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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
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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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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
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Silicium reporté sur substrat souple
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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
Silicium monocristallin reporté sur substrat souple
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Stretchable Silicon Integrated Circuits
Science 320, 507 (2008).
Rubans de Si
Silicium monocristallin reporté sur substrat souple
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Time (s)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
-4
-2
0
2
4
Vou
t (V
)
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10/24
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
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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
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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
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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
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Silicium micro-cristallin
20/24Electronique fabriquée sur substrat souple
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
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Tag RFID directement sur support plastique (IETR Rennes)
Antenne modulateur Redresseur
13.56 MHz13.56 MHz
µc-Si
Contact redresseur Au
Diode Schottky
21/24Electronique fabriquée sur substrat souple
transparent
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Capteur flexible de champ de pression
(résolution spatiale 200µm)
IETR
Capteurs physiques (IETR Rennes)
22/24Electronique fabriquée sur substrat souple
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