Tillverkning av flexibla bildsensor baserat på laterala ANNALENA Phototransistors
Summary
Vi presenterar en detaljerad metod för att fabricera en deformerbar laterala ANNALENA fototransistor matris för böjda bildsensorer. Fototransistor matrisen med en öppna maskor bildar, som består av tunna kisel öar och töjbart metall sammanlänkningar, ger flexibilitet och töjbarhet. Parametern analysatorn karakteriserar den fabricerade fototransistor elektriska egendom.
Abstract
Flexibel photodetectors har studerats intensivt för användning av böjda bildsensorer, som är en avgörande komponent i bio-inspirerade bildsystem, men flera utmanande punkter kvarstår, såsom en låg absorptionseffektivitet på grund av aktiva tunt och låg flexibilitet. Vi presenterar en avancerad metod för att fabricera en flexibel fototransistor matris med en förbättrad elektrisk prestanda. Den enastående elektriska prestandan drivs av en låg mörk ström på grund av djupa orenhet dopning. Töjbara och flexibla metall sammanlänkningar erbjuder samtidigt elektriska och mekaniska stabiliteter i ett starkt deformerade tillstånd. Protokollet beskrivs uttryckligen tillverkningsprocessen av den fototransistor med hjälp av en tunn silikon membran. Genom att mäta-V egenskaper den färdiga enheten i deformerade stater, visar vi att denna strategi förbättrar de mekaniska och elektriska stabiliteter fototransistor matrisens. Vi förväntar oss att detta förhållningssätt till en flexibel fototransistor kan ofta används för tillämpningar av inte bara nästa generations imaging system/optoelektronik utan också bärbara enheter såsom taktil/tryck/temperatur sensorer och hälsa monitorer.
Introduction
Bio-inspirerade bildsystem kan ge många fördelar jämfört med konventionella imaging system1,2,3,4,5. Näthinnan eller halvrunda ommatidia är en väsentlig beståndsdel av biologiska visuella systemet1,2,6. En böjd bildsensor, som härmar det kritiska elementet av djurs ögon, kan ge en kompakt och enkel konfiguration av optiska system med låga avvikelser7. Varierande framsteg fabrication tekniker och material, till exempel användning av egensäkra mjuka material såsom organisk/nanomaterial8,9,10,11, 12 och införandet av deformerbara strukturer till halvledare inklusive kisel (Si) och germanium (Ge)1,2,3,13,14, 15,16,17, inser den böjda bildsensorer. Bland dem ge Si-baserade metoder inneboende fördelar såsom ett överflöd av material, Mogen teknik, stabilitet och optisk/elektrisk överlägsenhet. Därför även om Si har inneboende styvhet och sprödhet, har Si-baserade flexibel elektronik ofta studerats för olika applikationer, såsom flexibla optoelektronik18,19,20 inklusive böjda bild sensorer1,2,3, och även bärbara sjukvården enheter21,22.
I en färsk studie, Vi analyserade och förbättrade elektriska prestanda i en tunn Si fotodetektor array23. I denna studie är cellen optimal enhet för böjda fotodetektor matrisen en fototransistor (PTR) som består av en fotodiod och blockerande diod. Bas junction vinsten förstärker en genererade photocurrent och därmed den uppvisar en rutt för att förbättra en elektrisk prestanda med en tunn film struktur. Förutom den enda cellen är tunn film struktur lämplig att undertrycka en mörk ström, som är ansedd som brus i fotodetektor. När det gäller dopning koncentration är en koncentration som är större än 1015 cm-3 tillräckligt för att uppnå en exceptionell prestanda där diod egenskaper kan underhållas med låg intensitet över 10-3 W/cm2 23 . Dessutom den PTR enda cellen har en låg kolumn buller och optiskt/elektriskt stabila egenskaper i förhållande till det av en fotodiod. Baserat på dessa designregler, tillverkade vi en flexibel fotodetektor matris som består av tunna Si PTRs använder en kisel på isolator (SOI) wafer. I allmänhet är en viktig design regel av flexibla bildsensorer begreppet neutrala mekaniska plan som definierar ståndpunkten genom tjockleken av struktur där stammar är noll för ett godtyckligt små r24. En annan avgörande punkt är en serpentin geometri av elektroden eftersom en vågig form ger helt reversibla töjbarhet till elektroden. På grund av dessa två viktiga designkoncept, kan fotodetektor matrisen vara flexibel och töjbar. Det underlättar 3D deformeringen av fotodetektor matrisen till en halvsfärisk form eller en böjd form som näthinnan av djurs ögon2.
I detta arbete, vi detalj processerna för tillverkning av böjda PTR matrisen med halvledare fabrication processer (t.ex., dopning, etsning och nedfall) och överföra utskrift. Också, vi karakterisera en enda PTR i form av en-V-kurva. Förutom tillverkning metod och enskild cell analys analyseras funktionen elektrisk i arrayen PTR i deformerade staterna.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den tillverkningsteknik som beskrivs här bidrar avsevärt till utvecklingen av avancerad elektronik och bärbara enheter. De grundläggande koncepten i denna strategi använder ett tunt Si-membran och metall sammanlänkningar kan stretching. Även om Si är ett sprött och hårda material som lätt kan vara brutna, kan Si mycket tunt få en flexibilitet26,27. När det gäller metall sammanlänkningen erbjuder den vågiga formen töjbarhet och flexibilitet<sup cl…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöds av kreativa material Discoveryprogrammet genom den nationella Research Foundation i Korea (NRF) finansieras av ministeriet för vetenskap och IKT (NRF-2017M3D1A1039288). Dessutom, denna forskning stöddes av Institutet för Information och kommunikation teknik befordran (IITP) bidrag som finansieras av den Korea regeringen (MSIP) (No.2017000709, integrerade strategier av fysiskt unclonable kryptografiska primitiver som använder slumpmässiga lasrar och optoelektronik).
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).
