 블으로 건조.
- 드라이 엣지 리에 의해 파이 30 W RF 전력, O2 가스 (30 sccm), 및 75 분 Ar 가스 (70 sccm).
- PECVD 산화물 층을 제거 하려면 30 비오이에서 샘플 찍어 s, 테 플 론 국자를 사용 하 여.
- 깨끗 한 물이 순차적으로 아세톤, IPA와 디와 함께 샘플. 수 분을 제거 하는 N2 블으로 깨끗 한 샘플 집게로 잡고 건조.
6. 희생 층 에칭 하 고 유연한 기판에 샘플을 전송
참고: 그림 2를 참조 하십시오.
- 20 분 (그림 2a, 삽입) 소산 49%에서 샘플을 immersing 하 여 희생 층 에칭.
- 샘플 디 물으로 린스.
- 기판 및 장치 간의 수 분을 흡수 하는이 퍼의 모 세관 현상을 사용 후 나머지 수 분 (그림 2a)을 제거 하는 집게로 잡고 N2 블으로 깨끗 한 샘플을 건조.
- 헹 구 고 샘플 건조의 과정을 수행 합니다. 소자와 기판 사이의 낮은 접착 때문이, 기판 및 장치 분리를 하지 않도록 매우 신중 하 게 할 수 있다.
- 탄소 테이프를 사용 하 여 샘플을 보유 하 고 수용 성 테이프를 첨부.
- 기판 (그림 2b)에 나머지에서 장치를 방지 하기 위해 순식간에 수용 성 테이프 떨어져 스트립.
- 샘플 수용 성 테이프에 연결 되어 있는지 확인 합니다.
- 전송 샘플입니다 (PDMS)을 입힌 폴 리 에틸렌 테 레프 탈 산 (애완 동물) 필름 (그림 2c).
- PDMS 준비 (prepolymer의 10:1 혼합: 경화제)는 PDMS에 기체 제거 하 여 모든 기포를 제거 하 고.
- 스핀 코트 PDMS 30 s 및 빵 10 분 동안 110 ° C의 온도에서 뜨거운 접시에 애완 동물 필름 1000 rpm에서 애완 동물 필름에.
- 샘플 30 자외선을 노출는 PDMS의 접착 향상 PDMS 코팅 애완 동물 필름 샘플 수용 성 테이프를 연결 하는 s.
참고: UV 치료 PDMS 표면 접착을 향상 시킵니다.
- 수용 성 테이프를 제거 하려면 신중 하 게 드롭 물, 그것에 피 펫을 사용 하 여. 물 물에 의해 멀리 공중 소탕 되 고에서 장치를 방지 하기 위해 느린 흐름 수용 성 테이프를 제거 합니다. 집게 (그림 2d)와 그것을 잡고 천천히 N2 블으로 샘플을 건조.
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Representative Results
그림 3a 와 3b 고려 이전의 연구2,23NIPIN PTR의 설계 및 조립 구조를 표시 합니다. 그림 3a 에서 삽입 된 PTR의 기본 I-V 특성을 전시 한다. PTR의 상세한 구조 매개 변수는 그림 3b에 표시 됩니다. SOI 웨이퍼에 Si 계층에 대 한도 핑 과정은 NNFC의 이온 주입을 사용 하 여 실시 했다. 도 핑 깊이 Si 층의 두께 같은, ~1.25 µ m 그리고 n+ 및 p+ 의 핑 농도 10 ~19 cm-3. 시 레이어 위에 핑 분포는 손가락 형도 핑. N+ 지역 및 손가락 형도 핑에 의해 생성 된 p+ 지역 사이의 측면 고갈 영역 사진 생성 사업자25의 손실을 줄이기 위해 유용 합니다. 또한, 사진 생성 사업자, 셀 효율 증가 생성 하는 활성 영역 높 혔 습니다 손가락 형도 핑. 그림 3 c 는 섬도 핑된 시 PTR의 광학 이미지를 제공합니다. 단일 PTR의 i-v 특성은 그림 3에 표시 됩니다.
그림 4a 전송 인쇄 단계 전에 조작된 PTR 배열을 표시합니다. 확대 이미지를 자세히 단일 PTR 셀을 보여 줍니다. 파이 캡슐 사 문석 전극 장치에 stretchability를 제공 하 고 전극 및 시 셀 균열 또는 실패에서 보호. 기계적 안정성, PI 레이어 시 레이어 및 공기 사이의 굴절율 차이 줄여 antireflective 코팅으로 서 역할을 담당 한다. 그림 4b 광학 이미지 PDMS 코팅 애완 동물 필름에 전송된 장치를 보여줍니다. 전송 인쇄 메서드를 사용 하 여 완료 된 장치 (예를 들어, 얇은 애완 동물 필름)는 유연한 기판에 놓일 수 있다. 그림 4 c 측정 설정의 도식 일러스트 및 곡률 (RoC)의 반지름의 정의 전시 한다. 벤딩 상태에서 전기적 성능 측정, 하 우리를 좌우로 이동 하 여 샘플을 구 부 맞춤 수동 단계 생산. 그림 4 d 다른과 (즉, 무한대, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm)에 PTR 배열의 i-v 특성을 보여 줍니다. 이 결과 PTR의 전기 기능은과 관계 없이 일정을 보여줍니다. 이 실험에 사용 된 광원은 할로겐 램프에 의해 유도 된 하얀 빛. 그림 4e 다른과와 전압의 기능으로 전류를 광 전류의 비율을 보여 줍니다. 매칭의 감도 결정 하는 동적 범위 ~ 600 이상, 2 V의 바이어스 전압 이상에서 유지 됩니다. 이 결과 4e 그림의 삽입과 같이 얇은 시 막은 낮은 전류로 인해 중요 한 동적 범위를 달성할 수 있다고 보여줍니다. 그림 4 층 각 RoC 가진 구부러진된 PTR 배열에 대 한 이미지를 표시합니다.
그림 1: 곡선된 포토 트랜지스터 어레이 제작 과정의 도식 일러스트. 패널 (a)-(o) 표시를 만드는 핑된 SOI 기판에 포토 트랜지스터 장치 조작에서 순차적 프로세스는 SOI 기판의 희생 층을 제거 하는 구멍을 통해. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 전송에 대 한 도식 일러스트 포토 트랜지스터 배열을 SOI 웨이퍼에서 유연한 기판의 인쇄. (한)이이 패널 오픈 메쉬 구조를 형성 하 고 희생 레이어를 제거 하는 방법을 보여 줍니다. (b)이이 패널 수용 성 테이프와 장치를 분리 하는 방법을 보여 줍니다. (c)이이 패널 (예를 들어, PDMS) 스티커 유연한 기판에 장치를 전송 하는 방법을 보여 줍니다. (d)이이 패널 그것에 수를 놓아 수용 성 테이프를 제거 하는 방법을 보여 줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 포토 트랜지스터 (PTR)와 I-V 특성의 시뮬레이션 결과 단일 단위 셀에 대 한 설계도. 처음 두 패널 PTR 및 (b)의 (a) 기울기 보기 PTR의 상위 뷰를 보여줍니다. 도 핑 농도 10 ~19 cm-3 대 한 모두의 p+ 와 n+ 지역. 자세한 기하학적 값 그림 3b에 표시 됩니다. 그림 3a 에서 삽입 된 PTR의 기본 I-V 특성을 표시합니다. (c)이이 패널도 핑된 시 Ptr에 광학 현미경 이미지를 보여줍니다. 노란 색 시 Ptr를 나타냅니다. 녹색 기판 SiO2 상자 계층 이다. (d)이이 패널은 밝고 어두운 상태에서 단일 PTR의 i-v 특성을 보여줍니다. 삽입 된 단일 셀의 현재 어둠을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 방법 및 포토 트랜지스터 배열의 구부려 진된 상태에서 I-V 특성 측정 결과의 도식. (한)이이 패널이 보여줍니다 조작 장치의 사진. 확대 이미지를 자세히 단일 PTR 셀을 보여 줍니다. (b)이이 패널 PDMS 코팅 애완 동물 필름에 사진 전송 장치를 보여줍니다. (c)이이 패널은 측정 셋업의 단순화 된 회로도. 삽입에서 볼 수 있듯이 반지름 곡률 (RoC)의 원의 중심에서 원의 반지름으로 정의 됩니다. (d)이이 패널의 다른과와 조명 아래 PTR 배열-V 특성을 보여 줍니다. (e)이이 패널은 전류를 광 전류 비율의 음모. 삽입 함으로써 높은 동적 범위를 일으키는 매우 낮은 어두운 현재 레벨을 보여줍니다. (f)이이 패널 각 RoC에 구부러진된 PTR 배열에 대 한 광학 이미지를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
여기에 설명 된 제조 기술 고급 전자와 착용 형 장치의 진행에 크게 기여 한다. 이 방법의 기본 개념 얇은 시 막과 금속 interconnectors 스트레칭의 능력을 사용합니다. 시 취 성 및 하드 자료를 쉽게 골절이 될 수 있지만, 매우 얇은 시 레이어 유연성26,27를 얻을 수 있습니다. 금속 interconnector 경우 물결 모양 stretchability 및 유연성28,29제공합니다. 특히, 금속 interconnectors 행렬 형식으로 운영 하는 전체 장치에 대 한 전극 역할을 합니다. 매트릭스 형태의 오픈 메쉬, 최종 단계에서 구현 되는 구조화 된 방식으로 장치에 부드러움을 제공 합니다. 박막 Si와 사 문석 전극의 장점을 함께이 스트레스 절연을 달성 하 고 장치 형상을 해제 합니다. 또한, 모든 장치를 동시에 둘러싸는 PI 레이어 반사 방지의 효과 제공 하 고 균열 또는 결함 으로부터 장치를 보호. 전송 인쇄 메서드를 사용 하 여 조작된 장치는 유연한 기판에 놓일 수 있다 그리고 그것은 장치를 변형 될 수 있는 상태를 보호 하는 따라서. 과정을 통해 단계 여기에 제시, 장치 특성 측면에서 많은 장점 가진 시 장치 고 프로세스 성숙도 변형 제품으로 실현 될 수 있다.
낮은 전류와 PTR 셀을 얻으려면, 과정을도 핑 하는 장치는 생명 이다. 도 핑 깊이 얕은 핑의 그것에 비해 더 고갈 영역을 형성할 수 있다 깊은 핑 때문에 불순물 농도 보다 더 중요 한입니다. 고갈 영역에 사진에서 생성 된 전자와 구멍 재결합 하지 않습니다, 그리고이 깊은 실수로 PTR에 전류는 감소 하는 기본 요소입니다. 깊은 핑에 대 한 이온 주입 방법 유포 방법 보다 더 적당 하다. 우리는이 프로토콜의 1 단계에 해당 하는 이온 주입 방법을 사용 하 여 불순물도 핑을 실시. 도 핑 프로세스를 성공적으로 실행 하려면 상용 기술 컴퓨터 지원 설계 (TCAD) 시뮬레이션을 사용 하 여도 핑 깊이 농도 추정 하는 것이 좋습니다.
금속 단계 (단계 3 및 4)는 여기에 설명 된 제조 기술에서 가장 중요 한 프로세스 중 하나입니다. 이 프로토콜에서 Au는 전자 경로로 사용 하지만 Au는 PI 레이어와 가난한 접착. 따라서, Cr (또는 Ti) 레이어는 Au와 PI의 접착을 홍보 하는 데 필요한. 이 실험에서 ~1.2 µ m 인 PI 두께 때문 전자 빔 또는 열 evaporations에서 금속 라인 필요가 없습니다 충분 한 단계 적용. 이 프로토콜에서 스퍼터 링 과정은이 단계에서 사용 됩니다. 금속에 대 한 스퍼터 링 프로세스를 사용 하는 것이 좋습니다. 후 금속 패턴 솔루션 에칭에 의해 형성 된다, 샘플 디 물으로 청소 된다. 주의 N2 가스 타격 다음 샘플에서 물 건조에 강한 가스 타격 금속 층을 벗기다 수 있습니다 때문에 필요 합니다.
형성 하는 구멍 (5 단계), 에칭 프로세스 PI와 Si 층을 침투 하는를 통해 또한이 제조 기술에 중요 하다. 그것은 어려운 결정 여부는 구멍을 통해 패턴 잘 생성 여부 때문에 구멍을 통해 작은 직경 (~ 2 µ m) 있다. 에칭 과정 후 색상 변경, 이후의 내부를 관찰 것이 좋습니다 있는 각 단계는 현미경에 의해 구멍 패턴을 통해. 다음, PI 레이어 뱀 메쉬 형태로 모방 해야 합니다. 이것은 유연한 stretchable 속성을 얻기 위해 장치에 대 한 필수적인 단계 이다.
희생 SiO2 레이어 (6 단계)의 제거에 대 한 지속적인 현미경 관찰을 통해 수 소산 (HF) 상자 산화물 층의 에칭 정도 알고 필수적 이다. 또한, 그는 HF 청소 후 남아 있다 디 물 건조 해야 신중 하 게 실행, Si 기판 처리에서 장치 떨어져 껍질 수 부는 N2 가스 때문에. 부드럽게 N2 가스를 부는 것이 좋습니다. HF는 인체에 매우 유해한 있기 때문에, 환경 보호 장비, 보호 장갑, 및 시스템을 배기 가스에에서는 실험을 실시 한다. 이 프로토콜에는 다음 단계, 전송 인쇄 과정 (6 단계), 까다로운 하 고 숙련 된 기술이 필요로 한다. 예를 들어, 수용 성 테이프를 사용 하 여 장치를 제거, 그것은 고속에서 테이프를 제거 하 여 수율을 확보 하 여 유리.
결론적으로,이 문서 일련의 증 착, 에칭, 평판과 전송 인쇄 등 반도체 제조 프로세스를 사용 하 여 유연한 시 PTR 배열 조작에 대 한 프로세스를 제시. 이 제조 과정의 통찰력에 대 한이 문서 특정 제조 방법을 자세한 설명과 함께 나와 있습니다. 또한,이 기사는 우리가 여기에 설명 된 샘플을 조작 하 여-V 특성와 다른과 대 한 조명 없이 조작된 샘플의 장치 성능을 측정 하는 접근을 사용 하는 방법을 설명 합니다. 이 결과 Si PTR 배열 변형된 상태에서 기계적, 전기적 안정성을가지고 하는 방법을 보여 줍니다. 이 연구에서 Si 재료의 기계적 한계 능력은 본질적으로 연 시에 3 차원 변형 구조를 도입 하 여 극복 됩니다. 이 때문에, 제작 절차는 유연한 stretchable 전자와 착용 형 장치 의료 모니터 등의 분야에서 다른 응용 프로그램에 유용 수도 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 연구는 크리에이 티브 자료 검색 프로그램 통해 국립 연구 재단의 한국 (NRF) 과학과 ICT (NRF-2017M3D1A1039288)에 의해 자금에 의해 지원 되었다. 또한,이 연구는 한국 정부 (MSIP) (No.2017000709, 육체적으로 unclonable 암호화 기본 형식을 사용 하 여 통합 된 접근에 의해 투자 하는 정보 및 통신 기술 진흥 (IITP) 부여에 대 한 연구소에 의해 지원 되었다 무작위 레이저 그리고 전자공학)입니다.
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).
