This dissertation focuses on the development of flexible single-crystalline Si (sc-Si) device which is a good candidate for high-performance flexible electronics. To make flexible sc-Si devices, advanced thinning and transfer methods were developed and a quantitative strain analysis of the transferred sc-Si membrane were performed. Also, the self-heating effect of the flexible sc-Si transistor on a polydimethylsiloxane (PDMS)/polyimide (PI) film were investigated, and the improvement of the reliability was accomplished by introducing a silver heat spreading layer between the device layer and polymer film. By utilizing the developed technologies for flexible sc-Si devices, high-performance integrated circuits (ICs) for flexible sensor applications were demonstrated, and the sensing/electrical properties were studied.
For a quantitative strain analysis of a sc-Si membrane, two sc-Si membrane strain gauges, each with a different stack, were fabricated on a PDMS/ PI film using a silicon-on-insulator (SOI) wafer. One gauge contains 10-μm-thick handling Si layer, whereas the handling Si layer was completely removed for the other case, which membrane stacks have been commonly adopted for flexible sc-Si devices. Although the Si membrane with the 10-μm-thick handling Si layer was flexible, the bending strain applied to the active Si layer (0.127%) was three times higher than the strain applied to the Si membrane without the handling Si layer (0.037%) at a bending radius of 5 mm. This leads to the more reliable electrical and mechanical performance of the device fabricated on the Si membrane without the handling Si layer. The experimental results were verified through a finite element method simulation and analytical modeling. Also, the advanced flexible membrane stack was proposed for the realization of the ultra-flexible Si devices. As a result, the fabricated Si membrane was mechanically stable even at the bending radius of 1 mm because the neutral mechanical plan, where the strain is zero, was positioned at the active Si layer.
Despite the excellent device performance and mechanical flexibility of Si membrane transistors on polymer substrates, they still suffer from poor thermal dissipation, which causes reliability concerns and can lead to premature failure. In this work, under an operational condition of VG = 3 V and VD = 8 V, the temperature of a Si membrane transistor on polymer substrate soared up to about 64˚C instantly and remained consistently high. The excess heat generated from the active channel was found to significantly degrade the device performance. In contrast, the implementation of a silver heat spreading layer between the active channel and polymer substrate significantly alleviated the self-heating effect as the silver film rapidly spread out the generated heat. Also, the influence of the self-heating on the interface trap generation was further investigated by the bias stress test. The interface trap density increased significantly in the device without the HSL compared to the device with the HSL. The efficient heat spreading, monitored via a high-resolution infrared thermal microscope, was well correlated with the electrical characteristics of the devices. These results may provide a help to realize the high performance flexible devices using sc-Si membrane.
Finally, integrated circuits (ICs) which can be utilized for various flexible sensor applications, were demonstrated. The IC, which contains sensing resistor and 2-stage common source amplifier based on the sc-Si membrane, was designed. The sc-Si membrane can sense the parameters such as pressure, temperature and pH. The change in the resistance of the sc-Si membrane reflects the change in sensing parameters. The fractional change of the resistance changes an input voltage of the amplifier and the amplified output voltage can be obtained. The designed sensor IC was fabricated and transferred onto polypropylene (PP) rod having a bending radius of 1 mm. Flexible sensor IC on the PP rod successfully detected changes in pressure, temperature and pH of a liquid in the polyethylene terephthalate (PET) bottle. The developed flexible sensor IC can be utilized in a wide range of applications where the high performance and flexibility are required simultaneously.
본 연구는 고성능 유연 소자로 활용하기 위한 유연 단결정 실리콘 소자 개발과 유연 센서로의 응용에 관한 것을 주제로 한다. 본 연구의 목적은 고성능 단결정 실리콘 소자의 전사 공정을 개발 및 최적화하여 고유연 실리콘 소자를 구현하고, 유연 실리콘 소자의 자체발열 현상을 개선함으로써 전기적 신뢰성을 향상시키는 것이다. 아울러, 고성능 유연 실리콘 소자를 기반으로 다양한 분야에 응용 가능한 유연 센서 회로를 개발 및 평가하는 것이다.
고성능 단결정 실리콘 소자를 바탕으로 유연 소자를 구현하기 위해 웨이퍼 상에 소자를 먼저 제작한 후 유연 기판으로 전사하는 공정을 개발하였다. 전사된 실리콘 멤브레인의 strain에 대한 정량적인 분석을 위해서 두 가지 경우의 strain 측정 소자를 SOI (silicon-on-insulator) 웨이퍼에 제작하였다. 첫 번째 소자의 경우 약 10 μm의 핸들링 실리콘 층을 남겨두고 식각하여 PDMS/PI 필름에 전사하였고, 두 번째 소자의 경우 핸들링 실리콘 층을 모두 식각하여 전사하였다. 두 경우 모두 기계적으로 매우 유연한 특성을 가지지만, 상부 실리콘 층이 받는 strain은 5 mm의 굽힘 반경에서 첫 번째 경우의 소자가 0.127 %로 두 번째 경우의 소자(0.037 %)보다 약 3배 큰 결과를 나타냈다. 실험적 결과는 FEM (finite element method) 시뮬레이션을 통해 증명되었으며, 본 결과를 바탕으로 고유연 실리콘 소자 구현을 위한 유연 멤브레인 층의 구조를 새롭게 설계하였으며, 설계한 진보된 유연 실리콘 멤브레인은 중성역학층이 실리콘 층에 위치함으로 인해 굽힘 반경 1 mm에서도 기계적으로 안정된 특성을 보였다.
PDMS/PI 기판 위에 구현된 유연 실리콘 멤브레인 소자는 우수한 전기적 특성과 높은 기계적 유연성을 나타내지만, 고분자 물질의 낮은 열전도도로 인해 열방출성이 현저히 감소하는 문제점이 생기며, 이는 전자 소자의 성능을 크게 열화시키는 요인이 된다. 본 연구에서는 PDMS/PI 기판 위에 전사된 실리콘 소자의 온도가 게이트/드레인 전압 3 V/8 V 를 인가했을 때 약 64˚C까지 증가하는 것을 확인하였으며, 이로 인해 실리콘 소자의 전기적 성능이 크게 저하되는 것을 확인하였다. 이를 개선하기 위해 소자 층과 고분자 기판 사이에 열분산층으로써 1 μm 두께의 은(silver) 층을 삽입하였다. 열분산층은 채널에서 발생하는 열을 효과적으로 퍼지게 함으로써 소자의 온도를 낮추었고, 유연 실리콘 소자의 전기적 신뢰성 또한 크게 향상되는 것을 확인하였다. 또한 자체발열 현상이 계면 트랩 생성에 미치는 영향에 대해서도 연구되었다. 열분산층이 없는 유연 소자의 경우 바이어스 스트레스 인가 후 열분산층이 있는 유연 소자에 비해 계면 전하가 약 2배 이상으로 크게 증가하였다. 열분산층의 효과는 고분해능 적외선 현미경을 이용한 온도 측정을 통해서 확인되었다.
앞선 연구의 실험 결과를 바탕으로 고성능 유연 단결정 실리콘 소자 제작 공정을 확립하였으며, 이를 기반으로 다양한 분야에 응용 가능한 고유연 센서 회로를 설계하고 제작하였다. 단결정 실리콘 기반의 트랜지스터와 저항을 이용하여 센서와 2단 증폭기를 집적한 회로를 설계 및 구현하였으며, 이를 곡률반경 1 mm를 갖는 플라스틱 막대에 부착하여 그 특성을 평가하였다. 실리콘 기반의 센싱 저항은 액체의 압력, 온도, pH에 따라 선형적인 변화를 보이며, 이 저항의 작은 변화는 2단 증폭기를 통해 크게 증폭되었다. 이는 단결정 실리콘 기반의 세계 최초의 유연 센서 회로로써 고성능/고유연성의 큰 장점을 갖기 때문에 의료, 산업, 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다.
