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Engineering

Fabricação de imagem flexível Sensor baseado no NIPIN Lateral 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

Apresentamos um método detalhado para fabricar uma matriz de fototransistor NIPIN lateral deformável para sensores de imagem curvos. A matriz de fototransistor com uma forma de malha aberta, que é composta de ilhas de silicone fina e elásticos metais interligações, proporciona flexibilidade e elasticidade. O analisador do parâmetro caracteriza a propriedade elétrica do fototransistor fabricado.

Abstract

Fotodetectores flexíveis têm sido intensamente estudados para o uso de sensores de imagem curvos, que são um componente crucial em sistemas de imagem bio-inspirados, mas vários pontos desafiadores permanecem, tais como uma eficiência baixa absorção devido a uma fina camada ativa e baixa flexibilidade. Apresentamos um método avançado para fabricar uma matriz fototransistor flexível com um melhor desempenho elétrico. O excelente desempenho elétrico é impulsionado por uma baixa corrente escura devido à impureza profunda de doping. Interligações de metal flexíveis e elásticos simultaneamente oferecem estabilidades elétricas e mecânicas em um estado altamente deformado. O protocolo descreve explicitamente o processo de fabricação do fototransistor usando uma membrana fina de silício. Medindo-se as características-V do dispositivo concluído nos Estados deformados, demonstramos que esta abordagem melhora a estabilidade mecânica e elétrica da matriz fototransistor. Esperamos que esta abordagem de um fototransistor flexível pode ser amplamente utilizada para as aplicações de geração de imagens sistemas/optoeletrônica, não só mas também wearable dispositivos como sensores tácteis/pressão/temperatura e monitores de saúde.

Introduction

Sistemas de imagem bio-inspirado podem fornecer muitas vantagens em comparação com os convencionais de imagem sistemas1,2,3,4,5. Retina ou omatídeos hemisféricas é um componente substancial do sistema visual biológico1,2,6. Um sensor de imagem curvos, que imita o elemento crítico dos olhos do animais, pode fornecer uma configuração compacta e simples de sistemas ópticos com aberrações baixo7. Diversos avanços de técnicas de fabricação e materiais, por exemplo, o uso de materiais intrinsecamente macios tais como nanomateriais8,9,10,11, 12 e a introdução de estruturas deformáveis para semicondutores, incluindo o silício (Si) e germânio (Ge)1,2,3,13,14, , 15,16,17, perceber os sensores de imagem curvos. Entre eles, abordagens baseadas em Si fornecem vantagens inerentes tais como uma abundância de material, tecnologia madura, estabilidade e superioridade óptica/elétrica. Por esta razão, embora Si tem rigidez intrínseca e fragilidade, eletrônica flexível baseado em Si têm sido amplamente estudadas para diversas aplicações, tais como optoelectronics flexível18,19,20 incluindo a imagem curvos sensores1,2,3e dispositivos de saúde nem wearable21,22.

Em um estudo recente, analisamos e melhorou o desempenho elétrico de um fino Si fotodetector matriz23. Nesse estudo, a célula ideal única unidade da matriz fotodetector curvo é um tipo de fototransistor (PTR) que consiste em um fotodiodo e díodo de bloqueio. O ganho de junção base amplifica uma fotocorrente gerado, e, portanto, exibe uma rota para melhorar um desempenho elétrico com uma estrutura de película fina. Além da única célula, a estrutura de película fina é apropriada suprimir uma corrente escura, que é considerada como ruído na célula fotoeléctrica. Em matéria de concentração doping, uma concentração maior do que 1015 cm-3 é suficiente para alcançar um desempenho excepcional em que as características do diodo podem ser mantidas com uma intensidade de luz ao longo de 10-3 W/cm2 23 . Além disso, a célula única PTR tem uma coluna de baixo ruído e opticamente/eletricamente estável propriedades comparadas com a do fotodiodo. Com base nestas regras de concepção, nós fabricada uma matriz de fotodetector flexível que consiste em finas Si PTRs usando uma bolacha (SOI) do silicone-em-isolador. Em geral, uma regra importante projeto de sensores de imagem flexível é o conceito de avião mecânico neutro que define a posição através da espessura da estrutura onde cepas são zero para um arbitrariamente pequeno r24. Outro ponto crucial é uma serpentina geometria do eletrodo, porque uma forma ondulada fornece elasticidade totalmente reversível para o eletrodo. Devido a estes dois conceitos de design importantes, a matriz de fotodetector pode ser flexível e elástica. Ele facilita a deformação 3D da matriz fotodetector em uma forma hemisférica ou uma forma curvada como a retina dos olhos animais2.

Neste trabalho, vamos detalhar os processos para a fabricação da matriz PTR curvo, utilizando processos de fabricação de semicondutores (por exemplo, de doping, gravura e deposição) e impressão de transferência. Também, podemos caracterizar um único PTR em termos de uma curva-V. Além do método de fabricação e análise de células individuais, a característica elétrica da matriz PTR é analisada nos Estados deformados.

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Protocol

Atenção: Alguns produtos químicos (i. e., ácido fluorídrico, tamponada óxido ácido, álcool isopropílico, etc.) utilizadas neste protocolo pode ser perigoso para a saúde. Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança antes de qualquer preparação de amostra tem lugar. Utilizar equipamento de protecção adequado (ex., aventais, óculos de segurança, luvas) e controles de engenharia (EG., molhado estação, exaustor de fumo) ao manusear ácidos e solventes.

1. Si Doping e isolamento

Nota: Ver Figura 1a - 1D.

  1. Preparar um wafer SOI dopado por implantação iónica com as condições da seguinte forma: dopant-fósforo/boro, energia de 80/50 keV e uma dose de 5 x 10153 x 1015 cm-3 para n+ e p+ de doping, respectivamente. Para recuperar uma cristalinidade de wafer, recoza a amostra a uma temperatura de 1.000 ° C durante 120 min em uma fornalha após implantação de íon. Prepare as amostras dopadas usando o processo de implantação do íon do centro nacional de NanoFab (NNFC) para a estabilidade do processo de alta e profunda de doping profundidade (Figura 1a).
  2. Para remover o óxido nativo, mergulhar a amostra em cubos usando uma concha de Teflon em buffer óxido ácido (BOE) para 5 s e limpar a amostra em cubos sequencialmente com acetona, álcool isopropílico (IPA) e água desionizada (DI).
  3. Forma um padrão de fotorresiste (PR) para o isolamento de Si (Figura 1b).
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor para 1 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça. Duro, asse a amostra para endurecer a camada PR a 110 ° C por 5 min.
  4. Seco condicionar a amostra de Si usando gravura íon reativo de plasma indutivamente acoplado (ICP-RIE) com potência de RF W 100, 0 poder de ICP W, 30 mTorr pressão da câmara e SF6 gás (40 sccm) para 6 min (Figura 1C).
  5. Para remover uma camada de óxido enterrado, mergulhe as amostras em 49% de ácido fluorídrico por 2 min, usando uma concha de Teflon (Figura 1D).
  6. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa. Para remover a umidade, seca a amostra com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.

2. deposição de camada de óxido sacrificial

Nota: Ver Figura 1e - 1G.

  1. Depositar uma camada de sacrifício SiO2 com uma espessura de 130 nm, utilizando plasma reforçada de deposição de vapor químico (PECVD) com uma temperatura de 230 ° C, potência de RF W 20, pressão de 1000 mTorr, SiH4 gás (100 sccm) e N2O gás (800 sccm) por 2 min ( Figura 1e).
  2. Padrão, a camada de PR como uma máscara para uma camada de sacrifício SiO2 (Figura 1f).
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor para 1 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma arma de2 N, mantendo-a com a pinça. Duro, asse a amostra para endurecer a camada PR a 110 ° C por 5 min.
  3. Para a camada de óxido PECVD de padrão, mergulhar a amostra em BOE por 30 s, usando uma concha de Teflon (Figura 1G).
  4. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa. Para remover a umidade, seca a amostra com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.

3. a deposição da primeira camada de Polyimide e realizando a primeira metalização

  1. Girar o casaco polyimide (PI) na amostra a 4.000 rpm por 60 s, recoze-110 ° c por 3 min e a 150 ° C por 10 min em um prato quente e recozem a 230 ° C por 60 min em uma atmosfera de2 N fornecendo N2 ao forno (Figura 1-h).
  2. Depositar uma camada de2 SiO com uma espessura de 130 nm usando PECVD com uma temperatura de 230 ° C, 20 W RF poder, pressão de 1.000 mTorr, SiH4 gás (100 sccm) e N2O gás (800 sccm) por 2 min.
  3. Padrão de SiO2 como uma camada de máscara difícil para PI seque gravura (Figura 1i).
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor para 1 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça. Duro, asse a amostra para endurecer a camada PR a 110 ° C por 5 min.
    3. Para a máscara de difícil SiO2 de padrão, mergulhar a amostra em BOE por 30 s usando uma ursa de Teflon, limpe-a em água DI e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.
  4. Seco etch o PI usando RIE com potência de RF W 30, O gás de2 (30 sccm) e gás de Ar (sccm 70) por 20 min.
  5. Para remover a camada de óxido PECVD, mergulhar a amostra em BOE por 30 s, usando uma concha de Teflon.
  6. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa. Para remover a umidade, seca a amostra com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.
  7. Deposite 10 espessura de nm nm/200 de Cr/Au por pulverização catódica.
  8. Padrão, a camada metálica Cr/Au (Figura 1j).
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor para 1 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça. Para endurecer o PR, duro asse a amostra a 110 ° C por 5 min.
    3. Condicione a camada de Cr/Au com um condicionador molhado para 60 s/20 s, respectivamente.
  9. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa. Para remover a umidade, seca a amostra com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.
    Nota: O processo de limpeza tem que ter muito cuidado, uma vez que existe um risco de descascamento da camada de PI.

4. deposição da segunda camada de Polyimide e realizando a segunda metalização

  1. Girar o casaco PI na amostra a 4.000 rpm por 60 s, recoze-110 ° c por 3 min e a 150 ° C por 10 min em um prato quente e recozem a 230 ° C por 60 min em uma atmosfera de2 N fornecendo N2 ao forno (Figura 1-k).
  2. Depositar uma camada de2 SiO com uma espessura de 130 nm usando PECVD com uma temperatura de 230 ° C, potência de RF W 20, 1.000 mTorr pressão, SiH4 gás (100 sccm) e N2O gás (800 sccm) por 2 min.
  3. Padrão de SiO2 como uma camada de máscara difícil para gravura seca (Figura 1 l).
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor para 1 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça. Duro, asse a amostra para endurecer a camada PR a 110 ° C por 5 min.
    3. Para a máscara de difícil SiO2 de padrão, mergulhar a amostra em BOE por 30 s usando uma ursa de Teflon, limpe-a em água DI e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.
  4. Seco etch o PI usando RIE com potência de RF W 30, O gás de2 (30 sccm) e gás de Ar (sccm 70) por 50 min.
  5. Para remover a camada de óxido PECVD, mergulhar a amostra em BOE por 30 s, usando uma concha de Teflon.
  6. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa.
  7. Depósito de 10 nm/200 nm espessura Cr/Au pelo revestimento por pulverização catódica.
  8. Padrão, a camada metálica Cr/Au (Figura 1 m).
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor para 1 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça. Duro, asse a amostra para endurecer a camada PR a 110 ° C por 5 min.
    3. Condicione a camada de Cr/Au por um tal molhado para 60 s/20 s, respectivamente.
  9. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa.
  10. Para remover a umidade, seca o substrato limpo com uma zarabatana de nitrogênio, mantendo-a com a pinça.
    Nota: Existe um risco de descascamento da camada de poliimida, então executar o processo de limpeza com muito cuidado.

5. encapsulando a amostra com PI e abertura através de furos e estrutura de malha

  1. Girar o casaco PI na amostra a 4.000 rpm por 60 s, recoze-110 ° c por 3 min e a 150 ° C por 10 min em um prato quente e recozem a 230 ° C por 60 min em uma atmosfera de2 N fornecendo N2 ao forno (Figura 1n).
  2. Depositar uma camada de2 SiO com uma espessura de 650 nm usando PECVD com uma temperatura de 230 ° C, potência de RF W 20, 1.000 mTorr pressão, SiH4 gás (100 sccm) e N2O gás (800 sccm) por 8 min.
  3. Padrão de SiO2 como uma camada de máscara difícil para gravura seca.
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor por 2 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça. Duro, asse a amostra para endurecer a camada PR a 110 ° C por 5 min.
    3. Para a SiO2 difícil máscara de padrão, mergulhar a amostra em BOE para 1 min 30 s usando uma concha de Teflon, limpe-a em água DI e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.
      Nota: Devido ao pequeno tamanho da padronização, é necessário deixá-lo a desenvolver mais do que o tempo de desenvolvimento anterior.
  4. Seco etch o PI usando RIE com potência de RF W 30, O gás de2 (30 sccm) e gás de Ar (70 sccm) para 75 min.
  5. Seco condicionar o Si por ICP-RIE com potência de RF W 100, 0 poder W ICP, pressão da câmara 30 mTorr e sccm 40 SF6 gás para 6 min (Figura 1o).
  6. Para remover a camada de óxido PECVD, mergulhe a amostra em BOE para 1 min 30 s, usando uma concha de Teflon.
  7. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa.
  8. Depositar uma camada de2 SiO com uma espessura de 130 nm usando PECVD com uma temperatura de 230 ° C, potência de RF W 20, 1000 pressão mTorr, SiH4 gás (100 sccm) e N2O gás (800 sccm) por 2 min.
  9. Padrão de SiO2 como uma camada de máscara difícil para gravura seca.
    1. Girar o casaco PR positivo na amostra a 4.000 rpm para 40 s e macio asse a amostra revestida a 90 ° C por 90 s. expor a amostra à luz com uma máscara de fotolitos para 10 UV s.
    2. Imergir a amostra no desenvolvedor para 1 min para definir o padrão, limpá-lo em água e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça. Duro, asse a amostra para endurecer a camada PR a 110 ° C por 5 min.
    3. Para a SiO2 difícil máscara de padrão, mergulhar a amostra em BOE para 1 min 30 s usando uma concha de Teflon, limpe-a em água DI e secá-lo com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.
  10. Seco condicionar o PI por RIE com potência de RF W 30, O gás de2 (30 sccm) e gás de Ar (70 sccm) para 75 min.
  11. Para remover a camada de óxido PECVD, mergulhar a amostra em BOE por 30 s, usando uma concha de Teflon.
  12. A amostra sequencialmente com acetona, IPA e DI água limpa. Para remover a umidade, seca a amostra limpa com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça.

6. condicionamento da camada Sacrificial e transferir a amostra para o substrato flexível

Nota: Consulte a Figura 2.

  1. Condicione a camada sacrificial por imersão da amostra em ácido fluorídrico 49% por 20 min (Figura 2a; inserir).
  2. Lave a amostra com água.
  3. Depois de usar o fenômeno capilar de um limpador para absorver a umidade entre o substrato e o dispositivo, seca a amostra limpa com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça para remover a umidade restante (Figura 2a).
    1. Execute o processo de lavagem e secagem da amostra. Devido a baixa adesão entre o dispositivo e o substrato, isto tem de ser feito com muito cuidado, para não separar o substrato e o dispositivo.
  4. Segurar a amostra usando fita de carbono e anexar a fita solúvel em água.
  5. Tire a fita Water-soluble em um instante para impedir que o dispositivo permanece no substrato (Figura 2b).
  6. Confirme que a amostra é anexada à fita solúvel em água.
  7. Transferi o amostra para um polydimethylsiloxane (PDMS) revestido () tereftalato (Figura 2C).
    1. Preparar o PDMS (10:1 mistura de pré-polímero: agente de cura) e remova quaisquer bolhas de ar o PDMS, desgaseificação.
    2. Casaco de girar o PDMS no filme PET a 1.000 rpm por 30 s e coza-as películas de PET num prato aquecido a uma temperatura de 110 ° C por 10 min.
    3. Expor a amostra à luz por 30 UV s para melhorar a aderência do PDMS e anexar a fita solúvel em água com a amostra para o filme de PET revestido de PDMS.
      Nota: O tratamento UV aumenta a adesão de uma superfície PDMS.
  8. Para remover a fita solúvel em água, cuidadosamente cair água sobre ele, usando uma pipeta. Remova a fita solúvel em água com um fluxo lento de água para impedir que o dispositivo ser levado pela água. Seca a amostra lentamente com uma zarabatana de2 N, mantendo-a com a pinça (Figura 2d).

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Representative Results

Figura 3a e 3b mostram a estrutura projetada e fabricada de NIPIN PTR considerando anteriores estudos2,23. O baixo-relevo na Figura 3a exibe uma característica básica V de PTR. Os parâmetros estruturais detalhados do PTR são mostrados na Figura 3b. O processo de dopagem para uma camada de Si em uma bolacha de SOI foi realizado utilizando a implantação do íon do NNFC. A profundidade de dopagem é ~1.25 µm, que é igual à espessura da camada de Si, e a concentração de dopagem dos n+ e p+ é ~ 1019 cm-3. A distribuição de doping na parte superior da camada de Si tem um dedo-tipo de doping. A região de depleção do lado entre o n+ e p+ região, que é gerado do dedo-tipo de doping, é útil para reduzir a perda de foto-gerado transportadoras25. Além disso, o dedo-tipo doping amplia a região ativa gerando portadores de foto-gerado, aumentando assim a eficiência da célula. Figura 3 c apresenta uma imagem óptica de dopados PTR Si ilhas. A característica-V de um único PTR é mostrada na Figura 3d.

Figura 4a exibe a matriz PTR fabricada antes de uma etapa de impressão de transferência. Uma imagem ampliada mostra a única célula PTR em detalhe. O eléctrodo de serpentino PI-encapsulado fornece elasticidade ao dispositivo e protege os eletrodos e células de Si de uma rachadura ou falha. Além da estabilidade mecânica, a camada de PI desempenha um papel como um revestimento antireflective reduzindo a diferença de índices de refração entre a camada de Si e o ar. Figura 4b mostra a imagem óptica para o dispositivo transferido para um filme de PET revestido de PDMS. Usando um método de impressão de transferência, o dispositivo concluído pode ser colocado sobre um substrato flexível (por exemplo, uma fina película de PET). Figura 4 c exibe ilustrações esquemáticas da configuração a medição e a definição de um raio de curvatura (RoC). Para medir um desempenho elétrico em estado de flexão, nós produzimos o estágio manual sob medido para dobrar a amostra movendo de um lado para o outro. D Figura 4 mostra as características-V da matriz PTR em diferentes RoCs (i.e., infinito, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2cm). Este resultado demonstra que a característica elétrica do PTR é constante, independentemente dos RoCs. A fonte de luz usada neste experimento é uma luz branca induzida por uma lâmpada de halogéneo. Figura 4e mostra a relação entre a fotocorrente a corrente escura em função da tensão com RoCs diferentes. A gama dinâmica, o que determina a sensibilidade da célula fotoeléctrica, é mantida a ~ 600 ou mais, acima de uma tensão de polarização de 2 V. Este resultado mostra que uma fina membrana de Si pode alcançar uma gama dinâmica significativa devido a uma baixa corrente de escura conforme a inserção de Figura 4e. Figura 4f exibe as imagens para a matriz PTR dobrada com cada RoC.

Figure 1
Figura 1: ilustrações esquemáticas do processo de fabricação da matriz curvadas fototransistor. Os painéis (um) - (o) mostram o processo sequencial de fabricar um dispositivo fototransistor em um substrato SOI dopado para criar uma através do buraco para remover a camada sacrificial do substrato SOI. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: ilustrações esquemáticas para a transferência da impressão da matriz fototransistor de bolacha SOI substrato flexível. (um) este painel mostra como formar uma estrutura de malha aberta e remover a camada de sacrifício. (b) este painel mostra como desconectar o dispositivo com fita solúvel em água. (c) este painel mostra como transferir o dispositivo a um substrato pegajoso e flexível (por exemplo, PDMS). (d) este painel mostra como remover a fita solúvel em água, deixando cair água sobre ele. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: esquemas para a célula única unidade do fototransistor (PTR) e o resultado de simulação de características-V. Os dois primeiros painéis mostram (um) um tilt vista do PTR e (b) uma vista superior de PTR. A concentração da dopagem é ~ 1019 cm-3 para tanto das regiões n+ e p+ . Os valores geométricos detalhados são exibidos na Figura 3b. O baixo-relevo na Figura 3a exibe uma característica básica V de PTR. (c) este painel mostra uma imagem de microscopia óptica dopada Si PTRs. A cor amarela indica o PTRs de Si. O substrato verde é uma camada de caixa SiO2 . (d) este painel mostra as características de-V de um único PTR sob os Estados brilhantes e escuros. A inserção mostra escuro atual da célula única. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: esquemático de métodos e resultados de medição de características-V no estado curvo de matriz fototransistor. (um) este painel mostra a fotografia do dispositivo fabricado. Uma imagem ampliada mostra a única célula PTR em detalhe. (b) este painel mostra a fotografia de um dispositivo transferido em um filme de PET revestido de PDMS. (c) este painel é um esquema simplificado da instalação de medição. O raio de curvatura (RoC) é definido como o raio de um círculo no centro do círculo, conforme ilustrado no baixo-relevo. (d) este painel mostra as características de-V da matriz PTR sob iluminação com diferentes RoCs. (e) este painel é uma trama de relação da fotocorrente a corrente escura. O baixo-relevo demonstra um nível muito baixo de corrente escuro, causando uma alta gama dinâmica. (f) este painel mostra imagens ópticas para a matriz PTR dobrada em cada RoC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A tecnologia de fabricação descrita aqui contribui significativamente para o progresso da eletrônica avançada e dispositivos wearable. Os conceitos fundamentais desta abordagem usam uma fina membrana de Si e capaz de esticar metais interligações. Apesar de Si é um material duro e quebradiço que facilmente pode ser fraturado, uma camada muito fina de Si pode obter uma flexibilidade26,27. No caso da interligação de metal, a forma ondulada oferece elasticidade e flexibilidade28,29. Em particular, as interligações metais atuam como eletrodos para todo o dispositivo a operar como um tipo de matriz. A forma matricial de uma malha aberta, que é implementada na etapa final, proporciona suavidade ao dispositivo de uma forma estruturada. Juntamente com o mérito da fina camada de Si e os eletrodos de serpentinos, isto atinge a tensão de isolamento e libera a geometria do dispositivo. Além disso, a camada de PI que rodeia o dispositivo simultaneamente oferece os efeitos da antireflection e protege o dispositivo de fissuras ou defeitos. Usando uma método de impressão de transferência, o dispositivo fabricado pode ser colocado sobre um substrato flexível e, portanto, assegura a condição de que o dispositivo pode ser deformado. Através do processo de passos apresentaram aqui, um dispositivo de Si com muitas vantagens em termos de características do dispositivo e maturidade do processo pode ser realizada como um eletrônica deformável.

Para obter uma célula PTR com uma baixa corrente escura, o dispositivo processo de doping é vital. A profundidade de dopagem é mais crítica do que a concentração de impureza porque o doping profunda pode formar mais regiões de depleção, comparadas com a de dopagem superficial. Na região de depleção, buracos e elétrons foto-gerado não recombine, e este é o principal fator que reduzindo a corrente escura no PTR dopado com profundo. Por doping mais profundo, um método de implantação do íon é mais adequado do que o método de difusão. Foi realizado o doping de impureza, usando o método de implantação do íon correspondente ao passo 1 neste protocolo. Para executar com êxito o processo de dopagem, considere o uso de simulações de desenho assistido por computador (TCAD) tecnologia comercial para estimar a profundidade de doping e concentração.

Metalização de passos (passos 3 e 4) são um dos processos mais críticos na tecnologia de fabricação descrito aqui. Neste protocolo, Au é usado como um caminho de eletrônico, mas Au tem uma adesão pobre com uma camada de PI. Assim, uma camada de Cr (ou Ti) é necessária para promover a adesão da UA e PI. Devido à espessura de PI, que é ~1.2 µm, neste experimento, linhas de metal depositadas por evaporações de feixe ou térmico um elétron não tem uma cobertura suficiente do passo. Neste protocolo, um processo de pulverização catódica é utilizado nesta etapa. Recomendamos usar um processo por pulverização catódica para a metalização. Depois que o metal padrão é formado pela gravura de solução, a amostra é limpa com água. Um sopro de gás de2 N cuidado então é necessário para secar a água da amostra, porque um golpe forte gás pode descascar as camadas de metal.

Formando uma via buraco (etapa 5), que penetra o PI e o Si camadas por um processo de decapagem, também é crítico nesta tecnologia de fabricação. É difícil decidir se o buraco através de padrões bem são gerados ou não porque o via buracos tem um diâmetro pequeno (~ 2 µm). Desde que a cor é alterada após o processo de decapagem, recomendamos observar o interior da através de testes padrões de furo por microscópio durante cada etapa. Em seguida, a camada de PI precisa ser modelado na forma de uma malha de serpentina. Este é um passo essencial para o dispositivo para obter uma propriedade flexível/elástica.

Para a remoção da camada de sacrifício SiO2 (etapa 6), é essencial saber o grau de condicionamento da camada de óxido de caixa por ácido fluorídrico (HF), através da contínua observação microscópica. Além disso, DI água que permaneceu após a limpeza o HF de secagem deve ser cuidadosamente executado, porque soprar o gás de2 N pode descascar fora o dispositivo a partir da manipulação de substrato de Si. Recomendamos que soprando o gás de2 N suavemente. Porque o HF é muito prejudicial ao corpo humano, o experimento deve ser conduzido em um ambiente equipado com equipamento de proteção, luvas de proteção e um sistema de ventilação de gás. A etapa subsequente no presente protocolo, o processo de impressão de transferência (etapa 6), precisa de técnicas exigentes e qualificadas. Por exemplo, ao remover o dispositivo usando uma fita solúvel em água, é vantajoso para garantir o rendimento, removendo a fita em alta velocidade.

Em conclusão, este artigo apresentou um processo para fabricar uma matriz PTR Si flexível, usando uma série de processos de fabricação de semicondutores como um depoimento, gravura, fotolitos e impressão de transferência. Para o discernimento deste processo de fabricação, este artigo ilustrado métodos específicos de fabricação com descrições detalhadas. Além disso, este artigo descrito como usamos a abordagem descrita aqui para fabricar a amostra e medir o desempenho do dispositivo das amostras fabricadas em características-V com e sem iluminação para diferentes RoCs. Este resultado demonstra que a matriz PTR de Si tem uma estabilidade mecânica e elétrica em um estado deformado. Neste estudo, as limitações mecânicas dos materiais Si são superadas com a introdução de uma estrutura capaz de uma deformação tridimensional em Si, que não é inerentemente suave. Por causa disso, o procedimento de fabricação também pode ser útil para outras aplicações no campo da eletrônica flexível/elástica e wearable dispositivos como monitores de saúde.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Esta pesquisa foi apoiada pelo programa de descoberta de materiais criativos através da nacional Research Foundation de Coreia (NRF) financiado pelo Ministério da ciência e TIC (NRF-2017M3D1A1039288). Além disso, esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto de informação e promoção da tecnologia de comunicações (IITP) subvenção financiado pelo governo da Coreia (MSIP) (No.2017000709, abordagens integradas de fisicamente unclonable primitivos criptográficos usando aleatórios lasers e Optoelectrónica).

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

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References

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Fabricação de imagem flexível Sensor baseado no NIPIN Lateral Phototransistors
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