Fabrikasjon av fleksible Image Sensor basert på Lateral NIPIN Phototransistors
Summary
Vi presenterer en detaljert metode å utvikle en deformerbare lateral NIPIN phototransistor matrise for buede bildesensorer. Phototransistor matrise med en åpen mesh form, som består av tynne silisium øyer og elastisk metall interconnectors, gir fleksibilitet og stretchability. Parameteren analysatoren karakteriserer elektrisk eiendom fabrikkerte phototransistor.
Abstract
Fleksibel photodetectors har vært intenst undersøkt for bruk av buet bildesensorer, som er en viktig komponent i bio-inspirert imaging-systemer, men flere utfordrende steder fortsatt, som en lav absorpsjon effektivitet aktive løsmasse og lav fleksibilitet. Vi presenterer en avansert metode å utvikle en fleksibel phototransistor matrise med en forbedret elektriske ytelse. En utmerket elektriske ytelse er drevet av en lav mørke strøm på grunn av dyp urenhet doping. Elastisk og fleksibel metal interconnectors tilby samtidig elektrisk og mekanisk stabilitet i en svært deformert tilstand. Protokollen beskriver eksplisitt fabrikasjon prosessen med phototransistor med en tynn silikon membran. Ved å måle IV kjennetegner fullført enheten i deformert stater, viser vi at denne tilnærmingen forbedrer de mekaniske og elektriske stabilitet av phototransistor array. Vi forventer at denne tilnærmingen til en fleksibel phototransistor kan bli mye brukt for programmer ikke bare neste generasjon tenkelig systemer/Optoelektronikk, men også bærbar enheter som taktil/press/temperatur sensorer og helse skjermer.
Introduction
Bio-inspirert imaging-systemer kan tilby mange fordeler i forhold til konvensjonelle imaging systems1,2,3,4,5. Netthinnen eller hemisfæriske ommatidia er en vesentlig komponent av biologiske visuelle systemet1,2,6. En buet bildesensor, som etterligner det kritiske elementet dyr øyne, kan gi en kompakt og enkel konfigurasjon av optiske systemer med lite avvik7. Mangfoldig fremskritt av fabrikasjon teknikker og materialer, for eksempel bruk av egentlig myke materialer som organisk/nanomaterialer8,9,10,11, 12 og innføring av deformerbare strukturer til halvledere inkludert silikon (Si) og germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, innser de buede bildesensorer. Blant dem gi Si tilnærminger iboende fordeler som en overflod av materiale, moden teknologi, stabilitet og optisk/elektrisk overlegenhet. Derfor tross Si har iboende stivhet og skjørhet, har Si-baserte fleksibel elektronikk blitt mye studert for ulike applikasjoner, som fleksibel optoelectronics18,19,20 inkludert buet bilde sensorer1,2,3og selv bærbar helsetjenester enheter21,22.
I en fersk studie, vi analysert og bedre elektrisk ytelsen til en tynn Si photodetector matrise23. I denne studien er optimal enkeltenhet cellen i buede photodetector matrisen en phototransistor (PTR) som består av en photodiode og blokkerer diode. Basen krysset gevinst forsterker en generert photocurrent, og dermed det utstillinger en rute en elektrisk ytelsen med en tynn film. I tillegg til en enkelt celle er tynnfilm strukturen egnet til å undertrykke en mørk strøm, som regnes som støy i photodetector. Om doping konsentrasjon er en konsentrasjon som er større enn 1015 cm-3 tilstrekkelig for å oppnå en eksepsjonell ytelse som diode egenskapene kan opprettholdes med lav intensitet over 10-3 W/cm2 23 . Videre PTR enkelt celle har en lav kolonnen støy og optisk/elektrisk stabil egenskaper sammenlignet med photodiode. Basert på disse regler, laget vi en fleksibel photodetector matrise som består av tynne Si PTR bruker en silisium-på-isolator (SOI) wafer. Generelt, er en viktig design rettssikkerhet fleksibel bildesensorer nøytral mekanisk flyet konseptet som definerer plasseringen gjennom tykkelsen av strukturen der stammer er null for en vilkårlig liten r24. En annen avgjørende punktet er en serpentin geometri av elektroden fordi en bølget figur gir fullt reversibel stretchability til elektroden. På grunn av disse to viktige design konsepter, kan photodetector matrisen være fleksibel og elastisk. Den letter 3D deformasjon av photodetector matrisen i en hemisfæriske figur eller en buet som netthinnen av dyr øyne2.
I dette arbeidet vi detalj prosessene for fabrikasjon av buet PTR matrisen med halvleder metallbearbeiding prosesser (f.eks, doping, etsning og deponering) og overføring utskrift. Også karakterisere vi en enkelt PTR i en IV kurve. I tillegg til fabrikasjon metoden og personlige celle analyse, er elektriske funksjonen av PTR matrisen analysert i deformert stater.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fabrikasjon teknologien beskrevet her bidrar betydelig til utviklingen av Avansert elektronikk og bærbare enheter. De grunnleggende begrepene for denne tilnærmingen bruker en tynn Si membran og metall interconnectors i stand til å strekke. Selv om Si er en sprø og hard materiale som kan lett bli brukket, kan et meget tynt Si lag få en fleksibilitet26,27. I tilfelle av metall interconnector tilbyr bølgete figuren stretchability og fleksibilitet<sup class="xr…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av den kreative funn programmet gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) finansiert av departementet for vitenskap og IKT (NRF-2017M3D1A1039288). Også ble denne forskningen støttet av Institutt for informasjon og kommunikasjon teknologi forfremmelse (IITP) gi finansiert av Korea regjeringen (MSIP) (No.2017000709, integrert tilnærming av fysisk unclonable kryptografiske primitiv bruker tilfeldig lasere og optoelectronics).
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).
