触觉传感器用超薄硅技术的详细资料说明

为了满足快速发展的便携式消费电子、机器人技术和物联网等新领域对高性能柔性电子的需求，近年来出现了基于纳米结构、分子电子学和量子电子学等新技术。对于厚度小于50μm的硅芯片的重要性尤其令人感兴趣，因为这将推进3D IC技术，并为高性能柔性电子器件开辟新的方向。这篇博士论文的重点是为下一代柔性电子产品开发硅基超薄芯片（UTC）。UTCs一方面可以提供与最先进的CMOS技术相当的处理速度，另一方面可以提供机械灵活性，允许在柔性基板上平滑集成。这些发展形成了本文所述工作背后的动机。随着硅片厚度的减小，弯曲刚度减小。弯曲刚度定义为将非刚性结构弯曲为单位曲率所需的力偶，因此柔性增加。本文提出的实现薄硅的新方法利用了现有的和完善的硅基础设施、工艺和设计模块。采用各向异性化学刻蚀方法，从已加工的大块硅片上获得厚度在15-30μm之间的薄片。本文还提出了采用两步转印法进行薄晶片转印、两柔性层间分层或封装封装的方法，从晶片中取出电连接。作为前端处理的一部分，由电容器和晶体管组成的晶圆上实现的器件已经过测试，以分析弯曲对电特性的影响。金属氧化物半导体（MOS）电容器在弯曲过程中电容增加了约5%，在平带和阈值电压下也出现了类似的位移。同样，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的沟道区载流子迁移率在拉伸弯曲时增加了9%，在压缩弯曲时减少了约5%。建立的分析模型捕捉了带状带对器件性能的影响，与实验结果吻合很好。为了将这些器件用作触觉传感器，研究了两种压电材料，并将其用于MOSFET的扩展栅结构。首先，制备了聚偏氟乙烯-三氟乙烯-P（VDF-TrFE）和钛酸钡（BT）的纳米复合材料。复合材料由于组分的压电系数和热电系数相反，当ii力和温度同时变化时，复合材料能够抑制对温度的敏感性，在扩展栅极结构中测得对力的敏感性为630mv/N，而当其变化时，对温度的敏感性为6.57mv/oC在施力过程中。对溅射压电氮化铝（AlN）的工艺进行了优化。AlN不需要极化来显示压电性，因此为POSFET（其中压电材料直接沉积在MOSFET的栅极区域）等器件中使用的压电层提供了一个有吸引力的替代方案。优化后的工艺使AlN具有高度定向的柱状结构和压电系数当以扩展栅极结构连接时，灵敏度（单位力漏电流的标准化变化）为2.65n-1。