組裝可印刷半導(dǎo)體元件和制造電子器件的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于制造可印刷半導(dǎo)體元件并將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片表面上的方法。本發(fā)明的方法和設(shè)備組件能在含有聚合物材料的基片上產(chǎn)生多種柔性電子和光電子器件以及器件陣列。本發(fā)明還提供能在拉伸狀態(tài)下具有良好性能的可拉伸半導(dǎo)體元件及可拉伸電子器件。
【專利說明】組裝可印刷半導(dǎo)體元件和制造電子器件的方法
[0001]本申請是申請日為2005年6月2日的發(fā)明名稱為“用于制造并組裝可印刷半導(dǎo)體元件的方法和設(shè)備”的201010519400.5號發(fā)明專利申請的分案申請，該申請的原申請為200580018159.5。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求分別于2004年6月4日、2004年8月11日、2005年2月4日、2005年3月18日以及2005年5月4日提交的美國臨時(shí)專利申請N0.60/577, 077,N0.60/601,061、N0.60/650，305、N0.60/663，391和N0.60/677，617的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容特此通過引用的方式以不與本申請所公開內(nèi)容矛盾的程度完整納入本說明書中。
【背景技術(shù)】
[0004]自1994年第一次出現(xiàn)了印刷的全聚合物晶體管以來，一類潛在的、在塑料基片上含有柔性集成電子器件的、新的電子系統(tǒng)引起廣泛關(guān)注[Garnier, F., Hajlaoui, R.,Yassar, A.和 Srivastava, P., Science,第 265 卷，第 1684 ?1686 頁]。近來，對開發(fā)用于柔性塑料電子器件的導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的新的溶液可處理材料進(jìn)行了大量研究。然而，柔性電子器件領(lǐng)域的進(jìn)步不僅依靠新的溶液可處理材料的開發(fā)來推動，還有賴于器件組件新的幾何結(jié)構(gòu)、有效的器件以及適用于塑料基片的器件組件處理方法和高分辨率構(gòu)圖技術(shù)。這樣的材料、器件配置和制造方法有望在快速涌現(xiàn)的新類型的柔性集成電子器件、系統(tǒng)和電路中發(fā)揮重要作用。
[0005]對柔性電子器件領(lǐng)域的關(guān)注主要是由于該技術(shù)具有幾個重要的優(yōu)點(diǎn)。第一，塑料基片材料的機(jī)械強(qiáng)度使得電子器件不易由于機(jī)械應(yīng)力而引起損壞和/或電子性能下降。第二，這些基片材料固有的柔性使得它們可整合為大量有用的器件配置所需的、而脆性的常規(guī)硅基電子器件無法實(shí)現(xiàn)的多種形狀。例如，可彎曲的柔性電子器件有望實(shí)現(xiàn)已有的硅基技術(shù)所不易于實(shí)現(xiàn)的新器件的制造，所述新器件包括例如電子紙、可穿戴計(jì)算機(jī)(wearablecomputer)和大屏幕高分辨率顯示器。最后，溶液可處理組件材料與塑料基片的結(jié)合使通過連續(xù)、高速的印刷技術(shù)進(jìn)行的制造得以實(shí)現(xiàn)，所述印刷技術(shù)能以低成本在大的基片面積上產(chǎn)生電子器件。
[0006]然而，表現(xiàn)出良好的電子性能的柔性電子器件的設(shè)計(jì)和制造面臨許多重大挑戰(zhàn)。首先，已開發(fā)完善的制造常規(guī)硅基電子器件的方法與大多數(shù)塑料基片均不兼容。例如，傳統(tǒng)的高質(zhì)量無機(jī)半導(dǎo)體組件，如單晶硅或鍺半導(dǎo)體，通常通過在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)塑料基片的熔化或分解溫度的溫度(> 1000°c )下生長薄膜進(jìn)行處理。此外，大多數(shù)無機(jī)半導(dǎo)體本身不溶于便于進(jìn)行基于溶液的處理和傳送的方便溶劑中。其次，雖然很多無定形硅、有機(jī)或混合有機(jī)_無機(jī)半導(dǎo)體(hybrid organic-1norganic semiconductor)可兼容納入塑料基片中并可在較低溫度下進(jìn)行處理，但這些材料并不具有能使集成電子器件表現(xiàn)出良好的電子性能的電子特性。例如，具有由這些材料制成的半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管表現(xiàn)出比單晶硅基互補(bǔ)器件小約三個數(shù)量級的場效應(yīng)遷移率。這些限制導(dǎo)致柔性電子器件目前僅限于不需要高性能的特定應(yīng)用中，例如用于具有非發(fā)射像素(non-emissive pixel)的有源矩陣平板顯示器的開關(guān)元件中以及發(fā)光二極管中。
[0007]近來在擴(kuò)展塑料基片上集成電子器件的電子性能能力以拓寬其對電子器件應(yīng)用的適用范圍方面已經(jīng)取得了進(jìn)步。例如，已經(jīng)涌現(xiàn)了數(shù)種新的薄膜晶體管(TFT)，它們與在塑料基片材料上進(jìn)行的處理方法兼容，并且表現(xiàn)出明顯高于具有無定形硅、有機(jī)或混合有機(jī)-無機(jī)半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管的器件性能特性。一類運(yùn)行較好的柔性電子器件基于由脈沖激光對無定形硅薄膜進(jìn)行退火制得的多晶硅薄膜半導(dǎo)體元件。雖然這類柔性電子器件提供了提高的器件電子性能特性，但脈沖激光退火處理的使用限制了這類器件制造的簡易程度和靈活性，從而顯著增大成本。另一類有前景的、運(yùn)行較好的、新型柔性電子器件是在許多大型電子(macroelectronic)器件和微電子器件中采用溶液可處理納米級材料,例如納米線(nanowire)、納米帶(nanoribbon)、納米顆粒和碳納米管作為有源功能組件的器件。
[0008]分立單晶納米線或納米帶的使用已被評價(jià)為在塑料基片上提供表現(xiàn)出提高的器件性能特性的可印刷電子器件的可能途徑。Duan等描述了具有多個選擇性取向的單晶硅納米線或CdS納米帶作為半導(dǎo)體通道的薄膜晶體管設(shè)計(jì)[Duan, X.；Niu, C., Sahl, V., Chen,J., Parce, J., Empedocles, S.和 Goldman, J., Nature,第 425 卷，第 274 ?278 頁]。這些作者報(bào)道了一種據(jù)稱與塑料基片上的溶液處理方法兼容的制造方法，該方法將厚度小于或等于150納米的單晶娃納米線或CdS納米帶分散到溶液中，并采用導(dǎo)流排列法(flow-directedalignment method)將其組裝至基片表面，以生產(chǎn)薄膜晶體管半導(dǎo)體元件。作者提供的光學(xué)顯微照片表明所公開的制造方法以基本平行的取向制備間隔約500納米至約1000納米的納米線或納米帶的單層。雖然作者報(bào)道單獨(dú)的納米線或納米帶具有較高的本征場效應(yīng)遷移率(?Iigcm2V4iT1)，但近來已測得整個器件的場效應(yīng)遷移率比Duan等報(bào)道的本征場效應(yīng)遷移率的值“低約兩個數(shù)量級” [Mitzi, D.B, Kosbar, L.L.，Murray, C.E.，Copel, M.Afzali,A.，Nature，第428卷，第299?303頁]。該器件的場效應(yīng)遷移率比常規(guī)的單晶無機(jī)薄膜晶體管的器件場效應(yīng)遷移率低幾個數(shù)量級，并且很可能是因?yàn)椴捎肈uan等所公開的方法和器件配置在分立的納米線或納米管的排列、緊密堆積和電接觸方面面臨實(shí)際挑戰(zhàn)。
[0009]使用納米晶體溶液作為多晶無機(jī)半導(dǎo)體薄膜的前體已被挖掘?yàn)樵谒芰匣咸峁┍憩F(xiàn)出較高的器件性能特性的可印刷電子器件的可能途徑。Ridley等公開了一種溶液處理制造方法，該方法在與塑料相適應(yīng)的溫度下處理尺寸為約2納米的硒化鎘納米晶體的溶液，以提供用于場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體元件。作者報(bào)道了一種如下所述的方法，在該方法中，硒化鎘納米晶體溶液中低溫晶粒的生長提供含有數(shù)百個納米晶體的單晶區(qū)。雖然Ridley等報(bào)道了比具有有機(jī)半導(dǎo)體元件的類似器件改善的電特性，但通過這些技術(shù)達(dá)到的器件遷移率Icm2V-1S-1)比常規(guī)的單晶無機(jī)薄膜晶體管的器件場效應(yīng)遷移率低幾個數(shù)量級。對Ridley等的器件配置和制造方法所達(dá)到的場效應(yīng)遷移率的限制很可能是因?yàn)閱蝹€納米顆粒之間建立的電接觸。用于穩(wěn)定納米晶體溶液并防止聚集作用(agglomeration)的有機(jī)端基的使用可能妨礙在相鄰的納米顆粒之間建立良好的電接觸，而這是提供高的器件場效應(yīng)遷移率所必須的。
[0010]雖然Duan等和Ridley等提供了在塑料基片上制造薄膜晶體管的方法，但所述的器件配置采用了含有機(jī)械剛性器件組件——例如電極、半導(dǎo)體和/或絕緣體——的晶體管。選擇具有良好的機(jī)械性能的塑料基片可使電子器件能在撓曲或變形的取向上運(yùn)行。然而，這種動作預(yù)計(jì)會對單個剛性晶體管器件組件產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。這種機(jī)械應(yīng)變可能通過例如使其破裂而導(dǎo)致單個組件損壞，并且也可能降低或破壞器件組件之間的電接觸。
[0011]由前述內(nèi)容將領(lǐng)會目前本領(lǐng)域需要用于制造在塑料基片上含有集成電子半導(dǎo)體的器件的方法和器件配置。需要具有良好電特性的可印刷半導(dǎo)體元件，以實(shí)現(xiàn)在與塑料聚合物基片上的組件相適應(yīng)的溫度下進(jìn)行有效的器件制造。另外，需要將半導(dǎo)體材料印刷至大面積的塑料基片上的方法，以實(shí)現(xiàn)在大的基片面積上連續(xù)、高速地印刷復(fù)雜的集成電路。最后，需要在撓曲或變形的器件取向上具有良好的電子性能的全柔性電子器件，以獲得多種新的柔性電子器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提供用于在基片表面——例如塑料基片——上制造結(jié)構(gòu)和/或器件——例如含有半導(dǎo)體的電子器件——的方法、設(shè)備和設(shè)備組件。具體而言，本發(fā)明提供用于通過靈活的低成本印刷方法制造電子器件、光電子器件和其他功能電子組件的可印刷半導(dǎo)體元件。本發(fā)明的一個目的在于提供用于制造能通過一系列印刷技術(shù)在基片表面上實(shí)現(xiàn)高精度組裝的半導(dǎo)體元件的方法和設(shè)備，所述半導(dǎo)體元件例如具有約10納米至約10厘米范圍內(nèi)的選定的物理尺寸的整體(unitary)單晶無機(jī)半導(dǎo)體。本發(fā)明的另一個目的在于提供采用干式接觸轉(zhuǎn)印(drytransfer contact printing)和 / 或溶液印刷(solution printing)技術(shù)組裝可印刷半導(dǎo)體元件和/或?qū)捎∷雽?dǎo)體元件進(jìn)行構(gòu)圖的方法，所述方法在大的基片面積上提供良好的放置準(zhǔn)確度和圖案保真度。本發(fā)明的再一個目的在于提供含有由塑料基片支承的一個或多個可印刷半導(dǎo)體元件的、電子性能良好的集成電子和/或光電子器件，特別是具有可印刷半導(dǎo)體元件的、表現(xiàn)出良好的電子性能特性的全柔性薄膜晶體管，所述電子性能特性例如場效應(yīng)遷移率、閾電壓和開關(guān)比。
[0013]一方面，本發(fā)明提供具有一個或多個可印刷組件——例如可印刷半導(dǎo)體元件一一的高性能電子和/或光電子器件或器件組件的制造方法?？捎杀景l(fā)明方法制造的電子和光電子器件包括但不限于晶體管、二極管、發(fā)光二極管(LED)、激光器、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、微米機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)以及納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)。特別地，本發(fā)明提供通過印刷技術(shù)將半導(dǎo)體元件和/或其他器件組件組裝至電子和/或光電子器件或器件組件中的方法，所述器件或器件組件表現(xiàn)出可與常規(guī)高溫處理方法制造的、基于單晶半導(dǎo)體的器件相比的性能特性。
[0014]在本發(fā)明一個可用于在具有低熔化溫度或分解溫度的基片上，例如塑料基片和半導(dǎo)體基片上進(jìn)行器件制造的實(shí)施方案中，本發(fā)明方法包括如下可獨(dú)立執(zhí)行的制造步驟:(I)形成一個或多個分立的高質(zhì)量半導(dǎo)體元件；以及(2)在基片表面上對這些半導(dǎo)體元件和其他器件組件進(jìn)行組裝和/或構(gòu)圖。例如，本發(fā)明包括如下方法，該方法通過對常規(guī)高溫處理方法制成的大塊單晶無機(jī)半導(dǎo)體材料進(jìn)行掩模和蝕刻來生產(chǎn)獨(dú)立的、高質(zhì)量的可印刷無機(jī)半導(dǎo)體，所述高溫處理方法例如高溫(> 1000°C )薄膜生長、摻雜和其他處理技術(shù)。這樣的可印刷無機(jī)半導(dǎo)體在制成后，通過可在較低溫度(<約400°0下實(shí)施的印刷技術(shù)組裝至一個或多個基片表面上。具有可獨(dú)立執(zhí)行的制備和構(gòu)圖/組裝步驟的一個優(yōu)點(diǎn)在于各步驟可在環(huán)境條件下如室溫下，以及環(huán)境污染水平(即如果需要潔凈的室內(nèi)條件)下執(zhí)行，這優(yōu)化了各個可獨(dú)立執(zhí)行的制造步驟的效率、靈活性以及效用。例如，本發(fā)明方法能在生產(chǎn)高質(zhì)量單晶半導(dǎo)體所需的高溫下制造半導(dǎo)體材料。然而，半導(dǎo)體元件的構(gòu)圖和/或組裝可隨后在有利于在具有低熔化溫度或分解溫度的基片上、例如塑料基片上制造器件的、顯著降低的溫度下進(jìn)行。通過上述方式可在寬范圍的基片表面上制造高性能器件，而不顯著熔化、分解或損壞基片表面。將半導(dǎo)體的制造與半導(dǎo)體/器件的組裝分離的另一個優(yōu)點(diǎn)在于可通過各種靈活的、低成本組裝方法，例如干式轉(zhuǎn)印以及溶液印刷技術(shù)，將半導(dǎo)體元件集成至高性能器件和器件組件中，這些組裝方法不需要潔凈的室內(nèi)條件并且可與大面積基片上的連續(xù)、高速的器件制造方法兼容。就本發(fā)明這一方面而言，本發(fā)明方法實(shí)際上可與含有任何材料的基片上所進(jìn)行的印刷相兼容，所述基片包括塑料基片和非塑料基片，后者例如半導(dǎo)體晶片 如娃晶片或GaAs晶片。
[0015]另一方面，本發(fā)明提供用于集成至高性能電子和光電子器件以及器件組件中的可印刷半導(dǎo)體元件。就本發(fā)明而言，術(shù)語“可印刷”指可轉(zhuǎn)印、組裝、構(gòu)圖、組織(organize)和/或集成至基片上或基片中而未使基片暴露于高溫(即在低于或等于約400°C下)的材料、結(jié)構(gòu)、器件組件和/或集成功能器件。本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體可包括能通過干式接觸轉(zhuǎn)印和/或溶液印刷法組裝和/或集成至基片表面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明示例性的半導(dǎo)體元件可通過“自頂向下(top down) ”地處理一系列無機(jī)半導(dǎo)體材料制得,所述無機(jī)半導(dǎo)體材料包括但不限于單晶硅晶片、絕緣體晶片上的硅、多晶硅晶片和GaA s晶片。由高質(zhì)量的半導(dǎo)體晶片——例如使用常規(guī)的高溫氣相沉積處理技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體晶片——制得的可印刷半導(dǎo)體元件對于需要良好的電子性能的應(yīng)用場合而言是有益的，因?yàn)榕c采用“自底向上(bottom up) ”的處理技術(shù)——例如用于生產(chǎn)納米晶體和納米線的常規(guī)技術(shù)——所制備的材料相比，這些材料具有更好的純度和結(jié)晶程度。本發(fā)明的“自頂向下”處理法所提供的另一個優(yōu)點(diǎn)在于可印刷半導(dǎo)體元件和可印刷半導(dǎo)體元件的陣列可以明確限定的取向和圖案制造，這與常用于制造納米線和納米顆粒的“自底向上”的處理法不同。例如，可將半導(dǎo)體元件制成具有與這些元件在功能器件或功能器件陣列中的最終位置和空間取向直接對應(yīng)的位置和空間取向的陣列，例如晶體管陣列或二極管陣列。
[0016]可印刷半導(dǎo)體元件可包括具有各種形狀一例如帶狀(或條狀)、盤狀、小板狀、塊狀、柱狀、筒狀或這些形狀的任意組合——的單晶無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可具有多種物理尺寸,例如,約10納米至約100微米范圍內(nèi)的厚度、約50納米至約I毫米范圍內(nèi)的寬度以及約I微米至約I毫米范圍內(nèi)的長度。對于某些應(yīng)用，優(yōu)選使用厚度大于約10納米并且寬度大于約500納米的半導(dǎo)體元件，因?yàn)檫@些尺寸可使電子器件表現(xiàn)出良好的電子性能，例如使薄膜晶體管的器件場效應(yīng)遷移率大于或等于約IOOcm2V-1S-1,優(yōu)選大于或等于約SOOcm2V-1 s—1，更優(yōu)選大于或等于約SOOcm2V-1S'此外，具有大于約10納米寬度的半導(dǎo)體元件可通過一系列印刷技術(shù)，以良好的放置準(zhǔn)確度和圖案保真度組裝至基片上。
[0017]本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件還可具有將可印刷半導(dǎo)體元件與母片(mother
substrate)-例如半導(dǎo)體晶片-連接起來的排列保持元件。排列保持元件可用于在
轉(zhuǎn)印、組裝和/或集成操作步驟中保持可印刷半導(dǎo)體元件選定的取向和/或位置。排列保持元件還可用于在轉(zhuǎn)印、組裝和/或集成操作步驟中保持形成半導(dǎo)體元件選定圖案的多個半導(dǎo)體元件的相對位置和取向。在本發(fā)明方法中，排列保持元件在可印刷半導(dǎo)體元件與可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面接觸(以及聯(lián)結(jié))的過程中維持選定的位置和取向。在本發(fā)明這一方面中所使用的排列保持元件能在移動可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備后從可印刷半導(dǎo)體元件上卸除(disengage)而不顯著改變可印刷半導(dǎo)體元件選定的位置和取向。通常通過在移動轉(zhuǎn)印設(shè)備的過程中使排列保持元件斷裂或脫離來實(shí)現(xiàn)卸除。
[0018]在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件具有特征為端部較寬而中心區(qū)域窄的花生狀。在該實(shí)施方案中，通過對較寬端部的下方進(jìn)行不完全的各向同性蝕刻(isotropic etching)并對中心區(qū)域的下方進(jìn)行完全的各向同性蝕刻來得到排列保持元件。該處理方法形成在與半導(dǎo)體元件各端相對應(yīng)的兩點(diǎn)上與母片相連的半導(dǎo)體元件。在另一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件具有沿著中心縱向軸線延伸的帶狀。在該實(shí)施方案中，排列保持元件將帶狀物沿著軸線方向上的兩端連接至母片。在各實(shí)施方案中，帶狀或花生狀半導(dǎo)體元件與轉(zhuǎn)印設(shè)備接觸面的結(jié)合以及轉(zhuǎn)印設(shè)備的移動導(dǎo)致兩個排列保持元件均斷裂，并使可印刷半導(dǎo)體元件從母片上脫離。
[0019]本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件具有可獨(dú)立選擇的物理尺寸，例如寬度、高度、厚度、表面粗糙度和平整度，這些物理尺寸可以高度準(zhǔn)確地進(jìn)行選擇。在一個示例性的實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件的物理尺寸可以小于約5%的誤差進(jìn)行選擇。使用本發(fā)明方法可制造大量具有高度一致的所選定物理尺寸的可印刷半導(dǎo)體元件。在一個示例性實(shí)施方案中，可制造大量的物理尺寸變化小于約I%的可印刷半導(dǎo)體元件。因此，與常規(guī)的生產(chǎn)納米線的方法不同，本發(fā)明提供無顯著尺寸和形狀分布的可印刷半導(dǎo)體元件。該方法的一個重要優(yōu)點(diǎn)在于不需要使集成本發(fā)明可印刷半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)和器件容許半導(dǎo)體元件尺寸和形狀的分散性。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件具有非常低的表面粗糙度，例如表面粗糙度的均方根值小于約0.5納米。本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可具有一個或多個平面。這種配置在某些器件制造應(yīng)用場合中是有益的，因?yàn)槠矫婵捎糜诮⑴c其他器件組件——例如導(dǎo)體、半導(dǎo)體和/或電介體器件組件——的界面。
[0020]此外,本發(fā)明方法和物質(zhì)組成(composition)提供含有高質(zhì)量半導(dǎo)體材料的可印刷半導(dǎo)體元件。在某些用于制造高性能電子器件的實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件的純度為通過高溫處理技術(shù)所制得的常規(guī)半導(dǎo)體晶片材料的約1000倍或以下。例如，本發(fā)明提供如下高純度半導(dǎo)體元件，在所述高純度半導(dǎo)體元件中，氧雜質(zhì)少于約5?25ppm原子,碳雜質(zhì)少于約I?5ppm原子,并且重金屬雜質(zhì)少于或等于約Ippm原子(ppma)、對于某些應(yīng)用優(yōu)選少于或等于約IOOppba(parts per billion atoms)、并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選少于或等于約lppba。對于需要良好的電子性能的應(yīng)用和器件而言，具有低水平重金屬雜質(zhì)(例如少于約Ippma)的可印刷半導(dǎo)體元件是有益的，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料中重金屬的存在可嚴(yán)重降低其電性能。
[0021]另外，本發(fā)明某些方面的可印刷半導(dǎo)體元件具有非常低的電阻率梯度，例如在其面積上的變化小于約5%至10%。本發(fā)明這一方面提供相對于由“自底向上”的處理技術(shù)制得的常規(guī)半導(dǎo)體材料——例如納米線和納米晶體材料——而言提高的摻雜均勻度。此外，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可含有表現(xiàn)出極少位錯一例如小于500位錯/平方厘米一的半導(dǎo)體材料。對于需要良好的電子性能的器件制造應(yīng)用而言，使用含有高質(zhì)量半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體元件是有益的。
[0022]此外，本發(fā)明方法和物質(zhì)組成提供組成高度一致的可印刷半導(dǎo)體元件。在本說明書中，組成一致指件與件(piece-to-piece)之間在純度、摻雜濃度、摻雜劑空間分布以及結(jié)晶程度方面的一致性。本發(fā)明可印刷半導(dǎo)體元件的高純度以及組成的良好一致性提供相對于由下述常規(guī)半導(dǎo)體材料制成的器件而言可靠性提高的功能器件，所述常規(guī)半導(dǎo)體材料由“自底向上”的處理技術(shù)制得，例如納米線和納米晶體材料。
[0023]本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件優(yōu)選具有至少一個光滑表面，例如微米帶(microribbon)的頂面或底面,優(yōu)選表現(xiàn)出的與平均表面位置的偏差小于10納米,對于某些應(yīng)用而言，更優(yōu)選表現(xiàn)出的與平均表面位置的偏差小于I埃。本發(fā)明可印刷半導(dǎo)體元件的光滑表面使得可與集成電子器件或光電子器件中的其他器件組件之間建立有效的電接觸和/或物理集成。
[0024]或者，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可包括組合半導(dǎo)體元件，所述組合半導(dǎo)體元件具有與一個或多個附加結(jié)構(gòu)操作性地連接的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述附加結(jié)構(gòu)包括例如介電結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(例如電極)、附加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或這些結(jié)構(gòu)的任意組合?？捎∷⒔M合半導(dǎo)體元件提供可容易地、有效地集成至復(fù)雜的電子或光電子器件中的材料和器件組件。此外，本發(fā)明組裝方法可以使可印刷半導(dǎo)體元件形成陣列幾何結(jié)構(gòu)，所述陣列幾何結(jié)構(gòu)中相鄰元件彼此接近，例如彼此在100納米至I微米以內(nèi)。例如，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件包括一個整體結(jié)構(gòu)，該整體結(jié)構(gòu)具有操作性地連接至無機(jī)介電結(jié)構(gòu)——例如二氧化硅層——的高質(zhì)量半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如單晶無機(jī)半導(dǎo)體。本發(fā)明的這一實(shí)施方案對于制造高性能的薄膜晶體管特別有用，因?yàn)榘雽?dǎo)體和介電組件可在單個印刷步驟中組裝，并且因?yàn)槭褂煤邪雽?dǎo)體和介電組件的整體結(jié)構(gòu)得到的絕緣體配置表現(xiàn)出極低的從柵電極至半導(dǎo)體元件或源漏電極的漏電流。在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可含有易于納入至基片表面上的、集成的功能器件，例如二極管、LED、晶體管和0LED。
[0025]本發(fā)明方法和組成提供能夠制造下述功能器件的處理平臺，所述功能器件與基于由“自底向上”的處理技術(shù)所生產(chǎn)的半導(dǎo)體材料——例如納米線和納米晶體——的器件相t匕，表現(xiàn)出提高的可靠性。在本說明書中，可靠性指功能器件在長的運(yùn)行期內(nèi)表現(xiàn)出良好的電性能的能力，并且指件與件之間在使用本發(fā)明方法和組成所制成的器件總體的電性能方面的一致性。例如，本發(fā)明器件表現(xiàn)出非常一致的閾電壓(例如標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.08V)以及非常一致的器件遷移率(例如標(biāo)準(zhǔn)偏差小于約13% )。這代表閾電壓和器件遷移率的一致性相對于基于納米線的器件分別改進(jìn)約40倍和約8倍。本發(fā)明功能器件出色的可靠性至少部分來自于使用本發(fā)明可印刷半導(dǎo)體元件可獲得的組成和物理尺寸的高度一致性。
[0026]另一方面，本發(fā)明提供如下電子器件，所述電子器件包括第一電極、第二電極以及與所述第一和第二電極處于電接觸的可印刷半導(dǎo)體元件。在一個可用于需要良好的電子器件性能的應(yīng)用場合下的實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件包括具有物理尺寸和形狀的無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)，所述可印刷半導(dǎo)體元件的物理尺寸和形狀在所述第一與第二電極之間提供大于或等于約20%的填充系數(shù)，對于某些應(yīng)用優(yōu)選大于或等于約50%，并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選大于或等于約80%。任選地，該實(shí)施方案的電子器件還可包括附加的可印刷半導(dǎo)體元件，例如基本呈縱向取向的可印刷元件，并且可任選彼此無物理接觸。重要的是，本發(fā)明的多個可印刷半導(dǎo)體元件能夠以具有大的填充系數(shù)(例如大于或等于20%、50%或80% )以及良好的電子性能的方式配置在器件或器件陣列中，這與包括緊密堆積的納米線陣列的系統(tǒng)不同。在一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件具有至少一個大于或等于約500納米的橫截面尺寸。在一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件的長寬比等于或小于約10，對于某些應(yīng)用優(yōu)選等于或小于約1.5。在一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件的厚寬比等于或小于約0.1，對于某些應(yīng)用優(yōu)選等于或小于約0.01。
[0027]本發(fā)明的這一方面還包括電子器件一例如晶體管、二極管、光電器件、發(fā)光器件一的陣列，所述電子器件陣列包括第一電極、第二電極以及與第一和第二電極處于電接觸的多個可印刷半導(dǎo)體元件。在一個實(shí)施方案中，電子器件陣列包括多于20個可印刷半導(dǎo)體元件，對于某些應(yīng)用優(yōu)選多于50個可印刷半導(dǎo)體元件，并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選多于100個可印刷半導(dǎo)體元件。在一個可用于需要良好的電子器件性能的應(yīng)用場合下的實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件在所述第一和第二電極之間提供大于或等于約20%的填充系數(shù)，對于某些應(yīng)用優(yōu)選大于或等于約50%，并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選大于或等于約80%?？捎∷雽?dǎo)體元件相對于選定的排列軸線——例如沿著連接所述第一和第二電觸點(diǎn)的最鄰近的點(diǎn)的軸線延伸的選定的排列軸線——可基本縱向取向。在一個實(shí)施方案中，將可印刷半導(dǎo)體元件的相對位置和取向選擇成在小于或等于約5微米以內(nèi)。在一個使半導(dǎo)體元件具有良好的端到端定位(end to end registration)的實(shí)施方案中，各個所述可印刷半導(dǎo)體元件延伸一段長度并終止于第一端和第二端。在該實(shí)施方案中，所述可印刷半導(dǎo)體元件的第一端位于第一電極的5微米以內(nèi)，并且所述可印刷半導(dǎo)體元件的第二端位于所述第二電極的5微米以內(nèi)。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的電子器件陣列包括按如下配置的多個可印刷半導(dǎo)體，所述配置為，多個可印刷半導(dǎo)體呈基本縱向取向，并且相互之間無物理接觸(即無重疊)，且與第一和第二電極處于電接觸。在一個實(shí)施方案中，電子器件陣列中的可印刷半導(dǎo)體元件有至少一個物理尺寸——例如平均長度、平均寬度和/或平均厚度——的變化小于約10%，對于某些應(yīng)用優(yōu)選小于約5%。在該實(shí)施方案中，陣列中的可印刷半導(dǎo)體元件具有彼此無顯著(即小于約10% )變化的、選定的物理尺寸，例如平均長度、平均寬度和/或平均厚度。
[0028]另一方面，本發(fā)明提供具有可印刷半導(dǎo)體元件的晶體管。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的晶體管包括源電極、可印刷半導(dǎo)體元件、增益電極(gain electrode)和柵電極。在該配置中，源電極和增益電極均與可印刷半導(dǎo)體元件處于電接觸，并被可印刷半導(dǎo)體元件隔開，而柵電極通過介電體與可印刷半導(dǎo)體隔開?？捎∷雽?dǎo)體元件可包括厚度大于或等于約50納米的晶體無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)，對于某些應(yīng)用優(yōu)選大于或等于100納米，并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選大于或等于200納米。本發(fā)明還包括具有多個與源電極和漏電極接觸的可印刷半導(dǎo)體元件的晶體管。在某些應(yīng)用中，多個可印刷半導(dǎo)體元件在單個晶體管中的使用可能是有益的，因?yàn)檫@樣可降低場效應(yīng)晶體管中各種器件組件——例如源電極、漏電極和柵電極以及介電體一總的位置準(zhǔn)確度容差(tolerance)。本發(fā)明還包括其中可印刷半導(dǎo)體元件為可拉伸半導(dǎo)體元件的實(shí)施方案。在本發(fā)明晶體管中使用一個或多個可拉伸半導(dǎo)體元件是有益的，因?yàn)檫@樣可以使處在撓曲、拉伸或變形的器件具有良好的器件性能和機(jī)械強(qiáng)度。
[0029]在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供由塑料基片支承并且/或者與塑料基片接觸的高性能晶體管，所述塑料基片例如聚酰亞胺、聚碳酸酯或聚酯薄膜(Mylar)基片。本發(fā)明該實(shí)施方案的晶體管可具有包括單晶無機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)——例如硅或鍺——的可印刷半導(dǎo)體元件。該器件配置表現(xiàn)出良好的器件性能特性，例如場效應(yīng)遷移率、閾電壓、轉(zhuǎn)換頻率(switching frequency)和開關(guān)比。在一個示例性實(shí)施方案中，塑料基片上的薄膜晶體管具有與下述晶體管的器件場效應(yīng)遷移率可比的器件場效應(yīng)遷移率，所述晶體管具有包括由常規(guī)的高溫處理法制得的晶體半導(dǎo)體的半導(dǎo)體元件，例如器件場效應(yīng)遷移率大于或等于SOOcm2W1iT1,更優(yōu)選大于或等于SOOcm2W1s'在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供具有單晶硅可印刷半導(dǎo)體元件的、能高頻運(yùn)行的S1-MOS晶體管，例如以最高達(dá)約280MHz的頻率運(yùn)行。
[0030]在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供含有可印刷半導(dǎo)體元件的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路。例如，使用在兩個P(或N)型高摻雜區(qū)之間具有N(或P)型輕摻雜區(qū)的可印刷半導(dǎo)體元件形成CMOS電路。該能力對于需要低功耗的應(yīng)用而言特別有意義，因?yàn)镃MOS技術(shù)具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NMOS技術(shù)的功耗。并且，CMOS技術(shù)無靜態(tài)功耗，因此該技術(shù)特別適用于電池驅(qū)動的電子系統(tǒng)。最后，使用CMOS技術(shù)的電路設(shè)計(jì)通常比使用任何其它半導(dǎo)體技術(shù)的電路設(shè)計(jì)更緊湊，因此在單位表面積上可集成更多的器件。
[0031 ] 在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明這一方面的晶體管的介電體和半導(dǎo)體組件可含有整體組合可印刷半導(dǎo)體元件?；蛘?，本發(fā)明這一方面的晶體管的介電體、柵電極和半導(dǎo)體元件可含有整體組合可印刷半導(dǎo)體元件。對于某些應(yīng)用，優(yōu)選使用具有半導(dǎo)體和絕緣體集成結(jié)構(gòu)的組合可印刷半導(dǎo)體元件，因?yàn)檫@樣可以在薄膜晶體管中得到漏電極低的非常高質(zhì)量的介電體-半導(dǎo)體界面。另外，具有半導(dǎo)體和絕緣體集成結(jié)構(gòu)的組合可印刷半導(dǎo)體元件的使用，還可實(shí)現(xiàn)器件組件的有效組裝，而不需要將介電層集成至薄膜晶體管中的旋轉(zhuǎn)涂布步驟。
[0032]在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供能經(jīng)受顯著應(yīng)變而不斷裂的可拉伸半導(dǎo)體元件。本發(fā)明的可拉伸半導(dǎo)體導(dǎo)體元件即使在經(jīng)受顯著應(yīng)變時(shí)也可表現(xiàn)出良好的電子性能，所述應(yīng)變例如大于或等于約0.5 %，優(yōu)選I %，并且更優(yōu)選2 %。對于某些應(yīng)用，本發(fā)明的可拉伸半導(dǎo)體元件還優(yōu)選為柔性的，并從而能沿著一條或多條軸線明顯伸長、撓曲、彎曲或變形。柔性的可拉伸半導(dǎo)體在撓曲、拉伸、收縮、屈曲和/或變形狀態(tài)下也可表現(xiàn)出良好的電子性能。本發(fā)明柔性的可拉伸半導(dǎo)體元件可以是可印刷的，并且可包括具有與其他器件組件——例如介電體、電極和其他半導(dǎo)體——操作性地連接的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的組合半導(dǎo)體元件。本發(fā)明包括具有可拉伸和/或柔性半導(dǎo)體元件的多種電子和/或光電子器件，例如晶體管、二極管、LED、0LED、激光器、微米機(jī)電設(shè)備和納米機(jī)電設(shè)備。
[0033]本發(fā)明的可拉伸半導(dǎo)體元件包括具有支承面的柔性基片和具有彎曲內(nèi)表面的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施方案中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)彎曲內(nèi)表面的至少一部分與柔性基片的支承面聯(lián)結(jié)(bond)。具有彎曲內(nèi)表面的、可用于本發(fā)明的示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。就本說明書而言，“屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”指的是具有由施加力引起的彎曲形態(tài)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可具有一個或多個褶皺區(qū)。屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以盤繞形態(tài)或折皺形態(tài)存在。具有彎曲內(nèi)表面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以以處于應(yīng)變的形態(tài)聯(lián)結(jié)至柔性基片，所述應(yīng)變例如小于約30%，小于約10%或小于I %。
[0034]本發(fā)明可拉伸半導(dǎo)體的彎曲內(nèi)表面可具有任何提供可拉伸性或柔性的輪廓，包括但不限于特征為至少一個凸區(qū)域、至少一個凹區(qū)域或者至少一個凸區(qū)域與至少一個凹區(qū)域相結(jié)合的輪廓。在一個實(shí)施方案中，可拉伸和/或柔性半導(dǎo)體元件的彎曲內(nèi)表面具有特征為基本呈周期波或基本呈非周期波的輪廓。就本說明書而言，周期波和非周期波可為任何二維或三維波形，包括但不限于，正弦波、方波、Aries函數(shù)、高斯波、洛侖茲波、或其任意組合。例如，本發(fā)明的可拉伸半導(dǎo)體元件和柔性元件包括具有彎曲內(nèi)表面的屈曲半導(dǎo)體帶，所述彎曲內(nèi)表面具有特征為沿著帶的長度延伸的的、基本呈周期波的輪廓。該實(shí)施方案的可拉伸半導(dǎo)體元件和柔性元件可沿著帶的長度方向的軸線擴(kuò)展或收縮，并且可沿著一條或多條其他軸線彎曲或變形。
[0035]當(dāng)經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力或者有力施加至半導(dǎo)體元件時(shí)，本發(fā)明這一實(shí)施方案中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的輪廓可發(fā)生改變。因此，示例性的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)改變輪廓的能力使其具有擴(kuò)展、收縮、撓曲、變形和/或彎曲的能力，而不會發(fā)生明顯的機(jī)械損壞、斷裂、或者電性能大大降低。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的彎曲內(nèi)表面可以連續(xù)的方式與支承面聯(lián)結(jié)(即在沿著彎曲內(nèi)表面的幾乎全部點(diǎn)上連接)。或者，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的彎曲內(nèi)表面可以不連續(xù)的方式聯(lián)結(jié)至支承面，其中彎曲內(nèi)表面在沿著彎曲內(nèi)表面的所選定點(diǎn)上與所述支承面聯(lián)結(jié)。
[0036]本發(fā)明還包括含有可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與下述附加集成器件組件相結(jié)合的可拉伸電子器件和/或器件組件，所述附加集成器件組件例如，電觸點(diǎn)、電極、導(dǎo)電層、介電層以及附加半導(dǎo)體層(例如摻雜層、P-N節(jié)等)，它們均具有由柔性基片的支承面所支承的彎曲內(nèi)表面。附加集成器件組件的彎曲內(nèi)表面配置使其即使在經(jīng)受顯著應(yīng)變時(shí)也可表現(xiàn)出良好的電子性能，例如在拉伸或屈曲構(gòu)造中保持電導(dǎo)率或保持與半導(dǎo)體元件絕緣。本發(fā)明這一方面的附加集成器件組件可具有屈曲構(gòu)造，例如上述盤繞或折皺的構(gòu)造，并且可使用與用于制造可拉伸半導(dǎo)體元件相類似的技術(shù)制造。在一個實(shí)施方案中，例如，包括可拉伸半導(dǎo)體元件在內(nèi)的多個可拉伸器件組件是獨(dú)立制造并隨后相互連接起來的?；蛘?，含有半導(dǎo)體的器件可制成平面構(gòu)型，并且隨后對得到的平面器件進(jìn)行處理以使全部或部分器件組件具有彎曲內(nèi)表面。
[0037]本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可含有表現(xiàn)出改善的性能，例如改善的機(jī)械、電、磁和/或光學(xué)性能的可用于多種器件環(huán)境和配置中的異質(zhì)半導(dǎo)體(heterogeneoussemiconductor)元件。異質(zhì)半導(dǎo)體為含有與一種或多種添加劑相結(jié)合的半導(dǎo)體的多組分結(jié)構(gòu)。就本說明書而言，添加劑包括與其所結(jié)合的半導(dǎo)體不同的元素、分子和絡(luò)合物、聚集體及其顆粒，例如具有不同化學(xué)組成和/或物理狀態(tài)(例如晶態(tài)、半晶態(tài)或無定形態(tài))的添加齊U。可用于本發(fā)明這一方面的添加劑包括其他半導(dǎo)體材料、N型和P型摻雜劑(例如砷、硼和銻)、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑、介電材料和導(dǎo)電材料。本發(fā)明的異質(zhì)半導(dǎo)體元件包括具有空間均勻組成的結(jié)構(gòu)，例如均勻摻雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；也包括具有空間不均勻組成的結(jié)構(gòu)，例如含有其濃度在一維、二維或三維上隨空間位置發(fā)生改變的摻雜劑(即在半導(dǎo)體元件中具有空間不均勻的摻雜劑分布)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0038]另一方面，異質(zhì)半導(dǎo)體元件包括具有附加的集成功能器件組件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述附加的集成功能器件組件例如，介電層、電極、電觸點(diǎn)、摻雜接觸層、P-N節(jié)、附加半導(dǎo)體層以及用于電荷束縛(charge confinement)的集成多層堆疊。本發(fā)明這一方面的附加的集成功能器件組件包括含有半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)以及不含半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施方案中，異質(zhì)半導(dǎo)體元件包括功能器件——例如晶體管、二極管或太陽能電池，或能有效地構(gòu)圖、組裝和/或相互連接于基片材料上的多元件功能器件組件。
[0039]可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件的使用為本發(fā)明的制造方法提供了某些優(yōu)點(diǎn)。首先，本發(fā)明“自頂向下”的處理方法實(shí)際上使得任何類型的半導(dǎo)體處理方法，例如空間可控的摻雜，均可在與隨后的下述制造步驟相分離的步驟中進(jìn)行，所述制造步驟為(i)確定半導(dǎo)體元件的空間尺寸以及(ii)將半導(dǎo)體元件組裝至基片上或功能器件中。本發(fā)明方法中將半導(dǎo)體處理步驟與器件和器件組件的組裝及相互連接步驟分離，這使得半導(dǎo)體材料的處理可在對生產(chǎn)含有非常高質(zhì)量的半導(dǎo)體的材料——包括其摻雜區(qū)具有嚴(yán)格確定的濃度和摻雜劑空間分布的單晶半導(dǎo)體以及具有高純度的集成半導(dǎo)體多層堆疊一有益的多種條件下進(jìn)行。例如，半導(dǎo)體處理與器件組件組裝的分離使得半導(dǎo)體處理能在高溫及雜質(zhì)水平高度受控的條件下進(jìn)行。其次，使用含有多個集成器件組件和/或功能器件的異質(zhì)半導(dǎo)體元件便于以利于商業(yè)化的方式有效進(jìn)行功能器件及其陣列的高處理量印刷。例如，使用含有多個相互連接的器件組件的異質(zhì)半導(dǎo)體元件的本發(fā)明器件制造方法減少凈制造步驟數(shù)并且/或者降低生產(chǎn)某些器件所涉及的成本。
[0040]另一方面，本發(fā)明提供通過多種印刷方法，包括干式接觸轉(zhuǎn)印或溶液印刷技術(shù)，將可印刷半導(dǎo)體元件組裝、放置、組織、轉(zhuǎn)印、構(gòu)圖和/或集成至基片上或基片中的方法。本發(fā)明的印刷方法能以基本不影響其電性能和/或機(jī)械特性的方式將一個或多個半導(dǎo)體元件集成至基片上或基片中。并且，本發(fā)明的印刷方法能將半導(dǎo)體元件以選定的空間取向組裝至基片的選定區(qū)域上或區(qū)域內(nèi)。此外，本發(fā)明的印刷方法能將半導(dǎo)體元件和其他器件組件以如下方式集成至基片上和/或基片中，所述方式為，通過在選定的器件組件之間建立良好的導(dǎo)電性、在選定的器件組件之間建立良好的絕緣性，并且/或者在器件組件之間形成良好的空間排列和相對位置關(guān)系而得到高性能的電子和光電子器件。
[0041]在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，通過干式接觸轉(zhuǎn)印法，例如軟光刻微米轉(zhuǎn)印或納米轉(zhuǎn)印法，將半導(dǎo)體元件組裝至基片表面。在一種方法中，將一個或多個可印刷半導(dǎo)體元件與具有一個或多個接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備接觸。接觸面與可印刷半導(dǎo)體元件之間建立的接觸使得半導(dǎo)體元件結(jié)合或連接到接觸面上。任選地，在接觸面與可印刷半導(dǎo)體元件之間建立共形接觸以促進(jìn)這些元件的結(jié)合或連接。置于接觸面上的半導(dǎo)體元件的至少一部分隨后與基片的接受面接觸。任選地，可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備還在其上置有半導(dǎo)體元件的接觸面與接受面的至少一部分之間建立共形接觸?？蛇m應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面與半導(dǎo)體元件的分離將半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印至接受面上，從而將半導(dǎo)體元件組裝至基片的接受面上。在優(yōu)選用于器件制造應(yīng)用場合的一個實(shí)施方案中，將可印刷半導(dǎo)體元件以選定的空間取向置于并且/或者集成至基片的選定區(qū)域內(nèi)。任選地，將轉(zhuǎn)印過程重復(fù)多次以在大面積的基片接受面上進(jìn)行構(gòu)圖。在該實(shí)施方案中，對于各個相繼的構(gòu)圖步驟，將具有可印刷半導(dǎo)體元件的轉(zhuǎn)印模與接受基片的不同區(qū)域接觸。通過這種方式，使得可由單個母晶片(mother wafer)制成的半導(dǎo)體元件對很大面積的接受面進(jìn)行構(gòu)圖。
[0042]本發(fā)明中使用干式接觸轉(zhuǎn)印法的一個優(yōu)點(diǎn)在于可印刷半導(dǎo)體元件的圖案可以在轉(zhuǎn)印并組裝至基片表面上時(shí)保持半導(dǎo)體元件選定的空間取向不變一該空間取向確定圖案。本發(fā)明的這一方面對于如下應(yīng)用場合特別有利，在所述應(yīng)用場合中，多個可印刷半導(dǎo)體元件在嚴(yán)格確定的位置中和相對空間取向上進(jìn)行制造，所述嚴(yán)格確定的位置和相對空間取向直接對應(yīng)于選定的器件配置或器件陣列配置。本發(fā)明的轉(zhuǎn)印方法能轉(zhuǎn)印、放置并組裝可印刷半導(dǎo)體元件和/或含有可印刷半導(dǎo)體元件的功能器件，包括但不限于，晶體管、光波導(dǎo)管、微米機(jī)電系統(tǒng)、納米機(jī)電系統(tǒng)、激光二極管或全成形電路(fully formed circuit)。
[0043]在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供選擇性轉(zhuǎn)印和組裝方法，在該方法中，將所提供的可印刷半導(dǎo)體的一部分而非全部轉(zhuǎn)印并組裝至基片上或基片中。在該實(shí)施方案中，可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備能與所提供的特定的可印刷半導(dǎo)體元件選擇性結(jié)合。例如，可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備可在其具有凹入?yún)^(qū)域和凸起部件的外表面上具有選定的三維凸起圖案。在該實(shí)施方案中，凹入?yún)^(qū)域和凸起部件的位置可設(shè)成僅使選定的可印刷半導(dǎo)體元件與凸起圖案的一個或多個接觸面接觸，并隨后轉(zhuǎn)印及組裝至基片表面上?；蛘?，可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備可具有一個或多個具有選定圖案的結(jié)合區(qū)的接觸面，所述結(jié)合區(qū)例如，具有從接觸面伸展出來的羥基的化學(xué)改性區(qū)和/或具有一層或多層粘合劑表面涂層的區(qū)域。在該實(shí)施方案中，只有那些與接觸面上的結(jié)合區(qū)接觸的半導(dǎo)體元件結(jié)合至轉(zhuǎn)印設(shè)備，并隨后被轉(zhuǎn)印及組裝至基片表面上。本發(fā)明選擇性轉(zhuǎn)印及組裝方法的優(yōu)點(diǎn)在于具有第一組位置和空間取向特征的可印刷半導(dǎo)體元件的第一圖案可用于生產(chǎn)不同于第一圖案、并具有下述第二組位置和空間取向特征的可印刷半導(dǎo)體元件的第二圖案，所述第二組位置和空間取向?qū)?yīng)于選定的器件配置或器件陣列配置。
[0044]本發(fā)明示例性的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備包括干式轉(zhuǎn)印模，例如彈性體轉(zhuǎn)印?；蚪M合多層構(gòu)圖設(shè)備?？捎糜诒景l(fā)明的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備包括含有多個聚合物層的構(gòu)圖設(shè)備，如申請系列號為N0.11/115，954的、于2005年4月27日提交至美國專利和商標(biāo)局的、題為“用于軟光刻法的復(fù)合構(gòu)圖設(shè)備(Composite Patterning Devices for Soft Lithography) ” 的美國專利申請中所述，該專利申請通過引用的方式完整納入本說明書中。一種可用于本發(fā)明方法的示例性構(gòu)圖設(shè)備包括具有低楊氏模量的聚合物層，例如聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)層，對于某些應(yīng)用優(yōu)選具有選自約I微米至約100微米范圍內(nèi)的厚度。使用低模量的聚合物層是有益的，因?yàn)樗峁┠芘c一個或多個可印刷半導(dǎo)體元件——特別是具有彎曲、粗糙、
平整和/或輪廓裸露(contoured exposed)表面的可印刷半導(dǎo)體元件-建立良好的共形
接觸，并能與具有多種表面形態(tài)的基片表面——例如彎曲、粗糙、平整、光滑和/或輪廓基片表面——建立良好的共形接觸的轉(zhuǎn)印設(shè)備。
[0045]任選地，本發(fā)明的轉(zhuǎn)印設(shè)備還可包括具有與內(nèi)表面相對的外表面并具有高的楊氏模量第二層，例如高模量聚合物層、陶瓷層、玻璃層或金屬層。在該實(shí)施方案中，第一聚合物層的內(nèi)表面以及高模量第二層的內(nèi)表面的排列方式使得施加于高模量第二層外表面上的力傳遞給第一聚合物層。在本發(fā)明轉(zhuǎn)印設(shè)備中使用高模量的第二聚合物層(或背襯層)是有益的，因?yàn)樗墒罐D(zhuǎn)印設(shè)備具有足夠大的、能提供良好的結(jié)合、轉(zhuǎn)印及組裝特性的凈抗撓剛度。例如，使用凈抗撓剛度選自約lX10-7Nm至約lX10-5Nm范圍的轉(zhuǎn)印設(shè)備，在其與基片表面建立共形接觸后，將結(jié)合至接觸面的半導(dǎo)體元件和/或其他結(jié)構(gòu)的位置偏差降至最低。使用高模量的剛性背襯層對于在轉(zhuǎn)印過程中防止可印刷半導(dǎo)體元件劣化也是有利的，例如通過防止可印刷半導(dǎo)體層破裂。該特征得到了以高放置準(zhǔn)確度和良好的圖案保真度組裝可印刷半導(dǎo)體元件的方法和設(shè)備。本發(fā)明的轉(zhuǎn)印設(shè)備可含有附加的層，包括聚合物層，以使操縱和維護(hù)簡便并得到良好的熱性能，并使施加于轉(zhuǎn)印設(shè)備的力均勻分布至整個接觸面，如申請系列號為N0.11/115,954的、于2005年4月27日提交至美國專利和商標(biāo)局的、題為“用于軟光刻法的復(fù)合構(gòu)圖設(shè)備(Composite Patterning Devices for SoftLithography) ”的美國專利申請所教導(dǎo)的那樣，所述專利申請通過引用的方式完整納入本說明書中。
[0046]另一種方法是使用“軟粘合(soft adhesion)”的原理支配轉(zhuǎn)印過程。這種情形下，轉(zhuǎn)印元件上表面材料的粘彈性引起取決于剝離速度的剝離力(即可將物體從表面上提起的力)。在高剝離速度下，即使轉(zhuǎn)印元件的靜態(tài)表面能低于基片的靜態(tài)表面能，剝離力也能大到足夠?qū)⑽矬w從基片上移除并使它們轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)印元件上。在低剝離速度下，剝離力較低。在某些實(shí)施方案中，通過使支承著物體陣列的轉(zhuǎn)印元件貼著最終的基片接觸并隨后緩慢地剝離該元件，使這些物體從轉(zhuǎn)印元件轉(zhuǎn)印至基片上。本發(fā)明的使用受控剝離速度的這一方法可與本說明書所述的其他轉(zhuǎn)印方法結(jié)合使用。
[0047]本發(fā)明的轉(zhuǎn)印設(shè)備可具有單個連續(xù)的接觸面或多個不連續(xù)的接觸面。本發(fā)明轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面可由選定的三維凸起圖案確定，所述選定的三維凸起圖案具有選定物理尺寸的凹入?yún)^(qū)域和凸起部件。可用于本發(fā)明的接觸面能通過范德華力、共價(jià)鍵、粘合層、化學(xué)改性區(qū)(例如在其表面上有羥基的區(qū)域)、偶極-偶極力或其結(jié)合與可印刷半導(dǎo)體元件相結(jié)
口 ο
[0048]多種方法可用于促進(jìn)可印刷半導(dǎo)體元件從接觸面向基片表面中或基片表面上的轉(zhuǎn)印。在一個示例性實(shí)施方案中，基片表面與接觸面的表面能的不同有助于轉(zhuǎn)印至基片表面。例如，可有效實(shí)現(xiàn)從包含PDMS層的、具有較低表面能的接觸面轉(zhuǎn)印至具有較高表面能的基片表面，例如聚酰亞胺、聚碳酸酯或聚酯薄膜層。此外，在與待轉(zhuǎn)印的可印刷半導(dǎo)體元件接觸前和/或接觸過程中，可通過加熱使塑料基片表面軟化或部分熔化，從而形成嵌入基片中的半導(dǎo)體元件。先使基片冷卻并變硬，然后再使接觸面與半導(dǎo)體元件分離，這樣有助于有效的轉(zhuǎn)印?；蛘?，基片表面可具有一個或多個化學(xué)改性區(qū)，使基片表現(xiàn)出對半導(dǎo)體元件更強(qiáng)的親和力。例如，改性區(qū)可由一個或多個粘合層覆蓋或被改性，從而使其與半導(dǎo)體元件一起發(fā)生有效的共價(jià)鍵合、范德華引力、偶極-偶極力或其組合，以促進(jìn)有效的轉(zhuǎn)印和組裝?；蛘?，可使部分聚合的聚合物前體與半導(dǎo)體元件或其他器件組件接觸，并隨后聚合，從而形成其中嵌有半導(dǎo)體元件的基片。
[0049]在一個示例性實(shí)施方案中，制成頂面涂有薄的剝離層(release layer)的可印刷半導(dǎo)體元件，所述剝離層包括例如在確定并制造可印刷半導(dǎo)體元件的過程中構(gòu)圖于基片上的用作光掩模的光刻膠層。使可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面與可印刷半導(dǎo)體元件的涂層表面形成共形接觸。剝離層促進(jìn)可印刷半導(dǎo)體元件與轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面的聯(lián)結(jié)。然后使可印刷半導(dǎo)體元件未涂有剝離層的表面與基片的接受面接觸。接下來，通過例如暴露至適當(dāng)?shù)娜軇┮焕绫怀冸x層，從而使可印刷半導(dǎo)體元件與可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備分離。任選地，接受面可涂有一層或多層粘合層以促進(jìn)可印刷半導(dǎo)體元件的轉(zhuǎn)印。
[0050]在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，通過溶液印刷將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片上。就本說明書而言，術(shù)語“溶液印刷”擬指如下方法，該方法將一個或多個結(jié)構(gòu)——例如
可印刷半導(dǎo)體元件-分散至載體介質(zhì)例如載流流體(carrier fluid)或溶劑中，并以預(yù)
定方式傳送至基片表面的選定區(qū)域。在一種示例性的溶液印刷方法中，通過不依賴于進(jìn)行構(gòu)圖的基片表面的形態(tài)和/或物理特性的方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)向基片表面選定區(qū)域的轉(zhuǎn)移。在另一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件保持懸浮于溶劑中直至溶劑蒸發(fā)，或者直至施加的力一一例如靜電力、磁力或由聲波提供的力——將可印刷半導(dǎo)體元件從溶液中分出并傳送至基片的選定區(qū)域。可通過選擇避免過早沉淀所需的可印刷半導(dǎo)體元件適當(dāng)?shù)奈锢沓叽绾唾|(zhì)量實(shí)現(xiàn)該功能。由此可見，本發(fā)明的溶液印刷法實(shí)質(zhì)上不同于某些流體自組裝法，在后者中，懸浮于載體介質(zhì)中的元件由于重力脫離溶液并以符合統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式落入基片的凹入?yún)^(qū)域。
[0051]本發(fā)明的將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片接受面上的方法包括將可印刷半導(dǎo)體元件分散在載體介質(zhì)中，從而形成在載體介質(zhì)中含有半導(dǎo)體元件的懸浮液的步驟。通過將懸浮液溶液印刷至接受面上來將半導(dǎo)體元件傳送至基片上，從而將半導(dǎo)體元件組裝至所述接受面上。在該實(shí)施方案中，溶液印刷可通過多種本領(lǐng)域已知的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，所述技術(shù)包括但不限于，噴墨印刷法、熱轉(zhuǎn)印法以及絲網(wǎng)印刷法。本發(fā)明的溶液印刷法還可采用自組裝調(diào)節(jié)技術(shù)(self assembly alignment technique)。例如,在一個實(shí)施方案中，在具有互補(bǔ)的圖案化疏水區(qū)(例如甲基端基表面基團(tuán))和親水區(qū)(例如羧酸端基表面基團(tuán))的接受面上，調(diào)節(jié)具有圖案化疏水基和親水基的可印刷半導(dǎo)體元件的排列、放置和定位。本發(fā)明的溶液印刷法還可利用含有分散的可印刷半導(dǎo)體元件的液滴的毛細(xì)管作用以實(shí)現(xiàn)排列、放置和定位。
[0052]任選地，多種方法可用于本發(fā)明中以控制半導(dǎo)體元件和/或其他器件組件在基片表面上的取向、排列和選擇性沉積。這些方法使得能夠制造含有多個相互連接的下述器件組件的復(fù)雜的集成電子和光電子器件，所述器件組件具有精確指定的相對位置和空間取向。例如，可利用靜電力、聲波和/或靜磁力以幫助將半導(dǎo)體元件和其他器件組件以選定的空間取向放置于基片表面的特定位置上?；蛘撸稍谶x定區(qū)域中對基片表面本身的特性和/或組成進(jìn)行改性，以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體元件和其他器件組件的精確放置。例如，可對基片表面的選定區(qū)域進(jìn)行化學(xué)改性，以使其表現(xiàn)出對半導(dǎo)體元件的選擇性親和力。此外，可對基片表面的電性能進(jìn)行改性，例如通過在特定的表面區(qū)域形成勢阱，以促進(jìn)可印刷半導(dǎo)體元件和其他器件組件的選擇性集成、取向及排列。
[0053]本發(fā)明的印刷方法具有很多對制造高性能電子和/或光電子器件很重要的優(yōu)點(diǎn)。第一，本發(fā)明的印刷方法能轉(zhuǎn)印并組裝無機(jī)單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，而不會使這些結(jié)構(gòu)經(jīng)受于大到足夠引起明顯損壞或劣化一一例如由于破裂而損壞——的機(jī)械應(yīng)變。第二，本發(fā)明的印刷方法能將一個或多個半導(dǎo)體元件以選定的取向和良好的放置準(zhǔn)確度(即關(guān)于接受面的選定區(qū)域呈良好的空間定位)放置于基片表面的選定區(qū)域，與基片上絕對準(zhǔn)確的取向和位置的空間偏差優(yōu)選小于或等于5微米。第三，本發(fā)明的印刷方法能形成相對于選定的空間配置一例如對應(yīng)于功能器件或器件陣列的空間配置一具有良好的保真度的圖案，所述圖案含有多個半導(dǎo)體元件、其他器件元件、集成功能器件或其任意組合。第四，本發(fā)明的印刷方法可在較低溫度(即低于約400°C的溫度)下實(shí)施，因此與多種基片特別是塑料基片相兼容。最后，本發(fā)明的印刷方法提供了一種制造高性能電子和/或光電子器件的低成本途徑，并且不需要潔凈的室內(nèi)條件。
[0054]本發(fā)明的將可印刷半導(dǎo)體元件組裝、放置、組織、轉(zhuǎn)印、構(gòu)圖和/或集成至基片上或基片中的組成和相關(guān)方法實(shí)際上可用于制造含有一個或多個半導(dǎo)體元件的任何結(jié)構(gòu)。這些方法可特別用于制造復(fù)雜的集成電子或光電子器件或器件陣列，例如二極管、發(fā)光二極管、太陽能電池、晶體管(FET和雙極晶體管)以及薄膜晶體管的陣列。本發(fā)明的組成及相關(guān)方法還可用于制造系統(tǒng)水平的集成電路，例如互補(bǔ)邏輯電路，其中將多個可印刷半導(dǎo)體元件以嚴(yán)格確定的空間取向印刷至基片上，并使其相互連接以形成所需的電路設(shè)計(jì)。在本發(fā)明這一方面的一個實(shí)施方案中，將具有選定的摻雜劑濃度和摻雜劑空間分布的可印刷N型和P型異質(zhì)半導(dǎo)體元件進(jìn)行組裝并使其相互連接以制造復(fù)雜的集成電路。在另一個實(shí)施方案中，將含有不同半導(dǎo)體材料的多個可印刷半導(dǎo)體元件印刷至相同的基片上，并使其相互連接以制造復(fù)雜的集成電路。
[0055]然而，本發(fā)明的組裝方法并不限于半導(dǎo)體。相反，這些方法與多種非半導(dǎo)體材料廣泛兼容?？赏ㄟ^本發(fā)明方法轉(zhuǎn)印并且/或者組裝的材料包括但不限于絕緣材料，例如SiO2 ；連接材料，例如導(dǎo)體；光學(xué)元件，例如有源光學(xué)材料、無源光學(xué)材料和光纖元件；用于傳感的材料以及磁性材料。因此，本發(fā)明方法、設(shè)備及設(shè)備組件可用于制造多種微米級和/或納米級結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)組合件，例如微流體設(shè)備和結(jié)構(gòu)、NEMS設(shè)備和NEMS設(shè)備的陣列、以及MEMS設(shè)備和MEMS設(shè)備的陣列。特別地，本發(fā)明的轉(zhuǎn)印和組裝方法通過順序疊加多個印刷層可用于生產(chǎn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，例如集成電路。
[0056]本發(fā)明的組成以及相關(guān)的制造、組裝和相互連接方法可用于在大面積的多種基片上制造器件，特別是基于半導(dǎo)體的器件。本發(fā)明方法的好處在于它們與在和大多數(shù)柔性基片相適應(yīng)的溫度下進(jìn)行的器件組裝兼容，所述柔性基片包括聚合物材料，例如熱塑性材料、熱固性材料、增強(qiáng)的聚合物材料以及復(fù)合聚合物材料。然而，本發(fā)明方法同樣適用于在剛性和/或脆性基片上進(jìn)行器件制造，所述剛性和/或脆性基片包括陶瓷材料、玻璃、介電材料、導(dǎo)體、金屬和半導(dǎo)體材料。這些方法對在脆性材料上進(jìn)行的器件制造具有適用性是因?yàn)槭褂帽景l(fā)明的印刷方法時(shí)，施加于基片上的力非常小。本發(fā)明的組成及制造方法還與在多種不常用的基片材料上進(jìn)行器件制造相兼容，所述基片材料例如紙質(zhì)、木質(zhì)和橡膠以及輪廓基片，包括彎曲基片、彎曲剛性基片、凹狀基片以及凸?fàn)罨?。例如，本發(fā)明方法能將可印刷半導(dǎo)體元件和其他器件組件(例如電極、介電層、P-N節(jié)等)組裝并集成至曲率半徑在約10微米至約10米的范圍內(nèi)的基片上，所述基片包括剛性和柔性基片。
[0057]另一方面，本發(fā)明的制造方法能將可印刷半導(dǎo)體組件異質(zhì)集成(heterogeneousintergration)至功能基片中。例如,本發(fā)明的印刷方法能將可印刷半導(dǎo)體元件沉積并集成至具有嚴(yán)格確定的半導(dǎo)體區(qū)域、導(dǎo)體區(qū)域和/或絕緣區(qū)域的基片中。本發(fā)明制造方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于可印刷半導(dǎo)體元件可在選定的取向上和位置中以高放置準(zhǔn)確度印刷至功能基片上，例如印刷至集成電路或集成電路的組件上，特別是對于本發(fā)明的干式接觸轉(zhuǎn)印法而言。
[0058]本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可由多種材料制成。制造半導(dǎo)體元件的有用的前體材料包括半導(dǎo)體晶片源，其中又包括大塊的半導(dǎo)體晶片，例如單晶硅晶片、多晶硅晶片、鍺晶片；超薄半導(dǎo)體晶片，例如超薄硅晶片；摻雜半導(dǎo)體晶片，例如P型或N型摻雜晶片以及具有選定的摻雜劑空間分布的晶片(絕緣體晶片上的半導(dǎo)體，例如絕緣體上的硅(例如S1-SiO2, SiGe));以及基片晶片上的半導(dǎo)體，例如基片晶片上的硅以及絕緣體上的硅。此夕卜，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可由使用常規(guī)方法進(jìn)行半導(dǎo)體器件處理所留下的廢料或未使用的高質(zhì)量半導(dǎo)體材料或再處理的半導(dǎo)體材料制成。另外，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可由多種非晶片源制成，所述非晶片源包括例如沉積在犧牲層或基片(例如SiN或SiO2)上并隨后經(jīng)過退火處理的無定形、多晶和單晶半導(dǎo)體材料(例如多晶娃、無定形娃、多晶GaAs和無定形GaAs)的薄膜。
[0059]本發(fā)明還包括制造可印刷半導(dǎo)體元件和柔性半導(dǎo)體元件的方法。這些方法實(shí)現(xiàn)了由多種前體材料——例如絕緣體晶片上的硅、單晶硅晶片、多晶晶體硅薄膜、超薄硅晶片以及鍺晶片——制造可印刷半導(dǎo)體元件以及柔性半導(dǎo)體元件。另外，這些方法能生產(chǎn)具有多種形狀和物理尺寸的可印刷半導(dǎo)體元件。此外，本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)了在嚴(yán)格確定的相對空間取向上進(jìn)行可印刷半導(dǎo)體元件大的陣列/圖案的低成本制造。
[0060]另一方面，本發(fā)明提供將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片的接受面上的方法，包括如下步驟:(I)提供含有無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件；(2)使可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備接觸，其中接觸面與可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將所述可印刷半導(dǎo)體元件結(jié)合或連接至所述接觸面上，從而形成其上置有可印刷半導(dǎo)體元件的接觸面；(3)使置于接觸面上的可印刷半導(dǎo)體元件與基片的接受面接觸；以及(4)使可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面與可印刷半導(dǎo)體元件分離，其中可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印到接受面上，從而將可印刷半導(dǎo)體元件組裝到基片的接受面上。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的該方法還包括如下步驟:(I)提供附加的各自包括無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件；(2)使可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備接觸，其中接觸面與可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將可印刷半導(dǎo)體元件結(jié)合或連接到接觸面上，并形成其上置有可印刷半導(dǎo)體元件的接觸面，所述可印刷半導(dǎo)體元件的相對取向形成選定圖案；(3)使置于接觸面上的可印刷半導(dǎo)體元件與基片的接受面接觸；以及(4)使可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面與可印刷半導(dǎo)體元件分離，其中將可印刷半導(dǎo)體元件以形成所選定圖案的相對取向轉(zhuǎn)印到接受面上。
[0061]另一方面，本發(fā)明提供一種將可印刷半導(dǎo)體元件組裝到基片的接受面上的方法，包括如下步驟:(1)提供含有無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件，其中可印刷半導(dǎo)體元件有至少一個橫截面尺寸大于或等于約500納米；(2)將半導(dǎo)體元件分散在溶劑中，從而形成在溶劑中含有半導(dǎo)體元件的懸浮液；以及(3)通過將懸浮液溶液印刷到接受面上以將半導(dǎo)體元件傳送至基片上，從而將半導(dǎo)體元件組裝到接受面上。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的該方法還包括如下步驟:(I)提供附加的可印刷半導(dǎo)體元件，其中各個附加的可印刷半導(dǎo)體元件有至少一個橫截面尺寸大于或等于約500納米；(2)將半導(dǎo)體元件分散在溶劑中，從而形成在溶劑中含有半導(dǎo)體元件的懸浮液；以及(3)通過將懸浮液溶液印刷到接受面上以將半導(dǎo)體元件傳送至基片上，從而將半導(dǎo)體元件組裝到接受面上。
[0062]另一方面，本發(fā)明提供一種制造可印刷半導(dǎo)體元件的方法，包括如下步驟:(I)提供具有外表面的晶片，所述晶片含有無機(jī)半導(dǎo)體；(2)通過施加掩模遮蔽外表面的選定區(qū)域；(3)對晶片的外表面進(jìn)行蝕刻(可任選各向異性蝕刻(anisotropically etching)),從而在晶片上形成凸起結(jié)構(gòu)和至少一個裸露的晶片表面，其中凸起結(jié)構(gòu)具有遮蔽的側(cè)面和一個或多個未遮蔽的側(cè)面；(4)將掩模施加于凸起結(jié)構(gòu)的未遮蔽側(cè)面的至少一部分上；以及
(5)至少部分蝕刻晶片的裸露表面，從而使凸起結(jié)構(gòu)的一部分與晶片脫離并制造可印刷半導(dǎo)體元件。在該實(shí)施方案中，可通過傾斜沉積法，例如濺射或氣相沉積法，或者通過使外表面上的一部分掩模流至未遮蔽的側(cè)面上而將掩模施加至凸起結(jié)構(gòu)的未遮蔽側(cè)面。
[0063]另一方面，本發(fā)明提供一種制造可印刷半導(dǎo)體元件的方法:包括如下步驟:(I)提供具有外表面的晶片，所述晶片含有半導(dǎo)體；(2)通過施加第一掩模遮蔽外表面的選定區(qū)域；(3)對晶片的外表面進(jìn)行蝕刻(可任選各向異性蝕刻)，從而形成多個凸起結(jié)構(gòu)；(4)對晶片進(jìn)行退火，從而形成退火外表面(annealed external surface) ； (5)通過施加第二掩模遮蔽退火外表面的選定區(qū)域；以及(6)對退火外表面進(jìn)行蝕刻(可任選各向異性蝕刻)，從而形成半導(dǎo)體元件。
[0064]另一方面，本發(fā)明提供一種制造可印刷半導(dǎo)體元件的方法，包括如下步驟:(I)提供具有外表面的超薄晶片，所述晶片含有半導(dǎo)體，并在沿著垂直于外表面的軸上具有選定的厚度；(2)通過施加掩模遮蔽外表面的選定區(qū)域；(3)對晶片的外表面進(jìn)行蝕刻(可任選各向異性蝕刻)，其中在沿著垂直于外表面的軸上的整個厚度內(nèi)對晶片進(jìn)行蝕刻，從而形成可印刷半導(dǎo)體元件。[0065]另一方面，本發(fā)明提供一種制造柔性半導(dǎo)體元件的方法，包括如下步驟:(1)提供具有內(nèi)表面的可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；(2)提供處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)應(yīng)變彈性基片，其中彈性基片具有外表面；以及(3)將可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面聯(lián)結(jié)至處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)應(yīng)變彈性基片的外表面上；并且使彈性基片至少部分松弛到松弛狀態(tài)，其中彈性基片的松弛使得可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面彎曲，從而形成具有彎曲內(nèi)表面的半導(dǎo)體元件。在一個示例性實(shí)施方案中，預(yù)應(yīng)變彈性基片沿著第一軸線、垂直于第一軸線的第二軸線或上述兩條軸線擴(kuò)展。處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)應(yīng)變彈性基片可通過使彈性基片彎曲或?qū)椥曰砥鸲纬?。任選地，本發(fā)明這一方面的方法還可包括將具有彎曲內(nèi)表面的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移至柔性接受基片上的步驟。
[0066]另一方面，本發(fā)明提供一種制造下述可印刷半導(dǎo)體元件的方法，該半導(dǎo)體元件通過一個或多個排列保持元件連接至母晶片上，該方法包括如下步驟:(I)提供具有外表面的母晶片，所述晶片含有無機(jī)半導(dǎo)體材料；(2)通過施加掩模遮蔽外表面的選定區(qū)域；(3)對晶片的外表面進(jìn)行蝕刻，從而使晶片形成凸起結(jié)構(gòu)和至少一個裸露的表面，其中凸起結(jié)構(gòu)具有遮蔽的側(cè)面和一個或多個未遮蔽的側(cè)面；(4)對晶片裸露的表面進(jìn)行蝕刻；以及(5)停止對裸露的結(jié)構(gòu)的蝕刻，以防止凸起結(jié)構(gòu)完全脫離，從而制造通過一個或多個排列保持元件連接至母晶片上的可印刷半導(dǎo)體元件。在該方法的一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件為具有第一端和第二端的花生狀，其中排列保持元件將可印刷半導(dǎo)體元件的第一和第二端連接至母晶片上。在該方法的另一個實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件為具有第一端和第二端的帶狀，其中排列保持元件將可印刷半導(dǎo)體元件的第一和第二端連接至母晶片上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0067]圖1示意性說明了本發(fā)明用于生產(chǎn)和組裝含有單晶硅帶的可印刷半導(dǎo)體元件的一個示例性方法。
[0068]圖2提供了將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片的接受面上的選擇性干式接觸轉(zhuǎn)印法的示意圖。
[0069]圖3A-C是展示可用于本發(fā)明選擇性干式接觸轉(zhuǎn)印法的設(shè)備、設(shè)備配置以及設(shè)備組件的示意圖。圖3D提供了印刷至聚碳酸酯透鏡(FL為100mm)的球形表面上的光電二極管陣列的照片。圖3E提供了印刷至球形玻璃透鏡(FL為1000mm)的彎曲面上的光電二極管陣列的掃描電子顯微照片。圖3E所提供圖像中的對比度被略微增強(qiáng)以顯示P摻雜區(qū)域。圖3F提供了說明圖3E所示的光電二極管的光響應(yīng)的電流(μΑ)_偏壓(伏)曲線。
[0070]圖4Α1和4Α2展示了用于使用干式接觸轉(zhuǎn)印法的本發(fā)明組裝方法的可印刷半導(dǎo)體元件的優(yōu)選形狀。圖4Α1提供了透視圖，圖4Α2提供了俯視圖。圖4Β1和4Β2展示了用于使用干式接觸轉(zhuǎn)印法的本發(fā)明組裝方法的可印刷半導(dǎo)體元件的優(yōu)選形狀。圖4Β1提供了透視圖，圖4Β2提供了俯視圖。
[0071]圖5A-C提供了含有物理尺寸已選定的單晶娃微條(microstrip)的多種可印刷半導(dǎo)體兀件的光學(xué)及掃描電子顯微照片。
[0072]圖6提供了在涂布有PDMS的聚酰亞胺片上含有單晶硅微條的轉(zhuǎn)印的可印刷半導(dǎo)體元件的圖像。
[0073]圖7提供了具有可印刷半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管的光學(xué)顯微圖像。[0074]圖8提供了展示在預(yù)氧化Si晶片上制造的器件的電流-電壓(V)特性的曲線。
[0075]圖9提供了在Vds = 0.1V下測得的展示下述器件傳輸特性的曲線，所述器件在涂有ITO和聚合物電介質(zhì)的聚酯薄膜片柵極(gate)上制成。
[0076]圖10A-H提供了本發(fā)明的用于制造具有組合可印刷半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管陣列的方法的示意圖。
[0077]圖1lA-D提供了本發(fā)明的用于制造含有集成柵電極、柵極絕緣、半導(dǎo)體、源電極和漏電極的可印刷器件的方法的示意圖。
[0078]圖12A至圖12C提供了展示本發(fā)明可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件的原子力顯微照片。
[0079]圖13A至圖13E展示了提供具有彎曲內(nèi)表面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的放大圖的原子力顯微照片。
[0080]圖14A至圖14C展示了本發(fā)明的可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件陣列的原子力顯微照片。
[0081]圖15展示了本發(fā)明的可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件的光學(xué)顯微照片。
[0082]圖16A至圖16B展示了本發(fā)明的可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件的原子力顯微照片，所述半導(dǎo)體元件具有聯(lián)結(jié)至柔性基片上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述柔性基片的支承面上具有三維凸起圖案。
[0083]圖17展示了說明本發(fā)明制造可拉伸半導(dǎo)體元件的示例性方法的流程圖。
[0084]圖18A展示了由S1-Ge epi基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。
[0085]圖18B展示了由大塊硅基片、優(yōu)選單晶硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。
[0086]圖18C展示了由大塊硅基片、優(yōu)選單晶硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的另一種示例性方法。
[0087]圖18D展示了由大塊硅基片、優(yōu)選單晶硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的又一種示例性方法。
[0088]圖18E展示了由超薄硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。
[0089]圖18F展示了由支承基片上的多晶硅薄膜制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。
[0090]圖18G展示了由SiO2基片上的多晶硅薄膜制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。
[0091]圖1SH(I)和18H(2)說明了使用本發(fā)明可印刷半導(dǎo)體元件制造單晶半導(dǎo)體薄膜的方法。
[0092]圖181展示了由GaAs基片制造含有微米線的可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。
[0093]圖18J展示了制造含有單晶硅帶的可印刷半導(dǎo)體元件的一種替代方法。
[0094]圖18K展示了制造含有單晶硅帶的可印刷半導(dǎo)體元件的一種替代方法。
[0095]圖19A至圖19B提供了說明形成GaAs納米線陣列并將其轉(zhuǎn)印至基片上的示例性方法的步驟的示意圖，所述基片包括例如含有涂布了固化聚氨酯(PU)薄層的聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片的塑料基片。
[0096]圖20A提供了由GaAs晶片制得的無支承(free-standing)的GaAs線的掃描電子顯微照片，所述GaAs晶片用孤立的SiO2線條進(jìn)行構(gòu)圖。圖20B-E展示了由蝕刻下述GaAs晶片獲得的單根線的掃描電子顯微照片，所述GaAs晶片用2 μ m寬的SiO2線條進(jìn)行構(gòu)圖。圖20F提供了顯示由本發(fā)明方法制造的線的頂面的平均寬度隨蝕刻時(shí)間變化的曲線圖。[0097]圖21A-G展示了印刷在PDMS和PU/PET基片上的多種GaAs線陣列的圖像。
[0098]圖22A-C展示了 PDMS和PU/PET基片上的InP線陣列的掃描電子顯微照片。
[0099]圖23A提供一個示例性的、含有GaAs線陣列的二接頭二極管器件的示意圖和圖像。圖23B展示了在不同彎曲半徑下記錄的二接頭二極管器件的電流-電壓(1-V)曲線，它表明含有GaAs線陣列的二接頭二極管器件表現(xiàn)出預(yù)期的二極管特性。圖23C展示了在不同彎曲半徑下彎曲后，二接頭二極管器件再次松弛后所測得的電流-電壓(ι-v)曲線。
[0100]圖24提供了說明本發(fā)明的將具有包括磁標(biāo)(magnetic tag)的操縱元件的可印刷半導(dǎo)體元件溶液印刷的示例性方法的示意圖。
[0101]圖25提供了展示使用本發(fā)明的溶液印刷法形成含有可印刷半導(dǎo)體元件的微米結(jié)構(gòu)的有序陣列的數(shù)張光學(xué)圖像，所述可印刷半導(dǎo)體元件具有包括鎳薄層的操縱元件。
[0102]圖26A說明了用于制造本發(fā)明示例性可彎曲薄膜晶體管器件的步驟。圖26B提供了該薄膜晶體管的底柵極器件配置的示意性說明，以及該器件陣列的一部分的高放大率和低放大率光學(xué)圖像。
[0103]圖27A提供了應(yīng)用忽略接觸影響的標(biāo)準(zhǔn)場效應(yīng)晶體管模型所評估的本發(fā)明可彎曲薄膜晶體管的電流電壓特性，結(jié)果表明在飽和段(saturation regime)的有效器件遷移率為140cm2/Vs，在線性段(linear regime)的有效器件遷移率為260cm2/Vs。圖27B提供了在線性刻度(左軸)和對數(shù)刻度(右軸)上作圖表示的幾種器件的傳輸特性。圖27C展示了由本發(fā)明方法制造的幾種可彎曲薄膜晶體管的線性有效遷移率的分布。
[0104]圖28A提供了說明可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件的顯著柔性的溶液澆注帶的高分辨率掃描電子顯微照片(左側(cè)插圖)。圖28中的右側(cè)插圖展示了用于使該研究中所評價(jià)的可彎曲薄膜晶體管彎曲的實(shí)驗(yàn)裝置的圖片。圖28B展示了在受到拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變時(shí)，環(huán)氧樹脂絕緣體電容的小的(?< 1% )線性變化(參見頂部插圖)。圖28B中底部插圖提供了在柵極偏壓與漏極偏壓均為4V時(shí)測得的器件飽和電流的變化。
[0105]圖29A提供了對用于在PET基片上生產(chǎn)含有可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件的晶體管的制造方法的示意性描繪。圖29B展示了具有使用本發(fā)明技術(shù)所制造的異質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件的幾種器件的光學(xué)圖像。
[0106]圖30A展示了對于用來表征接觸阻抗的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件和接觸墊的排列(參見插圖)，R&W隨L變化的歸一化的阻抗曲線。圖30B展示了飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)的測量結(jié)果，該結(jié)果表明使用構(gòu)圖的SOG作為擴(kuò)散勢壘(參見圖29A中的示意圖)將摻雜劑局限于硅中的所需區(qū)域。在圖30B所示的該圖像中，亮紅色表示高的磷濃度。
[0107]圖31A-D展示了對應(yīng)于在環(huán)氧樹脂/ΙΤ0/ΡΕΤ基片上含有可印刷接觸摻雜的硅半導(dǎo)體元件的晶體管的測量結(jié)果。圖31A提供了 L = 7 μ m且W = 200 μ m時(shí)，具有摻雜接觸的單晶硅晶體管在PET基片上的典型的電流-電壓特性。圖31B提供了通道長度從高到低為97 μ m、72 μ m、47 μ m、22 μ m、7 μ m和2 μ m的器件的傳輸曲線(Vd = 0.1V)。通道寬度在各例中均為200微米。圖31C展示了在不同柵極電壓下寬度歸一化的ON狀態(tài)器件阻抗(RmW)隨通道長度L的變化。實(shí)線代表線性擬合。換算結(jié)果與該通道長度范圍內(nèi)對器件性能具有可忽略影響的接觸一致。圖31C中的插圖展示了由圖31C中線性擬合的斜率的倒數(shù)所測定的基片電導(dǎo)[Λ (RmW)/AL].1隨柵極電壓的變化。圖31D展示了對于具有非摻雜(三角形)和摻雜(方形)觸點(diǎn)的器件，其在線性段測得的有效遷移率隨通道長度的變化。[0108]圖32A展示了由未屈曲狀態(tài)的值μ 0eff歸一化的有效器件遷移率隨應(yīng)變(或彎曲半徑)的變化。圖32B提供了經(jīng)數(shù)百次使器件產(chǎn)生O至0.98%的壓縮應(yīng)變的彎曲周期后(至半徑為9.2mm)的歸一化的有效遷移率μ eff/μ 0effO
[0109]圖33提供了使用本發(fā)明的異質(zhì)集成方法制造的、含有直接聯(lián)結(jié)至硅晶片(100)上的氮化鎵微米結(jié)構(gòu)的組合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實(shí)例。
[0110]圖34A提供了示意性說明生產(chǎn)含有可印刷P-N節(jié)的太陽能電池的制造途徑中的處理步驟的工藝流程圖。圖34B展示了由圖34A所示的制造途徑生產(chǎn)的太陽能電池器件配置的示意圖。圖34C展示了照射具有如圖34B所示配置的太陽能電池器件后所觀察到的光電二極管的響應(yīng)。
[0111]圖35A提供了示意性說明生產(chǎn)含有可印刷P摻雜和N摻雜半導(dǎo)體層的替代制造途徑中的處理步驟的工藝流程圖。圖35B展示了使用如圖35A所示的制造途徑所生產(chǎn)的太陽能電池器件的示意圖。圖35C展示了在圖35B中示意性描述的太陽能電池的俯視SEM圖像。圖3?提供了說明圖35C所示太陽能電池的光電二極管響應(yīng)的電流-偏壓曲線。圖35E展示了說明如圖35C所示的太陽能電池的光電二極管響應(yīng)的、對應(yīng)于幾種不同的照射強(qiáng)度的電流-偏壓曲線。
[0112]圖36A展示了說明生產(chǎn)可拉伸薄膜晶體管陣列的示例性方法的工藝流程圖。圖36B提供了處于松弛和拉伸狀態(tài)的可拉伸薄膜晶體管陣列的光學(xué)顯微照片。
[0113]圖37A提供了展示將μ s-Si元件構(gòu)圖至塑料基片上的本發(fā)明處理方法(方法I)的示意圖。圖37Β提供了說明將μ s-Si元件構(gòu)圖至塑料基片上的一種替代的本發(fā)明處理方法(方法II)的示意圖。
[0114]圖38Α展示了用于本發(fā)明方法的稱作花生狀μ s-Si物體的設(shè)計(jì)。圖38Α中的光學(xué)圖像插圖展示了優(yōu)化的HF蝕刻條件，其中通道下的埋層氧化物被除去，而犧牲層的SiO2部分保留下來。圖38Β展示了當(dāng)Si物體在HF溶液中被過度蝕刻時(shí)失去該次序的一個實(shí)例。圖38C、38D、38E和38F展示了描述使用方法I所實(shí)施的各個μ s_Si轉(zhuǎn)印步驟的進(jìn)行的一系列顯微照片。
[0115]圖39A和39B提供了通過3600PDMS印模將μ s_Si選擇性轉(zhuǎn)印至TO/PET片上的光學(xué)圖像。圖39C為涂有Sylgard 184的PET基片的一個片段的光學(xué)顯微照片，其中μ s_Si已與該基片化學(xué)聯(lián)結(jié)并將隨后轉(zhuǎn)印至該基片上。這種方式轉(zhuǎn)印的μ s-Si的更高放大率的圖像示于圖39D中。
[0116]圖40Α說明了根據(jù)使用方法I的轉(zhuǎn)印法使用花生狀μ s-Si所制造的器件的一個示例性器件幾何形狀。圖40B提供了 μ S-Si TFT在多個柵極電壓(Vg = -2.5V至20V)下的1-V曲線。圖40C展示了在恒定的源-漏電壓(Vsd= IV)下測得的傳輸特性，它表明有效遷移率為173cm2/Vs。圖40C中的插圖展示了本發(fā)明實(shí)際器件的光學(xué)顯微照片。
[0117]圖41提供了在聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)基片上制造μ s-GaAs MESFET的方法所涉及的步驟的示意性流程圖。通過各向異性化學(xué)蝕刻由標(biāo)準(zhǔn)(IOO)GaAs晶片制得線狀物。使用彈性體印模的印刷技術(shù)將這些線從晶片上以保持空間組織(即有序陣列)的方式轉(zhuǎn)印至塑料器件基片。PR代表光刻膠。
[0118]圖42A提供了展示在塑料基片(PU/PET)上基于GaAs線的MESFET的幾何形狀的橫截面的示意圖。源/漏電極形成與n-GaAs層的歐姆接觸。圖42B展示了根據(jù)圖41的工藝流程圖制造的在塑料基片上基于GaAs線的兩個MESFET的代表性圖像，各個MESFET均使用10根GaAs線的陣列。圖42C展示了具有數(shù)百個晶體管的2cmX2cmPET片的圖像，它清楚顯示了其柔性。
[0119]圖43A、43B以及43C提供了通道長度為50 μ m、柵極長度為15 4 111的與圖428所示MESFET相似的GaAs MESFET的結(jié)果。圖43A展示了柵極電壓在0.5V至-2.0V之間(步長為0.5V)時(shí)的電流-電壓(漏電極與源電極之間)曲線。圖43B展示了在不同Vds下測得的本發(fā)明GaAs MESFET的傳輸特性(即Ids-Vgs)。圖43C展示了在Vds = 4V時(shí)對(Ids) 1/2-Vgs作圖得到的傳輸曲線，它清楚展示了對MESFET所預(yù)期的線性關(guān)系。
[0120]圖44A和44B展示了以下兩種情況下在柔性PET基片上的基于GaAs線的MESFET的柵極調(diào)制的電流-電壓特性:㈧彎曲前；(B)彎曲至8.4mm彎曲半徑后。圖44C展示了在將屈曲基片松弛至其平的、未屈曲狀態(tài)后，基于GaAs線的MESFET的柵極調(diào)制的電流-電壓特性。圖44D展示了在三個彎曲(具有不同的表面應(yīng)變)/松弛周期內(nèi)，在Vds = 4V且Ves=OV時(shí)的Ids的變化，它表明這些MESFET在經(jīng)過多次使器件的拉伸應(yīng)變在0%至1.20Z0之間變化的屈曲周期后保持完好，它們的性能未顯著改變(< 20% )。
[0121]圖45提供了說明用于塑料基片上的P型底柵薄膜晶體管的本發(fā)明一個示例性器件配置的示意圖。
[0122]圖46提供了說明用于塑料基片上的互補(bǔ)邏輯柵極的本發(fā)明一個示例性器件配置的示意圖。
[0123]圖47提供了說明用于在塑料基片上的頂柵薄膜晶體管的本發(fā)明一個示例性器件配置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0124]參考附圖，相似的數(shù)字指示相似的元件，并且在多個附圖中出現(xiàn)的相同的數(shù)字指代相同的元件。另外，下文中適用如下定義。
[0125]“可印刷”指能轉(zhuǎn)印、組裝、構(gòu)圖、組織和/或集成至基片上或基片中而未使基片暴露于高溫(即在低于或等于約400°C下)的材料、結(jié)構(gòu)、器件組件和/或集成功能器件。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，可印刷材料、結(jié)構(gòu)、器件組件和器件能通過溶液印刷或干式接觸轉(zhuǎn)印方式轉(zhuǎn)印、組裝、構(gòu)圖、組織和/或集成至基片上或基片中。
[0126]本發(fā)明的“可印刷半導(dǎo)體元件”包括能通過使用例如干式接觸轉(zhuǎn)印和/或溶液印刷法組裝和/或集成至基片表面上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件為單晶、多晶或微晶無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)。就本說明書而言，整體結(jié)構(gòu)為具有機(jī)械連接的部件的單塊元件。本發(fā)明的半導(dǎo)體元件可摻雜或不摻雜，可具有選定的摻雜劑空間分布，并且可用多種不同的摻雜劑材料摻雜，例如P型和N型摻雜劑。本發(fā)明包括有至少一個橫截面尺寸大于或等于約I微米的微米級結(jié)構(gòu)可印刷半導(dǎo)體元件，以及有至少一個橫截面尺寸小于或等于約I微米的納米級結(jié)構(gòu)可印刷半導(dǎo)體元件?？捎糜诙喾N應(yīng)用場合的可印刷半導(dǎo)體元件包括對高純度的大塊材料——例如使用常規(guī)的高溫處理技術(shù)所生產(chǎn)的高純度晶體半導(dǎo)體晶片——進(jìn)行“自頂向下”的處理所獲得的元件。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件包括組合結(jié)構(gòu)，所述組合結(jié)構(gòu)具有與至少一個附加的器件組件或結(jié)構(gòu)——例如導(dǎo)電層、介電層、電極、附加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或其任意組合——可操作地連接的半導(dǎo)體。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件包括可拉伸的半導(dǎo)體元件和/或異質(zhì)半導(dǎo)體元件 。
[0127]“橫截面尺寸”指器件、器件組件或材料的橫截面尺寸。橫截面尺寸包括寬度、厚度、半徑以及直徑。例如，帶狀的可印刷半導(dǎo)體元件的特征在于長度和兩個橫截面尺寸:即厚度和寬度。例如，筒形的可印刷半導(dǎo)體元件的特征在于長度和橫截面尺寸直徑(或者半徑)。
[0128]“填充系數(shù)”指兩個元件一例如第一和第二電極一之間的由材料、元件和/或器件組件所占據(jù)的面積百分比。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，第一和第二電極與一個或多個可印刷半導(dǎo)體元件以電接觸方式設(shè)置，所述可印刷半導(dǎo)體元件在第一與第二電極之間提供大于或等于20%的填充系數(shù)，對于某些應(yīng)用優(yōu)選大于或等于50%，并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選大于或等于80%。
[0129]“由基片支承”指的是至少部分存在于基片表面上的結(jié)構(gòu)，或至少部分存在于一個或多個位于其自身與基片表面之間的中間結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)。術(shù)語“由基片支承”還可指部分或完全嵌入基片中的結(jié)構(gòu)。
[0130]“溶液印刷”擬指如下方法，該方法是將一個或多個結(jié)構(gòu)——例如可印刷半導(dǎo)體元
件-分散至載體介質(zhì)中并以預(yù)定(concerted)方式傳送至基片表面的選定區(qū)域。在一種
示例性的溶液印刷方法中，通過不依賴于進(jìn)行構(gòu)圖的基片表面的形態(tài)和/或物理特性的方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)向基片表面選定區(qū)域的傳送?？捎糜诒景l(fā)明的溶液印刷法包括但不限于噴墨印刷法、熱轉(zhuǎn)印法和毛細(xì)管作用印刷法。
[0131]“基本縱向取向”指這樣一種取向:一組元件，例如可印刷半導(dǎo)體元件，其縱向軸線與選定的排列軸線呈基本平行的取向。就該定義而言，與選定的軸線基本平行指的是在絕對平行取向的10度以內(nèi)的取向，更優(yōu)選在絕對平行取向的5度以內(nèi)的取向。
[0132]“可拉伸”指材料、結(jié)構(gòu)、器件或器件組件被拉緊而不發(fā)生斷裂的能力。在一個示例性實(shí)施方案中，可拉伸材料、結(jié)構(gòu)、器件或器件組件可承受大于約0.5%的應(yīng)變而不發(fā)生斷裂，對于某些應(yīng)用優(yōu)選應(yīng)變大于約I %而不發(fā)生斷裂，并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選應(yīng)變大于約3%而不發(fā)生斷裂。
[0133]術(shù)語“柔性”和“可彎曲的”在本說明書中作為同義詞使用，并且均指材料、結(jié)構(gòu)、器件或器件組件變形至彎曲形狀而不發(fā)生引起顯著應(yīng)變一例如定義材料、結(jié)構(gòu)、器件或器件組件破壞點(diǎn)的應(yīng)變——的形變的能力。在一個示例性實(shí)施方案中，柔性材料、結(jié)構(gòu)、器件或器件組件可變形為彎曲形狀而未引起大于或等于約5%的應(yīng)變，對于某些應(yīng)用優(yōu)選大于或等于約I %的應(yīng)變，并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選大于或等于約0.5%的應(yīng)變。
[0134]“半導(dǎo)體”指在非常低的溫度下為絕緣體，而在約300K的溫度下具有明顯的電導(dǎo)率的任何材料。在本說明書中，擬使術(shù)語半導(dǎo)體的使用與微電子和電子器件領(lǐng)域中該術(shù)語的使用相一致?？捎糜诒景l(fā)明的半導(dǎo)體可包括元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。前者例如硅、鍺和金剛石。后者例如第IV族化合物半導(dǎo)體，例如SiC和SiGe ;II1-V族半導(dǎo)體，例如AlSb、AlAs、Aln、AlP、BN、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs, InN 和 InP ;III_V 族三元半導(dǎo)體合金，例如 AlxGa1^xAs ；I1-VI 族半導(dǎo)體，例如 CsSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnSe, ZnS 和 ZnTe ；1-VII半導(dǎo)體CuCl ；IV-VI族半導(dǎo)體，例如PbS、PbTe和SnS ;層半導(dǎo)體，例如PbI2、MoS2和GaSe ;氧化物半導(dǎo)體，例如CuO和Cu20。術(shù)語半導(dǎo)體包括本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體，后者用一種或多種選定的材料摻雜，包括具有P型摻雜材料和η型摻雜材料的半導(dǎo)體，以提供對給定應(yīng)用或器件有益的電性能。術(shù)語半導(dǎo)體包括含有半導(dǎo)體和/或摻雜劑的混合物的復(fù)合材料。對于本發(fā)明的某些應(yīng)用而言可使用的具體半導(dǎo)體材料包括但不限于S1、Ge、SiC, Α1Ρ、AlAs,AlSb, GaN, GaP、GaAs, GaSb, InP、InAs, GaSb, InP、InAs, InSb, ZnO、ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe,ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, PbS、PbSe、PbTe、AlGaAs、AlInAs、AllnP、GaAsP、GaInAs,GaInP、AlGaAsSb、AlGaInP和GalnAsP。多孔硅半導(dǎo)體材料可用于本發(fā)明在傳感器和發(fā)光材料——例如發(fā)光二極管(LED)和固態(tài)激光器——領(lǐng)域中的應(yīng)用。半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)為除了半導(dǎo)體材料本身或者引入半導(dǎo)體材料中的任何摻雜劑以外的原子、元素、離子和/或分子。雜質(zhì)為存在于半導(dǎo)體材料中的、可能對半導(dǎo)體材料的電性能造成負(fù)面影響的不希望有的材料，包括但不限于氧、碳及金屬(包括重金屬)。重金屬雜質(zhì)包括但不限于元素周期表上銅和鉛之間的元素、鈣、鈉及其所有離子、化合物和/或絡(luò)合物。金是顯著降低半導(dǎo)體電性能的一種具體的重金屬雜質(zhì)。
[0135]“塑料”指的是通常能在加熱時(shí)模塑或成型并能硬化為所需形狀的任何合成或天然材料或材料的組合?？稍诒景l(fā)明設(shè)備和方法中使用的示例性塑料包括但不限于聚合物、樹脂和纖維素衍生物。在本說明書中，術(shù)語塑料擬包括含有一種或多種塑料以及一種或多種添加劑的復(fù)合塑料，所述添加劑包括例如結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑、填充劑、纖維、增塑劑、穩(wěn)定劑或可提供所需化學(xué)或物理性能的添加劑。
[0136]“介電體”和“介電材料”在本說明書中用作同義詞，并且均指對電流的流動具有高阻抗的物質(zhì)。可用的介電材料包括但不限于Si02、Ta205、Ti02、Zr02、Y203、SiN4、ST0、BST、PLZT、PMN 和 PZT。
[0137]“聚合物”是指包含多個重復(fù)化學(xué)基團(tuán)的分子，所述重復(fù)化學(xué)基團(tuán)通常稱為單體。聚合物通常具有高分子量的特征?？捎糜诒景l(fā)明的聚合物可以是有機(jī)聚合物或無機(jī)聚合物，并且可以處于無定形、半無定形(sem1-amorphous)、結(jié)晶或部分結(jié)晶狀態(tài)。聚合物可以包含具有相同化學(xué)組成的單體，或者可以包含具有不同化學(xué)組成的多種單體，例如共聚物。具有相連的單體鏈的交聯(lián)聚合物對于本發(fā)明的一些應(yīng)用而言特別有用?？捎糜诒景l(fā)明的方法、設(shè)備和設(shè)備組件中的聚合物包括，但不限于，塑料、彈性體、熱塑性彈性體、彈性塑料、熱固性塑料、熱塑性塑料以及丙烯酸酯。示例性的聚合物包括，但不限于，縮醛聚合物、可生物降解聚合物、纖維素聚合物(cellulosic polymer)、含氟聚合物、尼龍、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亞胺聚合物、聚酰亞胺、多芳基化合物、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亞胺、聚乙烯、乙烯共聚物以及改性聚乙烯、聚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚苯醚以及聚苯硫醚、聚鄰苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯樹脂、砜基樹脂、乙烯基樹脂或上述聚合物的任意組合。
[0138]“彈性體”指的是能夠被拉伸或變形，并能夠沒有實(shí)質(zhì)性永久變形地回復(fù)原形的聚合物材料。彈性體通常發(fā)生基本上彈性的變形?？捎糜诒景l(fā)明的示例性的彈性體可包括聚合物、共聚物、組合材料，或聚合物與共聚物的混合物。彈性體層指的是包括至少一種彈性體的層。彈性體層也可包括摻雜劑或其它非彈性體材料?？捎糜诒景l(fā)明的彈性體可包括，但不限于，熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、合成橡膠、PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅氧烷。[0139]術(shù)語“電磁輻射”指的是電場和磁場波?？捎糜诒景l(fā)明方法的電磁輻射包括，但不限于，伽馬射線、X射線、紫外光、可見光、紅外光、微波、無線電波或這些電磁輻射的任意組合。[0140]“良好的電子性能”和“高性能”在本說明書中用作同義詞，并且均指器件和器件組件具有提供所需功能——例如電信號轉(zhuǎn)換和/或放大——的電子特性，例如場效應(yīng)遷移率、閾電壓和開關(guān)比。具有良好的電子性能的本發(fā)明的示例性可印刷半導(dǎo)體元件可具有大于或等于lOOcn^fiT1的本征場效應(yīng)遷移率，對于某些應(yīng)用優(yōu)選大于或等于約SOOcm2V-1S'具有良好的電子性能的本發(fā)明的示例性晶體管可具有大于或等于約IOOcm2V-1S-1的器件場效應(yīng)遷移率，對于某些應(yīng)用優(yōu)選大于或等于約300(^2^1^,并且對于某些應(yīng)用更優(yōu)選大于或等于約SOOcm2V-1S'具有良好的電子性能的本發(fā)明示例性晶體管可具有小于約5伏的閾電壓和/或大于約IXlO4的開關(guān)比。
[0141]“大面積”指大于或等于約36平方英寸的面積，例如用于器件制造的基片接受面的面積。
[0142]“器件場效應(yīng)遷移率”指的是采用對應(yīng)于電子器件的輸出電流數(shù)據(jù)計(jì)算出的電子器件——例如晶體管——的場效應(yīng)遷移率。
[0143]“共形接觸”指的是在表面、涂布的表面、和/或其上沉積有材料的表面之間建立的接觸，所述接觸可用于將結(jié)構(gòu)(例如可印刷半導(dǎo)體元件)轉(zhuǎn)印、組裝、組織以及集成至基片表面上。一方面，共形接觸涉及可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的一個或多個接觸面對基片表面的總體形狀的宏觀適應(yīng)。另一方面，共形接觸涉及可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的一個或多個接觸面對基片表面的微觀適應(yīng)，所述微觀適應(yīng)導(dǎo)致沒有空隙的密切接觸。擬使術(shù)語共形接觸與其在軟光刻領(lǐng)域中的使用一致。共形接觸可以在可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的一個或多個裸露接觸面與基片表面之間建立?；蛘撸残谓佑|可以在可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的一個或多個涂布的接觸面與基片表面之間建立，所述涂布的接觸面包括例如其上沉積有轉(zhuǎn)印材料、可印刷半導(dǎo)體元件、器件組件和/或器件的接觸面?；蛘?，共形接觸可以在可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備的一個或多個裸露的或涂布的接觸面與涂布有材料的基片表面之間建立，所述材料例如轉(zhuǎn)印材料、固體光致抗蝕劑、預(yù)聚物層、液體、薄膜或流體。
[0144]“放置準(zhǔn)確度”指的是轉(zhuǎn)印方法或設(shè)備將可印刷元件例如可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印至選定位置的能力，所述選定位置或者相對于其他器件組件的位置，例如相對于電極的位置，或者相對于接受面的選定區(qū)域?！傲己玫姆胖谩睖?zhǔn)確度指的是方法和設(shè)備能將可印刷元件轉(zhuǎn)印至相對于另一個器件或器件組件或相對于接受面的選定區(qū)域所選擇的位置，該位置與絕對準(zhǔn)確位置的空間偏差小于或等于50微米，對于某些應(yīng)用更優(yōu)選小于或等于20微米，并且對于某些應(yīng)用進(jìn)一步更優(yōu)選小于或等于5微米。本發(fā)明提供含有至少一個以良好的放置準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)印的可印刷元件的器件。
[0145]“保真度”指的是將元件的選定圖案——例如可印刷半導(dǎo)體元件的圖案——轉(zhuǎn)印至基片接受面的優(yōu)劣程度的度量。良好的保真度是指元件選定圖案的如下轉(zhuǎn)印，在所述轉(zhuǎn)印中，單個元件的相對位置和取向保持不變，例如在轉(zhuǎn)印中單個元件與其在選定圖案中的位置的空間偏差小于或等于500納米，更優(yōu)選小于或等于100納米。
[0146]“楊氏模量”是材料、設(shè)備或?qū)拥囊环N機(jī)械特性，它指的是一種給定物質(zhì)的應(yīng)力與應(yīng)變之比。楊氏模量可表示為:[0147]
/ \
(應(yīng)力)L0 F
E = / - \ " -? X 一 ；(lf\
(jS 變)KL A 'w
V/
[0148]其中E是楊氏模量，L0是平衡長度，AL是施加應(yīng)力后的長度變化，F(xiàn)是施加的力，A是力的施加面積。楊氏模量也可通過下式用拉梅(Lame)常數(shù)表示:
[0149]E=_
Λ + μ
[0150]其中λ和μ是拉梅常數(shù)。高楊氏模量(或“高模量”)和低楊氏模量(或“低模量”)是給定的材料、層或設(shè)備的楊氏模量大小的相對描述語。在本發(fā)明中，高楊氏模量大于低楊氏模量，在某些應(yīng)用中優(yōu)選大于約10倍，在其它應(yīng)用中更優(yōu)選大于約100倍，在另外的應(yīng)用中進(jìn)一步優(yōu)選大于約1000倍。
[0151]在以下敘述中，為了提供對本發(fā)明的確切實(shí)質(zhì)的詳盡解釋，提出了本發(fā)明的設(shè)備、設(shè)備組件和方法的大量具體細(xì)節(jié)。然而對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯的是，本發(fā)明可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。
[0152]本發(fā)明提供用于制造可 印刷半導(dǎo)體元件并將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片表面上的方法和設(shè)備。本發(fā)明提供多種可印刷的半導(dǎo)體元件，包括單晶無機(jī)半導(dǎo)體、含有與一個或多個其他器件組件操作性地連接的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的組合半導(dǎo)體元件、以及可拉伸半導(dǎo)體元件。本發(fā)明的方法、設(shè)備和設(shè)備組件能生產(chǎn)高性能的電子和光電子器件及器件陣列，例如柔性塑料基片上的薄膜晶體管。
[0153]圖1以圖解的方式說明了本發(fā)明用于生產(chǎn)和組裝含有單晶硅帶的可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。該方法首先提供具有單晶硅薄層105、Si02隱埋層107以及Si操縱層108的娃絕緣體(silicon-on-1nsulator, SOI)基片100。任選地,如果在單晶娃薄層105上有表面自然氧化層，可通過例如將SOI基片100的表面暴露于稀釋的(1% )HF而除去表面自然氧化層。充分剝離自然氧化層后，遮蔽SOI基片100外表面110的選定區(qū)域，從而在外表面110上形成掩模元件的圖案120、遮蔽區(qū)域125和裸露的表面區(qū)域127。在圖1所示的實(shí)施方案中，用矩形的Al/Au表面層在外表面110上構(gòu)圖，所述矩形的Al/Au表面層提供能防止外表面110的遮蔽區(qū)125受到蝕刻的掩模元件120。掩模元件120可具有任意尺寸和形狀，所述形狀包括但不限于方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形或這些形狀的任意組合。在一個示例性的實(shí)施方案中，使用微米接觸印刷、納米接觸印刷技術(shù)或光刻技術(shù)以及蝕刻法(對于Au為TFA ;對于Al為預(yù)混有AL-1l的Cyantec蝕刻劑)制成提供所需幾何形狀的掩模兀件的Al/Au層。含有金屬薄膜的掩模兀件的沉積可通過電子束蒸發(fā)器例如TemescalBJD1800 實(shí)現(xiàn),例如通過先沉積 Al (20nm ；0.lnm/s)再沉積 Au (IOOnm ；lnm/s)。
[0154]對SOI基片100的外表面110進(jìn)行向下的各向異性蝕刻。如圖1所示，雖然材料從裸露的表面區(qū)127被選擇性移除，但掩模元件120防止了對遮蔽區(qū)125的蝕刻，從而形成含有單晶硅結(jié)構(gòu)的多個凸起的部件140，所述單晶硅結(jié)構(gòu)具有略微傾斜的側(cè)壁141。在一個凸起部件具有厚度147為約100納米的側(cè)壁141的示例性實(shí)施方案中，將裸露的表面區(qū)域127暴露于氫氧化四甲銨(TMAH)中約3.5分鐘。在該實(shí)施方案中，蝕刻步驟在具有Al/Au掩模元件120的單晶硅凸起部件140上形成光滑的側(cè)壁，優(yōu)選與平均表面位置的偏差小于10納米。當(dāng)例如使用濃縮(49% )的HF使下面的SiO2層107部分或完全地被各向同性蝕刻掉時(shí)，凸起部件140可從基片100上剝離。凸起部件140的剝離形成含有分立的單晶硅結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件150，所述結(jié)構(gòu)有一個表面被掩模元件覆蓋。掩模元件120，即本實(shí)例中的Al/Au層，可被移除或直接集成至最終的器件結(jié)構(gòu)中，例如作為薄膜晶體管中的源電極和漏電極。如圖1所示，可以通過干式接觸轉(zhuǎn)印技術(shù)(如箭頭166所示)或通過溶液澆注法(如箭頭165所示)將可印刷半導(dǎo)體元件150組裝至基片(例如塑料基片)表面的接受面160上。兩種組裝方法均可在室溫下于周圍環(huán)境中進(jìn)行，因此它們均可與多種基片相兼容，包括低成本的柔性塑料基片。
[0155]使用干式接觸轉(zhuǎn)印法組裝可印刷半導(dǎo)體元件，具有在可印刷半導(dǎo)體元件從SOI基片上剝離以前即可利用其已知的取向和位置的優(yōu)勢。在這種情形下，使用與軟光刻轉(zhuǎn)印技術(shù)類似的工藝將可印刷半導(dǎo)體元件從SOI上移至(在蝕刻掉SiO2之后，但在剝離硅之前)器件基片上所需位置。具體而言，可適應(yīng)彈性體轉(zhuǎn)印元件將物體從SOI表面提起并將其轉(zhuǎn)印至所需基片。類似地，使用在目標(biāo)基片表面上限定的接收墊通過金的冷焊可將可印刷半導(dǎo)體元件直接轉(zhuǎn)印至薄的塑料基片上。
[0156]在一個示例性方法中，至少一部分可印刷半導(dǎo)體元件150與可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備175的接觸面170形成共形接觸，從而將可印刷半導(dǎo)體元件150的至少一部分聯(lián)結(jié)至接觸面170上，所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備175包括例如彈性體轉(zhuǎn)印模、聚合物轉(zhuǎn)印設(shè)備或復(fù)合聚合物轉(zhuǎn)印設(shè)備。置于可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備175的接觸面170上的可印刷半導(dǎo)體元件150優(yōu)選以在接觸面170與基片接受面160之間建立共形接觸的方式與基片的接受面160接觸。將接觸面從與基片接受面160接觸的可印刷半導(dǎo)體元件150上分離，從而將可印刷半導(dǎo)體元件150組裝至接受面上。本發(fā)明的該實(shí)施方案能在嚴(yán)格確定的位置、以嚴(yán)格確定的空間取向在接受面上形成可印刷半導(dǎo)體元件的圖案。在圖1所示的實(shí)施方案中，可印刷半導(dǎo)體元件150可與基片接受面160上的金墊162操作性地連接。
[0157]圖2提供了說明將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片的接受面上的選擇性干式接觸轉(zhuǎn)印法的示意圖。在母片305上將多個可印刷半導(dǎo)體元件300制成可印刷半導(dǎo)體元件300的第一圖案310，所述第一圖案310的特征是具有嚴(yán)格確定的位置和空間取向。使具有接觸面320的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備315與母片305上的可印刷半導(dǎo)體元件300的至少一部分形成共形接觸，所述接觸面320具有多個分立的結(jié)合區(qū)325。接觸面320上的結(jié)合區(qū)325的特征為對可印刷半導(dǎo)體元件310具有親和力，并且結(jié)合區(qū)325可為化學(xué)改性區(qū)，例如具有自PDMS層表面上伸出的羥基的區(qū)域，或涂有一層或多層粘合層的區(qū)域。共形接觸將與結(jié)合區(qū)325接觸的可印刷半導(dǎo)體元件310的至少一部分轉(zhuǎn)印至接觸面320上。使轉(zhuǎn)印至接觸面320上的可印刷半導(dǎo)體元件310與基片335的接受面330接觸，所述基片335可為柔性基片，例如塑料基片。隨后將半導(dǎo)體元件310與接觸面320分離，導(dǎo)致半導(dǎo)體元件310組裝至基片335的接受面330上，從而形成可印刷半導(dǎo)體元件340的第二圖案，所述第二圖案的特征在于不同于可印刷半導(dǎo)體元件340的第一圖案的嚴(yán)格確定的位置和空間取向。如圖2所示，殘留在母片305上的可印刷半導(dǎo)體元件340的特征在于可印刷半導(dǎo)體元件的第三圖案345，所述第三圖案345不同于可印刷半導(dǎo)體元件的第一和第二圖案。使用本發(fā)明的印刷方法，包括選擇性干式轉(zhuǎn)印法，可將形成第三圖案345的可印刷半導(dǎo)體元件340隨后轉(zhuǎn)印和/或組裝至基片335或另一個基片上。[0158]圖3A-C是展示可用于本發(fā)明選擇性干式接觸轉(zhuǎn)印法的設(shè)備、設(shè)備配置以及設(shè)備組件的示意圖。圖3A示出了母片305上的多個可印刷半導(dǎo)體元件300，其中選定的可印刷半導(dǎo)體元件300具有一層或多層粘合層350。如圖3A所示，粘合層350具有嚴(yán)格確定的圖案。圖3B示出了具有接觸面320的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備315，所述接觸面320具有形成嚴(yán)格確定的圖案的多個分立的結(jié)合區(qū)325。圖3C示出了具有三維凸起圖案355的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備315，所述三維凸起圖案355含有圖案嚴(yán)格確定的凸起部件360。在圖3C所示的實(shí)施方案中，凸起圖案355提供了可任選涂有一層或多層粘合層的多個接觸面320。粘合層350、結(jié)合區(qū)325以及凸起部件360的圖案優(yōu)選對應(yīng)于器件配置或器件陣列配置一例如薄膜晶體管陣列配置一中的可印刷半導(dǎo)體元件300的相對位置和空間取向。
[0159]使用干式轉(zhuǎn)印法可在本發(fā)明中用于將可印刷半導(dǎo)體元件組裝、組織以及集成至具有多種組成和表面形態(tài)一包括彎曲面一的基片上。為證實(shí)本發(fā)明方法和組成的上述功能能力，使用彈性體印模通過干式轉(zhuǎn)印法將含有半導(dǎo)體元件的硅光電二極管直接(即無粘合劑)印刷至多種光學(xué)透鏡的彎曲面上。圖3D提供了印刷至聚碳酸酯透鏡(FL為100mm)的球形表面上的光電二極管陣列的照片。圖3E提供了印刷至球形玻璃透鏡(FL為1000mm)的彎曲面上的光電二極管陣列的掃描電子顯微照片。圖3E所提供圖像中的對比度被略微增強(qiáng)以顯示P摻雜區(qū)域。圖3F提供了說明圖3E所示的光電二極管的光響應(yīng)的電流(μΑ)_偏壓(伏)曲線。
[0160]圖4Α1和4Α2展示了用于使用干式接觸轉(zhuǎn)印法的本發(fā)明組裝方法的可印刷半導(dǎo)體元件的優(yōu)選形狀。圖4Α1提供了透視圖，圖4Α2提供了俯視圖?？捎∷雽?dǎo)體元件包括沿著中心縱軸線502延伸的帶狀物500，所述帶狀物500具有第一端505、中心區(qū)510和第二端515。如圖4Α所述，帶狀物500的寬度沿著其長度方向選擇性變化。具體而言，第一端505和第二端515比中心區(qū)510寬。在一個示例性方法中，帶狀物500通過對母片520進(jìn)行蝕刻形成。在該實(shí)施方案中，將母片各向同性暴露于蝕刻劑，直至帶狀物500僅通過兩個排列保持元件連接至母片520，所述排列保持元件包括鄰近第一端505和第二端515的犧牲層525。在制造過程中，這時(shí)停止蝕刻處理，并使帶狀物500與可適應(yīng)轉(zhuǎn)印設(shè)備接觸和/或聯(lián)結(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)印設(shè)備從母片520上移走時(shí)，犧牲層525斷裂并且?guī)钗?00脫離。該方法還可適用于對具有如圖4所示形狀的多個可印刷半導(dǎo)體元件的干式接觸轉(zhuǎn)印。本發(fā)明該方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于可在轉(zhuǎn)印、組裝和集成步驟中精確保持母片520上多個帶狀物500的取向和相對位置。對于?2um至IOOum的帶狀物寬度而言，犧牲層厚度的示例性范圍為?Ium至?lOOnm。有趣的是，帶的斷裂通常發(fā)生在物體的末端(非?？拷鼛钗镞B接至母晶片上的點(diǎn)/邊)。寬的帶狀物在脫離并與印模聯(lián)結(jié)的過程中通常不發(fā)生變形。
[0161]圖4B1和4B2展示了用于使用干式接觸轉(zhuǎn)印法的本發(fā)明組裝方法的可印刷半導(dǎo)體元件的優(yōu)選形狀。圖4B1提供了透視圖，圖4B2提供了俯視圖。可印刷半導(dǎo)體元件包括沿著平行的中心縱軸線528延伸的帶狀物527。帶狀物527通過排列保持元件530固定于選定的位置和取向上，所述排列保持元件530將帶狀物沿著中心縱軸線528的至少一端連接至母片529上。在對帶狀物527進(jìn)行構(gòu)圖的過程中通過不確定帶狀物沿其中心縱軸線的一端或兩端來制造排列保持兀件530。在帶狀物與轉(zhuǎn)印設(shè)備的接觸面接觸并隨后從母片520上移走后，排列保持元件530斷裂并且?guī)钗?27脫離。
[0162]為通過溶液印刷實(shí)現(xiàn)組裝，將可印刷半導(dǎo)體元件150的至少一部分分散于載體介質(zhì)中，從而形成在載體介質(zhì)中含有半導(dǎo)體元件150的懸浮液190。通過將懸浮液溶液印刷至基片的接受面160上而將可印刷半導(dǎo)體元件150傳送至基片并實(shí)現(xiàn)組裝。溶液印刷可通過本領(lǐng)域已知的多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括但不限于噴墨印刷法、熱轉(zhuǎn)印法以及絲網(wǎng)印刷法。在圖1所示的實(shí)施方案中，將可印刷半導(dǎo)體元件150操作性地連接至位于基片的接受面160上的金墊162。
[0163]圖5A-C提供了多種可印刷半導(dǎo)體元件150的光學(xué)及掃描電子顯微照片，所述可印刷半導(dǎo)體元件150含有物理尺寸已選定的單晶硅微條?？捎∷雽?dǎo)體元件以乙醇懸浮液的形式和澆注于多種類型的基片上的形式示出。圖5A示出了硅棒(寬2微米；厚2微米；長?15毫米)的溶液澆注纏繞網(wǎng)的光學(xué)顯微照片。插入的圖像示出了分散于乙醇溶液中的可印刷硅條(約有一千萬)。圖5B中低分辨率的SEM圖像說明了溶液澆注至裸露的硅晶片上的某些平微條(厚340納米；寬5微米；長?15毫米)的機(jī)械柔性范圍。圖5C示出了這些物體中某一個的高分辨率SEM圖像。注意由各向同性濕式蝕刻工藝所生產(chǎn)的極光滑的側(cè)壁。
[0164]線狀、小板狀和盤狀的可印刷半導(dǎo)體元件也可使用本發(fā)明方法形成。通過使用大面積的軟光刻技術(shù)，可以在單個低成本工藝序列中生產(chǎn)大量(即上十億)的橫向尺寸低至50nm并具有幾乎任意幾何形狀的可印刷半導(dǎo)體元件。還可通過本發(fā)明方法制得橫向尺寸小至20納米的可印刷半導(dǎo)體元件。對于在柔性電子系統(tǒng)中的薄膜晶體管中的應(yīng)用，含有又長(?10微米)又窄(?I微米)的單晶硅條的可印刷半導(dǎo)體元件非常有用。
[0165]圖6提供了轉(zhuǎn)印于涂有PDMS的聚酰亞胺片上的含有單晶硅微條的可印刷半導(dǎo)體元件的圖像，所述聚酰亞胺片的厚度為約25微米。頂部插入的圖片說明了該系統(tǒng)本身的柔性。底部插入的圖片示出了冷焊于涂有薄的Ti/Au的聚酯薄膜片上的可印刷密集硅微條(25微米寬，間隔?2微米)的俯視顯微照片。如圖6所示，含有硅微條的可印刷半導(dǎo)體元件以受控制的取向被整齊排列并轉(zhuǎn)印。經(jīng)掃描電子顯微鏡仔細(xì)檢查后未觀察到由組裝引起的可印刷半導(dǎo)體元件的破裂，即使當(dāng)基片顯著屈曲時(shí)，也未觀察到上述情形。使用Au涂布的聚酯薄膜片獲得(無需彈性體層)了相似的結(jié)果，如底部插入的顯微圖片所示。以該方式可獲得近100%的覆蓋密度。
[0166]本發(fā)明還提供包括半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的組合可印刷半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)操作性地連接至一個或多個其他器件組件，例如介電元件、導(dǎo)電元件(即電極)或附加半導(dǎo)體元件。本發(fā)明可特別用于制造薄膜晶體管的示例性的可印刷半導(dǎo)體元件包括集成的半導(dǎo)體和介電元件。這樣的組合可印刷半導(dǎo)體元件提供了具有高質(zhì)量的、不漏的介電體的晶體管，并且不需要為了制造薄膜晶體管中的介電元件而使用獨(dú)立的旋涂步驟。此外，使用組合可印刷半導(dǎo)體元件實(shí)現(xiàn)了通過低成本的印刷技術(shù)在大的基片面積上進(jìn)行有效的器件制造。
[0167]下述參考文獻(xiàn)涉及自組裝技術(shù)，該技術(shù)可在本發(fā)明方法中用于使可印刷半導(dǎo)體元件通過接觸印刷和/或溶液印刷技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)印、組裝和相互連接，所述參考文獻(xiàn)有:(I) “Guided molecular self-assembly:a review of recent efforts”，Jiyun C HuieSmart Mater.Struct.(2003) 12,264-271;(2)“Large-Scale Hierarchical Organizationof Nanowire Arrays for Integrated Nanosystems，，，Whang, D.；Jin, S.；ffu, Y.；Lieber,C.M.Nano lett.(2003)3(9), 1255-1259 ; (3) “Directed Assembly of One-DimensionalNanostructures into Functional Networks”，Yu Huang,Xiangfeng Duan,Qingqiao Wei和 Charles M.Lieber，Science (2001) 291，630-633 ;以及(4) “Electric-field assistedassembly and alignment of metallic nanowires，，,Peter A.Smith 等，Appl.Phys.Lett.(2000)77(9)，1399-1401。
[0168]本申請所引用的全部參考文獻(xiàn)特此通過引用的方式以不與本申請所公開內(nèi)容矛盾的程度完整納入本說明書中。將本申請所提供的某些參考文獻(xiàn)通過引用的方式納入，以提供有關(guān)原料、附加原料、附加試劑、附加合成方法、附加分析方法和本發(fā)明其它用途的來源的細(xì)節(jié)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯的是，除了本說明書所具體公開的方法、器件、器件元件、材料、工藝和技術(shù)以外，其他的方法、器件、器件元件、材料、工藝和技術(shù)亦可用于實(shí)施本說明書所概括公開的本發(fā)明，而無需借助過多的實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明擬涵蓋本說明書所具體公開的方法、器件、器件元件、材料、工藝和技術(shù)的所有本領(lǐng)域已知的功能等同物。
[0169]分別于2004年6月4日、2004年8月11日、2005年2月4日、2005年3月18日以及 2005 年 5 月 4 日提交的美國專利申請 N0.60/577，077,N0.60/601，061、Νο.60/650，305、N0.60/663, 391和N0.60/677, 617特此通過引用的方式以不與本申請所公開內(nèi)容矛盾的程度完整納入本說明書中。
[0170]當(dāng)本說明書公開了一組材料、組成、組件或化合物時(shí)，應(yīng)理解為這些組的所有單獨(dú)的成員以及這些組的所有亞組(subgroup)也被分別公開。當(dāng)本說明書使用馬庫什組或其他分組方式時(shí)，擬將該組所有的單獨(dú)成員以及該組所有可能的組合及亞組合(subcombination)包括在公開內(nèi)容中。除非另有聲明，本說明書所述或例舉的組件的各種組合均可用于實(shí)施本發(fā)明。在本說明書中只要給出一個范圍，例如溫度范圍、時(shí)間范圍或組成范圍，則該范圍所包括的全部中間范圍和子范圍以及單個值均擬包括在公開內(nèi)容中。
[0171]如本說明書所使用，“含有”與“包括”、“包含”或“具有......特征”(“特征在
于”)同義，并且是非窮舉的或可擴(kuò)充的，且不排除其它的、未列舉的元件或方法步驟。如本
說明書所使用，“由......組成”將權(quán)利要求中未指明的任何元件、步驟或成分排除在外。
如本說明書所使用的，“基本由......組成”不排除那些未對權(quán)利要求的基本特性和新穎性
產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響的材料或步驟。在本說明書的各種情形中，術(shù)語“含有”、“基本由......組
成”以及“由......組成”均可用另外兩個術(shù)語中的任何一個代替。
[0172]實(shí)施例1:具有可印刷半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管
[0173]本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件在薄膜晶體管中提供半導(dǎo)體通道的能力通過實(shí)驗(yàn)研究予以證實(shí)。具體而言，本發(fā)明的一個目的在于提供能通過印刷方法在柔性塑料基片上制造的薄膜晶體管。另外，本發(fā)明的一個目的在于在塑料基片上提供下述高性能的薄膜晶體管，所述薄膜晶體管與常規(guī)高溫處理法制造的薄膜晶體管相比，具有相似或更優(yōu)的場效應(yīng)遷移率、開關(guān)比以及閾電壓。
[0174]圖7提供了具有可印刷半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管的光學(xué)顯微圖像。圖示的晶體管531包括源電極532、漏電極533、可印刷半導(dǎo)體元件534、介電體(未在圖7的顯微照片中示出)以及柵電極(亦未在圖7的顯微照片中示出)。薄膜晶體管由含有聚酯薄膜片的基片支承，所述聚酯薄膜片上涂有作為柵極的氧化銦錫(ΙΤ0，?100納米厚)的和作為柵極電介質(zhì)的光固化的環(huán)氧樹脂(SU8-5 ；Microchem公司)。使用形成于器件附近的電容器測試結(jié)構(gòu)評價(jià)電介質(zhì)的電容(2.85nF/cm2)。該器件使用下述溶液澆注的可印刷半導(dǎo)體元件，所述可印刷半導(dǎo)體元件包含約5毫米長、20微米寬、340納米厚的微條，所述微條在器件層厚度為340納米、電阻率為14-22 Ω._的p摻雜SOI晶片(Soitec)上制成。在水平的石英管式爐中通過干氧化在硅的上面生長25納米厚的SiO2層。Al (20納米)/Au (180納米)的源電極和漏電極由剝離(liftoff)技術(shù)形成。半導(dǎo)體通道的長度為50微米，寬度為20微米。
[0175]圖8和圖9示出了從具有可印刷半導(dǎo)體元件的本發(fā)明薄膜晶體管中采集到的電測量數(shù)據(jù)。該器件以與具有頂部接觸(top contact)配置的反向柵極式(back gated) SOI器件類似的方式運(yùn)行。半導(dǎo)體在長度為50微米的通道中采用與20微米單晶硅微條相等的寬度。該情形中，可印刷半導(dǎo)體元件通過溶液澆注法進(jìn)行構(gòu)圖。源/漏接觸通過光刻法及剝離技術(shù)確定。
[0176]圖8提供了在預(yù)氧化Si晶片上制造的器件的電流-電壓(IV)特性曲線。圖9提供了在Vds = 0.1V下測得的下述器件的傳輸特性曲線，所述器件在涂有ITO柵極和聚合物電介質(zhì)的聚酯薄膜片上制成。該曲線的斜率確定了有效的器件遷移率(使用源電極和漏電極的物理寬度，所述寬度在該情形中與半導(dǎo)體元件微條的寬度相等)為180cm2/Vs。在可印刷半導(dǎo)體元件的觸點(diǎn)上涂布Al/Au為娃提供合理低阻抗的肖特基勢魚(Schottky barrier)接觸，正如對在P摻雜的硅上涂布Al (逸出功為4.2eV)所預(yù)期的。已公知Al能快速擴(kuò)散至硅中，但并不需要特別注意避免局部化的(localized)鋁-硅相互作用，因?yàn)樵谕坎冀饘俸笪床扇「邷赝嘶鹛幚聿襟E。該器件的開關(guān)比略低于103。使用電介質(zhì)電容的平行板模型對圖9傳輸特性進(jìn)行分析表明線性場效應(yīng)遷移率為ISOcm2V-1S'該分析忽略了接觸和處理所引起的閾電壓變化的影響。
[0177]有理論論據(jù)表明，即使具有理想的接觸，在通道區(qū)(即納米管或納米線)中含有極高長寬比(即長度與寬度的比值過高)的半導(dǎo)體元件的晶體管也將具有不同于常規(guī)器件的響應(yīng)。為避免上述影響，我們選擇含有寬度與晶體管通道長度在相同數(shù)量級上的微條的半導(dǎo)體元件。在該情形下觀測到的性能(遷移率、歸一化跨導(dǎo)(normalizedtransconductance)、開關(guān)比)為在SOI基片上蝕刻Si以后但進(jìn)行剝離以前所制得的薄膜晶體管的約3/4。在這些測量中，埋入的SiO2氧化物充當(dāng)電介質(zhì)，并且承載硅的基片充當(dāng)柵電極。該結(jié)果表明，生產(chǎn)可印刷半導(dǎo)體元件并將其轉(zhuǎn)印至器件基片的處理步驟未顯著改變由初始的構(gòu)圖和硅蝕刻步驟所獲得的硅或其表面的性能。該結(jié)果還表明與SU8電介質(zhì)的范德華界面能支持良好的器件性能。
[0178]本實(shí)施例制造方法的一個基本優(yōu)點(diǎn)在于它將硅的晶體生長和處理與塑料基片以及其他器件組件相分離。并且，本發(fā)明的處理可印刷半導(dǎo)體元件的方法在處理順序以及可能的材料選擇方面具有高度的靈活性。例如，可以與本說明書所示的對集成的源/漏電極進(jìn)行金屬涂布相類似的策略在硅的一側(cè)上形成SiO2層(例如通過先生長熱氧化物，然后剝離Si元件或?qū)⒙裨赟OI中的氧化物與Si器件層一起剝離)以生產(chǎn)集成的電介質(zhì)。以這種方式引入的電介質(zhì)避免了在塑料基片上的多種溶液澆注的薄電介質(zhì)中與泄漏、滯后、摻雜、俘獲(trapping)等相關(guān)的大量問題。
[0179]圖10A-H提供了說明本發(fā)明用于制造具有組合可印刷半導(dǎo)體元件的薄膜晶體管陣列的方法的示意圖。如圖10A所示，柵電極547沉積在薄的柔性基片的表面548上，所述柔性基片包括例如Kapton、聚酯薄膜或PET。可通過本領(lǐng)域已知的任何途徑——包括但不限于光刻法、微米轉(zhuǎn)印、納米轉(zhuǎn)印、軟光刻法或這些方法的組合——將柵電極構(gòu)圖在柔性基片上。如圖1OB所示，該方法還包括制造多個組合可印刷半導(dǎo)體元件550的步驟，所述可印刷半導(dǎo)體元件550包括操作性地連接至SiO2介電元件560的單晶硅結(jié)構(gòu)555。如圖1OB所示，組合可印刷半導(dǎo)體元件550具有沿著中心縱軸線551延伸選定長度552的帶狀。組合可印刷半導(dǎo)體元件550具有選定厚度553以及隨厚度變化的寬度。
[0180]如圖1OC所示，該方法還包括通過干式接觸轉(zhuǎn)印或溶液印刷將組合可印刷半導(dǎo)體元件550組裝至柵電極547及基片548上的步驟。將組合可印刷半導(dǎo)體元件的取向設(shè)置為使得SiO2介電元件560與柵電極547接觸。如圖1OD所示，該方法還包括在基片548已構(gòu)圖的表面上旋涂一層薄的正性光刻膠561的步驟。或者，可采用輥筒將該薄層正性光刻膠561涂布至基片548已構(gòu)圖的表面上。將光刻膠561未被柵電極547遮蔽的區(qū)域暴露于穿過基片548的下側(cè)562透射的電磁輻射束。對于本發(fā)明方法，優(yōu)選使用透光基片548，特別是在電磁波譜的紫外和/或可見光區(qū)至少部分透明的基片548。如圖1OE所示，該方法還包括使薄的光刻膠層顯影的步驟。如該圖所示，薄的光刻膠層561被柵電極遮光的區(qū)域未顯影。如圖1OF所示，該方法還包括對集成的SiO2電介質(zhì)進(jìn)行干式或濕式蝕刻的步驟，從而斷開源電極與漏電極之間的接觸。在圖1OF所示的實(shí)施方案中，這是通過將基片548已構(gòu)圖的表面暴露于CF4等離子體實(shí)現(xiàn)的。如圖1OG所示,該方法還包括通過遮光掩模(shadowmask)蒸發(fā)來確定源電極和漏電極的步驟。半導(dǎo)體元件、源電極以及漏電極的對準(zhǔn)不需要非常精確，因?yàn)榘雽?dǎo)體通道將在下個制造步驟中確定。如圖1OH所示，該方法還包括通過將正性光刻膠剝離——例如通過暴露于諸如丙酮的溶劑——確定半導(dǎo)體通道的步驟。
[0181]圖1lA-D提供了本發(fā)明用于制造含有集成的柵電極、柵極電介質(zhì)、半導(dǎo)體、源電極和漏電極的可印刷器件的方法的示意圖。如圖1lA所示，通過對SOI晶片表面的熱氧化生成高質(zhì)量的柵極電介質(zhì)。然后，沉積柵電極材料(例如金屬或摻雜的多晶硅)。隨后使用例如光刻法遮蔽頂面的選定區(qū)域。在一個實(shí)施方案中，具有受控的間隔的相同圖案的陣列在單個掩模步驟中形成。然后通過各向異性濕式和/或干式蝕刻制造可印刷半導(dǎo)體元件。優(yōu)選地，依次實(shí)施三種不同的選擇性蝕刻法以蝕刻掉柵電極材料、柵電介質(zhì)以及頂部硅層的裸露區(qū)。
[0182]如圖1lB所示的光刻工藝用于確定晶體管的通道。在該工藝步驟中，蝕刻(干式或濕式蝕刻)掉柵電極材料的裸露區(qū)。如圖1ic所示，然后將光刻膠加熱至其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，從而引發(fā)回流過程。光刻膠的回流距離(reflowing distance)可通過仔細(xì)選擇適當(dāng)?shù)墓饪棠z層的厚度、光刻膠層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或回流過程的溫度和持續(xù)時(shí)間予以選擇。然后使用HF溶液蝕刻柵極電介質(zhì)的裸露區(qū)。
[0183]接著，實(shí)施如圖1lD所示的金屬涂布工藝，然后剝離沉積在光刻膠上的金屬以完成可印刷器件的制造。源電極和漏電極與柵極自對準(zhǔn)(self align)，并且源電極與漏電極之間的間隔可通過調(diào)節(jié)不同的參數(shù)予以選擇，例如調(diào)節(jié)回流過程的溫度和持續(xù)時(shí)間。
[0184]圖1lD所示的可印刷器件可通過本發(fā)明的干式轉(zhuǎn)印或溶液印刷法轉(zhuǎn)印并組裝至基片上，例如塑料基片上。圖1lA-D所示的自對準(zhǔn)法提供了一種將實(shí)現(xiàn)可印刷器件，例如MOSFET器件所需的全部元件組裝起來的簡單方法。本發(fā)明該制造方法的一個重要優(yōu)點(diǎn)在于所需溫度不適于塑料基片(例如所需溫度>約400°0的全部方法步驟均可在將器件剝離并轉(zhuǎn)印至基片上以前在SOI基片上實(shí)施。例如，其它的處理步驟，如源電極與漏電極接觸區(qū)的摻雜、硅化物層的形成以及器件的高溫退火，均可在將元件轉(zhuǎn)印至塑料基片前實(shí)施。[0185]實(shí)施例2:可柃伸的可印刷半導(dǎo)體元件
[0186]本發(fā)明提供能在拉伸、撓曲或變形時(shí)具有良好性能的可拉伸的可印刷半導(dǎo)體元件。此外，本發(fā)明的可拉伸的可印刷半導(dǎo)體元件可適應(yīng)多種器件配置以提供全柔性的電子和光電子器件。
[0187]圖12提供了展示本發(fā)明的可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件的原子力顯微照片。可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件700包括具有支承面710的柔性基片705和具有彎曲內(nèi)表面720的屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715。在該實(shí)施方案中，彎曲的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715的彎曲的內(nèi)表面720的至少一部分聯(lián)結(jié)至柔性基片705的支承面710上。彎曲的內(nèi)表面720可在沿著內(nèi)表面720的選定點(diǎn)上或在沿著內(nèi)表面720的幾乎全部點(diǎn)上與支承面710聯(lián)結(jié)。圖12所示的示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括寬度等于約100微米并且厚度等于約100納米的屈曲單晶硅帶狀物。圖12所示的柔性基片為厚度約I毫米的PDMS基片。彎曲的內(nèi)表面720具有呈大致的周期波特征的輪廓，所述周期波沿著帶狀物的長度方向延伸。如圖12所示，該周期波的振幅為約500納米，并且峰的間隔為約20微米。圖13是給出具有彎曲內(nèi)表面720的屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715的放大圖的原子力顯微照片。圖14展示了本發(fā)明可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件陣列的原子力顯微照片。對圖14的原子力顯微照片的分析表明屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被壓縮約0.27%。圖15展示了本發(fā)明可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件的光學(xué)顯微照片。
[0188]彎曲面720的輪廓使得屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715能夠在沿著變形軸線730的方向上擴(kuò)展或收縮而不經(jīng)受明顯的機(jī)械應(yīng)變。該輪廓還可使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠在除了沿著變形軸線730以外的方向上屈曲、撓曲或變形，而不會由于應(yīng)變引起顯著的機(jī)械損壞或性能損失。本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的彎曲面可具有下述任何輪廓，所述輪廓在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)撓曲、拉伸或變形時(shí)提供良好的機(jī)械特性和/或良好的電子性能，所述機(jī)械特性包括例如可拉伸性、柔性和/或可彎曲性，所述電子性能包括例如具有良好的場效應(yīng)遷移率。示例性的輪廓可呈現(xiàn)多個凸起和/或凹入?yún)^(qū)域以及多種波形的特征，所述波形包括正弦波、高斯波、Aries函數(shù)、方波、洛侖茲波、周期波、非周期波或其任意組合?？捎糜诒景l(fā)明的波形可在兩個或三個維度上變化。
[0189]圖16展示了本發(fā)明可拉伸可印刷半導(dǎo)體元件的原子力顯微照片，所述半導(dǎo)體元件具有聯(lián)結(jié)至柔性基片705上的屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的715，所述柔性基片705在其支承面710上具有三維凸起圖案。三維凸起圖案包括凹入?yún)^(qū)域750和凸起部件760。如圖16所示，屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715在凹入?yún)^(qū)域750中和凸起部件760上與支承面710連接。
[0190]圖17展示了說明本發(fā)明制造可拉伸半導(dǎo)體元件的示例性方法的流程圖。在該示例性方法中，提供處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)應(yīng)變彈性基片。預(yù)應(yīng)變可通過本領(lǐng)域已知的任何途徑實(shí)現(xiàn)，包括但不限于輥壓和/或使彈性基片預(yù)彎曲?？捎糜诒景l(fā)明該方法的示例性彈性基片為厚度等于約I毫米的PDMS基片?？赏ㄟ^沿著一條軸線擴(kuò)展或沿著多條軸線擴(kuò)展使彈性基片預(yù)應(yīng)變。如圖17所示，將可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面的至少一部分聯(lián)結(jié)至處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)應(yīng)變彈性基片的外表面上?？赏ㄟ^半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面與預(yù)應(yīng)變彈性基片的外表面之間的共價(jià)鍵合、范德華力、使用粘合層或其任意組合實(shí)現(xiàn)所述聯(lián)結(jié)。在彈性基片為PDMS的一個示例性實(shí)施方案中，對PDMS基片的支承面進(jìn)行化學(xué)改性，以使它具有從其表面伸展出來的多個羥基，以促進(jìn)與硅半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵合?；氐綀D17上，將預(yù)應(yīng)變彈性基片與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)連接起來后，使彈性基片至少部分松弛到松弛狀態(tài)。在該實(shí)施方案中，彈性基片的松弛使得所述可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面彎曲，從而形成具有彎曲內(nèi)表面的半導(dǎo)體元件。
[0191]如圖17所示，制造方法可任選包括第二轉(zhuǎn)印步驟，在該第二轉(zhuǎn)印步驟中，將具有彎曲內(nèi)表面720的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715從彈性基片上轉(zhuǎn)印至另一個基片上，優(yōu)選柔性基片上。該第二轉(zhuǎn)印步驟可通過如下方式實(shí)現(xiàn):使具有彎曲內(nèi)表面720的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715的裸露表面與能結(jié)合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)715的裸露表面的其他基片的接受面接觸。與其他基片的聯(lián)結(jié)可通過本領(lǐng)域的任何途徑實(shí)現(xiàn)，包括共價(jià)鍵、由范德華力鍵合以及使用粘合劑。
[0192]本發(fā)明的可拉伸半導(dǎo)體元件可有效集成至多種功能器件以及器件組件中，例如集成至晶體管、二極管、激光器、MEMS、NEMS、LED和OLED中。本發(fā)明的可拉伸半導(dǎo)體元件具有某些優(yōu)于常規(guī)的剛性無機(jī)半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)。首先，可拉伸半導(dǎo)體元件可為柔性的，因此與常規(guī)的剛性無機(jī)半導(dǎo)體相比，較不易于受到由撓曲、彎曲和/或變形引起的結(jié)構(gòu)損傷。其次，由于屈曲半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可處于輕微的機(jī)械應(yīng)變狀態(tài)以提供彎曲的內(nèi)表面，因此本發(fā)明的可拉伸半導(dǎo)體元件可以比常規(guī)的無應(yīng)變無機(jī)半導(dǎo)體表現(xiàn)出更高的本征場效應(yīng)遷移率。最后，可拉伸半導(dǎo)體元件有可能提供良好的熱性能，因?yàn)樗鼈兡茉谄骷臏囟戎芷谛宰兓凶杂蓴U(kuò)展和收縮。
[0193]實(shí)施例3:制造可印刷半導(dǎo)體元件的方法
[0194]本發(fā)明提供由多種原料制造可印刷半導(dǎo)體元件的方法，所述原料包括單晶片、基片晶片上的硅、鍺晶片、多晶硅薄膜以及超薄硅晶片。具體而言，本發(fā)明提供以選定取向在選定的相對位置制造大量可印刷半導(dǎo)體的低成本方法。
[0195]圖18A展示了由S1-Ge epi基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。在該方法中，通過沉積掩模材料遮蔽Si epi層的選定區(qū)域，所述掩模材料包括例如含有金屬、SiO2或SiN的薄膜。該掩模步驟確定待制造的可印刷半導(dǎo)體元件的形狀和某些物理尺寸(例如帶狀物的長度和寬度)。通過干式或濕式化學(xué)蝕刻法對S1-Ge epi基片裸露的Si表面進(jìn)行各向異性蝕刻。這形成硅的凸起部件，所述凸起部件優(yōu)選具有光滑的側(cè)壁，它可通過剝離技術(shù)有效脫離S1-Ge印i基片，所述剝離技術(shù)包括例如使用1:1: 4的NH4OH: H2O2: H2O在50°C下進(jìn)行選擇性SiGe濕式蝕刻。任選地，可在剝離前使源電極、增益電極、柵電極、介電元件或其任意組合集成至半導(dǎo)體元件中。該制造方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于可清洗母片并對其進(jìn)行再利用。
[0196]圖18B展示了由大塊硅基片、優(yōu)選單晶硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。在該方法中，首先在例如石英管式爐中于選自約800°C至約1200°C范圍的溫度下將硅晶片干氧化。然后，在硅晶片的氧化表面上沉積一層薄的柵極材料。示例性的柵極材料包括金屬或摻雜的多晶硅。用光刻膠對上述柵極材料薄層進(jìn)行選擇性構(gòu)圖。該構(gòu)圖步驟確定待制造的可印刷半導(dǎo)體元件的形狀和某些物理尺寸(例如帶狀物的長度和寬度)。對該柵極材料薄層和電介質(zhì)層進(jìn)行各向異性反蝕刻(back etch),從而形成含有光刻膠層、柵極材料層、電介質(zhì)層和硅層的凸起部件，并且該凸起部件優(yōu)選具有光滑的側(cè)壁。然后，通過例如退火至選自約100°C至約130°C范圍的溫度使光刻膠層回流。光刻膠的回流使一部分光刻膠轉(zhuǎn)移至凸起部件的側(cè)壁。如圖18B所示，裸露的Si表面用濕式或干式蝕刻法進(jìn)行各向同性蝕刻，從而使凸起部件脫落并形成組合半導(dǎo)體元件，所述組合半導(dǎo)體元件優(yōu)選具有光滑表面。硅的各向同性蝕刻可使用64: 3: 33的HNO3: NH4F: H2O溶液實(shí)現(xiàn)。該制造方法的優(yōu)點(diǎn)在于硅基片原料的成本較低并且母片能在平面化(ECMP)后再利用。
[0197]圖18C展示了由大塊硅基片、優(yōu)選單晶硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的另一種示例性方法。在該方法中，大塊硅基片的外表面用光刻膠進(jìn)行選擇性構(gòu)圖。該構(gòu)圖步驟確定待制造的可印刷半導(dǎo)體元件的形狀和某些物理尺寸(例如帶狀物的長度和寬度)。對已構(gòu)圖的基片表面進(jìn)行各向異性蝕刻，優(yōu)選使用干式蝕刻法，例如反應(yīng)性離子蝕刻和誘導(dǎo)耦合等離子蝕刻，從而形成凸起部件，所述凸起部件優(yōu)選具有光滑的側(cè)壁。通過沉積掩模材料，例如一層薄的金屬、SiO2或SiN，遮蔽凸起部件的至少一部分側(cè)壁。在一個實(shí)施方案中，通過傾斜的蒸發(fā)或?yàn)R射沉積技術(shù)使掩模材料涂布至凸起部件的側(cè)壁，所述沉積技術(shù)與樣品的旋轉(zhuǎn)相結(jié)合以確保對所有裸露側(cè)壁的沉積。如圖18C所示，使用濕式或干式蝕刻法對裸露的Si表面進(jìn)行各向同性蝕刻，從而使凸起部件脫落并形成可印刷半導(dǎo)體元件，所述可印刷半導(dǎo)體元件優(yōu)選具有光滑表面。硅的各向同性蝕刻可使用64: 3: 33的HNO3: NH4F: H2O溶液實(shí)現(xiàn)。該制造方法的優(yōu)點(diǎn)在于硅基片原料的成本較低并且母片能在平面化(ECMP)后再利用。
[0198]圖18D展示了由大塊硅基片、優(yōu)選單晶硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的又一種示例性方法。在該方法中，大塊硅基片的外表面用光刻膠進(jìn)行選擇性構(gòu)圖。對已構(gòu)圖的基片表面進(jìn)行各向異性蝕刻，從而形成凸起部件。接著，對硅基片進(jìn)行退火，例如在石英爐中于約1100°c的溫度下在氮?dú)庵羞M(jìn)行退火。然后，通過遮蔽選定區(qū)域用光刻膠對已退火的硅基片的表面進(jìn)行構(gòu)圖。該構(gòu)圖步驟確定待制造的可印刷半導(dǎo)體元件的形狀和某些物理尺寸(例如帶狀物的長度和寬度)。如圖18D所示，使用濕式或干式蝕刻法對已退火的Si基片的已構(gòu)圖表面進(jìn)行各向異性蝕刻，從而形成可印刷半導(dǎo)體元件，所述可印刷半導(dǎo)體元件優(yōu)選具有光滑表面。該制造方法的優(yōu)點(diǎn)在于硅基片原料的成本較低，且母片能在平面化(ECMP)后再利用，并且能在退火步驟后集成源電極、漏電極、柵電極和介電器件組件。此外，在第一蝕刻步驟中，可對110硅晶片使用濕式蝕刻。
[0199]圖18E展示了由超薄硅基片制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。在該方法中，對超薄硅基片的外表面用光刻膠進(jìn)行選擇性構(gòu)圖。該構(gòu)圖步驟確定待制造的可印刷半導(dǎo)體元件的形狀和某些物理尺寸(例如帶的長度和寬度)。在超薄硅基片的整個厚度上對已構(gòu)圖的基片表面進(jìn)行各向異性蝕刻，從而形成可印刷半導(dǎo)體元件。對于該制造方法的某些應(yīng)用而言，優(yōu)選具有選自約10微米至約500微米范圍厚度的超薄硅基片。該制造方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于超薄硅基片原料的成本較低。
[0200]圖18F和圖18G展示了由多晶硅薄膜制造可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。在該方法中，在具有犧牲表面層的支承基片上沉積一層薄的多晶硅，所述支承基片包括例如玻璃基片或硅基片，所述犧牲表面層包括例如含有SiN或SiO2的涂層。然后對多晶薄膜進(jìn)行退火，通過沉積掩模材料選擇性遮蔽裸露表面的選定區(qū)域，所述掩模材料包括例如含有金屬、SiO2或SiN的薄膜。該掩模步驟確定待制造的可印刷半導(dǎo)體元件的形狀和某些物理尺寸(例如帶的長度和寬度)。通過干式或濕式化學(xué)蝕刻法對已構(gòu)圖表面進(jìn)行各向異性蝕亥IJ，形成由犧牲層支承的硅的凸起部件，所述凸起部件優(yōu)選具有光滑的側(cè)壁。對犧牲層進(jìn)行各向同性蝕刻使凸起部件脫離，從而形成可印刷半導(dǎo)體元件。該制造方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于可清洗支承基片并對其進(jìn)行再利用。或者，可將多晶硅薄層直接沉積在SiO2基片上。如圖18G所示，可使用類似的退火、構(gòu)圖、各向異性蝕刻以及剝離步驟形成可印刷半導(dǎo)體元件。任選地，在上述兩種方法中，均可在剝離前將源電極、增益電極、柵電極、介電元件或其任意組合集成至半導(dǎo)體元件中。
[0201]圖1SH(I)和18H(2)說明了使用本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件制造單晶半導(dǎo)體薄膜的方法。如圖1SH(I)所示，在基片表面上制備無定形或多晶半導(dǎo)體薄膜，所述基片含有絕緣材料，例如Si02。無定形或多晶半導(dǎo)體薄膜可通過本領(lǐng)域已知的任何途徑制備，所述途徑包括但不限于沉積技術(shù)，例如汽相沉積或?yàn)R射沉積。再次參見圖1SH(I)，將含有單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印至覆蓋有無定形或多晶半導(dǎo)體薄膜的基片表面上。對于該方法的某些應(yīng)用而言，優(yōu)選使用具有一個長的橫向尺寸的單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還包括如下方法，在該方法中先將含有單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印至基片表面上，然后再沉積無定形或多晶半導(dǎo)體薄膜。
[0202]如圖18H(2)所示，在無定形或多晶半導(dǎo)體薄膜與單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)接觸時(shí)，對其進(jìn)行退火，例如在高溫一例如高于iooo°c的溫度一下進(jìn)行退火。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)充當(dāng)晶種，促進(jìn)整個薄膜從無定形或多晶態(tài)相變?yōu)閲?yán)格有序的單晶態(tài)。如圖18H(2)所示，相變隨著高溫梯度前沿(front)在晶片的整個表面上移動而發(fā)生。不同的高溫爐或聚焦光系統(tǒng)可用于產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜有效相變所需的溫度梯度。該方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于，它可顯著降低產(chǎn)生單晶半導(dǎo)體薄膜——例如單晶硅或鍺薄膜——的成本。
[0203]圖181展示了由GaAs基片制造含有微米線的可印刷半導(dǎo)體元件的示例性方法。如該圖所示，用掩模材料，例如光刻膠，對GaAs基片裸露的表面進(jìn)行構(gòu)圖。構(gòu)圖可通過微米接觸印刷或納米接觸印刷或常規(guī)光刻法實(shí)現(xiàn)，如圖18E所示。已構(gòu)圖的表面用濕式蝕刻法進(jìn)行各向異性蝕刻。在所示的示例性方法中，側(cè)壁的凹面用H3PO4-H2O2-H2O溶液獲得，并且對形成的凸起部件進(jìn)行蝕刻，直至它們從GaAs基片上脫落，從而形成GaAs微米線。如圖所示，光刻膠層可通過用丙酮清洗并暴露于O2反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)除去。該技術(shù)的一個優(yōu)點(diǎn)在于GaAs基片可在平面化(ECMP)后進(jìn)行再利用。該技術(shù)還可用于由InP基片制造微米線。
[0204]圖18J展示了制造含有單晶硅帶的可印刷半導(dǎo)體元件的一種替代方法。該方法中的原料為Si(IlO)晶片。如圖18J所示，對Si(IlO)晶片的外表面用SiO2薄膜進(jìn)行選擇性構(gòu)圖，所述SiO2薄膜在處理過程中充當(dāng)掩模。該掩模步驟確定待制造的可印刷半導(dǎo)體元件的形狀和某些物理尺寸(例如帶的長度和寬度)。然后通過干式或濕式化學(xué)蝕刻法對Si (110)晶片裸露(即未遮蔽)的表面進(jìn)行各向同性蝕刻。該處理步驟形成硅的凸起部件，所述凸起部件優(yōu)選具有由一系列具有選定深度的溝槽所隔開的光滑側(cè)壁。然后通過各向同性蝕刻和剝離處理使硅的凸起部件從Si (110)晶片上脫離，從而形成可印刷半導(dǎo)體元件。任選地，可在剝離前將源電極、增益電極、柵電極、介電元件或其任意組合集成至半導(dǎo)體元件中。該制造方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于可清洗母晶片并對其進(jìn)行再利用。圖18J還展示了該處理方法中在不同點(diǎn)上的Si (110)的SET顯微照片。
[0205]圖18K展示了制造含有單晶硅帶的可印刷半導(dǎo)體元件的一種替代方法。該方法中的原料為Si(Ill)晶片。對Si(Ill)晶片進(jìn)行選擇性各向同性蝕刻，例如使用常規(guī)光刻法掩模與濕式蝕刻法的結(jié)合。該處理步驟形成硅的凸起部件。如圖18K所示，使用鈍化工藝對硅的凸起部件的側(cè)壁、表面或上述兩者進(jìn)行涂布。通過各向同性蝕刻和剝離處理使可印刷單晶硅帶從Si (111)晶片上脫落。圖18J還展示了由該方法形成的單晶硅帶在即將剝離前的SET顯微照片。
[0206]實(shí)施例4:制誥半導(dǎo)體納米線和微米線的方法
[0207]本發(fā)明的一個目的在于提供制造半導(dǎo)體納米線和微米線的方法，所述納米線和微米線具有良好的機(jī)械和電性能，使其能夠用于多種器件、器件組件和器件設(shè)置(devicesetting)中。本發(fā)明的另一個目的在于提供組裝納米線和微米線的方法，以構(gòu)建選定的單層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和含有這些元件的功能器件。為評價(jià)本發(fā)明方法的效用，制造了 GaAs和InP的納米線及微米線，并對其在多種器件配置中的導(dǎo)電性和機(jī)械柔性進(jìn)行了評價(jià)。此外，通過制造多種含有單層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜納米/微米線組合體評價(jià)了本發(fā)明方法在嚴(yán)格確定的位置上以嚴(yán)格確定的取向組裝大量納米線和微米線的能力，所述位置和取向?qū)?yīng)于大的基片表面積。本發(fā)明的制造和組裝GaAs及InP納米線和微米線的方法經(jīng)證實(shí)可嚴(yán)格控制線的寬度、長度和空間取向。此外，所制造的GaAs及InP納米線和微米線在集成至微電子器件中時(shí)，表現(xiàn)出良好的機(jī)械和電性能。
[0208]圖19提供了說明形成GaAs納米線陣列并將其轉(zhuǎn)印至基片上的示例性方法的步驟的示意圖，所述基片包括例如含有涂布了固化聚氨酯(PU)薄層的聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片的塑料基片。如圖19所示，該方法從一片其表面沿(100)方向取向的GaAs晶片(American Xtal Technology, Fremont,加利福尼亞)開始。將SiO2的蝕刻掩模限定為沿C 0--.)方向取向的線狀形式，這樣制備出用于下述各向異性蝕刻的結(jié)構(gòu)，所述各向異性蝕刻使用含有體積比為 I: 13: 12 的 H3P04(85wt% ): H202 (30wt% ): H2O 的 H3PO4 與 H2O2的水溶液(圖19中的步驟i)。當(dāng)以該方式應(yīng)用時(shí)，該蝕刻化學(xué)組成表現(xiàn)出高度的各向異性，從而在SiO2掩模條下形成清晰確定的倒臺(reverse mesa)形GaAs輪廓。對于蝕刻時(shí)間足夠長的情形，各倒臺的兩個側(cè)壁相交，導(dǎo)致形成具有三角形橫截面的線。該三角形橫截面在圖19面板A (左側(cè))的頂部插圖中示出。
[0209]在一個實(shí)施方案中，已構(gòu)圖的SiO2線條被大塊的SiO2薄膜圍繞，導(dǎo)致各GaAs線的兩端與母晶片連接。該連接對`這些線形成約束，并保持空間取向和布置如SiO2圖案所確定的那樣。圖20A提供了由GaAs晶片制得的無支承的GaAs線的掃描電子顯微照片，所述GaAs晶片用孤立的SiO2線條進(jìn)行構(gòu)圖。值得注意的是，GaAs的橫向凹蝕(lateralundercutting)隨豎直蝕刻一同出現(xiàn),使得能將得到的GaAs線的寬度降至納米級，即使在SiO2線條具有微米寬度的情形下亦是如此。
[0210]由本發(fā)明方法制備的GaAs線的陣列可在保留各根線在陣列中的取向和相對位置的情況下轉(zhuǎn)印至塑料基片上。在圖19所示的實(shí)施方案中，將可適應(yīng)彈性體轉(zhuǎn)印元件，例如一片扁平的聚(二甲基硅氧烷)或 PDMS、Sylgard 184, A/B = 1: 10, (Dow Corning),置于GaAs晶片上以拾取線(如圖19的步驟ii所示)。在該實(shí)施方案中，在PDMS片與SiO2掩模層之間需要較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)力以打破線端處與下層基片的晶體連接。
[0211]用弱的氧等離子體清洗PDMS印模和具有SiO2掩模的GaAs晶片有助于通過縮合反應(yīng)在PDMS與SiO2之間形成共價(jià)硅氧(S1-O-Si)鍵(參見圖19的中間插圖)。因此，本發(fā)明包括如下方法，在該方法中，將彈性體轉(zhuǎn)印元件、具有SiO2掩模的半導(dǎo)體晶片或上述兩者暴露于弱的氧等離子體，以使具有SiO2掩模的半導(dǎo)體晶片以有效的機(jī)械方式牢固轉(zhuǎn)印至彈性體轉(zhuǎn)印元件。界面上鍵的密度與PDMS表面上-OnSi (OH)4_n的數(shù)量成比例，后者高度依賴于氧等離子體的強(qiáng)度和處理時(shí)間。用強(qiáng)的等離子體處理一長段時(shí)間可導(dǎo)致鍵合作用過強(qiáng)，以至于線無法從PDMS上脫離至所需塑料基片上。受控的實(shí)驗(yàn)表明，PDMS和涂有SiO2的GaAs晶片分別用由氧氣在IOmTorr壓力、IOsccm流速和IOW功率密度(Uniaxis 790,等離子-熱反應(yīng)性離子蝕刻系統(tǒng)(Plasma-Therm Reactive 1n Etching System))下產(chǎn)生的等離子體處理3秒和60秒產(chǎn)生最佳效果。在這些實(shí)施方案中，電子束蒸發(fā)的SiO2掩模層與GaAs之間的相互作用的強(qiáng)度足以防止轉(zhuǎn)印過程中的層離作用(delamination)。使PDMS印模與具有SiO2掩模的GaAs晶片接觸?2小時(shí)后，將其從GaAs基片上剝離，使得線全部脫離(如圖19的步驟iii所示)。
[0212]本發(fā)明方法使得大量納米線和/或微米線的制造和組裝變得實(shí)際可行。例如，對轉(zhuǎn)印步驟(圖19的步驟iii)后的GaAs晶片進(jìn)行拋光，以恢復(fù)用于另一輪線制造(圖19的步驟iv)的平面。上述晶片拋光與線制造的結(jié)合使得用單塊晶片生產(chǎn)大量GaAs線成為可能。例如，如果一個各向異性蝕刻和拋光處理周期消耗2 μ m厚的GaAs,則一塊直徑為IOcm且厚度為450 μ m的GaAs晶片(從American Xtal Technology購得)可生產(chǎn)足以密集覆蓋面積為1.76m2的塑料基片的整個表面的線(?22億根寬度為?400納米且長度為100 μ m的線)。這些條件對于本發(fā)明所述的結(jié)果具有典型性。因此，這樣重復(fù)實(shí)施線制造繼之以晶片拋光步驟能以高度成本有效的方式利用大塊晶片。
[0213]如圖19的步驟V和vi所示，具有SiO2掩模元件的GaAs線能有效轉(zhuǎn)印至外表面上具有粘合層的基片上，例如塑料基片。在一個實(shí)施方案中，將具有鍵合的GaAs線的PDMS印模暴露于周圍環(huán)境中一天或用乙醇清洗，使PDMS表面復(fù)原為其原來的疏水狀態(tài)。PDMS表面的該疏水性基本防止PDMS與通常為親水性的粘合劑發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。將復(fù)原的PDMS印模靠著粘合層放置時(shí)，只有附著在SiO2掩模條上的GaAs線對粘合劑具有可濕性，所述粘合層包括例如旋涂至塑料基片(例如厚度為?175 μ m的PET，聚脂薄膜，SouthwallTechnologies, Palo Alto,加利福尼亞)上的 PU 層(從 Nolarland products, Cranbury,新澤西購得)。通過控制旋轉(zhuǎn)速度，PU層的厚度可在I微米至數(shù)十微米內(nèi)變化。用紫外燈(Model B 100 AP，Black-Ray，Upland，加利福尼亞)照射樣品I小時(shí)使PU層固化，并在固化的PU與GaAs線和Si02掩模條之間、以及固化的I3U與下層PET片之間形成強(qiáng)鍵(圖19的步驟V)。剝離PDMS印模使得GaAs線和SiO2條在保持次序和晶向與剝離之前線的次序和晶向相似的情況下埋入固化的I3U基體中(圖19的步驟vi)。SiO2與PDMS印模的分離通過兩種作用實(shí)現(xiàn):i)與PDMS和SiO2間界面上稀疏的硅氧鍵相關(guān)的適中的粘合強(qiáng)度，該強(qiáng)度在復(fù)原PDMS表面的過程中進(jìn)一步削弱；以及ii) SiO2粘結(jié)失效后殘留在PDMS上的、可為無定形、松散且脆性的超薄SiO2層(厚度為幾納米)。將塑料片浸入緩沖的氧化物蝕刻劑溶液(Β0Ε, NH4F(40wt% ): HF(49wt% ) = 10: I)中 15 分鐘除去 SiO2 掩模條，使 GaAs 納米線干凈的(100)頂面朝外(圖19的步驟vii)。
[0214]用于制造并干式印刷GaAs線陣列的簡單的“自頂向下”方法提供了許多優(yōu)點(diǎn)。例如，線的幾何形狀(即長度、寬度和形狀)及其空間組織可通過最初的光刻步驟確定以滿足所需的電子或光學(xué)目的應(yīng)用的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)印技術(shù)可在保持由光刻法確定的圖案的情況下獲得高達(dá)100%的產(chǎn)率。塑料基片上轉(zhuǎn)印線的嚴(yán)格取向的晶面(即頂(100)面)提供極平的頂面(平整度與原始晶片的平整度類似)，這對器件的制造非常有用。并且，SiO2掩模條防止GaAs線的頂面被有機(jī)物——例如PDMS、PU和處理中所使用的溶劑——污染。將GaAs線埋入固化的PU中使其固定，從而防止它們在橫向或豎直方向上移動，特別是當(dāng)塑料基片屈曲或扭曲時(shí)尤為如此。重要的是須注意PU和PET僅為本發(fā)明可用材料的實(shí)例。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解其他粘合劑(例如NEA 155 ( Norland?))和其他類型的塑料基片(例如Kapton?或聚酰亞胺薄膜)均可用于本發(fā)明方法中。
[0215]與現(xiàn)有技術(shù)“自底向上”的方法不同，本發(fā)明“自頂向下”的方法可產(chǎn)生數(shù)微米至數(shù)十厘米(即原始晶片的直徑)的長度均勻的GaAs納米線。圖20A示出了隨機(jī)組裝至母晶片上的、寬度為~400nm且長度為2cm的無支承GaAs納米線的SEM照片。長納米線在干燥過程中形成彎曲的結(jié)構(gòu)，顯示出由其窄的寬度所提供的高度柔性。如圖20A下部的插圖所示，成環(huán)的納米線具有小至~20 μ m的彎曲半徑，這表明寬度為~400納米的納米線可承受~1.3%的應(yīng)變。圖20A中的上部插圖提供了納米線剝離前橫截面的掃描電子顯微照片，它清楚顯示了 GaAs倒臺狀輪廓的形成以及各向異蝕刻引起的凹蝕(undercutting)。
[0216]在本發(fā)明的一個方面，通過選擇性調(diào)節(jié)SiO2掩模線條的寬度、選擇性調(diào)節(jié)蝕刻時(shí)間或上述兩者對GaAs線的寬度進(jìn)行控制。使用本發(fā)明方法可獲得數(shù)百微米至數(shù)十納米之間的寬度。控制蝕刻時(shí)間提供了一種簡單的由具有微米級寬度的SiO2圖案生成納米線的方法。圖20B-E展示了由蝕刻下述GaAs晶片獲得的單根線的掃描電子顯微照片，所述GaAs晶片用2 μ m寬的SiO2線條進(jìn)行構(gòu)圖。使用上述方法將這些線轉(zhuǎn)印至PDMS表面以精確測量其頂面的平均寬度(記為圖20F提供了顯示由本發(fā)明方法制造的線的頂面平均寬度隨蝕刻時(shí)間變化的曲線圖。該曲線表明使用本發(fā)明該實(shí)施方案可獲得寬度低至50nm的GaAs線。寬度與蝕刻時(shí)間之間的線性關(guān)系與前述H3PO4-H2O2-H2O溶液中GaAs蝕刻動力學(xué)的研究結(jié)果一致，即當(dāng)H2O2與H3PO4之間的摩爾比(nH2Q2/n_4)大于2.3且H2O的摩爾分?jǐn)?shù)(r_)等于或小于0.9時(shí)(在該實(shí)驗(yàn)中所使用的蝕刻劑的η.2/ηΗ3ΡΜ和分別為7.8和0.9)，蝕刻速度與蝕刻時(shí)間成比例。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明寬度為~50nm的線寬度的分布(沿其長度方向取平均測得)<9%，這略窄于一種據(jù)報(bào)道平均寬度為~16.Snm的“自底向上”的納米線中> 14%的偏差。
[0217]圖20B-D所示的掃描電子顯微照片還顯示線的三角形橫截面在變薄的過程中保持下來，這表明蝕刻是高度各向異性的，即使對于無支承的GaAs線亦是如此。近處觀察線發(fā)現(xiàn)在其側(cè)壁上有一些粗糙。這 種粗糙大多數(shù)直接源于用于形成SiO2掩模條的光刻工藝；一些是由于掩模線條未對準(zhǔn)和蝕刻本身引起的。該粗糙度決定了可使用本發(fā)明該實(shí)施方案獲得的最小的連續(xù)線的寬度。如圖20F所示，沿著各根線的寬度偏差與平均線寬度的比值(W )也高度依賴于蝕刻時(shí)間。當(dāng)比值小于100%時(shí)可制備連續(xù)的GaAs納米線。圖20F所提供的曲線表明由實(shí)施本發(fā)明的該實(shí)施方案所獲得的納米線的寬度可低至~40nm。具有不同平均寬度的納米線表現(xiàn)出沿著各根線的基本相同的寬度偏差(即~40nm)，這與沿著各SiO2掩模線條的寬度偏差(即~36nm)接近。該比較證實(shí)線側(cè)壁的粗糙度主要由SiO2掩模條的粗糙邊緣引起，而與蝕刻時(shí)間無關(guān)。因此，使用降低光掩模條粗糙度的光刻法降低線邊緣的粗糙度。重要的是須注意該實(shí)施例中所述的轉(zhuǎn)印方法使線的原始的、超平的、未蝕刻的頂面裸露出來以在最終的基片上(即圖19的PET)實(shí)現(xiàn)電連接和器件制造。
[0218]圖21A-G展示了印刷在PDMS和PU/PET基片上的多種GaAs線陣列的圖像。該例中線的寬度為~400nm且長度為~100 μ m。相應(yīng)的SiO2掩模線條在(IOO)GaAs晶片上沿(0-- )方向取向，寬度為2 μ m且長度為100 μ m。圖21A為拍攝的通過Si02掩模層與PDMS平印模聯(lián)結(jié)的GaAs線陣列的掃描電子顯微照片，它表明線的順序被保留下來。圖21A的插圖以較高的放大率顯示了三根線的端部，它清楚揭示了端部的斷裂。如圖21B所示，從固化的I3U上剝離PDMS印模得到了 SiO2掩模條朝外的光滑表面(與PDMS的表面一樣光滑)。如圖2IC所示，用BOE蝕刻掉SiO2層使GaAs線原始的頂面裸露出來。圖2ID提供了采集自埋有GaAs線的PU/PET基片的光學(xué)圖像，它表明可使用圖19所示的方法將大面積的線陣列按程序印刷至PU/PET基片上。具有其他圖案(例如，由不同長度的線組成的線條片(patch))的GaAs線陣列也可轉(zhuǎn)印至TO/PET基片上。[0219]重復(fù)進(jìn)行轉(zhuǎn)印過程，以通過旋涂一層新的將多層GaAs線陣列印刷至相同的PET基片上。這些方法提供了生產(chǎn)含有納米線和/或微米線的多層結(jié)構(gòu)的重要途徑。圖21E和21F提供了具有雙層GaAs線陣列的多層結(jié)構(gòu)的典型圖像。在一個實(shí)施方案中，這樣的多層結(jié)構(gòu)通過將第二層相對于第一層旋轉(zhuǎn)不同的角度(對于E和F分別為~90°和~45)得到。圖21G提供了通過在圖21E和21F中所示的樣品上重復(fù)印刷過程所獲得的具有三層GaAs線陣列的TO/PET基片的圖像?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制的PU層的厚度控制線陣列之間的間隔。這類多層的性能并不一定需要任何形式的外延生長，并且PU將不同層的陣列隔離。該制造能力可用于多種器件制造應(yīng)用。
[0220]本發(fā)明的線制造和印刷技術(shù)可通過使用適合的各向異性蝕刻劑在塑料基片上生產(chǎn)其他半導(dǎo)體材料的線陣列。例如，通過在1% (v/v)Br2的甲醇溶液中蝕刻(100) InP晶片來制造具有三角形橫截面的InP線，所述(IOO)InP晶片具有沿著(0-- )方向的SiO2掩模線條。圖22A-C展示了 PDMS和PU/PET基片上的InP線陣列的掃描電子顯微照片。這些線由具有長50 μ m、寬2 μ m的SiO2線條形成的圖案的InP晶片制得。所示的線分別具有~35 μ m和~1.7 μ m的長度和寬度。就線端的輪廓和橫向凹蝕而言，InP在Br2的甲醇溶液中的蝕刻特性明顯不同于GaAs在H3PO4-H2O2水溶液中的蝕刻特性。例如，蝕刻方法使所有的InP線端與母晶片斷開，即使蝕刻掩模與制造GaAs線(圖21)中所使用的蝕刻掩模相似，情形亦是如此。此外，InP中的凹蝕程度低于GaAs中的凹蝕程度，這表明通過使用窄的SiO2條而不是通過控制蝕刻時(shí)間可更易于制備小寬度(小于500nm)的InP線。
[0221]通過測量電性能隨彎曲半徑的變化，對用TO/PET基片上的GaAs線陣列(與圖21所示的相同，由Si摻雜的、載流子密度為1.1-5.6X IO17Cm3的n_GaAs晶片制得)制得的簡單二接頭二極管器件的機(jī)械柔性進(jìn)行評價(jià)。該結(jié)構(gòu)由根據(jù)圖19方法所確定的GaAs線陣列制得。通過光刻法和金屬沉積在這些線上確定兩個由Ti/Au(5nm/150nm)制得的、間隔10 μ m的肖特基接觸。圖23A提供一個示例性的、含有GaAs線陣列的二接頭二極管器件的示意圖和圖像。在即將進(jìn)行電極沉積前，將基片浸入濃HCl溶液中IOmin除去GaAs線表面的自然氧化物層。
[0222]圖23B展示了在不同彎曲半徑下記錄的電流-電壓(1-V)曲線。這些曲線均表現(xiàn)出預(yù)期的二極管特性。這些曲線間小的區(qū)別表明即使當(dāng)基片的彎曲半徑(R)為0.95cm時(shí)，也幾乎沒有GaAs納米線斷裂。這種情況下PET表面上的應(yīng)變?yōu)閪0.92%，小于估計(jì)存在于圖20A的插圖中所示的無支承GaAs納米線中的應(yīng)變。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)通過本發(fā)明“自頂向下”的制造方法所生產(chǎn)的GaAs納米線是柔性的，并且能與可彎曲塑料片集成。我們注意到，數(shù)據(jù)顯示當(dāng)基片在第一次彎曲后松弛時(shí)，電流比彎曲前所記錄的原始器件的電流小~40%。圖23C展示了在不同彎曲半徑下彎曲后，二接頭二極管器件再次松弛后所測得的電流-電壓(1-V)曲線。為進(jìn)行比較，圖23C中的黑色曲線表示與彎曲前的器件配置相對應(yīng)的電流-電壓曲線。然而，ι-v特性不隨彎曲半徑的改變而變化以及不隨著第一個彎曲/松弛周期后的多個彎曲/松弛周期而變化的事實(shí)表明，電流的一度降低可能是由于電極與線之間的界面上性能的初始變化(initial variation)所引起的。
[0223]傳統(tǒng)的光刻法與這些材料的高質(zhì)量大塊單晶片的各向異性化學(xué)蝕刻的結(jié)合使用，形成有吸引力的制造三角形橫截面的GaAs和InP微米線和納米線的“自頂向下”途徑。線的尺寸及其組織可通過適當(dāng)選擇光刻法及蝕刻條件，例如蝕刻時(shí)間，進(jìn)行選擇性調(diào)節(jié)。得到的母片上的線陣列能以高保真度有效轉(zhuǎn)印至涂有一薄層粘合劑的塑料基片上，所述線嵌入所述粘合劑中。母片能在拋光后再利用，這使得能從單個晶片制得大量的線?！白皂斚蛳隆钡募{米線/微米線的上述“干式”轉(zhuǎn)印法代表了一類新的轉(zhuǎn)印方法，它們在保持線的順序和晶向以及活性表面的純度方面提供了許多優(yōu)于“自底向上”的納米線“濕式”組裝法的優(yōu)點(diǎn)。特別是對于其中使用寬于100-200nm的線的大型電子(macroelectronics)應(yīng)用而言,本發(fā)明“自頂向下”的制造方法具有許多有吸引力的特征。本發(fā)明所示的塑料基片上的線體系以舉例的方式說明了其優(yōu)良的可彎曲性以及在該類應(yīng)用中使用的重大潛力。
[0224]實(shí)施例5:可印刷半導(dǎo)體元件的溶液印刷法
[0225]本發(fā)明提供能將可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印并組裝至許多基片的大面積上的溶液印刷法。本發(fā)明的這一方面提供適用于多種半導(dǎo)體器件和器件組件的連續(xù)的高速制造方法。
[0226]在本發(fā)明這一方面的一個方法中，提供具有操縱元件的可印刷半導(dǎo)體元件。就本說明書而言，術(shù)語“操縱元件”指的是在將溶液相傳送至基片表面后使得能對可印刷半導(dǎo)體元件的位置和/或取向進(jìn)行可控操縱的組件。在一個實(shí)施方案中，半導(dǎo)體元件設(shè)有一個或多個各自含有一層對磁場、電場或這兩者有響應(yīng)的材料的操縱兀件。本發(fā)明的這一方面可用于提供通過靜電力和/或靜磁力使可印刷半導(dǎo)體元件在基片表面上排列、定位和/或取向的方法。或者，本發(fā)明提供如下方法，在該方法中，半導(dǎo)體元件設(shè)有一個或多個各自含有一層對激光誘導(dǎo)的動量傳遞過程有響應(yīng)的材料的操縱元件。本發(fā)明的這一方面可用于提供通過將含有一個或多個操縱元件的可印刷半導(dǎo)體元件暴露于一系列激光脈沖(例如激光鉗(laser tweezers)法)使可印刷半導(dǎo)體元件在基片表面上排列、定位和/或取向的方法。或者，本發(fā)明提供如下方法，在該方法中，半導(dǎo)體元件設(shè)有一個或多個各自含有對由毛細(xì)管作用產(chǎn)生的力有響應(yīng)的液滴的操縱元件。本發(fā)明包括采用具有一個或多個操縱元件或者一種或多種不同類型的操縱元件一例如對不同類型的場有響應(yīng)的操縱元件一的可印刷半導(dǎo)體元件的方法和器件。可在多種類型的本發(fā)明可印刷半導(dǎo)體元件中設(shè)置操縱元件，所述可印刷半導(dǎo)體元件包括但不限于微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)、微米線、納米線、微米帶和納米帶。
[0227]在本發(fā)明的這一方面中，將一個或多個各自具有一個或多個操縱元件的可印刷半導(dǎo)體元件分散至溶液或載流流體中并傳送至基片表面上?？捎∷雽?dǎo)體元件與溶液/載流流體混合物的傳送將可印刷半導(dǎo)體元件隨機(jī)分布在基片表面上。然后，通過施加由于可印刷半導(dǎo)體元件的操縱元件的存在而產(chǎn)生的力，以預(yù)定方式將隨機(jī)分布在基片表面上的半導(dǎo)體元件移至基片表面上的選定位置和取向。本發(fā)明的這一方面可用于將具有操縱元件的可印刷半導(dǎo)體元件排列成有序陣列，或排列成與選定的器件或器件組件配置相對應(yīng)的位置和取向。例如，通過施加具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和方向分布的磁場，可將具有一個或多個含有一層磁材料的操縱元件的可印刷半導(dǎo)體元件移至基片表面上的選定位置和取向。在該實(shí)施方案中，具有選定的強(qiáng)度和方向分布的磁場可通過在鄰近基片處(例如在基片表面下、基片表面上和/或沿著基片側(cè)面放置)放置一個或多個鐵磁元件或電磁元件來施加，從而形成與可印刷半導(dǎo)體元件或選定的器件或器件組件配置所需的組裝、圖案或結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的選定的強(qiáng)度與方向分布。本發(fā)明的這一方面中，在可印刷半導(dǎo)體元件通過操縱元件的操縱進(jìn)行選擇性定位及取向之前、過程中或之后，可通過本領(lǐng)域已知的任何方式，包括通過蒸發(fā)或通過解吸法去除溶劑、載流流體或上述兩者。
[0228]圖24提供了說明本發(fā)明的用于對具有包含磁標(biāo)(magnetic tag)的操縱元件的可印刷半導(dǎo)體元件進(jìn)行溶液印刷的示例性方法的示意圖。如圖24所示，提供多個可印刷半導(dǎo)體元件，它們各自具有多個含有鎳薄層的磁標(biāo)。在一個實(shí)施方案中，鎳薄層提供于微米級或納米級的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面上。在該實(shí)施例中使用鎳為操縱元件僅為示例性的，并且任何結(jié)晶的或無定形的鐵磁材料均可用于這些方法中，所述鐵磁材料包括但不限于Co、Fe、Gd、Dy、MnAs、MnB1、MnSb、CrO2、MnOFe2O3、NiOFe2O3、CuOFe2O3、MgOFe2O3 以及無定形的鐵磁合金，例如過渡金屬-準(zhǔn)金屬合金。
[0229]如圖24中示意圖的步驟I所示，將各自具有操縱元件的多個可印刷半導(dǎo)體元件分散至溶液中并澆注至基片表面上。該步驟以隨機(jī)的位置和取向分布將可印刷半導(dǎo)體元件提供至基片表面上。如圖24中示意圖的步驟II所示，然后向可印刷半導(dǎo)體元件施加磁場，優(yōu)選具有選定的強(qiáng)度和方向分布的磁場。在圖24所示的示意圖中，通過將一個或多個磁體的磁極放置在其上置有可印刷半導(dǎo)體的基片表面的相對側(cè)面上，施加具有選定的強(qiáng)度和方向分布的磁場。由于鎳為鐵磁材料，因此磁場與組成操縱元件的鎳層之間的相互作用產(chǎn)生將可印刷半導(dǎo)體移至基片表面上所需位置中和取向上的力。在圖24所示的實(shí)施方案中，磁場的施加使可印刷半導(dǎo)體元件取向?yàn)橛行虻年嚵?，該有序陣列的特征在于可印刷半?dǎo)體元件長的側(cè)面呈基本平行的排列。如圖24中示意圖的步驟III所示，以建立電連接的方式并以保持施加磁場所形成的取向的方式，將電連接體沉積于形成有序陣列的可印刷半導(dǎo)體元件的端上。
[0230]圖25提供了展示用本發(fā)明的溶液印刷法形成含有可印刷半導(dǎo)體元件的微米結(jié)構(gòu)的有序陣列的數(shù)張光學(xué)圖像，所述可印刷半導(dǎo)體元件具有包含鎳薄層的操縱元件。圖25左側(cè)面板所不的光學(xué)圖像對應(yīng)于在未施加磁場的情況下具有分散在基片表面上的可印刷半導(dǎo)體的基片表面。如這些圖像所示，可印刷半導(dǎo)體元件隨機(jī)分布在基片表面上。圖25右側(cè)面板所示的光學(xué)圖像對應(yīng)于在施加磁場后具有分散在基片表面上的可印刷半導(dǎo)體的基片表面。與左側(cè)面板中所示的圖像不同的是，與施加磁場的情形相對應(yīng)的光學(xué)圖像表明，可印刷半導(dǎo)體元件以對應(yīng)于有序陣列的選定取向和位置的方式存在。將圖25的左側(cè)面板與右側(cè)面板中所示的圖像進(jìn)行對比表明，施加具有選定的強(qiáng)度和方向分布的磁場能產(chǎn)生將各個可印刷半導(dǎo)體元件移至選定位置和取向上的力。
[0231]器件制造領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解，圖25的右側(cè)面板中可印刷半導(dǎo)體元件的位置和取向僅僅是使用本發(fā)明的溶液印刷方法能實(shí)現(xiàn)的取向和位置的一個實(shí)例。選擇操縱元件在可印刷半導(dǎo)體元件上的適當(dāng)位置，并選擇具有選定的強(qiáng)度和方向分布的適當(dāng)磁場，可用于產(chǎn)生半導(dǎo)體元件位置和取向的幾乎任何分布。
[0232]實(shí)施例6:在柔性塑料基片上制造高性能的單晶硅晶體管
[0233]本發(fā)明的一個目的在于提供含有組裝在柔性基片上的可印刷、高質(zhì)量半導(dǎo)體元件的可彎曲的大型電子器件、微電子器件和/或納米電子器件及器件組件。另外，本發(fā)明的一個目的在于提供表現(xiàn)出類似于或超過由常規(guī)高溫處理方法制造的薄膜晶體管的場效應(yīng)遷移率、開關(guān)比和閾電壓的可彎曲的電子器件，例如可彎曲的薄膜晶體管。最后，本發(fā)明的目的在于提供與在較低溫度下、在大面積的柔性基片上進(jìn)行的有效的高處理量方法一例如室溫下在塑料基片上進(jìn)行的處理方法一相兼容的可彎曲電子器件。
[0234]通過實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了本發(fā)明方法、器件和組成提供下述有用的大型電子器件和/或微電子器件及器件組件的能力，所述器件和器件組件在呈屈曲及平面構(gòu)造時(shí)表現(xiàn)出高的器件性能特征。這些測量的結(jié)果表明，本發(fā)明提供了具有優(yōu)良的定位能力、能通過沉積多種高質(zhì)量的半導(dǎo)體——包括單晶Si帶、Ga-As和InP線以及單壁碳納米管——將可彎曲的薄膜晶體管組裝至塑料基片上的干式接觸轉(zhuǎn)印技術(shù)。例如，這些實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，含有干式轉(zhuǎn)印的可印刷單晶硅元件的空間嚴(yán)格確定陣列的可彎曲薄膜型晶體管表現(xiàn)出高的器件性能特性，例如在線性段估算的平均器件有效遷移率為?240cm2/Vs，且閾電壓接近0V。此夕卜，這些研究顯示本發(fā)明的薄膜晶體管表現(xiàn)出可與有機(jī)半導(dǎo)體制得的器件相比的可彎曲性(即破壞發(fā)生時(shí)的應(yīng)變)，并且在經(jīng)受向前或向后的彎曲時(shí)表現(xiàn)出機(jī)械強(qiáng)度和柔性。
[0235]大面積柔性基片上的高性能印刷電路代表了在傳感器、顯示器、醫(yī)療器械和其他領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用的電子器件的一種新形式。在塑料基片上制造所需要的晶體管代表了實(shí)現(xiàn)這些大型電子系統(tǒng)所面臨的一個挑戰(zhàn)。在過去的幾年里已開發(fā)出來的數(shù)條途徑均是基于在玻璃/石英基片上制造常規(guī)的硅基薄膜晶體管(TFT)的一類方法步驟的改進(jìn)的低溫形式。與針對生產(chǎn)單晶娃薄膜所開發(fā)的定向固化(directional solidification)法(即使用連續(xù)激光、聚焦燈、電子束或石墨條加熱器使Si膜在SiO2上區(qū)域熔化再結(jié)晶)相伴隨的高溫使得這類途徑不適用于塑料基片?；诩す獾耐緩揭呀?jīng)獲得了某些程度有限的成功，但是在均勻性、處理量和使用低成本塑料方面仍面臨著需要繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的難題。將已生成電路直接全晶片轉(zhuǎn)移至塑料基片上能生產(chǎn)一些有用的器件，但是該途徑難以放大至大的面積上，并且無法保留對低成本、大面積的大型電子器件而言可能是重要的印刷型制造順序。有機(jī)半導(dǎo)體材料為柔性電子器件提供了一種替代途徑；其中基于有機(jī)物的電子材料可通過室溫沉積與多種塑料基片自然集成。然而，目前已知的有機(jī)半導(dǎo)體材料僅能實(shí)現(xiàn)中等的器件遷移率。例如，即使是這些材料的高質(zhì)量晶體，對于η型和P型器件而言，也僅分別具有在l-2cm2/Vs和10-20cm2/Vs范圍內(nèi)的遷移率。
[0236]其他制造技術(shù)例如流體自組裝，將生產(chǎn)高遷移率材料的高溫步驟與在塑料基片上構(gòu)建器件所需的低溫處理分離。然而，這些方法并未實(shí)現(xiàn)沉積物組織或位置的有效控制。
[0237]圖26A說明了用于制造本發(fā)明示例性可彎曲薄膜晶體管器件的步驟。首先，用光刻法在SOI晶片(具有IOOnm Si頂層和145nm氧化物埋層的Soitec unibond SOI)的表面上確定光刻膠的圖案。該光刻膠充當(dāng)使用SF6等離子體(Plasmatherm RIE系統(tǒng)，SF6流速為40sccm，室底壓為50mTorr，RF功率為100W，進(jìn)行25s)對SOI晶片的硅頂層進(jìn)行干式蝕刻的掩模。使用濃HF溶液蝕刻氧化物埋層，并使可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件與其基片脫離(但不完全脫落)。使一塊平的聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)片與晶片的頂面形成共形接觸，然后仔細(xì)剝離以拾起相連的帶陣列。光刻膠與PDMS之間的相互作用足以使兩者聯(lián)結(jié)以進(jìn)行非常有效的移除。
[0238]涂有氧化銦錫(ΙΤ0 ;厚度為?IOOnm)的聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET ;厚度為?180 μ m)塑料片用作器件基片。用丙酮和異丙醇清洗，去離子水漂洗，然后用氮?dú)饬鞲稍镆郧鍧嵥芰掀砻妗Ｓ醚醯入x子體短暫處理ITO(Plasmatherm RIE系統(tǒng)，O2流速為20sccm,室底壓為IOOmTorr, RF功率為50W，進(jìn)行IOs)，促進(jìn)它與旋涂的環(huán)氧樹脂電介質(zhì)(用66%的SU8-2000稀釋劑稀釋的Microchem SU8-5以3000RPM旋涂30s)之間的粘合。該光敏環(huán)氧樹脂在50°C下于熱板上預(yù)固化~lmin。將表面上具有可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件的PDMS與熱的環(huán)氧樹脂層接觸，然后剝離PDMS使可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印至環(huán)氧樹脂上。該結(jié)果表明硅與軟環(huán)氧樹脂層之間的結(jié)合力(有一部分是機(jī)械作用，由可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件周圍的環(huán)氧樹脂流引起)強(qiáng)于光刻膠與PDMS印模之間的結(jié)合力。環(huán)氧樹脂層在100°C充分固化5min，暴露于透射自透明基片底側(cè)的UV光10s，然后在115°C下后烘干(post bake)5min使聚合物交聯(lián)。用丙酮使光刻膠掩模(在轉(zhuǎn)印步驟中方便地防止可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件的頂面受到污染)溶解，然后用去離子水充分漂洗樣品。
[0239]將Ti (~70nm ；Temescal電子束蒸發(fā)器)沉積在可印刷單晶娃半導(dǎo)體元件的頂面上形成源電極和漏電極。通過在Ti上構(gòu)圖的光刻膠掩模(Shipley S1818)進(jìn)行蝕刻(1:1: 10的HF: H2O2: DI，進(jìn)行~2s)確定這些電極的幾何形狀。制造的最后一個步驟涉及通過光刻膠掩模進(jìn)行干式蝕刻(SF6，使用上述RIE參數(shù))以在器件的位置上確定硅的孤島(island)。圖26B提供了該薄膜晶體管的底柵極器件配置的示意性說明，以及該器件陣列的一部分的高放大率和低放大率光學(xué)圖像。
[0240]圖27A提供了應(yīng)用忽略接觸影響的標(biāo)準(zhǔn)場效應(yīng)晶體管模型所評估的本發(fā)明可彎曲薄膜晶體管的電流電壓特性，結(jié)果表明在飽和段的有效器件遷移率為140cm2/Vs，在線性段的有效器件遷移率為260cm2/Vs。然而，這些器件中肖特基接觸的高阻抗(~90 Ω cm)對器件響應(yīng)具有顯著影響。圖27B提供了在線性刻度(左軸)和對數(shù)刻度(右軸)上作圖表示的幾種器件的傳輸特性。插圖中的 曲線顯示閾電壓在OV附近具有窄的分布。傳輸特性中小(對于一個±10V周期的電流<4%)的滯后作用表明硅(具有自然氧化物)與環(huán)氧樹脂電介質(zhì)之間的界面上具有底密度的俘獲電荷。歸一化的亞閾值(subthreshold)斜率的值較小(≤13V.nF/dec.cm2)證實(shí)了該界面的良好質(zhì)量，這可主要由硅與其自然氧化物之間的界面決定。圖27C展示了由本發(fā)明方法制造的幾種可彎曲薄膜晶體管的線性有效遷移率的分布。高斯擬合表明中心值為240cm2/Vs，標(biāo)準(zhǔn)偏差為30cm2/Vs。一些低值與器件的電極或其他組件中明顯的缺陷有關(guān)。使用與制備晶體管柵極電介質(zhì)所使用的基片及方法相同的基片和方法構(gòu)建具有256個(200Χ200μηι)方電容器的陣列對環(huán)氧電介質(zhì)的一致性進(jìn)行研究。圖27C中的插圖示出了測得的電容值。高斯擬合表明標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%，證實(shí)環(huán)氧樹脂層具有優(yōu)良的電性能和物理性能一致性。在不同頻率(IkHz與IMHz之間)下進(jìn)行電容測量表明介電常數(shù)具有小的(< 3%)頻率依賴性。
[0241]本發(fā)明可彎曲薄膜晶體管的機(jī)械柔性和強(qiáng)度通過進(jìn)行向前和向后的彎曲試驗(yàn)進(jìn)行研究。圖28Α提供了溶液澆注的帶狀物的高分辨率掃描電子顯微照片(左側(cè)插圖)，以說明可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件的顯著柔性。圖28中的右側(cè)插圖展示了用于使該研究中所評價(jià)的可彎曲薄膜晶體管彎曲的實(shí)驗(yàn)裝置的圖片。為時(shí)塑料片屈曲時(shí)薄膜晶體管中引起的應(yīng)變最大化，在這些研究中使用較厚(~180μπι)的塑料基片。圖28Β展示了在受到拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變時(shí)，環(huán)氧樹脂電介質(zhì)電容的小的(~< 1% )線性變化(參見頂部插圖)。使用翹曲片的有限元模型計(jì)算彎曲半徑和應(yīng)變值。將翹曲片的彎曲曲線與使用有限元方法獲得曲線進(jìn)行比較(針對數(shù)個彎曲半徑)證實(shí)了模擬的準(zhǔn)確度。圖28B中底部插圖提供了在柵極偏壓與漏極偏壓均為4V時(shí)測得的器件飽和電流的變化?？蓮澢∧ぞw能運(yùn)行的拉伸應(yīng)變的最大值似乎為ITO柵電極的破壞(在拉伸應(yīng)變值為?-0.9%時(shí)破壞)所限。可彎曲薄膜晶體管即使在壓縮應(yīng)變高達(dá)1.4%時(shí)也運(yùn)行良好。這一水平的可彎曲性能與最近報(bào)道的基于并五苯的有機(jī)晶體管相比。本發(fā)明可彎曲薄膜晶體管的破壞有可能僅在非常高的應(yīng)變下發(fā)生，如TakahiiO等最近所證實(shí)的，由SOI晶片的頂層蝕刻的微米級單晶娃物體可承受非常高的拉伸應(yīng)力(> 6% ) [t.Namazu, Y.1sono,以及T.Tanaka J.MEMS 9,450(2000)]。
[0242]在我們的器件中，引起輸出電流隨應(yīng)變的變化較小的原因尚未完全知曉，已知的遷移率隨應(yīng)變的變化是引起這些電流變化的原因之一，但并非全部原因。我們在該實(shí)施例中所描述的這類器件能為研究下述機(jī)械應(yīng)變狀態(tài)的硅中的電荷運(yùn)輸提供新的可能，所述應(yīng)變狀態(tài)的應(yīng)變值是大塊Si晶片屈曲時(shí)不易于達(dá)到的。
[0243]總而言之，該實(shí)施例證實(shí)了通過本發(fā)明所提供的簡單有效的硅的平行印刷方法在塑料基片上形成的可彎曲單晶硅晶體管的高器件性能和有益的機(jī)械性能。就我們所知道的，這些器件的性能超越了具有相似程度的機(jī)械可彎曲性的最佳器件(基于硅或其他材料)的性能。對可印刷硅半導(dǎo)體的形狀、物理尺寸和組成(例如摻雜或未摻雜的)進(jìn)行自頂向下的控制以及印刷技術(shù)與其他途徑相比提供了許多優(yōu)點(diǎn)。并且，所得到的器件的機(jī)械柔性非常好。此外，這些相同的通用途徑可適用于其他無機(jī)半導(dǎo)體(例如GaAs、GaN等)，并且可用于制造多種柔性微電子和大型電子器件以及器件組件，例如太陽能電池、二極管、發(fā)光二極管、互補(bǔ)邏輯電路、信息存儲設(shè)備、雙極結(jié)晶體管以及FET晶體管。因此，本發(fā)明方法和器件可用于生產(chǎn)柔性電子產(chǎn)品的多種制造應(yīng)用。
[0244]實(shí)施例7:可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件以及含有可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件的器件
[0245]本發(fā)明提供含有多材料元件的異質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件以及相關(guān)器件和器件組件。該實(shí)施例的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件包括具有選定空間分布的摻雜劑的半導(dǎo)體層，所述可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件在多種大型電子器件、微電子器件和/或納米電子器件中提供提高的功能性。
[0246]本發(fā)明方法制造表現(xiàn)出有用的電子性能的異質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件的能力通過實(shí)驗(yàn)研究得到證實(shí)。此外，通過制造含有下述可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件的柔性薄膜晶體管，表明了本發(fā)明方法將可印刷元件組裝至功能器件中的適用性，所述可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件具有接觸用集成摻雜區(qū)。
[0247]大面積的機(jī)械柔性電子系統(tǒng)，即大型電子器件，對于消費(fèi)電子產(chǎn)品、傳感器、醫(yī)療器械和其他領(lǐng)域中的多種應(yīng)用有吸引力。多種有機(jī)、無機(jī)和有機(jī)/無機(jī)雜合材料已開發(fā)為用于這些系統(tǒng)的半導(dǎo)體。使用本發(fā)明“自頂向下”的技術(shù)途徑生產(chǎn)單晶硅微米/納米元件(統(tǒng)稱為可印刷硅半導(dǎo)體元件的線、帶、小板等)是已證實(shí)的可用于在柔性基片上制造高性能薄膜晶體管的替代途徑。已證實(shí)該制造途徑對其他的重要半導(dǎo)體材料(例如GaAs、InP、GaN和碳納米管)是適用的。
[0248]本發(fā)明途徑的一個重要特性是其使用高質(zhì)量的基于晶片的半導(dǎo)體材料源，所述材料的生成和處理與隨后的器件組裝步驟分離。分離的半導(dǎo)體處理與組裝步驟便于在與大多數(shù)柔性器件基片，例如塑料基片相適應(yīng)的較低溫度(例如，室溫±30°C )下進(jìn)行器件組裝。本發(fā)明包括如下方法，在該方法中，高質(zhì)量的半導(dǎo)體在獨(dú)立于隨后的涉及將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至柔性基片上的制造步驟的制造步驟中以其他方式生成，并進(jìn)行處理。在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明包括如下方法，在該方法中，摻雜劑在高溫處理的過程中進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)，并且得到的摻雜半導(dǎo)體材料隨后用于生產(chǎn)可組裝至多種有用電子器件中的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件?？捎糜趯Π雽?dǎo)體進(jìn)行摻雜的處理步驟包括高溫處理，以及將摻雜劑以控制其在一維、二維或三維(即控制植入的面積和植入的深度)上的空間分布的方式引入的處理步驟。在一個方法中，通過在獨(dú)立于低溫基片所執(zhí)行的步驟中，以晶片制造水平進(jìn)行的旋涂摻雜(spin on doping)工藝對半導(dǎo)體進(jìn)行選擇性接觸摻雜。接觸摻雜為摻雜劑在半導(dǎo)體材料中的空間分布提供精確控制，因此隨后的構(gòu)圖和蝕刻步驟能制造高質(zhì)量的、具有集成摻雜區(qū)的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件。溶液印刷和干式接觸轉(zhuǎn)印均理想地適用于將這些可印刷異質(zhì)元件組裝至諸如薄膜晶體管的下述器件中，所述器件表現(xiàn)出所能達(dá)到的優(yōu)良的器件性能和優(yōu)良的可彎曲性。
[0249]圖29A提供了對用于在PET基片上生產(chǎn)含有可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件的晶體管的制造方法的示意性說明。在該實(shí)施方案中，可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件包括具有摻雜的源電極(S)和漏電極(D)接觸的晶體硅。圖29A所示途徑使用溶液可處理的旋涂摻雜劑(SOD)對絕緣體上的娃晶片(SOI ;具有IOOnm Si頂層和200nm氧化物埋層的Soitec unibond)的娃頂層的選定區(qū)域進(jìn)行摻雜。因此，旋涂摻雜劑(SOD)提供磷摻雜劑，并且旋涂玻璃(SOG)用作掩?？刂茡诫s劑從何處擴(kuò)散至硅中。該摻雜的SOI提供可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件的來源。
[0250]為生產(chǎn)可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件，我們首先將旋涂玻璃(SOG)溶液(Filmtixmic)旋涂至SOI晶片上，并將其在700°C下經(jīng)受快速熱退火(RTA)4分鐘以形成均勻的膜(300nm厚)。通過光刻膠(Shipley 1805)的光刻構(gòu)圖層進(jìn)行蝕刻出:I的緩沖氧化物蝕刻劑(BOE)蝕刻50秒)，使SOG中的源/漏窗口 (source and drain window)斷開。剝離光刻膠后，通過旋涂均勻沉積含磷的SOD(Filmtronic)。在950°C進(jìn)行RTA5秒使磷從SOD中擴(kuò)散穿過SOG中光刻確定的通路(opening)并進(jìn)入下面的娃中。SOG阻斷其他區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散。將晶片快速冷卻至室溫，浸入BOE中90秒以除去SOG和S0D，然后用DI水徹底清洗以完成摻雜過程。
[0251]使用本發(fā)明方法將可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件組裝至涂有氧化銦錫(ΙΤ0 ;100nm，柵電極)和環(huán)氧樹脂(SU8;600nm，柵極電介質(zhì))的PET塑料基片上。環(huán)氧樹脂不僅提供電介質(zhì)，還有助于可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件的轉(zhuǎn)印。通過對準(zhǔn)的光刻步驟在摻雜的接觸區(qū)上形成Ti (IOOnm)源電極和漏電極，然后進(jìn)行深蝕刻(etch back)。圖29B展示了具有使用本發(fā)明技術(shù)所制造的異質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件的幾種器件的光學(xué)圖像。
[0252]我們使用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線模型(transfer line model,TLM)估算摻雜水平和接觸阻抗。具體而言，我們測量了印刷至塑料基片上的、含有均勻摻雜的晶體硅的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件上的間隔(L)為5至100微米且寬度(W)為200微米的Ti接觸墊之間的阻抗。圖30A中的插圖展示了用于表征接觸阻抗的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件和接觸墊的排列的圖像。線性的電流(I) -電壓(V)曲線(未示出)表明接觸符合歐姆定律，并且摻雜水平較高。阻抗對L的依賴性可通過R,e、= ZRJ(Ryw)L描述，其中R,e、( = V/I)為兩個接觸墊之間的阻抗，R。為接觸阻抗，Rs為片阻抗。圖30A展示了歸一化阻抗R&W隨L變化的曲線。尺一的線性擬合得出Rs = 228±5 Ω /sq,并且RcW?1.7±0.05 Ω.cm。歸一化接觸阻抗RcW的值比以相似方式處理的未摻雜可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件所觀測到的值低一個數(shù)量級以上。電阻率為約2.3 X 10_3 Ω -cm,這對應(yīng)于1019/cm3的摻雜水平，如果我們?yōu)楹啽闫鹨娂僭O(shè)摻雜在整個IOOnm的摻雜的可印刷對半導(dǎo)體元件中是均勻的。圖30B展示了飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)的測量結(jié)果，該結(jié)果表明使用構(gòu)圖的SOG作為擴(kuò)散勢壘(參見圖29A中的示意圖)使摻雜劑局限在硅中的所需區(qū)域。在圖30B所示的圖像中，亮紅色表示磷濃度高。
[0253]圖31A-D展示了對應(yīng)于在環(huán)氧樹脂/ΙΤ0/ΡΕΤ基片上含有接觸摻雜的可印刷硅半導(dǎo)體元件的晶體管的測量結(jié)果。圖31A對本發(fā)明器件(L = 7 μ m，W = 200 μ m)的電流-電壓特性進(jìn)行作圖。通過應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)場效應(yīng)晶體管模型測得有效的器件遷移率(Ueff)在線性段為~240cm2/Vs，并且在飽和段為~230cm2/Vs。圖3IB展示了通道長度為2 μ m至97 μ m，且通道寬度為200 μ m的本發(fā)明器件的傳輸特性。從ON狀態(tài)到OFF狀態(tài)的電流比在所有情形下均為~104。當(dāng)L從97μπι變至2μπι時(shí)，閾電壓從~2V單調(diào)變化至~0V。圖31C提供了在小的漏電壓時(shí)測得的ON狀態(tài)器件阻抗(RJ與W的乘積在不同柵極電壓下隨L的變化。在各柵極電壓下RmW-L的線性擬合提供了關(guān)于本征器件遷移率與接觸阻抗的信息。在該簡單模型中，Rm由通道阻抗(與L成比例)以及與源電極和漏電極相關(guān)的結(jié)合接觸阻抗R。的連續(xù)加和(series addition)組成。圖31C顯示由線性擬合截距測得的R。與所評估的全部通道長度下的通道阻抗相比均可忽略不計(jì)。圖31C中的插圖展示了由圖31C中線性擬合的斜率的倒數(shù)所測定的基片電導(dǎo)隨柵極電壓的變化。如圖31C中的插圖所示，對這些 數(shù)據(jù)的線性擬合得出本征器件遷移率為~270cm2/Vs，并且本征閾電壓為~2V。
[0254]圖31D比較了具有非摻雜的和接觸摻雜的可印刷單晶硅半導(dǎo)體元件的晶體管的有效遷移率μ eff，該有效遷移率μ eff直接從線性段(即未扣除接觸效應(yīng))測得的傳輸特性得到。對于未摻雜的器件，隨著通道長度L從100微米降至5微米，μ eff從200cm2/Vs快速降至50cm2/Vs。當(dāng)通道長度低于~50微米時(shí),接觸開始控制器件的性能。在接觸摻雜的情況下，遷移率為約270cm2/Vs，當(dāng)通道長度在上述范圍內(nèi)時(shí)，遷移率的變化< 20%，這與由圖31C的插圖所測得的本征器件遷移率一致。這些數(shù)據(jù)提供了額外的證據(jù)證明接觸阻抗的影響對于這些器件可忽略。我們注意到，除了遷移率不同以外，與未摻雜接觸的器件相比，具有摻雜接觸的器件更穩(wěn)定、其性能更一致并且對處理?xiàng)l件較不敏感。
[0255]機(jī)械柔性是該類器件的重要特性。我們在使器件置于壓縮和拉伸的彎曲方向上對接觸摻雜的μ S-Si晶體管進(jìn)行系統(tǒng)彎曲試驗(yàn)。我們還進(jìn)行了一些疲勞試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置的細(xì)節(jié)在實(shí)施例6中給出。圖32Α展示了由未屈曲狀態(tài)的值μ 0eff歸一化的有效器件遷移率隨應(yīng)變(或彎曲半徑)的變化。正負(fù)應(yīng)變分別對應(yīng)于拉伸和壓縮。對于該范圍的應(yīng)變(對于200微米厚的基片，相當(dāng)于彎曲半徑低至~Icm)，我們僅觀察到小的(在大多數(shù)情況下<20%) μ eff/μ Cteff、閾電壓和開關(guān)比變化。機(jī)械柔性的這一水平可與報(bào)道的塑料基片上的有機(jī)和a-Si晶體管相比。圖32B提供了經(jīng)數(shù)百次使器件產(chǎn)生O至0.98%的壓縮應(yīng)變的彎曲周期后(至半徑為9.2_)的歸一化的有效遷移率μ#/μ&Η。觀察到器件性能的變化很??；350個周期后，με--/μ_、閾電壓和開關(guān)比的變化均小于20%。這些結(jié)果顯示了含有可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件的本發(fā)明晶體管的良好的疲勞穩(wěn)定性。
[0256]該實(shí)施例表明了旋涂摻雜劑工藝對塑料基片上晶體管中接觸摻雜的可印刷單晶娃半導(dǎo)體元件的實(shí)用性。換算分析(Scaling analysis)顯示本發(fā)明方法生產(chǎn)的器件不受接觸的限制，這表明本發(fā)明方法對于在塑料基片上制造高頻硅器件具有適用性。這一特征與器件的非常良好的機(jī)械柔性以及疲勞穩(wěn)定性結(jié)合，使得該接觸摻雜的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體途徑成為制造多種柔性大型電子系統(tǒng)、微電子系統(tǒng)和/或納米電子系統(tǒng)的有價(jià)值的路線。
[0257]本發(fā)明還提供將可印刷半導(dǎo)體元件集成至多種器件和器件配置中的異質(zhì)集成方法。本發(fā)明的這一方面提供用于生產(chǎn)多種器件的制造途徑，在該制造途徑中，完全不同類的材料在相同的平臺上組裝并相互連接。本發(fā)明的異質(zhì)集成方法使用溶液印刷和/或干式接觸轉(zhuǎn)印將兩種或多種不同的材料以建立其電、光和/或機(jī)械互連性的方式結(jié)合起來。本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件可與不同的半導(dǎo)體材料或其他類型的材料——包括電介質(zhì)、導(dǎo)體、陶瓷、玻璃和聚合物材料——集成。
[0258]在該概念的一個實(shí)施方案中，異質(zhì)集成涉及將可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印并聯(lián)結(jié)至具有不同組成的半導(dǎo)體電路片(chip)上，以便例如在電路片型器件上組裝系統(tǒng)。在另一個實(shí)施方案中，多個無支承的器件和/或器件組件在不同種類的半導(dǎo)體晶片(例如硅晶片和GaN晶片)上制成并隨后一起集成至相同的接受基片上，例如接受晶片上。在又一個實(shí)施方案中，異質(zhì)集成涉及通過以特定取向組裝可印刷元件并將可印刷元件與集成電路中的其它組件有效互連，以將一個或多個可印刷半導(dǎo)體元件引入復(fù)雜的預(yù)成形的(performed)集成電路中。本發(fā)明的異質(zhì)集成方法可采用大量本領(lǐng)域已知的將微米級和/或納米級可印刷半導(dǎo)體元件組裝并連接的其他技術(shù)，包括但不限于，晶片連接法、使用粘合劑及中間聯(lián)結(jié)層，退火步驟(高溫和低溫退火)、剝離外部氧化物層的處理、半導(dǎo)體摻雜技術(shù)、光刻法以及通過連續(xù)的薄膜層轉(zhuǎn)印進(jìn)行的附加多層處理方法。
[0259]圖33提供了使用本發(fā)明的異質(zhì)集成方法制造的、含有直接聯(lián)結(jié)至硅晶片(100)上的氮化鎵微米結(jié)構(gòu)的組合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的SEM圖像。為制造如圖33所示的組合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，使用誘導(dǎo)耦合等離子體蝕刻在硅(111)晶片上對GaN進(jìn)行微加工制得含有GaN的可印刷半導(dǎo)體元件，并且在熱(100°C)的KOH水溶液中使用各向異性濕式蝕刻使所述含有GaN的可印刷半導(dǎo)體元件脫離硅。將可印刷GaN元件從母片上移除并使用PDMS印模通過干式接觸轉(zhuǎn)印法印刷至接受硅片上?？捎∷aN元件與硅片之間的聯(lián)結(jié)由分子間的吸引力提供，而不需要使用粘合層。圖33中所提供的SEM圖像表明本發(fā)明的可印刷半導(dǎo)體元件及轉(zhuǎn)印組裝方法能實(shí)現(xiàn)不同半導(dǎo)體材料的異質(zhì)集成。
[0260]實(shí)施例8:具有可印刷半導(dǎo)體元件的高性能太陽能電池的制造
[0261]本發(fā)明的一個目的在于提供在具有多種組成的大面積基片上，包括柔性塑料基片上制造太陽能電池、太陽能電池陣列以及具有太陽能電池的集成電子器件的方法。此外，本發(fā)明的一個目的在于提供能在下述太陽能電池中提供P-N節(jié)的異質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件，所述太陽能電池表現(xiàn)出可與常規(guī)的高溫處理方法所制造的太陽能電池相比的光電二極管響應(yīng)。
[0262]通過實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了本發(fā)明可印刷半導(dǎo)體元件在太陽能電池中提供包括具有高質(zhì)量P-N層界面的P-N節(jié)的異質(zhì)可印刷半導(dǎo)體元件的能力。使用兩種不同的生產(chǎn)P-N節(jié)的途徑制造太陽能電池，并且對通過這些途徑生產(chǎn)的器件的光電二極管響應(yīng)進(jìn)行評價(jià)。該實(shí)施例提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件及相關(guān)的組裝方法可用于在太陽能電池中提供高質(zhì)量的P-N節(jié)。
[0263]圖34A提供了示意性說明含有可印刷P-N節(jié)的太陽能電池的制造途徑中的處理步驟的工藝流程圖。如圖34A所示，以得到與P摻雜半導(dǎo)體區(qū)直接相鄰的N摻雜半導(dǎo)體區(qū)的方式提供高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料，例如單晶硅晶片，并對其進(jìn)行處理。為制造表現(xiàn)出良好效率的太陽能電池，優(yōu)選使P區(qū)和N區(qū)物理接觸并且在它們之間具有不存在未摻雜半導(dǎo)體的突變界面。隨后對經(jīng)過處理的半導(dǎo)體材料進(jìn)行構(gòu)圖及蝕刻，以確定可印刷P-N節(jié)的物理尺寸。隨后通過剝離技術(shù)的處理，生成含有與N摻雜半導(dǎo)體層直接相鄰的P摻雜層的可印刷P-N節(jié)的整體結(jié)構(gòu)。然后使用本發(fā)明的溶液印刷或干式接觸轉(zhuǎn)印法將可印刷P-N節(jié)組裝至基片上。如圖34A所示，P和N摻雜的半導(dǎo)體層上的觸點(diǎn)(即電極)可通過以下兩種途徑形成:在對可印刷P-N節(jié)進(jìn)行剝離處理之前沉積至整體式結(jié)構(gòu)上；或者在組裝至基片上之后沉積至可印刷P-N節(jié)上。在一個實(shí)施方案中，采用一種或多種金屬的汽相淀積形成觸點(diǎn)。
[0264]圖34B展示了由圖34A所示的制造途徑生產(chǎn)的太陽能電池器件配置的示意圖。使5微米厚的、具有硼摻雜劑的P摻雜半導(dǎo)體層與兩層具有磷摻雜劑的N摻雜半導(dǎo)體層直接接觸。觸點(diǎn)直接設(shè)置在N摻雜層上以及與形成P-N節(jié)的P摻雜半導(dǎo)體層接觸的兩層富集P摻雜層上。引入磷和硼摻雜的接觸區(qū)克服了系統(tǒng)的接觸阻抗。圖34C提供了照射具有如圖34B所示配置的太陽能電池器件后所觀察到的光電二極管響應(yīng)的電流-偏壓曲線。如圖34C所示，當(dāng)照射太陽能電池并施加正偏壓時(shí)，產(chǎn)生電流。
[0265]圖35A提供了示意性說明生產(chǎn)含有可獨(dú)立印刷的P摻雜和N摻雜半導(dǎo)體層的替代制造途徑中的處理步驟的工藝流程圖。如圖35A所示，以得到分立的N摻雜的與P摻雜的半導(dǎo)體區(qū)的方式提供高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料，例如單晶硅晶片，并對其進(jìn)行處理。隨后對經(jīng)過處理的半導(dǎo)體材料進(jìn)行構(gòu)圖及蝕刻以確定獨(dú)立的P摻雜層和N摻雜層的物理尺寸。隨后通過剝離技術(shù)的處理生成可獨(dú)立印刷的P摻雜半導(dǎo)體層和/或可獨(dú)立印刷的N摻雜半導(dǎo)體層。然后通過將第一摻雜半導(dǎo)體元件(N摻雜或P摻雜的)印刷至具有不同組成的第二摻雜的半導(dǎo)體元件上，以使第二摻雜的元件與第一摻雜的元件接觸，從而組裝成P-N節(jié)。在一個實(shí)施方案中，通過對P摻雜的和N摻雜的半導(dǎo)體層進(jìn)行印刷而組裝P-N節(jié)，其實(shí)現(xiàn)可通過例如將第一摻雜的半導(dǎo)體層印刷至基片上并隨后將第二摻雜的半導(dǎo)體層印刷至第一摻雜的半導(dǎo)體層上?；蛘呖赏ㄟ^將第一摻雜的半導(dǎo)體層印刷至含有第二摻雜的半導(dǎo)體層的基片上進(jìn)行PN節(jié)的組裝。在這些元件之間提供良好界面的任何P摻雜層和N摻雜層取向均可用于本發(fā)明中，包括但不限于其中第一摻雜的半導(dǎo)體元件與第二摻雜的半導(dǎo)體元件的頂面接觸的取向。
[0266]可通過本領(lǐng)域已熟知的晶片聯(lián)結(jié)技術(shù)(參見，例如“Materials Science andEngineering R，，,Jan Haisma和G.A.C.M Spierings,37,第 1-60頁(2002))實(shí)現(xiàn)N和P慘雜的可印刷半導(dǎo)體元件的接合。任選地，在印刷前、印刷中或印刷后對P和N摻雜的半導(dǎo)體層進(jìn)行處理，以剝離其上的、可能妨礙在P-N摻雜層之間建立具有高質(zhì)量界面的P-N節(jié)的任何外部絕緣層，例如外部氧化物層。任選地，在某些實(shí)施方案中，在使這些元件接觸前，通過例如加熱除去待接合的摻雜半導(dǎo)體表面上存在的任何水，以改善P-N節(jié)中界面的質(zhì)量。組裝第一與第二摻雜半導(dǎo)體元件可使用本發(fā)明的溶液印刷或干式接觸轉(zhuǎn)印法進(jìn)行。任選地，本發(fā)明該方面的制造途徑還可包括對P-N節(jié)進(jìn)行退火處理的步驟，以在P摻雜和N摻雜的半導(dǎo)體層之間建立良好的界面。退火優(yōu)選在足夠低的、不明顯損壞支承P-N節(jié)的基片的溫度下進(jìn)行，例如對于組裝至塑料基片上的P-N節(jié)，在低于約200°C的溫度下進(jìn)行。或者，P-N節(jié)可在不涉及基片的處理步驟中進(jìn)行退火。在該實(shí)施方案中，使退火的P-N節(jié)冷卻并隨后通過溶液印刷或干式接觸轉(zhuǎn)印法組裝至基片上。如圖35A所示，P和N摻雜的半導(dǎo)體層上的觸點(diǎn)(即電極)可通過如下兩種途徑形成:在進(jìn)行剝離處理之前沉積至獨(dú)立的摻雜半導(dǎo)體層上；或者在組裝至基片上之后沉積至可印刷的P-N節(jié)上。在該實(shí)施方案中，采用一種或多種金屬的汽相沉積形成觸點(diǎn)。
[0267]圖35B展示了通過將N摻雜的半導(dǎo)體層印刷至硅晶片的P摻雜的半導(dǎo)體層上所生產(chǎn)的太陽能電池器件的示意圖。將組合結(jié)構(gòu)退火至約1000°c的溫度以生產(chǎn)在N摻雜的半導(dǎo)體層與P摻雜的半導(dǎo)體層之間具有高質(zhì)量界面的P-N節(jié)。通過蒸汽沉積鋁層在各摻雜的半導(dǎo)體層上直接設(shè)置電觸點(diǎn)。圖35C展示了在圖35B中示意性描述的太陽能電池的俯視SEM圖像。SEM圖像展示了位于P摻雜的半導(dǎo)體層上的N摻雜的半導(dǎo)體層，并且還展示了各個摻雜半導(dǎo)體層上的鋁觸點(diǎn)。圖3?提供了說明圖35C所示太陽能電池的光電二極管響應(yīng)的電流-偏壓曲線。如圖3?所示，當(dāng)照射太陽能電池并施加正偏壓時(shí)，產(chǎn)生電流。圖35E提供了以不同光強(qiáng)度照射如圖35C所示的太陽能電池后光電流隨時(shí)間變化的曲線。
[0268]可用于本發(fā)明太陽能電池的可印刷異質(zhì)半導(dǎo)體元件——例如可印刷摻雜半導(dǎo)體元件和可印刷P-N節(jié)——的物理尺寸取決于多個變量。首先，厚度必須足夠大，以使每單位面積上有可觀比例的入射光子被P-N節(jié)吸收。因此，P摻雜層和N摻雜層的厚度至少部分取決于下層半導(dǎo)體材料的光性能，例如其吸收系數(shù)。對于某些有益的應(yīng)用，可印刷硅元件的厚度為約20微米至約100微米，砷化鎵元件的厚度為約I微米至約100微米。其次，在某些器件應(yīng)用中，可印刷元件的厚度必須足夠小，以使它們表現(xiàn)出對特定的器件應(yīng)用有益的柔性程度。使用薄(<100微米)的元件能夠得到柔性，即使對于脆性的材料例如單晶硅半導(dǎo)體也是如此，并且由于需要較少的原料而使制造成本降低。第三，可印刷元件的表面積應(yīng)當(dāng)足夠大，以捕獲顯著數(shù)量的入射光子。
[0269]可通過任何能得到具有嚴(yán)格確定的空間分布的高質(zhì)量摻雜半導(dǎo)體材料的方法——包括使用旋涂摻雜劑的方法(例如，參見實(shí)施例8)——將摻雜劑引入半導(dǎo)體材料中。將摻雜劑引入半導(dǎo)體材料中的示例性方法證實(shí)了對摻雜劑在一維、二維或三維(即摻入深度和摻有摻雜劑的半導(dǎo)體層的面積)上的空間分布的控制。圖34A和35A所示制造途徑的一個重要優(yōu)點(diǎn)在于摻雜劑的摻入和活化可獨(dú)立地在潔凈的室內(nèi)條件下和高溫下進(jìn)行。然而，隨后可印刷摻雜半導(dǎo)體元件和/或P-N節(jié)的制造和組裝可在較低溫度下及非潔凈的室內(nèi)條件下進(jìn)行，從而能在多種基片材料上進(jìn)行高處理量的太陽能電池的制造。
[0270]實(shí)施例9:可拉伸電路和電子器件的制造
[0271]本發(fā)明提供能在拉伸、撓曲或變形時(shí)具有良好性能的可拉伸電路、電子器件和電子器件陣列。與實(shí)施例2所述的可拉伸半導(dǎo)體元件類似，本發(fā)明提供包括柔性基片的可拉伸電路和電子器件，所述柔性基片具有與下述器件、器件陣列或電路接觸的支承面，所述器件、器件陣列或電路具有彎曲的內(nèi)表面，例如呈波形結(jié)構(gòu)的彎曲的內(nèi)表面。在該結(jié)構(gòu)布置中，器件、器件陣列或電路結(jié)構(gòu)的至少一部分彎曲的內(nèi)表面與柔性基片的支承面聯(lián)結(jié)。然而，與實(shí)施例2中的可拉伸半導(dǎo)體不同的是，本發(fā)明這一方面的器件、器件陣列或電路是含有多個集成器件組件——例如半導(dǎo)體、介電體、電極、摻雜半導(dǎo)體和導(dǎo)體——的多組件元件。在一個示例性實(shí)施方案中，具有小于約10微米的凈厚度的柔性電路、器件和器件陣列含有多個集成器件組件，該器件組件的至少一部分具有周期波彎曲結(jié)構(gòu)。
[0272]在本發(fā)明的一個有用的實(shí)施方案中，提供了含有多個相互連接的組件的無支承的電路或器件。電路或器件的內(nèi)表面與處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)應(yīng)變彈性體基片接觸并至少部分聯(lián)結(jié)至后者。預(yù)應(yīng)變可通過本領(lǐng)域已知的任何方式實(shí)現(xiàn)，包括但不限于，輥壓和/或使彈性體基片預(yù)彎曲，并且彈性體基片可通過沿著一條軸線擴(kuò)展或沿著多條軸線擴(kuò)展實(shí)施預(yù)應(yīng)變?？芍苯油ㄟ^電路或器件的至少一部分內(nèi)表面與預(yù)應(yīng)變彈性體基片之間的共價(jià)鍵合或范德華力實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)，或通過使用粘合劑或中間聯(lián)結(jié)層實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)。當(dāng)預(yù)應(yīng)變彈性體基片與電路或器件連接后，使彈性體基片至少部分松弛至松弛狀態(tài)，這使得可印刷半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面彎曲。電路或器件的內(nèi)表面的彎曲在某些有用的實(shí)施方案中產(chǎn)生具有周期或非周期波形的彎曲內(nèi)表面。本發(fā)明包括如下實(shí)施方案，在該實(shí)施方案中，組成電子器件或電路的所有組件以周期波或非周期波形的形式存在。
[0273]可拉伸電路、電子器件或電子器件陣列的周期波或非周期波形使得它們能適應(yīng)拉伸或屈曲構(gòu)造而不會對電路或器件的單個組件產(chǎn)生大的應(yīng)變。本發(fā)明的這一方面使可拉伸電路、電子器件和電子器件陣列在以屈曲、拉伸或變形狀態(tài)存在時(shí)具有有益的電性能。由本發(fā)明方法形成的周期波形的周期可隨著如下參數(shù)變化:(i)組成電路或器件的集成組件集合的凈厚度以及(ii)集成器件組件所含材料的機(jī)械性能，例如楊氏模量和抗撓剛度。
[0274]圖36A展示了生產(chǎn)可拉伸薄膜晶體管陣列的示例性方法的工藝流程圖。如圖36A所示，使用本發(fā)明技術(shù)提供無支承的可印刷薄膜晶體管陣列。通過干式接觸轉(zhuǎn)印法，以使晶體管內(nèi)表面裸露出來的方式將薄膜晶體管陣列轉(zhuǎn)印至PDMS基片上。然后使裸露的內(nèi)表面與室溫固化的、以擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)存在的預(yù)應(yīng)變PDMS層接觸。隨后預(yù)應(yīng)變PDMS層的充分固化使晶體管的內(nèi)表面與預(yù)應(yīng)變的PDMS層聯(lián)結(jié)。使預(yù)應(yīng)變的PDMS層冷卻，并呈現(xiàn)至少部分松弛的狀態(tài)。PDMS層的松弛將周期波結(jié)構(gòu)引至陣列中的晶體管中，從而使其可拉伸。圖36A中的插圖提供了由本發(fā)明方法制得的可拉伸薄膜晶體管陣列的原子力顯微照片。原子力顯微照片展示了在拉伸或變形狀態(tài)下提供良好電性能的周期波結(jié)構(gòu)。
[0275]圖36B提供了處于松弛和拉伸狀態(tài)的可拉伸薄膜晶體管陣列的光學(xué)顯微照片。以使陣列產(chǎn)生約20%凈應(yīng)變的方式拉伸陣列未使薄膜晶體管斷裂或損壞。晶體管從松弛狀態(tài)變?yōu)閼?yīng)變狀態(tài)據(jù)觀察為可逆過程。圖36B還提供了將幾種電勢施加至柵電極時(shí)的漏電流-漏電壓曲線，該曲線表明可拉伸薄膜晶體管在松弛狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下均表現(xiàn)出良好的性能。
[0276]實(shí)施例10:可印刷微米結(jié)構(gòu)的硅(Us-Si)的大面積、選擇性轉(zhuǎn)印:獲得柔性基片支承的高性能薄膜晶體管的基于印刷的途徑
[0277]本發(fā)明的方法、設(shè)備和設(shè)備組件提供一種新的、生產(chǎn)高性能集成微電子器件和器件陣列的基于印刷的制造平臺。本發(fā)明獲得大型電子和微電子器件的技術(shù)途徑優(yōu)于常規(guī)處理方法的優(yōu)點(diǎn)包括與多種基片材料、物理尺寸和表面形態(tài)的兼容性。另外，本發(fā)明基于印刷的途徑實(shí)現(xiàn)了在大面積基片上生產(chǎn)集成的微電子器件和器件陣列的低成本、高效率制造途徑，該制造途徑與現(xiàn)有的高處理量印刷器件和技術(shù)兼容。
[0278]塑造現(xiàn)代社會結(jié)構(gòu)的高級信息技術(shù)關(guān)鍵依賴于微電子器件的使用，即涉及越來越高的集成密度的微電子器件的使用。從二十世紀(jì)五十年代后期的、包括少于4個晶體管的早期電路(IC)開始，現(xiàn)有技術(shù)中的IC在基本相同尺寸的封裝中集成上百萬個晶體管。然而，已更多的關(guān)注于開發(fā)新的器件形式要素(device form factor)，這些器件形式要素使用力圖在保持高的器件性能水平的同時(shí)降低成本的制造方法，將半導(dǎo)體器件的性能結(jié)合到包括大面積的和/或柔性的材料支承的結(jié)構(gòu)中。這樣的器件技術(shù)可在有源矩陣像素顯示器驅(qū)動和RF識別標(biāo)簽中獲得應(yīng)用。最近的報(bào)道詳細(xì)描述了使用溶液處理法構(gòu)建這種電路的模型，特別是基于半導(dǎo)體納米線(NW)或網(wǎng)狀納米管的電路的模型。雖然以這種方式制備的功能器件是有前景的，但它們通常具有明顯低于常規(guī)高溫半導(dǎo)體處理途徑的器件性能水平的特征。例如，使用溶液處理法所制備的薄膜晶體管(TFT)據(jù)報(bào)道場效應(yīng)遷移率在~2cm2/Vs至~40cm2/Vs之間 。
[0279]一方面，本發(fā)明提供使用由絕緣體上的硅晶片制得的微米結(jié)構(gòu)的單晶硅(μ s-Si)帶的“自頂向下”制造策略，以用于超高性能TFT中。該制造技術(shù)與多種有用的半導(dǎo)體材料相兼容，并且已成功適應(yīng)包括GaN、InP和GaAs在內(nèi)的其他工業(yè)上有用的半導(dǎo)體材料。
[0280]在該實(shí)施例中，我們展現(xiàn)了用于實(shí)施該技術(shù)的多個重要的處理步驟，包括實(shí)現(xiàn)硅帶在整個大基片面積上的選擇性轉(zhuǎn)印和準(zhǔn)確定位的制造方法，以及適用于剛性(例如玻璃)和柔性塑料基片的通用印刷方法。在該實(shí)施例中，我們具體報(bào)道了兩種可用于將μ S-Si從SOI晶片上選擇性移除并隨后將其以所形成的圖案形式轉(zhuǎn)印至塑料基片上的方法。為簡便起見，將該方法分為方法K圖37Α)和方法11(圖37Β)，它們使用不同的粘合聯(lián)結(jié)機(jī)理實(shí)現(xiàn)μ S-Si基于印刷的圖案轉(zhuǎn)印。方法I利用Sylgard 3600聚(二甲基娃氧烷)(PDMS)模制的印模(一種由Dow Corning公司提供的新的實(shí)驗(yàn)性的、高模量PDMS產(chǎn)品)與μ S-Si物體之間的物理聯(lián)結(jié)。方法II使用近來開發(fā)的無母版軟光刻(masterlesssoftlithography)技術(shù)以將μ s_Si以化學(xué)方式聯(lián)結(jié)至涂有PDMS的基片上。
[0281]圖37A提供了展示將μ s-Si元件構(gòu)圖至塑料基片上的本發(fā)明處理方法(方法I)的示意圖。在本實(shí)施例中，塑料基片包括聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片。使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)使花生狀的光刻膠圖案在SOI基片上顯影。等離子蝕刻以及隨后的光刻膠剝離產(chǎn)生支承在氧化物埋層上的μ s-Si“花生”。然后使用HF對樣品進(jìn)行不完全蝕刻以得到僅由存在于μ s-Si的啞鈴形端部上的殘留氧化物層所支承的、側(cè)凹(undercut)花生形圖案。然后使SOI晶片與硬的、模制有與所需圖案轉(zhuǎn)印的潛像相對應(yīng)的部件的3600PDMS印模層合。印模的凸起部件對應(yīng)于如下區(qū)域，在該區(qū)域中，μ s-Si由于與PDMS的強(qiáng)自粘性而從SOI表面上選擇性移除。將印模從SOI晶片上剝離以后，將其與涂有聚氨酯(PU)的聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片接觸放置，所述聚氨酯(PU)已用UV燈部分固化。刮棒涂布(bar coating)技術(shù)可用于沉積PU粘合層以確保涂層厚度在整個大面積^OOcm2)塑料基片上均勻。然后將印模上的μ s-Si與塑料片涂有的一側(cè)接觸放置，然后從夾層結(jié)構(gòu)的PET側(cè)進(jìn)行二次UV/臭氧曝光以使PU完全固化并增強(qiáng)它與μ s-Si的聯(lián)結(jié)。將印模從塑料基片上剝離，導(dǎo)致微米結(jié)構(gòu)的硅與PDMS分離，從而完成向涂有I3U的基片的轉(zhuǎn)印。
[0282]圖37Β提供了說明將μ s-Si元件構(gòu)圖至塑料基片上的一種替代的本發(fā)明處理方法(方法II)的示意圖。在該實(shí)施例中，塑料基片包括聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片。最近報(bào)道的貼花轉(zhuǎn)印光刻(Decal Transfer Lithography, DTL)技術(shù)使用未成型(unmolded)的、經(jīng)過光化學(xué)處理的PDMS厚平板，以使粘合具有空間調(diào)制的強(qiáng)度。使用微反應(yīng)器光掩模在一厚塊常規(guī)Sylgard 184 PDMS的整個表面上形成UV/臭氧(UVO)處理的圖案，從而形成高的空間分辨率的UVO改性圖案。曝光后，使涂有光化學(xué)改性的PDMS的PET與呈花生狀的SOI晶片接觸放置，并加熱至70°C保溫30分鐘。在SOI晶片上制作花生形圖案采用與方法I相同的過程(參見圖37A)，外加在HF蝕刻步驟后將SiO2薄膜(5nm)蒸發(fā)至表面上。該SiO2層有助于與PDMS的強(qiáng)的化學(xué)聯(lián)結(jié)。加熱后，將PDMS從SOI上剝離，使μ s_Si以圖案形式轉(zhuǎn)印至PDMS的UVO改性區(qū)。
[0283]圖38A展示了用于本發(fā)明方法的稱作花生狀μ s-Si物體的設(shè)計(jì)。圖38Α中的光學(xué)圖像插圖展示了優(yōu)化的HF蝕刻條件，其中通道下的埋層氧化物被除去，而犧牲層的SiO2部分保留下來?；ㄉ鸂钍翘貏e有益的，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的端部略寬于主體。在HF溶液中蝕刻下面的氧化物層，可對時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，以使中心下面的氧化物層完全移除，而使?fàn)奚鼘硬糠值腟iO2仍保留在兩端中的一端上(圖38Α的插圖中所示的啞鈴形區(qū)域)。正是該殘留的SiO2層將μ s-Si固定在其初始位置中。如果沒有該氧化物橋接層(bridge layer)，將易于喪失由光刻法在SOI晶片上生成的μ s-Si的次序。圖38Β展示了當(dāng)Si物體在HF溶液中被過度蝕刻時(shí)失去該次序的一個實(shí)例。如圖38Β所示，當(dāng)樣品在HF溶液中過度蝕刻時(shí)，Si物體開始漂浮在HF溶液中。當(dāng)μ s-Si通過方法I或方法II從SOI晶片移除時(shí)，在犧牲區(qū)的邊緣發(fā)生斷裂。
[0284]圖38C、38D、38E和38F展示了描述使用方法I所實(shí)施的各個μ s_Si轉(zhuǎn)印步驟的進(jìn)行的一系列顯微照片。圖38C展示了優(yōu)化的HF側(cè)凹蝕刻后SOI晶片上的μ s-Si。圖38D展示了 PDMS印模移除了一部分μ s-Si后的SOI晶片。如圖38D所示，PDMS印模移除一部分μ s-Si,由此保留SOI上相鄰區(qū)域的完整性。由于SOI晶片上的未使用微米結(jié)構(gòu)的硅物體保留在其原來的位置，因此它們可由印模拾取并在隨后的印刷步驟中轉(zhuǎn)印(如下所述)。圖38E展示了轉(zhuǎn)印至PDMS印模上的μ s-Si結(jié)構(gòu)。μ s-Si帶各端缺失的中心顯示在將微結(jié)構(gòu)的硅從SOI轉(zhuǎn)印至PDMS印模的過程中出現(xiàn)斷裂的圖案。圖38F展示了 μ s_Si 二次轉(zhuǎn)印(這次從PDMS印模轉(zhuǎn)印至涂有I3U的塑料基片)的典型結(jié)果，其中粘附至PU的μ s-Si支承在塑料上。
[0285]多次轉(zhuǎn)印對于從小的PDMS印模至較大的塑料表面是可能的。圖39Α和39Β提供了通過3600PDMS印模將μ s-Si選擇性轉(zhuǎn)印至TO/PET片上的光學(xué)圖像。如圖39Α所示的大面積(15X15cm)轉(zhuǎn)印中，使用8X8cm的印模通過多次轉(zhuǎn)印將μ s_Si稀疏地轉(zhuǎn)印至塑料基片上。圖像中的各個像素具有如圖38F所示的相同的布置，并且遵循圖38C-38E所述的相同規(guī)程。圖39B的插圖展示了更復(fù)雜的模制形式，即由小于圖38C-38E中所強(qiáng)調(diào)物體尺寸的花生狀μ s-Si物體組成“DARPA macroE”的文字。高的轉(zhuǎn)印圖案保真度通過形成字母“A”的物體(插圖的圓圈)的質(zhì)量說明，如圖39B所示。這些數(shù)據(jù)表明僅有印模直接觸及的區(qū)域最終轉(zhuǎn)印至塑料基片上。我們注意到有兩個原因使這樣的轉(zhuǎn)印在使用常規(guī)Sylgard184PDMS時(shí)更加困難。首先，當(dāng)部件之間的間隔距離超過部件高度的20倍時(shí)，Sylgard 184將下陷。本說明書所示的實(shí)施例利用了該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并排除使用低模量聚合物的高保真度轉(zhuǎn)印。其次，我們還發(fā)現(xiàn)Sylgard 184某些時(shí)候不具有足夠的粘合力將每個μ s_Si花生從SOI晶片上拾起，并且在某些使用由該聚合物制備的印模的應(yīng)用中觀察到缺陷。Dow Corning的3600PDMS在縱橫比為1: 200時(shí)也沒有發(fā)生明顯下陷，并且可能更重要的是，它與μ s-Si物體的粘合強(qiáng)于184PDMS。
[0286]使用方法II進(jìn)行μ s-Si轉(zhuǎn)印的一個實(shí)例示于圖39C和29D中。圖39C為涂有Sylgard 184的PET基片的一個片段的光學(xué)顯微照片,其中μ s_Si已與該基片化學(xué)聯(lián)結(jié)并將隨后轉(zhuǎn)印至該基片上。以這種方式轉(zhuǎn)印的μ s-Si的更高放大率的圖像示于圖39D中。應(yīng)注意的是在該實(shí)例中所使用的花生形狀的尺寸相對較小，其中帶的寬度為25 μ m。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)這些較小的部件在從SOI晶片上移除后具有不同的斷裂點(diǎn)。在放大的圖39D中，還可注意到PDMS表面也不再是平的。其原因在于一部分I3DMS反過來被轉(zhuǎn)印至SOI上，在被UVO處理圖案活化的接觸區(qū)中從大塊上剝離，所述接觸區(qū)中PDMS下陷并接觸花生狀物體之間的晶片表面。
[0287]圖40A說明了用方法I轉(zhuǎn)印的使用花生狀μ s-Si制造的器件的一個示例性的器件幾何形狀。為構(gòu)建這些器件，使用涂有氧化銦錫(ITO)的PET片作為基片。ITO用作柵電極，并且使用稀釋的SU-8 5(測得的電容=5.77nF/cm2)作為柵極電介質(zhì)。圖40B提供了 μ s-Si TFT在多個柵極電壓(Vg =-2.5V至20V)下的1-V曲線。如圖40Β所示，這些塑料支承的花生狀ys-Si TFT展示了累積模式的η通道晶體管行為。如圖40c的插圖所示，該器件的通道長度為100 μ m并且器件的寬度為400 μ m。圖40C展示了在恒定的源-漏電壓(Vsd= IV)下測得的傳輸特性，它表明有效遷移率為173cm2/Vs。圖40C中的插圖展示了本發(fā)明實(shí)際器件的光學(xué)顯微照片。傳輸特性表明有效遷移率為173cm2/Vs時(shí)閾電壓(Vth)為-2.5V。這些值與IOOnm厚的該類底柵結(jié)構(gòu)所預(yù)期的性能特性一致。
[0288]該實(shí)施例中所述的選擇性轉(zhuǎn)印法提供了將微米結(jié)構(gòu)的硅從SOI晶片轉(zhuǎn)印至柔性大型系統(tǒng)的一種有效途徑。與常規(guī)的溶液澆注法不同的是，使用這些技術(shù)，微米結(jié)構(gòu)的硅物體可以精確的定位從SOI母晶片轉(zhuǎn)印，并以將浪費(fèi)降至最低的方式使用。在本申請中所研究的新的3600PDMS的機(jī)械性能表明它與市售的Sylgard 184PDMS樹脂相比，具有許多重要優(yōu)點(diǎn)，特別是其尺寸穩(wěn)定性和更高的表面粘合性能。還證實(shí)印刷技術(shù)與含有高性能μ s-Si薄膜晶體管的大型系統(tǒng)的構(gòu)建相兼容。
[0289]實(shí)驗(yàn)
[0290]方法I
[0291]μ s-Si物體的制造使用市售的SOI晶片(S0ITEC，P型，頂層Si厚度=IOOnm,電阻率=13.5-22.5歐姆.cm，145nm氧化物埋層)進(jìn)行。使用光刻法(Shipley 1805光刻膠)將SOI晶片構(gòu)圖為所需的花生狀幾何形狀(中部長度:200 μ m、寬度:25 μ m，花生的直徑:50 μ m)。然后使用干式蝕刻(Plasmatherm RIE系統(tǒng)，SF6流速為40sccm, 50mTorr, RF功率=100W，進(jìn)行45s)除去裸露的硅。接著在HF(49%)溶液中蝕刻下層SiO2 80秒。對于方法 I 的 3600PDMS 印模，將特制的 PDMS (Dow Corning, 3600，彈性模量=8Mpa)與 Sylgard184 (Dow Corning,彈性模量=1.8Mpa)以一比一的比例混合并使用標(biāo)準(zhǔn)軟光刻構(gòu)圖法固化。使用UV光源(臭氧活性汞燈，HSyW/cm2)固化I3U薄膜粘合層(Norland光粘合劑，N0.73)。使用刮棒涂布法(Meyer刮棒，RD特制)將這些后面的薄膜涂布至PET基片(180 μ m厚，聚酯薄膜，Southwall technologies)上。
[0292]方法II
[0293]對于方法II，所使用的花生狀物體的尺寸(中部長度:10μπκ寬度:2μπκ端部直徑:5μπι)小于方法I所使用的尺寸。使用相似的制造方法生產(chǎn)這些結(jié)構(gòu)，不同之處在于將RIE蝕刻時(shí)間降至25秒(以將偵彳壁蝕刻降至最低)并且在濃的(49% ) HF溶液中蝕刻氧化物埋層30秒。當(dāng)后一蝕刻步驟完成后，水浴漂洗樣品并在烘箱中于70°C下干燥5分鐘。然后將5 O人的SiO2層蒸發(fā)至樣品上(Temescal FC-1800電子束蒸發(fā)器)。為將PDMS薄層連接至PET基片上，首先以IOOOrpm持續(xù)30秒將一層I3U旋涂至PET上并曝光于UV0(173W/cm2) 4分鐘。然后以IOOOrpm持續(xù)30秒將PDMS膜旋涂至I3U上并在65°C熱固化三小時(shí)。
[0294]選擇性區(qū)域軟光刻構(gòu)圖法包括將有涂層的PET基片的未構(gòu)圖的PDMS側(cè)與UVO光掩模已構(gòu)圖的一側(cè)接觸放置。該微反應(yīng)器掩模的制造采用Childs等所述的方法。圖案由兩個聯(lián)鎖矩形陣列(1.2X0.6mm)組成。然后使PDMS在距汞球管(UVOCS T10X10/0ES)?3cm的位置處通過UVO光掩模輻照3分鐘。曝光后，將PDMS印模從UVO光掩模上剝離，并且將PDMS已曝光的面與含有花生狀物體的SOI晶片接觸放置。在70°C下加熱30分鐘后，使用鑷子將PDMS緩慢剝掉，除去與輻照區(qū)域?qū)?yīng)的μ s-Si片段。
[0295]器件制造
[0296]將用66% (v) SU-8 2000稀釋劑稀釋的SU-8 5旋涂至有涂層的PET樣品的ITO側(cè)，旋涂在3000rpm下進(jìn)行30秒。然后使SU-8環(huán)氧樹脂在60°C下于熱板上預(yù)固化?I分鐘。然后使表面上有μ s-Si的PDMS印模(方法I)與環(huán)氧樹脂層接觸30秒并剝離，以將μ s-Si轉(zhuǎn)印至環(huán)氧樹脂。然后使SU-8電介質(zhì)在115°C完全固化2分鐘，曝光于UVlO秒，并在115°C后烘干2分鐘。隨后通過電子束蒸發(fā)加入用于鈦接觸的金屬(40nm)，源-漏區(qū)域的構(gòu)圖使用標(biāo)準(zhǔn)光刻法與使用1% HF溶液的蝕刻結(jié)合進(jìn)行。
[0297]實(shí)施例11:用塑料基片上的印刷GaAs線陣列形成的可彎曲GaAs金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管
[0298]本發(fā)明的制造方法在可組裝并集成至有用功能器件和器件組件的金屬方面具有通用性。具體而言，本發(fā)明方法適用于使用多種高質(zhì)量半導(dǎo)體材料，包括非硅材料，制造基于半導(dǎo)體的微電子和大型電子器件。為驗(yàn)證本發(fā)明方法的這一能力，使用本發(fā)明方法制造了具有GaAs納米線的可彎曲金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)，并評價(jià)了它們的電性能和機(jī)械性能。
[0299]在大面積的機(jī)械柔性塑料基片上用高質(zhì)量的單晶半導(dǎo)體納米和微米結(jié)構(gòu)形成的場效應(yīng)晶體管在顯示器、傳感器、醫(yī)療器械和其他系統(tǒng)的多種應(yīng)用中引起廣泛興趣。已證實(shí)有多種途徑將高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料(例如，硅納米線、微米帶、小板等)轉(zhuǎn)印至塑料基片上，以獲得機(jī)械柔性的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。本發(fā)明可用于在塑料基片上使用已集成有歐姆源/漏接觸的GaAs微米線(一類被稱為微米結(jié)構(gòu)GaAs或μ s-GaAs的材料)制造可彎曲的金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。在這些方法中，高質(zhì)量的大塊GaAs晶片提供“自頂向下”的制造方法的原料以形成微米/納米線。此外，使用彈性體印模的轉(zhuǎn)印技術(shù)使這些線的有序陣列與塑料基片集成。以這種方式形成的MESFET的電測量結(jié)果和機(jī)械測量結(jié)果表明使用本發(fā)明方法可獲得良好的性能以及出色的可彎曲性。
[0300]圖41提供了在柔性塑料基片(聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET))上制造MESFET的主要步驟的示意性說明，所述MESFET使用具有外延(expitaxial)n型通道層的單晶GaAs線陣列以及集成的AuGe/Ni/Au歐姆接觸。具有外延Si摻雜的η型GaAs層(濃度為
4.0 X IO1Vcm3, IQE 有限公司，Bethlehem，賓夕法尼亞)的(100)半絕緣 GaAs (S1-GaAs)晶片提供生產(chǎn)微米線的原料。光刻法與通過電子束(和/或熱)蒸發(fā)的金屬涂布法產(chǎn)生窄金屬條陣列(寬度為2 μ m并且間隔為13 μ m)，包括用作歐姆接觸的常規(guī)的多層堆疊，即AuGe(120nm)/Ni (20nm)/Au(120nm)。使晶片在石英管中于升高的溫度下(即45(TC下I分鐘)在通入N2的條件下進(jìn)行退火，形成與n-GaAs的歐姆接觸。
[0301]將金屬條限定在GaAs的(OlI )晶向上使得微米線(具有集成的歐姆接觸)能使用自頂向下的制造途徑生產(chǎn)。如圖41中的處理步驟所示，在金屬條上確定光刻膠的圖案(3μπι寬)；這些線條之間的縫隙位于相鄰的金屬條之間。這些縫隙使得蝕刻劑(體積比為I: 13: 12 的 H3P04(85wt% ): H202(30wt% ): H2O)能擴(kuò)散至 GaAs 表面以對 GaAs 進(jìn)行各向異性蝕刻。光刻膠保護(hù)歐姆條與GaAs之間的界面免于曝露。各向異性蝕刻產(chǎn)生倒臺以及沿著GaAs表面的側(cè)凹，從而形成從母晶片上剝離的、具有三角形橫截面和窄的寬度的GaAs線。通過控制光刻膠的幾何形狀以及蝕刻時(shí)間，側(cè)凹產(chǎn)生寬度低至微米和/或納米量級的GaAs線。各條線具有由一段間隙隔開的兩個歐姆條，所述間隙確定了所得到的MESFET的通道長度。如圖41中的處理步驟ii所示，使平的彈性體聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)印模與涂有光刻膠的GaAs線接觸，在PDMS與光刻膠的疏水性表面之間形成范德華鍵。如圖41中的步驟iii所示，該相互作用使得印模從母晶片上剝離時(shí)，將所有的GaAs線從晶片上移除至PDMS表面。該轉(zhuǎn)印過程保持了光刻膠確定的線的空間組織(即排列陣列)。然后使具有GaAs線的PDMS印模與覆蓋有液態(tài)聚氨酯(PU，NEA 121，Norland Products有限公司，Cranbury,新澤西)(一種可光固化的聚合物)薄層的PET片層合。
[0302]如圖41中處理步驟iv所示，使PU固化，剝離PDMS印模并通過O2反應(yīng)性離子蝕刻(RIE，Uniaxis 790，Plasma-Therm RIE系統(tǒng))除去光刻膠，得到嵌入在TO/PET基片表面上的具有裸露的歐姆條的有序的GaAs線。在轉(zhuǎn)印過程中，光刻膠不僅用作粘合劑層，還用作防止GaAs線的表面以及歐姆接觸被污染的保護(hù)膜。如圖41中的處理步驟V所示，在PU/PET基片上進(jìn)行的進(jìn)一步的光刻處理確定連接歐姆條的電極(250nm Au)以形成源/漏電極，以及柵電極(Ti(150nm)/Au(150nm))。由于PU/PET片(厚度為?200 μ m)和GaAs線(寬度和厚度均小于5 μ m)的可彎曲性，得到的MESFET陣列具有機(jī)械柔性。
[0303]圖42A提供了展示在塑料基片(PU/PET)上基于GaAs線的MESFET的幾何形狀的橫截面的示意圖。源/漏電極形成與n-GaAs層的歐姆接觸。柵電極形成與上述層的肖特基接觸。固化的PU與GaAs線側(cè)壁之間強(qiáng)的相互作用將線聯(lián)結(jié)至PU/PET基片上。以這種幾何形狀并且采用前述處理途徑，活性n-GaAs層(即晶體管通道)決不會與除了光刻膠以外的任何聚合物材料接觸。Ti/Au柵電極形成與n-GaAs表面的肖特基接觸；勢壘使得能夠施加相對負(fù)的電壓(即< 0.5V)以與在常規(guī)的MESFET中一樣調(diào)制源電極與漏電極之間的電流，圖42B展示了根據(jù)圖41的工藝流程圖制造的在塑料基片上基于GaAs線的兩個MESFET的代表性圖像，各個MESFET均使用10根GaAs線的陣列。這些線具有嚴(yán)格對準(zhǔn)的取向以及?1.8μπι的均勻?qū)挾?。寬度?50 μ m且長度為250 μ m的金墊將10根GaAs線上的歐姆條連接起來以形成各個單獨(dú)的MESFET的源電極和漏電極。寬度為15 μ m且沉積在50 μ m間隙(晶體管通道)中的Ti/Au條提供柵電極。這些條連接至較大的金屬墊以進(jìn)行探測(probing)。線上的金屬以及塑料上金屬之間的襯度差(contrast difference)有可能是因?yàn)樵诠饪棠z的RIE蝕刻過程中產(chǎn)生的上的表面粗糙度。圖42C展示了具有數(shù)百個晶體管的2cmX2cmPET片的圖像，它清楚顯示了其柔性。多次印刷步驟和/或線制造的進(jìn)行可用于生產(chǎn)在整個大面積塑料基片上構(gòu)圖的大量的線?？扇菀椎卣{(diào)節(jié)多個參數(shù)，例如GaAs線的寬度、源/漏電極的寬度、通道以及柵電極長度，以生產(chǎn)具有多個所需輸出特性的MESFET。
[0304]對晶體管的DC性能進(jìn)行表征以評價(jià)其電性能和機(jī)械性能。圖43A、43B以及43C提供了通道長度為50 μ m、柵極長度為15 μ m的與圖42B所示MESFET相似的GaAs MESFET的結(jié)果。圖43A展示了柵極電壓在0.5V至-2.0V之間(步長為0.5V)時(shí)的電流-電壓(漏電極與源電極之間)曲線。Ids-Vds特性可與常規(guī)的用η型GaAs層和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)構(gòu)建的、基于晶片的MESFET相比較，即Ids在高的Vds區(qū)飽和，且Ids隨著柵極電壓的下降而下降。在線性區(qū)，Vgs = OV時(shí)的通道阻抗Rm1= 6.4kQ。圖43B展示了在不同Vds下測得的本發(fā)明GaAsMESFET的傳輸特性(即Ilis-Ves)。全部曲線均在相同的柵極電壓，即_2.65V時(shí)具有最小值。在高的正向柵極電壓下Ids的下降是由于從柵電極到源電極的泄漏電流，它由該段中的肖特基接觸引起。圖43C展示了在Vds = 4V時(shí)對(IDS)1/2-Ves作圖得到的傳輸曲線，它清楚展示了 MESFET所期望的線性關(guān)系。Ids = 0.19mA且Vds = 4V時(shí)的夾斷電壓和跨導(dǎo)分別為Vp=2.65V和gm(l = 168 μ S。這些特性表明在PET基片上制造的晶體管具有與通過傳統(tǒng)途徑在晶片上制造的典型的GaAs MESFET類似的性能。
[0305]對于許多正在考慮中的目標(biāo)應(yīng)用而言，機(jī)械柔性代表塑料基片上器件的一個重要參數(shù)。我們通過使支承PET片彎曲對晶體管進(jìn)行了測試。圖44Α和44Β展示了以下兩種情況下在柔性PET基片上的基于GaAs線的MESFET的柵極調(diào)制的電流-電壓特性:(A)彎曲前；(B)彎曲至8.4mm的彎曲半徑后。這些圖比較了對于200 μ m厚的基片，在將基片屈曲至半徑為8.4mm——即相應(yīng)的表面應(yīng)變?yōu)?.2% (在該例中為拉伸)——前后的晶體管的性能。結(jié)果表明晶體管可承受這些高應(yīng)變而不破壞。實(shí)際上，在該例中，Ves = OV時(shí)的飽和電流提高了?20%。圖44C展示了在將屈曲基片松弛至其平的、未屈曲狀態(tài)后，基于GaAs線的MESFET的柵極調(diào)制的電流-電壓特性。比較圖44C與圖44A表明，釋放應(yīng)變后即基片再次變平后，晶體管恢復(fù)了其原始狀態(tài)的性能。圖44D展示了在三個彎曲(具有不同的表面應(yīng)變)/松弛周期內(nèi)，在Vds = 4V且Ves = OV時(shí)的Ids的變化，它表明這些MESFET在經(jīng)過多次使器件的拉伸應(yīng)變在0%至1.2%之間變化的彎曲周期后保持完好，它們的性能未顯著改變(< 20% )。觀察到的應(yīng)變的系統(tǒng)變化可能與機(jī)械應(yīng)變引起GaAs線晶格的位移及其能級分布的位移有關(guān)。
[0306]該實(shí)施例描述了以下途徑，該途徑包括(i)在GaAs晶片上通過高溫退火處理產(chǎn)生歐姆接觸；(ii)使用這些集成的歐姆接觸通過各向異性化學(xué)蝕刻產(chǎn)生GaAs微米線，(iii)使用彈性體印模將這些線干式轉(zhuǎn)印至塑料基片上；以及(iv)通過在塑料上對這些線進(jìn)行低溫處理制造高質(zhì)量的MESFET，以生產(chǎn)塑料基片上的柔性GaAs MESFET0 GaAs的本征性能(例如高遷移率)、使用短的柵極長度制造MESFET的能力以及將這些器件集成至復(fù)雜電路中的直接途徑(可能與使用類似途徑但使用其它半導(dǎo)體構(gòu)建的晶體管集成)表明了為高級通訊、空間和其他系統(tǒng)獲得高頻率響應(yīng)的用途。這些器件的上述優(yōu)點(diǎn)以及極好的機(jī)械柔性使得基于GaAs線的MESFET對于柔性大型電子系統(tǒng)而言值得關(guān)注。
[0307]總而言之，具有集成歐姆接觸的GaAs微米線/納米線已經(jīng)由大塊晶片通過金屬沉積和構(gòu)圖、高溫退火及各向異性化學(xué)蝕刻制得。這些線為可直接在多種不常見的器件基片——例如塑料或紙——上構(gòu)建的高性能器件提供了一類獨(dú)特的材料。具體而言，在低溫下將這些線的有組織陣列轉(zhuǎn)印至塑料基片上產(chǎn)生高質(zhì)量的、可彎曲的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。在聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)上對器件進(jìn)行的電表征和機(jī)械表征說明了能達(dá)到的性能水平。這些結(jié)果表明了該途徑在消費(fèi)電子系統(tǒng)和軍用電子系統(tǒng)中涌現(xiàn)高速柔性電路中的應(yīng)用前景。
[0308]實(shí)施例12:使用可印刷半導(dǎo)體元件的器件配置
[0309]圖45提供了說明用于塑料基片上的P型底柵薄膜晶體管的本發(fā)明一個示例性器件配置的示意圖。如圖45所示，P型底柵薄膜晶體管包括具有摻雜接觸區(qū)的可印刷硅半導(dǎo)體元件、氧化銦錫底柵電極、環(huán)氧樹脂介電層以及源電極和漏電極。塑料基片為聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片。圖45還提供了這種器件在多個柵極電壓下的典型的電流-電壓特性。
[0310]圖46提供了說明用于塑料基片上的互補(bǔ)邏輯柵極的本發(fā)明一個示例性器件配置的示意圖。如圖46所示，互補(bǔ)邏輯柵極包括P型薄膜晶體管和N型薄膜晶體管，各個薄膜晶體管均含有可印刷半導(dǎo)體元件并設(shè)置在聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片上。
[0311]圖47提供了說明用于塑料基片上的頂柵薄膜晶體管的本發(fā)明一個示例性器件配置的示意圖。如圖45所示，頂柵薄膜晶體管包括具有摻雜接觸區(qū)的可印刷硅半導(dǎo)體元件、SiO2介電層以及柵電極、源電極和漏電極。塑料基片是具有薄層環(huán)氧樹脂的聚(對苯二甲酸二乙酯)(PET)片，以便于薄膜晶體管及其組件的轉(zhuǎn)印與組裝。圖47還提供了這種器件在多個柵極電壓下的典型的電流-電壓特性。
【權(quán)利要求】
1.一種將可印刷半導(dǎo)體元件組裝至基片的接受面上的方法，所述方法包括如下步驟: 提供含有無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)的所述可印刷半導(dǎo)體元件，所述無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)具有至少一個大于或等于500納米的橫截面尺寸且與至少一個選自導(dǎo)電層、介電層、電極和附加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的附加器件組件或結(jié)構(gòu)可操作地連接； 使所述可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件接觸，其中所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將所述可印刷半導(dǎo)體元件結(jié)合到所述接觸面上，從而形成其上置有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述接觸面； 使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的所述接受面接觸；并且 使所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分離，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印到所述接受面上，從而將所述可印刷半導(dǎo)體元件組裝到所述基片的所述接受面上。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括半導(dǎo)體器件。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括晶體管。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括二極管、p-n節(jié)或光電二極管。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括太陽能電池。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括全成形電路。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括預(yù)成形的集成電路。
8.權(quán)利要求1的方法，其中在所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件的外表面之間建立共形接觸，且其中在其上置有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述接觸面與所述基片的所述接受面之間建立共形接觸。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件包括彈性體印模。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述的使所述可印刷半導(dǎo)體元件與可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件接觸、使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的所述接受面接觸、并使所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分離的步驟包括將所述可印刷半導(dǎo)體元件干式轉(zhuǎn)印到所述接受面上。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述的提供所述可印刷半導(dǎo)體元件的步驟包括在母片上以選定的取向提供所述半導(dǎo)體元件，其中通過將所述母片與所述可印刷半導(dǎo)體元件連接起來的排列保持元件，在與所述接觸面接觸的過程中保持所述半導(dǎo)體元件的所述選定的取向，且其中所述的使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片器件的所述接受面接觸的步驟使所述排列保持元件卸除，從而使所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述母片脫離。
12.權(quán)利要求1的方法，還包括如下步驟: 提供附加的可印刷半導(dǎo)體元件，其中所述附加的可印刷半導(dǎo)體元件的每一個均包括無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)，所述無機(jī)半導(dǎo)體整體結(jié)構(gòu)具有至少一個大于或等于500納米的橫截面尺寸且與至少一個選自導(dǎo)電層、介電層、電極和附加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的附加器件組件或結(jié)構(gòu)可操作地連接； 使至少所述可印刷半導(dǎo)體元件的一部分與具有接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件接觸，其中所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將至少所述附加的可印刷半導(dǎo)體元件的一部分結(jié)合到所述接觸面上，并形成其上置有至少所述附加的可印刷半導(dǎo)體元件的一部分的所述接觸面，所述至少所述附加的可印刷半導(dǎo)體元件的一部分處于包括多個所述可印刷半導(dǎo)體元件的選定圖案的相對取向； 使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的所述接受面接觸；并且使所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分離，其中將所述可印刷半導(dǎo)體元件以包括所述選定圖案的所述相對取向轉(zhuǎn)印到所述接受面上。
13.權(quán)利要求12的方法，其中以包括所述選定圖案的所述相對取向使所述可印刷半導(dǎo)體形成于母片上，并且其中在轉(zhuǎn)印至所述接受面的過程中，所述相對取向維持不變。
14.權(quán)利要求12的方法，其中所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件在接觸面與選定的可印刷半導(dǎo)體元件之間，而不是與全部所述可印刷半導(dǎo)體元件之間建立共形接觸，從而形成其上置有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述接觸面，所述可印刷半導(dǎo)體元件處于包括所述選定圖案的所述相對取向，并且其中在轉(zhuǎn)印至所述接受面的過程中，所述相對取向維持不變。
15.權(quán)利要求1的方法，包括組裝電子器件的方法，所述電子器件選自:晶體管、太陽能電池、光電二極管、發(fā)光二極管、微米機(jī)電器件、納米機(jī)電器件、激光器、P-N節(jié)和互補(bǔ)邏輯電路。
16.一種在基片的接受面上制造電子器件的方法，所述方法包括如下步驟: 提供具有外表面的晶片，所述晶片含有無機(jī)半導(dǎo)體材料； 通過施加掩模遮蔽所述外表面的選定區(qū)域； 對所述晶片的所述外表面進(jìn)行蝕刻，從而使所述晶片形成凸起結(jié)構(gòu)和至少一個裸露的表面，其中所述凸起結(jié)構(gòu)具有遮蔽的側(cè)面和一個或多個未遮蔽的側(cè)面； 至少部分蝕刻所述晶片的所述裸露表面或所述凸起特征的所述未遮蔽的側(cè)面中的一個或多個，從而制造所述可印刷半導(dǎo)體元件； 使所述可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件接觸，其中所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將所述可印刷半導(dǎo)體元件結(jié)合到所述接觸面上，從而形成其上置有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述接觸面； 使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的所述接受面接觸；并且使所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分離，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件轉(zhuǎn)印到所述接受面上，從而將所述電子器件制造到所述基片的所述接受面上。
17.權(quán)利要求16的方法，還包括 停止蝕刻所述晶片的所述裸露的表面或所述凸起特征的所述未遮蔽的側(cè)面中的所述一個或多個，以防止所述凸起結(jié)構(gòu)完全脫離，從而制造通過一個或多個排列保持元件連接至所述晶片的所述可印刷半導(dǎo)體元件。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件具有第一端，其中所述一個或多個排列保持元件將所述第一端連接至所述晶片。
19.權(quán)利要求17的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件具有第一端和第二端，其中所述一個或多個排列保持元件獨(dú)立地將所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述第一端和所述第二端連接至所述晶片。
20.權(quán)利要求17的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括沿著中心縱軸延伸的帶狀物；其中所述一個或多個排列保持元件獨(dú)立地將沿著縱軸的帶狀物的末端連接至所述晶片。
21.權(quán)利要求17的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件的底面通過一個或多個所述排列保持元件連接至所述晶片。
22.權(quán)利要求17的方法，還包括卸除所述一個或多個排列保持元件的步驟，從而使所述可印刷半導(dǎo)體元件從所述晶片上脫離。
23.權(quán)利要求22的方法，其中所述卸除所述一個或多個排列保持元件的步驟通過在所述接觸面上移動具有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件而實(shí)現(xiàn)。
24.權(quán)利要求22的方法，其中所述卸除所述一個或多個排列保持元件的步驟通過斷裂所述一個或多個排列保持元件而實(shí)現(xiàn)。
25.權(quán)利要求22的方法，其中所述卸除所述一個或多個排列保持元件的步驟通過脫離所述排列保持元件而實(shí)現(xiàn)。
26.權(quán)利要求22的方法，其中所述使所述可印刷半導(dǎo)體元件與具有接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件接觸的步驟或所述使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片器件的所述接受面接觸的步驟卸除所述一個或多個排列保持元件。
27.權(quán)利要求16的方法，其中在所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件的外表面之間建立共形接觸，且其中在其上置有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述接觸面與所述基片的所述接受面之間建立共形接觸。
28.權(quán)利要求16的方法，其中所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件包括彈性體印模。
29.權(quán)利要求16的方 法，其中所述的使所述可印刷半導(dǎo)體元件與可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件接觸、使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的所述接受面接觸、并使所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分離的步驟包括將所述可印刷半導(dǎo)體元件干式轉(zhuǎn)印到所述接受面上。
30.權(quán)利要求16的方法，還包括在所述凸起特征或所述可印刷半導(dǎo)體元件上提供一個或多個附加結(jié)構(gòu)，其中所述一個或多個附加結(jié)構(gòu)選自介電結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和附加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
31.權(quán)利要求16的方法，其中所述晶片為單晶無機(jī)半導(dǎo)體晶片。
32.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括單晶無機(jī)半導(dǎo)體。
33.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件具有選自50nm至Imm范圍的寬度和選自I μ m至Imm的長度。
34.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件具有大于500nm的寬度。
35.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件具有等于或小于1.5的長寬比。
36.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件具有等于或小于0.1的厚寬比。
37.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件具有大于200納米的厚度。
38.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括半導(dǎo)體器件。
39.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括晶體管、二極管、p-n節(jié)、光電二極管或全成形電路。
40.權(quán)利要求16的方法，其中所述可印刷半導(dǎo)體元件包括太陽能電池。
41.權(quán)利要求16的方法，其中所述遮蔽和蝕刻步驟形成額外的可印刷半導(dǎo)體元件；所述方法還包括: 使至少所述可印刷半導(dǎo)體元件的一部分與具有接觸面的可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件接觸，其中所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件之間的接觸將至少所述附加的可印刷半導(dǎo)體元件的一部分結(jié)合到所述接觸面上，并形成其上置有至少所述附加的可印刷半導(dǎo)體元件的一部分的所述接觸面，所述至少所述附加的可印刷半導(dǎo)體元件的一部分處于包括多個所述可印刷半導(dǎo)體元件的選定圖案的相對取向； 使置于所述接觸面上的所述可印刷半導(dǎo)體元件與所述基片的所述接受面接觸；并且使所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件的所述接觸面與所述可印刷半導(dǎo)體元件分離，其中將所述可印刷半導(dǎo)體元件以包括所述選定圖案的所述相對取向轉(zhuǎn)印到所述接受面上。
42.權(quán)利要求41的方法，其中以包括所述選定圖案的所述相對取向提供所述可印刷半導(dǎo)體，并且其中在轉(zhuǎn)印至所述接受面的過程中，所述相對取向維持不變。
43.權(quán)利要求41的方法，其中所述可適應(yīng)轉(zhuǎn)印器件在接觸面與選定的可印刷半導(dǎo)體元件之間，而不是與全部所述可印刷半導(dǎo)體元件之間建立共形接觸，從而形成其上置有所述可印刷半導(dǎo)體元件的所述接觸面，所述可印刷半導(dǎo)體元件處于所述相對取向，并且其中在轉(zhuǎn)印至所述接受面的過程中 ，所述相對取向維持不變。
【文檔編號】H01L31/0312GK103646848SQ201310435963
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日:2004年6月4日
【發(fā)明者】R·G·納佐, J·A·羅杰斯, E·梅納德, 李建宰, 姜達(dá)榮, 孫玉剛, M·梅爾特, 朱正濤 申請人:伊利諾伊大學(xué)評議會