Electronique Silicium sur substrat souple 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 26/03/2017 21:48

Enjeux de l’électronique sur substrat souple Clavier souple Écran AMOLED Textiles intelligents OFET Batteries couches minces Photovoltaïque organique Brain Machine Interface e-paper RFID 26/03/2017 21:48

Enjeux de l’électronique sur substrat souple Total en 2020 : 50 000 M$ Total en 2030 : 300 000 M$ Source : SITELESC, 2012 26/03/2017 21:48

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

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 26/03/2017 21:48

Silicium reporté sur substrat souple

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

Silicium monocristallin reporté sur substrat souple Rubans de Si TFTs au Si monocristallin ~400 cm2/Vs on/off ~105 ~350 MHz VGS = 1.8V VDS = 2.0V 3mm Channel + 2mm Overlap IEEE Electron Dev. Lett., 27(6) 460 (2006). 26/03/2017 21:48

Silicium monocristallin reporté sur substrat souple Rubans de Si Stretchable Silicon Integrated Circuits Science 320, 507 (2008). 26/03/2017 21:48

Silicium monocristallin reporté sur substrat souple Rubans de Si Stretchable Silicon Integrated Circuits NMOS m ~400 cm2/Vs 100 mm Time (ms) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -4 -2 2 4 Vout (V) PMOS m ~120 cm2/Vs Science 320, 507 (2008). 26/03/2017 21:48

Silicium déposé 26/03/2017 21:48

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

Silicium non monocristallin Silicium déposé Silicium non monocristallin Amorphe Cristallisé nanocristallin microcristallin polycristallin 26/03/2017 21:48

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

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.

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) 26/03/2017 21:48

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 26/03/2017 21:48

Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Quel substrat ? Plastiques semi-cristallins transparents Dupont Teijin Films 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) Temperature Maximum durant le process de fabrication de l’électronique: 180°C 26/03/2017 21:48

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 26/03/2017 21:48

Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Silicium micro-cristallin Electronique CMOS Vdd=4V inverseur Ring oscillator 26/03/2017 21:48

Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Tag RFID directement sur support plastique (IETR Rennes) Antenne modulateur Redresseur 13.56 MHz µc-Si Contact redresseur Au Diode Schottky 26/03/2017 21:48

Electronique fabriquée sur substrat souple transparent Capteurs physiques (IETR Rennes) Capteur flexible de champ de pression (résolution spatiale 200µm) IETR

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 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 26/03/2017 21:48

F I N 26/03/2017 21:48

26/03/2017 21:48 Stress Type du TFT Évolution VTH Variation VTH /VTH0 de µ µ /µ0 Tension N Diminue 0,85 Augmente 1,4 P 1.04 0.92 Compression 1,17 0,73 0,97 1,27 26/03/2017 21:48