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Engineering

Fabricación del Sensor de imagen Flexible basado en Lateral NIPIN fototransistores

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

Se presenta un detallado método para fabricar un deformable lateral NIPIN fototransistor arreglo de discos para sensores de imagen curvada. La matriz de fototransistor con una forma de malla abierta, que está compuesto por islas de silicio fino y elásticos interconectores metálicos, proporciona flexibilidad y elasticidad. El analizador de parámetro caracteriza la propiedad eléctrica del fototransistor fabricado.

Abstract

Fotodetectores flexibles han sido intensamente estudiados para el uso de sensores de imagen curvada, que son un componente crucial en los sistemas de proyección de imagen bio-inspirados, pero quedan varios puntos difíciles, como una eficacia de absorción baja debido a una delgada capa activa y baja flexibilidad. Presentamos un método avanzado para fabricar una matriz flexible fototransistor con un mejor rendimiento eléctrico. El rendimiento eléctrico es impulsado por una corriente oscura baja debido a la impureza profundo dopaje. Interconexiones de metal flexibles y estirables simultáneamente ofrecen estabilidades eléctricos y mecánicos en un estado muy deforme. El protocolo describe explícitamente el proceso de fabricación del fototransistor utilizando una membrana de silicona delgada. Mediante la medición de características i-v del dispositivo terminado en Estados deformidos, demostramos que este enfoque mejora las estabilidades eléctricas y mecánicas de la matriz de fototransistor. Esperamos que este acercamiento a un fototransistor flexible puede ser ampliamente utilizado para las aplicaciones de próxima generación de sistemas/optoelectrónica, pero también para dispositivos como sensores de tacto/presión/temperatura y monitores de salud.

Introduction

Sistemas bio-inspirados de imagen pueden proporcionar muchas ventajas en comparación con la convencional imagen sistemas1,2,3,4,5. Retina o ommatidia hemisférico es un componente substancial del sistema visual biológico1,2,6. Un sensor de imagen curvada que imita el elemento crítico de los ojos animales, puede proporcionar una configuración compacta y sencilla de sistemas ópticos con aberraciones baja7. Diversos avances de las técnicas de fabricación y materiales, por ejemplo, la utilización de materiales intrínsecamente suaves como orgánico/nanomateriales8,9,10,11, 12 y la introducción de estructuras deformables en semiconductores como el silicio (Si) y germanio (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, dan cuenta de los sensores de imagen curvada. Entre ellos, los enfoques basados en Si proporcionan ventajas inherentes tales como una abundancia de material, la tecnología madura, la estabilidad y la superioridad óptica/eléctrica. Por esta razón, aunque Si tiene rigidez intrínseca y la fragilidad, electrónica flexible basada en Si ha sido ampliamente estudiado para diversas aplicaciones, tales como optoelectrónica flexible18,19,20 como imagen curvada sensores1,2,3, incluso para dispositivos sanitarios21,22.

En un reciente estudio, había analizado y había mejorado el rendimiento eléctrico de un fotodetector Si fina matriz23. En ese estudio, la célula unidad óptima de la matriz curva fotodetector es un tipo de fototransistor (PTR) que consiste en un fotodiodo y un diodo de bloqueo. La Unión base ganancia amplifica un photocurrent generada, y por lo tanto exhibe una ruta para mejorar un rendimiento eléctrico con una estructura de película delgada. Además de la célula, la estructura de película delgada es conveniente suprimir una corriente oscura, que se considera como ruido en el fotodetector. En cuanto a concentración de dopaje, una concentración mayor de 1015 cm-3 es suficiente para conseguir un rendimiento excepcional en el que las características del diodo se pueden mantener con una intensidad de luz por 10-3 W/cm2 23 . Por otra parte, la célula solo PTR tiene un ruido de baja de la columna y ópticamente/eléctricamente estable propiedades en comparación con el fotodiodo. Basado en estas reglas de diseño, hemos fabricado un array fotodetector flexible que consiste en finas Pad Si mediante una oblea de silicio sobre aislante (SOI). En general, una regla importante del diseño de sensores de imagen flexible es el concepto de plano mecánico neutral que define la posición a través del espesor de la estructura donde las cepas son cero para una r arbitrariamente pequeña24. Otro punto crucial es una serpentina geometría del electrodo debido a una forma ondulada proporciona elasticidad totalmente reversible al electrodo. Debido a estos dos conceptos de diseño importante, el array fotodetector puede ser flexible y elástico. Facilita la deformación 3D de la matriz de célula fotoeléctrica en una forma semiesférica o una forma curva como la retina de los ojos animales2.

En este trabajo, detallar los procesos para la fabricación de la matriz PTR curvada usando procesos de fabricación de semiconductores (por ejemplo, dopaje, aguafuerte y deposición) e impresión de la transferencia. Además, se caracteriza un PTR solo en términos de una curva de i-v. Además del método de fabricación y análisis de células individuales, se analiza la característica eléctrica de la matriz PTR en Estados deformidos.

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Protocol

PRECAUCIÓN: Algunos productos químicos (i.e., grabador de óxido tamponado, alcohol isopropílico, ácido fluorhídrico, etcetera.) utilizado en este protocolo puede ser peligroso para la salud. Consulte todas las hojas de datos de seguridad de materiales antes de cualquier preparación de la muestra. Utilizar equipo de protección personal (e.g., batas de laboratorio, gafas, guantes) y controles de ingeniería (e.g., mojado estación, campana de humos) manejo de grabadores y solventes.

1. Si el dopaje y el aislamiento

Nota: Vea la Figura 1a - 1D.

  1. Preparar una oblea SOI dopada por implantación de iones con las condiciones como sigue: energía dopante-fósforo/boro, de 80/50 keV y una dosis de 5 x 10153 x 1015 cm-3 n+ + y dopaje, respectivamente. Para recuperar una cristalinidad de la oblea, templar la muestra a una temperatura de 1.000 ° C 120 minutos en un horno después de la implantación de iones. Preparar las muestras dopadas por usando el proceso de implantación de iones desde el Centro Nacional de NanoFab (NNFC) para procesos alta estabilidad y dopaje profunda profundidad (Figura 1a).
  2. Para quitar el óxido nativo, sumergir la muestra en cuadritos con un cucharón de teflón en grabador de óxido tamponado (BOE) para 5 s y limpiar la muestra dados secuencialmente con acetona, alcohol isopropílico (IPA) y agua desionizada (DI).
  3. Forman un patrón de Fotoprotección (PR) para el aislamiento de Si (Figura 1b).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
  4. Dry etch la muestra de Si usando aguafuerte ion reactivo de plasma acoplado inductivamente (ICP-RIE) 100 W potencia 0 potencia ICP W, presión de cámara 30 mTorr y SF6 de gas (40 sccm) 6 min (figura 1C).
  5. Para quitar una capa de óxido enterrado, sumergir las muestras en ácido fluorhídrico 49% por 2 min, usando un cucharón de teflón (figura 1 d).
  6. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.

2. deposición de la capa de óxido sacrificio

Nota: Ver Figura 1e - 1 g.

  1. Depositar una capa sacrificial de SiO2 con un espesor de 130 nm utilizando plasma mayor deposición de vapor químico (PECVD) con una temperatura de 230 ° C, 20 W potencia presión 1000 mTorr, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) por 2 min ( Figura 1e).
  2. Patrón de la capa de PR como una máscara de una capa sacrificial de SiO2 (figura 1f).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
  3. Para el patrón de la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón (figura 1 g).
  4. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.

3. depósito de la primera capa de poliimida y realizar la primera de la metalización

  1. Girar la capa polyimide (PI) en la muestra a 4.000 rpm por 60 s, recuecen a 110 ° C por 3 min y a 150 ° C durante 10 minutos sobre una placa caliente y cocer a 230 ° C durante 60 min en una atmósfera de N2 mediante el suministro de N2 del horno (figura 1 h).
  2. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 130 nm utilizando PECVD con una temperatura de 230 ° C, 20 W potencia, presión de 1.000 mTorr, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 2 minutos.
  3. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para PI seca Aguafuerte (figura 1i).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. Para el patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  4. Dry etch PI mediante RIE con la 30 potencia W, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) por 20 min.
  5. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón.
  6. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  7. Depósito grueso de nm nm/200 10 de Cr/Au por pulverización.
  8. Patrón de la capa de metal de Cr/Au (figura 1j).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Para endurecer el PR, duro cueza al horno la muestra a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. Rayar la capa de Cr/Au con un grabador mojado para 60 de s/20 de s, respectivamente.
  9. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
    Nota: El proceso de limpieza tiene que ser muy cuidadoso ya que se corre el riesgo de pelar la capa del PI.

4. deposición de la segunda capa de poliimida y realizar el segundo de la metalización

  1. Girar la capa PI en la muestra a 4.000 rpm por 60 s, recuecen a 110 ° C por 3 min y a 150 ° C durante 10 minutos sobre una placa caliente y cocer a 230 ° C durante 60 min en una atmósfera de N2 mediante el suministro de N2 del horno (figura 1 k).
  2. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 130 nm usando PECVD con una temperatura de 230 ° C, potencia 20 W, presión mTorr 1.000, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 2 minutos.
  3. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para aguafuerte seca (figura 1 l).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. Para el patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  4. Dry etch el PI con RIE 30 potencia W, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) durante 50 minutos.
  5. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón.
  6. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua.
  7. Depósito 10 nm/200 nm de espesor de Cr/Au de recubrimiento sputter.
  8. Patrón de la capa de metal de Cr/Au (figura 1 m).
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. La capa Cr/Au de grabado por un grabador mojado para 60 de s/20 de s, respectivamente.
  9. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua.
  10. Para quitar la humedad, seque el sustrato limpio con una Cerbatana de nitrógeno mientras lo sujeta con unas pinzas.
    Nota: Existe el riesgo de pelar la capa de poliamida, para realizar el proceso de limpieza muy cuidadosamente.

5. encapsulando la muestra con PI y apertura a través de los agujeros y la estructura de la malla

  1. Girar la capa PI en la muestra a 4.000 rpm por 60 s, recuecen a 110 ° C por 3 min y a 150 ° C durante 10 minutos sobre una placa caliente y cocer a 230 ° C durante 60 min en una atmósfera de N2 mediante el suministro de N2 del horno (figura 1n).
  2. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 650 nm usando PECVD con una temperatura de 230 ° C, potencia 20 W, presión mTorr 1.000, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 8 minutos.
  3. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para aguafuerte seca.
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer por 2 min para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. A patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 1 min 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
      Nota: Debido al pequeño tamaño de los dibujos, es necesario dejar que desarrollar ya que la vez anterior de desarrollo.
  4. Dry etch el PI con RIE 30 potencia W, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) durante 75 minutos.
  5. Dry etch Si por ICP-RIE con 100 W potencia, 0 potencia ICP W, presión 30 mTorr y sccm 40 SF6 gas durante 6 minutos (figura 1o).
  6. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 1 min 30 s, con un cucharón de teflón.
  7. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua.
  8. Depositar una capa de SiO2 con un espesor de 130 nm usando PECVD con una temperatura de 230 ° C, potencia 20 W, 1000 presión mTorr, SiH4 gas (100 sccm) y N2O gas (800 sccm) durante 2 minutos.
  9. Patrón de SiO2 como una capa de máscara dura para aguafuerte seca.
    1. Capa PR positivo en la muestra a 4.000 rpm de la vuelta de 40 s y suave cuece al horno la muestra cubierta a 90 ° C para 90 s. exponer la muestra a la luz con una máscara de fotolitografía para 10 UV s.
    2. Sumergir la muestra en el developer para 1 minuto para definir el patrón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas. Duro, cueza al horno la muestra para el endurecimiento de la capa de PR a 110 ° C durante 5 minutos.
    3. A patrón de la máscara dura de SiO2 , sumergir la muestra en el BOE de 1 min 30 s usando un cucharón de teflón, limpiar en agua desionizada y séquelo con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.
  10. Dry etch PI por RIE con potencia de 30 W de RF, O2 gas (30 sccm) y Ar (70 sccm) durante 75 minutos.
  11. Para quitar la capa de óxido PECVD, sumergir la muestra en el BOE de 30 s, con un cucharón de teflón.
  12. Limpiar la muestra secuencialmente con acetona, IPA y DI agua. Para quitar la humedad, secar la muestra limpia con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas.

6. grabado de la capa de sacrificio y transferir la muestra al substrato Flexible

Nota: Véase la figura 2.

  1. Grabe la capa sacrificial sumergiendo la muestra en ácido fluorhídrico 49% durante 20 minutos (Figura 2a; inserción).
  2. Enjuague la muestra con agua desionizada.
  3. Después de utilizar el fenómeno capilar de un limpiador para absorber la humedad entre el sustrato y el dispositivo, secar la muestra limpia con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas para eliminar la humedad restante (Figura 2a).
    1. Realizar el proceso de lavado y secado de la muestra. Debido a la baja de la adherencia entre el dispositivo y el sustrato, esto tiene que hacerse con mucho cuidado, para no separar el sustrato y el dispositivo.
  4. Sujete la muestra usando cinta de carbón y coloque la cinta soluble en agua.
  5. Tira de la cinta soluble en agua en un instante para impedir que el dispositivo queda en el sustrato (figura 2b).
  6. Confirmar que la muestra se une a la cinta soluble en agua.
  7. Transferir la muestra a un polidimetilsiloxano (PDMS) recubierta polietileno tereftalato (PET) película (figura 2C).
    1. Preparación de PDMS (10:1 mezcla de prepolímero: agente de curado) y eliminar las posibles burbujas de aire en el PDMS por desgasificación.
    2. Capa de vuelta el PDMS en la película de PET a 1.000 rpm durante 30 s y cueza al horno la película del animal doméstico en un plato caliente a una temperatura de 110 ° C durante 10 minutos.
    3. Exponer la muestra a la luz de 30 UV s para mejorar la adherencia de los PDMS y coloque la cinta soluble en agua con la muestra en la película de PET recubierto de PDMS.
      Nota: Tratamiento UV mejora la adherencia de una superficie PDMS.
  8. Para retirar la cinta soluble en agua, cuidadosamente deje caer agua en él, utilizando una pipeta. Retire la cinta soluble en agua con un flujo lento de agua para evitar que el dispositivo siendo arrastrado por el agua. Secar la muestra lentamente con una Cerbatana de2 N sujetando con pinzas (Figura 2d).

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Representative Results

Figura 3a y 3b muestran la estructura diseñada y fabricada de PTR NIPIN considerando anteriores estudios2,23. El recuadro en la figura 3a muestra una característica básica V de PTR. Los parámetros estructurales detallados de PTR se muestran en la figura 3b. El proceso de dopaje de una capa de Si en una oblea SOI se llevó a cabo mediante la implantación de iones de la NNFC. La profundidad de dopaje ~1.25 μm, que es igual al espesor de la capa de Si, y la concentración de dopaje n+ y p+ ~ 1019 cm-3. La distribución de dopaje en la parte superior capa Si tiene un dedo tipo dopaje. La región de agotamiento lateral entre la región de n+ y p+ región, generado por el dopaje de tipo dedo, es útil para reducir la pérdida de portadores generados por foto25. Además, el dopaje de dedo tipo amplía la región activa generación de portadores generados por foto, aumentando así la eficiencia de las células. C de la figura 3 presenta una imagen óptica de PTR Si dopado islas. La característica i-v de un PTR solo se muestra en la Figura 3d.

Figura 4a muestra la matriz fabricada de PTR antes de un paso de impresión de transferencia. Una imagen ampliada muestra la célula PTR en detalle. El electrodo serpentino encapsulado PI proporciona elasticidad al dispositivo y protege a los electrodos y las células del Si de una grieta o falla. Además de estabilidad mecánica, la capa de PI desempeña un papel como una capa antirreflectante reduciendo la diferencia de índices de refracción entre la capa de Si y el aire. Figura 4b se muestra la imagen óptica del dispositivo transferido en una película de PET recubierto de PDMS. Mediante un método de impresión de transferencia, el dispositivo terminado puede colocarse sobre un sustrato flexible (por ejemplo, una fina película del animal doméstico). C de la figura 4 exhibe las ilustraciones esquemáticas de la configuración de la medición y la definición de un radio de curvatura (RoC). Para medir un rendimiento eléctrico en un estado de flexión, se produce la etapa manual por encargo para doblar la muestra moviendo de lado a lado. D figura 4 muestra las características i-v de la matriz PTR en rocas diferentes (es decir, infinito, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Este resultado demuestra que la característica eléctrica de la PTR es constante, independientemente de los RoCs. La fuente de luz utilizada en este experimento es una luz blanca inducida por una lámpara halógena. Figura 4e muestra la relación de la fotocorriente a corriente oscura como una función del voltaje con rocas diferentes. El rango dinámico, que determina la sensibilidad del fotodetector, se mantiene en ~ 600 o más, por encima de un voltaje de polarización de 2 V. Este resultado muestra que una fina membrana de Si puede alcanzar un rango dinámico significativo debido a una corriente oscura baja como se muestra en el recuadro de la Figura 4e. Figura 4f muestra las imágenes de la matriz PTR doblada con cada RoC.

Figure 1
Figura 1: ilustraciones esquemáticas del proceso de fabricación de la matriz curva fototransistor. Los paneles (a) - (o) muestran el proceso secuencial de fabricación de un dispositivo fototransistor en un substrato SOI dopado a la creación de una vía agujero para eliminar la capa sacrificial de los sustratos SOI. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: ilustraciones esquemáticas para la transferencia de la impresión de la matriz de fototransistor de oblea SOI en sustrato flexible. (a) este panel muestra cómo formar una estructura de malla abierta y retire la capa de sacrificio. (b) este panel muestra cómo quitar el dispositivo con cinta soluble en agua. (c) este panel muestra cómo transferir el dispositivo a un substrato flexible pegajoso (por ejemplo, PDMS). (d) este panel muestra cómo quitar la cinta soluble en agua dejando caer agua sobre ella. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: esquema de la celda unidad de fototransistor (PTR) y el resultado de la simulación de características i-v. Los dos primeros paneles muestran (a) una inclinación vista del PTR y (b) una vista superior de la PTR. La concentración de dopaje es ~ 1019 cm-3 para los de las regiones n+ y p+ . Los valores geométricos detallados se muestran en la figura 3b. El recuadro en la figura 3a muestra una característica básica V de la PTR. (c) este panel muestra una imagen de microscopía óptica de pad de Si dopado. El color amarillo indica el pad Si. El substrato verde es una capa de SiO2 caja. (d) este panel muestra las características i-v de un PTR solo bajo los Estados luminosos y oscuros. El recuadro muestra la oscuridad de la célula. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: esquema de métodos y resultados de medición de características i-v en estado curvado de matriz fototransistor. (a) este panel muestra la fotografía del dispositivo fabricado. Una imagen ampliada muestra la célula PTR en detalle. (b) este panel muestra la fotografía de un dispositivo transferido en una película de PET recubierto de PDMS. (c) este panel es un esquema simplificado de la instalación de medición. El radio de curvatura (RoC) se define como el radio de un círculo desde el centro del círculo como se muestra en el recuadro. (d) este panel muestra las características i-v de la matriz PTR bajo iluminación con diferentes rocas. (e) este panel es una parcela de la relación de la fotocorriente a corriente oscura. El recuadro muestra un nivel muy bajo de corriente oscuro, causando un alto rango dinámico. (f) este panel muestra las imágenes ópticas de la matriz PTR doblada en cada RoC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La tecnología de fabricación aquí descrita contribuye significativamente al progreso de la electrónica de avanzada y dispositivos portátiles. Los conceptos fundamentales de este enfoque utilizan una fina membrana de Si y capaz de estirar metal interconexiones. Aunque Si es un material frágil y duro que fácilmente puede ser fracturado, una fina capa Si puede obtener una flexibilidad26,27. En el caso de la interconexión metálica la forma ondulada ofrece elasticidad y flexibilidad28,29. En particular, los interconectores metálicos actúan como electrodos para todo el dispositivo para que funcione como un tipo de matriz. La forma de la matriz de una malla abierta, que se implementa en la etapa final, proporciona suavidad al dispositivo de una manera estructurada. Junto con los méritos de la fina capa de Si y serpentino de los electrodos, esto logra tensión aislamiento y libera de la geometría del dispositivo. Además, la capa de PI que rodea todo el dispositivo al mismo tiempo ofrece los efectos de los antireflejos y protege el aparato de grietas o defectos. Mediante el uso de un método de impresión, puede colocarse el dispositivo fabricado en un substrato flexible y por lo tanto, asegura la condición de que el dispositivo puede ser deformido. A través del proceso pasos presentaron aquí, un dispositivo Si con muchas ventajas en términos de características del dispositivo y proceso de madurez se puede observar como una electrónica deformable.

Para obtener una célula PTR con una corriente oscura baja, el dispositivo de proceso de dopaje es vital. La profundidad de dopaje es más crítica que la concentración de impureza porque el dopaje profunda puede formar regiones de agotamiento más comparada con la de dopaje de poca profundidad. En la región de agotamiento, agujeros y electrones generados por foto no recombinan y este es el principal factor que reduce la corriente oscura en PTR profundo-dopado. En materia de dopaje más profundo, un método de implantación de iones es más conveniente que el método de difusión. Realizamos el dopaje de impureza mediante el método de implantación de ion correspondiente al paso 1 en el presente Protocolo. Para ejecutar con éxito el proceso de dopaje, considere el uso de simulaciones de diseño asistido por ordenador (TCAD) tecnología comercial para estimar la profundidad de dopaje y la concentración.

Pasos de metalización (etapas 3 y 4) son uno de los procesos más importantes en la tecnología de fabricación que se describe aquí. En este protocolo, Au se utiliza como una vía electrónica, pero Au tiene una pobre adherencia con una capa de PI. Así, una capa de Cr (o Ti) es necesaria para promover la adhesión de la Unión Africana y de PI. Debido al espesor de la PI, que es ~1.2 μm en este experimento, líneas de metal depositadas por un evaporaciones de viga o térmica de electrones no tienen una cobertura suficiente de paso. En este protocolo, un proceso de la farfulla se utiliza en este paso. Se recomienda usar un proceso sputter para la metalización. Después de que el metal patrón está formado por la aguafuerte de la solución, la muestra se limpia con agua desionizada. Un golpe de gas de2 N cuidadosa es necesaria entonces para secar el agua de la muestra, debido a un golpe de gas fuerte puede desprenderse de las capas de metal.

Formación a través de agujero (paso 5), que penetra en capas la PI y Si por un proceso de producción, también es fundamental en esta tecnología de fabricación. Es difícil decidir si la vía agujero patrones se generan bien o no porque la vía los agujeros tienen un diámetro pequeño (~ 2 μm). Puesto que el color se cambia después el proceso de producción, se recomienda observar el interior de la vía patrones de agujero por microscopio durante cada paso. Entonces, la capa de PI debe ser modelada en forma de una malla serpentina. Este es un paso esencial para el dispositivo obtener una propiedad flexible/extensible.

Para la remoción de la capa de2 SiO sacrificial (paso 6), es esencial para conocer el grado de ataque de la capa de óxido de la caja por el ácido fluorhídrico (HF) a través de la continua observación microscópica. También, secado DI agua que ha quedado después de limpiar el HF debe cuidadosamente ejecutado, porque el gas de2 N que sopla puede desprenderse el dispositivo de manejo de substrato de Si. Se recomienda soplar suavemente gas N2 . Porque HF es muy dañino para el cuerpo humano, el experimento debe realizarse en un ambiente equipado con equipo de protección, guantes y un sistema de ventilación de gas. El paso posterior en este protocolo, el proceso de impresión de transferencia (paso 6), necesita técnicas exigentes y expertas. Por ejemplo, al retirar el dispositivo usando una cinta soluble en agua, es ventajoso para garantizar el rendimiento mediante la eliminación de la cinta a una velocidad alta.

En conclusión, este artículo presenta un proceso para la fabricación de una flexible matriz de PTR Si mediante una serie de procesos de fabricación de semiconductores como una deposición, aguafuerte, Fotolitografía, impresión de la transferencia. Para la penetración de este proceso de fabricación, este artículo ilustra métodos de fabricación específicos con descripciones detalladas. También, este artículo describe cómo se utilizó el procedimiento descrito aquí para fabricar la muestra y medir el rendimiento de las muestras fabricadas en características-V con y sin la iluminación de diferentes rocas. Este resultado demuestra que la matriz Si PTR tiene una estabilidad mecánica y eléctrica en un estado deformado. En este estudio, las limitaciones mecánicas de los materiales Si se superan mediante la introducción de una estructura capaz de una deformación tridimensional en Si, que no es intrínsecamente suave. Debido a esto, el procedimiento de fabricación también puede ser útil para otras aplicaciones en el campo de la electrónica flexible/extensible y dispositivos portátiles tales como monitores de salud.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Esta investigación fue apoyada por el programa de descubrimiento creativo de materiales a través de la nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia y TIC (NRF-2017M3D1A1039288). Además, esta investigación fue apoyada por el Instituto de información y promoción de tecnología de comunicaciones (IITP) subvención por el gobierno de Corea (MSIP) (No.2017000709, enfoques integrados de físicamente unclonable primitivas criptográficas usando al azar láseres y 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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Fabricación del Sensor de imagen Flexible basado en Lateral NIPIN fototransistores
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