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IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, 28-30 novembre 2012 22/02/2014 01:25 Electronique Silicium sur substrat souple.

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1 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 Electronique Silicium sur substrat souple Tayeb Mohammed-Brahim Centre Commun de Microélectronique de l Ouest Universit é de Rennes 1 – SUPELEC Rennes – INSA Rennes 1/24 Institut dÉlectronique et de Télécommunications de Rennes UMR 6164

2 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 Photovoltaïque organique OFET Écran AMOLED RFID Textiles intelligents Batteries couches minces e-paper Brain Machine Interface Clavier souple Enjeux de lélectronique sur substrat souple 2/24

3 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 Enjeux de lélectronique sur substrat souple Total en 2020 : M$ Total en 2030 : M$ Source : SITELESC, /24

4 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre 2012 Etiquettes RFID Patch épidermique Circuits électroniques sur substrat souple Affichage Flexible Textiles Intelligents Fabrication de lélectronique sur substrat souple 4/24

5 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 5/24 Filières de lélectronique 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 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /24 Silicium reporté sur substrat souple

7 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre 2012 Silicium monocristallin reporté sur substrat souple 7/24 Fraunhofer IZM, Munich Puce amincie et encapsulée dans du PI IMEC Amincissement de puce Rubans de Si 50 µm Silicon 1 µm

8 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 8/24 TFTs au Si monocristallin ~400 cm 2 /Vs on/off ~10 5 ~350 MHz V GS = 1.8V V DS = 2.0V 3 m Channel + 2 m Overlap IEEE Electron Dev. Lett., 27(6) 460 (2006). Rubans de Si Silicium monocristallin reporté sur substrat souple

9 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 9/24 Stretchable Silicon Integrated Circuits Science 320, 507 (2008). Rubans de Si Silicium monocristallin reporté sur substrat souple

10 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre 2012 Time ( s) V out (V) 22/02/ :25 10/24 Stretchable Silicon Integrated Circuits Science 320, 507 (2008). PMOS ~120 cm 2 /Vs NMOS ~400 cm 2 /Vs 100 m Rubans de Si Silicium monocristallin reporté sur substrat souple

11 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 11/24 Silicium déposé

12 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre 2012 Electronique Grande Surface Silicium Silicium déposé 2.85 m 3.05 m GEN10 Part importante du marché mondial de lélectronique VERRE Electronique fabriquée entre 150°C et 600°C 12/24

13 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 13/24 Silicium non monocristallin Amorphe nanocristallin microcristallin polycristallin Cristallisé Silicium déposé

14 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre 2012 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 14/24

15 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre 2012 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 lélectronique flexible : Ecrans Nécessité dune rugosité de surface minimale (<1nm) Imperméabilité à lhumidité et à loxygène Pouvant supporter les produits chimiques utilisées dans la fabrication des dispositifs électroniques Accord des coefficients de dilatation thermique avec les couches des dispositifs électroniques. 15/24

16 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 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 dInox : 75 µm dépaisseur, pouvant supporter des températures élevées MAIS opaque et rugueux Polymères (plastiques) 16/24

17 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 17/24 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

18 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Quel substrat ? Plastiques semi-cristallins transparents Dupont Teijin Films Temperature Maximum durant le process de fabrication de lélectronique: 180°C 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 PEN (PolyEthylene Naphtalate, Teonex Q65) 18/24

19 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 QVGA Ecran Electrophoretique sur PEN en TFT Si amorphe (2008) et OLED (2009) Flexible Display Center Arizona Silicium amorphe 19/24 Electronique fabriquée sur substrat souple transparent

20 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 Silicium micro-cristallin 20/24 Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Electronique CMOS Vdd=4V inverseur Ring oscillator

21 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 Tag RFID directement sur support plastique (IETR Rennes) Antenne modulateur Redresseur MHz µc-Si Contact redresseur Au Diode Schottky 21/24 Electronique fabriquée sur substrat souple transparent

22 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre 2012 Capteur flexible de champ de pression (résolution spatiale 200µm) IETR Capteurs physiques (IETR Rennes) 22/24 Electronique fabriquée sur substrat souple transparent

23 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 23/24 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: TFTs parameters analysis (Agilent B1500) Study of the effect of the flexibility of the substrate

24 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 24/24 F I N

25 IETR UMR 6164 T. MOHAMMED-BRAHIM CCMO – IETR 12èmes JPCNFM, Saint-Malo, novembre /02/ :25 25/24 Stress Type du TFT Évolution V TH Variation V TH /V TH0 Évolution de µ Variation µ /µ 0 Tension NDiminue0,85Augmente1,4 PAugmente1.04Diminue0.92 Compression NAugmente1,17Diminue0,73 PDiminue0,97Augmente1,27


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