Institut d Électronique et de Télécommunications de Rennes 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 1/24 C C M O Pôle de Rennes du CNFM 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
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 Enjeux de l électronique sur substrat souple 2/24 Clavier souple Écran AMOLED Textiles intelligents OFET Batteries couches minces Brain Machine Interface Photovoltaïque organique e-paper RFID
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 Enjeux de l électronique sur substrat souple 3/24 Total en 2020 : 50 000 M$ Total en 2030 : 300 000 M$ Source : SITELESC, 2012
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 Fabrication de l électronique sur substrat souple 4/24 Affichage Flexible Etiquettes RFID Circuits électroniques sur substrat souple Patch épidermique Textiles Intelligents
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 Filières de l électronique sur substrat souple 5/24 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
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 6/24 Silicium reporté sur substrat souple
Silicium monocristallin reporté sur substrat souple 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 7/24 Amincissement de puce Fraunhofer IZM, Munich Puce amincie et encapsulée dans du PI IMEC Silicon Rubans de Si 1 µm 50 µm
Silicium monocristallin reporté sur substrat souple 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 8/24 Rubans de Si IEEE Electron Dev. Lett., 27(6) 460 (2006). TFTs au Si monocristallin I D 600.0µ 500.0µ 400.0µ 300.0µ 200.0µ 100.0µ ~400 cm 2 /Vs on/off ~10 5 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 V D 3 m Channel + 2 m Overlap V GS = 1.8V V DS = 2.0V ~350 MHz
Silicium monocristallin reporté sur substrat souple 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 9/24 Rubans de Si Stretchable Silicon Integrated Circuits Science 320, 507 (2008).
V out (V) Silicium monocristallin reporté sur substrat souple 0.5 0.4 NMOS ~400 cm 2 /Vs 5V Rubans de Si Stretchable Silicon Integrated Circuits 10/24 I d (ma) 0.3 0.2 4V 0.1 3V 0.0 0.5 2V 0 1 2 3 4 V d (V) 4 100 m I d (ma) 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 PMOS ~120 cm 2 /Vs -5V -4V -3V -2V -4-3 -2-1 0 V d (V) -4-1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 Time ( s) 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 2 0-2 Science 320, 507 (2008).
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 11/24 Silicium déposé
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 Silicium déposé Electronique Grande Surface Silicium 12/24 3.05 m GEN10 2.85 m Part importante du marché mondial de l électronique VERRE Electronique fabriquée entre 150 C et 600 C
Silicium déposé 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 13/24 Silicium non monocristallin Amorphe Cristallisé nanocristallin microcristallin polycristallin
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 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) 14/24 TDK 2007: PolySi-TFT 0.8µm RFID 13,56 et 915MHz Poly-TFT transféré sur PET
Electronique silicium fabriquée sur substrat souple 15/24 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 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.
Electronique fabriquée directement sur substrat souple 16/24 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 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)
Electronique fabriquée directement sur feuille Inox 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 17/24 Silicium déposé sur inox à 350 C et cristallisé par laser e.g. écran OLED Flexible Silicium Acier Inox Polyimide
Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Quel substrat? 18/24 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 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 19/24 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
Courant Drain (A) 20/24 Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Courant de drain (A) D 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 V OUT (V) V OUT (V) Silicium micro-cristallin 10-6 10-8 10-10 Electronique CMOS Tension Drain V DS =1V -10 0 10 20 30 Tension Grille (V) 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 W/L = 100 µm /20 µm 1E-9 V DS = -1 V 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13-20 -15-10 -5 0 5 Tension de Grille (V) G inverseur 8 V IL Vdd = 8 V 7 NM L =3,44V 6 5 V IT =3,97V Gain = 34 4 3 2 Wn/Ln = 20µm/20µm NM 1 H =3,31V Wp/Lp = 80µm/20µm V IH 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 V IN (V) 4 Vdd=4V Vdd = 4 V 3 2 1 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 t (s) Ring oscillator
21/24 Electronique fabriquée sur substrat souple transparent 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 Tag RFID directement sur support plastique (IETR Rennes) Antenne Redresseur modulateur 13.56 MHz Contact redresseur Au µc-si Diode Schottky
Electronique fabriquée sur substrat souple transparent 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 22/24 Capteurs physiques (IETR Rennes) Capteur flexible de champ de pression IETR (résolution spatiale 200µm)
Electronique fabriquée sur substrat souple transparent 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 23/24 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 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
12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42 24/24 F I N
25/24 Stress Type du TFT Évolution V TH Variation V TH /V TH0 Évolution de µ Variation µ /µ 0 Tension Compression N Diminue 0,85 Augmente 1,4 P Augmente 1.04 Diminue 0.92 N Augmente 1,17 Diminue 0,73 P Diminue 0,97 Augmente 1,27 12èmes JPCNFM, T. MOHAMMED-BRAHIM Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 10/01/2013 14:42