Изготовление гибких сенсора, основанные на боковой NIPIN фототранзисторы
Summary
Мы представляем подробный метод для изготовления деформируемого боковой NIPIN Фототранзистор массив для датчиков изогнутые изображения. Фототранзистор массив с формой Открытый сетки, который состоит из тонких кремниевых острова и эластичного металла Энергообъединение, обеспечивает гибкость и растяжимость. Анализатор параметров характеризует электрические свойства готовых Фототранзистор.
Abstract
Гибкие фотоприемные устройства интенсивно изучены для использования датчиков изогнутые изображения, которые являются важнейшим компонентом в био вдохновил тепловизионных систем, но остаются несколько сложных моментов, например с низкой абсорбцией эффективности из-за тонкого слоя и низкой гибкость. Мы представляем расширенный метод для изготовления гибких Фототранзистор массив с производительность электрических. Выдающуюся производительность электрических обусловлен низкой Темновой ток ввиду глубоких примеси допинг. Растягивающийся и гибкие металлические Энергообъединение одновременно предлагают электрические и механические графену в сильно деформированного состояния. Протокол явно описывает процесс изготовления фототранзистора, с помощью тонкой силиконовой мембраны. Путем измерения-V характеристики завершенного устройства в государствах, деформированные, мы показываем, что этот подход улучшает механические и электрические графену Фототранзистор массива. Мы ожидаем, что этот подход к гибкой Фототранзистор может широко используется для приложений, не только следующего поколения тепловизионных систем/оптоэлектроника, но и носимых устройств, таких как датчики тактильные/давления/температуры и использовать мониторы работоспособности.
Introduction
Био вдохновил тепловизионных систем может обеспечить много преимуществ по сравнению с обычными тепловизионных систем1,2,3,4,5. Сетчатки или полусферической фасеточном является существенным компонентом биологических зрительной системы1,2,6. Изогнутые изображения датчик, который имитирует важнейшим элементом животных глаза, может обеспечить компактный и простой настройки оптических систем с низкой аберраций7. Различные усовершенствования методов изготовления и материалов, например, использование неразрывно мягкие материалы, такие как органические/наноматериалов8,9,10,11, 12 и введение деформируемых конструкций в полупроводниках, включая кремния (Si) и германий (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, реализовать датчики изогнутые изображения. Среди них подходы на основе Si обеспечивают преимущества таких обилием материала, зрелые технологии, стабильности и оптические/электрические превосходства. По этой причине хотя Si имеет встроенные жесткость и хрупкость, на основе Si Гибкая электроника были широко изучены для различных приложений, таких как гибкая оптоэлектроника18,19,20 включая изогнутые изображения датчики1,2,3и даже носки медицинские устройства21,22.
В недавнем исследовании мы проанализировали и улучшены электрические характеристики тонкой Си фотоприемник массив23. В этом исследовании оптимальный одной ячейки массива изогнутые фотоприемник является тип Фототранзистор (PTR), который состоит из фотодиод и блокирующий диод. Усиление базового соединения усиливает сгенерированный фототок, и поэтому оно exhibits маршрут для улучшения электрического производительности с тонкой пленки структурой. Помимо одной ячейки тонкопленочных структура подходит для подавления Темновой ток, который рассматривается как шум в фотоприемника. Что касается допинг концентрации концентрация больше, чем 1015 см-3 является достаточно, чтобы достичь исключительной производительности, в котором может поддерживаться характеристики диода с интенсивностью освещения над 10-3 Вт/см2 23 . Кроме того одну ячейку PTR имеет шум низкий столбца и оптически/электрически стабильные свойства, по сравнению с фотодиодом. На основании этих правил проектирования, мы сфабрикованы гибкий фотоприемник массив, который состоит из тонких Si почтовиках, с помощью пластин (SOI) кремний на изолятор. В общем важных дизайн правило датчиков изображений гибкой является нейтральной механические плоскости концепции, которая определяет позицию через толщина структуры где штаммов равны нулю для сколь угодно малой r24. Еще один важный момент это серпантином геометрия электрода потому что волнистая форма обеспечивает полностью обратимые растяжимость к электроду. Из-за этих двух важных дизайн концепции фотоприемник массив может быть гибким и растягивается. Это облегчает 3D деформации массива фотоприемника в полусферической формы или изогнутую форму как сетчатки глаза животных2.
В этой работе мы подробно процессов для изготовления изогнутые PTR массива с помощью процессов изготовления полупроводников (например, допинг, травление и осаждения) и трансферная печать. Кроме того мы характеризуют один PTR с точки зрения кривой-V. Помимо изготовления и анализа отдельных клеток функцию электрической PTR массива анализируется деформированных государствах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Технологии изготовления, в описанный здесь значительно способствует прогрессу современной электроники и носимых устройств. Фундаментальные концепции этого подхода использовать тонкой мембраны Si и металла Энергообъединение способны растяжения. Хотя Si хрупкие и жесткий материал, кот…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано творческой программы обнаружения материалов через национальных исследований фонда из Кореи (NRF) финансируется министерством науки и ИКТ (СР 2017M3D1A1039288). Кроме того это исследование было поддержано института информационных и коммуникационных технологий продвижения (ИППИ) Грант, финансируемых правительством Кореи (MSIP) (No.2017000709, комплексные подходы физически unclonable примитивы криптографии с использованием случайные лазеры и оптоэлектроника).
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).
