Tillverkning av flexibla bildsensor baserat på laterala ANNALENA Phototransistors

* These authors contributed equally
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Vi presenterar en detaljerad metod för att fabricera en deformerbar laterala ANNALENA fototransistor matris för böjda bildsensorer. Fototransistor matrisen med en öppna maskor bildar, som består av tunna kisel öar och töjbart metall sammanlänkningar, ger flexibilitet och töjbarhet. Parametern analysatorn karakteriserar den fabricerade fototransistor elektriska egendom.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Flexibel photodetectors har studerats intensivt för användning av böjda bildsensorer, som är en avgörande komponent i bio-inspirerade bildsystem, men flera utmanande punkter kvarstår, såsom en låg absorptionseffektivitet på grund av aktiva tunt och låg flexibilitet. Vi presenterar en avancerad metod för att fabricera en flexibel fototransistor matris med en förbättrad elektrisk prestanda. Den enastående elektriska prestandan drivs av en låg mörk ström på grund av djupa orenhet dopning. Töjbara och flexibla metall sammanlänkningar erbjuder samtidigt elektriska och mekaniska stabiliteter i ett starkt deformerade tillstånd. Protokollet beskrivs uttryckligen tillverkningsprocessen av den fototransistor med hjälp av en tunn silikon membran. Genom att mäta-V egenskaper den färdiga enheten i deformerade stater, visar vi att denna strategi förbättrar de mekaniska och elektriska stabiliteter fototransistor matrisens. Vi förväntar oss att detta förhållningssätt till en flexibel fototransistor kan ofta används för tillämpningar av inte bara nästa generations imaging system/optoelektronik utan också bärbara enheter såsom taktil/tryck/temperatur sensorer och hälsa monitorer.

Introduction

Bio-inspirerade bildsystem kan ge många fördelar jämfört med konventionella imaging system1,2,3,4,5. Näthinnan eller halvrunda ommatidia är en väsentlig beståndsdel av biologiska visuella systemet1,2,6. En böjd bildsensor, som härmar det kritiska elementet av djurs ögon, kan ge en kompakt och enkel konfiguration av optiska system med låga avvikelser7. Varierande framsteg fabrication tekniker och material, till exempel användning av egensäkra mjuka material såsom organisk/nanomaterial8,9,10,11, 12 och införandet av deformerbara strukturer till halvledare inklusive kisel (Si) och germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, inser den böjda bildsensorer. Bland dem ge Si-baserade metoder inneboende fördelar såsom ett överflöd av material, Mogen teknik, stabilitet och optisk/elektrisk överlägsenhet. Därför även om Si har inneboende styvhet och sprödhet, har Si-baserade flexibel elektronik ofta studerats för olika applikationer, såsom flexibla optoelektronik18,19,20 inklusive böjda bild sensorer1,2,3, och även bärbara sjukvården enheter21,22.

I en färsk studie, Vi analyserade och förbättrade elektriska prestanda i en tunn Si fotodetektor array23. I denna studie är cellen optimal enhet för böjda fotodetektor matrisen en fototransistor (PTR) som består av en fotodiod och blockerande diod. Bas junction vinsten förstärker en genererade photocurrent och därmed den uppvisar en rutt för att förbättra en elektrisk prestanda med en tunn film struktur. Förutom den enda cellen är tunn film struktur lämplig att undertrycka en mörk ström, som är ansedd som brus i fotodetektor. När det gäller dopning koncentration är en koncentration som är större än 1015 cm-3 tillräckligt för att uppnå en exceptionell prestanda där diod egenskaper kan underhållas med låg intensitet över 10-3 W/cm2 23 . Dessutom den PTR enda cellen har en låg kolumn buller och optiskt/elektriskt stabila egenskaper i förhållande till det av en fotodiod. Baserat på dessa designregler, tillverkade vi en flexibel fotodetektor matris som består av tunna Si PTRs använder en kisel på isolator (SOI) wafer. I allmänhet är en viktig design regel av flexibla bildsensorer begreppet neutrala mekaniska plan som definierar ståndpunkten genom tjockleken av struktur där stammar är noll för ett godtyckligt små r24. En annan avgörande punkt är en serpentin geometri av elektroden eftersom en vågig form ger helt reversibla töjbarhet till elektroden. På grund av dessa två viktiga designkoncept, kan fotodetektor matrisen vara flexibel och töjbar. Det underlättar 3D deformeringen av fotodetektor matrisen till en halvsfärisk form eller en böjd form som näthinnan av djurs ögon2.

I detta arbete, vi detalj processerna för tillverkning av böjda PTR matrisen med halvledare fabrication processer (t.ex., dopning, etsning och nedfall) och överföra utskrift. Också, vi karakterisera en enda PTR i form av en-V-kurva. Förutom tillverkning metod och enskild cell analys analyseras funktionen elektrisk i arrayen PTR i deformerade staterna.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Varning: Vissa kemikalier (dvs., fluorvätesyra, buffrat oxid etsmedlet, isopropylalkohol, osv.) används i detta protokoll kan vara farligt för hälsan. Kontakta alla relevanta säkerhetsdatablad innan någon provberedning äger rum. Utnyttja lämplig personlig skyddsutrustning (t.ex., lab rockar, skyddsglasögon, handskar) och tekniska kontroller (t.ex., våt station, fume huva) vid hantering av etsmedel och lösningsmedel.

1. Si dopning och isolering

Obs: Se figur 1a - 1 d.

  1. Förbereda en dopad SOI wafer av ion implantation med villkor som följer: dopade-fosfor/bor, energi i 80/50 keV, och en dos på 5 x 1015/3 x 1015 cm-3 för n+ och p+ dopning, respektive. Om du vill återställa en kristallinitet av rånet, glödga provet vid en temperatur på 1 000 ° C under 120 minuter i en ugn efter ion implantation. Förbereda de dopade proverna med hjälp ion implantationsprocessen från den nationella NanoFab Center (NNFC) för hög stabilitet och djupt dopning djup (figur 1a).
  2. Ta bort den infödda oxiden, doppa tärnad provet med en Teflon strömstare i buffrad oxid etsmedlet (BOE) för 5 s och rengör tärnad provet sekventiellt med aceton, isopropylalkohol (IPA) och avjoniserat vatten (DI).
  3. Bilda en fotoresist (PR) mönster för Si isolering (figur 1b).
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 1 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett. Grädda hårt prov för härdning PR lagret vid 110 ° C i 5 min.
  4. Torra etch provet av Si med induktivt kopplad plasma-reactive ion etsning (ICP-RIE) med 100 W RF power, 0 W ICP makt, 30 mTorr kammare trycket och SF6 gas (40 sccm) för 6 minuters (figur 1 c).
  5. Ta bort en begravd oxidskiktet, doppa proverna i fluorvätesyra 49% för 2 min, med en Teflon strömstare (figur 1 d).
  6. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI. För att ta bort fukt, torra provet med ett N2 blåspistol medan du håller den med pincett.

2. uppoffrande oxid lagret nedfall

Obs: Se figur 1e - 1 g.

  1. Deponera en SiO2 uppoffrande skikt med en tjocklek på 130 nm med plasma utökad kemisk förångningsdeposition (PECVD) med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr trycket, SiH4 gas (100 sccm) och N2O gas (800 sccm) för 2 min ( Figur 1e).
  2. Mönster PR lagret som en mask för ett SiO2 uppoffrande lager (figur 1f).
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 1 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med N2 blåspistol medan du håller den med pincett. Grädda hårt prov för härdning PR lagret vid 110 ° C i 5 min.
  3. För att mönster PECVD oxidskiktet, doppa provet i BOE för 30 s, med en Teflon strömstare (figur 1 g).
  4. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI. För att ta bort fukt, torra provet med ett N2 blåspistol medan du håller den med pincett.

3. deponering av det första lagret av polyimid och utföra den första metallisering

  1. Spin rock polyimid (PI) på provet vid 4,000 rpm för 60 s, glödga det vid 110 ° C i 3 min och vid 150 ° C under 10 minuter på en värmeplatta och glödga det vid 230 ° C i 60 min i en N2 atmosfär genom att leverera N2 till ugnen (figur 1 h).
  2. Deponera en SiO2 skikt med en tjocklek på 130 nm med hjälp av PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr tryck, SiH4 gas (100 sccm), och N2O gas (800 sccm) i 2 min.
  3. Mönster i SiO2 som ett hårt maskeringslager för PI torr etsning (figur 1i).
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 1 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett. Grädda hårt prov för härdning PR lagret vid 110 ° C i 5 min.
    3. För att mönster SiO2 hårt masken, doppa provet i BOE för 30 s med en Teflon strömstare, rengöra det i DI vatten, och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett.
  4. Torr etch PI med RIE med 30 W RF-uteffekt, O2 gas (30 sccm) och Ar gas (70 sccm) i 20 min.
  5. Ta bort PECVD oxidskiktet, doppa provet i BOE för 30 s, med en Teflon strömstare.
  6. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI. För att ta bort fukt, torra provet med ett N2 blåspistol medan du håller den med pincett.
  7. Sätta in 10 nm/200 nm tjocklek för Cr/Au genom sputtring.
  8. Mönster det Cr/Au metallskiktet (figur 1j).
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 1 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett. För att härda PR, hårt Grädda provet vid 110 ° C i 5 min.
    3. Etch Cr/Au lagret med en våt etsmedlet för 60 s/20 s, respektive.
  9. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI. För att ta bort fukt, torra provet med ett N2 blåspistol medan du håller den med pincett.
    Obs: Reningsprocessen måste vara mycket försiktig eftersom det finns en risk för peeling PI lagret.

4. nedfall av det andra lagret av polyimid och utför den andra metallisering

  1. Spin rock PI på provet vid 4,000 rpm för 60 s, glödga det vid 110 ° C i 3 min och vid 150 ° C under 10 minuter på en värmeplatta och glödga det vid 230 ° C i 60 min i en N2 atmosfär genom att leverera N2 till ugnen (figur 1 k).
  2. Deponera en SiO2 skikt med en tjocklek på 130 nm med hjälp av PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr trycket, SiH4 gas (100 sccm) och N2O gas (800 sccm) för 2 min.
  3. Mönster i SiO2 som ett hårt maskeringslager för torr etsning (figur 1 l).
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 1 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett. Grädda hårt prov för härdning PR lagret vid 110 ° C i 5 min.
    3. För att mönster SiO2 hårt masken, doppa provet i BOE för 30 s med en Teflon strömstare, rengöra det i DI vatten, och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett.
  4. Torr etch PI med RIE med 30 W RF-uteffekt, O2 gas (30 sccm) och Ar gas (70 sccm) för 50 min.
  5. Ta bort PECVD oxidskiktet, doppa provet i BOE för 30 s, med en Teflon strömstare.
  6. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI.
  7. Insättning 10 nm/200 nm tjocklek för Cr/Au av fräsande beläggning.
  8. Mönster det Cr/Au metallskiktet (figur 1 m).
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 1 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett. Grädda hårt prov för härdning PR lagret vid 110 ° C i 5 min.
    3. Etch Cr/Au lagret av en våt etsmedlet för 60 s/20 s, respektive.
  9. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI.
  10. För att ta bort fukt, torka rent underlaget med en kväve blåspistol medan du håller den med pincett.
    Obs: Det finns en risk för peeling polyimid lagret, så utför rengöringsprocessen mycket noggrant.

5. kapsla in provet med PI och öppning Via hål och Mesh struktur

  1. Spin rock PI på provet vid 4,000 rpm för 60 s, glödga det vid 110 ° C i 3 min och vid 150 ° C under 10 minuter på en värmeplatta och glödga det vid 230 ° C i 60 min i en N2 atmosfär genom att leverera N2 till ugnen (figur 1n).
  2. Deponera en SiO2 skikt med en tjocklek på 650 nm med hjälp av PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr trycket, SiH4 gas (100 sccm) och N2O gas (800 sccm) i 8 min.
  3. Mönster i SiO2 som ett hårt maskeringslager för torr etsning.
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 2 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett. Grädda hårt prov för härdning PR lagret vid 110 ° C i 5 min.
    3. Mönster SiO2 hårt masken, doppa provet i BOE för 1 min 30 s med en Teflon strömstare, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett.
      Obs: På grund av den lilla storleken på mönstringen, det är nödvändigt att låta den utvecklas längre än föregående utvecklingstiden.
  4. Torr etch PI med RIE med 30 W RF-uteffekt, O2 gas (30 sccm) och Ar gas (70 sccm) för 75 min.
  5. Torr etch Si av ICP-RIE med 100 W RF power, 0 W ICP makt, 30 mTorr kammare trycket och 40 sccm SF6 gas för 6 minuters (figur 1).
  6. Ta bort PECVD oxidskiktet, doppa provet i BOE för 1 min 30 s, med en Teflon strömstare.
  7. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI.
  8. Deponera en SiO2 skikt med en tjocklek på 130 nm med hjälp av PECVD med en temperatur på 230 ° C, 20 W RF power, 1000 mTorr trycket, SiH4 gas (100 sccm) och N2O gas (800 sccm) för 2 min.
  9. Mönster i SiO2 som ett hårt maskeringslager för torr etsning.
    1. Spin rock positiv PR på provet vid 4,000 rpm för 40 s och mjuk Grädda belagda provet vid 90 ° C i 90 s. exponera provet med UV-ljus med en photolithography mask för 10 s.
    2. Fördjupa provet i exploatören för 1 min att definiera mönstret, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett. Grädda hårt prov för härdning PR lagret vid 110 ° C i 5 min.
    3. Mönster SiO2 hårt masken, doppa provet i BOE för 1 min 30 s med en Teflon strömstare, rengöra den i DI vatten och torka den med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett.
  10. Torr etch PI av RIE med 30 W RF-uteffekt, O2 gas (30 sccm) och Ar gas (70 sccm) för 75 min.
  11. Ta bort PECVD oxidskiktet, doppa provet i BOE för 30 s, med en Teflon strömstare.
  12. Rent vatten provet sekventiellt med aceton, IPA och DI. För att ta bort fukt, torka ren provet med ett N2 blåspistol medan du håller den med pincett.

6. etsning uppoffrande lagret och överföra provet till flexibla substrat

Obs: Se figur 2.

  1. Etch uppoffrande lagret av nedsänkning provet i fluorvätesyra 49% för 20 min (figur 2a; infälld).
  2. Skölj provet med DI-vatten.
  3. Efter att ha använt en torkare kapillär fenomenet för att absorbera fukt mellan substratet och enheten, torka ren provet med ett N2 blåspistol medan du håller den med pincett att avlägsna återstående fukt (figur 2a).
    1. Utför processen för sköljning och torkning provet. På grund av låg vidhäftning mellan enheten och substrat måste detta göras mycket noggrant, så att inte separera substrat och enheten.
  4. Håll provet med kol tejp och bifoga den vattenlösliga tejpen.
  5. Remsa av vattenlösliga tejpen på ett ögonblick att hindra enheten från kvar på underlaget (figur 2b).
  6. Bekräfta att provet är kopplad till den vattenlösliga banden.
  7. Överför provet till en Polydimetylsiloxan (PDMS) belagd polyeten polyetentereftalat (PET) filmen (figur 2 c).
    1. Förbereda PDMS (10:1 blandning av prepolymer: härdare) och ta bort eventuella luftbubblor i PDMS av avgasning.
    2. Spin rock PDMS på den PET-filmen vid 1000 rpm för 30 s och baka den PET-filmen på en värmeplatta vid en temperatur på 110 ° C i 10 min.
    3. Utsätt provet med UV-ljus för 30 s för att förbättra vidhäftningen av PDMS och bifoga vattenlösliga bandet med provet till den PDMS-belagd PET-filmen.
      Obs: UV behandling förbättrar vidhäftningen av en PDMS yta.
  8. För att ta bort vattenlösliga tejpen, försiktigt släppa vatten på den, med hjälp av en pipett. Bort den vattenlösliga med ett långsamt flöde av vatten för att hindra enheten från att ha svepts iväg av vattnet. Torra provet långsamt med en N2 blåspistol medan du håller den med pincett (figur 2d).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3a och 3b visar strukturen designade och tillverkade av NIPIN PTR med tanke på tidigare studier2,23. Infällt i figur 3a uppvisar ett grundläggande jag-V kännetecken av PTR. De detaljerade strukturella parametrarna av PTR visas i figur 3b. Dopning processen för ett Si lager på en SOI rånet utfördes med hjälp ion implantation av NNFC. Dopning djupet är ~1.25 µm, vilket är lika med tjockleken på Si lagret, och dopning koncentrationen av n+ och p+ är ~ 1019 cm-3. Dopning fördelningen på toppen Si lager har en finger-typ dopning. Sida utarmning regionen mellan den n+ och p+ region, som genereras av finger-typ dopning, är användbart för att minska förlusten av foto-genererade bärare25. Dessutom breddar finger-typ dopning aktiva regionen genererar foto-genererade bärare, vilket ökar celleffektivitet. Figur 3 c presenterar en optisk bild av dopade Si PTR öar. -V kännetecken av en enda PTR visas i figur 3d.

Figur 4a visar fabricerade PTR matrisen innan en överföring utskrift steg. En förstorad bild visar den enda PTR-cellen i detalj. PI-inkapslat serpentin elektroden ger töjbarhet till enheten och skyddar elektroder och Si celler från en spricka eller misslyckande. Förutom mekanisk stabilitet spelar PI lagret en roll som en antireflective beläggning genom att minska skillnaden i refractive index mellan Si lagret och luft. Figur 4b visar optiska bilden för den överförda enheten till en PDMS-belagd PET-film. Genom att använda en utskrift överföringsmetod, kan avslutade enheten placeras på ett flexibla substrat (t.ex., en tunn PET-film). Figur 4 c uppvisar de schematiska illustrationerna av inställningen för mätning och definitionen av en krökningsradie (RoC). För att mäta en elektrisk prestanda i en böjande stat, producerat vi skräddarsydda manuell scenen för att böja provet genom att flytta från sida till sida. Figur 4 d visar arrayen PTR-V egenskaper i olika RoCs (dvs, infinity, 10 cm, 8 cm, 6 cm, 4 cm, 2 cm). Detta resultat visar att elektriska funktionen av PTR är konstant, oavsett RoCs. Den ljuskälla som används i detta experiment är ett vitt ljus som induceras av en halogenlampa. Figur 4e visar förhållandet mellan photocurrent till mörka nuvarande som funktion av spänning med olika RoCs. Det dynamiska omfånget, som bestämmer känsligheten hos fotodetektor, bibehålls på ~ 600 eller mer, över en bias spänning på 2 V. Detta resultat visar att ett tunt Si membran kan uppnå en betydande dynamiskt omfång på grund av en låg mörk ström som visas i infällt i figur 4e. Figur 4f visas bilderna för böjda PTR matrisen med varje RoC.

Figure 1
Figur 1: Schematisk illustrationer av tillverkningsprocessen av matrisen böjda fototransistor. Panelerna (en) - (o) Visa sekventiella processen från fabricera en fototransistor enhet på en dopad SOI substrat för att skapa en via hålet för att ta bort det uppoffrande lagret av SOI substratet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Schematisk illustrationer för överföring utskrift av fototransistor matrisen från SOI wafer till flexibla substrat. (en) i denna panel visas hur man bildar en öppen mesh struktur och ta bort uppoffrande lagret. (b) i denna panel visas hur man koppla loss enheten med vattenlöslig tape. (c) i denna panel visas hur överföra enheten till en klibbig flexibla substrat (t.ex., PDMS). (d) i denna panel visas hur tar man bort de vattenlösliga banden genom att släppa vatten på den. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: scheman för cellen enhet av fototransistor (PTR) och simulering resultatet av i-V egenskaper. De första två panelerna Visa (en) en lutning av PTR och (b) en ovanifrån av PTR. Dopning koncentrationen är ~ 1019 cm-3 för både p+ och n+ regioner. De detaljerade geometriska värdena visas i figur 3b. Infällt i figur 3a visar en grundläggande jag-V kännetecken av PTR. (c) i denna panel visas en optisk mikroskopi bild på dopade Si PTRs. Den gula färgen indikerar den Si PTRs. Den gröna substraten är en SiO2 box lager. (d) i denna panel visas en enda PTR-V egenskaper under de ljusa och mörka tillstånd. Infällt visar mörkret nuvarande av en enda cell. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Schematisk av metoder och resultat för mätning-V egenskaper i den böjda delstaten fototransistor array. (en) i denna panel visas fotografin av påhittade enheten. En förstorad bild visar den enda PTR-cellen i detalj. (b) i denna panel visas fotografin av en överförda enhet på en PDMS-belagd PET-film. (c) denna panel är en förenklad Schematisk av inställningen för mätning. Krökningsradien (RoC) definieras som radien i en cirkel från mitten av cirkeln som illustreras i infällt. (d) i denna panel visas matrisen PTR under belysning med olika RoCs-V egenskaper. (e) denna panel är en komplott av förhållandet mellan photocurrent till mörka nuvarande. Infällt visar en mycket låg mörka nuvarande nivå, därigenom orsakar ett stort dynamiskt omfång. (f) panelen visar optiska bilder för böjda PTR matrisen i varje RoC. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den tillverkningsteknik som beskrivs här bidrar avsevärt till utvecklingen av avancerad elektronik och bärbara enheter. De grundläggande koncepten i denna strategi använder ett tunt Si-membran och metall sammanlänkningar kan stretching. Även om Si är ett sprött och hårda material som lätt kan vara brutna, kan Si mycket tunt få en flexibilitet26,27. När det gäller metall sammanlänkningen erbjuder den vågiga formen töjbarhet och flexibilitet28,29. I synnerhet fungerar metall kopplingsstationerna som elektroder för hela enheten att fungera som en matris typ. Matrisform av ett öppet nät, som implementeras i det sista steget, ger mjukhet till enheten på ett strukturerat sätt. Tillsammans med fördelarna med det tunna Si-lagret och serpentin elektroderna, detta uppnår stress isolering och frigör enhet geometri. Även det PI-lager som omger hela enheten samtidigt serverar effekterna av antireflection och skyddar enheten från sprickor eller defekter. Genom att använda en metod för transfertryck, fabricerade enheten kan placeras på ett flexibla substrat, och därmed säkrar det villkoret att enheten kan vara deformerad. Genom processen steg presenteras här, en Si-enhet med många fördelar när det gäller enheten egenskaper och process mognad kan realiseras som en deformerbar elektronik.

För att erhålla en PTR cell med en låg mörk ström, är enheten dopning processen viktig. Dopning djupet är mer kritiska än förorening koncentrationen eftersom den djupa dopning kan bilda mer utarmning regioner jämfört med grunt dopning. Foto-genererade elektroner och hål rekombinera inte i utarmning regionen, och detta är den primära faktor som minskar mörka strömmen i djup-dopade PTR. För djupare dopning är en ion implantation metod mer lämplig än metoden diffusion. Vi har utfört orenhet dopning med hjälp av ion implantation metoden motsvarar steg 1 i detta protokoll. För att framgångsrikt utföra dopning förlopp, överväga att använda kommersiell teknik datorstödd design (TCAD) simuleringar för att uppskatta dopning djup och koncentration.

Metallisering steg (steg 3 och 4) är en av de mest kritiska processerna i den tillverkningsteknik som beskrivs här. I detta protokoll, Au används som en elektronisk väg, men Au har en dålig vidhäftning med ett PI-lager. Således är ett Cr (eller Ti) skikt nödvändigt att främja adhesionen av Au och PI. På grund av PI tjocklek, vilket är ~1.2 µm i detta experiment, har metall linjer deponerade av en electron beam eller termisk evaporations inte en tillräcklig steg täckning. I detta protokoll används en sputtring processen i detta steg. Vi rekommenderar att du använder en fräsande process för metallisering. Efter metall mönstret bildas av lösning etsning, rengörs provet med DI-vatten. En försiktig N2 gas blow krävs sedan torka vatten från provet, eftersom en stark gas blow kan lossna metall lager.

Bildar en via hål (steg 5), som tränger igenom både PI och Si lager av en etsning process, är också avgörande i denna tillverkningsteknik. Det är svårt att avgöra huruvida den via hål mönster genereras väl eller inte eftersom den via hål har en liten diameter (~ 2 µm). Eftersom färgen ändras efter etsning processen, rekommenderar vi att observera insidan av den via hålbilder av Mikroskop under varje steg. Sedan, PI skiktet måste vara mönstrade i form av en ormliknande mesh. Detta är ett viktigt steg för att enheten ska få en flexibel/töjbart boende.

För avlägsnande av det uppoffrande SiO2 skiktet (steg 6) är det viktigt att veta etsning graden av rutan oxidskiktet av fluorvätesyra (HF) genom kontinuerlig mikroskopisk observation. Dessutom bör torkning DI vatten som förblivit efter rengöring HF noggrant utföras, eftersom blåser N2 gasen kan skala bort enheten från hanteringen Si substrat. Vi rekommenderar blåser N2 gasa försiktigt. Eftersom HF är mycket skadligt för människokroppen, bör experimentet genomföras i en miljö utrustad med skyddande redskap, skyddshandskar och en gas ventilation system. Det efterföljande steget i detta protokoll, överföring utskrift processen (steg 6), måste kräsen och skicklig tekniker. Exempelvis när du tar bort enheten med en vattenlöslig tape, är det fördelaktigt att säkra avkastningen genom att ta bort tejpen med hög hastighet.

Avslutningsvis presenteras denna artikel en process för att tillverka en flexibel Si PTR matris med en rad semiconductor fabrication processer såsom ett nedfall, etsning, photolithography och överföring utskrift. För insikten om denna tillverkning process illustrerad denna artikel specifika framställningsmetoder med detaljerade beskrivningar. Den här artikeln beskrivs också, hur vi använt det tillvägagångssätt som beskrivs här för att fabricera provet och mäta enhetens prestanda av påhittade proverna i-V egenskaper med och utan belysning för olika RoCs. Detta resultat visar att Si PTR matrisen har en mekanisk och elektrisk stabilitet i ett deformerat tillstånd. I denna studie är de mekaniska begränsningarna av Si material övervinnas genom att införa en struktur kan en tredimensionell deformation i Si, vilket inte är till sin natur mjuk. På grund av detta, kan fabrication förfarandet också vara användbart för andra tillämpningar inom flexibla/töjbar elektronik och bärbara enheter såsom hälso-och bildskärmar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Denna forskning stöds av kreativa material Discoveryprogrammet genom den nationella Research Foundation i Korea (NRF) finansieras av ministeriet för vetenskap och IKT (NRF-2017M3D1A1039288). Dessutom, denna forskning stöddes av Institutet för Information och kommunikation teknik befordran (IITP) bidrag som finansieras av den Korea regeringen (MSIP) (No.2017000709, integrerade strategier av fysiskt unclonable kryptografiska primitiver som använder slumpmässiga lasrar och 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics