可印刷半导体结构以及相关制造和组装方法技术

本发明专利技术提供了一种高产率的用于加工、转移以及组装具有所选择的物理尺寸、形状、成分以及空间取向的高品质可印刷半导体元件的途径。本发明专利技术的成分以及方法提供了将微小尺寸和/或纳米尺寸的半导体结构阵列高精度配准转移和集成到基片上，所述基片包括大面积基片和/或柔性基片。此外，本发明专利技术提供了从诸如体硅晶片的低成本体材料以及智能材料处理策略来制备可印刷半导体元件的方法，该智能材料处理策略实现了一种用于制备宽范围功能半导体设备的多用途的、以及具有商业吸引力的基于印刷的制造平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
自从1994年首次演示印刷的全聚合物晶体管以来，那些在塑料基片上包括柔性集成的电子设备的潜在新类型电子系统引起了人们的广泛关注。[Gamier，F.，Hajlaoui, R. , Yassar, A. and Srivastava, P.，Science，第 265 卷，第 1684-1686 页]。最近,基本研究已经着眼于开发新的用于半导体、绝缘体以及半导体元件的可溶液处理材料来用于柔性塑料电子设备。然而，柔性电子设备领域的进展并不是仅由新的可溶液处理材料的开发来推动的，而且还受到新的设备组件的形状、高效设备、设备组件处理方法以及可应用于塑料基片的高分辨率成图技术的推动。可以预期，这类材料、设备构造以及制造方法将在迅速崛起的新类型柔性集成电子设备、系统和电路中扮演一实质性的角色。对柔性电子设备的兴趣主要起因于该技术提供的几个重要优点。首先，该塑料基片材料的机械耐用性使电子设备较不易于受到因机械压力而引起的损毁和/或电子性能降低。第二，这些基片材料的固有柔韧性使得它们可以以多种形状来集成，以此提供了大量有用的设备构造，而利用脆性的常规硅基底电子设备是不可能做到的。例如，可以预料到可弯曲的柔性电子设备使能够制造诸如电子纸张、可佩戴的计算机以及大面积高分辨率显示器之类的新设备，这些设备在已有的硅基技术下是不易实现的。最后，可溶液处理组件材料以及塑料基片的结合使得通过这些能够以低成本在大基片面积上生产电子设备的连续、高速、印刷技术来进行制造。然而，展示优良电子性能的柔性电子设备的设计和制造存在很多艰巨的挑战。首先，已开发得很好的常规硅基电子设备的制造方法与大多数塑料材料不兼容。例如，传统的高品质无机半导体组件，诸如单晶硅或锗半导体，一般是通过在显著超过大多数塑料基片的熔化或分解温度(> 1000摄氏度)下生长薄膜来处理的。此外，多数无机半导体本质上在常规溶液中是不可溶解的，这允许基于溶液的处理和传输。第二，尽管很多非晶硅、有机或者混合的有机-无机半导体可以兼容地纳入到塑料基片中，并且可以在相对低的温度下处理，但是这些材料不具有可以提供具有良好电子性能的集成电子设备的电子特性。例如， 由这些材料制成的具有半导体元件的薄膜晶体管展示的场效应迁移率比其余的基于单晶硅的设备低约三个量级。由于这些限制，柔性电子设备目前只限于那些不需要高性能的特定应用中，诸如用于具有非发射像素的有源矩阵平面显示器的开关元件中以及用于发光二极管中。最近，在扩展集成于塑料基片上的电子设备的电子性能方面已经取得了进展，以使其应用拓展到一较宽的电子应用范围。例如，已经出现几种与对塑料基片材料上的处理兼容的新的薄膜晶体管(TFT)设计，并且这些新的薄膜晶体管(TFT)设计表现出比具有非晶硅、有机或混合的有机-无机半导体元件的薄膜晶体管明显高的设备性能特征。一种更高性能的柔性电子设备是基于通过对非晶硅薄膜进行脉冲激光退火而制造的多晶硅薄膜半导体元件。虽然这种柔性电子设备提供了增强的设备电子性能特征，但是利用脉冲激光的退火限制了这种设备制造的简易度和灵活性，从而显著增加了成本。另一种看好的新类型更高性能柔性电子设备是那些将可溶液处理的纳米级材料，诸如纳米线、纳米带、纳米颗粒以及碳纳米管作为许多宏电子和微电子设备中的有源功能组件。评估认为使用分散的单晶纳米线或纳米带可作为一种在塑料基片上提供展示增强的设备性能特征的可印刷电子设备的可行方式。Duan等人描述了将多个选择取向的单晶硅纳米线或CdS纳米带作为半导体通道的薄膜晶体管设计[Duan，X.，Niu, C，Sahl, V.， Chen，J.，Parce, J.，Empedocles，S. and Goldman，J.，Nature，第 425 卷，第 274-278 页]。 作者报道了一种据其所述与塑料基片上的溶液处理兼容的制造工艺，其中，将厚度少于或等于150纳米的单晶硅纳米线或CdS纳米带分散到溶液中，并且使用流导向准直方法将其组装到基片表面上，以产生在薄膜晶体管上的半导体元件。由作者提供的光学显微照片表明在公开的制造工艺中以基本平行方向并且间隔约500纳米到1000纳米布置单层的纳米线或纳米带。尽管该作者报道对于单独的纳米线或纳米带具有相对较高的本征场效应迁移率( IigcnAr1iT1)，但最近确定整个设备场效应迁移率比Duan等人报道的本征场效应迁移率值“约小两个量级” [Mitzi，D. B, Kosbar, L. L.，Murray, C. Ε.，Cope 1, Μ. Afzali，Α·， Nature，第4 卷，第299-303页]。该设备场效应迁移率比常规的单晶无机薄膜晶体管低几个量级，很可能是由于在利用Duan等人公开的方法以及设备构造时的准直、密集封装以及分散纳米线或纳米带电接触上的实践挑战而引起的。使用纳米晶溶液作为多晶无机半导体薄膜的前体(precursor)已被探索为一种可在塑料基片上提供展示更高的设备性能特征的可印刷电子设备的可行方法。Ridley等人公开了一种溶液处理制造方法，其中在塑料可兼容的温度下处理具有约2纳米尺寸的硒化镉纳米晶溶液，以为场效应晶体管提供半导体元件。[Ridley，B. Α.，Nivi, B. andjacobson, J. Μ.，Science，第286卷，第746-749页(1999)]。作者报道了一种方法，其中硒化镉纳米晶溶液中的低温晶粒生长提供了包括有几百个纳米晶的单晶面积。尽管Ridley等人报道了改进的电学特性可与具有有机半导体元件的设备相比，但是由这些技术获得的设备迁移率 (^ Icm2V-1S-1)比常规的单晶无机薄膜晶体管的设备场效应迁移率低几个量级。由Ridley 等人的设备构造以及制造方法所获得的场效率迁移率的限制很可能是由在各个纳米颗粒之间建立的电接触引起的。具体地，将有机端末基团用于稳定纳米晶溶液以及阻止凝聚，可能妨碍在相邻纳米颗粒之间建立对于提供高设备场效应迁移率是必要的良好电接触。尽管Duan等人以及Ridley等人提供了用于在塑料基片上制造薄膜晶体管的方法，但是所描述的设备构造采用了包括诸如电极、半导体和/或绝缘体之类的机械刚性的设备组件的晶体管。选择具有良好机械性能的塑料基片可以提供能够在可变的或者扭曲的方向进行操作的电子设备。然而，可以预料到这种运动会在各个刚性晶体管设备组件上产生机械应力。该机械应力可能导致对各个组件的损坏，例如破裂，以及还可能使设备组件之间的电接触衰退或破坏。都于2005年6月2日提交的美国专利11/145，574以及11/145，542公开了一种使用可印刷半导体元件的高产率制造平台来通过多用途、低成本以及大面积的印刷技术制备电子设备、光电设备以及其他功能电子装置。所公开的方法和成分提供了使用提供在大的基底面积上的良好安放准确度、配准以及图样再现度的热转接触印刷和/或溶液印刷技术来对微尺寸和/或纳米尺寸半导体结构进行转移、组装和/或集成。所公开的方法提供了重要的处理优点，使能够使用常规的高温处理方法通过下面的印刷技术在基片上制造高品质半导体材料的集成该印刷技术可以在与包括柔性塑料基片的一定范围内的有用基片材料兼容的相对低的温度下(<本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种可印刷半导体结构，包括：一个可印刷半导体元件；以及一个第一桥元件，该第一桥元件连接到所述可印刷半导体结构以及连接到母晶片，其中所述可印刷半导体元件和所述第一桥元件被至少部分地从所述母晶片底刻；其中将所述可印刷半导体和转移设备接触能够折断所述第一桥元件，由此将所述可印刷半导体结构从所述母晶片释放。

【技术特征摘要】
2005.06.02 US PCT/US2005/019354;2005.06.02 US 11/11.一种可印刷半导体结构，包括一个可印刷半导体元件；以及一个第一桥元件，该第一桥元件连接到所述可印刷半导体结构以及连接到母晶片，其中所述可印刷半导体元件和所述第一桥元件被至少部分地从所述母晶片底刻；其中将所述可印刷半导体和转移设备接触能够折断所述第一桥元件，由此将所述可印刷半导体结构从所述母晶片释放。2.根据权利要求1的可印刷半导体结构，其中所述第一桥元件提供了从所述可印刷半导体元件到所述转移设备的配准转移。3.根据权利要求1的可印刷半导体结构，其中所述转移设备是弹性印模。4.根据权利要求1的可印刷半导体结构，其中所述可印刷半导体元件和第一桥元件被完全从所述母晶片底刻。5.根据权利要求1的可印刷半导体结构，其中所述第一桥元件、所述可印刷半导体元件和所述母晶片包括一整体半导体结构。6.根据权利要求1的可印刷半导体结构，其中所述第一桥元件连接到所述可印刷半导体元件的第一末端。7.根据权利要求1的可印刷半导体结构，其中所述可印刷半导体元件具有一第一平均宽度，以及所述第一桥元件具有比所述第一平均宽度小至少1. 5倍的一第二平均宽度。8.根据权利要求1的可印刷半导体结构，还包括一第二桥元件，该第二桥元件至少部分地从所述母晶片底刻，所述第二桥元件连接到所述可印刷半导体结构以及连接到所述母晶片，以及其中将所述可印刷半导体与转移设备接触能够折断所述第二桥元件。9.根据权利要求8的可印刷半导体结构，其中所述可印刷半导体元件包括沿主纵轴延伸一长度的半导体带，该长度终止于第一末端和第二末端，其中所述第一桥元件连接到所述第一末端，所述第二桥元件被连接到所述第二末端。10.根据权利要求8的可印刷半导体结构，其中所述第一桥元件、所述第二桥元件、所述半导体带和所述母晶片是一整体半导体结构。11.根据权利要求8的可印刷半导体结构，其中所述第一末端具有第一横截面面积，所述第二末端具有第二横截面面积，其中所述第一桥元件连接到小于所述第一末端的所述第一横截面面积的50%处，以及其中所述第二桥元件连接到小于所述第一末端的所述第二横截面面积的50%处。12.根据权利要求8的可印刷半导体结构，其中所述第一和第二桥元件彼此远离或邻近放置。13.根据权利要求8的可印刷半导体结构，其中所述第一和第二桥元件具有选自约100 纳米至约1000微米范围的平均宽度，具有选自约1纳米至约1000微米范围的平均厚度，以及具有选自约100纳米至约1000微米范围的平均长度。14.根据权利要求1的可印刷半导体元件，其中所述可印刷半导体元件包括选自包括以下项的组中的材料Si、Ge、SiC、A1P、AlAs、AlSb、feiN、GaP、GaAs、GaSb、InP、...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·G·纳佐，J·A·罗杰斯，E·梅纳德，李建宰，姜达荣，孙玉刚，M·梅尔特，朱正涛，高興助，S·麦克，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学评议会，
类型：发明
国别省市：US