{VERTROUWELIJK} WIRELESS SENSOR TAG Karakteristieken van de Single Grain Thin Film Transistor op polyimide substraat
Geschreven door
RICARDO DE ANDRADE AIMEE FEROUGE WIEGER IJNTEMA Technische Universiteit Delft
Bachelor of Science Thesis in Electrical Engineering Juryleden Thesis Prof. dr. ir. A. J. van der Veen ir. M. Trifunovic Dr. ing. I. E. Lager Dr. ir. A. Bossche (ExCie)
Begeleider: Dr. R. Ishihara
Faculteit Electrical Engineering, Applied Mathematics and Computer Science Technische Universiteit Delft
Delft 21 juni 2013
Voorwoord Ter afsluiting van onze Bachelor Electrical Engineering presenteren wij hierbij onze afstudeerscriptie. Onze speciale dank gaat uit naar Begeleiding Dr.ing. I.E. Lager Dr. R. Ishihara Sensor Tag Solutions M. Hillhorst W. Kroese DIMES J. Zhang P. Sun P. Kroon A. Aslan G. Gentile M. Trifunovic voor alle hulp en advies tijdens ons onderzoek. Ook bedankt voor het beantwoorden van de vele mails en de acute beschikbaarheid als we weer eens op jullie deur kwamen kloppen. Aimee Ferouge, Ricardo de Andrade en Wieger IJntema DELFT, 28 mei 2013
i
Begrippenlijst Term/afkorting a-Si CPS CAS-31 excimer-laser ICP MOSFET PCB PECVD PEN folie Reader RFID TEOS TFT Trimmer UV Wafer
Betekenis Amorphous silicon; silicium met een ongekristalliseerde structuur Liquid silicon(Li-Si) vloeibaar bij kamertemperatuur Cascade 31 Microtech Probe Station pulserende UV laser die werkt op basis van excimeren inductively coupled plasma Metaloxidesemiconductor field-effect transistor Printed Circuit Board. Refereert naar het huidige substraat Plasma-enhanced chemical vapor deposition Ondergrond van polyethylene naphthalate ter versteviging van een polyimide substraat Uitleesapparaat voor de tags Radio frequency identification Tetraethylorthosilicaat of ethylsilicaat is een kleurloze vloeistof Thin Film Transistor Vriabele condensator Ultraviolet Dunne plak monokristalijn silicium; gangbaar substraat voor chips
ii
Lijst van figuren 2.1 2.2 2.3
3.1
3.2
De AquaTag sensor met een reader. Figuur uit bron [17]. . . . Blokschema met de werking van de Aquatag. . . . . . . . . . . Kwekerij met lopende banden voor het transport van de planten. [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figuur uit bron . . . . . . . . . .
Aanpak: (A) Schottky diode op epoxy-FR4 (substraat huidige AquaTag), (B) TFT op silicium wafer, (C) TFT op polyimide, (D) Thin Film Schottky diode op polyimide, (E) Het hele ge¨ıntegreerde circuit op polyimide. . . . . . . . . . . . (A) De 27 MHz zend antenne, (B) De 2.4 GHz dubbele dipool ontvangst antenne, (C) diode die als mixer fungeert, (D) trimmer om de LC kring op precies 27 MHz af te stemmen, (E) Condensator van 190 pF om ongeveer op 27 MHz af te stemmen.
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
Schema werking Aquatag. Figuur uit bron [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Dipool antenne, (b) Gespiegelde gevouwen dipool antenne . . . . . . . . . . Stromen door de dipool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Golven door de dipool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie in ADS van het frequentie spectrum na 10 iteraties van de frequentiemixer op de AquaTag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Model van het circuit op de tag. Het grijze gebied geeft de stub aan. . . . . . . 4.8 Capaciteiten van de tag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Schottky banddiagrammen met conductie band rand (EC ), Fermi level (EF ), valence band rand (EV ) en een Schottky barrier hoogte (ΦB ) bij equilibrium . 4.10 Diodegeschakelde TFTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 SG-TFT fabricage met het µ-Czochralski proces. Plastic substraat (a), er word een SiO2 laag aangbebracht (b), Verlvogens word een grain filter gevormt in het oxide (c), er wordt een a-Si film aangebracht (d), deze wordt met een Eximer Laser gekristaliseerd tot een single grain (d), de TFT wordt gemaakt op de single grain (f). Figuur uit bron [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12 (1)Aanbrengen van SiO2 (2) Gate en aluminium bescherming aanbrengen en ook ionen doperen, (3) Contactpunten aanbrengen. Figuur uit bron [15]. . . . . . . 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
6.1
Opstelling voor de TFT-metingen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meetopstelling voor het doormeten van de TFTs (foto’s). . . . . . . . . . . . . Paralelle-plaat condensator (schets en model). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Machine voor het uitzagen van een enkele die of component.[7] . . . . . . . . . Analyze eerste testmetingen van een (a) NMOS TFT en een (b) PMOS TFT met MATLAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 3 3
4
6
. 7 . 8 . 9 . 9 . 10 . 11 . 12 . 13 . 14 . 15
. 17 . 18 . . . .
20 21 22 24
. 24
Realisatie van de antenne op polyimide substraat (foto). . . . . . . . . . . . . . . 26
iii
6.2
MATLAB analyze van de TFT-metingen: (a,b) diode geschakeld op een silicium substraat, (c,d) gesputterde TFT diode geschakeld op polyimide substraat, (e,f) Vloeibaar silicium TFT diode geschakeld op polyimide substraat. . . . . . . . . . 27
7.1
Wirebonding heeft behoefte aan een stevige ondergrond. Figuren uit [2] en [1]. . 29
Lijst van tabellen 5.1
Specificaties van de diode op de huidige AquaTag. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.1 6.2
Overzicht drempelspanningen bij verschillende substraten. . . . . . . . . . . . . . 25 Overzicht mobiliteit bij verschillende substraten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
v
Inhoudsopgave Voorwoord
ii
Begrippenlijst
iii
List of Figures
iii
List of Tables
iv
1 Samenvatting
1
2 Introductie 2.1 Onderwerp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 AquaTag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Markt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 2 2 3
3 Probleemdefinitie 3.1 Doel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Progamma van eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Aanpak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 4 5 5
4 Verwant onderzoek 4.1 De Aquatag . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Ontvangstantenne . . . . . . . . 4.1.2 Frequentiemixer . . . . . . . . . 4.1.3 Filter . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Zender . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Componenten . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Schottky Diode . . . . . . . . . . 4.2.2 Diodegeschakelde TFT . . . . . . 4.3 AquaTag op plastic substraat . . . . . . 4.3.1 Single Grain Thin-Film Tranistor 4.3.2 Low temperature process . . . . 4.3.3 Gesputterd silicium . . . . . . . 4.3.4 Vloeibaar silicium . . . . . . . . 4.3.5 Transistor . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
5 Beschrijving ontwerpproces en onderbouwing voorgestelde 5.1 Specificaties AquaTag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Meting van de huidige TFTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Optische microscoop met camera . . . . . . . . . . . . vi
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
7 7 8 9 10 11 14 14 15 16 16 16 16 17 17
werkwijze 19 . . . . . . . . . . . 19 . . . . . . . . . . . 19 . . . . . . . . . . . 20
5.3 5.4 5.5 5.6
5.2.2 Cas-31 Microtech Probe Station . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 HP 4156A Precision Semiconductor Parameter Analyzer 5.2.4 Agilent 4294A Precision Impedance Analyzer . . . . . . Analyse in MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Condensator op plastic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkwijze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
20 21 21 21 22 23 24
6 Resultaten 25 6.1 Karaktereigenschappen van de verschillende TFTs . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.2 Realisatie van de antenne op polyimide substraat . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 7 Discussie 28 7.1 Bespreking van de meetresultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 7.2 Wirebonding van de diode aan de antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 7.3 Drempelspanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 8 Conclusie 30 8.1 Een diodegeschakelde TFT als alternatief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 8.2 Integratie van de componenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 8.3 Aanbevelingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 A Taakverdeling
33
B Theoretische drempelspanning transistor
34
C MATLAB code voor TFT-analyse
36
0
Hoofdstuk 1
Samenvatting Dit onderzoek richt zich op het fabriceren van een passieve sensor op een plastic substraat. Momenteel worden er op het Delft Institute of Microsystems and Nanoelectronics (DIMES) Technology Center nieuwe productietechnieken voor thin-film transistoren (TFT) op polyimide getest waarmee de kosten voor massale productie flink dalen. Deze nieuwe productietechnieken omvatten gebruik van vloeibaar silicium (Li-Si), dat wordt aangebracht met een afstrijkblad (Doctor Blade coating of spin coating), en gesputterd silicium. Hiermee is het in de toekomst wellicht mogelijk om elektronische circuits te printen, vergelijkbaar met kranten. In samenwerking met het bedrijf Sensor TAG Solutions en Dr. R. Ishihara heeft dit onderzoek tot doel ´e´en van hun producten, de draadloze vochtigheidsmeter AquaTag, kan worden geproduceerd met deze nieuwe technieken. Het product zou door een verlaging van de productiekosten commercie¨el nog interessanter worden. De belangrijkste componenten van het AquaTag circuit zijn: een ontvangstantenne een verzendantenne een diode een condensator en een trimmer
Deze thesis behandelt de theorie achter AquaTag en de verschillende printtechnieken, de ondernomen handelingen en de resultaten van de experimenten. Deze thesis heeft veel overlappende onderdelen met de Thesis van de heer Schoof en van der Spree. Zij hebben zich met name gericht op het ontwerp van de ontvangstantenne en resonantiekring op plastic. Deze thesis richt zich op het ontwerpen van de diode en een capaciteit op plastic. Het is momenteel technisch nog niet mogelijk om een diode op plastic te produceren. Voor het onderzoek is om deze reden een diode-geschakelde TFT gebruikt. Uit de resultaten van de simulaties blijkt echter dat TFTs niet geschikt zijn om als diode te fungeren op het sensorcircuit: de drempelspanning van de TFTs is te hoog waardoor de resonantiekring, die fungeert als terugzender, niet werkt. Er wordt dus geen signaal teruggezonden en de AquaTag is onbruikbaar. Als het mogelijk wordt de diode op plastic te printen en op deze manier de ontwerpeisen beter worden benaderd, lijkt niets de plastic AquaTag dan nog in de weg te staan.
1
Hoofdstuk 2
Introductie 2.1
Onderwerp
Dit onderzoek houdt zich bezig met het venieuwen van het product genaamd AquaTag. De AquaTag is een draadloze sensor gemaakt door Sensor TAG Solutions die met behulp van een uitleesapparaat (ookwel een reader ) eenvoudig het vochtgehalte kan meten in de bodem van potplanten. Zo kan de kweker de juiste hoeveelheid water aan zijn potplanten geven, waarmee waterverspilling wordt tegengegaan, de planten van betere kwaliteit zijn en de mest niet wordt uitgespoeld.
Figuur 2.1: De AquaTag sensor met een reader. Figuur uit bron [17].
2.2
AquaTag
De AquaTag is momenteel op een PCB gerealiseerd middels een passieve RFID sensor, wat betekent dat er geen stroomvoorziening nodig is. De energie die nodig is om een meting uit te voeren is afkomstig van de reader. Er wordt dus alleen een meting gedaan als de reader in de buurt is. De reader zend dan een hoog-frequent signaal uit naar de tag en de tag zendt het gemoduleerde signaal terug. Uit dit signaal wordt met een algoritme het vochtgehalte in de grond berekend. Hiermee kan worden bepaald of een plant wel of geen water nodig heeft, zoals te zien is in figuur 2.2.
2
Figuur 2.2: Blokschema met de werking van de Aquatag.
2.3
Markt
Het product is bedoeld voor de professionele potplantenmarkt in Nederland. In deze markt zijn rond de 1200 bedrijven werkzaam, samen goed voor een omzet van rond de 4 miljard euro. Hierin zijn voldoende mogelijkheden voor het gebruik van de AquaTag. Het meten van de vochtigheid is namelijk belangrijk voor de kwekers zodat ze optimaal water kunnen geven. De tag die nu wordt ontwikkeld is bedoeld om bij elke indiviuele potplant het vochtgehalte te kunnen meten. Met een gemiddeld aantal potplanten van 500.000 per kwekerij is het belangrijk dat de AuqaTag goedkoop is. Wanneer dit namelijk het geval is, hoeven de tags niet te worden hergebruikt en kunnen deze gewoon in de potten blijven zitten. De reader kan gemakkelijk stationair worden ge¨ımplementeerd, aangezien de planten via lopende banden worden getransporteerd en er dan vanzelf langskomen.
Figuur 2.3: Kwekerij met lopende banden voor het transport van de planten. Figuur uit bron [6].
3
Hoofdstuk 3
Probleemdefinitie De huidige AguaTag kost nu enkele euro’s. Sensor TAG Solutions wil graag een tag ontwikkelen die voor slechts een paar cent te produceren is. Bij DIMES, op de TU Delft, zijn ze nu bezig met onderzoek om TFTs op plastic substraat te kunnen printen. Bij de techniek die wordt toegepast wordt gebruik gemaakt van vloeibaar silicium dit is een veelbelovende techniek die in de toekomst als een soort inkt voor een printer kan worden gebruikt. Op dit moment wordt er nog niet gebruik gemaakt van een echte “chip printer” het is de bedoeling dat dit in de toekomst wel kan. Als de “chip printer” een feit is dan kan de AquaTag veel goedkoper worden geproduceerd dan het huidige prototype op epoxy-FR4 welke nu rond de 3 euro per stuk kost. Als de productie van de nieuwe tag in zeer grote aantallen gebeurd dan kan de prijs zakken naar een paar cent per stuk.[24] Bijkomend voordeel is dat de tag op plastic komt en ook nog eens buigzaam en flexibel is. Vanwege de kostreductie is deze techniek een geschikte kanidaat voor een nieuw soort AquaTag die dezelfde specificaties heeft als de huidge tag. De bedoeling is dat de complete tag in ´e´en keer kan worden gefabriceerd. Het is dus belangrijk om alle componenten die nodig zijn voor de werking van de tag te integreren in ´e´en ontwerp. Deze componenten bestaan uit een ontvangstantenne, een verzendantenne, een diode, een condensator en een trimmer. In figuur 3.2 zijn alle onderdelen aangegeven.
3.1
Doel
Het doel is om voor alle componenten een equivalent van het huidge systeem op een polyimide substraat te ontwerpen.
Figuur 3.1: Aanpak: (A) Schottky diode op epoxy-FR4 (substraat huidige AquaTag), (B) TFT op silicium wafer, (C) TFT op polyimide, (D) Thin Film Schottky diode op polyimide, (E) Het hele ge¨ıntegreerde circuit op polyimide.
4
3.2
Progamma van eisen
De volgende eisen worden aan de nieuwe te ontwerpen AquaTag gesteld: 1. Bij grote aantallen moet er een significante kosten redctie zijn. 2. Alle componenten realiseren bij een lage temperatuur op een polyimide substraat. 3. Elimineren van mechanische componenten (trimmer). 4. Indien het mogelijk is om alle componenten te realiseren moeten deze worden geintergeerd in ´e´en ontwerp. 5. Indien het mogelijk is om ´e´en ge¨ıntegeerd ontwerp te produceren moet er worden getest of deze aan de specifcaties voldoet van de huidige tag met betrekking op de meet afstand en nauwkeurigheid.
3.3
Aanpak
In deze thesis zal in het bijzonder worden ingegaan op het ontwerp van de diode en de condensator. Het project is te kort om zelf een Schottky diode te ontwerpen op een polyimide substraat. Momenteel is PhD student Jin Zhang bezig deze Schottky diode te ontwikkelen, echter kan hier niet op worden gewacht. Om deze reden wordt de implementatie van de diode op plastic vervangen door implementatie van een diode-geschakelde TFT op plastic. De totale ontwikkeling, inclusief die van een Thin Film Schottky diode op polyimide, is weergegeven in figuur 3.1. Allereerst worden de componenten op de huidige tag bestudeerd, zodat deze later als referentie kunnen worden gebruiken. Vervolgens worden de karakteristieken van een diodegeschakelde TFT in kaart gebracht. Mocht de diode van Jin voor de deadline van de thesis zijn ontwikkeld, zal ook die worden geanalyseerd en vergeleken met de huidige tag. De volgende stap is het assembleren van het gehele circuit, waarvoor ook de componenten van Wouter Schoof en Sander van der Spree nodig zijn. In de eerste instantie zal de diode worden verbonden met de antenne op de huidige AquaTag, om te kijken of hij naar behoren werkt.
5
Figuur 3.2: (A) De 27 MHz zend antenne, (B) De 2.4 GHz dubbele dipool ontvangst antenne, (C) diode die als mixer fungeert, (D) trimmer om de LC kring op precies 27 MHz af te stemmen, (E) Condensator van 190 pF om ongeveer op 27 MHz af te stemmen.
6
Hoofdstuk 4
Verwant onderzoek Om een goed prototype te ontwikkelen met de nieuwe techniek op plastic moet worden uitgezocht hoe de huidige tag werkt. Er moet duidelijkheid komen waar op gelet moet worden bij het vervangen van de diode door een TFT. Er wordt ook uitgelegd hoe deze nieuwe techniek in zijn werk gaat.
4.1
De Aquatag
Het bestuderen van de huidige Aquatag en het vinden van de specificaties is een belangrijk onderdeel van het onderzoek. De TFT op plastic substraat moet namelijk hetzelfde werken als de diode die hij vervangt. Ook moet de werking van de rest van het systeem hetzelfde blijven. Deze is schematisch weergegeven in figuur 4.1.
Figuur 4.1: Schema werking Aquatag. Figuur uit bron [17]. De werking van het systeem staat in grote lijnen uit gelegd in het patent van de Aquatag [19]. In dit onderzoek wordt de werking van de reader niet behandeld, alleen die van de tag. Hoe de reader verzendt en ontvangt wordt ook in deze thesis buiten beschouwing gelaten. Het circuit is passief, dit houdt in dat hij geen elektrische energievoorziening heeft. De tag haalt zijn vermogen uit een inkomend elektromagnetisch signaal afkomstig van de reader. Dit gebeurt met een ontvangstantenne, dit vermogen wordt gebruikt om de meting te verrichten door een gemoduleerd signaal te cre¨eeren. Vervolgens zal de tag een signaal uitzenden via de zendantenne 7
wat door de reader wordt opgevangen. De mate van modulatie is door de reader vervolgens te herleiden tot een sensorwaarde voor het vochtgehalte in de voedingsbodem.
4.1.1
Ontvangstantenne
De reader stuurt twee signalen naar de tag, een signaal van 2.4 GHz en een signaal van 2.427 GHz. De tag heeft een gespiegelde gevouwen dipoolantenne die dit gecombineerde signaal ontvangt. Dipoolantennes behoren tot de meest gebruikte antennes voor RF-toepassingen. Er zijn een aantal soorten dipoolantennes; zoals hele en halve golflengte dipoolantennes. In de Aquatag word er gebruik gemaakt van een halve golflengte dipoolantanne, omdat in een hele golf dipoolantenne de stroom in het midden van de antenne nul is. De impedantie Z zal naar oneindig gaan volgens formule 4.1, wanneer de stroom I naar nul gaat. Hierdoor zou er geen vermogen meer kunnen worden overgebracht. V (4.1) I Bij een dipoolantenne moet de lengte een halve golflengte zijn of een oneven veelvoud van de halve golflengte, zie ook figuur 4.2(a). In de AquaTag wordt een gevouwen dipoolantenne gebruikt. Deze lijkt op de normale dipoolantenne, behalve dat een elektrische geleider met een lengte van ´e´en golf wordt gevouwen zodat de uiteinden in het midden bij elkaar komen. De lengte van de dipoolantenne is dan een halve golflengte, zoals te zien in de bovenste helft van figuur 4.2(b). In de tag is deze antenne ook gespiegeld, dit betekent dat de gehele gevouwen dipool is gespiegeld over horizontale as, ook te zien in de figuur 4.2(b). Z=
(a)
(b)
Figuur 4.2: (a) Dipool antenne, (b) Gespiegelde gevouwen dipool antenne De golflengte van de draaggolf kan worden berekend met de permittiviteit van de tag en de lichtsnelheid. De tag is gemaakt op een substraat van epoxy-FR4, welke een permitiviteit heeft van 4.33. Met de frequentie van 2.4 GHz en de lichtsnelheid kan dit worden ingevuld in formule (4.2). λ= √
c 3 · 108 =√ = 0.06007 εr f 4.33 · 2.4 · 106
(4.2)
waarbij λ de golflengte is in m, c de lichtsnelheid in m/s, εr de relatieve permittiviteit van epoxy-FR4 en f de frequentie in Hz. Bij een frequentie van 2.4 GHz zijn alle stromen in fase en is de stroom op het einde van de dipolen nul; er is dus geen rondlopende stroom. Het potentiaalverschil over de dipolen zorgt echter dat er wel een stroom wordt veroorzaakt in de diode. Deze werkt als frequentiemixer en genereert onder andere een signaal van 27 MHz. Bij 27 MHz staat er geen potentiaalverschil over de dipooluiteinden en loopt er wel een stroom door de dipoollus, (zie figuur 4.3).
8
Figuur 4.3: Stromen door de dipool. Figuur afkomstig van M. Hilhorst.
Er is voor een gevouwen dipoolantenne gekozen omdat deze kleiner is en een grotere bandbreedte heeft dan een normale dipoolantenne, wat de voorkeur heeft omdat er twee verschillende frequenties moeten worden opgevangen; namelijk die van 2.4 GHz en 2.427 GHz. Een gespiegelde dipool zorgt ervoor dat de rondlopende stroom van het 27 MHz signaal twee magneetvelden veroorzaakt, die door de spiegelconfiguratie in tegengestelde richting staan en elkaar opheffen. Hierdoor zal het 27 MHz signaal in de dipool niet worden uitgelezen door de reader en wordt de meting niet be¨ınvloed, zie figuur 4.4.
Figuur 4.4: Golven door de dipool. Figuur afkomstig van M. Hilhorst.
4.1.2
Frequentiemixer
Na de ontvangstantenne gaan de draaggolven door een frequentiemixer, gerealiseerd door een diode. Bij de keuze van de diode moet worden gekeken naar de serieweerstand Rs en de junctiecapaciteit Cj . Het minimaliseren van deze waarden is belangrijk voor het tegengaan van vermogensverlies en signaaldistortie. Dit is een uitdaging aangezien deze parameters invers gerelateerd zijn.[22] De signalen die door de diode gaan hebben een laag vermogen en daarom moet de drempelspanning van de diode ook laag zijn.
9
(a) Ideale werking mixer
(b) Ingangssignalen (blauw/groen) en onstane mix-signaal (rood). MATLAB simulatie.
Figuur 4.5 De ingangssignalen kunnen simpel worden beschreven als v(t) = A sin(2πf t)
(4.3)
waarbij A de amplitude is in V, f de frequentie in Hz en t de tijd in s. In de mixer worden de ingangssignalen van 2.4 GHz en 2.427 GHz bij elkaar opgeteld tot een somfrequentie (fa + fb ) en van elkaar afgetrokken, resulterend in de verschilfrequentie (fa − fb ), zoals te zien in figuur 4.5. Deze zijn respectievelijk 4.827 GHz en 27 MHz. Vervolgens worden deze vier signalen opnieuw gemixt, en de daaruit voortvloeiende signalen ook weer. Dit iteratieve proces leidt tot harmonischen op f = 27 + K ∗ 27 MHz alsmede frequenties rond de 2.4 GHz en de 4.8 GHz, zoals te zien in figuur 4.6, in dit figuur zijn de signalen na 10 iteraties van de frequentiemixer afgebeeld. De benodigde frequentie voor de tag is slechts die van 27 MHz; de verschilfrequentie van de twee ingangssignalen. Deze wordt dan ook door een zogenaamde stub (band-sper filter) ge¨ısoleerd van de andere signalen.
4.1.3
Filter
De hoge frequenties (>27 MHz) en de ingangsfrequenties (2.4 GHz en 2.427 GHz) worden weggefiltert. De harmonischen zijn al afgezwakte signalen en worden nog iets uitgefiltert zodat deze in de zender niet tot signaalvervorming zullen leiden. De filter structuur is opgebouwd uit twee lussen en een strook metaal aan de achterkant van de PCB, te zien in figuur 4.7. De twee lussen gedragen zich als twee symmetrische kortgesloten stubs. Deze worden gevormd door twee gecoupelde parallele draden die aan het eind kortgesloten zijn [10]. De stubs scheiden de hoofdlus fysiek in twee delen. In het bovenste deel zijn alle frequentiecomponenten aanwezig die door de mixer zijn gegenereerd. De stubs acteren vervolgens als een bandsperfilter waardoor op het onderste deel van de lus de 2.4 GHz frequenties worden onderdrukt. Dit is gedaan zodat de modulatie door de condensator welke gebruikt wordt als vochtigheidsmeter voornamelijk op de 27 MHz-componenten te zien zal zijn. Deze componenten worden vervolgens door de grote lus teruggezonden. Een stub is eigenlijk een transmissielijn van een bepaalde fysische lengte. Voor signalen waarvan de golflengte in de orde is van de lengte van de stub zal de impedantie van de stub naar 10
Figuur 4.6: Simulatie in ADS van het frequentie spectrum na 10 iteraties van de frequentiemixer op de AquaTag. oneindig gaan. De stub fungeert dan als open circuit en het signaal wordt geblokkeerd. Voor signalen waarvan de golflengte veel groter is dan de fysische lengte van de stub zal de impedantie naar nul gaan. De stub fungeert nu als een kortsluiting en het signaal wordt doorgelaten. Dit resulteert er in dat de stub te gebruiken is als een filter. Bovenstaande is te verduidelijken met de volgende vergelijking voor de inputimpedantie van een kortgesloten stub:[5] ZSC = jZ0 tan(βl)
(4.4)
waarbij ZSC de kortgesloten inputimpedantie is in Ω, Z0 de karakteristieke impedantie in c Ω, l de fysieke lengte van de stub in m, β de fase constante 2πf vp , vp de propagatiesnelheid in m/s en c de lichtsnelheid in m/s. De impedantie van de stub is dus puur reactief: Z = R + jX, met R = 0. Afhankelijk van de lengte van de stub wordt deze of inductief of capacitief. Voor de karakteristieke weerstand van de transmissielijn is aangenomen dat deze 50 Ω is, een typische waarde. Er wordt berekend dat de inputimpedantie bij het 2.4 GHz-signaal gelijk is aan ∞ en het signaal de stub dus ziet als open circuit en daardoor geblokkeerd wordt. Bij het 27 MHz-signaal is de inputimpedantie ongeveer gelijk aan 0 en ziet het signaal de stub als een kortgesloten circuit, waardoor deze wel wordt doorgelaten. Voor de hogere frequenties, waaronder de 4.8 GHz-somfrequentie, is de inputimpendantie niet gelijk aan ∞, maar verschilt de golflengte relatief weinig met die van 2.4 GHz en zal de inputimpedantie een relatief hoge waarde hebben. Deze hogere frequenties zijn echter ook zwakker dan de ingangssignalen en de som- en verschilsignalen en komen dus al minder terug in het verzendcircuit.
4.1.4
Zender
Het signaal komt dan in een LC- circuit met een hoge Q-factor. Deze is hoog, opdat hij weinig energie verliest en er een hoge spanning over het circuit staat. De Q-factor zorgt ook voor een kleine bandbreedte rond de hoofdfrequentie(27 MHz), waardoor de signalen hier een grote amplitude krijgen. Het LC-circuit kan het signaal terugzenden naar de reader met behulp van inductieve koppeling. Voor de bepaling van L en C wordt de formule (4.5) gebruikt. f=
1 √ 2π LC 11
(4.5)
Figuur 4.7: Model van het circuit op de tag. Het grijze gebied geeft de stub aan. waarbij f de freqentie is in Hz, L de inductie in het circuit in H en C is de capaciteit in het circuit in F. De frequentie waarop wordt afgestemd is 27 MHz. De inductie van het circuit is de zelfinductie van de lus. De capaciteit voor het circuit kan worden gekozen. Omdat de lus in het circuit geen spoel is geeft de formule voor zelfinductie in een spoel geen correct resultaat. Er kan wel gebruik worden gemaakt van de formule voor zelfinductie in een rechte draad (4.6). Deze past beter bij de inductie in het circuit, ondanks het feit dat deze draad in het circuit niet recht is. De term -1 in de formule komt voort uit het gebruik van een hoge frequentie. Bij lagere frequenties wordt de factor -0.75 gebruikt. l L = 2 · 10−7 · l · (ln (2 · ) − 1) (4.6) r waarbij L de zelfinductie is in H, l de lengte in m en r de straal van de draad in meters. De lengte van de lus op de tag kan simpelweg worden gemeten met een liniaal en is 0.16 m. Het vinden van de straal is iets minder voor de hand liggend omdat de lus geen ronde draad is. Het heeft een vierkante doorsnede van 2 mm bij 35 µm wat een oppervlakte geeft van 700 nm2 . Met de formule voor de oppervlakte van een cirkel (πr2 ) wordt verkregen dat r = 150 µm. Bij invullen in formule (4.6) geeft dit een L van 213 nH. Hiermee kan de benodigde capaciteit worden berekend. De capaciteit voor het afgestemde LC-circuit is 163 pF . Uit gesprekken met de ontwerper van de tag, Max Hilhorst, is gekomen dat de capaciteit echter 190 pf moet zijn en met een trimmer zelfs nog hogere waarden krijgt om af te stemmen op 27 MHz. Hieruit blijkt dat de formule (4.6) toch niet precies de goede inductie berekent. Dit kan komen door het feit dat de lijn op de tag ook andere componenten bevat en niet een rechte lijn is. De capaciteit van het LC-circuit uit 4.7 wordt bepaald door: De condensator van 190 pF Een trimmer om nauwkeurig af te kunnen stemmen op 27 Mhz
12
Een sensor met een variabele condensator
Figuur 4.8 laat zien hoe deze drie condensatoren parallel geschakeld zijn. De variabele condensator die de sensor vormt is weergegeven als een soort vork die in het medium wordt gestoken. De condensatoren kunnen bij elkaar op worden geteld en bepalen als vervangende capaciteit de zendfrequentie van de tag. Het LC-circuit is, nadat de sensorcapaciteit is veranderd ten gevolge van de vochtigheid in de potgrond, niet meer volledig afgestemd op 27MHz. De signaalfrequentie zal iets zijn verschoven, wat wordt opgemerkt door de reader. Aan de hand van deze frequentiemodulatie kan via een algoritme het vochtigheidsgehalte worden berekend. De implementatie van een sensor op plastic is niet in het project opgenomen en zal daarom buiten beschouwing worden gelaten.
Figuur 4.8: Capaciteiten van de tag.
13
(a) Banddiagram Schottky in reverse bias
(b) Banddiagram Schottky in forward bias
(c) Banddiagram Schottky in zero bias
Figuur 4.9: Schottky banddiagrammen met conductie band rand (EC ), Fermi level (EF ), valence band rand (EV ) en een Schottky barrier hoogte (ΦB ) bij equilibrium
4.2
Componenten
4.2.1
Schottky Diode
De frequentiemixer op de huidige PCB wordt gerealiseerd door een enkele Schottky diode [3]. Waar een normale diode een drempelspanning heeft tussen de 0.6 en 1.7 V, heeft de Schottky diode een drempelspanning tussen de 0.15 en 0.45 V. Dit is een significant lagere drempelspanning, wat betekent dat de diode sneller kan schakelen en onder een lager vermogen kan worden gebruikt. Dit is de reden dat er is gekozen voor een Schottky diode op de tag, aangezien er met low power-signalen wordt gewerkt. Een Schottky diode heeft een metaal-halfgeleiderjunctie waarbij een metaal en een halfgeleider een “Schottky barrier” vormen. De halfgeleider is meestal van n-type materiaal en typische metalen zijn molybdenum, platinum, chromium of tungsten. Het metaal werkt als anode en de halfgeleider als kathode van de diode. [18] De “Schottky barrier” is de potentieele energiebarri`ere voor elektronen die bij de junctie zijn gevormd(4.9c). De hoogte van deze barri`ere, ΦB , is ´e´en van de primaire kenmerken van een Schottky diode. Als de barri`ere te laag is zal het component zich niet gedragen als een gelijkrichter maar als een ohmisch contact, wat een stroom in beide richtingen geleidt. Als de barri`ere hoog genoeg is zal het zich gedragen als gelijkrichter. In reverse bias zullen geen elektronen de halfgeleider binnenkomen(4.9a), in forward bias zullen de elektronen wel bewegen van halfgeleider naar metaal(4.9b). De hoogte van de barriere wordt voorspelt met de “Schottky Mott” regel. Hierin wordt de hoogte gerelateerd aan het verschil tussen de metaal-vacuum werkfuntie en de halfgeleide-vacuum elektronaffiniteit [26]. ΦB = Φmetaal − χhalf geleider
(4.7)
Door een fenomeen Fermi level pinning gaat deze relatie niet op voor de meeste metaalhalfgeleider paren. Fermi level pinning houdt in dat er natuurlijke oppervlakte staten vormen tijdens het chemisch verbinden van het metaal en de halfgeleider. Om lading neutraal bij de junctie te blijven zouden de banden uitlijnen zo dat het midden van de band gap altijd op een lijn met het Fermi level ligt [8]. Hierdoor heeft de metaal werk functie nauwelijks effect op de hoogte van de barri`ere. Verschillende materialen hebben verschillende mate van Fermi level pinning, hier moet rekening mee worden gehouden bij het berekenen van de barri`ere hoogte.
14
Bij DIMES is PhD student Jin Zhang bezig met het ontwerpen van een Schottky diode op een plastic substraat. Zij gebruikt hiervoor TiSi2 (titanium silicide) als metaal en p-type silicium als halfgeleider. Uit een word-bestand van deze student worden de volgende waarden gehaald: de werkfunctie van TiSi2 wordt geschat op ΦT iSi2 = 4.53 eV, de werkfunctie van silicium op 4.01 eV en de bandgap op 1.12 eV. Eerst wordt de elektronenaffiniteit berekend, welke resulteert in χSi = 4.01 + 1.12 = 5.13 eV. Hierna wordt formule (4.8) toegepast. ΦBg = χSi − ΦT iSi2 = 5.13 − 4.53 = 0.6 eV
(4.8)
De junctiecapaciteit per vierkante centimeter is gegeven als C 0 = 1.36 · 10−7 F/cm2 . Het junctiegebied is twee bij twee µm en er zijn drie junctiegebieden. 1.36 · 10−7 ×4 · 1012 ×3 = 16.22 fF, een zeer kleine junctie capaciteit.
4.2.2
Diodegeschakelde TFT
De Schottky diode op plastic die bij DIMES zal niet worden ontwikkeld binnen de tijdspan van dit project, er moet dus een alternatief worden gebruikt. Er zijn wel transistoren op plastic beschikbaar, zogenaamde thin film transistors. TFTs zijn een speciaal soort transistoren die gebruikmaken van dunne lagen (thin films) materiaal om de transistor op te bouwen op een niet geleidend substraat, dit wordt uitgelegt in sectie 4.3. Deze TFTs kunnen dusdanig worden geconfigureert zodat deze dezelfde werking krijgen als een diode. Om een TFT in diodeschakeling te krijgen moet voor NMOS de gate aan de drain verbonden worden, en voor PMOS aan de source. Als de drain en gate verbonden zijn, dan is VGD gelijk aan nul. Voor
(a) NMOS
(b) PMOS
Figuur 4.10: Diodegeschakelde TFTs een NMOS transistor geldt, als VGD ≤ VT dan is de transistor in het saturatiegebied. Een diodegeschakelde TFT is dus altijd in het saturatiegebied, in het saturatiegebied wordt de stroom gegeven door de volgende vergelijking, waarbij Kn een constante is. 2 iD = Kn · VDS
15
(4.9)
4.3
AquaTag op plastic substraat
4.3.1
Single Grain Thin-Film Tranistor
Een TFT vertoont veel gelijkenissen met aan een MOSFET, welke direct op een silicum substraat gerealiseerd. TFTs worden echter op een ander substraat gerealiseerd, zoals plastic. Daar wordt dan een silicium film op aan gebracht waar de transistor op wordt gemaakt. TFTs worden vooral gebruikt in de beeldschermindustrie waar ze op een glassubstraat worden geproduceert. Om te printen op een plastic substraat moet er bij het produceren van TFTs een lage temperatuur worden aangehouden, omdat anders het plastic vervormt. Het plastic substraat dat nu wordt gebruikt is polyimide, wat bestand is tegen temperaturen tot 350 ◦ C. De TFTs die worden gerealiseerd zijn zogenaamde single grain TFTs (SG-TFT). Dit betekent dat de transistoren op een crystaline substraat zitten (een perfect kristalrooster). Deze techniek wordt gebruikt omdat het de beste resultaten geeft als het gaat om de field effect mobility (hierna ”mobiliteit”). Andere technieken van amorphous silicon (a-Si) en poly-crystalline silicon lijken veelbelovend, maar blijven achter bij de hoge mobiliteit van SG-TFTs. TFTs die bestaan uit a-Si hebben een zeer lage mobiliteit van minder dan 1 cm2 /Vs [12]. Poly-crystalline silicon TFT heeft een mobility tussen de 50 en 100 cm2 /Vs.[12] De mobiliteit van TFTs is belangrijk omdat er bij een hoge mobility (meer dan 500 cm2 /Vs) meer stroom kan lopen en dat is belangrijk bij ingewikkelde en hoog frequente circuits zoals data drivers, data storage en wireless communication.
4.3.2
Low temperature process
Voordat met het proces wordt begonnen is het nodig om een aantal begrippen te verduidelijken. PECVD is een proces dat met behulp van een plasma een dunne laag materiaal op een substraat kan aanbrengen bij een lage temperatuur. TEOS is een vloeistof die in contact met water ontbindt in SiO2 en ethanol. Als het PECVD samen met TEOS wordt gebruikt kan er bij een lage temperatuur gemakkelijk SiO2 worden aangebracht.[9] Een excimer laser is een pulserende UV laser die werkt op basis van excimeren. Een excimeer is een kort levende verbinding tussen 2 edelgassen of tussen een edelgas en een halogeen.[4] Het wordt gebruikt om de fotoresist te belichten, maar ook om silicium te kristaliseren. Er wordt in dit geval gebruik gemaakt van een XeCl excimer laser. Verder wordt ook het µ-Czochralski proces gebruikt om crystalline silicium te cre¨eren op een SiO2 substraat. Voor een beschrijving van dit proces kunnen de bronnen [13] en [14] worden geraadpleegd. Het proces begint met een polyimidelaag op een silicium wafer. Vervolgens wordt er volgens het µ-Czochralski proces een grain filter op de polyimide aangebracht. Er wordt een eerste laag SiO2 aangebracht en hierin worden gaten gemaakt volgens een rooster van ongeveer 950nm breed. Daarna wordt een 2de laag SiO2 over de eerste laag aangebracht en wordt de breedte van het gat ongveer 100nm breed. De diepte is dan ongveer 1µm. Daarna zijn er meerdere manieren om het single grain silicium te verkrijgen.[25]
4.3.3
Gesputterd silicium
Dit gebeurt in een vacu¨ um kamer met een pure argon atmosfeer en hierbij wordt a-Si verneveld/gesputterd op het substraat. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van een hogere temperatuur dan bij Li-Si. Het afgezette a-Si word gekristaliseerd met een XeCl excimer laser op kamertemperatuur.[12]
16
Figuur 4.11: SG-TFT fabricage met het µ-Czochralski proces. Plastic substraat (a), er word een SiO2 laag aangbebracht (b), Verlvogens word een grain filter gevormt in het oxide (c), er wordt een a-Si film aangebracht (d), deze wordt met een Eximer Laser gekristaliseerd tot een single grain (d), de TFT wordt gemaakt op de single grain (f). Figuur uit bron [25] .
4.3.4
Vloeibaar silicium
Daarnaast wordt ook gebruikt gemaakt van liquid silicon (Li-Si), oftewel vloeibaar silicium. Silicium wordt van nature niet zomaar vloeibaar, het heeft een smeltpunt van 1414 ◦ C. Er gezocht naar een stof die Si-moleculen heeft en vloeibaar is bij kamer temperatuur. Cyclopentasilane(CPS, Si5 H10 ) is dan de beste kandidaat. Deze kan op een aantal manieren worden aangebracht, waarvan er twee worden besproken. Bij het spin-coated proces wordt het vloeibare silicium in het midden van de wafer aangebracht en daarna wordt deze rondgedraaid zodat het uniform over het oppervlakte wordt verdeeld. Hoe sneller de wafer wordt rondgedraaid, hoe dunner de siliciumlaag wordt. Dan is er ook nog het Doctor Blade coating proces om vloeibaar silicium aan te brengen op het substraat. Met een afstrijkblad wordt het vloeibare silicium uitgesmeerd over het oppervlakte. De hierboven besproken manieren kunnen bij kamertemperatuur worden uitgevoerd. Omdat CPS erg reactief is met water en zuurstof moeten beide processen worden uitgevoerd in een zuurstof- en waterarme omgeving. Een vacu¨ um is echter niet nodig.[25] Het a-Si wordt gevormd uit het vloeibare silicium. De waterstofatomen moeten daarom weg. Eerst wordt het vloeibare CPS gefotopolymeriseerd met UV licht om de ringstructuur van het molecuul te breken. Hier worden ook al watersofbindingen gebroken. Vervolgens wordt met een eximer laser a-Si gekristaliseerd, waardoor er in de grain filters single grains ontstaan. Hierbij wordt de temperatuur onder de 350 ◦ C gehouden, wat vereist is bij gebruik van polyimide. Op deze manier worden single grains verkregen met een diameter van ongeveer 5 µm.[25]
4.3.5
Transistor
Als de single grains zijn gerealiseerd is het mogelijk om een transistor op de grain te plaatsen. Het opbouwen van deze transistor gebeurt met conventionele lithografie. Het is de bedoeling dat deze in de toekomst dit ook geprint kunnen worden. Van de Si-grains worden eilandjes gemaakt en daar overheen wordt een 36 nm dikke laag SiO2 gezet. De eerste 14 nm meter gebeurt met ICP oxidation growth. Vervolgens wordt er door PECVD TEOS een laag van 22 nm afgezet bij 350 ◦ C. Als dan de aluminum gate is gevormd worden de source en de drain-gebieden ionge¨ınplanteerd met boor en fosfor. Deze worden daarna geactiveerd met een excimer laser. Om thermische schade te voorkomen aan het polyimide substraat door de excimer laser wordt het gebied buiten de drain, source en gate afgedekt met aluminium. Als laatste wordt nog een 17
laag SiO2 met PECVD TEOS aangebracht en de contactgaten met de drain, source en gate gemaakt. Zie ook figuur 4.12. Het polyimide kan nu van de wafer af worden gehaald en wordt op een PEN folie geplakt. Dit wordt gedaan om de TFTs robuuster te maken.
Figuur 4.12: (1)Aanbrengen van SiO2 (2) Gate en aluminium bescherming aanbrengen en ook ionen doperen, (3) Contactpunten aanbrengen. Figuur uit bron [15].
18
Hoofdstuk 5
Beschrijving ontwerpproces en onderbouwing voorgestelde werkwijze Bij het implementeren van de tag op plastic moeten de huidige specificaties van de AquaTag worden behouden. Met deze waarden als uitgangspunt kan op zoek worden gegaan naar de ideale realisatie op plastic.
5.1
Specificaties AquaTag
Met behulp van een memo van Sensor TAG Solutions [11] zijn de huidige specificaties van de AquaTag achterhaald. De ontwerper, Max Hilhorst, heeft aangegeven dat veel componenten via trial and error voor de tag zijn geselecteerd. Het belangrijkste criterium bij deze selectie was het uitgestraalde vermogen op de 27 MHz-frequentie door de tag. Hoe hoger dit vermogen is, hoe groter de afstand tussen de reader en de tag kan zijn. De specificaties van de diode staan in 5.1. Parameter Drempelspanning Weerstand Capaciteit
Specificatie <0,4 V <50 Ω <1 pF
Tabel 5.1: Specificaties van de diode op de huidige AquaTag. In het patent van de AquaTag wordt een streefwaarde genoemd voor de condensator van ongeveer 150 pF. In sectie 4.1.4 is de waarde echter 190 pF, omdat deze capaciteit een betere resonator bleek voor het LC-circuit. De condensatorwaarde op het plastic substraat zal pas later kunnen worden berekend, aangezien hiervoor de inductantie van de spoel bekend moet zijn (zie 4.5 en 4.6).
5.2
Meting van de huidige TFTs
Omdat er nog geen diode beschikbaar is op plastic substraat, wordt er gebruik gemaakt van diodegeschakelde TFTs. De hiervoor genoemde streefwaarden voor de drempelspanning Vth ,
19
Figuur 5.1: Opstelling voor de TFT-metingen.
weerstand R en capaciteit C kunnen nu worden vergeleken met die van deze TFTs. Verschillende typen substraat en technieken zijn gemeten: Fotolithografie op monokristalijn silicium (standaard fabricatieproces) Vloeibaar silicium op polyimide Gesputterd silicium op polyimide
Voor het in kaart brengen van de TFTs is een meetuitopstelling in DIMES gebruikt, die hier in het kort zal worden beschreven. De opstelling bevat een optische microscope met camera, een zeer nauwkeurig probe station, een semiconductor analyzer en een impedantie analyzer. Zie ook figuur 5.1.
5.2.1
Optische microscoop met camera
Voor de beschouwing van de wafer is een optische microscoop gebruikt. Deze is gebruikt voor de navigatie van de wafer en het krassen met de probes met de CAS-31. De microscoop is voorzien van een camera, waardoor er screenshots van de wafer kunnen worden gemaakt. Ook stelt de camera andere mensen in staat om mee te kijken. .
5.2.2
Cas-31 Microtech Probe Station
De CAS-31 is een meetsysteem die gebruikt maakt van 4 probes. Deze zeer kleine naalden worden op de contacten van de TFTs geplaatst, zodat met behulp van de analyzer de gewenste parameters kunnen worden gemeten. Het plaatsen van de naalden gebeurt door ze dusdanig dicht op de TFT te drukken dat ze een krasje maken in het meetcontact. Deze is namelijk van aluminium en door de aanwezigheid van zuurstof is er een dun oxide-laagje ontstaan, die slechter geleid dan het onderliggende aluminium. Figuur 5.2a laat een TFT zien die door drie probes wordt gemeten. Vooral bij de metingen op polyimide moet dit krassen uiterst voorzichtig worden
20
(a) Goede TFT-meting
(b) Kapotte TFT
Figuur 5.2: Meetopstelling voor het doormeten van de TFTs (foto’s).
gedaan, aangezien polyimide slechts 10 micron dik is en de naalden er makkelijk doorheen prikken. Zie ook figuur 5.2b.
5.2.3
HP 4156A Precision Semiconductor Parameter Analyzer
De CAS-31 is aangesloten op een analyzer voor halfgeleiders. Dit apparaat stuurt de ingangssignalen aan die naar de probes gaan en meet vervolgens de gewenste parameters van de TFT. Deze parameters kunnen met het softwareprogramma ICcap worden bepaald. Voor de drempelspanning Vth , weerstand R en mobiliteit µ is dit bijvoorbeeld een trendlijn van de drain-stroom ID tegen de gate-spanning VG . Hierbij zijn de drainspanning VD en de source-spanning VS vooraf gedefinieerd en VG op laten lopen van -7 tot 7 Volt. Deze instellingen zijn vervolgens ge¨executeerd door de analyzer. Uit de spanningssweep volgt een trendlijn voor de drain-stroom, welke met 51 meetpunten wordt opgeslagen in een dataset. De datasets kunnen naderhand worden ge¨ımporteerd in MATLAB, waarmee de verschillende parameters kunnen worden berekend en de trendlijnen grafisch kunnen worden geplot.
5.2.4
Agilent 4294A Precision Impedance Analyzer
Voor de capaciteitsmetingen moet de meetopstelling enigszins worden aangepast. Er moet via een ander apparaat worden gemeten. Deze Precision Impedance Analyzer van Agilent kan effici¨ent de impedanties meten en analyseren voor componenten en circuits bij verschillende frequenties. Dit apparaat wordt gebruikt voor het maken van een C-V karakteristiek. Bij dit apparaat heeft het signaal dat wordt gesweept een frequentie waardoor de resonantie van de capaciteit kan worden gevonden. De waarde van de capaciteit wordt in een grafiek tegenover de spanning gezet. In deze grafiek kan de waarde van de junctiecapaciteit worden uitgelezen bij V = 0.
5.3
Analyse in MATLAB
Het progamma MATLAB wordt gebruikt om de meetgegevens van de TFTs te verwerken. Het progamma ICcap exporteerd meetgegevens in een .txt bestand. Deze gegevens worden ingelezen door MATLAB en er worden een aantal berekeningen uitgevoerd om de eigenschappen te bepalen. Van een TFT wordt de field effect mobiliteit, drempelspanning, weerstand en capaciteit berekend. Voor de capaciteit wordt de capaciteitsmeting gebruikt. Hierbij wordt de grafiek 21
uitgelezen en de junctiecapaciteit bij V = 0 wordt opgeslagen. De serieweerstand van de TFT kan worden berekend met behulp van het lineaire gedeelte van de verkregen V-I grafiek [16]. In het lineaire gedeelte geldt Rs = ∆V ∆I . De drempelspanning wordt op een vergelijkbare manier gevonden. De hoogste afgeleide voor positieve V wordt gevonden en deze lijn wordt doorgetrokken door het punt I = 0. De spanning op dit punt is de drempelspanning. Het berekenen van de mobiliteit van de diodegeschakelde TFTs is veel complexer en daarom er wordt genoegen genomen met de mobiliteit van normaal geschakelde TFTs. Om de mobiliteit van transistorgeschakelde TFTs te berekenen, moet er gebruik worden gemaakt van de hoogste afgeleide. Deze afgeleide kan dan worden ingevuld in formule (5.1).[20]
uf et =
L · gm Cox · W · Vd
(5.1)
∆Id ∆V d
(5.2)
met gm =
waarbij uf et de field effect mobility van de TFT is, L de lengte van het kanaal in verhouding met W , W de breedte van het kanaal in verhouding met L, Vd de opgegeven drainspanning in V en Cox de capaciteit van het oxide in F. Voor deze laatste waarde is formule (5.3) van toepassing. Cox =
ε0 · εr 8.85 · 10−13 · 3.9 = = 862.9 nF tox 40 · 10−7
(5.3)
waarbij ε0 de permitiviteit van het vaccuum is (8.85 · 10−13 F/m), εr de relative permitiviteit van SiO2 (3.9) en tox is de dikte van het oxide (40 nm). Om een trendlijn te ontwikkelen zijn deze parameters achteraf in acht genomen. Hierin is goed te zien welke typen TFTs het meest voldoen aan de eisen. Het script is bijgevoegd in Appendix C.
5.4
Condensator op plastic
Om het ontwerp compleet te maken moet er ook een condensator op plastic worden gemaakt. Deze kan simpel worden gerealiseerd als een paralelle-plaat condensator, zie ook figuur 5.3.
(a) Schematische model met parameters
(b) Plastic implementatie
(c) Ontwerp in L-Edit
Figuur 5.3: Paralelle-plaat condensator (schets en model).
22
Door gebruik te maken van de aluminium lagen op het polyimide, kan daar een condensator worden gerealiseerd. Het oxide wordt dan als di¨electricum gebruikt. De formule van de paralelleplaat condensator staat aangegeven in formule (5.4). εA (5.4) d Hierbij is C de capaciteit van de condensator in F, ε de absolute permitiviteit van het di¨electricum in F/m, A de oppervlakte van een parrelle-plaat in m2 en d de afstand tussen de 2 platen in m. Zoals eerder beschreven in sectie 4.1.4 is de theoretische berekende waarde voor de condensator 163 pF. Verder is bekend dat de permitiviteit van SiO2 , εs , is 3.45 · 10−11 F/m. Als de standaard dikte voor het oxide wordt gebruikt (800 nm) kan de oppervlakte worden berekend. De oppervlakte moet dan 3.776 mm2 zijn. Met een vierkante plaat word dan een lengte van 1.94 mm voor de zijden van het vierkant verkregen. In het huidige prototype staat ook een trimmer parallel aan de vaste condensator. Deze kan met een schroevendraaier worden ingesteld tussen de waarden, 6.5 en 30.0 pF. Deze trimmer is geplaatst om de verschillen tussen de theorie en de werkelijkheid op te kunnen vangen. Om de juiste resonantie frequentie van 27.0 MHz te kunnen verkrijgen kan deze nog met de hand worden afgestemd. Het is echter een probleem om een mechanische trimmer met de huidige CMOS en print technologie te maken. Er moet hier worden gekeken naar andere manieren om de LC kring achteraf op de jusite frequentie af te stemmen. Een optie die het bekijken waard is, is om een condensator later met een laser aan te passen zodat de resonatie frequentie wordt aangepast. Een andere optie is om het algoritme van de reader robuuster te maken zodat deze kan werken met frequenties die niet precies op 27.0 MHz liggen. In deze thesis is wegens tijdsgebrek niet verder op deze problemen ingegaan. Het probleem van de trimmer verdient voor een vervolgonderzoek echter wel aandacht. C=
5.5
Werkwijze
Voor de TFT-metingen moet de configuratie van de probes op de CAS-31 in diode-modus worden gezet. Dit houdt voor NMOS TFTs in dat de gate en drain met elkaar worden verbonden en voor de PMOS TFTs de gate met de source, zoals eerder te zien in figuur 4.10a. In ICcap zijn enkele parameters, zoals de drainspanning VD en de source-spanning VS , vooraf gedefinieerd. Voor de NMOS TFTs gaat de interesse uit naar de spanning tussen de gekoppelde gate-drain en de source, vandaar dat Vs ge¨ aard wordt. Voor de VG VD wordt een zogenaamde spanningssweep ingesteld van -7 tot 7 V. Deze instellingen zijn vervolgens ge¨executeerd door een de Agilent analyzer. Uit deze sweep volgt een trendlijn voor de drain-stroom, welke met 51 meetpunten wordt opgeslagen in een dataset. Voor de PMOS geldt dezelfde procedure, alleen zijn hier de gate en source gekoppeld en is de drain ge¨aard. De sweep wordt hier dan ook toegepast op de VG VS . Zie ook de figuur in het vorige hoofdstuk 4.10b. Bovenstaande metingen worden eerst gedaan bij TFTs op silicium, aangezien dit momenteel de meest gangbare productiemethode is. Deze meetwaarden gelden als referentie voor de metingen van TFTs op polyimide, zodat vreemde resultaten direct kunnen worden opgemerkt. Vervolgens worden polyimide-TFTs gemeten en wordt gekeken of er een TFT tussen zit die dienst kan doen als tijdelijke vervanging voor de Schottky diode. Deze zal worden gebruikt voor het prototype, totdat Mej. Zhang de Schottky diode op polyimide heeft kunnen realiseren. Voor het integreren van de diode en de antenne zal wirebonding worden gebruikt, een techniek waarbij componenten met draadjes van slechts een paar micron dik met elkaar worden verbonden.[21] Mocht dit om ´e´en of andere reden niet werken, kan worden supergeleidende lijm worden geprobeerd of zelfs een combinatie van deze twee. Ook kan de TFT op silicium worden 23
Figuur 5.4: Machine voor het uitzagen van een enkele die of component.[7]
gemonteerd op zowel de huidige als de plastic antenne, om op deze manier enkele tussenstappen te cre¨eren. De TFT zal hiervoor uit de wafer moeten worden gezaagd, een heel nauwkeurig proces zoals te zien in figuur 5.4.
5.6
Hypothese
In de eerste instantie leek het aannemelijk dat ergens tussen die honderden transistoren wel een type zou zitten die aan de eisen voldoet. Dit voorgevoel veranderde tijdens de instructie van de meetopstelling in DIMES, toen ter demonstratie een paar transistoren werden gemeten (echter wel normaal geschakeld). De uitslagen van deze testmetingen lieten direct een hoge drempelspanning zien, ook te zien in figuur 5.5. Er is voor NMOS en PMOS respectievelijk een drempelspanning van 2.3 V en -4.9 V. Dit zou betekenen dat, wanneer de drempelspanning niet flink zou dalen bij diodeschakeling of gebruik van polyimidesubstraat, de TFTs geen geschikte kandidaat zouden zijn voor het nieuwe ontwerp.
(a)
(b)
Figuur 5.5: Analyze eerste testmetingen van een (a) NMOS TFT en een (b) PMOS TFT met MATLAB.
24
Hoofdstuk 6
Resultaten 6.1
Karaktereigenschappen van de verschillende TFTs
E´en van de belangrijkste parameters voor de diode is de drempelspanning, aangezien deze bepalend is voor het energieverbruik. Hier bij is het trivaal om te zien dat er een grotere spanning in de ontvangstantenne van de AquaTag komt als er een signaal wordt opgevangen met een hoge amplitude en dus met een hoog vermogen. Daarom is het voor reader belangrijk dat drempelspanning laag blijft zodat de reader met een laag vermogen kan uitzenden. Tabel 6.1 laat de drempelspanningen zien van de 6 verschillende typen TFTs, waarvan die op siliciumsubstraat in de tabel zijn opgenomen als referentie voor de TFTs op plastic. Wat direct opvalt is dat alle waarden veel hoger zijn dan de ontwerpeisen. Dit is geen positieve ontdekking, aangezien dit de diodegeschakelde TFT niet erg geschikt maakt als alternatief voor de Schottky diode. Desalnietemin zal deze toch moeten worden gebruikt voor het prototype totdat de plastic diode door DIMES is ontwikkeld. De laagste drempelspanningen zijn te vinden bij transistors op het conventionele siliciumsubstraat. Dit geeft aan dat de kostbesparing van plastic ten koste gaat van het bereik. De beste TFT op plastic qua VT H is NMOS met gesputterd silicium. Configuratie
Type NMOS
Diode PMOS
NMOS Transistor PMOS
Methode Silicium Liquid Gesputterd Silicium Liquid Gesputterd Silicium Liquid Sputtered Liquid Gesputterd
VT H (V) 3.25 4.09 4.04 -3.01 -4.18 -3.77 3.17 2.14 2.36 -5.01 -4.07
Tabel 6.1: Overzicht drempelspanningen bij verschillende substraten. Voor de berekening van de mobiliteit moeten de TFTs in transistormodus worden aangesloten, zoals uitgelegd in het vorige hoofdstuk. De resultaten staan in 6.2. Omdat uit de VT H -metingen bleek dat NMOS transistoren een lage drempelspanning hebben is ter vergelijking ook een NMOS silicium-substraat gemeten. Ook hier heeft de silicium-TFT de meest 25
gunstige waarde. Opvallend is dat de beste plastc TFT opnieuw de gesputterd NMOS is. Wat overblijft zijn de weerstands- en capaciteitsmetingen. Wat de weerstand betreft hebben alle TFTs een serie weerstand in de orde van kΩ, wat de ontwerpeisen met een factor 1000 overstijgt. Dit is wederom een probleem met betrekking op energieverbruik, maar wordt voor het eerste prototype niet in acht genomen. Bij de Schottky diode zal deze waarde echter lager moeten zijn. Type NMOS PMOS
Methode Silicium Liquid Sputtered Liquid Sputtered
Mobiliteit (cm2 /Vs) 107.6 58.8 98.9 62.5 62.1
Tabel 6.2: Overzicht mobiliteit bij verschillende substraten. Uit de capaciteitsmetingen komen positieve resultaten. Junctiecapaciteiten in de orde van femtofarad, een factor 1000 lager dan wordt gespecificeerd in de ontwerpeisen. De junctiecapaciteit vervormt het signaal en zorgt dat de prestatie omlaag gaat. De lage waarden die zijn gevonden betekenen dat er weinig vervorming optreedt bij de signalen die door de TFT gaan.
6.2
Realisatie van de antenne op polyimide substraat
Ook de parallelgroep van het Wireless Sensor Tag team, Wouter Schoof en Sander van der Spree, hebben resultaat. De implementatie van een antenne op polyimide substraat is gelukt. Figuur 6.1 laat een foto zien van het resultaat.
Figuur 6.1: Realisatie van de antenne op polyimide substraat (foto).
26
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figuur 6.2: MATLAB analyze van de TFT-metingen: (a,b) diode geschakeld op een silicium substraat, (c,d) gesputterde TFT diode geschakeld op polyimide substraat, (e,f) Vloeibaar silicium TFT diode geschakeld op polyimide substraat.
27
Hoofdstuk 7
Discussie 7.1
Bespreking van de meetresultaten
Uit de resultaten blijkt dat er niet ´e´en TFT is die meteen een goede vervanging is voor de Schottky diode. De drempelspanning van de originele diode lag onder de 0.4 V, terwijl de diodegeschakelde TFTs drempelspanningen hebben tussen de 3 en 4.5 V. Dit heeft als gevolg dat het signaal vanuit de reader vele malen sterker moet zijn om dezelfde werking uit de tag te halen. Voor het testen van de werking met TFTs zou dit dus kunnen met een sterker signaal. De reader kan nog steeds worden gebruikt om de teruggezonden signalen te ontvangen. De waardes van de junctiecapaciteiten waren wel bijzonder laag, wat in theorie zou kunnen betekenen dat de diodegeschakelde TFTs wel degelijk werken bij het huidige vermogen, ookal is de drempelspanning hoog. Er is echter maar een kleine kans dat deze capaciteitswaarden echt de doorslag geven voor deze TFTs. De serieweerstanden die zijn gevonden zijn een factor 1000 te groot. Dit is in overeenstemming met de relatie tussen junctiecapaciteit en serieweerstand, benoemd in sectie 4.1.2. De hoge weerstanden betekenen dat er meer vermogen nodig is voor het laten werken van het circuit dan bij de originele diode. De hoge serieweerstanden in combinatie met de hoge drempelspanningen betekenen dat de tags, met een TFT in plaats van een diode, een zeer hoog vermogen ingangssignaal nodig hebben om goed te werken. De lage junctiecapaciteit zal hier niet veel aan kunnen veranderen. Als de diodegeschakelde TFT wordt verbonden met het bestaande circuit, kan met behulp van hoog vermogen signalen een prototype worden getest. Hiermee wordt definitief bepaald of diodegeschakelde TFTs een geschikt alternatief zijn voor diodes.
7.2
Wirebonding van de diode aan de antenne
Aanvankelijk werd wirebonding geadviseerd voor het verbinden van de diode met de antenne. Navragen bij de technische staff van DIMES wees echter uit dat deze techniek ongeschikt is voor ons plastic substraat. De ultrasone energie wordt door de polyimide-laag geabsorbeerd waardoor de bedrading niet kan hechten aan het metaal op de tag (zie figuur 7.1). Een alternatief voor wirebonding is supergeleidende lijm, waarbij er kleine druppeltjes lijm op de contactpunten van de TFTs worden gedruppeld. De bedrading wordt vervolgens in de lijmdruppels geduwd om zo de verbinding te leggen. Dit concept is nog nooit eerder toegepast en moet dus nog worden verkend. Het gevaar zit hem in het feit dat de bedrading voor wirebonding slechts 32 µm dik is. Het laatste alternatief is solderen met aluminium, waarbij de temperatuur kan oplopen tot 400 ◦ C. Momenteel kampt een PhD student met hetzelfde probleem, dus is DIMES bereid
28
(a) Buigzame eigenschap polyimide
(b) Aanhechting bedrading
Figuur 7.1: Wirebonding heeft behoefte aan een stevige ondergrond. Figuren uit [2] en [1].
actief mee te zoeken naar een oplossing. Aangezien het niet erg is wanneer onze plastic antenne sneuvelt in het proces, zal de technische staff proberen met behulp van ´e´en van de voorgaande methoden de TFT met de antenne te verbinden. Daarnaast laten we als back-up ook de TFT op silicium monteren op de silicium antenne, aangezien deze allebei op een stevige ondergrond zitten en wellicht wel geschikt zijn voor solderen.
7.3
Drempelspanning
De drempelspanning van alle tranistoren is te hoog om deze te kunnen gebruiken voor de AquaTag. Als bekend is waar de drempelspanning van afhankelijk is, is het mogelijk om deze te verlagen. Hieronder twee formules voor de drempelspanning.[23] VT = VF B + 2φb + γ √
p 2φb
(7.1)
s qNa (7.2) Cox Deze formules staan verder uitgwerkt in appendix B. Het blijkt dat de drempelspanning vooral afhankelijk is van de fysieke parameters van silicium en aluminium. Er zijn twee parameters die veranderd kunnen worden: de oxide-dikte tussen de gate en het kanaal maar ook van het dichtheid van het gedopeerde materiaal. Als de dikte van het oxide kleiner wordt gaat ook de drempelspanning omlaag. Verder gaat de drempelspanning ook omlaag door een kleinere dopering toe te passen. Hier mee wordt duidelijk dat de gemeten TFTs eigenlijk te dikke laag gate-oxide hebben en daardoor niet geschikt zijn om te gebruiken voor de AquaTag. γ=
29
Hoofdstuk 8
Conclusie Helaas is het implementeren van de AquaTag op polyimidesubstraat met de huidige technologie nog niet mogelijk. Dit komt voornamelijk omdat het nog niet mogelijk is om de Schottky diode op plastic te printen, terwijl dit ´e´en van belangrijkste componenten is.
8.1
Een diodegeschakelde TFT als alternatief
Den diodegeschakelde TFT vervult de functie van deze diode wel, maar heeft ontzettend veel verliezen. Dit kan leiden tot: een grotere vermogensbehoefte dan de draaggolf kan leveren, waardoor de tag niet terug kan zenden het bereik van de reader zich beperkt tot slechts een paar centimeter, waardoor het draadloze eigenschap nauwelijks uit de verf komt
Het wachten is op een diode op polyimide substraat, waarmee hopelijk aan de ontwerpeisen van de AquaTag kan worden voldaan.
8.2
Integratie van de componenten
Bij het bouwen van een prototype komt ook het probleem van het bevestigen om de hoek kijken. Het verbinden van een component op het flinterdunne plastic substraat middels wirebonding stuit nog op veel technische problemen. Ook dit wordt opgepakt door DIMES en vraagt om tijd en geduld. De implementatie van AquaTag op plastic, wat een uitkomst zal zijn voor adequate bewatering in de professionele potplantensector, zal nog even op zich moeten laten wachten.
8.3
Aanbevelingen
Het onderzoek krijgt een nieuwe boost wanneer de Schottky diode van Jin klaar is. Deze kan dan worden verbonden met de antenne van Wouter Schoof en Sander van der Spree, die reeds op polyimide is gerealiseerd. Hierna zijn er nog genoeg uitdagingen, zoals een plastic realisatie van de trimmer, het verbinden van alle plastic onderdelen en uiteindelijk totale integratie van alle plastic componenten in ´e´en ontwerp. Mocht bij dit uiteindelijke circuit een groter zendvermogen nodig zijn dan kan worden geleverd door de reader van AquaTag, kunnen altijd de hoog vermogen frequentiegeneratoren van de afdeling Telecom worden gebruikt. Het wirebonden, danwel lijmen of solderen, zal een uitdaging blijven van de technische staff van DIMES. 30
Bibliografie [1] Flexible electronics: Tighter still. http://www.nature.com/am/journal/2011/201101/ full/am201127a.html. [2] Ultra fine pitch wire bonding. http://www.kns.com/en-us/Pages/Ultra%20Fine% 20Pitch%20Wire%20Bonding.aspx. [3] Hsms-286y microwave schottky detector diodes, December 2006. Datasheet van de schottky diode. [4] Excimer laser. http://nl.wikipedia.org/wiki/Excimerlaser, June 2013. [5] Stub (electronics). http://nl.wikipedia.org/wiki/Stub_(electronics), June 2013. [6] Transportringen van glasvezelgevuld exxtral pp voor nieuw integraal intern transportsysteem voor kwekerijen. http://www.pressreleasefinder.com/item.asp?id=2314&demo= 1, June 2013. [7] The update where we talk about delays and hope you understand. http://www. kickstarter.com/projects/1655017763/cst-01-the-worlds-thinnest-watch/ posts, June 2013. [8] J. Bardeen. Surface states and rectification at a metal semi-conductor contact. Physical Review, 71(10), 1947. [9] Pathros Cardenas and David Tung. Plasma enhanced chemical vapor deposition (pecvd). http://www.ece.umd.edu/class/enee416.F2007/GroupActivities/ Presentation5.pdf, June 2013. [10] G. Matthaei et al. Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures, 1964. [11] M.A. Hilhorst. Requirements for SensorTag. STS, May 2010. Memo. [12] Ryoichi Ishihara, Tao Chen, Michiel van der Zwan, Ming He, H. Schellevis, and Kees Beenakker. Single-grain si tfts for high-speed flexible electronics. In Advances in Display Technologies; and E-papers and Flexible Displays, volume 7956, pages 795605–795605–9, 2011. [13] Ryoichi Ishihara, Paul C. van der Wilt, Barry D. van Dijk, Artyom Burtsev, G. J. Voogt, J. W. Metselaar, and C. I. M. Beenakker. Advanced excimer laser crystallization techniques of si thin film for location control of large grain on glass. In Flat Panel Display Technology and Display Metrology II, volume 4295, pages 14–23, 2001.
31
[14] Ryoichi Ishihara, Paul C. van der Wilt, Barry D. van Dijk, Artyom Burtsev, G. J. Voogt, J. W. Metselaar, and C. I. M. Beenakker. Advanced eximer-laser crystallization process for single-crystalline thin film transistor. In Thin Solid Films, volume 427, page 85, 2003. [15] M. Trifunovic J. Zhang and M. van der Zwan. Single-grain si thin-film transistors on flexible polyimide substrate fabricated from doctor-blade coated liquid-si. APPLIED PHYSICS LETTERS, 102:5, 2013. [16] X.Li J.M.Shah and F. Shubert. Diode I-V Doctor. Department of Electrical, Computer & Systems Engineering Rensselaer Polytechnic Institute, 2011. [17] Wim Stenfert Kroese. Sensortagsolutions.com. http://www.sensortagsolutions.com, 2013. [18] M. A. Laughton. Power semiconductor devices. Electrical engeneer’s reference book, pages 25 –27, 2003. [19] G.J.N. Doodeman M.A. Hilhorst. A radio frequency tag, 01 2010. [20] G Bahir N Tessler O Katz, Y Roichman and J Salzman. Charge carrier mobility in field effect transistors: analysis of capacitanceconductance measurements. Semiconductor Science and Technology, 20:90 –94, 2004. [21] Authors of siliconfareast.com. Wirebonding process. http://www.siliconfareast.com/ wirebond.htm, June 2013. [22] Iulian Rosu. Rf mixer. [23] Dr. Grigory Simin. Mosfet threshold voltage. http://www.ee.sc.edu/personal/ faculty/simin/ELCT563/15%20MOSFET%20threshold%20Voltage.pdf, June 2013. Electrical Engineering department of University of South Carolina. [24] et al. Subramanian. Printed electronics for low-cost electronic systems: Technology status and application development. In Solid-State Circuits Conference. Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, 2008. [25] Miki Trifunovic. Single-grain silicon tfts on a plastic substrate by doctor blade coating of cyclopentasilane. Master’s thesis, Delft University of Technology, June 2012. [26] R. H. Williams. Schottky barrier height basics. http://academic.brooklyn.cuny.edu/ physics/tung/Schottky/index.htm, 2013.
32
Bijlage A
Taakverdeling Bij dit project waren we ingedeeld in een subgroepje van drie, hierbij onze werkverdeling. Projecttaak Metingen van TFTs Matlab Analyse Thesis Introductie Probleemdefinitie Verwant onderzoek De AquaTag Componenten AquaTag op plastic substraat Ontwerpproces Resultaten Discussie Conclusie Lay-Out
Uitgevoerd door Aimee Ferouge & Ricardo de Andrade Wieger IJntema Pagina 2,3 4,5
Geschreven door Ricardo de Andrade & Wieger IJntema Aimee Ferouge & Wieger IJntema
6 t/m 14 13,14 15,16 17 t/m 22 23 t/m 25 26, 27 28
Ricardo de Andrade Ricardo de Andrade Wieger IJntema Aimee Ferouge & Ricardo de Andrade Aimee Ferouge Aimee Ferouge & Wieger IJntema Aimee Ferouge Aimee Ferouge & Wieger IJntema
33
Bijlage B
Theoretische drempelspanning transistor Hier staat de volledige uitwerking van de formule om de theoretisch drempelspanning te berekenen. Deze afleiding komt uit bron [23]. Er is bij deze formule geen rekening gehouden met het body effect en ook niet surface states omdat er vanuit wordt gaan da de VBS gelijk is aan 0. VT = VF B + 2φb + γ
p 2φb
VF B = Φm − Φs Φs = χ +
Eg − φb 2
kT Na ln( ) q ni √ εs qNa γ= Cox
φb =
Cox =
εSiO2 tox
(B.1) (B.2) (B.3) (B.4)
(B.5) (B.6)
Deze formules zijn in matlab ingevoerd met de volgende parameters: Φm = 4.1 V, werkfunctie van aluminium χ = 4.05 V, electron afiniteit van silicium Eg = 1.12 eV, energy bandgap van silicium k = 1.38 x 10−23 J/K, Boltzman constante T = 300 K, temperatuur in Kelvin q = 1.6 x 10−19 C, lading van een electron ni = 1.5 x 1010 cm−3 , intrinsieke carrier concentratie in silicium εs = 1.05 x 10−12 F/cm, permitiviteit in silicium εSiO2 = 3.5 x 10−13 F/cm, permitiviteit in SiO2 Dan blijven er nog 2 parameters over en dat zijn: Tox , de oxide-dikte, en Na , de doping density. Uit de formules is af te lezen als de oxide afstand
34
kleiner wordt dan word de drempelspanning lager. Bij de dopering is dat net zo, als deze lager wordt dan gaat de drempelspanning omlaag.
35
Bijlage C
MATLAB code voor TFT-analyse
clc close all; clear all; % Deze file kan worden gebruikt voor NMOS meting met variabele Vg en contstante Vd. % Leest 1 hele map. % Open mdm direcotry, hier parameters invullen open dir = 'Plastic NMOS/transistor/spatted'; h lines = 33; %Headerlines Vd = 0.1; %V middel = 3; %Raaklijn middelen over 3 meet punten %Constanten tox=40e−7; epsi0=8.8541*(1e−14); epsr=3.9; Cox=(epsi0*epsr)/tox; L=1; W=1;
% % % % % %
Oxide(SiO2 dikte 40 nm in cm Vacuum permittivity in F/cm Relatieve permitiveit SiO2 Capaciteit gate oxide Kanaal lengte Kanaal breedte
% Read txt files from directory and return list of files as type 'char' directory=dir(open dir); directory=struct2cell(directory); directory=directory(1,:); for i=1:length(directory)−2 % delete the points in de array if char(directory(i)) == '.' directory(i) = []; directory(i) = []; end end nbr files=length(directory); % Begin reading the meusements, every file in the folder n=1; while(n
36
fclose(fid); % Find max slope for only positve Vg, because Nmos for i=15:50 der(i) = (Id(i+1,n)−Id(i,n))/(Vg(i+1,n)−Vg(i,n)); end [m d] = max(der); % Then draw a tangent line and find where it crosses Id = 0 for ww=d−middel:d xx(ww−(d−middel−1))=Vg(ww,n); yy(ww−(d−middel−1))=Id(ww,n); end p = polyfit(xx,yy,1); Vth(n) = −p(2)/p(1); % Calculate the field effect mobilityfrom gm for k=1:50 %entire range gm(k)=abs(Id(k+1,n)−Id(k,n))/(Vg(k+1,n)−Vg(k,n)); end gmm=max(gm); u fet(n) = (L*gmm)/(Cox*W*Vd); % if the folder contains a lot of files, filter bad masurements %{ if (Vth(n) > 6 | Vth(n) < 4 | p(1) < 0 | u fet(n) < 10 | u fet(n) > 200) directory(n)=[]; n = n−1; nbr files = length(directory); end %} n = n+1; end % Generate results in plots Vth = []; mainFig = figure('units','normalized','outerposition',[0 0 1 1]); % plot ... maximaized figure for n=1:nbr files fid=fopen( char(directory(1,n)) ); C=textscan(fid,'%n %n %n %n','headerlines',h lines); Vg(:,n)=C{1}; %Is(:,n)=C{2}; Id(:,n)=C{3}; fclose(fid); % Find max slope for only positve Vg for i=15:50 der(i) = (Id(i+1,n)−Id(i,n))/(Vg(i+1,n)−Vg(i,n)); end [m d] = max(der); % Then draw a tangent line and find where it crosses Id = 0 for ww=d−middel:d xx(ww−(d−middel−1))=Vg(ww,n); yy(ww−(d−middel−1))=Id(ww,n); end p = polyfit(xx,yy,1);
37
Vth(n) = −p(2)/p(1); % To show tangent line in the plot. Tx(:,n) = linspace(Vth(n),10,50); Ty(:,n) = p(2)+p(1)*Tx(:,n); % Calculate the field effect mobilityfrom gm for k=1:50 %entire range gm(k)=abs(Id(k+1,n)−Id(k,n))/(Vg(k+1,n)−Vg(k,n)); %0.1 = step size end gmm=max(gm); u fet(n) = (L*gmm)/(Cox*W*Vd); %subthreshold slope S = dVg/dlog10(Id) %{ S = 1000*abs(diff(Vg(n,51:scutoff(n)))./diff(log10(Id(n,51:scutoff(n))))); Slopnmos(n)=min(S); %} figure() hold on scatter(Vth(n),0) plot(Tx(:,n),Ty(:,n), 'r') plot(Vg(:,n),Id(:,n)) xlabel('Vg (V)') ylabel('Id (A)') fig title = ['Nmos: ' char(directory(1,n)) ' id = ' num2str(n)]; title(fig title) string1 = ['V T = ' num2str(Vth(n)) ' V, \mu = ' num2str(u fet(n))]; hleg1 = legend(string1, 'Location','NorthWest'); grid('on')
figure(mainFig) subplot(2,3,6) hold on scatter(Vth(n),0) plot(Tx(:,n),Ty(:,n), 'r') plot(Vg(:,n),Id(:,n)) xlabel('Vg (V)') ylabel('Id (A)') grid('on') end [Best Vth(1), id(1)] = min(Vth); [Best Vth(2), id(2)] = max(Vth); Best Vth(3) = mean(Vth); %{ figure() p =12; hold on scatter(Vth(p),0) plot(Tx(:,p),Ty(:,p), 'r') plot(Vg(:,p),Id(:,p)) xlabel('Vg (V)') ylabel('Id (A)') fig title = ['Nmos Diode: ' char(directory(1,p)) ' id = ' num2str(p)]; title(fig title) string1 = ['V T = ' num2str(Vth(p)) ' V, \mu = ' num2str(u fet(p))];
38
hleg1 = legend(string1, 'Location','NorthWest'); grid('on') %} %alle Vth in een scatter plot figure(mainFig) subplot(2,3,1) xx = 1:length(Vth); hold on plot(0:0.1:length(Vth)+1,Best Vth(3), 'r'); scatter(xx,Vth) ylabel('V {T} (V)') xlabel('id of transistor') grid('on'); string2 = char(strcat('Max V {T} = ', num2str(round(Best Vth(2)*100)/100), ' ... V'),strcat('Min V {T} = ' ,num2str(round(Best Vth(1)*100)/100), ' ... V'),strcat('Avarge V {T} = ' ,num2str(round(Best Vth(3)*100)/100) , ' V') ); annotation('textbox', [.45 0.7 .1 .1], 'String', string2, 'BackgroundColor', ... 'white'); %Vth string2 = char(strcat('Max \mu f = ', num2str(round(max(u fet)*100)/100), ' ... cmˆ2/Vs'),strcat('Min \mu f = ', num2str(round(min(u fet)*100)/100), ' ... cmˆ2/Vs'),strcat('Avarge \mu f = ' ,num2str(round(mean(u fet)*100)/100) , ' ... cmˆ2/Vs') ); annotation('textbox', [.45 0.6 .1 .1], 'String', string2, 'BackgroundColor', ... 'white'); %Vth
%minimale threshold subplot(2,3,4) hold on scatter(Vth(id(1)),0) plot(Tx(:,id(1)),Ty(:,id(1)), 'r') plot(Vg(:,id(1)),Id(:,id(1))) xlabel('Vg (V)') ylabel('Id (A)') fig title = ['nMOS: ' char(directory(1,id(1))) ', id = ' num2str(id(1)) ]; title(fig title) string1 = ['V {T} = ' num2str(round(Vth(id(1))*100)/100) ' V, \mu = ' ... num2str(u fet(id(1))) ' cmˆ2/Vs ']; hleg1 = legend(string1, 'Location','NorthWest'); grid('on') %maximale threshold subplot(2,3,5) hold on scatter(Vth(id(2)),0) plot(Tx(:,id(2)),Ty(:,id(2)), 'r') plot(Vg(:,id(2)),Id(:,id(2))) xlabel('Vg (V)') ylabel('Id (A)') fig title = ['nMOS: ' char(directory(1,id(2))) ', id = ' num2str(id(2)) ]; title(fig title) string1 = ['V {T} = ' num2str(round(Vth(id(2))*100)/100) ' V, \mu = ' ... num2str(u fet(id(2))) ' cmˆ2/Vs ']; hleg1 = legend(string1, 'Location','NorthWest'); grid('on') %figure for the mobility subplot(2,3,3) xx = 1:length(u fet);
39
hold on scatter(xx,u fet) plot(0:0.01:length(u fet)+1,mean(u fet), 'r'); ylabel('\mu f (cmˆ2/Vs)') xlabel('id of transistor') grid('on');
40
