Electronique Silicium sur substrat souple

IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 21/04/23 08:09

Electronique Silicium sur

substrat souple

Tayeb Mohammed-Brahim

MOCC

Pôle de Rennes du CNFM

Centre Commun de Microélectronique de lCentre Commun de Microélectronique de l’’OuestOuest

Université de Rennes 1 – SUPELEC Rennes – INSA Rennes

1/24Institut d’Électronique et de Télécommunications de RennesInstitut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes

UMR 6164UMR 6164


Photovoltaïque organiqueOFET

Écran AMOLED

RFID

Textiles intelligents

Batteries couches minces

e-paper

Brain Machine Interface

Clavier souple

Enjeux de l’électronique sur substrat souple

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Enjeux de l’électronique sur substrat souple

Total en 2020 : 50 000 M$Total en 2030 : 300 000 M$

Source : SITELESC, 2012

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IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, 28-30 novembre 2012

Etiquettes RFID

Patch épidermique

Circuits électroniques Circuits électroniques sur sur

substrat souplesubstrat souple

Affichage Flexible

Textiles Intelligents

Fabrication de l’électronique sur substrat souple

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5/24Filières de l’électronique sur substrat

souple

Electronique organique

Electronique à base de matériaux autres (nanotubes de carbone, graphène…) reportés sur substrat souple

Electronique silicium

Silicium reporté sur substrat souple

Silicium déposé directement sur substrat souple


6/24

Silicium reporté sur substrat souple


Silicium monocristallin reporté sur substrat souple

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Fraunhofer IZM, MunichPuce amincie et

encapsulée dans du PIIMEC

Amincissement de puce

Rubans de Si

50 µm

Silicon

1 µm


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TFTs au Si monocristallin

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

100.0µ

200.0µ

300.0µ

400.0µ

500.0µ

600.0µ

I D

VD

~400 cm2/Vson/off ~105

~350 MHz

VGS = 1.8V VDS = 2.0V

3m Channel + 2m Overlap

IEEE Electron Dev. Lett., 27(6) 460 (2006).

Rubans de Si



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Stretchable Silicon Integrated Circuits

Science 320, 507 (2008).

Rubans de Si



Time (s)

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-4

-2

0

2

4

Vou

t (V

)

21/04/23 08:09

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Stretchable Silicon Integrated Circuits

Science 320, 507 (2008).

PMOS ~120 cm2/Vs

NMOS ~400 cm2/Vs

100 m

Rubans de SiSilicium monocristallin reporté sur substrat

souple


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Silicium déposé


Electronique Grande Surface Silicium

Silicium déposé

2.85 m

3.05 mGEN10

Part importante du marché mondial de

l’électronique

VERRE

Electronique fabriquée entre 150°C et 600°C

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Silicium non monocristallin

Amorphe

nanocristallin

microcristallin

polycristallin

Cristallisé

Silicium déposé


TFT (a-Si:H ou LTPS) puis report sur substrat souple

TDK 2007: PolySi-TFT 0.8µm RFID 13,56 et 915MHz

Ecran Electrophorétique (EPLaR)

Electronique Grande Surface Silicium

Silicium déposé sur verre puis reporté sur substrat souple

Poly-TFT transféré sur PET

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Electronique silicium fabriquée sur substrat souple

Contraintes pour le choix du substrat:

Techniques de fabrication précédentes nécessitent des températures > 300°C

Nécessité de substrats pouvant supporter ces températures (dilatation maximale ~1 µm)

Nécessité de substrats transparents pour la plus grande application de l’électronique flexible : Ecrans

Nécessité d’une rugosité de surface minimale (<1nm)

Imperméabilité à l’humidité et à l’oxygène

Pouvant supporter les produits chimiques utilisées dans la fabrication des dispositifs électroniques

Accord des coefficients de dilatation thermique avec les couches des dispositifs électroniques.

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Electronique fabriquée directement sur substrat souple

Quel substrat ?

Verre : Flexible si épaisseur < 200 nm

Verre de 30µm MAIS en petite surface et avec une rugosité importante

Feuilles d’Inox : 75 µm d’épaisseur, pouvant supporter des températures élevées MAIS opaque et rugueux

Polymères (plastiques)

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Silicium déposé sur inox à 350°C et cristallisé par laser

e.g. écran OLED Flexible

Acier Inox

Polyimide

Silicium

Electronique fabriquée directement sur feuille Inox


Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Quel substrat ?

Plastiques semi-cristallins transparents

Dupont Teijin Films

Temperature Maximum durant le process de fabrication Temperature Maximum durant le process de fabrication de l’électronique: 180°Cde l’électronique: 180°C

Déformation Thermique: < 0.1 % at T=180°C

Transparent: > 85% in visible wavelength range

Substrate: 125 µm thickUne face planarisée

Rugosité moyennes (RMS) : 2.8 nm

PEN (PolyEthylene Naphtalate, Teonex Q65)

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QVGA Ecran Electrophoretique sur PEN en TFT Si amorphe (2008) et OLED (2009)

Flexible Display Center Arizona

Silicium amorphe

19/24Electronique fabriquée sur substrat souple

transparent


Silicium micro-cristallin


transparent

Electronique CMOS

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

1

2

3

4

VO

UT (V

)

t (s)

Vdd = 4 V

Vdd=4V

inverseur

Ring oscillator


Tag RFID directement sur support plastique (IETR Rennes)

Antenne modulateur Redresseur

13.56 MHz13.56 MHz

µc-Si

Contact redresseur Au

Diode Schottky


transparent


Capteur flexible de champ de pression

(résolution spatiale 200µm)

IETR

Capteurs physiques (IETR Rennes)


transparent


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TP proposé aux étudiants de Master et à Eurodots (5 jours)

Silicon Thin Film Transistors on Transparent and Flexible Substrate

Electronique fabriquée sur substrat souple transparent

PECVD Deposition: undoped microcrystalline silicon, N or P doped microcrystalline silicon, silicon nitride

E-beam deposition of metals

4 photolithography steps (4 mask levels)

Electrical and Physical characterizations during the process: ellipsometry, 4-probes resistivity, I-V and C-V characteristics

Electrical characterizations after the process:

TFT’s parameters analysis (Agilent B1500)

Study of the effect of the flexibility of the substrate


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F I N


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Stress Type du

TFTÉvolution

VTH

Variation VTH /VTH0

Évolution de µ

Variation µ /µ0

TensionN Diminue 0,85 Augmente 1,4

P Augmente 1.04 Diminue 0.92

CompressionN Augmente 1,17 Diminue 0,73

P Diminue 0,97 Augmente 1,27

Electronique Silicium sur substrat souple

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