Waiting
Login processing...

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

Engineering

Esnek görüntü sensörü imalatı Lateral NIPIN Phototransistors dayalı.

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

Biz bir deforme yanal NIPIN phototransistor dizi kavisli görüntü sensörleri için imal etmek detaylı bir yöntem mevcut. Phototransistor dizi ince silikon Adaları ve gerilebilir metal interconnectors oluşur, bir açık kafes formu ile esneklik ve esnekliği sağlar. Parametre analyzer fabrikasyon phototransistor elektrik özelliğini belirtir.

Abstract

Esnek photodetectors için hangi önemli bir bileşenini görüntüleme sistemlerinin biyo-ilham, kavisli görüntü sensörleri kullanımı yoğun bir şekilde incelenmiştir ama birkaç zorlu puan kalır, ince bir etkin katman nedeniyle ve düşük düşük emilim verimliliği gibi esneklik. Biz bir elektrik performansın bir esnek phototransistor dizi imal etmek gelişmiş bir yöntem mevcut. Üstün elektrik performans derin kirlilik doping nedeniyle düşük bir karanlık akım tarafından tahrik edilmektedir. Gerilebilir ve esnek metal interconnectors aynı anda bir çok deforme olmuş durumda elektrik ve mekanik sağlamlık sunar. Protokol açıkça bir ince silikon membran kullanarak phototransistor fabrikasyon sürecini açıklar. I-V özellikleri tamamlanmış cihazın deforme Birleşik Devletleri ölçerek, bu yaklaşım phototransistor dizi mekanik ve elektrik stabiliteleri geliştirir göstermek. Beklediğimiz bir esnek phototransistor için bu yaklaşım yaygın uygulamalar sadece yeni nesil görüntüleme sistemleri/Optoelektronik aynı zamanda dokunsal/basınç/sıcaklık sensörleri ve sağlık monitörleri gibi taşınabilir aygıtlar için kullanılabilir.

Introduction

Görüntüleme sistemleri biyo-ilham konvansiyonel görüntüleme sistemleri1,2,3,4,5' e göre birçok avantajı sağlayabilir. Retina veya yarımküresel ommatidia biyolojik görsel sistem1,2,6önemli bir bileşenidir. Hayvan gözler kritik unsuru taklit eder, kavisli görüntü sensörü kompakt ve basit yapılandırma düşük aberasyonları7ile optik sistemleri sağlar. İmalat teknikleri ve malzemeleri, örneğin, organik/Nanomalzemeler8,9,10,11, gibi özünde yumuşak malzeme kullanımı çeşitli gelişmeler 12 ve deforme yapıları Giriº yarı iletken silisyum (Si) ve germanyum (Ge)1,2,3,13,14de dahil olmak üzere, 15,16,17, fark kavisli görüntü sensörleri. Bunlar arasında Si tabanlı yaklaşımlar birçok malzeme, Olgun teknoloji, istikrar ve optik/elektrik üstünlük gibi doğal avantajlar sağlar. İçsel sertlik ve kırılganlık, si olmasına rağmen bu nedenle, esnek elektronik Si tabanlı yaygın esnek Optoelektronik18,19,20 gibi çeşitli uygulamalar için incelenmiştir kavisli görüntü sensörleri1,2,3ve hatta giyilebilir sağlık cihazları21,22de dahil olmak üzere.

Bir son çalışmada biz analiz ve ince bir Si photodetector dizi23elektrik performans artırıldı. Bu çalışmada, eğri photodetector dizi optimum tek birim hücrenin bir fotodiyot ve engelleme diyot oluşan bir phototransistor (PTR) türüdür. Temel kavşak kazanç oluşturulan photocurrent güçlendirir ve bu nedenle ince film yapısı ile bir elektrik performansını artırmak için bir yol sergiler. Tek hücre yanı sıra ince film yapısı photodetector gürültü olarak kabul edilir bir karanlık geçerli bastırmak uygundur. Doping konsantrasyon ile ilgili 1015 cm-3 büyük bir konsantrasyon içinde diyot özellikleri bir ışık şiddeti ile 10-3 üzerinde W/cm2 23 korunabilir olağanüstü bir performans elde etmek yeterlidir . Ayrıca, PTR tek hücre düşük sütun gürültü vardır ve optik/elektrikli fotodiyot kıyasla özellikleri istikrarlı. Bu tasarım kurallarına göre ince Si silikon yalıtkan (SOI) gofret kullanarak PTRs içeren bir esnek photodetector dizisinin imal edilmiştir. Genel olarak, esnek görüntü sensörleri bir önemli tasarım kuralı suşları sıfır bir keyfi küçük r24nerede konumunu kalınlığı aracılığıyla yapısı tanımlayan tarafsız mekanik uçak kavramdır. Başka bir önemli nokta bir yılan gibi geometri elektrot çünkü dalgalı bir şekil elektrot için tam tersine çevrilebilir esnekliği sağlar. Bu iki önemli tasarım kavramları nedeniyle photodetector dizi esnek ve gerilebilir olabilir. Photodetector dizi 3D deformasyon yarımküresel şekli veya hayvan gözleri2retina gibi kavisli bir şekil içine kolaylaştırır.

Bu çalışmada işlemleri yarı iletken üretim işlemleri (Örneğin, doping, Aşındırma ve biriktirme) kullanarak eğri PTR dizi imalatı için detay ve transfer baskı. Ayrıca, bir ben-V eğrisi açısından tek bir PTR karakterize eder. Üretim yöntemi ve tek hücre analiz yanı sıra, PTR dizi elektrik özelliği deforme Birleşik analiz edilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Dikkat: Bazı kimyasallar (i.e., hidroflorik asit, tamponlu oksit etchant, izopropil alkol vb..) bu kullanılan protokol sağlığı için tehlikeli olabilir. Herhangi bir numune hazırlama yürürlüğe girmeden önce ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formları danışınız. Uygun kişisel koruyucu ekipman kullanmak (Örneğin., laboratuvar mont, koruyucu gözlük, eldiven) ve denetimleri mühendislik (Örn., ıslak İstasyonu, duman hood) etchants ve çözücüler işlerken.

1. Si Doping ve yalıtım

Not: Şekil 1a - 1 d' ya bakınız.

  1. Katkılı SOI gofret iyon implantasyonu koşulları ile aşağıdaki gibi hazırlayın: 80/50 dopant-fosfor/Bor, enerji keV ve doping, sırasıyla bir doz 5 x 1015/3 x 1015 cm-3 n+ ve p+ için. Gofret crystallinity kurtarmak için iyon implantasyonu sonra örnek bir fırın içinde 120 dk 1000 ° c sıcaklıkta tavlama. Katkılı örnekleri yüksek işlem istikrar için iyon implantasyonu işlemin ulusal NanoFab Merkezi (NNFC) kullanılarak ve derin derinlik (Şekil 1a) doping hazırlayın.
  2. Yerel oksit kaldırmak için Teflon kepçe tamponlu oksit etchant (BOE) içinde 5 için kullanarak doğranmış örnek daldırma s ve doğranmış örnek sırayla aseton, izopropil alkol (IPA) ve deiyonize (DI) su ile temizleyin.
  3. Sı izolasyonu (Şekil 1b) için bir fotorezist (PR) desen oluşturmak.
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Örnek geliştirici 1 dk. için deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru bırakın. Sert 110 ° C 5 min için PR katmanında Sertleştirme için örnek pişirin.
  4. Kuru 100 W RF güç, 0 W ICP güç, 30 mTorr oda basınç ve SF6 gaz (40 sccm) 6 dk (Şekil 1 c) için örnek İndüktif Eşleşmiş Plazma reaktif iyon gravür (ICP-RIE) kullanarak sı etch.
  5. Bir gömülü oksit tabaka kaldırmak için hidroflorik asit %49 2 dk, Teflon Kepçe (Şekil 1 d) kullanarak örneklerinde daldırma.
  6. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI. Nem kaldırmak için örnek bir N2 tüfekli ile forseps ile tutarak kuru.

2. kurban oksit tabaka ifade

Not: Şekil 1e - 1 gbkz.

  1. SiO2 kurban tabaka kalınlığının 130 ile mevduat nm plazma ile gelişmiş 230 ° c kimyasal buhar biriktirme (PECVD) bir sıcaklık, 20 W RF güç, 1000 mTorr basınç, SiH4 gaz (100 sccm) ve N2O gaz (800 sccm) 2 dk ( Rakam 1e).
  2. SiO2 kurban katman (Şekil 1f) için bir maske olarak PR katman desen.
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Örnek geliştirici 1 dk. için deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak N2 tüfekli ile kuru bırakın. Sert 110 ° C 5 min için PR katmanında Sertleştirme için örnek pişirin.
  3. PECVD oksit tabaka desen için BOE örnek 30 daldırma ler Teflon Kepçe (Şekil 1 g) kullanarak,.
  4. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI. Nem kaldırmak için örnek bir N2 tüfekli ile forseps ile tutarak kuru.

3. ilk katman olan polimid ve ilk Metallization birikimi

  1. 60 için 4000 devirde örnek üzerinde kat polimid (PI) spin s, 110 ° c 3 dakika ve 10 dakika sıcak tabakta 150 ° C'de tavlama ve 230 ° c N2 atmosferinde 60 dk için N2 fırın (Şekil 1 h) için sağlayarak tavlamak.
  2. SiO2 katman kalınlığı 130 ile mevduat PECVD 230 ° C, 20 W RF güç, 1000 mTorr basınç, SiH4 gaz (100 sccm), bir sıcaklık ile kullanarak nm ve N2O gaz (800 sccm) 2 dk için.
  3. Desen zor maske katmanı olarak SiO2 PI için kuru gravür (Şekil 1I).
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Örnek geliştirici 1 dk. için deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru bırakın. Sert 110 ° C 5 min için PR katmanında Sertleştirme için örnek pişirin.
    3. SiO2 sabit maskesi desen için BOE örnek 30 daldırma bir Teflon kepçe kullanarak s DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru.
  4. Kuru etch PI 30 W RF güç ile RIE kullanarak O2 gaz (30 sccm) ve Ar gaz (70 sccm) 20 dk için.
  5. PECVD oksit tabaka kaldırmak için BOE örnek 30 daldırma ler Teflon kepçe kullanarak,.
  6. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI. Nem kaldırmak için örnek bir N2 tüfekli ile forseps ile tutarak kuru.
  7. 10 nm/200 nm Cr/Au kalınlığı SAÇTIRMA tarafından Kasası.
  8. Cr/Au metal tabaka (Şekil 1j) desen.
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Örnek geliştirici 1 dk. için deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru bırakın. PR sertleşmesine, sert örnek 5 min için 110 ° C'de pişirin.
    3. Islak etchant 60 s/20 s, Cr/Au katmanla sırasıyla etch.
  9. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI. Nem kaldırmak için örnek bir N2 tüfekli ile forseps ile tutarak kuru.
    Not: Temizleme işlemi PI katman peeling riski olduğundan çok dikkatli olmak zorunda.

4. birikimi olan polimid ve ikinci Metallization ikinci katman

  1. Örnek 4000 devirde 60 kat cila PI spin s, 110 ° c 3 dakika ve 10 dakika sıcak tabakta 150 ° C'de tavlama ve 230 ° c N2 atmosferinde 60 dk için N2 fırın (Şekil 1 k) olarak sağlayarak tavlamak.
  2. SiO2 katman 130 nm kullanmanın kalınlığı ile mevduat PECVD 230 ° C sıcaklık, 20 W RF güç, 1000 mTorr basınç, SiH4 gaz (100 sccm) ve N2O gaz (800 sccm) için 2 dk.
  3. SiO2 kuru gravür (Şekil 1 l) için sabit maske katmanı olarak desen.
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Örnek geliştirici 1 dk. için deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru bırakın. Sert 110 ° C 5 min için PR katmanında Sertleştirme için örnek pişirin.
    3. SiO2 sabit maskesi desen için BOE örnek 30 daldırma bir Teflon kepçe kullanarak s DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru.
  4. Kuru etch RIE 30 W RF enerjisi ile kullanarak PI O2 gaz (30 sccm) ve Ar gaz (70 sccm) 50 dk için.
  5. PECVD oksit tabaka kaldırmak için BOE örnek 30 daldırma ler Teflon kepçe kullanarak,.
  6. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI.
  7. 10 nm/200 nm kalınlığı Cr/Au sputter kaplama tarafından Kasası.
  8. Cr/Au metal tabaka (Şekil 1 m) desen.
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Örnek geliştirici 1 dk. için deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru bırakın. Sert 110 ° C 5 min için PR katmanında Sertleştirme için örnek pişirin.
    3. Cr/Au katmanı için 60 s/20 s, ıslak bir etchant tarafından sırasıyla etch.
  9. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI.
  10. Nem kaldırmak için forseps ile tutarak bir azot tüfekli ile temiz yüzey kuru.
    Not: Polimid katman peeling riski, çok çok dikkatli bir şekilde temizleme işlemi gerçekleştirin.

5. örnek PI ve açılış delik ve kafes yapısı üzerinden Kapsüllenen

  1. Örnek 4000 devirde 60 kat cila PI spin s, 110 ° c 3 dakika ve 10 dakika sıcak tabakta 150 ° C'de tavlama ve 230 ° c N2 atmosferinde 60 dk için N2 fırın (Şekil 1n) için sağlayarak tavlamak.
  2. SiO2 katman 650 nm kullanmanın kalınlığı ile mevduat PECVD 230 ° C sıcaklık, 20 W RF güç, 1000 mTorr basınç, SiH4 gaz (100 sccm) ve N2O gaz (800 sccm) 8 dakikadır.
  3. Desen SiO2 sabit maske katmanı olarak kuru gravür için.
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile Kuru 2 min için geliştirici örnek bırakın. Sert 110 ° C 5 min için PR katmanında Sertleştirme için örnek pişirin.
    3. SiO2 sabit maskesi desen, BOE örnek bir Teflon kepçe kullanarak 1 dk 30 sn için daldırma, DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru için.
      Not: desenlendirme küçük boyutu nedeniyle, önceki geliştirme zamanı daha uzun geliştirmek izin için gerekli.
  4. Kuru etch RIE 30 W RF enerjisi ile kullanarak PI O2 gaz (30 sccm) ve Ar gaz (70 sccm) 75 dk için.
  5. Kuru etch ICP-RIE tarafından Si 100 W RF güç, 0 W ICP güç, 30 mTorr oda basınç ve 40 sccm SF6 gaz 6 dk (Şekil 1o) için.
  6. PECVD oksit tabaka kaldırmak için BOE örnekte 1 dk 30 s, Teflon kepçe kullanarak için daldırma.
  7. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI.
  8. SiO2 katman 130 nm kullanmanın kalınlığı ile mevduat PECVD 230 ° C sıcaklık, 20 W RF güç, 1000 mTorr basınç, SiH4 gaz (100 sccm) ve N2O gaz (800 sccm) için 2 dk.
  9. Desen SiO2 sabit maske katmanı olarak kuru gravür için.
    1. 40 s ve yumuşak kaplamalı örnek 90 ° C'de UV ışığı 10 için fotolitografi maskesi için örnek 90 s. açmak için fırında için 4000 devirde örnek üzerinde kat olumlu PR spin s.
    2. Örnek geliştirici 1 dk. için deseni tanımlamak için DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru bırakın. Sert 110 ° C 5 min için PR katmanında Sertleştirme için örnek pişirin.
    3. SiO2 sabit maskesi desen, BOE örnek bir Teflon kepçe kullanarak 1 dk 30 sn için daldırma, DI su temiz ve forseps ile tutarak bir N2 tüfekli ile kuru için.
  10. Kuru etch PI RIE ile 30 W RF güç ile O2 gaz (30 sccm) ve Ar gaz (70 sccm) 75 dk için.
  11. PECVD oksit tabaka kaldırmak için BOE örnek 30 daldırma ler Teflon kepçe kullanarak,.
  12. Temiz su örnekle sırayla aseton, IPA ve DI. Nem kaldırmak için temiz örnek bir N2 tüfekli ile forseps ile tutarak kuru.

6. kurban katman aşındırma ve örnek için esnek substrat aktarma

Not: Şekil 2bakın.

  1. Kurban katman hidroflorik asit %49 20 dk (Şekil 2a; iç metin) için örnek çeker tarafından etch.
  2. Örnek DI su ile durulayın.
  3. Bir silecek kapiller olgusu substrat ve aygıt arasında nem absorbe için kullandıktan sonra bir N2 tüfekli ile temiz örnek kalan nemi (Şekil 2a) kaldırmak için forseps ile tutarak kuru.
    1. Durulama ve örnek kurutma işlemi gerçekleştirin. Aygıt ve substrat arasında düşük yapışma nedeniyle bu çok dikkatli bir şekilde yapılması, substrat ve aygıtı ayrı olarak değil vardır.
  4. Karbon bant kullanarak örnek tutun ve suda çözünen teyp takın.
  5. Suda çözünen bandı substrat (Şekil 2b) kalan aygıtın önlemek için bir anda şerit.
  6. Örnek suda çözünen teybe eklenir doğrulayın.
  7. Kaplı örnek bir polydimethylsiloxane (PDMS) için polietilen tereftalat (PET) film (Şekil 2 c) aktarın.
    1. PDMS hazırlamak (prepolymer karışımı 10:1: Ajan kür) ve gaz giderme tarafından PDMS içinde herhangi bir hava kabarcıkları kaldırın.
    2. Spin kat PDMS 1000 devirde 30 s ve fırında 10 dakika için 110 ° c sıcaklıkta sıcak tabakta evde beslenen hayvan film için evde beslenen hayvan filmde.
    3. UV ışığı için 30 örneğine maruz s PDMS yapışma geliştirmek ve örnek suda çözünen kasetle PDMS kaplı Evcil hayvan film eklemek için.
      Not: UV tedavi PDMS yüzeyine yapışma geliştirir.
  8. Suda çözünen teyp kaldırmak için dikkatli bir şekilde su, bir pipet kullanarak bırakın. Su su ile uzak süpürüldü aygıtın önlemek için yavaş bir akış ile suda eriyen bandı çıkarın. Örnek bir N2 tüfekli ile yavaş yavaş forseps (Şekil 2B) ile tutarak kuru.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 3a ve 3b NIPIN PTR önceki çalışmalar2,23dikkate alınarak tasarlanmış ve fabrikasyon yapısını göstermek. Şekil 3a ' ilave PTR temel ı-V karakteristik sergiler. PTR detaylı yapısal parametreleri Şekil 3b' gösterilir. Bir SOI gofret Si katmanda doping işlemlerinde NNFC iyon implantasyonu kullanılarak yapılmıştır. Doping derinlik Si katman kalınlığı eşittir, ~1.25 µm ve n+ ve p+ doping konsantrasyon ~ 1019 cm-3. Bir parmak tipi doping doping dağılımın üstünde belgili tanımlık tepe Si katman vardır. Yan tükenmesi bölge n+ bölge ve parmak tipi doping tarafından oluşturulur, p+ bölge arasında taşıyıcıları fotoğraf tarafından oluşturulan25kaybını azaltmak yararlıdır. Ayrıca, parmak tipi doping böylece hücresi verimliliği artırma taşıyıcılar, fotoğraf tarafından oluşturulan oluşturma etkin bölge genişletiyor. Şekil 3 c katkılı Si PTR optik görüntüsünü Adaları sunar. Tek bir PTR-V karakteristik şekil 3dgösterilir.

Şekil 4a fabrikasyon PTR dizi bir transfer baskı adım önce görüntüler. Büyütülmüş görüntü tek PTR hücre ayrıntılı olarak gösterilmiştir. PI kapsüllenmiş serpantin elektrot aygıtına esnekliği sağlar ve bir çatlak ya da başarısızlık elektrotlar ve sı hücreleri korur. Mekanik istikrar yanı sıra, PI katman Kırılma endeksi Si katman ve hava arasındaki farkı azaltarak antireflective bir kaplama olarak bir rol oynar. Şekil 4b PDMS kaplı Evcil hayvan film üzerine transfer edilen cihazın optik görüntü gösterir. Transfer baskı yöntemi kullanarak, bir esnek yüzey üzerinde (Örneğin, ince bir evde beslenen hayvan film) tamamlanan aygıt yerleştirilebilir. Şekil 4 c ölçüm kurulumunun şematik çizimler ve eğrilik (RoC) bir yarıçap tanımını sergiler. Bükme bir devlet bir elektrik performansını ölçmek için biz örnek yan yana hareket ettirerek eğmek için özel yapım el ile sahne üretti. Şekil 4 d PTR dizi-V özellikleri farklı RoCs (yani, sonsuzluk, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm) gösterir. PTR elektrik özelliği sürekli RoCs ne olursa olsun, bu sonucu gösterir. Bu deneyde kullanılan ışık kaynağı bir halojen lamba tarafından indüklenen beyaz bir ışıktır. Şekil 4e farklı RoCs gerilimle bir fonksiyonu olarak photocurrent karanlık geçerli oranını gösterir. Photodetector duyarlılığını belirler, dinamik alan ~ 600 veya daha yukarıda bir önyargı voltaj 2 V tutulur. Bu sonuç ince bir Si zar 4e rakam, iç metin gösterildiği gibi düşük bir karanlık akıntı nedeniyle önemli bir dinamik alan elde gösterir. Şekil 4f her RoC eğri PTR diziyle ilgili resimleri görüntüler.

Figure 1
Şekil 1: eğri phototransistor dizinin imalat işleminin şematik çizimler. Paneller (bir) - (o) oluşturmak için bir katkılı SOI substrat phototransistor aygıtta imalatı üzerinden sıralı işlemi göstermek bir kurban SOI substrat tabakası kaldırmak için delik üzerinden. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: transfer için şematik çizimler SOI gofret phototransistor diziden esnek yüzey için baskı. (bir) Bu panel bir açık kafes yapısı oluşturmak ve kurban kat kaldırmak gösterilmiştir. (b) Bu panel suda çözünen bant ile aygıtı çıkardığınızda gösterilmiştir. (c) Bu panel aygıtı (Örneğin, PDMS) bir yapışkan esnek yüzey için transfer edileceğini gösterir. (d) Bu panel nasıl su üzerinde bırakarak suda çözünen teyp kaldırılacağını gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: phototransistor (PTR) ve ı-V özellikleri simülasyon sonucu tek birim hücre için şemalar. İlk iki panel yukarıdan PTR PTR ve (b) (bir) bir tilt görünümünü göster. Doping ~ 1019 cm-3 için hem p+ ve n+ bölgelerinin bölgedir. Detaylı geometrik değerleri Şekil 3b' görüntülenir. Şekil 3a ' ilave PTR temel ı-V karakteristik görüntüler. (c) Bu panel optik mikroskobu görüntüyü katkılı Si PTRs üzerinde gösterir. Sarı renk sı PTRs gösterir. Yeşil substrat SiO2 kutu katmanıdır. (d) Bu paneli parlak ve karanlık durumlar altında tek bir PTR-V özelliklerini gösterir. İlave karanlıkta tek hücrenin geçerli gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: Yöntem ve ı-V özellikleri phototransistor dizi eğri devlet ölçme sonuçları şematik. (bir) Bu panel fabrikasyon cihazın fotoğraf gösterir. Büyütülmüş görüntü tek PTR hücre ayrıntılı olarak gösterilmiştir. (b) Bu panel PDMS kaplı PET filmde aktarılan bir cihazın fotoğraf gösterir. (c) Bu paneli ölçüm kurulumunun basitleştirilmiş bir şemadır. İlave gösterildiği gibi eğrilik (RoC) yarıçapında bir Daire Daire merkezi RADIUS olarak tanımlanır. (d) Bu panel aydınlatma farklı RoCs ile altında PTR dizi-V özelliklerini gösterir. (e) Bu panel photocurrent karanlık geçerli oranını bir komplodur. İlave böylece yüksek dinamik Aralık neden bir çok düşük karanlık geçerli düzeyi gösterir. (f) Bu panel optik görüntüleri bükülmüş PTR dizi için her RoC gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Burada açıklanan imalat teknolojisi önemli ölçüde gelişmiş elektronik ve taşınabilir aygıtların ilerleme katkıda bulunur. Bu yaklaşım, temel kavramları ince bir Si zar ve metal interconnectors germe yetenekli kullanın. Si kolayca kırık kırılgan ve zor bir malzeme olmasına rağmen çok ince bir Si tabaka bir esneklik26,27elde edebilirsiniz. Metal Enterkonnektörü söz konusu olduğunda, dalgalı şekil esnekliği ve esneklik28,29sunmaktadır. Özellikle, elektrotlar için bir matris türü olarak çalışmasına tüm cihaz metal interconnectors görür. Son adımında uygulanır, açık bir kafes matris şeklinde yapılandırılmış bir şekilde cihaza yumuşaklık sağlar. İnce Si tabaka ve serpantin elektrotları yararları, birlikte bu stres yalıtım sağlar ve aygıt geometri serbest bırakır. Ayrıca, tüm aygıt aynı anda çevreleyen PI katman antireflection etkileri sunuyor ve çatlaklar veya kusurları cihazın korur. Bir transfer baskı yöntemi kullanarak, fabrikasyon aygıt-ebilmek var olmak konulmak esnek bir substrat ve dolayısıyla, cihazın deforme durumu korur. Sürecinde adımları burada, Si aygıtın aygıt özellikleri açısından pek çok avantajı ile sunulan ve süreç vade deforme elektronik gerçekleştirilebilir.

Düşük bir karanlık akım PTR hücresiyle elde etmek için cihazın katkılama işlemi çok önemlidir. Derin doping sığ doping kıyasla daha fazla tükenmesi bölgeler oluşturabilir çünkü doping derinliği daha fazla kirlilik konsantrasyonu önemlidir. Tükenmesi bölge elektron fotoğraf tarafından oluşturulan ve delik değil birleştireceğimi ve bu derin katkılı PTR karanlık güncel azaltarak birincil etkendir. Daha derin doping için bir iyon implantasyonu yöntemi daha difüzyon yöntemi daha uygundur. Bu iletişim kuralı 1 adımda karşılık gelen iyon implantasyonu yöntemi kullanarak kirlilik doping yaptı. Doping işleminin başarıyla yürütmek için ticari teknoloji bilgisayar destekli tasarım (TCAD) simülasyonları doping derinlik ve konsantrasyon tahmin etmek için kullanmayı düşünün.

Metallization adım (adım 3 ve 4) burada açıklanan imalat teknolojisinde en önemli işlemlerden biri vardır. Bu iletişim kuralı, Au elektronik bir yolu olarak kullanılır ama Au PI tabaka ile fakir bir yapışma vardır. Böylece, Cr (veya Ti) katman Au ve PI yapışma teşvik etmek gereklidir. Bu deneyde ~1.2 µm olan PI kalınlığı sayesinde metal çizgiler bir elektron ışını ya da termal evaporations tarafından yatırılan yeterli bir adım kapsama sahip değilsiniz. Bu protokol için bu adımda sputtering işlemi kullanılır. Bir sputter işlem metallization için kullanmanızı öneririz. Sonra metal desen çözüm gravür tarafından kurulan, örnek DI su ile temizlenir. Bir güçlü gaz darbe metal katmanlar soyma çünkü bir dikkatli N2 gaz darbe o zaman örnekten, su için gereklidir.

Oluşturan bir PI ve sı katmanları bir gravür işlem tarafından nüfuz delik (5. adım), Ayrıca bu imalat teknolojisinde önemlidir. Karar vermek zor olup olmadığını delik, ya da değil de desen üretilir çünkü delikler ile küçük çaplı (~ 2 µm) vardır. Gravür işleminden sonra rengi değişti beri öneririz iç gözlem yolu ile mikroskop her adımı sırasında tarafından delik desenleri. Sonra PI katman serpantin bir kafes şeklinde desenli gerekiyor. Esnek/gerilebilir özelliği elde etmek aygıt için önemli bir adım bu.

Kurban SiO2 katman (adım 6) kaldırılması için sürekli mikroskobik gözlem yoluyla hidroflorik asit (HF) tarafından gravür derecesi kutusu oksit tabakasının bilmek önemlidir. N2 gaz üfleme Si yüzey işleme aygıtından akasındaki çünkü Ayrıca, HF temizlendikten sonra kalmıştır DI su kurutma dikkatle, idam edilmelidir. N2 gaz yavaşça üfleme tavsiye ediyoruz. HF çok insan vücudu için zararlı olduğu için deneme koruyucu giysiler, koruyucu eldiven ve bir gaz havalandırma sistemi ile donatılmış bir ortamda yapılmalıdır. Bu iletişim kuralı sonraki adımda, transfer baskı işlemi (adım 6), titiz ve yetenekli teknikleri ihtiyacı var. Örneğin, suda çözünen bir bant kullanarak aygıtı kaldırırken, verimi yüksek hızda teyp kaldırarak güvenliğini sağlamak için avantajlıdır.

Sonuç olarak, bu makalede yarı iletken üretim süreçleri ifade, gravür, fotolitografi ve transfer baskı gibi bir dizi kullanarak esnek bir Si PTR dizi imalatı için bir işlem sundu. Bu üretim süreci anlayış için bu makalede özel imalat yöntemleri detaylı açıklamaları ile resimli. Ayrıca, bu makalede nasıl örnek imal ve ben-V özellikleri ve farklı RoCs için aydınlatma olmadan fabrikasyon örneklerinde aygıtı performansını ölçmek için burada açıklanan yaklaşım kullanılan nitelendirdi. Bu sonuç Si PTR dizi mekanik ve elektrik istikrar deforme olmuş bir durumda olduğunu gösterir. Bu çalışmada, bir yapı doğal olarak yumuşak değil Si içine üç boyutlu bir deformasyon yeteneğine tanıtarak Si malzemelerin mekanik sınırlamalar üstesinden vardır. Bu nedenle, üretim yordamı da alan diğer uygulamalarda esnek/gerilebilir elektronik ve sağlık monitörleri gibi taşınabilir aygıtlar için yararlı olabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Bu araştırma yaratıcı malzemeleri bulma Program aracılığıyla Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (ICT (NMK-2017M3D1A1039288) ve Bilim Bakanlığı tarafından finanse edilen NMG) tarafından desteklenmiştir. Ayrıca, bu Araştırma Enstitüsü (MSIP) (No.2017000709, fiziksel olarak unclonable şifreleme ilkel kullanarak entegre yaklaşımlar Kore hükümeti tarafından finanse edilen bilgi ve iletişim teknolojisi promosyon (IITP) hibe tarafından desteklenmiştir rast gele lazerler ve Optoelektronik).

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

Mühendislik sayı: 136 lateral phototransistors esnek elektronik gerilebilir aygıtlar taşınabilir cihazlar kavisli görüntü sensörleri
Esnek görüntü sensörü imalatı Lateral NIPIN Phototransistors dayalı.
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