Fabricage van flexibele beeldsensor op basis van laterale NIPIN fototransistoren
Summary
Presenteren we een gedetailleerde methode om een vervormbare laterale NIPIN fototransistor array voor gebogen beeldsensors. De fototransistor matrix met een open mesh-formulier, dat is samengesteld uit dunne silicium-eilanden en rekbare metalen interconnectoren, biedt flexibiliteit en rekbaarheid. De parameter analyzer kenmerkt de elektrische eigenschap van de gefabriceerde fototransistor.
Abstract
Flexibele fotodetectoren intens hebben onderzocht voor het gebruik van gebogen beeldsensoren, die een essentieel onderdeel in bio-geïnspireerde beeldvormingssystemen, maar verschillende uitdagende punten blijven, zoals een laag absorptie-efficiëntie als gevolg van een actieve laagje en lage flexibiliteit. We presenteren een geavanceerde methode om een flexibele fototransistor matrix met een elektrische prestatieverbetering. De uitstekende elektrische prestaties wordt gedreven door een laag donkere stroom als gevolg van diepe onzuiverheid doping. Elastische en flexibele metalen interconnectoren bieden tegelijkertijd elektrische en mechanische stabilities in een sterk vervormde toestand. Het protocol wordt expliciet beschreven het fabricageproces van de fototransistor met behulp van een dunne silicium-membraan. Door het meten van I-V kenmerken van het afgesloten apparaat in misvormde Staten, we laten zien dat deze aanpak de mechanische en elektrische stabilities van de fototransistor matrix verbetert. Wij verwachten dat deze benadering van een flexibele fototransistor breed inzetbaar voor de toepassingen van niet alleen de volgende-generatie imaging systemen/opto-elektronica, maar ook draagbare apparaten zoals tactiele/druk/temperatuur sensoren en gezondheid monitoren.
Introduction
Bio-geïnspireerde imaging systemen bieden veel voordelen ten opzichte van de conventionele beeldvorming systemen1,2,3,4,5. Netvlies of halfronde ommatidia is een wezenlijk onderdeel van biologisch visuele systeem1,2,6. Een gebogen beeldsensor, die de kritische element van dierlijke ogen bootst, kan een compacte en eenvoudige configuratie van optische systemen met lage aberraties7bieden. Diverse vorderingen van fabricage technieken en materialen, bijvoorbeeld het gebruik van intrinsiek zachte materialen zoals biologisch/nanomaterialen8,9,10,11, 12 en het binnenbrengen van vervormbare structuren voor halfgeleiders zoals silicium (Si) en germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, beseffen de gebogen beeldsensors. Onder hen bieden Si-gebaseerde benaderingen inherente voordelen zoals een overvloed aan materiaal, volgroeide technologie, stabiliteit en optische/elektrische superioriteit. Om deze reden, hoewel Si ingebouwde starheid en broosheid heeft, zijn Si gebaseerde flexibele elektronica wijd bestudeerd voor diverse toepassingen, zoals flexibele opto-elektronica18,19,20 inclusief gebogen beeld sensoren1,2,3, en zelfs draagbare gezondheidszorg apparaten21,22.
In een recente studie, we geanalyseerd en verbeterd de elektrische prestaties van een dunne Si foto-elektrische cel matrix23. In deze studie is de optimale eenheid-cel van de gebogen foto-elektrische cel-matrix een fototransistor (PTR) type dat uit een fotodiode en blokkerende diode bestaat. De basis junction winst versterkt een gegenereerde photocurrent, en vandaar het vertoont een route om een elektrische prestaties met een dunne film-structuur te verbeteren. Naast de eencellige is de structuur van de dunne film geschikt om te onderdrukken een donkere stroom, die wordt beschouwd als ruis in de foto-elektrische cel. Met betrekking tot doping concentratie is een concentratie groter dan 1015 cm-3 voldoende om een uitzonderlijke prestaties, waarin de diode kenmerken kunnen worden gehandhaafd met een lage intensiteit 10-3 W/cm2 23 . Bovendien, de PTR eencellige heeft een lage kolom ruis en optisch/elektrisch stabiele eigenschappen vergeleken met die van de fotodiode. Op basis van deze regels voor het ontwerp, wij een flexibele foto-elektrische cel-matrix die bestaat uit dunne Si PTRs met behulp van een silicium-op-isolator (SOI) wafer gefabriceerd. In het algemeen, is een belangrijk ontwerp regel van flexibel beeldsensoren de neutrale mechanische vliegtuig concept dat de positie door de dikte van de structuur waar stammen nul voor een willekeurig kleine r24 zijnbepaalt. Een ander cruciaal punt is een serpentine geometrie van de elektrode omdat een golvende vorm volledig omkeerbaar rekbaarheid op de elektrode biedt. Als gevolg van deze twee belangrijke ontwerpconcepten kunnen de foto-elektrische cel-matrix flexibel en rekbaar. Het vergemakkelijkt de 3D vervorming van de foto-elektrische cel-matrix in een halfronde vorm of een gebogen vorm zoals het netvlies van dierlijke ogen2.
In dit werk, we detail van de procédés voor de fabricage van de gebogen PTR-array gebruikmakend van halfgeleider fabricage processen (b.v., doping, etsen en afzetting) en overdracht afdrukken. Ook karakteriseren wij een enkele PTR in termen van een curve-V. Naast de fabricage methode en individuele cel analyse, wordt de elektrische functie van de PTR-matrix geanalyseerd in misvormde Staten.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fabricage technologie beschreven hier bijdraagt aanzienlijk aan de ontwikkeling van geavanceerde elektronica en draagbare apparaten. De fundamentele concepten van deze aanpak gebruikt een dun membraan van Si en metalen interconnectoren staat uit te rekken. Hoewel Si een Bros en hard materiaal dat gemakkelijk kan worden gebroken is, kunt een zeer dunne laag van de Si verkrijgen een flexibiliteit26,27. In het geval van de metalen interconnector biedt de golvende…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de creatieve materialen ontdekking programma via de nationale onderzoek Stichting van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap en ICT (NRF-2017M3D1A1039288). Ook werd dit onderzoek gesteund door het Instituut voor informatie en communicatie technologie promotie (IITP) subsidie gefinancierd door de regering van Korea (MSIP) (No.2017000709, geïntegreerde aanpak van fysiek unclonable cryptografische primitieven gebruiken willekeurige lasers en opto-elektronica).
Materials
| MBJ3 | karl suss | MJB3 UV400 MASK ALIGNER | Mask aligner |
| 80 plus RIE | Oxford instruments | Plasmalab 80 Plus for RIE | ICP-RIE |
| 80 plus PECVD | Oxford instruments | Plasmalab 80 Plus forPECVD, | PECVD |
| SF-100ND | Rhabdos Co., Ltd. | SF-100ND | Spin coater |
| Polyimide | Sigma-Aldrich | 575771 | Poly(pyromellitic dianhydride-co-4,4′-oxydianiline), amic acid solution |
| SOI (silicon on insulator) wafer, 8inch | Soitec | SOI (silicon on insulator) wafer, 8inch | 8inch SOI Wafer (silicon Thickness: 1.25μm) |
| Acetone | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 3051 | Acetone |
| Isopropyl Alcohol (IPA) | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 4614 | Isopropyl Alcohol (IPA) |
| Buffered Oxide Etch 6:1 | Avantor | 1278 | Buffered Oxide Etch 6:1 |
| HSD150-03P | Misung Scientific Co., Ltd | HSD150-03P | Hot plate |
| AZ5214 | Microchemical | AZ5214 | Photoresist |
| MIF300 | Microchemical | MIF300 | Developer |
| SYLGARD184 | Dow Corning | SYLGARD184 | Polydimethylsiloxane elastomer |
| Hydrofluoric Acid | Duksan Pure Chemicals Co., Ltd. | 2919 | Hydrofluoric Acid |
| CR-7 | KMG Chemicals, Inc | 210023 | Chrome mask etchant |
| MFCD07370792 | Sigma-Aldrich | 651842 | Gold etchant |
References
- Ko, H. C., et al. A hemispherical electronic eye camera based on compressible silicon optoelectronics. Nature. 454, 748-753 (2008).
- Song, Y. M., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).
- Jung, I., et al. Dynamically tunable hemispherical electronic eye camera system with adjustable zoom capability. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (5), 1788-1793 (2011).
- Floreano, D., et al. Miniature curved artificial compound eyes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9267-9272 (2013).
- Liu, H., Huang, Y., Jiang, H. Artificial eye for scotopic vision with bioinspired all-optical photosensitivity enhancer. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (23), 3982-3985 (2016).
- Pang, K., Fang, F., Song, L., Zhang, Y., Zhang, H. Bionic compound eye for 3D motion detection using an optical freeform surface. Journal of the Optical Society of America B. 34 (5), B28-B35 (2017).
- Lee, G. J., Nam, W. I., Song, Y. M. Robustness of an artificially tailored fisheye imaging system with a curvilinear image surface. Optics & Laser Technology. 96, 50-57 (2017).
- Xu, X., Mihnev, M., Taylor, A., Forrest, S. R. Organic photodetector arrays with indium tin oxide electrodes patterned using directly transferred metal masks. Applied Physics Letters. 94 (4), 1-3 (2009).
- Deng, W., et al. Aligned single -crystalline perovskite microwire arrays for high -performance flexible image sensors with long -term stability. Advanced Materials. 18 (11), 2201-2208 (2016).
- Liu, X., Lee, E. K., Kim, D. Y., Yu, H., Oh, J. H. Flexible organic phototransistor array with enhanced responsivity via metal-ligand charge transfer. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (11), 7291-7299 (2016).
- Li, X., et al. Constructing fast carrier tracks into flexible perovskite photodetectors to greatly improve responsivity. ACS Nano. 11 (2), 2015-2023 (2017).
- Li, L., Gu, L., Lou, Z., Fan, Z., Shen, G. ZnO quantum dot decorated Zn2SnO4 nanowire heterojunction photodetectors with drastic performance enhancement and flexible ultraviolet image sensors. ACS Nano. 11 (4), 4067-4076 (2017).
- Dumas, D., et al. Infrared camera based on a curved retina. Optics Letters. 37 (4), 653-655 (2012).
- Dumas, D., Fendler, M., Baier, N., Primot, J., le Coarer, E. Curved focal plane detector array for wide field cameras. Applied Optics. 51 (22), 5419-5424 (2012).
- Gregory, J. A., et al. Development and application of spherically curved charge-coupled device imagers. Applied Optics. 54 (10), 3072-3082 (2015).
- Guenter, B., et al. Highly curved image sensors: a practical approach for improved optical performance. Optics Express. 25 (12), 13010-13023 (2017).
- Wu, T., et al. Design and fabrication of silicon-tessellated structures for monocentric imagers. Microsystems & Nanoengineering. 2, 16019 (2016).
- Yoon, J., et al. Flexible concentrator photovoltaics based on microscale silicon solar cells embedded in luminescent waveguides. Nature Communications. 2, 343 (2011).
- Lee, S. M., et al. Printable nanostructured silicon solar cells for high-performance, large-area flexible photovoltaics. ACS Nano. 8 (10), 10507-10516 (2014).
- Kang, D., et al. Flexible opto-fluidic fluorescence sensors based on heterogeneously integrated micro-VCSELs and silicon photodiodes. ACS Photonics. 3 (6), 912-918 (2016).
- Van den Brand, J., et al. Flexible and stretchable electronics for wearable health devices. Solid-State Electronics. , 116-120 (2015).
- Yu, K. J., et al. Bioresorbable silicon electronics for transient spatiotemporal mapping of electrical activity from the cerebral cortex. Nature Materials. 15, 782-791 (2015).
- Kim, M. S., Lee, G. J., Kim, H. M., Song, Y. M. Parametric optimization of lateral NIPIN phototransistors for flexible image sensors. Sensors. 17 (8), 1774 (2017).
- Kim, D. H., et al. Stretchable and foldable silicon integrated circuits. Science. 320, 507-511 (2008).
- Shin, K. S., et al. Characterization of an integrated fluorescence-detection hybrid device with photodiode and organic light-emitting diode. IEEE Electron Device Letters. 27 (9), 746-748 (2006).
- Lu, N. Mechanics, materials, and functionalities of biointegrated electronics. The Bridge. 43 (4), 31-38 (2013).
- Burghartz, J. N., et al. Ultra-thin chip technology and applications, a new paradigm in silicon technology. Solid-State Electronics. 54 (9), 818-829 (2010).
- Shin, G., et al. Micromechanics and advanced designs for curved photodetector arrays in hemispherical electronic-eye cameras. Small. 6 (7), 851-856 (2010).
- Jung, I., et al. Paraboloid electronic eye cameras using deformable arrays of photodetectors in hexagonal mesh layouts. Applied Physics Letters. 96 (2), 21110 (2010).
