Fabrication du capteur d’Image Flexible basé sur latérale Mikael Phototransistors
Summary
Nous présentons une méthode détaillée pour fabriquer un tableau déformable du phototransistor Mikael latéral pour les capteurs d’images courbes. Le tableau de phototransistor avec une forme de mailles ouvertes, qui se compose des îles de silicium mince et interconnexions métalliques extensibles, apporte souplesse et extensibilité. L’analyseur de paramètre caractérise les propriétés électriques du phototransistor fabriqué.
Abstract
Photodétecteurs flexibles ont été intensément étudiés pour l’utilisation de capteurs d’images courbes, qui sont une composante essentielle dans les systèmes d’imagerie bio-inspirés, mais plusieurs points difficiles demeurent, comme une efficacité d’absorption faible en raison d’une fine couche active et peu flexibilité. Nous présentons une méthode avancée pour fabriquer un tableau phototransistor flexible avec une amélioration des performances électriques. Excellentes performances électriques sont entraînée par un faible courant d’obscurité en raison de la profonde impureté dopage. Extensibles et flexibles des interconnexions métalliques offrent simultanément des stabilités électriques et mécaniques dans un état très déformée. Le protocole décrit explicitement le processus de fabrication du phototransistor utilisant une membrane mince de silicium. En mesurant les caractéristiques I-V de l’appareil rempli dans les États déformés, nous démontrons que cette approche améliore la stabilité mécanique et électrique du tableau phototransistor. Nous espérons que cette façon d’aborder un phototransistor flexible peut être employée couramment pour les applications non seulement nouvelle génération de systèmes d’imagerie/optoélectronique, mais également les dispositifs portables tels que les capteurs tactiles/pression/température et santé.
Introduction
Systèmes d’imagerie bio-inspirés peuvent fournir beaucoup d’avantages par rapport à la classique systèmes d’imagerie1,2,3,4,5. Les ommatidies hémisphériques ou la rétine est un élément essentiel du système visuel biologique1,2,6. Un capteur incurvé, qui imite l’élément critique des animaux yeux, peut fournir une configuration compacte et simple de systèmes optiques avec des aberrations faible7. Diverses améliorations des techniques de fabrication et de matériaux, par exemple, l’utilisation de matériaux intrinsèquement mous tels que de l’organique/nanomatériaux8,9,10,11, 12 et l’introduction de structures déformables à semi-conducteurs comme le silicium (Si) et le germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, réaliser les capteurs d’image courbée. Parmi eux, approches Si fournissent des avantages intrinsèques tels que l’abondance des matériaux, la technologie mature, stabilité et supériorité optique/électrique. Pour cette raison, bien que TR a rigidité intrinsèque et fragilité, électronique flexible axée sur les Si ont été largement étudiés pour différentes applications, telles qu’optoélectronique flexible18,19,20 y compris les courbes image capteurs1,2,3et des dispositifs de soins de santé même portable21,22.
Dans une étude récente, nous avons analysé et amélioré le rendement électrique d’un mince TR photodétecteur tableau23. Dans cette étude, la maille unique optimale du tableau photodétecteur incurvée est un type de phototransistor (PTR) constitué d’une photodiode et la diode de blocage. Le gain de la jonction base amplifie un photocourant généré, et d’où il montre une voie pour améliorer un rendement électrique avec une structure de couche mince. En plus de la cellule, la structure de la couche mince est conçue pour supprimer un courant d’obscurité, qui est considéré comme du bruit dans le photodétecteur. Concernant la concentration de dopage, une concentration supérieure à 1015 cm-3 est suffisante pour atteindre une performance exceptionnelle dans laquelle les caractéristiques de la diode peuvent être maintenues avec une intensité lumineuse de plus de 10-3 W/cm2 23 . Par ailleurs, la cellule unique PTR a un colonne bas de bruit et optiquement/électrique stable propriétés par rapport à celle de la photodiode. Basé sur ces règles de conception, nous avons fabriqué un tableau photodétecteur flexible qui se compose de fines Si REE à l’aide d’une plaquette de silicium sur isolant (SOI). En règle générale, une règle de conception importantes de capteurs d’images flexible est le concept de plan mécanique neutre qui définit la position dans l’épaisseur de la structure où les souches sont nulles pour un arbitrairement petit r24. Un autre point crucial est une géométrie de serpentine de l’électrode parce qu’une forme ondulée offre une extensibilité complètement réversible à l’électrode. En raison de ces deux concepts de conception importantes, le tableau de photodétecteur peut être flexibles et extensibles. Il facilite la déformation 3D du tableau photodétecteur dans une forme hémisphérique ou une forme incurvée comme la rétine des yeux animaux2.
Dans ce travail, nous détailler les processus de fabrication du tableau PTR courbe à l’aide de procédés de fabrication de semi-conducteurs (p. ex., le dopage, la gravure et le dépôt) et impression de transfert. En outre, nous caractérisons un PTR unique en ce qui concerne une courbe I-V. En plus de la méthode de fabrication et de l’analyse de cellules individuelles, la caractéristique électrique du tableau PTR est analysée dans les États déformés.
Protocol
Representative Results
Discussion
La technologie de fabrication décrite ici contribue de manière significative au progrès de l’électronique de pointe et des dispositifs portables. Les concepts fondamentaux de cette approche utilisent une fine membrane Si et capable d’étirer les interconnexions métalliques. Bien que TR est un matériau fragile et dur qui peut facilement être fracturé, une très mince couche Si peut obtenir une flexibilité26,27. Dans le cas de l’interconnexion en mé…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par le programme de découverte de matériaux créatifs grâce à la Fondation de la recherche nationale de Corée (NRF) financé par le ministère de la Science et de la TIC (FRO-2017M3D1A1039288). En outre, cette recherche a été financée par l’Institut de l’Information et la Promotion de la technologie de Communications (IITP) subvention financée par le gouvernement de la Corée (MSIP) (No.2017000709, des approches intégrées de physiquement INCLONABLE primitives cryptographiques utilisant les lasers aléatoires et optoélectronique).
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 |
Referências
- 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).
