Fabricación del Sensor de imagen Flexible basado en Lateral NIPIN fototransistores
Summary
Se presenta un detallado método para fabricar un deformable lateral NIPIN fototransistor arreglo de discos para sensores de imagen curvada. La matriz de fototransistor con una forma de malla abierta, que está compuesto por islas de silicio fino y elásticos interconectores metálicos, proporciona flexibilidad y elasticidad. El analizador de parámetro caracteriza la propiedad eléctrica del fototransistor fabricado.
Abstract
Fotodetectores flexibles han sido intensamente estudiados para el uso de sensores de imagen curvada, que son un componente crucial en los sistemas de proyección de imagen bio-inspirados, pero quedan varios puntos difíciles, como una eficacia de absorción baja debido a una delgada capa activa y baja flexibilidad. Presentamos un método avanzado para fabricar una matriz flexible fototransistor con un mejor rendimiento eléctrico. El rendimiento eléctrico es impulsado por una corriente oscura baja debido a la impureza profundo dopaje. Interconexiones de metal flexibles y estirables simultáneamente ofrecen estabilidades eléctricos y mecánicos en un estado muy deforme. El protocolo describe explícitamente el proceso de fabricación del fototransistor utilizando una membrana de silicona delgada. Mediante la medición de características i-v del dispositivo terminado en Estados deformidos, demostramos que este enfoque mejora las estabilidades eléctricas y mecánicas de la matriz de fototransistor. Esperamos que este acercamiento a un fototransistor flexible puede ser ampliamente utilizado para las aplicaciones de próxima generación de sistemas/optoelectrónica, pero también para dispositivos como sensores de tacto/presión/temperatura y monitores de salud.
Introduction
Sistemas bio-inspirados de imagen pueden proporcionar muchas ventajas en comparación con la convencional imagen sistemas1,2,3,4,5. Retina o ommatidia hemisférico es un componente substancial del sistema visual biológico1,2,6. Un sensor de imagen curvada que imita el elemento crítico de los ojos animales, puede proporcionar una configuración compacta y sencilla de sistemas ópticos con aberraciones baja7. Diversos avances de las técnicas de fabricación y materiales, por ejemplo, la utilización de materiales intrínsecamente suaves como orgánico/nanomateriales8,9,10,11, 12 y la introducción de estructuras deformables en semiconductores como el silicio (Si) y germanio (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, dan cuenta de los sensores de imagen curvada. Entre ellos, los enfoques basados en Si proporcionan ventajas inherentes tales como una abundancia de material, la tecnología madura, la estabilidad y la superioridad óptica/eléctrica. Por esta razón, aunque Si tiene rigidez intrínseca y la fragilidad, electrónica flexible basada en Si ha sido ampliamente estudiado para diversas aplicaciones, tales como optoelectrónica flexible18,19,20 como imagen curvada sensores1,2,3, incluso para dispositivos sanitarios21,22.
En un reciente estudio, había analizado y había mejorado el rendimiento eléctrico de un fotodetector Si fina matriz23. En ese estudio, la célula unidad óptima de la matriz curva fotodetector es un tipo de fototransistor (PTR) que consiste en un fotodiodo y un diodo de bloqueo. La Unión base ganancia amplifica un photocurrent generada, y por lo tanto exhibe una ruta para mejorar un rendimiento eléctrico con una estructura de película delgada. Además de la célula, la estructura de película delgada es conveniente suprimir una corriente oscura, que se considera como ruido en el fotodetector. En cuanto a concentración de dopaje, una concentración mayor de 1015 cm-3 es suficiente para conseguir un rendimiento excepcional en el que las características del diodo se pueden mantener con una intensidad de luz por 10-3 W/cm2 23 . Por otra parte, la célula solo PTR tiene un ruido de baja de la columna y ópticamente/eléctricamente estable propiedades en comparación con el fotodiodo. Basado en estas reglas de diseño, hemos fabricado un array fotodetector flexible que consiste en finas Pad Si mediante una oblea de silicio sobre aislante (SOI). En general, una regla importante del diseño de sensores de imagen flexible es el concepto de plano mecánico neutral que define la posición a través del espesor de la estructura donde las cepas son cero para una r arbitrariamente pequeña24. Otro punto crucial es una serpentina geometría del electrodo debido a una forma ondulada proporciona elasticidad totalmente reversible al electrodo. Debido a estos dos conceptos de diseño importante, el array fotodetector puede ser flexible y elástico. Facilita la deformación 3D de la matriz de célula fotoeléctrica en una forma semiesférica o una forma curva como la retina de los ojos animales2.
En este trabajo, detallar los procesos para la fabricación de la matriz PTR curvada usando procesos de fabricación de semiconductores (por ejemplo, dopaje, aguafuerte y deposición) e impresión de la transferencia. Además, se caracteriza un PTR solo en términos de una curva de i-v. Además del método de fabricación y análisis de células individuales, se analiza la característica eléctrica de la matriz PTR en Estados deformidos.
Protocol
Representative Results
Discussion
La tecnología de fabricación aquí descrita contribuye significativamente al progreso de la electrónica de avanzada y dispositivos portátiles. Los conceptos fundamentales de este enfoque utilizan una fina membrana de Si y capaz de estirar metal interconexiones. Aunque Si es un material frágil y duro que fácilmente puede ser fracturado, una fina capa Si puede obtener una flexibilidad26,27. En el caso de la interconexión metálica la forma ondulada ofrece el…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por el programa de descubrimiento creativo de materiales a través de la nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia y TIC (NRF-2017M3D1A1039288). Además, esta investigación fue apoyada por el Instituto de información y promoción de tecnología de comunicaciones (IITP) subvención por el gobierno de Corea (MSIP) (No.2017000709, enfoques integrados de físicamente unclonable primitivas criptográficas usando al azar láseres y optoelectrónica).
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 |
Referenzen
- 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).
