Electronique Silicium sur substrat souple

1. Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes Université de Rennes 1 – SUPELEC Rennes – INSA Rennes Centre Commun de Microélectronique de l’Ouest UMR 6164 Electronique Silicium sur substrat souple Tayeb Mohammed-Brahim

2. Enjeux de l’électronique sur substrat souple Textiles intelligents Clavier souple Écran AMOLED OFET Batteries couches minces Photovoltaïque organique Brain Machine Interface e-paper RFID

3. Enjeux de l’électronique sur substrat souple Total en 2020 : 50 000 M$ Total en 2030 : 300 000 M$ Source : SITELESC, 2012

4. Fabrication de l’électronique sur substrat souple Etiquettes RFID Affichage Flexible Circuits électroniques sur substrat souple Patch épidermique Textiles Intelligents

5. Filières 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. Silicium reporté sur substrat souple

7. Silicium monocristallin reporté sur substrat souple Silicon Amincissement de puce 1 µm Fraunhofer IZM, Munich Puce amincie et encapsulée dans du PI IMEC 50 µm Rubans de Si

8. Silicium monocristallin reporté sur substrat souple Rubans de Si IEEE Electron Dev. Lett., 27(6) 460 (2006). TFTs au Si monocristallin • ~400 cm2/Vs on/off ~105 3mm Channel + 2mm Overlap ~350 MHz VGS = 1.8V VDS = 2.0V

9. Silicium monocristallin reporté sur substrat souple Rubans de Si Stretchable Silicon Integrated Circuits Science 320, 507 (2008).

10. Silicium monocristallin reporté sur substrat souple Rubans de Si Stretchable Silicon Integrated Circuits NMOS m ~400 cm2/Vs 100 mm 4 2 PMOS m ~120 cm2/Vs 0 Vout (V) -2 -4 Science 320, 507 (2008). -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 Time (ms)

11. Silicium déposé

12. Silicium déposé Electronique Grande Surface Silicium 3.05 m GEN10 2.85 m Part importante du marché mondial de l’électronique VERRE Electronique fabriquée entre 150°C et 600°C

13. Silicium déposé Silicium non monocristallin Cristallisé Amorphe polycristallin microcristallin nanocristallin

14. Silicium déposé sur verre puis reporté sur substrat souple Electronique Grande Surface Silicium TFT (a-Si:H ou LTPS) puis report sur substrat souple Ecran Electrophorétique (EPLaR) TDK 2007: PolySi-TFT 0.8µm RFID 13,56 et 915MHz Poly-TFT transféré sur PET

15. 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.

16. 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)

17. Electronique fabriquée directement sur feuille Inox Silicium déposé sur inox à 350°C et cristallisé par laser e.g. écran OLED Flexible Silicium Polyimide Acier Inox

18. Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Quel substrat ? Plastiques semi-cristallins transparents Dupont Teijin Films PEN (PolyEthylene Naphtalate, Teonex Q65) Déformation Thermique: < 0.1 % at T=180°C Transparent: > 85% in visible wavelength range Substrate: 125 µm thick Une face planarisée Rugosité moyennes (RMS) : 2.8 nm Temperature Maximum durant le process de fabrication de l’électronique: 180°C

19. Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Silicium amorphe QVGA Ecran Electrophoretique sur PEN en TFT Si amorphe (2008) et OLED (2009) Flexible Display Center Arizona

20. Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Vdd=4V Silicium micro-cristallin Electronique CMOS inverseur Ring oscillator

21. Electronique fabriquée sur substrat souple transparent modulateur Redresseur Antenne Contact redresseur Au µc-Si Diode Schottky Tag RFID directement sur support plastique (IETR Rennes) 13.56 MHz

22. Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Capteurs physiques (IETR Rennes) Capteur flexible de champ de pression IETR (résolutionspatiale 200µm)

23. Electronique fabriquée sur substrat souple transparent TP proposé aux étudiants de Master et à Eurodots (5 jours) Silicon Thin Film Transistors on Transparent and Flexible Substrate • PECVD Deposition: undoped microcrystalline silicon, N or P doped microcrystalline silicon, silicon nitride • E-beam depositionof 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

24. F I N