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Photodiodes and Image Sensors on Mechanically Flexible Ultra-Thin Silicon Chips-in-Foil

Dogiamis, Georgios

CMOS-Bildsensoren haben in den letzten zwei Jahrzehnten enorme technologische Fortschritte erfahren und sich als eine wettbewerbsfähige Alternative gegenüber CCDBildsensoren auf dem Markt etabliert. Reduziert man die Chipdicke von CMOSBildsensoren von normal 725 μm auf ≤ 30 μm, erhält man mechanisch flexible Bildaufnehmer. Gewölbte CMOS-Bildsensoren würden für die optische Wahrnehmung völlig neue Möglichkeiten eröffnen (wie z. B. bei Insektenaugen). Betrachtet man die auf dem Chip integrierten Bauelemente und Schaltungen unter mechanischen Spannungen, stellt man fest, dass ihre elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften von der ausgeübten mechanischen Spannung beeinflusst werden. Für den technischen Einsatz ist eine vom mechanischen Zustand des Bildsensors unbeinflusste Funktion erforderlich. Der Einfluss von mechanischer Spannung auf die Bauelemente- und Schaltungs-Charakteristiken und seine Minimierung bzw. Kompensation sind daher von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wurden die optischen und elektrischen Eigenschaften von passiven und aktiven Bauelementen, sowie integrierten Schaltungen auf monokristallinen gedünnten flexiblen Siliziumchips unter mechanischen Spannungen untersucht. Der Einfluss von mechanischen Spannungen auf optische Eigenschaften (spektrale Lichtempfindlichkeit, Dunkelstrom und elektronisches Rauschen) einzelner p-n-Übergang basierter Photodioden und Bildsensorarrays auf (100)-Siliziumwafern wurde theoretisch modelliert und experimentell charakterisiert. Weiterhin wurden die elektrischen Eigenschaften (Ladungsträgerbeweglichkeit, Schwellenspannung, 1/f Rauschen) von MOSFeldeffekttransistoren in Bezug auf mechanischen Spannungen charakterisiert und ihre Abhängigkeit von der Orientierung zur Kristallorientierung des Substrats untersucht. Integrierte Schaltungen, wie Bandgap-Referenzspannungsquellen, Operationsverstärker und SC-basierte Schaltungen wurden unter mechanischen Spannungen theoretisch betrachtet, entworfen, gefertigt und experimentell charakterisiert. Mit Hilfe des in dieser Arbeit vorgeschlagenen und eingesetzten Simulationskonzeptes, ist die Schaltungssimulation der obengenannten Abhängigkeiten möglich. Dadurch hat der Schaltungsentwickler die Möglichkeit Schaltungskonzepte zur Kompensation oder Minimierung der von der mechanischen Spannung hervorgerufenen Einflüsse zu simulieren. In dieser Hinsicht werden Schaltungskonzepte und Design-Regeln präsentiert, die den Einfluss von mechanischen Spannungen auf Bildsensorchips berücksichtigen und minimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus ein mechanisch flexibler Bildsensorchip entworfen, simuliert und gefertigt, dessen Betrieb unabhängig von der ausgeübten mechanischen Spannung ist. Der ultra-dünne 20 μm Bildsensorchip ist geeignet auf zylindrisch gewölbte Oberflächen aufgebracht zu werden und erlaubt die Aufnahme raumrichtungsselektiver optischer Informationen im Sinne eines Panoramablicks.

CMOS image sensors (CIS) have experienced the last two decades tremendous technological advances rendering them a viable alternative to charged couple devices (CCDs) not only in high volume applications but also in applications which require high spatial and temporal resolution, high dynamic range, low noise or high sensitivity levels. CISs are employed due to their increased chip thickness (ca. 750 μm) solely in the traditional planar image acquisition. If the chip thickness could be reduced down to or less than 30 μm, the silicon chips would become mechanically flexible. Such flexible CISs could substantially extend the application spectrum of image sensors in non-conventional imaging systems (e.g. imitating insect vision). However, the on-chip integrated devices and circuits exhibit stress-induced changes on their electrical and optoelectronic characteristics. Since a stress independent operation is striven, the minimization or compensation of the influence of mechanical stress on the characteristics of devices and circuits is of great interest. In this work optical and electrical properties of passive and active devices as well as integrated circuits on ultra-thin monolithic flexible silicon chips have been investigated under the application of mechanical stress. The influence of mechanical stress on the optical characteristics (spectral sensitivity, dark current and electronic noise) of p-n junction based photodiodes and image sensor chips on (100)-silicon wafers have been theoretically modeled and experimentally characterized. Moreover, the electrical characteristics (carrier mobility, threshold voltage and 1/f noise) of mechanically strained MOS field-effect transistors and their dependence on the channel orientation on the substrate have been investigated. Integrated circuits such as bandgap reference voltage sources, operational amplifiers and switched capacitor (SC) based circuits have been theoretically treated, designed, fabricated and experimentally characterized. Within this framework a simulation technique has been proposed and deployed, which allows the simulation of the above mentioned stress dependence on device and circuit level. The analog circuit designer can employ the simulation technique toward the proposal of circuit topologies or techniques, which minimize or compensate the strain-induced changes on the circuit operation. In this direction, circuit concepts and design rules are proposed, which minimize the influence of mechanical stress on flexible CIS chips. Within the scope of this work, a mechanically flexible CMOS image sensor chip has been designed, simulated and fabricated, which operation is stress independent. The developed ultra-thin 20 μm CIS chip can be wrapped around a cylindrically curved surface and thus record panoramic optical information.

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Dogiamis, Georgios: Photodiodes and Image Sensors on Mechanically Flexible Ultra-Thin Silicon Chips-in-Foil. 2014.

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