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JP6574157B2 - Stretchable single crystal silicon for high performance electronics on rubber substrates - Google Patents

Stretchable single crystal silicon for high performance electronics on rubber substrates Download PDF

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JP6574157B2 JP2016230221A JP2016230221A JP6574157B2 JP 6574157 B2 JP6574157 B2 JP 6574157B2 JP 2016230221 A JP2016230221 A JP 2016230221A JP 2016230221 A JP2016230221 A JP 2016230221A JP 6574157 B2 JP6574157 B2 JP 6574157B2
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Description

発明の背景Background of the Invention

[001]1994年に初のプリント純ポリマートランジスタが実証されて以来、非常に大きな関心が、プラスチック基板上のフレキシブル集積電子デバイスを備える、可能性に満ちた新たな種類の電子システムに向けられてきた。(Garnier, F., Hajlaoui, R., Yassar, A., および Srlvastava, P.、「サイエンス」、Vol. 265, 1684〜1686頁)近年、かなりの研究が、フレキシブルプラスチック電子デバイス用の導電体、誘電体および半導体素子のための新たな解決法となる処理可能材料を開発することに向けられてきた。しかしながら、エレクトロニクスの分野における進歩は、新たな解決法となる処理可能材料の開発だけでなく、新たなデバイスコンポーネントジオメトリ、効率的なデバイスおよびデバイスコンポーネント処理方法、ならびにプラスチック基板に適用可能な高解像度パターニング技術によっても促進される。このような材料、デバイス形態および作製方法が、急速に台頭してくる新たな種類のフレキシブル集積電子デバイス、システムおよび回路に欠かせない役割を果たすことが期待されている。   [001] Since the first printed pure polymer transistor was demonstrated in 1994, tremendous interest has been directed to a new class of potential electronic systems with flexible integrated electronic devices on plastic substrates. It was. (Garnier, F., Hajlauui, R., Yassar, A., and Srlvasta, P., “Science”, Vol. 265, pp. 1684-1686) In recent years, considerable research has been conducted on conductors for flexible plastic electronic devices. It has been directed to develop processable materials that will be new solutions for dielectric and semiconductor devices. However, advances in the field of electronics are not only the development of processable materials for new solutions, but also new device component geometries, efficient device and device component processing methods, and high resolution patterning applicable to plastic substrates. It is also promoted by technology. Such materials, device configurations and fabrication methods are expected to play an indispensable role in new types of flexible integrated electronic devices, systems and circuits that are rapidly emerging.

[002]フレキシブルエレクトロニクスの分野における関心は、この技術によりもたらされるいくつかの重要な利点から生まれる。第1に、プラスチック基板材料の機械的耐久性によって、機械的応力に起因する損傷および/または電子的パフォーマンス低下に左右されない電子デバイスが得られる。第2に、これら基板材料に特有の柔軟性により、従来の脆弱性シリコンベース電子デバイスでは不可能な、多くの有用なデバイス形態をもたらす多くの形状にそれらを一体化することが可能である。最後に、解決法となる処理可能コンポーネント材料とプラスチック基板の組み合わせにより、低コストで大きな基板面積にわたって電子デバイスを生成することができる連続的な高速印刷技術による作製が可能となる。   [002] Interest in the field of flexible electronics arises from several important advantages brought about by this technology. First, the mechanical durability of the plastic substrate material provides an electronic device that is independent of damage and / or electronic performance degradation due to mechanical stress. Second, the inherent flexibility of these substrate materials allows them to be integrated into many shapes that result in many useful device configurations that are not possible with conventional fragile silicon-based electronic devices. Finally, the combination of processable component materials and plastic substrates as a solution enables fabrication by continuous high-speed printing technology that can produce electronic devices over large substrate areas at low cost.

[003]しかしながら、良好な電子的パフォーマンスを示すフレキシブル電子デバイスの設計および作製は、多くの重要な課題を提示する。第1に、十分に開発された従来のシリコンベース電子デバイスを作成する方法は、ほとんどのプラスチック材料に適合しない。例えば、単結晶シリコンまたはゲルマニウム半導体等のこれまでの高品質無機半導体コンポーネントは、通常、ほとんどのプラスチック材料の溶融または熱分解温度を大幅に上回る温度(1000℃超)で薄膜を成長させることにより処理される。加えて、ほとんどの無機半導体が、溶液ベースの処理および受け渡しを可能とする都合の良い溶剤に本質的に不溶性である。第2に、多くのアモルファスシリコン、有機またはハイブリッド有機−無機半導体はプラスチック基板中に組み込まれることに適合し、比較的低い温度で処理可能であるが、これらの材料は良好な電子的パフォーマンスが可能な集積電子デバイスを提供することができる電子的特性を持たない。例えば、これらの材料から成る半導体素子を有する薄膜トランジスタは、相補的な単結晶シリコンベースデバイスよりもおよそ3桁小さい電界効果移動度を示す。これらの制約の結果、現時点で、フレキシブル電子デバイスは、非発光画素を持ったアクティブマトリクスフラットパネルディスプレイ用のスイッチング素子および発光ダイオードにおける使用等の高いパフォーマンスを必要としない特定の用途に限定されている。   [003] However, the design and fabrication of flexible electronic devices that exhibit good electronic performance presents a number of important challenges. First, well-developed conventional silicon-based electronic devices are not compatible with most plastic materials. For example, traditional high quality inorganic semiconductor components such as single crystal silicon or germanium semiconductors are typically processed by growing thin films at temperatures well above the melting or pyrolysis temperature of most plastic materials (above 1000 ° C.). Is done. In addition, most inorganic semiconductors are essentially insoluble in convenient solvents that allow solution-based processing and delivery. Second, many amorphous silicon, organic or hybrid organic-inorganic semiconductors are adapted to be incorporated into plastic substrates and can be processed at relatively low temperatures, but these materials allow for good electronic performance It has no electronic properties that can provide an integrated electronic device. For example, thin film transistors having semiconductor elements made of these materials exhibit field effect mobility that is approximately three orders of magnitude less than complementary single crystal silicon-based devices. As a result of these constraints, at present, flexible electronic devices are limited to specific applications that do not require high performance such as switching elements for light-emitting diodes and switching elements for active matrix flat panel displays with non-luminescent pixels. .

[004]最近では、より広範囲なエレクトロニクス用途に適用可能性を広げるために、プラスチック基板上の集積電子デバイスの電子的パフォーマンス能力を伸ばすことにおいて進展してきた。例えば、プラスチック基板材料上の処理に適合し、アモルファスシリコン、有機またはハイブリッド有機−無機半導体素子を有する薄膜トランジスタよりもかなり高いデバイスパフォーマンス特性を示す、新たな薄膜トランジスタ(TFT)設計も出てきている。高パフォーマンスフレキシブル電子デバイスの一種は、アモルファスシリコン薄膜のパルスレーザアニールにより作製された多結晶シリコン薄膜半導体素子に基づいている。この種のフレキシブル電子デバイスは高度なデバイス電子的パフォーマンス特性をもたらすが、パルスレーザアニールの利用がこのようなデバイスの作製の簡便性および柔軟性を制限するので、大幅なコスト増加となる。別の有望な新種の高パフォーマンスフレキシブル電子デバイスは、多くのマクロ電子およびマイクロ電子デバイスにおける能動機能性コンポーネントとしての、ナノワイヤ、ナノリボン、ナノ粒子およびカーボンナノチューブ等の溶液処理可能なナノスケール材料を用いたデバイスである。   [004] Recently, progress has been made in extending the electronic performance capabilities of integrated electronic devices on plastic substrates to expand their applicability to a wider range of electronic applications. For example, new thin film transistor (TFT) designs have emerged that are compatible with processing on plastic substrate materials and that exhibit significantly higher device performance characteristics than thin film transistors having amorphous silicon, organic or hybrid organic-inorganic semiconductor elements. One type of high performance flexible electronic device is based on a polycrystalline silicon thin film semiconductor device fabricated by pulsed laser annealing of an amorphous silicon thin film. Although this type of flexible electronic device provides advanced device electronic performance characteristics, the use of pulsed laser annealing limits the ease and flexibility of fabricating such devices, resulting in significant cost increases. Another promising new class of high performance flexible electronic devices used solution-processable nanoscale materials such as nanowires, nanoribbons, nanoparticles and carbon nanotubes as active functional components in many macroelectronic and microelectronic devices It is a device.

[005]離散単結晶ナノワイヤまたはナノリボンは、高度なデバイスパフォーマンス特性を示すプラスチック基板上に印刷可能な電子デバイスを設ける可能な手段として評価されてきた。Duanらは、半導体チャネルとしての複数の選択的に配向された単結晶シリコンナノワイヤまたはCdSナノリボンを有する薄膜トランジスタ設計について述べている(Duan, X., Niu, C., Sahl, V., Chen, J., Parce, J., Empedocles, S.およびGoldman, J.、「ネイチャー」Vol. 425, 274〜278頁)。執筆者らは、150ナノメータ以下の厚さを有する単結晶シリコンナノワイヤまたはCdSナノリボンが溶液中に分散され、流れ方向付け(flow−directed)配置方法を用いて基板の表面上に組み付けられて薄膜トランジスタでの半導体素子を生成する、プラスチック基板上の溶液処理に適合するとされる作製プロセスを報告している。執筆者らにより提供された光学顕微鏡写真は、開示された作製プロセスが単層のナノワイヤまたはナノリボンを略平行な方向に約500〜約1000ナノメータ離間して作成することを示唆している。執筆者らは比較的高い固有電界効果移動度を個々のナノワイヤまたはナノリボンについて(≒119cm−1−1)報告しているが、最近では、全体的なデバイスの電界効果移動度はDuanらにより報告された固有電界効果移動度値よりも「およそ2桁小さい」として求められている(Mitzi, D.B, Kosbar, L.L., Murray, C.E., Copel, M.Afzali, A.、「ネイチャー」Vol. 428、299〜303頁)。このデバイス電界効果移動度は従来の単結晶無機薄膜トランジスタのデバイス電界効果移動度よりも数桁小さいが、これはDuanらにより開示された方法およびデバイス形態を用いたアラインメントの実際的な課題、高密度実装および電気的接触する離散ナノワイヤまたはナノリボンによるものと考えられる。 [005] Discrete single crystal nanowires or nanoribbons have been evaluated as a possible means of providing printable electronic devices on plastic substrates that exhibit advanced device performance characteristics. Duan et al. Describe thin film transistor designs with multiple selectively oriented single crystal silicon nanowires or CdS nanoribbons as semiconductor channels (Duan, X., Niu, C., Sahl, V., Chen, J , Parce, J., Empedocles, S. and Goldman, J., “Nature” Vol. 425, pages 274-278). The authors have found that single crystal silicon nanowires or CdS nanoribbons having a thickness of 150 nanometers or less are dispersed in a solution and assembled on the surface of the substrate using a flow-directed placement method to produce thin film transistors. A fabrication process that is said to be compatible with solution processing on plastic substrates is reported. Optical micrographs provided by the authors suggest that the disclosed fabrication process creates single layer nanowires or nanoribbons spaced approximately 500 to about 1000 nanometers in a generally parallel direction. The authors have reported a relatively high intrinsic field effect mobility for individual nanowires or nanoribbons (≈119 cm 2 V −1 s −1 ), but recently, the overall device field effect mobility is Duan. Is calculated as “approximately 2 orders of magnitude smaller than the intrinsic field effect mobility value reported by M. et al.” (Mitzi, DB, Kosbar, LL, Murray, CE, Copel, M. Afzali). , A., “Nature” Vol. 428, pp. 299-303). This device field effect mobility is several orders of magnitude smaller than the device field effect mobility of conventional single crystal inorganic thin film transistors, but this is a practical problem of alignment using the method and device configuration disclosed by Duan et al. It is thought to be due to discrete nanowires or nanoribbons that are in packaging and electrical contact.

[006]多結晶無機半導体薄膜の前駆体としてナノ結晶溶液を利用することも、高度なデバイスパフォーマンス特性を示すプラスチック基板上に印刷可能な電子デバイスを設ける可能な手段として検討されてきた。Ridleyらは、2ナノメータの寸法を有する溶液セレン化カドミウムナノ結晶がプラスチック適合温度で処理されて電界効果トランジスタ用の半導体素子を提供する、溶液処理作成方法を開示している。(Ridley, B.A., Nivi, B.およびJacobson, J.M.、「サイエンス」Vol. 286、746〜749頁、(1999))執筆者らは、セレン化カドミウムのナノ結晶溶液における低温粒子成長が何百ものナノ結晶を含む単結晶領域を与える方法を報告している。Ridleyらは有機半導体素子を有する同等のデバイスに対して改善された電子的特性を報告しているが、これらの手法により達成されるデバイス移動度(≒1cm−1−1)は、従来の単結晶無機薄膜トランジスタのデバイス電界効果移動度よりも数桁小さい。Ridleyらのデバイス形態および作製方法により達成される電界効果移動度の制限は、個々のナノ粒子間に確立される電気的接触から生じると思われる。特に、有機末端基を用いてナノ結晶溶液を安定させ凝集を防ぐことにより、隣接するナノ粒子間に高いデバイス電界効果移動度を与えるのに必要とされる良好な電気的接触が確立するのを妨げることもある。 [006] The use of nanocrystal solutions as precursors for polycrystalline inorganic semiconductor thin films has also been investigated as a possible means of providing printable electronic devices on plastic substrates that exhibit advanced device performance characteristics. Ridley et al. Discloses a solution processing fabrication method in which solution cadmium selenide nanocrystals having dimensions of 2 nanometers are processed at a plastic compatible temperature to provide a semiconductor device for a field effect transistor. (Ridley, BA, Nivi, B. and Jacobson, J.M., "Science" Vol. 286, p. 746-749, (1999)) The authors reported that low temperatures in cadmium selenide nanocrystal solutions. Report how particle growth gives single crystal regions containing hundreds of nanocrystals. Ridley et al. Report improved electronic properties for comparable devices with organic semiconductor elements, but the device mobility achieved by these approaches (≈1 cm 2 V −1 s −1 ) is The device field effect mobility of the conventional single crystal inorganic thin film transistor is several orders of magnitude smaller. The limitation of field effect mobility achieved by Ridley et al. Device morphology and fabrication methods appears to arise from electrical contacts established between individual nanoparticles. In particular, the use of organic end groups to stabilize the nanocrystal solution and prevent agglomeration establishes the good electrical contact required to provide high device field effect mobility between adjacent nanoparticles. May also interfere.

[007]DuanらおよびRidleyらは薄膜トランジスタをプラスチック基板上に作製する方法を提供するが、記載されたデバイス形態は、電極、半導体および/または誘電体等の機械的に剛性のデバイスコンポーネントを備えるトランジスタである。良好な機械的特性を持ったプラスチック基板を選択することにより、屈曲または歪曲した配向でパフォーマンス可能な電子デバイスが提供されるが、このような変形が個々の剛性トランジスタデバイスコンポーネント上の機械的歪みを生じさせると予想されている。この機械的歪みは、例えば亀裂により個々のコンポーネントに損傷を引き起こし、デバイスコンポーネント間の電気的接触を低下または妨害することもある。   [007] Although Duan et al. And Ridley et al. Provide a method for fabricating thin film transistors on plastic substrates, the described device configurations are transistors comprising mechanically rigid device components such as electrodes, semiconductors and / or dielectrics. It is. Choosing a plastic substrate with good mechanical properties provides an electronic device that can perform in a bent or distorted orientation, but such deformation can reduce mechanical strain on individual rigid transistor device components. Is expected to occur. This mechanical strain can cause damage to individual components, for example by cracks, and can reduce or prevent electrical contact between device components.

[008]さらに、Duanら、Ridleyらおよびその他の人々により開発されたプラスチック基板ベースの電子システムは、フレキシブルセンサーアレイ、電子ペーパー、および装着型の電子デバイスを含む多くの重要なデバイス用途に必要な機械的拡張性を提供するかどうかは不明である。これらのグループは屈曲に起因する変形に耐える能力を有する電子デバイスを実証するが、これらのプラスチック基板ベースのシステムは、デバイスパフォーマンスにおいて目に付くほどの損傷、機械的故障または顕著な劣化なしには伸張できそうにない。従って、これらのシステムは、膨張または圧縮に起因する変形や、高い曲率半径を有する曲面等の起伏に富んだ表面を共形に被覆するのに必要な変形ができそうもない。   [008] In addition, plastic substrate-based electronic systems developed by Duan et al., Ridley et al. And others are required for many critical device applications including flexible sensor arrays, electronic paper, and wearable electronic devices. It is unclear whether it provides mechanical extensibility. While these groups demonstrate electronic devices that have the ability to withstand deformations due to bending, these plastic substrate-based systems can be used without noticeable damage, mechanical failure or significant degradation in device performance. It is not likely to stretch. Therefore, these systems are unlikely to be able to deform due to expansion or compression, or to deform conformally to undulating surfaces such as curved surfaces with high radii of curvature.

[009]上述のように、フレキシブルエレクトロニクスの分野における進歩は、多くの重要な新興および既存の技術において非常に重要な役割を果たすことが期待される。しかしながら、フレキシブルエレクトロニクス技術のこれらの用途の成功は、屈曲、変形および湾曲された形状で良好な電子的、機械的、光学的特性を示す集積電子回路を作成するための新たな材料、デバイス形態および商業的に実現可能な経路の継続的な開発に強く依存している。特に、高いパフォーマンス、機械的に伸張可能な材料およびデバイス形態は、伸張または収縮された形状で有用な電子的および機械的特性を示す必要がある。   [009] As noted above, advances in the field of flexible electronics are expected to play a very important role in many important emerging and existing technologies. However, the success of these applications of flexible electronics technology has led to new materials, device configurations, and devices for creating integrated electronic circuits that exhibit good electronic, mechanical, and optical properties in bent, deformed and curved shapes. It relies heavily on the continued development of commercially viable routes. In particular, high performance, mechanically extensible materials and device configurations need to exhibit useful electronic and mechanical properties in a stretched or contracted shape.

[010]本発明は、伸縮性半導体、伸縮性電子デバイス、デバイスコンポーネントおよび回路を提供する。本明細書において、用語「伸縮性」は破砕も機械的故障もなく歪みに耐え得る材料、構造、デバイスおよびデバイスコンポーネントを指す。本発明の伸縮性半導体および電子デバイスは伸縮自在であり、よって損傷、機械的故障、デバイスパフォーマンスの顕著な劣化無しに少なくともある程度まで伸張および/または圧縮が可能である。いくつかの用途に好ましい本発明の伸縮性半導体および電子回路は、伸縮自在である上にフレキシブルであり、よって1つ以上の軸に沿ってかなりの延伸、屈曲、湾曲または他の変形が可能である。   [010] The present invention provides stretchable semiconductors, stretchable electronic devices, device components and circuits. As used herein, the term “stretchable” refers to materials, structures, devices, and device components that can withstand strain without fracture or mechanical failure. The stretchable semiconductor and electronic devices of the present invention are stretchable and thus can be stretched and / or compressed to at least some extent without damage, mechanical failure, or significant degradation of device performance. The stretchable semiconductors and electronic circuits of the present invention, which are preferred for some applications, are stretchable and flexible so that they can be significantly stretched, bent, curved or otherwise deformed along one or more axes. is there.

[011]本発明の有用な伸縮性半導体および電子デバイスは、機械的故障無しに延伸、圧縮、歪曲および/または膨張が可能である。加えて、本発明の伸縮性半導体および電子回路は、約0.5%以上、好ましくは1%、より好ましくは2%の歪み等の大きい歪みを受けている場合でも良好な電子的パフォーマンスを示す。フレキシブルな伸縮性半導体、伸縮性電子デバイス、デバイスコンポーネントおよび回路は、屈曲、湾曲および/または変形状態でも良好な電子的パフォーマンスを示す。本発明の伸縮性半導体素子、伸縮性電子デバイス、デバイスコンポーネントおよび回路は、屈曲、伸張、圧縮または変形したデバイス配向において有用な電子的特性および機械的耐久性を提供するため、広範囲のデバイス用途およびデバイス形態に適している。   [011] Useful stretchable semiconductor and electronic devices of the present invention can be stretched, compressed, distorted and / or expanded without mechanical failure. In addition, the stretchable semiconductors and electronic circuits of the present invention exhibit good electronic performance even when subjected to large strains such as strains of about 0.5% or more, preferably 1%, more preferably 2%. . Flexible stretchable semiconductors, stretchable electronic devices, device components and circuits exhibit good electronic performance even in bent, curved and / or deformed states. The stretchable semiconductor elements, stretchable electronic devices, device components and circuits of the present invention provide a wide range of device applications and devices to provide useful electronic properties and mechanical durability in bent, stretched, compressed or deformed device orientations. Suitable for device form.

[012]本発明の伸縮性および/またはフレキシブル半導体は、場合によって印刷可能とすることも、また誘電体材料および層、電極ならびに他の半導体材料および層等の他の構造、材料および/またはデバイスコンポーネントに場合によって接続される半導体構造を有する複合半導体素子を場合によって備えることもできる。本発明は、トランジスタ、ダイオード、発光ダイオード(LED)、有機発光ダイオード(OLED)、レーザー、マイクロおよびナノ電気機械デバイス、マイクロおよびナノ流体デバイス、メモリデバイス、およびコンプルメンタリ論理回路等のシステムレベル集積回路が含まれるがこれに限定されない、伸縮性および/またはフレキシブル半導体を有する広範囲の伸縮性および/またはフレキシブル電子および/または光電子デバイスを含んでいる。   [012] The stretchable and / or flexible semiconductors of the present invention may optionally be printable, and may also be other structures, materials and / or devices such as dielectric materials and layers, electrodes and other semiconductor materials and layers. A composite semiconductor element having a semiconductor structure optionally connected to the component may optionally be provided. The present invention provides system level integration such as transistors, diodes, light emitting diodes (LEDs), organic light emitting diodes (OLEDs), lasers, micro and nano electromechanical devices, micro and nano fluidic devices, memory devices, and complementary logic circuits. It includes a wide range of stretchable and / or flexible electronic and / or optoelectronic devices with stretchable and / or flexible semiconductors, including but not limited to circuitry.

[013]一態様では、本発明は屈曲、膨張、圧縮、湾曲および/または変形状態で有用な機能的特性を与える伸縮性半導体素子を提供する。本明細書において、「半導体素子」および「半導体構造」の表現は、本記載中で同義的に用いられ、広義には任意の半導体材料、組成または構造を指し、高品質単結晶および多結晶半導体、高温処理で作製された半導体材料、ドープされた半導体材料、有機および無機半導体ならびに1個以上の追加の半導体コンポーネントおよび/または誘電体層または材料および/または導電体層または材料等の非半導体コンポーネント複合半導体材料および構造を明示的に含む。   [013] In one aspect, the present invention provides a stretchable semiconductor element that provides useful functional properties in a bent, expanded, compressed, curved and / or deformed state. In this specification, the expressions “semiconductor element” and “semiconductor structure” are used synonymously in this description, and in a broad sense, refer to any semiconductor material, composition, or structure, and include high-quality single crystals and polycrystalline semiconductors. Non-semiconductor components such as semiconductor materials made by high temperature processing, doped semiconductor materials, organic and inorganic semiconductors and one or more additional semiconductor components and / or dielectric layers or materials and / or conductor layers or materials Explicitly includes composite semiconductor materials and structures.

[014]本発明の伸縮性半導体素子は、支持表面を有するフレキシブル基板と、例えば半導体構造の湾曲した形態により与えられる曲面状内表面である、曲面状内表面を有する半導体構造とを備えている。この実施形態では、半導体構造の曲面状内表面の少なくとも一部がフレキシブル基板の支持表面に結合されている。本発明で有用な曲面状内表面を有する例示的な半導体構造は、湾曲構造を備える。本記載の文脈では、「湾曲構造」が力を加えたことにより生じる曲面状形態を有する構造を指している。本発明における湾曲構造は、1つ以上の折り返し領域、凸部領域および/または凹部領域を有することができる。本発明で有用な湾曲構造は、例えば、コイル状形態、しわの寄った形態、座屈した形態および/または波状(すなわち波形)形態で与えられる。   [014] The stretchable semiconductor element of the present invention comprises a flexible substrate having a support surface and a semiconductor structure having a curved inner surface, eg, a curved inner surface provided by a curved form of the semiconductor structure. . In this embodiment, at least a portion of the curved inner surface of the semiconductor structure is bonded to the support surface of the flexible substrate. An exemplary semiconductor structure having a curved inner surface useful in the present invention comprises a curved structure. In the context of this description, a “curved structure” refers to a structure having a curved shape that is generated by applying a force. The curved structure in the present invention can have one or more folded regions, convex regions, and / or concave regions. Curved structures useful in the present invention are provided, for example, in a coiled form, a wrinkled form, a buckled form and / or a wavy (ie, corrugated) form.

[015]曲面状内表面を有する伸縮性湾曲半導体構造および電子回路等の湾曲構造は、湾曲構造が歪みを受けている形態で、ポリマーおよび/または弾性基板等のフレキシブル基板に結合することができる。ある実施形態では、湾曲リボン構造等の湾曲構造が約30%以下の歪みを、いくつかの用途に好ましい実施形態において約10%以下の歪みおよび/またはいくつかの用途に好ましい実施形態において約1%以下の歪みを受けているものもある。ある実施形態では、湾曲リボン構造等の湾曲構造が約1%〜約30%の範囲から選択された歪みを受けているものもある。   [015] Curved structures such as stretchable curved semiconductor structures and electronic circuits having a curved inner surface can be bonded to flexible substrates such as polymers and / or elastic substrates, with the curved structures being distorted . In certain embodiments, a curved structure, such as a curved ribbon structure, has a strain of about 30% or less, in some preferred embodiments for strains of about 10% or less, and / or in some preferred embodiments for some applications. Some have received distortions of less than 10%. In some embodiments, a curved structure, such as a curved ribbon structure, is subjected to a strain selected from a range of about 1% to about 30%.

[016]有用な実施形態では、曲面状内表面を有する半導体構造が、少なくとも部分的に支持フレキシブル基板に結合された移送可能な半導体素子を含んでいる。本記載の文脈では、「移送可能な半導体素子」は、例えば堆積技術、印刷技術、パターニング技術および/または他の材料移送方法によって、ドナー表面から受容表面へと移送可能な半導体構造である。本方法で有用な移送可能な半導体素子、組成およびデバイスには印刷可能な半導体素子が含まれるがこれに限定されない。   [016] In a useful embodiment, a semiconductor structure having a curved inner surface includes a transportable semiconductor element that is at least partially coupled to a supporting flexible substrate. In the context of the present description, a “transportable semiconductor element” is a semiconductor structure that can be transported from a donor surface to a receiving surface, for example, by deposition techniques, printing techniques, patterning techniques and / or other material transfer methods. Transportable semiconductor elements, compositions and devices useful in the present method include, but are not limited to, printable semiconductor elements.

[017]有用なフレキシブル基板には、ポリマー基板、プラスチック基板および/または弾性基板が含まれるがこれに限定されない。一実施形態では、例えば、本発明が前歪みを加えた弾性基板に移送かつ結合可能な、移送可能で場合によって印刷可能な半導体素子を含む。本発明のこの態様における有用な移送方法には、接触印刷または溶液印刷等の印刷技術が含まれる。続いて弾性基板を弛緩することにより、移送可能で場合によって印刷可能な半導体素子上に歪みが生じ、例えば半導体素子の湾曲および/または座屈により曲面状内表面が形成される。   [017] Useful flexible substrates include, but are not limited to, polymer substrates, plastic substrates, and / or elastic substrates. In one embodiment, for example, the present invention includes a transportable and optionally printable semiconductor element that can be transported and bonded to a pre-strained elastic substrate. Useful transport methods in this aspect of the invention include printing techniques such as contact printing or solution printing. Subsequently, the elastic substrate is relaxed to cause distortion on the transportable and possibly printable semiconductor element, for example, to form a curved inner surface by bending and / or buckling of the semiconductor element.

[018]ある実施形態では、曲面状表面を有する半導体素子が(例えば上述したように)作製され、続いてその曲面状内表面を生成するのに用いられた弾性基板から別のフレキシブル基板へと移送され、この別のフレキシブル基板に結合される。本発明のこの態様の有用な実施形態には、しわの寄った、座屈した、および/または波形形態を有する曲面状内表面を持ったリボン、ワイヤ、ストリップ、ディスク、プレートレット、ブロック、ポスト、またはシリンダを含んだ移送可能で場合によって印刷可能な半導体構造が含まれる。しかしながら、本発明は、半導体素子が印刷手段によりフレキシブル基板に与えられない、および/または半導体素子が印刷可能でない伸縮性半導体を含んでいる。   [018] In one embodiment, a semiconductor device having a curved surface is fabricated (eg, as described above), and subsequently from an elastic substrate used to generate the curved inner surface to another flexible substrate. It is transferred and bonded to this other flexible substrate. Useful embodiments of this aspect of the invention include ribbons, wires, strips, disks, platelets, blocks, posts with curved inner surfaces that are wrinkled, buckled and / or corrugated. Or a transportable and optionally printable semiconductor structure including a cylinder. However, the present invention includes a stretchable semiconductor in which the semiconductor element is not applied to the flexible substrate by printing means and / or the semiconductor element is not printable.

[019]本発明は、1個のフレキシブル基板により支持される曲面状内表面を有する1個の半導体素子を備える伸縮性半導体を含んでいる。あるいは、本発明は、1個のフレキシブル基板により支持される曲面状内表面を有する複数の伸縮性半導体素子を備える伸縮性半導体を含んでいる。本発明の実施形態には、1個のフレキシブル基板により支持される曲面状内表面を有する伸縮性半導体素子のアレイまたはパターンが含まれる。場合によって、アレイまたはパターン状の伸縮性半導体素子は、明確に規定され、事前に選択された物理次元、配置、および相対的な空間配向を有する。   [019] The present invention includes a stretchable semiconductor comprising a semiconductor element having a curved inner surface supported by a flexible substrate. Alternatively, the present invention includes a stretchable semiconductor including a plurality of stretchable semiconductor elements having a curved inner surface supported by a single flexible substrate. Embodiments of the present invention include an array or pattern of stretchable semiconductor elements having a curved inner surface supported by a single flexible substrate. In some cases, the array or pattern of stretchable semiconductor elements has a well-defined and pre-selected physical dimension, arrangement, and relative spatial orientation.

[020]本発明は、1個以上の伸縮性半導体構造と、電気的接点、電極、導電体層、誘電体層等の追加の集積デバイスコンポーネントおよび/または追加の半導体層(例えば、ドープ層、PN接合等)を備える伸縮性電子デバイス、デバイスコンポーネントおよび/または回路も含む。本実施形態では、伸縮性半導体構造および追加集積デバイスコンポーネントが動作可能に結合されて選択されたデバイス機能性を与えるが、電気的に接触していても互いに絶縁されていてもよい。有用な実施形態では、少なくとも一部または全ての追加集積デバイスコンポーネント(および伸縮性半導体)が、フレキシブル基板の支持表面により支持された曲面状内表面を有し、例えばコイル状、波形、座屈した、および/またはしわの寄った形態を有する湾曲構造である湾曲構造で与えられる。追加集積デバイスコンポーネントおよび伸縮性半導体の曲面状内表面は、ほぼ同じまたは異なる外形プロファイルを有することができる。本発明は、伸縮性デバイスコンポーネントが本質的な伸縮性を示す金属相互接続または波形、しわの寄った、湾曲および/または座屈形態も有する金属相互接続により相互接続される実施形態を含んでいる。   [020] The present invention includes one or more stretchable semiconductor structures and additional integrated device components such as electrical contacts, electrodes, conductor layers, dielectric layers, and / or additional semiconductor layers (eg, doped layers, Also includes stretchable electronic devices, device components and / or circuits comprising PN junctions). In this embodiment, the stretchable semiconductor structure and additional integrated device components are operably coupled to provide selected device functionality, but may be in electrical contact or isolated from each other. In useful embodiments, at least some or all additional integrated device components (and stretchable semiconductors) have a curved inner surface supported by the support surface of the flexible substrate, eg, coiled, corrugated, buckled And / or a curved structure, which is a curved structure having a wrinkled form. The additional integrated device component and the curved inner surface of the stretchable semiconductor can have approximately the same or different profile. The present invention includes embodiments in which stretchable device components are interconnected by metal interconnects or corrugated, wrinkled, curved and / or buckled metal interconnects that exhibit intrinsic stretchability. .

[021]ある実施形態では、追加集積デバイスコンポーネントの曲面状内表面形態が、コイル状、波形、座屈および/またはしわの寄った形態等の電子デバイスの全体湾曲構造により与えられるものもある。これらの実施形態では、大きな歪みを受けている場合でも、湾曲構造によりこれらのデバイスが、伸張、圧縮および/または湾曲形態の状態で半導体素子との導電性または絶縁性を維持する等、良好な電子的パフォーマンスを示すことが可能となる。伸縮性電子回路は、本明細書で説明したような伸縮性半導体素子を作製するのに用いたのと類似の技術を用いて作製することができる。一実施形態では、例えば、伸縮性半導体素子を含む伸縮性デバイスコンポーネントが個々に作製されてから相互接続される。あるいは、半導体含有デバイスが平面形態に作製され、続いて得られた平面デバイスを処理していくつかまたは全てのデバイスコンポーネントの曲面状内表面を有する全体的なデバイス湾曲構造を提供する。   [021] In some embodiments, the curved inner surface form of the additional integrated device component is provided by the overall curved structure of the electronic device, such as a coiled, corrugated, buckled and / or wrinkled form. In these embodiments, even when subjected to large strains, the curved structure ensures that these devices remain conductive or insulative with the semiconductor element in a stretched, compressed and / or curved form. It becomes possible to show electronic performance. The stretchable electronic circuit can be fabricated using techniques similar to those used to fabricate stretchable semiconductor elements as described herein. In one embodiment, for example, stretchable device components that include stretchable semiconductor elements are individually fabricated and then interconnected. Alternatively, a semiconductor-containing device is fabricated in a planar form, and the resulting planar device is subsequently processed to provide an overall device curved structure having a curved inner surface of some or all device components.

[022]本発明は、1個のフレキシブル基板により支持される曲面状内表面を有する1個の電子デバイスを備える伸縮性電子デバイスを含んでいる。あるいは、本発明は、1個のフレキシブル基板により支持される曲面状内表面をそれぞれ有する複数の伸縮性電子デバイスまたはデバイスコンポーネントを備える伸縮性半導体アレイを含んでいる。場合によって、本発明のデバイスアレイの伸縮性電子デバイスは、明確に規定された、事前に選択された物理次元、配置、相対的な空間配向を有する。   [022] The present invention includes a stretchable electronic device comprising a single electronic device having a curved inner surface supported by a single flexible substrate. Alternatively, the present invention includes a stretchable semiconductor array comprising a plurality of stretchable electronic devices or device components each having a curved inner surface supported by a single flexible substrate. In some cases, the stretchable electronic device of the device array of the present invention has a well-defined, pre-selected physical dimension, arrangement, and relative spatial orientation.

[023]本発明の実施形態には、半導体構造または電子デバイスの曲面状内表面が湾曲構造により与えられるものがある。本発明の半導体および/または電子デバイスの湾曲構造および曲面状内表面は、少なくとも1個の凸部領域、少なくとも1個の凹部領域または少なくとも1個の凸部領域と少なくとも1個の凹部領域の組み合わせにより特徴付けられる外形プロファイルを含むがこれに限定されない、伸縮性および/または柔軟性を与えるあらゆる外形プロファイルを有することができる。本発明で有用な外形プロファイルは、1または2空間次元で変動する外形プロファイルを含んでいる。1空間次元以上で周期的または非周期的変動を示す外形プロファイルを持った内表面を有する湾曲構造を用いることは、直交方向を含む複数の方向に伸張、圧縮、屈曲または他の方法で変形可能な伸縮性半導体および/または電子デバイスを与えるのに有用である。   [023] In some embodiments of the invention, the curved inner surface of a semiconductor structure or electronic device is provided by a curved structure. The curved structure and the curved inner surface of the semiconductor and / or electronic device of the present invention have at least one convex region, at least one concave region, or a combination of at least one convex region and at least one concave region. Can have any profile that provides stretchability and / or flexibility, including but not limited to profile profiles characterized by: Outline profiles useful in the present invention include outline profiles that vary in one or two spatial dimensions. Using a curved structure with an inner surface with an external profile that exhibits periodic or aperiodic variation in more than one spatial dimension can be stretched, compressed, bent or otherwise deformed in multiple directions including orthogonal directions Useful for providing flexible stretchable semiconductor and / or electronic devices.

[024]有用な実施形態は、例えば波形形態に設けられた凸部および凹部領域の交互パターンである、複数の凸部および凹部領域を含む形態を有する湾曲半導体構造および/または電子デバイスにより与えられる曲面状内表面を含んでいる。ある実施形態では、伸縮性および/またはフレキシブル半導体素子または電子デバイスの曲面状内表面あるいは場合によって断面コンポーネント全体が、ほぼ周期波、あるいはほぼ非周期波を特徴とする外形プロファイルを有する。本記載の文脈では、周期波が1個以上の正弦波、方形波、Aries関数、ガウス波形、ローレンツ波形、またはこれらの組み合わせを含むあらゆる二次元または三次元波形を含むがこれに限定されない。別の実施形態では、半導体素子または電子デバイスの曲面状内表面あるいは場合によって断面コンポーネント全体が、比較的大きな振幅および幅を有する複数の非周期性座屈から成る外形プロファイルを有する。別の実施形態では、半導体素子または電子デバイスの曲面状内表面あるいは場合によって断面コンポーネント全体が、周期波と複数の非周期性座屈の両方から成る外形プロファイルを有する。   [024] Useful embodiments are provided by curved semiconductor structures and / or electronic devices having a configuration that includes a plurality of convex and concave regions, for example, an alternating pattern of convex and concave regions provided in a corrugated form Includes a curved inner surface. In some embodiments, the curved inner surface of the stretchable and / or flexible semiconductor element or electronic device, or possibly the entire cross-sectional component, has an outer profile characterized by a substantially periodic or a non-periodic wave. In the context of this description, a periodic wave includes, but is not limited to, any two-dimensional or three-dimensional waveform including one or more sine waves, square waves, Aries functions, Gaussian waveforms, Lorentz waveforms, or combinations thereof. In another embodiment, the curved inner surface of the semiconductor element or electronic device, or possibly the entire cross-sectional component, has an outer profile consisting of a plurality of aperiodic bucklings having a relatively large amplitude and width. In another embodiment, the curved inner surface of the semiconductor element or electronic device, or possibly the entire cross-sectional component, has an outer profile consisting of both a periodic wave and a plurality of non-periodic buckling.

[025]一実施形態では、本発明の伸縮性半導体素子および/または電子デバイスが、少なくともその長さの一部、場合によって幅に沿って延びる周期性または非周期性波形形態を有する湾曲リボン構造等の湾曲構造を備えている。本発明は、例えば、約1ミクロンおよび100ミクロンの間の周期性と、約50ナノメータおよび約5ミクロンの間の振幅とを持った正弦波形態を有する、湾曲リボン構造を含む湾曲構造を含んでいる。湾曲構造は、これら構造の長さの少なくとも一部および/または幅に沿って延びる軸等の方形波および/またはガウス波等の他の周期波形形態で与えられてもよい。湾曲リボン構造を備える伸縮性フレキシブル半導体素子および伸縮性電子デバイスを、曲面状内表面の第1の波形の方向に沿って延びる半導体リボンの長さに沿って延びる軸に沿って膨張可能、圧縮可能、湾曲可能および/または変形可能とすることができ、場合によって、湾曲構造および曲面状内表面の他の波形の方向に沿って延びる軸等の1本以上の軸に沿って膨張可能、圧縮可能、湾曲可能および/または変形可能とすることができる。   [025] In one embodiment, the stretchable semiconductor element and / or electronic device of the present invention has a curved ribbon structure having a periodic or non-periodic corrugated shape that extends along at least a portion of its length, optionally along its width. Etc. are provided. The present invention includes a curved structure including a curved ribbon structure, for example, having a sinusoidal form with a periodicity between about 1 micron and 100 microns and an amplitude between about 50 nanometers and about 5 microns. Yes. The curved structures may be provided in other periodic waveform forms such as a square wave and / or a Gaussian wave, such as an axis extending along at least a portion of the length and / or width of these structures. Stretchable flexible semiconductor elements and stretchable electronic devices with a curved ribbon structure are expandable and compressible along an axis extending along the length of the semiconductor ribbon extending along the direction of the first corrugation of the curved inner surface Bendable and / or deformable, and optionally expandable and compressible along one or more axes, such as an axis extending along other corrugated directions of the curved structure and curved inner surface Can be bendable and / or deformable.

[026]ある実施形態では、本発明のこの態様の半導体構造および電子デバイスの形態が機械的に応力を受けたり力が加わったりすると変化するものもある。例えば、波形または座屈形態を有する湾曲半導体構造および電子デバイスの周期性および/または振幅が、加えた機械的応力および/または力に応じて変化することができる。ある実施形態では、この形態を変化させる能力が伸縮性半導体構造および電子デバイスに、顕著な機械的損傷、破砕または電子的特性および/または電子デバイスパフォーマンスの実質的な低下を受けずに膨張、圧縮、屈曲、変形、および/または湾曲する能力を与える。   [026] In some embodiments, the morphology of the semiconductor structure and electronic device of this aspect of the invention may change when subjected to mechanical stress or force. For example, the periodicity and / or amplitude of curved semiconductor structures and electronic devices having a corrugated or buckled configuration can vary depending on the applied mechanical stress and / or force. In certain embodiments, the ability to change this shape causes the stretched semiconductor structure and electronic device to expand and compress without significant mechanical damage, fracture or electronic properties and / or substantial degradation of electronic device performance. Provide the ability to bend, deform, and / or curve.

[027]半導体構造および/または伸縮性電子デバイスの曲面状内表面を、支持表面に連続的に結合(すなわち、曲面状内表面に沿った全ての点(例えば約90%)で結合)することができる。あるいは、半導体構造および/または伸縮性電子デバイスの曲面状内表面を支持表面に不連続的に結合することができ、曲面状内表面は曲面状内表面に沿った選択された点で支持表面に結合される。本発明は、半導体構造および電子デバイスの内表面が離散点でフレキシブル基板に結合され、内表面およびフレキシブル基板間の結合の離散点間で内表面が曲面形態である、実施形態を含んでいる。本発明は、離散点でフレキシブル基板に結合された内表面を有する湾曲半導体構造および電子デバイスを含んでおり、フレキシブル基板に直接結合されない座屈領域により結合の離散点が互いに離間されている。   [027] Bonding the curved inner surface of the semiconductor structure and / or stretchable electronic device to the support surface continuously (ie, bonding at all points (eg, about 90%) along the curved inner surface). Can do. Alternatively, the curved inner surface of the semiconductor structure and / or the stretchable electronic device can be discontinuously coupled to the supporting surface, and the curved inner surface becomes a supporting surface at selected points along the curved inner surface. Combined. The invention includes embodiments in which the inner surface of the semiconductor structure and electronic device is coupled to a flexible substrate at discrete points, and the inner surface is in a curved form between discrete points of coupling between the inner surface and the flexible substrate. The present invention includes a curved semiconductor structure and an electronic device having an inner surface coupled to a flexible substrate at discrete points, wherein the discrete points of coupling are separated from each other by buckling regions that are not directly coupled to the flexible substrate.

[028]本発明の伸縮性半導体および伸縮性電子デバイスには、半導体構造または電子デバイスの内表面だけが曲面形態であたえられるものもある。あるいは、本発明は、湾曲半導体構造または電子デバイスの断面コンポーネント全体が、波形、しわの寄った、座屈した、またはコイル状形態等の曲面形態で与えられた湾曲形態で与えられた、伸縮性半導体および伸縮性電子デバイスを含んでいる。これらの実施形態では、曲面形態が半導体構造または電子デバイスの少なくとも一部の厚さ全体を横断して延びる。例えば、本発明の伸縮性半導体が、波形、しわの寄った、座屈した、またはコイル状形態を有する湾曲半導体リボンまたはストリップを含んでいる。本発明は、半導体構造または電子デバイスの全体あるいは半導体構造または電子デバイスの少なくとも大部分が、波形、しわの寄った、または湾曲形態等の曲面形態であたえられる構成および電子デバイスも含んでいる。   [028] In some stretchable semiconductors and stretchable electronic devices of the present invention, only the inner surface of the semiconductor structure or electronic device is given a curved shape. Alternatively, the present invention provides a stretchable structure in which the entire cross-sectional component of the curved semiconductor structure or electronic device is provided in a curved form such as a corrugated, wrinkled, buckled or coiled form. Includes semiconductors and stretchable electronic devices. In these embodiments, the curved feature extends across the entire thickness of at least a portion of the semiconductor structure or electronic device. For example, the stretchable semiconductor of the present invention includes a curved semiconductor ribbon or strip having a corrugated, wrinkled, buckled, or coiled configuration. The invention also includes configurations and electronic devices in which the entire semiconductor structure or electronic device or at least a majority of the semiconductor structure or electronic device is provided in a curved form, such as a wavy, wrinkled or curved form.

[029]ある実施形態では、波形、座屈および/または伸縮性形態が、本発明の構成、材料およびデバイスの有用な特性を機械的に調整する方法を与えるものもある。例えば、半導体の移動度および接点の特性は、少なくとも部分的に歪みに依存する。本発明の空間的に変動する歪みは、材料およびデバイス特性を有用な方法で調節するのに有用である。別の例として、導波路で空間的に変動する歪みにより指数特性が(弾性光学効果を通して)空間的に変動するが、これは異なるタイプの格子結合器としても有利に利用可能である。   [029] In some embodiments, the corrugations, buckling and / or stretchable forms provide a way to mechanically adjust the useful properties of the compositions, materials and devices of the present invention. For example, semiconductor mobility and contact characteristics are at least partially dependent on strain. The spatially varying strains of the present invention are useful for adjusting material and device properties in a useful manner. As another example, the exponential characteristics vary spatially (through the elasto-optic effect) due to spatially varying strains in the waveguide, which can be advantageously used as different types of grating couplers.

[030]伸縮性半導体構造および/または電子デバイスの内表面のフレキシブル基板の外表面に対する結合を、機械的故障または電子的特性および/またはパフォーマンスの顕著な劣化無しに伸張および/または圧縮変位を受けることが可能な、また場合によって機械的故障または電子的特性および/またはパフォーマンスの顕著な劣化無しに屈曲変位が可能な、機械的に有用なシステムを与える任意の構成、構造または結合スキームを用いて与えることができる。半導体構造および/または電子デバイスとフレキシブル基板間の有用な結合が、各種の伸張、圧縮および/または屈曲形態または変形状態で有益な電子的特性を示す機械的に頑強な構造をもたらす。本発明のこの態様の一実施形態では、半導体構造および/または電子デバイスの内表面の少なくとも一部とフレキシブル基板の外表面との結合が、半導体構造または電子デバイスとフレキシブル基板の外表面の間の共有および/または非共有結合で与えられる。これらの構造で有用な例示的な結合スキームには、半導体構造または電子デバイスとフレキシブル基板の外表面の間のファンデルワールス相互作用、双極子間相互作用および/または水素結合相互作用の利用が含まれる。本発明は、結合が半導体構造または電子デバイスとフレキシブル基板の外表面の間に設けられた接着または積層層、コーティングまたは薄膜により与えられる実施形態も含んでいる。有用な接着層には、金属層、ポリマー層、部分重合ポリマー前駆体層、および複合材料層が含まれるがこれに限定されない。本発明は、例えばその外表面に複数の水酸基を有するポリマー基板等のフレキシブル基板等の、化学的に修飾された外表面を有するフレキシブル基板を用いて半導体素子または電子デバイスとの結合を容易にすることも含んでいる。本発明は、半導体構造または電子回路が全体的または部分的にポリマー層等の封入層またはコーティングにより封入されたフレキシブル半導体および電子回路を含んでいる。   [030] Bonding of the elastic semiconductor structure and / or the inner surface of the electronic device to the outer surface of the flexible substrate is subject to stretching and / or compressive displacement without mechanical failure or significant degradation of electronic properties and / or performance Using any configuration, structure or coupling scheme that can provide a mechanically useful system capable of bending displacement without possible mechanical failure or possibly significant degradation of electronic properties and / or performance Can be given. Useful bonds between semiconductor structures and / or electronic devices and flexible substrates result in mechanically robust structures that exhibit beneficial electronic properties in various stretched, compressed and / or bent forms or deformed states. In one embodiment of this aspect of the invention, the bond between at least a portion of the inner surface of the semiconductor structure and / or electronic device and the outer surface of the flexible substrate is between the semiconductor structure or electronic device and the outer surface of the flexible substrate. Given covalently and / or non-covalently. Exemplary bonding schemes useful in these structures include the use of van der Waals interactions, dipole interactions and / or hydrogen bonding interactions between the semiconductor structure or electronic device and the outer surface of the flexible substrate. It is. The invention also includes embodiments in which the bond is provided by an adhesive or laminate layer, coating or thin film provided between the semiconductor structure or electronic device and the outer surface of the flexible substrate. Useful adhesive layers include, but are not limited to, metal layers, polymer layers, partially polymerized polymer precursor layers, and composite material layers. The present invention facilitates bonding with a semiconductor element or an electronic device using a flexible substrate having a chemically modified outer surface, such as a flexible substrate such as a polymer substrate having a plurality of hydroxyl groups on the outer surface. It also includes. The present invention includes flexible semiconductors and electronic circuits in which the semiconductor structure or electronic circuit is wholly or partially encapsulated by an encapsulating layer or coating, such as a polymer layer.

[031]半導体構造または電子デバイスの物理次元および組成が、本発明の伸縮性半導体素子の全体的な機械的および電子的特性に少なくとも部分的に影響する。本明細書において、用語薄型は約100ミクロン以下の厚さ、用途によって好ましくは約50ミクロン以下の厚さを有する構造を指す。薄型半導体リボン、プレートレットおよびストリップまたは薄膜トランジスタ等の薄型半導体構造または電子デバイスを用いることは、いくつかの実施形態では、損傷、機械的故障または顕著な電子的特性の劣化無しに伸張、収縮および/または屈曲可能な形態を与える、波形、コイル状または湾曲曲面状内表面等の曲面状内表面の形成を容易にするために重要である。薄型印刷可能半導体構造等の薄型半導体構造または電子デバイスを用いることは、単結晶および/または多結晶無機半導体等の脆弱な半導体材料を含む伸縮性半導体および伸縮性電子デバイスについて特に有用である。ある有用な実施形態では、半導体構造または電子回路が約1ミクロンから1センチメータまでの範囲にわたって選択された幅と、約50ナノメータから約50ミクロンまでの範囲にわたって選択された厚さとを有する。   [031] The physical dimensions and composition of the semiconductor structure or electronic device will at least partially affect the overall mechanical and electronic properties of the stretchable semiconductor element of the present invention. As used herein, the term thin refers to a structure having a thickness of about 100 microns or less, preferably about 50 microns or less, depending on the application. Using thin semiconductor structures or electronic devices such as thin semiconductor ribbons, platelets and strips or thin film transistors, in some embodiments, stretches, shrinks and / or shrinks without damage, mechanical failure or significant electronic property degradation. Or it is important for facilitating the formation of a curved inner surface, such as a corrugated, coiled or curved curved inner surface, which gives a bendable form. The use of thin semiconductor structures such as thin printable semiconductor structures or electronic devices is particularly useful for stretchable semiconductors and stretchable electronic devices that include fragile semiconductor materials such as single crystal and / or polycrystalline inorganic semiconductors. In one useful embodiment, the semiconductor structure or electronic circuit has a width selected over a range from about 1 micron to 1 centimeter and a thickness selected over a range from about 50 nanometers to about 50 microns.

[032]支持フレキシブル基板の組成および物理次元もまた、本発明の伸縮性半導体素子および伸縮性電子デバイスの全体的な機械的および電子的特性に少なくとも部分的に影響し得る。有用なフレキシブル基板には、約0.1ミリメータから約100ミクロンまでの範囲にわたって選択された厚さを有するフレキシブル基板が含まれるがこれに限定されない。ある有用な実施形態では、フレキシブル基板がポリジメチルシロキサンPDMS層を含み、約0.1ミリメータから約10ミリメータまでの範囲にわたって選択された厚さを有する。   [032] The composition and physical dimensions of the supporting flexible substrate may also affect, at least in part, the overall mechanical and electronic properties of the stretchable semiconductor elements and stretchable electronic devices of the present invention. Useful flexible substrates include, but are not limited to, flexible substrates having a thickness selected over a range from about 0.1 millimeters to about 100 microns. In one useful embodiment, the flexible substrate comprises a polydimethylsiloxane PDMS layer and has a thickness selected over a range from about 0.1 millimeters to about 10 millimeters.

[033]本発明は、部分的に処理された伸縮性半導体素子または部分的に処理された伸縮性半導体回路も含んでいる。一実施形態では、例えば、本発明がpnダイオードデバイスをその上に有するSiリボンを含んでいる。Siリボンは波形形態で与えられ、場合によってPDMS基板上に設けられる。例えばシャドーマスクによる金属蒸着によりダイオード出力(例えば光電流)が増幅されるように、相互接続がこれらの(絶縁された)ダイオード間に与えられる。一実施形態では、複数の離間された伸縮性トランジスタをエラストマー上に作製する。個々のトランジスタは何らかの方法(例えばシャドーマスクでの蒸着)で配線されて、例えば特定の方法で接続された複数のトランジスタから成る回路等の他の有用な回路を作る。これらの場合について、相互接続金属ワイヤも伸縮性であり、よって本発明者らはエラストマー上に完全に伸縮性の回路を得る。   [033] The present invention also includes a partially processed stretchable semiconductor element or a partially processed stretchable semiconductor circuit. In one embodiment, for example, the invention includes a Si ribbon having a pn diode device thereon. The Si ribbon is provided in a corrugated form and is optionally provided on the PDMS substrate. Interconnects are provided between these (insulated) diodes so that the diode output (eg photocurrent) is amplified, for example by metal deposition with a shadow mask. In one embodiment, a plurality of spaced stretchable transistors are fabricated on the elastomer. The individual transistors are wired in some way (eg deposition with a shadow mask) to make other useful circuits, eg a circuit consisting of a plurality of transistors connected in a particular way. For these cases, the interconnect metal wires are also stretchable, so we obtain a fully stretchable circuit on the elastomer.

[034]別の態様では、本発明は、(1)内表面を有する移送可能な半導体構造を設けるステップと、(2)外表面を有し、膨張状態で前歪みを加えた弾性基板を設けるステップと、(3)移送可能半導体構造の内表面の少なくとも一部を、膨張状態の前歪み弾性基板の外表面に結合するステップと、(4)弾性基板を少なくとも部分的に弛緩状態へと弛緩させ、弾性基板の弛緩により半導体構造が湾曲し、それによって伸縮性半導体素子を生成するステップとを備える、伸縮性半導体素子を製造する方法を提供する。本発明のこの態様の実施態様では、前歪み弾性基板が第1の軸に沿って膨張され、場合によって第1の軸に対して直交して配置された第2の軸に沿って膨張されるものもある。ある有用な実施形態では、前歪み弾性基板に設けられた移送可能半導体素子が印刷可能半導体素子である。   [034] In another aspect, the present invention provides (1) providing a transportable semiconductor structure having an inner surface, and (2) providing an elastic substrate having an outer surface and prestrained in an expanded state. (3) coupling at least a portion of the inner surface of the transportable semiconductor structure to the outer surface of the expanded pre-strained elastic substrate; and (4) relaxing the elastic substrate to at least partially relaxed state. A method of manufacturing a stretchable semiconductor device comprising: bending a semiconductor structure by loosening an elastic substrate, thereby generating a stretchable semiconductor device. In an embodiment of this aspect of the invention, the pre-strained elastic substrate is inflated along a first axis, and possibly along a second axis arranged orthogonal to the first axis. There are also things. In one useful embodiment, the transportable semiconductor element provided on the pre-strained elastic substrate is a printable semiconductor element.

[035]別の態様では、本発明は、(1)内表面を有する移送可能な電子回路を設けるステップと、(2)外表面を有し、膨張状態で前歪みを加えた弾性基板を設けるステップと、(3)移送可能電子回路の内表面の少なくとも一部を、膨張状態の前歪み弾性基板の外表面に結合するステップと、(4)弾性基板を少なくとも部分的に弛緩状態へと弛緩させ、弾性基板の弛緩により電子回路の内表面が湾曲し、それによって伸縮性電子回路を生成するステップとを備える、伸縮性電子回路を製造する方法を提供する。ある有用な実施形態では、前歪み弾性基板に設けられた移送可能電子回路が、乾式転写接触印刷等の印刷技術で移送可能な電子回路等の印刷可能電子回路である。ある実施態様では、電子回路が、移送可能な、場合によって印刷可能な半導体素子、誘電体素子、電極、超伝導素子を含む導電体素子、およびドープされた半導体素子等の1個以上の半導体素子を含むがこれに限定されない、複数の集積デバイスコンポーネントを備えるものもある。   [035] In another aspect, the present invention provides (1) providing a transportable electronic circuit having an inner surface; and (2) providing an elastic substrate having an outer surface and pre-strained in an expanded state. And (3) coupling at least a portion of the inner surface of the transportable electronic circuit to the outer surface of the expanded pre-strained elastic substrate; and (4) relaxing the elastic substrate to at least partially relaxed state. A method of manufacturing a stretchable electronic circuit comprising: bending an elastic substrate to curve an inner surface of the electronic circuit, thereby generating a stretchable electronic circuit. In one useful embodiment, the transportable electronic circuit provided on the pre-strained elastic substrate is a printable electronic circuit such as an electronic circuit that can be transported with a printing technique such as dry transfer contact printing. In some embodiments, one or more semiconductor elements, such as semiconductor elements that can be transported and optionally printed by electronic circuits, dielectric elements, electrodes, conductor elements including superconducting elements, and doped semiconductor elements Some include a plurality of integrated device components including, but not limited to:

[036]場合によって、本発明のこの態様の方法は、少なくとも部分的に半導体素子または電子回路の曲面状内表面および/または屈曲構造を保持するような方法で、伸縮性半導体または伸縮性電子回路を支持弾性基板から受容基板へと移送するステップをさらに備えることもできる。半導体構造または電子回路は、ポリマー受容基板等のフレキシブルな受容基板あるいはペーパー、金属または半導体を含む受容基板に移送される。本実施形態では、接着層(例えばポリイミド接着剤層)等の接着および/または積層層、薄膜および/またはコーティングの利用を含むがこれに限定されない広範囲の手段によって、伸縮性半導体または伸縮性電子デバイスをフレキシブルポリマー受容基板等の受容基板に結合することができる。あるいは、移送された伸縮性半導体または伸縮性電子デバイスと受容基板の間の水素結合、共有結合、双極子間相互作用およびファンデルワールス相互作用によって伸縮性半導体または伸縮性電子デバイスをフレキシブルポリマー受容基板等の受容基板に結合することができる。   [036] In some cases, the method of this aspect of the present invention is a method that at least partially retains a curved inner surface and / or a bent structure of a semiconductor element or electronic circuit, such as a stretchable semiconductor or stretchable electronic circuit A step of transferring the substrate from the supporting elastic substrate to the receiving substrate. The semiconductor structure or electronic circuit is transferred to a flexible receiving substrate such as a polymer receiving substrate or a receiving substrate comprising paper, metal or semiconductor. In this embodiment, a stretchable semiconductor or stretchable electronic device can be obtained by a wide range of means including, but not limited to, the use of adhesion and / or laminate layers, thin films and / or coatings such as adhesive layers (eg, polyimide adhesive layers). Can be bonded to a receiving substrate, such as a flexible polymer receiving substrate. Alternatively, the flexible polymer receiving substrate may be formed by a hydrogen bond, a covalent bond, a dipole interaction and a van der Waals interaction between the transferred stretch semiconductor or stretchable electronic device and the receiving substrate. Or the like to the receiving substrate.

[037]一実施形態では、弾性基板で支持された波形、座屈、しわまたはコイル状形態を有する湾曲半導体構造および/または電子回路を作った後で、これらの構造が適正な接着層またはコーティングを用いて別の基板に移送される。一実施形態では、例えば、波形光電池デバイスが弾性基板上に作成され、次に例えばポリイミドを接着剤層として用いて金属フォイル上に移送される。電気接続が光電池デバイスと下層の金属フォイル(金属表面を露出させるためのスルーホールを形成するパターニング、エッチング、金属堆積等により、これがコレクタ電極の1つとして作用することが可能)の間に確立される。この形態における光電池デバイスの波状表面を、より高度な光トラップ(または光反射の低減)のために利用することができる。より良い反射防止結果を得るために、本発明者らは、例えば、表面粗さを波状半導体の波長よりも一層小さくする等、この波状表面をさらに処理することが可能である。つまり、部分的または完全に処理された波状/湾曲半導体/回路を他の基板(PDMSに限らない)上に移送可能であり、必要であればさらなる処理を加えることによって、より高度なパフォーマンスで用いることが可能である。   [037] In one embodiment, after making curved semiconductor structures and / or electronic circuits having corrugated, buckled, wrinkled or coiled forms supported by an elastic substrate, these structures are suitable adhesive layers or coatings. Is transferred to another substrate. In one embodiment, for example, a corrugated photovoltaic device is made on an elastic substrate and then transferred onto a metal foil using, for example, polyimide as an adhesive layer. An electrical connection is established between the photovoltaic device and the underlying metal foil (which can act as one of the collector electrodes by patterning, etching, metal deposition, etc. to form through holes to expose the metal surface) The The wavy surface of the photovoltaic device in this form can be utilized for more advanced light traps (or reduced light reflection). In order to obtain better antireflection results, we can further process this corrugated surface, for example by making the surface roughness much smaller than the wavelength of the corrugated semiconductor. This means that partially or fully processed wavy / curved semiconductors / circuits can be transferred onto other substrates (not limited to PDMS) and used with higher performance by adding further processing if necessary. It is possible.

[038]場合によって、本発明の方法は、伸縮性半導体または伸縮性電子デバイスを封入、封止または積層するステップをさらに備えることができる。この文脈では、封入ステップが、封入材料が座屈の隆起した領域下に設けられて完全に座屈構造の全側部を埋め込む薄層座屈構造、ジオメトリおよび形態の場合を含む。封入ステップは、ポリマー層等の封入層を湾曲半導体構造または電子回路の隆起および非隆起外形上に設けることも含んでいる。一実施形態では、PDMSプレポリマー等のプレポリマーが伸縮性半導体または伸縮性電子デバイス上で成形および硬化される。本発明の伸縮性半導体および電子デバイスの機械的安定性および頑健性を高めるために、封入または封止処理ステップがいくつかの用途について有用である。本発明は、伸張、圧縮、湾曲および/または屈曲形態で良好な機械的および電子的パフォーマンスを示す、封入、封止および/または積層された伸縮性半導体および電子デバイスを含む。   [038] Optionally, the method of the present invention can further comprise encapsulating, sealing or laminating the stretchable semiconductor or stretchable electronic device. In this context, the encapsulation step includes the case of a thin-layer buckling structure, geometry and configuration in which the encapsulating material is provided under the raised region of the buckling and completely embeds all sides of the buckling structure. The encapsulating step also includes providing an encapsulating layer, such as a polymer layer, on the raised and non-raised contours of the curved semiconductor structure or electronic circuit. In one embodiment, a prepolymer, such as a PDMS prepolymer, is molded and cured on a stretchable semiconductor or stretchable electronic device. To increase the mechanical stability and robustness of the stretchable semiconductor and electronic devices of the present invention, an encapsulation or encapsulation process step is useful for some applications. The present invention includes encapsulated, sealed and / or laminated stretchable semiconductor and electronic devices that exhibit good mechanical and electronic performance in a stretched, compressed, curved and / or bent form.

[039]場合によって、本発明のこの態様の方法は、半導体素子、デバイスコンポーネントおよび/または機能性デバイスを、ポリマー基板(例えば二次元極薄ポリマー基板)または無機基板(例えばSiO)等のドナー基板上で組み立てるステップを含んでいる。この実施形態では、ドナー基板上で組み立てられた構造が、次に前歪みを加えたエラストマー基板に移送されて伸縮性材料、デバイスまたはデバイスコンポーネントを形成する。一実施形態では、トランジスタ、トランジスタアレイまたはトランジスタを有する電子デバイスが、まず、例えば印刷可能半導体素子を用いた印刷技術によってドナー基板上で組み立てられる。次に、例えば接触印刷によってデバイスおよび/またはデバイスアレイの全体が前歪み弾性基板に移送され、伸縮性波形および/または座屈システムが形成される。このアプローチは、伸縮性エラストマー支持体に移送する前に、(ポリイミドまたはベンゾサイクロブテンまたはPET等の)薄型非エラストマー材料上にデバイス相互接続および全面的な回路作製を作成するのに有益な場合について有用である。このタイプのシステムにおいて、組み合わせたトランジスタ/ポリマー膜/エラストマー基板システムにおいて、非周期2D波形または座屈構造を得る。 [039] In some cases, the method of this aspect of the invention provides a semiconductor element, device component, and / or functional device, a donor such as a polymer substrate (eg, a two-dimensional ultrathin polymer substrate) or an inorganic substrate (eg, SiO 2 ) Assembling on a substrate. In this embodiment, the structure assembled on the donor substrate is then transferred to a pre-strained elastomer substrate to form a stretchable material, device or device component. In one embodiment, an electronic device having a transistor, transistor array or transistor is first assembled on a donor substrate, for example by printing techniques using printable semiconductor elements. The entire device and / or device array is then transferred to a pre-strained elastic substrate, for example by contact printing, to form a stretchable waveform and / or buckling system. This approach is useful for creating device interconnects and full circuit fabrication on thin non-elastomeric materials (such as polyimide or benzocyclobutene or PET) prior to transfer to a stretchable elastomeric support. Useful. In this type of system, an aperiodic 2D waveform or buckling structure is obtained in a combined transistor / polymer film / elastomer substrate system.

[040]本方法に有用な弾性基板に前歪みを加える方法は、半導体構造および/または電子デバイスに接触および結合する前および/またはその間に、例えば機械的ステージを用いて弾性基板を湾曲、圧延、屈曲および膨張するステップを含んでいる。複数の方向に弾性基板に前歪みを加える特に有用な手段は、半導体構造および/または電子デバイスに接触および結合する前および/またはその間に、弾性基板の温度を上げることによって弾性基板を熱膨張させることを含んでいる。これらの実施形態において、弾性基板の弛緩は、移送可能および場合によって印刷可能な印刷可能半導体構造または電子デバイスに接触および結合した後に弾性基板の温度を下げることによって達成される。ある方法では、弾性基板に約1%〜約30%の歪みを導入することによって前歪みを加えることもある。   [040] A method of pre-straining an elastic substrate useful in the present method includes bending and rolling an elastic substrate using, for example, a mechanical stage, before and / or during contact and bonding to a semiconductor structure and / or electronic device. Including bending and swelling steps. A particularly useful means of prestraining the elastic substrate in multiple directions is to thermally expand the elastic substrate by raising the temperature of the elastic substrate before and / or during contact and bonding to the semiconductor structure and / or electronic device. Including that. In these embodiments, relaxation of the elastic substrate is achieved by lowering the temperature of the elastic substrate after contacting and bonding to a transportable and optionally printable printable semiconductor structure or electronic device. In some methods, pre-strain may be applied by introducing about 1% to about 30% strain on the elastic substrate.

[041]この記載の文脈では、表現「弾性基板」が実質的に永久変形せず伸張または変形し、元の形状に戻ることが可能な基板を指す。弾性基板は、通常ほぼ弾性的な変形を受ける。本発明で有用な例示的な弾性基板には、エラストマーおよびエラストマーの複合材料または混合物、弾性を示すポリマーおよびコポリマーが含まれるがこれに限定されない。ある方法では、弾性基板を1本以上の主軸に沿って膨張させる機構によってエラストマー基板に前歪みを加える。例えば、前歪みは第1の軸に沿って弾性基板を膨張させることによって与えることができる。しかしながら、本発明は、例えば互いに対して直交して配置された第1および第2の軸に沿った膨張により、弾性基板が複数の軸に沿って膨張される方法も含んでいる。本方法に有用な膨張させる機構によって弾性基板に前歪みを加える手段には、弾性基板の湾曲、圧延、屈曲、平坦化、膨張または他の変形が含まれている。本発明は、弾性基板の温度を上げることにより前歪みを与え、それによって弾性基板の熱膨張を与える手段も含んでいる。   [041] In the context of this description, the expression "elastic substrate" refers to a substrate that can stretch or deform without substantially permanent deformation and return to its original shape. The elastic substrate usually undergoes almost elastic deformation. Exemplary elastic substrates useful in the present invention include, but are not limited to, elastomers and elastomer composites or mixtures, polymers and copolymers that exhibit elasticity. In one method, the elastomeric substrate is pre-strained by a mechanism that causes the elastic substrate to expand along one or more major axes. For example, pre-strain can be applied by expanding the elastic substrate along the first axis. However, the present invention also includes a method in which the elastic substrate is expanded along a plurality of axes, for example by expansion along first and second axes arranged orthogonal to each other. Means for pre-straining the elastic substrate by the inflating mechanism useful in the method include bending, rolling, bending, planarizing, expanding or other deformation of the elastic substrate. The present invention also includes means for imparting pre-strain by raising the temperature of the elastic substrate, thereby providing thermal expansion of the elastic substrate.

[042]本発明の方法は、伸縮性素子、デバイスおよびデバイスコンポーネントを半導体材料以外の材料から作製することも可能である。本発明は、絶縁体、超電導体、および半金属等の非半導体構造が前歪み弾性基板に移送かつ結合される方法を含んでいる。弾性基板を少なくとも部分的に弛緩させることにより、例えば波形および/または座屈外形プロファイルを有する非半導体構造等の曲面状内表面を有する伸縮性非半導体構造を形成する。本発明のこの態様は、コイル状形態、しわ形態、座屈形態および/または波形形態で与えられた内側および場合によって外側表面等の湾曲構造を有する伸縮性非半導体構造を含む。   [042] The method of the present invention can also make stretchable elements, devices and device components from materials other than semiconductor materials. The present invention includes a method in which non-semiconductor structures such as insulators, superconductors, and metalloids are transferred and bonded to a pre-strained elastic substrate. The elastic substrate is at least partially relaxed to form a stretchable non-semiconductor structure having a curved inner surface, such as a non-semiconductor structure having a corrugated and / or buckled profile. This aspect of the invention includes stretchable non-semiconductor structures having curved structures such as inner and possibly outer surfaces provided in coiled, wrinkled, buckled and / or corrugated forms.

[043]本発明の伸縮性半導体、電子デバイスおよび/またはデバイスコンポーネントで有用なフレキシブル基板には、ポリマー基板および/またはプラスチック基板が含まれるがこれに限定されない。伸縮性半導体は、作製中に前歪みを加えて曲面状内表面を形成した弾性基板により支持された1個以上の移送可能な、場合によって印刷可能な半導体素子等の印刷可能半導体構造を備える構成を含む。あるいは、伸縮性半導体が、作製中に前歪みを加えて曲面状内表面を形成した弾性基板とは異なるフレキシブル基板により支持された印刷可能半導体素子等の1個以上の移送可能な半導体構造を備える構成を含む。例えば、本発明は、曲面状内表面を有する半導体構造が弾性基板から異なるフレキシブル基板に移送される伸縮性半導体を含む。   [043] Flexible substrates useful in the stretchable semiconductor, electronic devices and / or device components of the present invention include, but are not limited to, polymer substrates and / or plastic substrates. Stretchable semiconductor has a printable semiconductor structure, such as one or more transportable and optionally printable semiconductor elements, supported by an elastic substrate that has been pre-strained to form a curved inner surface during fabrication including. Alternatively, the stretchable semiconductor comprises one or more transportable semiconductor structures, such as printable semiconductor elements, supported by a flexible substrate different from the elastic substrate that has been pre-strained to form a curved inner surface during fabrication. Includes configuration. For example, the present invention includes a stretchable semiconductor in which a semiconductor structure having a curved inner surface is transferred from an elastic substrate to a different flexible substrate.

本発明の伸縮性半導体構造を示す原子間力顕微鏡写真である。2 is an atomic force micrograph showing the stretchable semiconductor structure of the present invention. 曲面状内表面を有する半導体構造の拡大図である原子間力顕微鏡写真を示している。2 shows an atomic force micrograph that is an enlarged view of a semiconductor structure having a curved inner surface. 本発明の伸縮性半導体構造のアレイの原子間力顕微鏡写真を示している。Figure 2 shows an atomic force micrograph of an array of stretchable semiconductor structures of the present invention. 本発明の伸縮性半導体構造の光学顕微鏡写真を示している。2 shows an optical micrograph of the stretchable semiconductor structure of the present invention. その支持表面上に三次元凹凸パターンを有するフレキシブル基板に結合された半導体構造を有する、本発明の伸縮性半導体構造の原子間力顕微鏡写真を示している。FIG. 4 shows an atomic force micrograph of a stretchable semiconductor structure of the present invention having a semiconductor structure bonded to a flexible substrate having a three-dimensional relief pattern on its support surface. 本発明の伸縮性半導体素子を作成する例示的な方法を示すフロー図を示している。FIG. 3 shows a flow diagram illustrating an exemplary method for making a stretchable semiconductor element of the present invention. フレキシブルゴム基板により支持された波形の曲面状内表面を有する、長手方向に配列した伸縮性半導体のアレイの画像を示している。2 shows an image of an array of stretchable semiconductors arranged in the longitudinal direction having a corrugated curved inner surface supported by a flexible rubber substrate. 半導体構造776がフレキシブル基板777により支持されている、本発明の伸縮性半導体素子の断面画像を示している。図8に示すように、印刷可能半導体構造776が周期波の外形プロファイルを有する内表面を有している。A cross-sectional image of a stretchable semiconductor element of the present invention in which a semiconductor structure 776 is supported by a flexible substrate 777 is shown. As shown in FIG. 8, the printable semiconductor structure 776 has an inner surface with a periodic wave profile. 伸縮性薄膜トランジスタアレイを作成する例示的な方法を示すフロー図を示している。FIG. 4 shows a flow diagram illustrating an exemplary method of making a stretchable thin film transistor array. 弛緩および伸張形態の伸縮性薄膜トランジスタアレイの光学顕微鏡写真を示している。Figure 2 shows an optical micrograph of a stretched thin film transistor array in a relaxed and stretched form. 伸縮性単結晶Siデバイスをエラストマー基板上に構築するためのプロセスの概略図。第1のステップ(上フレーム)は、単結晶Siまたは完成した一体型デバイス(すなわちトランジスタ、ダイオード等)の薄型(20〜320nmの間の厚さ)素子を従来のリソグラフィ処理を含み、SOIウエハーの頂部SiおよびSiO層をエッチングで作製することがそれに続く。これらの手順後、リボン構造が下層のウエハーにより支持されるが結合されない(上フレーム)。前歪みエラストマー基板(PDMS)をリボンに接触させることにより、これらの材料間で結合が生じる(中央フレーム)。リボンがその表面に結合されたままPDMSを剥離し、次に前歪みを解放することによって、PDMSがその歪み無しの状態に戻る(応力のかかっていない長さL)。この弛緩により、リボンにおいて、十分に制御され、高度に周期的な伸縮性波形構造が得られる(下フレーム)。1 is a schematic diagram of a process for building a stretchable single crystal Si device on an elastomeric substrate. The first step (upper frame) involves conventional lithographic processing of thin (20-320 nm thick) elements of single crystal Si or completed monolithic devices (ie, transistors, diodes, etc.) This is followed by etching the top Si and SiO 2 layers. After these procedures, the ribbon structure is supported by the underlying wafer but not bonded (upper frame). By bringing a pre-strained elastomeric substrate (PDMS) into contact with the ribbon, a bond occurs between these materials (center frame). The PDMS returns to its unstrained state (unstressed length L) by peeling the PDMS while the ribbon is still bonded to its surface and then releasing the prestrain. This relaxation results in a well-controlled and highly periodic stretch corrugated structure in the ribbon (lower frame). Aは、PDMS上の波状単結晶Siリボンの整列アレイの拡大光学画像(幅=20μm、間隔=20μm、厚さ=100nm)。Bは、図11のAに示したアレイからの4個の波状Siリボンの斜めから見た走査電子顕微鏡写真。波構造の波長および振幅が高度に均一にアレイを横断している。Cは、AFMおよびラマン顕微鏡でそれぞれ測定した、PDMS上の波状Siリボンに沿った位置の関数としての、表面高さ(上フレーム)およびSiラマンピーク(下フレーム)の波数。ラインがデータの正弦曲線近似を示している。Dは、PDMSの前歪みの所与のレベルに対する、Siの厚さの関数としての波状Siリボンの振幅(上フレーム)および波長(下フレーム)。パラメータを近似せずともラインが算出値に対応している。A is a magnified optical image of an array of wavy single crystal Si ribbons on PDMS (width = 20 μm, spacing = 20 μm, thickness = 100 nm). B is a scanning electron micrograph of the four wavy Si ribbons from the array shown in FIG. Wave structures have a highly uniform wavelength and amplitude across the array. C is the wave height of the surface height (upper frame) and Si Raman peak (lower frame) as a function of position along the wavy Si ribbon on PDMS, measured with AFM and Raman microscope, respectively. The line shows a sinusoidal approximation of the data. D is the amplitude (upper frame) and wavelength (lower frame) of the wavy Si ribbon as a function of Si thickness for a given level of PDMS pre-strain. The line corresponds to the calculated value without approximating the parameter. 温度の関数としての座屈波長。温度の上昇に伴って波長が若干短くなっているのはPDMSの熱収縮によるものであり、これによって高い温度で調整された試料について短い波長が得られる。Buckling wavelength as a function of temperature. The reason why the wavelength is slightly shortened as the temperature rises is due to the thermal contraction of PDMS, and a short wavelength can be obtained for a sample adjusted at a high temperature. 〜0.9%の前歪み値についての、シリコンの厚さの関数としてのピークシリコン歪み。赤の記号は、座屈プロセスを記述する式に基づき波長および振幅を用いて計算された曲げ歪みに対応している。黒の記号は、AFMにより測定された波長および振幅を用いる点以外で類似の算出値に対応している。Peak silicon strain as a function of silicon thickness for pre-strain values of ~ 0.9%. The red symbol corresponds to the bending strain calculated using wavelength and amplitude based on an equation describing the buckling process. The black symbols correspond to similar calculated values except that they use wavelengths and amplitudes measured by AFM. PDMS基板上の波状単結晶Siリボン(幅=20μm、厚さ=100nm)の原子間力顕微鏡写真(左フレーム)および凹凸プロファイル(右フレーム、ラインは実験データに正弦曲線を近似したもの)。上、中央、および下部が、PDMSがリボンの長さに沿って−7%(圧縮)、0%(非摂動)、および4.7%(伸張)歪んだ際の形状にそれぞれ対応している。Atomic force micrograph (left frame) and concavo-convex profile (right frame, line approximates experimental data to sine curve) of wavy single crystal Si ribbon (width = 20 μm, thickness = 100 nm) on PDMS substrate. The top, center, and bottom correspond to the shape when PDMS is -7% (compressed), 0% (unperturbed), and 4.7% (stretched) along the ribbon length, respectively. . PDMS基板に加えた歪みの関数としての波状Siリボンの平均振幅(黒)および波長の変化(赤)(上フレーム)。波長測定のために、異なる基板が伸張(丸)および圧縮(四角)に用いられた。加えた歪みの関数としてのピークSi歪み(下フレーム)。これらのグラフ中のラインは自由近似無しの算出値を表している。Average amplitude (black) and wavelength change (red) (upper frame) of wavy Si ribbons as a function of strain applied to the PDMS substrate. Different substrates were used for stretching (circle) and compression (square) for wavelength measurement. Peak Si strain (lower frame) as a function of applied strain. Lines in these graphs represent calculated values without free approximation. PDMS上の波状シリコンリボンの上面AFM画像およびリボンの長さに対してある角度で評価されたラインカット。A top cut AFM image of a corrugated silicon ribbon on PDMS and a line cut evaluated at an angle to the length of the ribbon. 加えた歪みの関数としてのシリコンリボン歪み。赤の記号は、座屈プロセスを記述する式を用いて抽出された波長および振幅を用いて、外形長さの数値積分により計算された歪みに対応している。黒の記号は、波状Siリボンに沿ったAFM表面プロファイルにおける表面対水平距離の比から測定された歪みに対応している。Silicon ribbon strain as a function of applied strain. The red symbol corresponds to the strain calculated by numerical integration of the outer length using the wavelength and amplitude extracted using the equations describing the buckling process. The black symbol corresponds to the distortion measured from the surface to horizontal distance ratio in the AFM surface profile along the wavy Si ribbon. Aは、加えた歪みが−11%(上)、0%(中央)、および11%(下)でのPDMS基板上の伸縮性単結晶Sip−nダイオードの光学画像。アルミニウム領域は薄型(20nm)Al電極に対応し、Siのピンクおよびグリーンの領域はn(ホウ素)およびp(リン)ドープ領域に対応している。Bは、加えた歪みの様々なレベルで測定された、伸縮性Sipnダイオード用のバイアス電圧の関数としての電流密度。「明」および「暗」と表示されたカーブは周辺光に露光されたデバイスまたは遮光されたデバイスにそれぞれ対応している。実線カーブはモデリング結果を示す。Cは、−9.9%、0%、および9.9%の歪みで測定した伸縮性ショットキー障壁SiMOSFETの電流−電圧特性(ゲート電圧は0V〜−5Vまで1V刻みで変化させた)。A is an optical image of a stretchable single crystal Sip-n diode on a PDMS substrate with applied strains of -11% (top), 0% (center), and 11% (bottom). The aluminum region corresponds to a thin (20 nm) Al electrode, and the pink and green regions of Si correspond to n (boron) and p (phosphorus) doped regions. B is the current density as a function of bias voltage for a stretchable Sipn diode, measured at various levels of applied strain. The curves labeled “Bright” and “Dark” correspond to devices exposed to ambient light or devices shielded from light, respectively. The solid curve shows the modeling result. C is the current-voltage characteristic of the stretchable Schottky barrier SiMOSFET measured at −9.9%, 0%, and 9.9% strain (the gate voltage was varied from 0V to −5V in 1V increments). 加えた歪みの関数としてのピークシリコン歪み。青のラインはアコーディオン蛇腹モデルに基づいており、黒がやはり座屈機構に従う小さい歪みについての近似である。Peak silicon strain as a function of applied strain. The blue line is based on the accordion bellows model, and black is an approximation for small strains that also follow the buckling mechanism. 波状pnダイオードの電気的測定値であり、3個の異なるデバイスにおいて、圧縮(〜5%歪みまで)、伸張(〜15%歪みまで)、および解放の〜100サイクルの前(サイクル前)および後(サイクル後)の3個の異なるデバイス(#1、#2および#3)について評価されている。このデータはデバイス特性における系統だった変化を示していない。本発明者らが認めた変動のレベルは、加えた歪みを変化させずに単一のデバイスを繰り返しプローブした場合のレベルに匹敵し、プローブ接点のわずかな差異によるものと思われる。Electrical measurements of wavy pn diodes, before (before cycle) and after ~ 100 cycles of compression (up to ~ 5% strain), extension (up to ~ 15% strain), and release in three different devices Three different devices (# 1, # 2 and # 3) are evaluated (after the cycle). This data does not show a systematic change in device characteristics. The level of variation observed by the inventors is comparable to the level when a single device is repeatedly probed without changing the applied strain, and is likely due to slight differences in probe contact. 非摂動状態(中央)、圧縮状態(上)および伸張状態(下)におけるショットキー障壁MOSFETの光学画像(上フレーム)。デバイスの概略図(下フレーム)。Optical image (upper frame) of Schottky barrier MOSFET in unperturbed state (center), compressed state (top) and stretched state (bottom). Schematic diagram of the device (lower frame). 「波状」シリコンショットキー障壁MOSFETにおいて異なる加えた歪みで測定された移送曲線。Transfer curves measured at different applied strains in a “wavy” silicon Schottky barrier MOSFET. PDMS基板上に「座屈」「波状」GaAsリボンを作成するステップを示す図である。左下フレームは、PDMSとの結合を強めるためのリボンの表面上への薄いSiO堆積を示している。この結合により右中央フレームに示す波状ジオメトリが形成される。弱いファンデルワールス結合(および中程度から高いレベルの前歪み)により右上フレームに示すような座屈ジオメトリが得られる。FIG. 5 is a diagram showing steps of creating a “buckled” “wavy” GaAs ribbon on a PDMS substrate. The lower left frame shows a thin SiO 2 deposit on the surface of the ribbon to strengthen the bond with PDMS. This combination forms the wavy geometry shown in the right center frame. Weak van der Waals couplings (and moderate to high levels of pre-strain) result in a buckling geometry as shown in the upper right frame. 熱膨張により生じた〜1.9%の前歪みで形成されたPDMS基板上の波状GaAsリボンの画像。同じ試料の光学(A)、SEM(B)、三次元AFM(C)および上面AFM(D)画像。SEM画像は、試料表面および検出方向間で試料ステージを45°に傾斜させることにより得られた。(リボン上の点は、犠牲AlAs層からの残留物と思われる)(E,F)は、それぞれ(D)に示した青および緑のラインに沿ってプロットした表面高さプロファイル。Image of wavy GaAs ribbon on PDMS substrate formed with ~ 1.9% prestrain caused by thermal expansion. Optical (A), SEM (B), 3D AFM (C) and top AFM (D) images of the same sample. The SEM image was obtained by tilting the sample stage at 45 ° between the sample surface and the detection direction. (Points on the ribbon appear to be residues from the sacrificial AlAs layer) (E, F) are surface height profiles plotted along the blue and green lines shown in (D), respectively. Aは、7.8%の前歪みで形成され、PDMSに強く結合され、異なる加えた歪みで収集された、波状GaAsリボンの光学顕微鏡写真。構造における左右の青のバーは特定のピークをハイライトしている。これらのバー間の距離の変動は加えた歪みへの波長の依存を示している。Bは、図24のAに示した波状GaAsリボンについて加えた歪みの関数としての波長変化、黒でプロット、PDMSへの埋め込み後の試料Aのシステムについての同様のデータ赤でプロット。A is an optical micrograph of a wavy GaAs ribbon formed with a pre-strain of 7.8%, strongly bonded to PDMS and collected with different applied strains. The left and right blue bars in the structure highlight specific peaks. Variations in the distance between these bars indicate the dependence of the wavelength on the applied strain. B, wavelength change as a function of strain applied to the wavy GaAs ribbon shown in FIG. 24A, plotted in black, similar data red for the sample A system after implantation in PDMS. 完全なMOSFETを形成するためのオーム(ソースおよびドレイン)およびショットキー(ゲート)接点と一体化されたGaAsリボンの画像。(A)電極の無いセクション(グレイ)にのみ周期波が形成されることを示す、1.9%の前歪みとPDMSとの強い結合を用いて形成した波状リボンの光学顕微鏡画像。〜7%の前歪みとPDMSとの弱い結合を用いて形成した座屈リボンの(B)光学および(C)SEM画像。(D)平坦にまるまで伸張した後の(B)に示した2個の座屈デバイスの光学画像。(E)PDMSに埋め込まれた後、外部から加えた異なる歪み(上から下に5.83%の圧縮歪み、加えた歪み無し、5.83%の伸張歪み)を持った(B)に示した個々のリボンデバイスの1組の光学画像。Image of GaAs ribbon integrated with ohmic (source and drain) and Schottky (gate) contacts to form a complete MOSFET. (A) Optical microscope image of a wavy ribbon formed using 1.9% pre-strain and strong coupling with PDMS, indicating that periodic waves are only formed in sections without electrodes (gray). (B) Optical and (C) SEM images of buckled ribbons formed using ~ 7% pre-strain and weak bond with PDMS. (D) Optical images of the two buckling devices shown in (B) after stretching until flat. (E) After embedded in PDMS, shown in (B) with different strains applied externally (5.83% compressive strain from top to bottom, no added strain, 5.83% stretch strain) A set of optical images of individual ribbon devices. Aは、PDMS基板内で作られた異なる歪みを持ったPDMSスタンプ上のGaAsリボンMESFETの光学画像。デバイスがその表面上へ移送される前にPDMSスタンプに加えた歪みは4.7%であった。Bは、図26のAに示したデバイスについて、システムに4.7%の伸張歪みを加えた前後のI−V曲線比較。A is an optical image of a GaAs ribbon MESFET on a PDMS stamp with different distortions made in a PDMS substrate. The strain applied to the PDMS stamp before the device was transferred onto its surface was 4.7%. B is a comparison of IV curves before and after 4.7% stretch strain was added to the system for the device shown in FIG. 二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性シリコン半導体の異なる拡大率での画像である。It is an image in the different expansion ratio of the stretchable silicon semiconductor of this invention which shows stretchability in two dimensions. 二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性シリコン半導体の異なる拡大率での画像である。It is an image in the different expansion ratio of the stretchable silicon semiconductor of this invention which shows stretchability in two dimensions. 二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性シリコン半導体の異なる拡大率での画像である。It is an image in the different expansion ratio of the stretchable silicon semiconductor of this invention which shows stretchability in two dimensions. 二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性半導体の3つの異なる構造形態の画像である。It is an image of three different structural forms of the stretchable semiconductor of the present invention showing stretchability in two dimensions. 二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性半導体の3つの異なる構造形態の画像である。It is an image of three different structural forms of the stretchable semiconductor of the present invention showing stretchability in two dimensions. 二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性半導体の3つの異なる構造形態の画像である。It is an image of three different structural forms of the stretchable semiconductor of the present invention showing stretchability in two dimensions. 弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて作製した本発明の伸縮性半導体の画像である。It is an image of the stretchable semiconductor of the present invention produced by pre-straining an elastic substrate by thermal expansion. 弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて作製した本発明の伸縮性半導体の画像である。It is an image of the stretchable semiconductor of the present invention produced by pre-straining an elastic substrate by thermal expansion. 弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて作製した本発明の伸縮性半導体の画像である。It is an image of the stretchable semiconductor of the present invention produced by pre-straining an elastic substrate by thermal expansion. 弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて作製した本発明の伸縮性半導体の画像である。It is an image of the stretchable semiconductor of the present invention produced by pre-straining an elastic substrate by thermal expansion. 変動する伸張および圧縮条件下において二次元で伸縮性を示す伸縮性半導体の光学画像を示している。2 shows an optical image of a stretchable semiconductor that exhibits stretchability in two dimensions under varying stretching and compression conditions. 弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて作製した二次元で伸縮性を示す伸縮性半導体の光学画像を示している。2 shows an optical image of a two-dimensional stretchable semiconductor produced by applying a pre-strain to an elastic substrate by thermal expansion. 図31Aに示した伸縮性半導体の機械的特性に関する実験結果である。It is an experimental result regarding the mechanical characteristic of the stretchable semiconductor shown to FIG. 31A. 図31Aに示した伸縮性半導体の機械的特性に関する実験結果である。It is an experimental result regarding the mechanical characteristic of the stretchable semiconductor shown to FIG. 31A.

[075]図面を参照すると、類似の番号は類似の要素を指し、2つ以上の図面に現れる同じ番号は同じ要素を示している。加えて、以下では下記の定義が適用される。   [075] Referring to the drawings, like numerals indicate like elements and the same number appearing in more than one drawing indicates the same element. In addition, the following definitions apply below.

[076]「印刷可能」は材料、構造、デバイスコンポーネントおよび/または基板上または基板内に移送、組み立て、パターニング、組織化および/または集積することが可能な集積機能性デバイスに関連する。本発明の一実施形態では、印刷可能材料、素子、デバイスコンポーネントおよびデバイスを、溶液印刷または乾式転写接触印刷によって、印刷基板上または基板内に移送、組み立て、パターニング、組織化および/または集積することが可能である。   [076] "Printable" refers to an integrated functional device that can be transferred, assembled, patterned, organized and / or integrated onto or into a material, structure, device component and / or substrate. In one embodiment of the present invention, printable materials, elements, device components and devices are transferred, assembled, patterned, organized and / or integrated onto or into a printed substrate by solution printing or dry transfer contact printing. Is possible.

[077]本発明の「印刷可能半導体素子」は、例えば乾式転写接触印刷および/または溶液印刷方法を用いることにより、基板表面に組み立ておよび/または集積されることが可能な半導体構造を備えている。一実施形態では、本発明の印刷可能半導体素子が単一の単結晶、多結晶またはマイクロ結晶無機半導体構造である。この説明のこのような文脈において、単一構造は機械的に接続された特徴を有するモノリシック素子である。本発明の半導体素子は、ドープされていなくてもドープされていてもよく、選択されたドーパントの空間分布を有してもよく、PおよびN型ドーパントを含む複数の異なるドーパント材料でドープされていてもよい。本発明は、少なくとも1つの約1ミクロン以上の断面寸法を有するマイクロ構造印刷可能半導体素子と、少なくとも1つの約1ミクロン以下の断面寸法を有するナノ構造印刷可能半導体素子とを含む。多くの用途で有用な印刷可能半導体素子は、従来の高温処理手法を用いて生成された高純度結晶半導体ウエハー等の高純度のバルク材料の「トップダウン」処理から生じる素子を備えている。一実施形態では、本発明の印刷可能半導体素子が、導電層、誘電体層、電極、追加の半導体構造またはこれらの任意の組み合わせ等の少なくとも1個の追加デバイスコンポーネントまたは構造に、動作可能に接続された半導体を有する複合構造を備えている。一実施形態では、本発明の印刷可能半導体素子が、伸縮性半導体素子および/または不均一半導体素子を備えている。   [077] A "printable semiconductor element" of the present invention comprises a semiconductor structure that can be assembled and / or integrated on a substrate surface, for example, by using dry transfer contact printing and / or solution printing methods. . In one embodiment, the printable semiconductor element of the present invention is a single monocrystalline, polycrystalline or microcrystalline inorganic semiconductor structure. In this context of this description, a single structure is a monolithic element with mechanically connected features. The semiconductor device of the present invention may be undoped or doped, may have a spatial distribution of selected dopants, and is doped with a plurality of different dopant materials including P and N type dopants. May be. The present invention includes at least one microstructured printable semiconductor element having a cross-sectional dimension of about 1 micron or greater and at least one nanostructured printable semiconductor element having a cross-sectional dimension of about 1 micron or less. Printable semiconductor devices useful in many applications include devices resulting from “top-down” processing of high purity bulk materials, such as high purity crystalline semiconductor wafers produced using conventional high temperature processing techniques. In one embodiment, the printable semiconductor element of the present invention is operably connected to at least one additional device component or structure, such as a conductive layer, dielectric layer, electrode, additional semiconductor structure, or any combination thereof. And a composite structure having the formed semiconductor. In one embodiment, the printable semiconductor element of the present invention comprises a stretchable semiconductor element and / or a non-uniform semiconductor element.

[078]「断面寸法」は、デバイス、デバイスコンポーネントまたは材料の断面の寸法を指す。断面寸法は、幅、厚さ、半径および直径を含む。例えば、リボン形状を有する半導体素子は、1つの長さと、厚さおよび幅の2つの断面寸法で特徴付けられる。例えば、円柱形状を有する印刷可能半導体素子は、1つの長さと、断面寸法直径(あるいは半径)により特徴付けられる。   [078] "Cross-sectional dimension" refers to the cross-sectional dimension of a device, device component or material. Cross-sectional dimensions include width, thickness, radius and diameter. For example, a semiconductor element having a ribbon shape is characterized by one length and two cross-sectional dimensions, thickness and width. For example, a printable semiconductor element having a cylindrical shape is characterized by a length and a cross-sectional dimension diameter (or radius).

[079]「基板により支持される」は、少なくとも部分的に基板表面上にある構造か、または少なくとも部分的にこの構造と基板表面の間に配置された1個以上の中間構造上にある構造を指す。用語「基板により支持される」は、部分的または完全に基板内に埋め込まれた構造を指すこともある。   [079] A "supported by a substrate" is a structure that is at least partially on the substrate surface, or at least partially on one or more intermediate structures disposed between the structure and the substrate surface. Point to. The term “supported by a substrate” may refer to a structure that is partially or completely embedded within the substrate.

[080]「溶液印刷」は、印刷可能半導体素子等の1個以上の構造体がキャリア媒体中に分散され、基板表面の選択された領域に一体となって送られるプロセスを指すように意図されている。例示的な溶液印刷方法では、基板表面の選択された領域への構造体の送達が、パターニング中の基板表面の形態および/または物理的特性に依存しない方法により達成される。本発明で利用可能な溶液印刷方法は、インクジェット印刷、熱転写印刷および毛管現象印刷を含むがこれに限定されない。   [080] "Solution printing" is intended to refer to a process in which one or more structures, such as printable semiconductor elements, are dispersed in a carrier medium and fed together into selected areas of the substrate surface. ing. In an exemplary solution printing method, delivery of the structure to selected areas of the substrate surface is accomplished by a method that is independent of the morphology and / or physical properties of the substrate surface being patterned. Solution printing methods that can be used in the present invention include, but are not limited to, inkjet printing, thermal transfer printing, and capillary printing.

[081]「略長手方向に配向され」は、印刷可能半導体素子等の素子の集団の長手方向軸が選択されたアラインメント軸に略平行に配向されるような配向を指す。この定義の文脈において、選択された軸に略平行とは、完全に平行な配向の10度以内の配向を、より好ましくは完全に平行な配向の5度以内の配向を指す。   [081] "Oriented substantially longitudinally" refers to an orientation such that the longitudinal axis of a population of elements such as printable semiconductor elements is oriented substantially parallel to a selected alignment axis. In the context of this definition, substantially parallel to a selected axis refers to an orientation within 10 degrees of a perfectly parallel orientation, and more preferably an orientation within 5 degrees of a completely parallel orientation.

[082]「伸縮性」は、材料、構造、デバイスまたはデバイスコンポーネントが破砕せずに変形可能であることを指す。例示的な実施形態では、伸縮性材料、構造、デバイスまたはデバイスコンポーネントは破砕せずに約0.5%超の、用途によって好ましくは破砕せずに約1%超の、用途によってより好ましくは破砕せずに約3%超の変形を受けることができる。   [082] "Stretch" refers to the ability of a material, structure, device or device component to deform without breaking. In an exemplary embodiment, the stretchable material, structure, device or device component is greater than about 0.5% without crushing, preferably greater than about 1% without crushing depending on the application, more preferably crushing depending on the application. Without deformation, it can be deformed by more than about 3%.

[083]用語「フレキシブル」および「ベンダブル」は、本説明では同義的に用いられ、材料、構造、デバイスまたはデバイスコンポーネントが、材料、構造、デバイスまたはデバイスコンポーネントの破壊点を特徴付ける歪み等の著しい歪みを生じさせる形状変化なしに曲面形状へと変形可能であることを指す。例示的な実施形態では、フレキシブル材料、構造、デバイスまたはデバイスコンポーネントが約5%以上の、用途によって好ましくは約1%以上の、用途によってより好ましくは約0.5%以上の歪みを生じさせることなく、曲面形状へと変形することができる。   [083] The terms "flexible" and "bendable" are used interchangeably in this description, and the material, structure, device, or device component has significant strain, such as strain that characterizes the failure point of the material, structure, device, or device component. This means that it can be deformed into a curved surface shape without any shape change that causes the. In an exemplary embodiment, the flexible material, structure, device or device component causes a strain of about 5% or more, preferably about 1% or more depending on the application, more preferably about 0.5% or more depending on the application. And can be transformed into a curved shape.

[084]用語「座屈」は、薄型素子、構造および/またはデバイスが、素子、構造および/またはデバイスの平面から外に出る方向に曲げることによる圧縮歪みに応じて発生する物理的な変形を指す。本発明は、1個以上の座屈部を含む外形プロファイルを持った1個以上の表面を有する伸縮性半導体、デバイスおよびコンポーネントを含む。   [084] The term "buckling" refers to a physical deformation that occurs in response to compressive strain caused by bending a thin element, structure, and / or device out of the plane of the element, structure, and / or device. Point to. The present invention includes stretchable semiconductors, devices, and components having one or more surfaces with an outer profile that includes one or more buckles.

[085]「半導体」は極低温では絶縁体であるが約300ケルビンの温度では相当の電気伝導性を有する材料である任意の材料を指す。本説明では、用語半導体を用いることはマイクロエレクトロニクスおよび電子デバイスの技術におけるこの用語の使用との整合性を意図している。本発明で有用な半導体は、シリコン、ゲルマニウムおよびダイヤモンド等の単体半導体、SiCおよびSiGe等のIV族化合物半導体、AlSb、AlAs、AIn、AlP、BN、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs、InNおよびInP等III−V族化合物半導体、AlGa1−xAs等のIII−V族三元半導体合金、CaSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnSe、ZnS、およびZnTe等のII−IV族半導体、I−VII族半導体CuCl、PbS、PbTeおよびSnS等のIV−VI族半導体、PbI、MoSおよびGaSe等の層半導体、CuOおよびCuO等の酸化物半導体等を含んでもよい。用語半導体は、所与の用途またはデバイスに有用な有益な電子的特性を与える、p型ドープ材料およびn型ドープ材料を有する半導体を含んだ1個以上の選択された材料でドープされた真性半導体および外因性半導体を含む。用語半導体は、半導体および/またはドーパントの混合物を含む複合材料を含む。本発明のいくつかの用途で有用な特定の半導体材料には、Si、Ge、SiC、AlP、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、AlInP、GaAsP、GaInAs、GaInP、AlGaAsSb、AlGaInP、およびGaInAsPが含まれるが、これに限定されない。多孔質シリコン半導体は、発光ダイオード(LED)および固体レーザー等のセンサーおよび発光材料の分野における本発明の用途に有用である。半導体材料の不純物は、半導体材料自体または半導体材料に与えられる任意のドーパント以外の原子、元素、イオンおよび/または分子である。不純物は、半導体材料の電子的特性にマイナスの影響を与えうる半導体材料に存在する望ましくない材料であり、酸素、炭素および重金属を含む金属が含まれるがこれに限定されない。重金属不純物には、周期表上で銅と鉛の間にある元素の族、カルシウム、ナトリウム、およびその全てのイオン、化合物および/または複合体が含まれるがこれに限定されない。 [085] "Semiconductor" refers to any material that is an insulator at a cryogenic temperature but has a substantial electrical conductivity at a temperature of about 300 Kelvin. In this description, the use of the term semiconductor is intended to be consistent with the use of this term in microelectronics and electronic device technology. Semiconductors useful in the present invention include single semiconductors such as silicon, germanium and diamond, group IV compound semiconductors such as SiC and SiGe, AlSb, AlAs, AIn, AlP, BN, GaSb, GaAs, GaN, GaP, InSb, InAs, InN and InP such as group III-V compound semiconductor, Al x Ga 1-x As III-V group ternary semiconductor alloy, such as, CaSe, CdS, CdTe, ZnO , ZnSe, ZnS, and II-IV group semiconductors such as ZnTe In addition, an IV-VI group semiconductor such as I-VII group semiconductor CuCl, PbS, PbTe and SnS, a layer semiconductor such as PbI 2 , MoS 2 and GaSe, and an oxide semiconductor such as CuO and Cu 2 O may be included. The term semiconductor is an intrinsic semiconductor doped with one or more selected materials, including semiconductors with p-type and n-type doped materials, that provide useful electronic properties useful for a given application or device. And exogenous semiconductors. The term semiconductor includes composite materials comprising a mixture of semiconductors and / or dopants. Specific semiconductor materials useful in some applications of the present invention include Si, Ge, SiC, AlP, 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, AlInP, GaAsP, GaInAs, GaInP, AlGaAsSb, AlGaInP, and GaInP. It is not limited to this. Porous silicon semiconductors are useful for applications of the present invention in the field of sensors and light emitting materials such as light emitting diodes (LEDs) and solid state lasers. The impurities of the semiconductor material are atoms, elements, ions and / or molecules other than the semiconductor material itself or any dopant provided to the semiconductor material. Impurities are undesirable materials present in semiconductor materials that can negatively affect the electronic properties of the semiconductor materials, including but not limited to metals including oxygen, carbon and heavy metals. Heavy metal impurities include, but are not limited to, the group of elements between copper and lead on the periodic table, calcium, sodium, and all their ions, compounds and / or complexes.

[086]「プラスチック」は、所望の形状へと概して加熱時に成形または型押しおよび硬化可能な、任意の合成または自然発生材料あるいは材料の組み合わせである。本発明のデバイスおよび方法において有用な例示的なプラスチックには、ポリマー、樹脂およびセルロース誘導体が含まれるがこれに限定されない。本説明では、用語プラスチックが、所望の化学的または物理的特性を与えるような構造促進剤、充填剤、ファイバー、可塑剤、安定剤または添加剤等の1つ以上の添加剤を持った1つ以上のプラスチックを含む複合プラスチック材料を含むよう意図されている。   [086] "Plastic" is any synthetic or naturally occurring material or combination of materials that can be molded or embossed and cured upon heating, generally into the desired shape. Exemplary plastics useful in the devices and methods of the present invention include, but are not limited to, polymers, resins and cellulose derivatives. In this description, the term plastic is one with one or more additives such as structure promoters, fillers, fibers, plasticizers, stabilizers or additives that provide the desired chemical or physical properties. It is intended to include composite plastic materials including the above plastics.

[087]「誘電体」および「誘電体材料」は、本説明において同義的に用いられ、電流に対して高い抵抗を有する物質を指す。有用な誘電体材料にはSiO、Ta、TiO、ZrO、Y、SiN、STO、BST、PLZT、PMN、およびPZTが含まれるが、これに限定されない。 [087] "Dielectric" and "dielectric material" are used interchangeably in this description and refer to a substance that has a high resistance to current. Useful dielectric materials SiO 2, Ta 2 O 5, TiO 2, ZrO 2, Y 2 O 3, SiN 4, STO, BST, PLZT, PMN, and PZT include, but are not limited thereto.

[088]「ポリマー」は、通常モノマーと呼ばれる複数の反復化学基からなる分子を指す。ポリマーは高い分子量を特徴とすることが多い。本発明で利用可能なポリマーは、有機ポリマーでも無機ポリマーでもよく、アモルファス、半アモルファス、結晶または部分的結晶状態でもよい。ポリマーは、同じ化学組成を有するモノマーを含んでもよいし、コポリマー等の異なる化学組成を有する複数のモノマーを含んでもよい。結合モノマーを有する架橋ポリマーは、本発明のいくつかの用途に特に有用である。本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントで有用なポリマーには、プラスチック、エラストマー、熱可塑性エラストマー、弾塑性物質、サーモスタット、熱可塑性物質およびアクリレートが含まれるがこれに限定されない。例示的なポリマーには、アセタールポリマー、生分解性ポリマー、セルロースポリマー、フッ素ポリマー、ナイロン、ポリアクリロニトリルポリマー、ポリアミドイミドポリマー、ポリイミド、ポリアリレート、ポリベンズイミダゾール、ポリブチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリアチレン、ポリエチレンコポリマーおよび変性ポリエチレン、ポリケトン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルペンテン、ポリフェニレン酸化物およびポリフェニレン硫化物、ポリフタルアミド、ポリプロピレン、ポリウレタン、スチレン系樹脂、スルホンベース樹脂、ビニルベース樹脂またはこれらの任意の組み合わせが含まれるがこれに限定されない。   [088] "Polymer" refers to a molecule composed of multiple repeating chemical groups, commonly referred to as monomers. Polymers are often characterized by a high molecular weight. The polymers that can be used in the present invention may be organic or inorganic polymers, and may be in an amorphous, semi-amorphous, crystalline or partially crystalline state. The polymer may include monomers having the same chemical composition, or may include a plurality of monomers having different chemical compositions, such as copolymers. Crosslinked polymers having linking monomers are particularly useful for some applications of the present invention. Polymers useful in the methods, devices and device components of the present invention include, but are not limited to, plastics, elastomers, thermoplastic elastomers, elastoplastic materials, thermostats, thermoplastic materials and acrylates. Exemplary polymers include acetal polymer, biodegradable polymer, cellulose polymer, fluoropolymer, nylon, polyacrylonitrile polymer, polyamideimide polymer, polyimide, polyarylate, polybenzimidazole, polybutylene, polycarbonate, polyester, polyetherimide, Polyacetylene, polyethylene copolymer and modified polyethylene, polyketone, polymethyl methacrylate, polymethylpentene, polyphenylene oxide and polyphenylene sulfide, polyphthalamide, polypropylene, polyurethane, styrenic resin, sulfone base resin, vinyl base resin or any of these A combination is included, but is not limited to this.

[089]「エラストマー」は、伸張または変形可能かつ実質的な永久変形なしに元の形状に戻ることが可能なポリマー材料を指す。エラストマーは、通常ほぼ弾性的な変形を受ける。本発明で有用な弾性基板は、少なくとも部分的に1個以上のエラストマーを含んでいる。本発明で有用な例示的なエラストマーは、ポリマー、コポリマー、ポリマーおよびコポリマーの複合材料または混合物を含んでよい。エラストマー層は、少なくとも1つのエラストマーを含む層を指す。エラストマー層は、ドーパントおよび他の非エラストマー材料を含んでもよい。本発明で有用なエラストマーには、スチレン系材料、オレフィン系材料、ポリオレフィン、ポリウレタン熱可塑性エラストマー、ポリアミド、合成ゴム、PDMS、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリスチレンブタジエンスチレン、ポリウレタン、ポリクロロプレンおよびシリコーンが含まれるがこれに限定されない。   [089] "Elastomer" refers to a polymeric material that is stretchable or deformable and capable of returning to its original shape without substantial permanent deformation. Elastomers usually undergo nearly elastic deformation. The elastic substrate useful in the present invention includes at least partially one or more elastomers. Exemplary elastomers useful in the present invention may include polymers, copolymers, composites and mixtures of polymers and copolymers. Elastomeric layer refers to a layer comprising at least one elastomer. The elastomeric layer may include dopants and other non-elastomeric materials. Elastomers useful in the present invention include styrenic materials, olefinic materials, polyolefins, polyurethane thermoplastic elastomers, polyamides, synthetic rubbers, PDMS, polybutadiene, polyisobutylene, polystyrene butadiene styrene, polyurethanes, polychloroprene and silicones. It is not limited to this.

[090]「良好な電子的パフォーマンス」および「高いパフォーマンス」は、本説明では同義的に用いられ、電子信号スイッチングおよび/または増幅等の所望の機能性を与える、電界効果移動度、しきい電圧、オン−オフ比等の電子的特性を有するデバイスおよびデバイスコンポーネントを指す。良好な電子的パフォーマンスを示す本発明の例示的な移送可能な、場合によって印刷可能な半導体素子は、100cm−1−1以上の、用途によって好ましくは300cm−1−1以上の固有電界効果移動度を有することができる。良好な電子的パフォーマンスを示す本発明の例示的なトランジスタは、100cm−1−1以上の、用途によって好ましくは300cm−1−1以上の、用途によってより好ましくは800cm−1−1以上の固有電界効果移動度を有することができる。良好な電子的パフォーマンスを示す本発明の例示的なトランジスタは、約5ボルト未満のしきい電圧および/または約1×10超のオン−オフ比を有することができる。 [090] "Good electronic performance" and "high performance" are used interchangeably in this description and provide field effect mobility, threshold voltage that provides the desired functionality such as electronic signal switching and / or amplification. , Devices and device components having electronic properties such as on-off ratio. Exemplary transportable and optionally printable semiconductor elements of the present invention that exhibit good electronic performance are 100 cm 2 V −1 s −1 or higher, preferably 300 cm 2 V −1 s −1 or higher, depending on the application. Specific field effect mobility. Good exemplary transistor of the present invention illustrating the electronic performance, 100cm 2 V -1 s -1 or more, preferably more than 300cm 2 V -1 s -1 by the application, more preferably for some applications 800 cm 2 V It can have an intrinsic field effect mobility of −1 s −1 or higher. Exemplary transistors of the present invention that exhibit good electronic performance can have a threshold voltage less than about 5 volts and / or an on-off ratio greater than about 1 × 10 4 .

[091]「大面積」は、約36インチ角以上のデバイス作製に用いられる基板の受容面の面積等の面積を指す。   [091] "Large area" refers to an area, such as the area of a receiving surface of a substrate used to fabricate devices that are approximately 36 inches square or larger.

[092]「デバイス電界効果移動度」は、電子デバイスに対応する出力電流データを用いて計算される、トランジスタ等の電子デバイスの電界効果移動度を指す。   [092] "Device field effect mobility" refers to the field effect mobility of an electronic device, such as a transistor, calculated using output current data corresponding to the electronic device.

[093]「ヤング率」は、材料、デバイスまたは層の機械的特性であり、所与の物質に対する応力と歪みの比を指す。ヤング率は以下の式で与えることができる。

ここで、Eはヤング率、Lは平衡長さ、ΔLは加えた応力下での長さ変化、Fは加えた力およびAは力が加えられた面積である。ヤング率は、以下の式によりラメ定数でも表すことができる。

ここで、λおよびμはラメ定数である。高いヤング率(すなわち「高い弾性率」)および低いヤング率(すなわち「低い弾性率」)が、所与の材料、層またはデバイスにおけるヤング率の大きさの相対的記述子である。本発明では、高いヤング率が低いヤング率よりも用途によって好ましくは約10倍、他の用途ではより好ましくは約100倍、さらに他の用途ではより一層好ましくは1000倍大きい。
[093] "Young's modulus" is a mechanical property of a material, device or layer and refers to the ratio of stress to strain for a given substance. Young's modulus can be given by the following equation.

Here, E is Young's modulus, L 0 is the equilibrium length, ΔL is the length change under applied stress, F is the applied force, and A is the area where the force is applied. The Young's modulus can also be expressed as a lame constant by the following equation.

Here, λ and μ are lame constants. High Young's modulus (ie, “high modulus”) and low Young's modulus (ie, “low modulus”) are relative descriptors of the magnitude of Young's modulus for a given material, layer or device. In the present invention, the high Young's modulus is preferably about 10 times greater than the low Young's modulus depending on the application, more preferably about 100 times for other applications, and even more preferably 1000 times greater for other applications.

[094]以下の説明では、本発明の的確な性質を十分に説明するために、本発明のデバイス、デバイスコンポーネントおよび方法の多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、当業者には、これらの特定の詳細がなくても本発明を実施可能であることが明らかである。   [094] In the following description, numerous specific details of the devices, device components, and methods of the invention are set forth in order to fully describe the precise nature of the invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details.

[095]本発明は、伸張、圧縮、屈曲、または他の方法で変形された場合に良好なパフォーマンスを得ることが可能な伸縮性半導体および電子回路を提供する。さらに、本発明の伸縮性半導体および電子回路は、完全にフレキシブルな電子および光電子デバイスを提供するために広範囲のデバイス形態に適合することができる。   [095] The present invention provides stretchable semiconductors and electronic circuits that can obtain good performance when stretched, compressed, bent, or otherwise deformed. Furthermore, the stretchable semiconductors and electronic circuits of the present invention can be adapted to a wide range of device configurations to provide fully flexible electronic and optoelectronic devices.

[096]図1は、本発明の伸縮性半導体構造を示す原子間力顕微鏡写真である。伸縮性半導体素子700は、支持表面710を有するポリマーおよび/または弾性基板等のフレキシブル基板705と、曲面状の内表面720を有する湾曲半導体構造715とを備えている。本実施形態では、湾曲半導体構造715の湾曲内表面720の少なくとも一部がフレキシブル基板705の支持表面710に結合されている。曲面状内表面720は、内表面720に沿った選択された点でも、あるいは内表面720に沿った全ての点で支持表面710に結合されてもよい。図1に示した例示的な構造は、約100ミクロンに等しい幅と訳100ナノメータに等しい厚さを有する単結晶シリコンの湾曲リボンを備えている。図1に示したフレキシブル基板は、約1ミリメータの厚みを有するPDMS基板である。曲面状内表面720は、リボンの長さに沿って延びる実質的に周期的な波を含んでいる。図1に示したように、波の振幅が約500ナノメータであり、ピーク間隔はおよそ20ミクロンである。図2は、曲面状内表面720を有する湾曲半導体構造715の拡大図である原子間力顕微鏡写真を示す。図3は、本発明の伸縮性半導体構造のアレイの原子間力顕微鏡写真を示す。図3の原子間力顕微鏡写真の解析は、湾曲半導体構造が約0.27%だけ圧縮されていることを示している。図4は、本発明の伸縮性半導体構造の光学顕微鏡写真を示す。   [096] FIG. 1 is an atomic force micrograph showing the stretchable semiconductor structure of the present invention. The stretchable semiconductor element 700 includes a flexible substrate 705 such as a polymer and / or elastic substrate having a support surface 710 and a curved semiconductor structure 715 having a curved inner surface 720. In this embodiment, at least a portion of the curved inner surface 720 of the curved semiconductor structure 715 is coupled to the support surface 710 of the flexible substrate 705. The curved inner surface 720 may be coupled to the support surface 710 at selected points along the inner surface 720 or at all points along the inner surface 720. The exemplary structure shown in FIG. 1 comprises a single crystal silicon curved ribbon having a width equal to about 100 microns and a thickness equal to about 100 nanometers. The flexible substrate shown in FIG. 1 is a PDMS substrate having a thickness of about 1 millimeter. The curved inner surface 720 includes substantially periodic waves that extend along the length of the ribbon. As shown in FIG. 1, the wave amplitude is about 500 nanometers and the peak spacing is approximately 20 microns. FIG. 2 shows an atomic force micrograph that is an enlarged view of a curved semiconductor structure 715 having a curved inner surface 720. FIG. 3 shows an atomic force micrograph of an array of stretchable semiconductor structures of the present invention. Analysis of the atomic force micrograph of FIG. 3 shows that the curved semiconductor structure is compressed by about 0.27%. FIG. 4 shows an optical micrograph of the stretchable semiconductor structure of the present invention.

[097]曲面状内表面720の外形プロファイルにより、著しい機械的歪みを受けずに湾曲半導体構造715が変形軸730に沿って伸縮可能となる。この外形プロファイルにより、著しい機械的損傷または歪みにより生じるパフォーマンスの損失無しに、半導体構造が変形軸730に沿った方向以外の方向に湾曲、屈曲または変形可能ともなる。本発明の半導体構造の曲面状表面は、伸縮性、柔軟性および/または曲げ性等の良好な機械的特性、および/または、屈曲、伸張または変形時に良好な電界効果移動度を示す等の良好な電子的パフォーマンスを提供する任意の外形プロファイルを有することができる。例示的な外形プロファイルは、複数の凸部および/または凹部領域、ならびに正弦波、ガウス波、Aries関数、方形波、ローレンツ波、周期波、非周期波またはこれらの任意の組み合わせを含む多種多様な波形を特徴とすることができる。本発明で利用可能な波形は、2または3物理次元について変更することが可能である。   [097] The outer profile of the curved inner surface 720 allows the curved semiconductor structure 715 to expand and contract along the deformation axis 730 without undergoing significant mechanical strain. This outer profile also allows the semiconductor structure to bend, bend or deform in directions other than along the deformation axis 730 without performance loss caused by significant mechanical damage or distortion. The curved surface of the semiconductor structure of the present invention has good mechanical properties such as stretchability, flexibility and / or bendability, and / or good field effect mobility when bent, stretched or deformed Can have any profile that provides a good electronic performance. Exemplary profile profiles include a wide variety of convex and / or concave regions and a wide variety including sine waves, Gaussian waves, Aries functions, square waves, Lorentz waves, periodic waves, non-periodic waves, or any combination thereof. The waveform can be characterized. Waveforms that can be used in the present invention can be changed for two or three physical dimensions.

[098]図5は、その支持表面710上に三次元凹凸パターンを有するフレキシブル基板705に結合された湾曲半導体構造715を有する、本発明の伸縮性半導体構造を示す原子間力顕微鏡写真である。この三次元凹凸パターンは、凹部領域750と凸部形状760から成る。図5に示すように、湾曲半導体構造715は、凹部領域750内および凸部形状760上で支持表面710に結合されている。   [098] FIG. 5 is an atomic force micrograph showing a stretchable semiconductor structure of the present invention having a curved semiconductor structure 715 bonded to a flexible substrate 705 having a three-dimensional relief pattern on its support surface 710. This three-dimensional concavo-convex pattern is composed of a concave region 750 and a convex shape 760. As shown in FIG. 5, the curved semiconductor structure 715 is coupled to the support surface 710 within the recessed area 750 and on the raised shape 760.

[099]図6は、本発明の伸縮性半導体構造を作成する例示的な方法を示すフロー図である。この例示的な方法において、膨張状態で前歪みを加えた基板が設けられる。前歪みは、弾性基板の圧延および/または前曲げを含むがこれに限定されない当分野において既知である任意の手段により達成可能である。また、前歪みは、例えば、弾性基板の温度を上げることによって生じる熱膨張等の熱的手段によっても達成可能である。熱的手段による前歪みの利点は、直交する軸等の複数の異なる軸に沿った膨張が達成可能な点である。   [099] FIG. 6 is a flow diagram illustrating an exemplary method of creating a stretchable semiconductor structure of the present invention. In this exemplary method, a pre-strained substrate is provided in an expanded state. Pre-strain can be achieved by any means known in the art including, but not limited to, rolling and / or pre-bending of the elastic substrate. The pre-strain can also be achieved by thermal means such as thermal expansion caused by raising the temperature of the elastic substrate. The advantage of pre-strain by thermal means is that expansion along a plurality of different axes, such as orthogonal axes, can be achieved.

[0100]本発明のこの方法で利用可能な例示的な弾性基板は、約1ミリメータに等しい厚さを有するPDMS基板である。弾性基板の前歪みは、1本の軸に沿った膨張によっても、あるいは複数の軸に沿った膨張によっても生じさせることができる。図6に示したように、印刷可能半導体素子の内表面の少なくとも一部が、膨張状態で前歪みを加えた弾性基板の外表面に結合されている。結合形成は、半導体表面の内表面間の共有結合により、ファンデルワールス力により、接着剤を用いて、あるいはこれらの任意の組み合わせにより達成することができる。弾性基板がPDMS基板である例示的な実施形態では、PDMS基板の支持表面が、シリコン半導体構造との共有結合を容易にするためにその表面から伸びる複数の水酸基を有するように化学修飾されている。図6を参照すると、前歪みを加えた弾性基板と半導体構造との結合後、弾性基板が少なくとも部分的に弛緩した状態へと弛緩される。この実施形態では、弾性基板の弛緩により前記半導体構造の内表面が湾曲され、それによって曲面状の内表面を有する半導体素子が生成される。   [0100] An exemplary elastic substrate that can be used in this method of the invention is a PDMS substrate having a thickness equal to about 1 millimeter. The pre-strain of the elastic substrate can be caused by expansion along one axis or by expansion along multiple axes. As shown in FIG. 6, at least a portion of the inner surface of the printable semiconductor element is bonded to the outer surface of the elastic substrate that is pre-strained in the expanded state. Bond formation can be accomplished by covalent bonding between the inner surfaces of the semiconductor surface, by van der Waals forces, with an adhesive, or any combination thereof. In an exemplary embodiment where the elastic substrate is a PDMS substrate, the support surface of the PDMS substrate is chemically modified to have a plurality of hydroxyl groups extending from the surface to facilitate covalent bonding with the silicon semiconductor structure. . Referring to FIG. 6, after the pre-strained elastic substrate and the semiconductor structure are coupled, the elastic substrate is relaxed to at least partially relaxed state. In this embodiment, the inner surface of the semiconductor structure is curved by the relaxation of the elastic substrate, thereby generating a semiconductor element having a curved inner surface.

[0101]図6に示すように、この作製方法は、場合によって第2の移送ステップおよびオプショナルの結合ステップを含んでおり、曲面状の内表面720を有する移送可能な半導体素子715が弾性基板から別の基板、好ましくはポリマー基板等のフレキシブル基板に移送される。この第2の移送ステップは、曲面状の内表面720を有する半導体構造715の露出表面を、半導体素子715の露出表面に結合する他の基板の受容面に接触させることにより達成することができる。他の基板への結合形成は、少なくとも部分的に半導体基板の湾曲構造を維持可能な、共有結合、ファンデルワールス力による結合形成、双極子間相互作用、ロンドン力および/または水素結合を含む任意の手段によって達成される。本発明には、移送可能な半導体構造の露出表面と受容表面の間に設けられる接着層、コーティングおよび/または薄膜の利用も含まれる。   [0101] As shown in FIG. 6, the fabrication method optionally includes a second transfer step and an optional coupling step, wherein a transportable semiconductor element 715 having a curved inner surface 720 is formed from an elastic substrate. It is transferred to another substrate, preferably a flexible substrate such as a polymer substrate. This second transfer step can be accomplished by bringing the exposed surface of the semiconductor structure 715 having a curved inner surface 720 into contact with the receiving surface of another substrate that is bonded to the exposed surface of the semiconductor element 715. Bond formation to other substrates can include at least partially maintain the curved structure of the semiconductor substrate, including covalent bonds, bond formation by van der Waals forces, dipole interaction, London forces and / or hydrogen bonds It is achieved by means of The invention also includes the use of adhesive layers, coatings and / or thin films provided between the exposed and receiving surfaces of the transportable semiconductor structure.

[0102]本発明の伸縮性半導体素子は、トランジスタ、ダイオード、レーザー、MEMS、NEMS、LEDSおよびOLEDS等の多くの機能性デバイスおよびデバイスコンポーネントに効果的に組み込むことができる。本発明の伸縮性半導体素子は、従来の剛性無機半導体に対してある機能的な利点を有する。第1に、伸縮性半導体素子はフレキシブルであるため、従来の剛性無機半導体よりも屈曲、湾曲および/または変形により生じる構造的な損傷を受けにくい。第2に、湾曲半導体構造が曲面状の内表面を持つように若干機械的に歪みのある状態にあるので、本発明の伸縮性半導体素子が従来の剛性無機半導体よりも高い固有の電界効果移動度を示すことができる。最後に、伸縮性半導体素子はデバイス温度サイクルに応じて自由に伸縮可能なため、良好な熱的特性が得られる可能性がある。   [0102] The stretchable semiconductor elements of the present invention can be effectively incorporated into many functional devices and device components such as transistors, diodes, lasers, MEMS, NEMS, LEDs and OLEDS. The stretchable semiconductor element of the present invention has certain functional advantages over conventional rigid inorganic semiconductors. First, because the stretchable semiconductor element is flexible, it is less susceptible to structural damage caused by bending, bending and / or deformation than conventional rigid inorganic semiconductors. Secondly, because the curved semiconductor structure has a slightly mechanical distortion such that it has a curved inner surface, the stretchable semiconductor element of the present invention has a higher intrinsic field effect transfer than conventional rigid inorganic semiconductors. Degree can be shown. Finally, since the stretchable semiconductor element can freely stretch according to the device temperature cycle, good thermal characteristics may be obtained.

[0103]図7は、長手方向に配列した波状形態を有する伸縮性半導体のアレイの画像を示す。図7に示すように、半導体リボンが周期的な波形態で設けられ、1個のフレキシブルゴム基板により支持されている。   [0103] FIG. 7 shows an image of an array of stretchable semiconductors having a wavy morphology arranged in the longitudinal direction. As shown in FIG. 7, a semiconductor ribbon is provided in a periodic wave form and is supported by one flexible rubber substrate.

[0104]図8は、半導体構造776がフレキシブル基板777により支持されている、本発明の伸縮性半導体素子の断面画像を示す。図8に示すように、半導体構造776が周期波の外形プロファイルを有する内表面を有する。やはり図8に示すように、周期波形態が半導体構造776の断面寸法全体を通って延びている。   [0104] FIG. 8 shows a cross-sectional image of a stretchable semiconductor element of the present invention in which a semiconductor structure 776 is supported by a flexible substrate 777. As shown in FIG. 8, the semiconductor structure 776 has an inner surface with a periodic wave profile. As also shown in FIG. 8, the periodic wave form extends through the entire cross-sectional dimension of the semiconductor structure 776.

[0105]本発明は、伸張、屈曲または変形された際に良好なパフォーマンスが可能な伸縮性電子回路、デバイスおよびデバイスアレイも提供する。上述の伸縮性半導体素子と同様に、本発明は、波構造を示す曲面状内表面等の内表面を有するデバイス、デバイスアレイまたは回路と接触する支持表面を有するフレキシブル基板を備える、伸縮性回路および電子デバイスを提供する。この構造的配置において、デバイス、デバイスアレイまたは回路構造の曲面状内表面の少なくとも一部はフレキシブル基板の支持表面に結合される。本発明のこの態様のデバイス、デバイスアレイまたは回路は、半導体、誘電体、電極、ドープされた半導体および導電体等の複数の集積デバイスコンポーネントを備える多コンポーネント素子である。例示的な実施形態では、約10ミクロン未満の正味厚さを有するフレキシブル回路、デバイスおよびデバイスアレイの少なくとも一部は、周期波曲面構造を有する複数の集積デバイスコンポーネントを備えている。   [0105] The present invention also provides stretchable electronic circuits, devices and device arrays capable of good performance when stretched, bent or deformed. Like the stretchable semiconductor element described above, the present invention comprises a stretchable circuit comprising a device having an inner surface such as a curved inner surface showing a wave structure, a flexible substrate having a support surface in contact with a device array or circuit, and Provide electronic devices. In this structural arrangement, at least a portion of the curved inner surface of the device, device array or circuit structure is bonded to the support surface of the flexible substrate. The device, device array or circuit of this aspect of the invention is a multi-component element comprising a plurality of integrated device components such as semiconductors, dielectrics, electrodes, doped semiconductors and conductors. In an exemplary embodiment, at least a portion of the flexible circuit, device, and device array having a net thickness of less than about 10 microns comprises a plurality of integrated device components having a periodic wave curve structure.

[0106]本発明の有用な実施形態では、複数の相互接続されたコンポーネントを備える自立電子回路またはデバイスが提供される。膨張状態で前歪みを加えた弾性基板に、電子回路またはデバイスの内表面が接触され、少なくとも一部が結合されている。前歪みは、弾性基板の圧延および/または前曲げを含むがこれに限定されない当分野において既知である任意の手段により達成可能であり、1本の軸に沿った膨張によっても、あるいは複数の軸に沿った膨張によっても生じさせることができる。結合形成は、電子回路またはデバイスの内表面の少なくとも一部と前歪みを加えた弾性基板の共有結合またはファンデルワールス力により直接、あるいは接着剤または中間接着層を用いることにより達成することができる。前歪みを加えた弾性基板と電子回路またはデバイスとの結合後、弾性基板が少なくとも部分的に弛緩した状態へと弛緩され、これによって半導体構造の内表面が湾曲される。電子回路またはデバイスの内表面が湾曲されることにより、曲面状の内表面が生成され、いくつかの有用な実施形態では周期または非周期波形態を有する。本発明は、電子デバイスまたは回路を備える全てのコンポーネントが周期または非周期波形態中にある実施形態を含む。   [0106] In a useful embodiment of the present invention, a free standing electronic circuit or device comprising a plurality of interconnected components is provided. The inner surface of the electronic circuit or device is brought into contact with at least a part of the elastic substrate that has been pre-strained in the expanded state. Pre-strain can be achieved by any means known in the art including, but not limited to, rolling and / or pre-bending of an elastic substrate, and can be achieved by expansion along a single axis or by multiple axes. It can also be caused by expansion along. Bond formation can be achieved directly by covalent bonding or van der Waals forces of an elastic substrate pre-strained with at least a portion of the inner surface of the electronic circuit or device, or by using an adhesive or an intermediate adhesive layer. . After bonding the pre-strained elastic substrate to the electronic circuit or device, the elastic substrate is relaxed to an at least partially relaxed state, thereby bending the inner surface of the semiconductor structure. The inner surface of the electronic circuit or device is curved to produce a curved inner surface, which in some useful embodiments has a periodic or aperiodic wave morphology. The invention includes embodiments in which all components comprising an electronic device or circuit are in a periodic or non-periodic wave form.

[0107]伸縮性電子回路、デバイスおよびデバイスアレイの周期または非周期波形態は、回路またはデバイスの個々のコンポーネントに大きな歪みを生じさせることなくそれらを伸張または湾曲形態に一致させる。本発明のこの態様は、湾曲、伸張または変形状態にある場合に伸縮性電子回路、デバイスおよびデバイスアレイの有用な電子的挙動を提供する。本方法により形成される周期波形態の周期は、(i)回路またはデバイスを備える集積コンポーネントの一群の正味厚さおよび(ii)ヤング率および曲げ剛性等の集積デバイスコンポーネントを含む材料の機械的特性とともに変動することがある。   [0107] Periodic or non-periodic wave forms of stretchable electronic circuits, devices and device arrays cause them to conform to stretched or curved forms without causing significant distortion to the individual components of the circuit or device. This aspect of the present invention provides useful electronic behavior of stretchable electronic circuits, devices and device arrays when in a curved, stretched or deformed state. The period of the periodic wave form formed by the method is: (i) the net thickness of a group of integrated components comprising a circuit or device and (ii) the mechanical properties of the material comprising the integrated device component such as Young's modulus and bending stiffness It may vary with.

[0108]図9Aは、伸縮性薄膜トランジスタアレイを作成する例示的な方法を示すフロー図である。図9Aに示すように、自立印刷可能薄膜トランジスタアレイが本発明の手法を用いて提供される。薄膜トランジスタアレイは、トランジスタの内表面を露出させて乾式移送接触印刷法によりPDMS基板に移送される。露出された内表面は、次に膨張状態にある室温で硬化され前歪みを加えたPDMS層と接触される。これに続く前歪みPDMS層の完全硬化によりトランジスタの内表面を前歪みPDMS層に結合する。前歪みPDMS層は、冷却されて少なくとも部分的に弛緩状態とされる。PDMS層の弛緩により周期波構造をアレイ内のトランジスタに導入し、これによってそれらを伸縮自在とする。図9Aの挿入図は、本方法により作成された伸縮性薄膜トランジスタアレイの原子間顕微鏡写真である。この原子間顕微鏡写真は、伸張または変形状態で良好な電子的パフォーマンスをもたらす周期波構造を示している。   [0108] FIG. 9A is a flow diagram illustrating an exemplary method of making a stretchable thin film transistor array. As shown in FIG. 9A, a self-supporting printable thin film transistor array is provided using the techniques of the present invention. The thin film transistor array is transferred to the PDMS substrate by a dry transfer contact printing method with the inner surface of the transistor exposed. The exposed inner surface is then contacted with a pre-strained PDMS layer that is cured at room temperature in an expanded state. Subsequent complete curing of the prestrained PDMS layer couples the inner surface of the transistor to the prestrained PDMS layer. The pre-strained PDMS layer is cooled and at least partially relaxed. The relaxation of the PDMS layer introduces a periodic wave structure to the transistors in the array, thereby making them stretchable. The inset of FIG. 9A is an atomic photomicrograph of a stretchable thin film transistor array created by this method. This atomic photomicrograph shows a periodic wave structure that provides good electronic performance in the stretched or deformed state.

[0109]図9Bは、弛緩および伸張形態の伸縮性薄膜トランジスタアレイの光学顕微鏡写真を示す。アレイ上で約20%の正味歪みを生成するようにアレイを伸張すると、薄膜トランジスタは破砕も損傷も受けない。弛緩形態から歪み形態への移行が可逆的なプロセスとして観察された。図9Bは、伸縮性薄膜トランジスタが弛緩および伸張形態のいずれにおいても良好なパフォーマンスを示す、ゲート電極に印加されたいくつかの電位についてのドレイン電流対ドレイン電圧のプロットも示す。   [0109] FIG. 9B shows an optical micrograph of a stretchable thin film transistor array in a relaxed and stretched configuration. When the array is stretched to produce about 20% net strain on the array, the thin film transistor is not crushed or damaged. The transition from the relaxed form to the distorted form was observed as a reversible process. FIG. 9B also shows a plot of drain current versus drain voltage for several potentials applied to the gate electrode, where the stretchable thin film transistor performs well in both relaxed and stretched configurations.

[実施例1]ゴム基板上での高パフォーマンスエレクトロニクスのための伸縮性単結晶シリコン
[0110]本発明者らは、マイクロスケールで周期的な波状ジオメトリ形状の構造をもったサブミクロン単結晶素子からなる伸縮性シリコンを生成した。弾性基板により支持されると、この「波状」シリコンは、シリコンを損傷させることなく大きな歪みレベルまで可逆的に伸縮可能である。波の振幅および周期がこの変形を吸収するように変化し、それによってシリコン自体の相当な歪みを回避する。シリコンと直接一体化された誘電体、ドーパントのパターン、電極、およびその他の素子により、同様の大きな歪みレベルまで伸縮可能な、完全に形成された、高性能「波状」金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、pnダイオード、および他の電子回路用デバイスが得られる。
[Example 1] Stretchable single crystal silicon for high performance electronics on a rubber substrate
[0110] The inventors have produced stretchable silicon consisting of sub-micron single crystal devices with a micro-scale periodic wavy geometry configuration. When supported by an elastic substrate, this “wavy” silicon can reversibly stretch to large strain levels without damaging the silicon. The wave amplitude and period change to absorb this deformation, thereby avoiding substantial distortion of the silicon itself. Fully formed, high-performance "wavy" metal oxide semiconductor field effect transistor that can be stretched to similar high strain levels by dielectrics, dopant patterns, electrodes, and other elements directly integrated with silicon , Pn diodes, and other electronic circuit devices.

[0111]エレクトロニクスの進歩は、主に回路の動作速度および集積密度を上げ、回路の電力消費を下げ、表示システムについては、大面積カバレージを可能とするための努力によって促進されている。比較的最近の方向性は、これまでにない基板上に高性能回路を形成可能とする方法および材料を開発しようとするものである:ペーパー状ディスプレイおよび光学スキャナ用の柔軟なプラスチック基板、焦点面アレイ用の球状曲面支持体、組み込み型ロボットセンサ用の心地よい外皮等の特異な形状因子。薄膜形状に加工されて薄い基板シート上または基板積層のニュートラルな機械的平面に配置されると、多くのエレクトロニクス材料が良好な柔軟性を提供することが可能である。これらのケースでは、曲げる間に活性材料に生じた歪みが破砕を引き起こすのに必要な通常のレベル(〜1%)を十分下回るもあり得る。完全な伸縮性は、より一層困難な特性であるが、動作時に屈曲し、伸張し、または曲げの究極のレベルまで達することが可能なデバイス、あるいは複雑な曲線のある形状を持った支持体と同じ形状に巻き付けることが可能なデバイスのために必要とされる。これらのシステムでは、回路レベルの歪みが、特に既存の用途向けに適切に開発された材料など、ほぼ全ての既知のエレクトロニクス材料の破砕限界を超える可能性がある。この問題は、剛性の絶縁された島状体により支持された(トランジスタ等の)電子コンポーネントを伸縮可能な導線を用いて相互接続する回路で、ある程度までは回避可能である。比較的低いカバレージでの能動エレクトロニクスで達成可能な用途に最適であるが、この方策で有望な結果を得ることができる。本発明者らは、マイクロメータスケールの周期的な「波」状ジオメトリを有する高品質の単結晶Siの薄膜において伸縮性が直接達成される、異なるアプローチを報告する。これらの構造は、材料自体の潜在的な破壊歪みよりもむしろ波の振幅および波長の変化によって大きな圧縮および伸張歪みを吸収する。このような伸縮性波状Si素子を誘電体、ドーパントのパターン、および金属薄膜と一体化することにより、高性能で伸縮自在な電子デバイスが得られる。   [0111] Advances in electronics are primarily driven by efforts to increase circuit operating speed and integration density, reduce circuit power consumption, and enable large area coverage for display systems. A relatively recent direction is to develop methods and materials that allow high performance circuits to be formed on unprecedented substrates: flexible plastic substrates for paper displays and optical scanners, focal planes Unique form factors such as spherical curved surface supports for arrays and comfortable skins for embedded robot sensors. Many electronic materials can provide good flexibility when processed into a thin film shape and placed on a thin substrate sheet or in a neutral mechanical plane of a substrate stack. In these cases, the strain produced in the active material during bending may be well below the normal level (~ 1%) required to cause crushing. Full stretchability is an even more difficult property, but with a device that can bend, stretch or reach the ultimate level of bending during operation, or a support with a complex curved shape Required for devices that can be wound into the same shape. In these systems, circuit-level distortions can exceed the fracture limit of almost all known electronic materials, especially those that are properly developed for existing applications. This problem can be avoided to some extent in circuits that interconnect electronic components (such as transistors) supported by rigid insulated islands using stretchable conductors. Although ideal for applications achievable with active electronics with relatively low coverage, this approach can provide promising results. We report a different approach in which stretchability is achieved directly in high quality single crystal Si thin films with periodic “wave” -like geometry on the micrometer scale. These structures absorb large compression and extension strains by changes in wave amplitude and wavelength rather than the potential fracture strain of the material itself. By integrating such a stretchable wavy Si element with a dielectric, a dopant pattern, and a metal thin film, a high-performance, stretchable electronic device can be obtained.

[0112]図10は、波状単結晶Siリボンをエラストマー(ゴム)基板上に作製する手順を示している。第1のステップ(上フレーム)は、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハー上にレジスト層を規定するためのフォトリソグラフィを含み、頂部Siの露出部分を除去するためのエッチングがこれに続く。アセトンでレジストを除去したら、次に埋め込みSiO層を濃フッ酸でエッチングし、下地のSi基板からリボンを分離する。リボンの両端がエッチング液で洗い落とされないようにウエハーに接続している。レジストラインの幅(5〜50μm)および長さ(〜15mm)がリボンの寸法を規定する。SOIウエハー上の頂部Siの厚さ(20〜320nm)がリボンの厚さを規定する。次のステップ(中央フレーム)では、平坦なエラストマー基板((ポリジメチルシロキサン)(PDMS)1〜3mm厚)が弾性的に伸張されてリボンと共形接触される。PDMSを剥離することにより、ウエハーからリボンを浮かせ、PDMS表面に付着したままとする。PDMSの歪み(すなわち前歪み)を解放することによって、表面が変形して明瞭に規定された波がSiおよびPDMS表面に形成される(図11のAおよびB)。凹凸のプロファイルが正弦曲線であり(上フレーム、図11のC)、Siの厚さおよびPDMSにおける前歪みのレベルに応じて5〜50μmの間の周期性および100nm〜1.5μmの間の振幅を持つ。任意のシステムについて、波の周期および振幅は大きい面積(〜cm)にわたって〜5%の範囲内で一様である。リボン間のPDMSの平坦な形態および隣接するリボンの波に相関位相が無いことにより、リボンが機械的に強くは結合されていないことが示唆される。図11のC(下フレーム)はSiピークのマイクロラマン測定を示しており、波状リボンの1個に沿った距離の関数として測定される。この結果は応力分布についての洞察を与えるものである。 [0112] FIG. 10 shows a procedure for making a wavy single crystal Si ribbon on an elastomer (rubber) substrate. The first step (upper frame) includes photolithography to define a resist layer on a silicon on insulator (SOI) wafer, followed by etching to remove the exposed portion of the top Si. After removing the resist with acetone, the buried SiO 2 layer is then etched with concentrated hydrofluoric acid to separate the ribbon from the underlying Si substrate. Both ends of the ribbon are connected to the wafer so as not to be washed off with the etching solution. The width (5-50 μm) and length (-15 mm) of the resist line define the ribbon dimensions. The thickness of the top Si on the SOI wafer (20-320 nm) defines the ribbon thickness. In the next step (center frame), a flat elastomeric substrate ((polydimethylsiloxane) (PDMS) 1-3 mm thick) is elastically stretched and brought into conformal contact with the ribbon. By peeling off the PDMS, the ribbon is lifted off the wafer and remains attached to the PDMS surface. By releasing the strain (ie, pre-strain) of PDMS, the surface deforms and clearly defined waves are formed on the Si and PDMS surfaces (A and B in FIG. 11). The asperity profile is sinusoidal (upper frame, FIG. 11C), periodicity between 5-50 μm and amplitude between 100 nm-1.5 μm depending on Si thickness and level of pre-strain in PDMS. have. For any system, the wave period and amplitude are uniform within ˜5% over a large area (˜cm 2 ). The flat form of PDMS between ribbons and the absence of correlated phase in adjacent ribbon waves suggests that the ribbons are not mechanically strongly coupled. C (lower frame) in FIG. 11 shows a micro-Raman measurement of the Si peak, measured as a function of distance along one of the wavy ribbons. This result gives insight into the stress distribution.

[0113]このような静的波状構成における挙動は、半無限低弾性率支持体上の均一薄膜高弾性率層における初期座屈ジオメトリの非線形解析と一致する。

ここで、

が座屈の臨界値、座屈歪みεpreは前歪みのレベル、λは波長、Aは振幅である。ポアソン比がν、ヤング率がE、添え字がSiまたはPDMSの特性を示している。Siの厚さはhである。この処理は作製された波状構造の多くの特徴を捉えている。例えば、図11のDは、前歪み値が固定されていれば(これらのデータについて〜0.9%)、波長および振幅がともにSi厚に線形的に依存することを示している。波長は前歪みのレベルに依存しない(図12)。さらに、SiおよびPDMSの文献値(28,29)を用いた機械的特性の計算(ESi=130GPa、EPDMS=2MPa、νSi=0.27、νPDMS=0.48)により、測定値の〜10%(最大偏差)以内の振幅および波長が得られる。(原子間力顕微鏡(AFM)により測定された表面距離から決定された)その実際の長さに対する(波長から決定された)リボンの有効長の比から算出された「リボン歪み」により、〜3.5%までの前歪みについて、PDMSにおける前歪みとほぼ等しい値が得られる。Si自体におけるピーク(すなわち最大)歪み(これを本発明者らはSi歪みと呼ぶ)は、波が存在し、且つ臨界歪み(ここで考察しているケースについて〜0.03%)が曲げに関連したピーク歪みと比較して小さい歪みである場合に、κを曲率としたときのκh/2に応じた波の極値でのリボンの厚さおよび曲率半径から推定可能である。図11のデータについて、ピークSi歪みは〜0.36(±0.08%)であり、リボン歪みの1/2より小さい。このSi歪みは全てのリボンの厚さ、任意の前歪み(図13)について同じである。結果得られるピークSi歪みは実質的にリボン歪みより小さいという機械的な利点が、伸縮性を達成するために非常に重要である。座屈薄膜は、(ここで述べたように、予備成形され、転写された単結晶素子およびデバイスとは対照的に)PDMS上に蒸着またはスピンキャスティングされた金属および誘電体においても観察されている。
[0113] The behavior in such a static wavy configuration is consistent with a nonlinear analysis of the initial buckling geometry in a uniform thin film high modulus layer on a semi-infinite low modulus support.

here,

Is the critical value of buckling, buckling strain ε pre is the pre-strain level, λ 0 is the wavelength, and A 0 is the amplitude. The Poisson's ratio is ν, the Young's modulus is E, and the subscript indicates the characteristics of Si or PDMS. The thickness of Si is h. This process captures many features of the fabricated wavy structure. For example, D in FIG. 11 shows that both the wavelength and amplitude are linearly dependent on the Si thickness if the predistortion value is fixed (˜0.9% for these data). The wavelength does not depend on the level of predistortion (FIG. 12). Further, the measured values were obtained by calculating mechanical properties (E Si = 130 GPa, E PDMS = 2 MPa, ν Si = 0.27, ν PDMS = 0.48) using Si and PDMS literature values (28, 29). Amplitudes and wavelengths within 10% (maximum deviation) of. By “ribbon distortion” calculated from the ratio of the effective length of the ribbon (determined from the wavelength) to its actual length (determined from the surface distance measured by an atomic force microscope (AFM)), ˜3 For pre-distortion up to .5%, a value approximately equal to that in PDMS is obtained. The peak (ie, maximum) strain in Si itself (which we call Si strain) is the presence of waves and the critical strain (˜0.03% for the case considered here) is bending. When the distortion is small compared to the related peak distortion, it can be estimated from the ribbon thickness and the radius of curvature at the wave extreme value according to κh / 2 where κ is the curvature. For the data in FIG. 11, the peak Si strain is ˜0.36 (± 0.08%), which is less than ½ of the ribbon strain. This Si strain is the same for all ribbon thicknesses and any pre-strain (FIG. 13). The mechanical advantage that the resulting peak Si strain is substantially less than the ribbon strain is very important to achieve stretchability. Buckling thin films have also been observed in metals and dielectrics deposited or spin cast on PDMS (as opposed to pre-formed and transferred single crystal elements and devices as described herein). .

[0114]作成後のエラストマー基板に加えられた圧縮および伸張歪みに対する波状構造の動的応答が、伸縮性電子デバイスに最も重要である。このプロセスの機構を明らかにするために、本発明者らは、力がPDMSに加えられてリボンの長さに平行に圧縮または伸張する際の波状Siリボンのジオメトリを測定した。この力は、ポアソン効果によってリボンに沿った方向および直交する方向の両方に歪みを生じさせる。直交歪みは主としてリボン間の領域におけるPDMSの変形をもたらす。一方、リボンに沿った歪みはこの波の構造における変化によって吸収される。図14Aの三次元高さ画像および表面プロファイルは、圧縮された、摂動を受けない、および伸張された代表的な状態を示している(サンプル上の若干異なる位置から収集されている)。これらおよび他のケースにおいて、変形の間、リボンはその正弦曲線(図14Aの右手パネルのライン)形状を維持するが、リボン間の領域により規定されたように(図15)、波構造のおよそ半分がPDMS表面の非摂動位置の下にある。図14Bは、非摂動状態(ゼロ)に対する圧縮方向(負方向)および伸張方向(正方向)に加えた歪みについての波長および振幅を示している。このデータは、多数(>50)のリボンから点ごとに収集された平均AFM測定値に対応する。加えた歪みは、測定されたPDMS基板の両端距離変化から決定された。AFMによる直接表面測定が、正弦曲線波形状から推定される閉曲線積分と同様に、ここで考察しているケースについて加えた歪みがリボン歪みと等しい(図16)ことを示している。(前歪み−臨界歪みより大きい伸張歪みで持続する小振幅(<5nm)波が、初期の座屈プロセス中のSiのわずかな滑りから生じる可能性がある。この小(ゼロ)振幅状態で計算したピークSi歪みおよびリボン歪みは、実効値を過小に見積もっている。)この結果は、加えた歪みに対する波状リボンの物理的に異なる2つの応答であることを示している。伸張状態では、波が非直観的に展開する。波長は加えた歪みで感知できるほどには変化せず、これは前座屈機構と一致する。代わりに、振幅の変化が歪みを吸収する。この場合には、PDMSが伸張されるにつれてSi歪みが減少し、加えた歪みが前歪みと等しくなると〜0%に達する。これに対して、圧縮状態では、加えた歪みが増加するにつれて波長が小さくなり振幅が大きくなる。この機械的応答は、アコーディオンの蛇腹に似ており、伸張状態の挙動とは質的に異なる。圧縮中、波の山と谷で曲率半径が減少するため、Si歪みは加えた歪みで増加する。しかしながら、図14Bに示すように、Si歪みの増加率および大きさともにリボン歪みに比べて非常に低い。これらの機構が伸縮性を可能にする。   [0114] The dynamic response of the corrugated structure to compressive and tensile strain applied to the fabricated elastomeric substrate is most important for stretchable electronic devices. To elucidate the mechanism of this process, we measured the geometry of the wavy Si ribbon as a force was applied to the PDMS to compress or stretch parallel to the length of the ribbon. This force causes distortion both in the direction along the ribbon and in the orthogonal direction due to the Poisson effect. Orthogonal distortion results in PDMS deformation primarily in the region between the ribbons. On the other hand, strain along the ribbon is absorbed by changes in this wave structure. The three-dimensional height image and surface profile of FIG. 14A shows a representative state that is compressed, unperturbed, and stretched (collected from slightly different locations on the sample). In these and other cases, during deformation, the ribbon maintains its sinusoidal shape (the right hand panel line of FIG. 14A) shape, but as defined by the area between the ribbons (FIG. 15), Half is below the unperturbed position on the PDMS surface. FIG. 14B shows the wavelength and amplitude for the strain applied in the compression direction (negative direction) and extension direction (positive direction) for the unperturbed state (zero). This data corresponds to an average AFM measurement collected point by point from a large number (> 50) of ribbons. The applied strain was determined from the measured change in the distance between both ends of the PDMS substrate. Direct surface measurement by AFM shows that the strain applied for the case considered here is equal to the ribbon strain (FIG. 16), as well as the closed curve integral estimated from the sinusoidal waveform. (A small amplitude (<5 nm) wave that persists with a pre-strain-extension strain greater than the critical strain can result from a slight slip of Si during the initial buckling process. Calculated in this small (zero) amplitude state. The peak Si strain and ribbon strain underestimated the effective value.) This result shows that there are two physically different responses of the wavy ribbon to the applied strain. In the stretched state, the waves unintuitively develop. The wavelength does not change appreciably with the applied strain, which is consistent with the prebuckling mechanism. Instead, the change in amplitude absorbs the distortion. In this case, the Si strain decreases as the PDMS is stretched and reaches ˜0% when the applied strain is equal to the pre-strain. On the other hand, in the compressed state, the wavelength decreases and the amplitude increases as the applied strain increases. This mechanical response resembles an accordion bellows and is qualitatively different from the stretched behavior. During compression, the radius of curvature decreases at the peaks and valleys of the wave, so the Si strain increases with the applied strain. However, as shown in FIG. 14B, both the increase rate and the magnitude of the Si strain are very low compared to the ribbon strain. These mechanisms allow stretchability.

[0115]波状ジオメトリと一致する歪みの状態での全応答は、波長λが以下の式に従う初期の座屈状態におけるその値λおよび加えた歪みεappliedに依存する式により定量的に記述可能である。

この伸張/圧縮の非対称性が、例えば、圧縮中に形成される、PDMSとSiの隆起した領域の間のわずかな可逆的分離から生じうる。このケースについて、この非対称的挙動を示さないシステムと同様に、波の振幅Aが、伸張および圧縮のいずれについても、低めの歪み(<10〜15%)で有効な1つの式で与えられる。

ここで、Aは初期の座屈状態に対応する値である。図14Aに示したように、これらの式によりパラメータの近似がなくとも実験と量的な一致が得られる。伸張/圧縮歪みを吸収する波性が存続すると、ピークSi歪みが曲げ項に支配され、以下の式で与えられる。

これは、図14Bの曲率から測定された歪みとよく一致する(図18も参照)。このような解析式は、システムがSiを破壊せずに持ちこたえられるような加える歪みの範囲を規定するのに役立つ。0.9%の前歪みについて、Si破損歪みが(圧縮または伸張のいずれかに対して)〜2%だとすると、この範囲は−27%〜−%29である。前歪みのレベルを制御して、この歪みの範囲(すなわち、およそ30%)により所望の圧縮および伸張変形性の度合いのバランスをとる。例えば、3.5%の前歪み(本発明者らが考察する最大値)により−24%〜5.5%の範囲が得られる。このような計算は、変形の究極レベルでも加えた歪みがリボン歪みに等しいことを仮定している。実験的には、リボン両端部外側およびリボン間のPDMSが歪みを吸収することができるため、これらの推定を上回ることが多く、加えた歪みはリボンに完全には移送されない。
[0115] The total response in the state of strain consistent with the wavy geometry can be described quantitatively by an equation that depends on its value λ 0 in the initial buckling state, where the wavelength λ follows the following equation and the applied strain ε applied It is.

This stretch / compression asymmetry can result, for example, from a slight reversible separation between the PDMS and Si raised areas formed during compression. For this case, similar to a system that does not exhibit this asymmetric behavior, the wave amplitude A is given by one equation that is valid at lower distortion (<10-15%) for both stretching and compression.

Here, A 0 is a value corresponding to the initial buckling state. As shown in FIG. 14A, these equations provide quantitative agreement with experiments without parameter approximation. If the wave nature that absorbs the stretch / compression strain persists, the peak Si strain is dominated by the bending term and is given by:

This agrees well with the distortion measured from the curvature of FIG. 14B (see also FIG. 18). Such analytical formulas help define the range of applied strain that the system can hold without destroying the Si. For a pre-strain of 0.9%, if the Si failure strain is ˜2% (for either compression or expansion), this range is −27% to −% 29. The level of pre-strain is controlled to balance the desired degree of compression and stretch deformability by this strain range (ie, approximately 30%). For example, a pre-strain of 3.5% (the maximum value considered by the inventors) gives a range of -24% to 5.5%. Such calculations assume that the strain applied at the ultimate level of deformation is equal to the ribbon strain. Experimentally, PDMS outside the ribbon ends and between the ribbons can absorb the strain, so often exceeds these estimates and the added strain is not completely transferred to the ribbon.

[0116]本発明者らは、作製手順(図10、上フレーム)の開始に、従来の処理技法を用いてSi、薄膜金属接点、および誘電体層にドーパントのパターンを規定する追加のステップを含めることによって、機能的で伸縮性のデバイスを作り出した。それぞれこの方法で作製された二および三端子デバイス、ダイオード、ならびにトランジスタが、回路用の基本構成要素に高度な機能性を与える。一体型リボンデバイスがまずSOIから持ち上げられて下に形成されたPDMSスラブ上に移送され、次に前歪みPDMS基板に移送される二重移送プロセスが、プローブ用に露出した金属接点を持った波状デバイスを生成した。図17のAおよびBは、PDMSに様々なレベルの歪みを加えた伸縮性pn接合ダイオードの光学画像および電気的応答を示している。本発明者らは、伸張または圧縮時に、デバイスの電気的特性にデータの分散の範囲内までの系統だった変動は認めなかった。曲線の偏差は主にプローブ接点の質のばらつきによるものである。予想通りに、これらのpn接合ダイオードは、通常の整流デバイスとしての使用以外にも(逆バイアス状態で)光検出器としてまたは光電池デバイスとして用いることが可能である。〜−1Vの逆バイアス電圧で光電流密度が〜35mA/cmとなる。順バイアスでは、短絡回路電流密度および開回路電圧がそれぞれ〜17mA/cmおよび0.2Vとなり、これにより0.3の充てん比が得られる。応答の形状は、モデリング(図17のBの実線カーブ)と一致する。デバイス特性は、圧縮、伸張、および解放の〜100サイクル後であっても実質的に変化しない(図19)。図17のCは、pnダイオードに用いたのと同様の手順で一体化されたゲート誘電体としての熱SiOの薄層(40nm)を持って形成された、伸縮性波状Siショットキー障壁金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の電流−電圧特性を示している(33)。この波状トランジスタの電気的測定値から抽出されたデバイスパラメータ(直線移動度〜100cm/Vs(接触制限されやすい)、しきい値電圧〜−3V)は、同じ処理条件下でSOIウエハー上に形成されたデバイスのパラメータに匹敵する(図20および21)。pnダイオードと同様に、これらの波状トランジスタは、デバイスを損傷させたり実質的にその電気的特性を変化させることなく、歪みの大きなレベルまで可逆的に伸張および圧縮が可能である。ダイオードとトランジスタのいずれにおいても、デバイスの両端の外側へのPDMSの変形により、デバイス(リボン)歪みが加えた歪みよりも小さくなる。全体の伸縮性がデバイスの伸縮性とこの種のPDMSの変形の複合効果から得られる。ここで考察しているよりも大きな圧縮歪みでは、プローブを困難にするようにPDMSが曲がる傾向があった。より大きな伸張歪みでは、Siの厚さ、リボンの長さ、およびSiおよびPDMS間の結合強度に応じて、リボンが破壊されるか滑って無傷のままのいずれかとなる。 [0116] We started with an additional step at the beginning of the fabrication procedure (FIG. 10, upper frame) to define the pattern of dopants in Si, thin film metal contacts, and dielectric layers using conventional processing techniques. Inclusion created a functional and stretchable device. Two- and three-terminal devices, diodes, and transistors, each made in this way, provide a high degree of functionality to the basic components for the circuit. A double transfer process where the integrated ribbon device is first lifted from the SOI and transferred onto the underlying PDMS slab and then transferred to the pre-strained PDMS substrate is a corrugated with exposed metal contacts for the probe Generated a device. 17A and 17B show optical images and electrical responses of stretchable pn junction diodes with various levels of strain on PDMS. The inventors have observed no systematic variations in device electrical properties to within the range of data distribution during stretching or compression. The deviation of the curve is mainly due to variations in the quality of the probe contacts. As expected, these pn junction diodes can be used as photodetectors or photovoltaic devices (in reverse bias conditions) besides their use as normal rectifying devices. The photocurrent density is ˜35 mA / cm 2 with a reverse bias voltage of ˜−1V. With forward bias, the short circuit current density and open circuit voltage are ˜17 mA / cm 2 and 0.2 V, respectively, resulting in a fill ratio of 0.3. The shape of the response is consistent with the modeling (solid curve in FIG. 17B). Device characteristics remain substantially unchanged even after ˜100 cycles of compression, expansion and release (FIG. 19). FIG. 17C shows a stretchable wavy Si Schottky barrier metal formed with a thin layer (40 nm) of thermal SiO 2 as the gate dielectric integrated in the same procedure as used for the pn diode. The current-voltage characteristics of an oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) are shown (33). Device parameters (linear mobility ~ 100 cm 2 / Vs (prone to contact limitation), threshold voltage ~ -3V) extracted from electrical measurements of this wave transistor are formed on the SOI wafer under the same processing conditions. Comparable to the device parameters (FIGS. 20 and 21). Like pn diodes, these wave transistors can be reversibly stretched and compressed to large levels of distortion without damaging the device or substantially changing its electrical properties. In both the diode and the transistor, the deformation of the PDMS to the outside of both ends of the device makes the device (ribbon) strain smaller than the added strain. The overall stretchability is obtained from the combined effect of device stretchability and this type of PDMS deformation. With greater compressive strain than discussed here, the PDMS tended to bend to make the probe difficult. At higher tensile strain, depending on the Si thickness, ribbon length, and bond strength between Si and PDMS, the ribbon will either break or slip and remain intact.

[0117]これらの伸縮性SiMOSFETおよびpnダイオードは、形成が可能な波状電子デバイスの多くの種類のうちの2つに過ぎない。完成した回路シートまたは薄型Siプレートは、1軸または2軸性伸縮性波状ジオメトリにも構成可能である。波状ダイオード独特の機械的特性に加えて、多くの半導体で起こることだが、歪みを電子特性に結びつけることにより、機械的に調節可能な歪みの周期変動を生かすデバイス構造を設計し、特異な電子的応答を達成する機会が得られる可能性がある。これらおよび他の分野は、将来の研究が期待できそうである。
材料および方法
[0117] These stretchable SiMOSFETs and pn diodes are only two of the many types of corrugated electronic devices that can be formed. The completed circuit sheet or thin Si plate can also be constructed in uniaxial or biaxial stretchable wavy geometry. In addition to the mechanical characteristics peculiar to wavy diodes, what happens in many semiconductors, by combining strain with electronic characteristics, we design device structures that take advantage of periodic fluctuations in mechanically adjustable strain, and have unique electronic characteristics Opportunities to achieve a response may be obtained. These and other areas are likely for future research.
Materials and methods

[0118]試料調製:シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハーは、Si基板(Soitec社)上のSiO(厚さ145nm、145nm、200nm、400nm、400nmまたは1μm)上のSi(厚さ20、50、100、205、290または320nm)から成っていた。あるケースでは、本発明者らはSi(信越化学工業)上のSi(厚さ〜2.5μm)およびSiO(厚さ〜1.5μm)のSOIウエハーを用いた。全てのケースにおいて、頂部Si層は5〜20Ωcmの抵抗率を有し、ホウ素(p型)またはリン(n型)でドープされていた。これらSOIウエハーの頂部Si層は、フォトリソレジスト(AZ 5124フォトレジスト、Karl Suss社 MJB−3接触式マスクアライナ)および反応性イオンエッチング(RIE)によりパターニングされてSiリボン(5〜50μm幅、15mm長)を規定する(プラズマ熱RIE、SF6 40sccm、50ミリトール、100W)。SiO2層はHF(49%)内でアンダーカットエッチングにより除去されるが、エッチング時間は主にSiリボンの幅に依存する。横方向エッチング速度は通常2〜3μm/minである。(ポリジメチルシロキサン)(PDMS)エラストマー(Sylgard 184,Dow Corning社)のスラブが基剤と硬化材を10:1の重量比で混合し、70℃で2時間超または室温で12時間超硬化することにより調製された。 [0118] Sample preparation: silicon-on-insulator (SOI) wafers, Si substrate (Soitec Inc.) on SiO 2 (thickness 145 nm, 145 nm, 200 nm, 400 nm, 400 nm or 1 [mu] m) on Si (thickness 20, 50, 100, 205, 290 or 320 nm). In some cases, we used Si (thickness ~ 2.5 μm) and SiO 2 (thickness ~ 1.5 μm) SOI wafers on Si (Shin-Etsu Chemical). In all cases, the top Si layer had a resistivity of 5-20 Ωcm and was doped with boron (p-type) or phosphorus (n-type). The top Si layer of these SOI wafers is patterned by photolithography resist (AZ 5124 photoresist, Karl Suss MJB-3 contact mask aligner) and reactive ion etching (RIE) to form a Si ribbon (5-50 μm wide, 15 mm long). ) (Plasma thermal RIE, SF6 40 sccm, 50 mTorr, 100 W). The SiO2 layer is removed by undercut etching in HF (49%), but the etching time mainly depends on the width of the Si ribbon. The lateral etching rate is usually 2 to 3 μm / min. A slab of (polydimethylsiloxane) (PDMS) elastomer (Sylgard 184, Dow Corning) mixes base and hardener in a weight ratio of 10: 1 and cures at 70 ° C. for more than 2 hours or at room temperature for more than 12 hours. It was prepared by.

[0119]これらのPDMSの平坦なスラブ(厚み1〜3mm)は、エッチングされたSOIウエハーのSiと共形接触されて波状構造を生成する。この接触(ウエハーからの分離後の収縮がこれに続く)に先立って、PDMSの制御された膨張を生じさせる任意の方法を用いることが可能である。本発明者らは、3つの異なる手法を検討した。第1の手法では、SOI基板に接触した後のPDMSの機械的圧延が前歪みを生じさせた。波状構造はこのような方法で作ることもできるが、それらは不均一な波周期および振幅を有する傾向がある。第2の手法では、接触前にPDMS(熱膨張率=3.1×10−4−1)を30℃〜180℃の間の温度まで加熱し、SOIからの分離後に冷却することにより、再現性の高い方法で大面積にわたって優れた均一性を持った波状Si構造を生成した。この方法を用いて、本発明者らは、温度を変化させることによりPDMSにおける前歪みレベルを非常に正確に制御することができた(図12)。第3の方法は、SOIとの接触前に機械的ステージで伸張されたPDMSを用いて、分離後に物理的に解放した。熱的アプローチと同様、この方法は良好な均一性と再現性を可能とするが、熱的方法と比較して前歪みレベルを微調整することが難しい。 [0119] These flat slabs of PDMS (thickness 1 to 3 mm) are conformally contacted with the Si of the etched SOI wafer to create a wavy structure. Any method that results in controlled expansion of the PDMS can be used prior to this contact (followed by shrinkage after separation from the wafer). We examined three different approaches. In the first approach, mechanical rolling of PDMS after contacting the SOI substrate caused pre-strain. Although wavy structures can also be made in this way, they tend to have non-uniform wave periods and amplitudes. In the second approach, PDMS (coefficient of thermal expansion = 3.1 × 10 −4 K −1 ) is heated to a temperature between 30 ° C. and 180 ° C. before contact, and cooled after separation from SOI, A wavy Si structure having excellent uniformity over a large area was generated by a highly reproducible method. Using this method, we were able to control the pre-strain level in PDMS very accurately by changing the temperature (FIG. 12). The third method used PDMS stretched on a mechanical stage prior to contact with SOI and was physically released after separation. Like the thermal approach, this method allows for good uniformity and reproducibility, but it is difficult to fine tune the predistortion level compared to the thermal method.

[0120]pn接合ダイオードおよびトランジスタ等のデバイスについては、電子ビーム蒸着され(Temescal社 BJD1800)フォトリソグラフィパターニング(エッチングまたはリフトオフにより)された金属層(Al、Cr、Au)が接点およびゲート電極として働く。スピンオンドーパント(SOD)(p型にはB−75X, 米国Honeywell社、n型にはP509,米国Filmtronics社)を用いてシリコンリボンをドープした。SOD材料は、まず前もってパターニングされたSOIウエハー上にスピンコーティングされる(4000rpm、20s)。プラズマ化学気相成長法(PECVD)(プラズマ熱)により調製された二酸化ケイ素層(300nm)をSOD用のマスクとして用いた。950℃で10秒間加熱した後、SOIウエハー上のSODおよびマスキング層の両方を6:1緩衝酸化物エッチング液(BOE)を用いてエッチング除去した。トランジスタデバイスについては、(1100℃で10〜20分の炉内高純度酸素流を用いたドライ酸化により25nmと45nmの間の厚さに)熱的成長させた二酸化ケイ素をゲート誘電体に設けた。SOI上の全てのデバイス処理ステップを完了した後、集積デバイス構造を持ったSiリボン(通常50μm幅、15mm長)をフォトレジスト(AZ5214またはShipley S1818)により被覆して、下層のSiOをHFエッチングする間のデバイス層を保護した。フォトレジスト層を酸素プラズマにより除去した後、平坦なジオメトリにおいて、SOI基板からリボンデバイスを分離するのに前歪みが無い平坦なPDMS(70℃、4時間超)スラブを用いた。部分的に硬化したPDMSのスラブ(基剤および硬化剤の混合後室温で12時間超)が、完全に硬化したPDMS上のSiリボンデバイスに接触される。部分的に硬化したPDMSスラブの硬化を(70℃で加熱して)完了した後、このスラブを除去することにより、デバイスを当初のPDMSスラブからこの新たなPDMSスラブに移送する。分離および解放により波状デバイスが生じるように、室温への冷却に伴う収縮により前歪みが生じる。プローブ用に電極が露出されている。 [0120] For devices such as pn junction diodes and transistors, metal layers (Al, Cr, Au) that have been electron beam evaporated (Temescal BJD1800) and photolithographically patterned (by etching or liftoff) serve as contacts and gate electrodes . Silicon ribbons were doped using spin-on dopant (SOD) (B-75X for p-type, USA Honeywell, P509 for n-type, Filmtronics, USA). The SOD material is first spin coated (4000 rpm, 20 s) on a pre-patterned SOI wafer. A silicon dioxide layer (300 nm) prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) (plasma heat) was used as a mask for SOD. After heating at 950 ° C. for 10 seconds, both SOD and the masking layer on the SOI wafer were etched away using 6: 1 buffered oxide etchant (BOE). For the transistor device, the gate dielectric was provided with thermally grown silicon dioxide (to a thickness between 25 nm and 45 nm by dry oxidation using a high purity oxygen flow in the furnace at 1100 ° C. for 10-20 minutes). . After completing all device processing steps on SOI, Si ribbons (usually 50μm wide, 15 mm long) having an integrated device structure covered by a photoresist (AZ5214 or Shipley S1818), the underlying SiO 2 HF etching The device layer was protected during After removing the photoresist layer with oxygen plasma, a flat PDMS (70 ° C., over 4 hours) slab with no pre-strain was used to separate the ribbon device from the SOI substrate in a flat geometry. A partially cured PDMS slab (more than 12 hours at room temperature after mixing of base and hardener) is contacted with a Si ribbon device on fully cured PDMS. After curing of the partially cured PDMS slab is completed (by heating at 70 ° C.), the device is transferred from the original PDMS slab to the new PDMS slab by removing the slab. Predistortion occurs due to the shrinkage associated with cooling to room temperature, as the undulating device results from separation and release. An electrode is exposed for the probe.

[0121]測定:原子間力顕微鏡(AFM)(DI−3100, Veeco社)を用いて波の特性(波長、振幅)を精密に測定した。取得した画像から、波状Siに沿った部分的なプロファイルを測定し統計的に解析した。自作の伸張ステージをAFMおよび半導体パラメータ解析器(Agilent社, 5155C)とともに用いて、波状Si/PDMSの機械的および電気的応答を測定した。Jobin Yvon社HR 800分光光度分析装置で、He−Neレーザーからの632.8nmの光を用いてラマン測定を行った。波状Siに沿って1μm間隔で、焦点をSiの上面上の焦点位置を維持するように調整して、Siラマンピーク強度に基づきラマンスペクトルを測定した。測定したスペクトルをローレンツ関数で近似してピーク波数の位置を特定する。ピーク波数が顕微鏡の焦点位置に若干依存するので、ラマン測定の結果は応力分布に質的洞察を与えるに過ぎない。 [0121] Measurement : Wave characteristics (wavelength, amplitude) were precisely measured using an atomic force microscope (AFM) (DI-3100, Veeco). From the acquired image, a partial profile along the wavy Si was measured and statistically analyzed. A self-made stretch stage was used with AFM and a semiconductor parameter analyzer (Agilent, 5155C) to measure the mechanical and electrical response of wavy Si / PDMS. Raman measurements were performed using 632.8 nm light from a He-Ne laser on a HR 800 spectrophotometric analyzer from Jobin Yvon. The Raman spectrum was measured based on the Si Raman peak intensity by adjusting the focal point so as to maintain the focal position on the upper surface of Si at intervals of 1 μm along the wavy Si. The position of the peak wave number is specified by approximating the measured spectrum with a Lorentz function. Since the peak wavenumber is slightly dependent on the focal position of the microscope, the results of the Raman measurement only give a qualitative insight into the stress distribution.

[0122]外形長、リボン歪みおよびシリコン歪みの算出:実験結果は、ここで検討している材料およびジオメトリの範囲について、波状Siがシンプルな正弦関数、すなわちy=Asin(kx)(k=2π/λ)により正確に表現可能であることを示している。そこで外形長は

として算出可能である。波状Siのリボン歪みは、

を用いて算出した。ピークシリコン歪みは波の山および谷で発生し、

を用いて算出可能である。ここでhはSiの厚さ、Rは山または谷での曲率半径であり、

により与えられ、ここでnは整数でありy”はyのxについての二次導関数である。この正弦関数近似を実際の形状に用いると、シリコンピーク歪みは

により与えられる。図12は、前歪みを生じさせる温度の関数として波長を示す。図13に示すように、波の振幅および波長が厚みに線形依存するので(A〜h、λ〜h)、ピーク歪みはSi厚さhに依存しない。図15は、波状構造がリボン間のPDMS表面のレベルに対してほぼ等しい上方および下方への変位を含むことを示す。ここで考察するシステムについては、シリコンリボン歪みが加えた歪みに等しい(図16)。
[0122] Calculation of external length, ribbon strain and silicon strain : The experimental results show that for the range of materials and geometries considered here, wavy Si is a simple sine function: y = Asin (kx) (k = 2π / Λ) can be expressed accurately. So the external length is

Can be calculated as The ribbon distortion of wavy Si is

It calculated using. Peak silicon strain occurs in wave peaks and valleys,

It is possible to calculate using Where h is the thickness of Si, R c is the radius of curvature at the peak or valley,

Where n is an integer and y "is the second derivative of y with respect to x. Using this sinusoidal approximation for the actual shape, the silicon peak distortion is

Given by. FIG. 12 shows the wavelength as a function of temperature causing pre-strain. As shown in FIG. 13, since the wave amplitude and wavelength are linearly dependent on the thickness (A to h, λ to h), the peak strain does not depend on the Si thickness h. FIG. 15 shows that the wavy structure includes an upward and downward displacement that is approximately equal to the level of the PDMS surface between the ribbons. For the system considered here, the silicon ribbon strain is equal to the added strain (FIG. 16).

[0123]アコーディオン蛇腹モデル:シリコンを圧縮状態でPDMSから分離可能である場合、システムは座屈機構よりもむしろアコーディオン蛇腹機構により支配される。蛇腹のケースでは、加えた圧縮歪みεappliedに対する波長がλ(1+εapplied)であり、ここでλは、式(2)により説明されたように、歪み無し形態の波長である。シリコンリボンの外形長が圧縮歪みの前後でほぼ同じであるため、本発明者らは、波の振幅Aを決定するのに以下の関係を用いることができる。

この式はA/λ<<1について漸近解

を有する。小さい圧縮歪みでは、この式が式(3)に縮小される。これはSiをPDMSから分離不可能であり、システムが座屈機構に従う場合にも適用される。ピークシリコン歪みは以下の式で与えられる。

比較的小さい圧縮歪みについては、この式が式(4)とほぼ同じになる。ピークシリコン歪みは、比較的小さい加える歪みの限界において、波の振幅と同様、蛇腹および座屈モデルのいずれについても類似の関数形式を有する。図18は上記式により計算され、式(4)に従うピーク歪みを示している。
[0123] Accordion bellows model: When the silicon can be separated from PDMS in a compressed state, the system is dominated by the accordion bellows mechanism rather than the buckling mechanism. In the bellows case, the wavelength for the applied compressive strain ε applied is λ 0 (1 + ε applied ), where λ 0 is the wavelength of the unstrained form as described by equation (2). Since the outer length of the silicon ribbon is approximately the same before and after the compressive strain, we can use the following relationship to determine the wave amplitude A:

This equation is an asymptotic solution for A 0 / λ 0 << 1

Have For small compression distortions, this equation is reduced to equation (3). This is also applicable when the Si cannot be separated from the PDMS and the system follows a buckling mechanism. The peak silicon strain is given by:

For relatively small compression strains, this equation is almost the same as equation (4). Peak silicon strain has a similar functional form for both bellows and buckling models, as well as wave amplitude, at the limits of relatively small applied strains. FIG. 18 shows the peak distortion calculated according to the above equation and according to equation (4).

[0124]デバイス特性:波状pn接合ダイオードおよびトランジスタを電気的に特徴付けるために、半導体パラメータ解析器(Agilent社, 5155C)および従来のプローブステーションを用いた。光強度測定器(Ophir Optonics社、レーザーパワーメータAN/2)により測定した〜1W/cmの照射強度下で、pnダイオードの光応答を測定した。本発明者らは、機械的ステージを用いて伸張および圧縮中およびその後のデバイスを測定した。プロセスの可逆性を検討するための手段として、本発明者らは、周囲光において圧縮(〜5%歪みまで)、伸張(〜15%歪みまで)、および解放の〜100サイクル前後に3個の異なるpnダイオードを測定した。図19がその結果を示している。図20および21は、波状トランジスタからの画像、概略図およびデバイス測定値を示している。 [0124] Device characteristics : A semiconductor parameter analyzer (Agilent, 5155C) and a conventional probe station were used to electrically characterize the wavy pn junction diodes and transistors. The optical response of the pn diode was measured under an irradiation intensity of ˜1 W / cm 2 measured with a light intensity measuring device (Ophir Optronics, laser power meter AN / 2). We measured the device during and after stretching and compression using a mechanical stage. As a means to study the reversibility of the process, we performed 3 cycles around ~ 100 cycles of compression (up to ~ 5% strain), extension (up to ~ 15% strain), and release in ambient light. Different pn diodes were measured. FIG. 19 shows the result. Figures 20 and 21 show images, schematics and device measurements from the wavy transistor.

[実施例2]エラストマー基板上での高パフォーマンスエレクトロニクスのためのGaAsの座屈波状リボン
[0125]サブミクロン範囲の厚さおよび明瞭な「波状」および/または「座屈」ジオメトリを持った単結晶GaAsリボンが作製される。得られる構造は、エラストマー基板の表面上または基板中に埋め込まれて、GaAs自体のものより10倍超大きい>10%の歪みまでの可逆的な伸張性および圧縮性を示す。これらの構造を有するGaAsリボン上にオームおよびショットキー接点を組み込むことにより、高パフォーマンス伸縮性電子デバイス(例えば金属−半導体電界効果トランジスタ)が達成可能である。この種の電子システムは、単独でも、あるいは同様に設計されたシリコン、誘電体および/または金属材料と組み合わせて、伸縮性、極度の柔軟性または複雑な曲線形状の表面に合致する能力と共に高周波動作が求められる用途向けの回路を形成するのに使用可能である。
[Example 2] Buckling ribbon of GaAs for high performance electronics on elastomer substrate
[0125] Single crystal GaAs ribbons with thicknesses in the submicron range and distinct "wavy" and / or "buckling" geometries are made. The resulting structure exhibits reversible extensibility and compressibility up to> 10% strain, which is more than 10 times greater than that of GaAs itself, embedded on or in the surface of the elastomeric substrate. By incorporating ohmic and Schottky contacts on GaAs ribbons having these structures, high performance stretchable electronic devices (eg, metal-semiconductor field effect transistors) can be achieved. This type of electronic system, either alone or in combination with similarly designed silicon, dielectric and / or metallic materials, operates at high frequencies with the ability to conform to stretch, extreme flexibility or complex curved surfaces Can be used to form circuits for applications that require

[0126]従来のマイクロエレクトロニクスにおけるパフォーマンス能力は、主に速度、出力効率および集積レベルの点で測定される。他の、比較的最近のエレクトロニクスの形式における進歩は、その代わりに今までにない基板(例えば、低コストプラスチック、フォイル、ペーパー)上の集積を達成する能力または大面積をカバーする能力により促進される。例えば、X線医療診断の新たな形式が、身体を共形で包み込み所望の組織をデジタル撮像する大面積撮像装置で達成可能である。各種表面および表面形状上に展開可能な軽量、壁大のディスプレイまたはセンサーにより、建築設計向けの新たな技術が提供される。小有機分子、ポリマー、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンナノワイヤおよびマイクロ構造リボンを含む各種材料が、これらまたは他の用途に対応する可能性を持ったタイプの薄膜エレクトロニクスの半導体チャネルとして機能するように検討されてきた。これらの材料により、広範囲にわたる(すなわち10−5〜500cm/V・s)移動度を持ち、フレキシブル基板上で機械的に湾曲可能な薄膜形式のトランジスタが可能となる。大口径干渉合成開口レーダー(InSAR)および高周波監視システム等の高速動作が求められる用途には、GaAsまたはInP等のより高い移動度を持った半導体が必要とされる。単結晶化合物半導体の脆弱性が、高速、フレキシブルトランジスタをそれで作製するために克服すべき多くの作製課題を生み出す。本発明者らは、高品質バルクウエハーから作成した印刷GaAsワイヤアレイを用いて、金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)をプラスチック基板上に構築するための実際的なアプローチを確立する。これらのデバイスは、中程度規模のデバイス(例えばミクロンゲート長)であっても優れた機械的柔軟性と2GHzに近いfを示す。この例は、曲げ性だけでなくGaAs自体の固有降伏点(−2%)を大幅に上回る(〜10%)歪みレベルまでの機械的伸縮性をももたらす特殊なジオメトリで設計された(ワイヤデバイスとは対照的な)GaAsリボンベースMESFETを実証する。得られたタイプの伸縮性高パフォーマンス電子システムは、極度に高いレベルの曲げ性および曲線表面に共形で組み込まれる能力をもたらす。このGaAsシステム例は、本発明者らが述べた「波状」シリコンを(i)実際問題としてSiと比べてずっと機械的に脆弱な材料であるGaAsにおける伸縮性を実証する点、(ii)前述の「波状」形態とともに、またはそれとは別個に伸縮性のために利用可能な新たな「座屈」ジオメトリを導入する点、(iii)新種の伸縮性デバイス(すなわち、上記MESFET)を実現する点ならびに(iv)圧縮/伸張状態でシリコンにおいて達成されたよりもより大きい範囲にわたってより大きな対称性をもった伸縮を実証する点の4つの重要な点で進展させるものである。 [0126] Performance capability in conventional microelectronics is measured primarily in terms of speed, power efficiency, and integration level. Advances in other, more recent electronics formats are instead driven by the ability to achieve integration on unprecedented substrates (eg, low cost plastics, foils, paper) or cover large areas. The For example, a new form of X-ray medical diagnosis can be achieved with a large area imaging device that wraps the body in a conformation and digitally images the desired tissue. Lightweight, wall-sized displays or sensors that can be deployed on various surfaces and surface shapes provide new technology for architectural design. A variety of materials, including small organic molecules, polymers, amorphous silicon, polycrystalline silicon, single crystal silicon nanowires and microstructured ribbons, serve as semiconductor channels for types of thin-film electronics that have the potential to accommodate these and other applications Has been considered. These materials enable thin-film transistors that have a wide range of mobility (ie 10 −5 to 500 cm 2 / V · s) and can be bent mechanically on a flexible substrate. For applications that require high-speed operation such as large-diameter interference synthetic aperture radar (InSAR) and high-frequency monitoring systems, semiconductors with higher mobility such as GaAs or InP are required. The fragility of single crystal compound semiconductors creates many fabrication challenges that must be overcome in order to fabricate high speed, flexible transistors therewith. We have established a practical approach for building metal semiconductor field effect transistors (MESFETs) on plastic substrates using printed GaAs wire arrays made from high quality bulk wafers. These devices exhibit f T close to excellent mechanical flexibility and 2GHz even moderate-scale device (e.g. micron gate length). This example was designed with a special geometry that provides not only bendability, but also mechanical stretchability to strain levels well above the inherent yield point of GaAs itself (-2%) (-10%). Demonstrates GaAs ribbon-based MESFETs (as opposed to). The resulting type of stretchable high performance electronic system provides an extremely high level of bendability and the ability to be conformally incorporated into a curved surface. This GaAs system example demonstrates the “wavy” silicon described by the inventors (i) demonstrates the stretchability in GaAs, a material that is much more mechanically fragile than Si in practice. Introducing a new “buckling” geometry that can be used for stretchability with or separately from the “wavy” form of (iii), realizing a new kind of stretchable device (ie, the above MESFET) And (iv) progress in four important respects: demonstrating stretch with greater symmetry over a greater range than that achieved in silicon in compression / extension conditions.

[0127]図22は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)から成るエラストマー基板上で伸縮性GaAsリボンを作成するステップを示す。このリボンは、GaAsの高品質バルクウエハーから多数のエピタキシャル層をもって生成される。このウエハーは、200nm厚のAlAs層を(100)半絶縁性GaAs(Si−GaAs)ウエハー上で成長させ、次に150nm厚のSi−GaAs層と120nm厚でキャリア濃度4×1017cm−3のSiドープn型GaAs層を順次することにより調製される。(011)結晶は移行に平行に規定されたフォトレジストラインのパターンが、(GaAsおよびAlAs)を含む表面層の化学エッチングのためのマスクとして働く。HPOおよびHの水性エッチング液での異方性エッチングにより、これら上部層をフォトレジストにより規定された長さおよび方向とウエハー表面に対して鋭角を形成する側壁を持った個々のバーに隔離した。異方性エッチング後にフォトレジストを除去し、ウエハーをHF(エタノールと49%水性HF間の体積比で2:1)エタノール溶液中に浸してAlAs層を除去し、GaAsのリボン(n−GaAs/Si−GaAs)を分離した。このステップに水でなくエタノールを用いることにより、乾燥中に毛管力の作用のために脆弱なリボンで発生しうる亀裂を低減する。水に比べて低いエタノールの表面張力もまた、GaAsリボンの空間レイアウトにおいて乾燥により生じる障害を最小限に抑える。次のステップで、分離されるGaAsリボンを備えたウエハーは、リボンが伸張の方向に沿って配列されて、PDMSの前伸張された平坦なスラブの表面に接触される。この場合には、ファンデルワールス力がPDMSとGaAsの間の相互作用を支配する。より強い相互作用強度が必要な場合には、本発明者らは、SiOの薄層をGaAs上に堆積し、接触直前にPDMSを紫外線で誘発されたオゾン(すなわち大気中の酸素生成物)にさらす。オゾンは−Si−OH基をPDMSの表面上に作り、これが架橋シロキサン−Si−O−Si結合を形成するための接触時にSiOの表面と反応する。堆積されたSiOは、その側壁のジオメトリにより各リボンのエッジで不連続になる。強弱結合形成手順のいずれについても、PDMSをマザーウエハーから剥離することにより全てのリボンがPDMSの表面に移送する。PDMSの前歪みを弛緩することにより、リボンに沿って大規模座屈および/または正弦曲線波状構造が自然形成される。リボンのジオメトリは、スタンプに加える前歪み(ΔL/Lで規定される)、PDMSおよびリボン間の相互作用、およびリボンの曲げ剛性に強く依存する。ここで調査しているリボンに関しては、強弱相互作用の場合のいずれについても小さい歪み(<2%)が比較的小さい波長と振幅(図22、右中央フレーム)を持った高い正弦曲線「波」を作り出す。これらのGaAsにおけるジオメトリは、Siについて報告されたものと類似している。リボンおよび基板間に強い結合相互作用がある類似のタイプの波を作り出すために、より高い前歪み(例えば最大−15%)を加えることができる。弱い相互作用強度および大きい歪みの場合には、比較的大きい振幅および幅(図22右上フレーム)を持った非周期「座屈」から成る異なるタイプのジオメトリが形成される。加えて、本発明者らの結果はいずれの種類の構造(座屈および波)も、(例えば、デバイス構造に付随する厚さの変動によって)曲げ剛性がその長さに沿って変動する1つのリボン内に共存可能であることを示している。 [0127] FIG. 22 shows the steps of making a stretchable GaAs ribbon on an elastomeric substrate made of polydimethylsiloxane (PDMS). This ribbon is produced with multiple epitaxial layers from a high quality GaAs bulk wafer. The wafer was grown on a (100) semi-insulating GaAs (Si-GaAs) wafer with a 200 nm thick AlAs layer, then a 150 nm thick Si-GaAs layer and a 120 nm thick carrier concentration of 4 × 10 17 cm −3. The silicon-doped n-type GaAs layers are prepared sequentially. The (011) crystal acts as a mask for chemical etching of a surface layer containing (GaAs and AlAs) with a pattern of photoresist lines defined parallel to the transition. By anisotropic etching with an aqueous etchant of H 3 PO 3 and H 2 O 2 , these top layers have individual lengths and directions defined by the photoresist and sidewalls forming acute angles with the wafer surface. Isolated on the bar. After the anisotropic etching, the photoresist is removed, the wafer is immersed in HF (2: 1 volume ratio between ethanol and 49% aqueous HF) ethanol solution to remove the AlAs layer, and a GaAs ribbon (n-GaAs / Si-GaAs) was isolated. By using ethanol instead of water for this step, cracks that can occur in brittle ribbons due to the action of capillary forces during drying are reduced. The low ethanol surface tension compared to water also minimizes the obstacles caused by drying in the spatial layout of the GaAs ribbon. In the next step, the wafer with the separated GaAs ribbon is brought into contact with the pre-stretched flat slab surface of the PDMS with the ribbon aligned along the direction of stretch. In this case, van der Waals forces dominate the interaction between PDMS and GaAs. If stronger interaction strength is needed, we deposit a thin layer of SiO 2 on GaAs and UV light-induced ozone (ie, atmospheric oxygen products) just before contact with PDMS. Expose to. Ozone creates a -Si-OH groups on the surface of the PDMS, which reacts with SiO 2 surface upon contact to form a crosslinked siloxane -Si-O-Si bonds. The deposited SiO 2 becomes discontinuous at the edge of each ribbon due to its sidewall geometry. For any of the strong and weak bond formation procedures, all ribbons are transferred to the surface of the PDMS by peeling the PDMS from the mother wafer. By relaxing the pre-strain of PDMS, large buckling and / or sinusoidal wave structures are naturally formed along the ribbon. The geometry of the ribbon is strongly dependent on the pre-strain applied to the stamp (defined by ΔL / L), the interaction between the PDMS and the ribbon, and the bending stiffness of the ribbon. For the ribbons investigated here, a high sinusoidal “wave” with a relatively small wavelength and amplitude (FIG. 22, right center frame) with small distortion (<2%) for both strong and weak interactions. To produce. The geometry in these GaAs is similar to that reported for Si. Higher prestrain (eg, up to -15%) can be applied to create similar types of waves with strong bonding interactions between the ribbon and the substrate. In the case of weak interaction strength and large strain, a different type of geometry consisting of aperiodic “buckling” with relatively large amplitude and width (FIG. 22 upper right frame) is formed. In addition, our results show that for any type of structure (buckling and wave), the bending stiffness varies along its length (eg, due to thickness variations associated with the device structure). It shows that they can coexist in the ribbon.

[0128]図23は、PDMS(〜5mm厚)およびリボン間の強い結合を持って形成された、270nm厚(n−GaAsおよびSi−GaAsを含む)で100μm幅(本実施例で議論するリボンは100μmの幅を有する)の波状GaAsリボンの複数の顕微鏡写真を示す。この作製は、GaAs上の2nmTiおよび28nmSiO層を用いて強い結合形成のための手順に従う。〜1.9%の2軸前歪み(PDMSの熱応答から算出)が、結合形成直前および結合形成中のPDMSにおける熱膨張(オーブンで90℃まで加熱)により生じる。この加熱は、界面シロキサン結合の形成をも加速する。GaAsリボンを移送後にPDMSを室温(〜27℃)まで冷却することにより、前歪みを弛緩する。図23のフレームA、BおよびCは、同じ試料から光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)および原子間力顕微鏡(AFM)でそれぞれ収集された画像を示す。この画像は、GaAsリボンにおける周期性波状構造の形成を示している。この波は、AFM画像(図23D)からラインカットを評価することにより定量的に解析される(図23Eおよび23F)。リボンの長手方向に平行な外形は、正弦波への計算近似(図23Eの点線)に一致する周期的波状プロファイルを明確に示している。この結果は、半無限低弾性支持体上の均一薄型高弾性層における初期の座屈ジオメトリの非線形解析と一致する。この関数に関連するピーク間振幅および波長はそれぞれ2.56および35.0μmと決定される。スタンプ上の隣接する2つのピーク間水平距離(すなわち波長)とそれらの実際のピーク間外形長(すなわち、AFMにより測定された表面距離)の比から計算される歪み(本発明者らはリボン歪みと呼ぶ)により、PDMSにおける前歪みより小さい値(すなわち1.3%)が得られる。この差は、PDMSの低剛性率と、PDMS基板の長さよりも短いGaAsリボンの長さに関連するアイランド効果によるものである。山および谷でのGaAsリボンの表面歪み(本発明者らは最大GaAs歪みと呼ぶ)は、κを曲率としたときのκh/2に応じた波の山または谷でのリボンの厚さおよび曲率半径から推定される。この評価では、PDMSをGaAsに比べて低い弾性率(GaAsのヤング率:85.5GPaに対してPDMSのヤング率:2MPa)の半無限支持体として扱えるため、PDMSスタンプにおける歪みのGaAsに対する直接的な寄与が無視されている。図23Eのデータについて、最大GaAs歪みは〜0.62%であり、これはリボン歪み(すなわち1.3%)の1/2より小さい。この機械的な利点により、波状Siについて見出されたのと同様の物理をもったGaAsリボンの伸縮性が得られる。 [0128] FIG. 23 is a ribbon of 270 nm thickness (including n-GaAs and Si-GaAs), 100 μm wide (including the ribbon discussed in this example), formed with strong coupling between PDMS (˜5 mm thickness) and ribbon. Shows a plurality of photomicrographs of a wavy GaAs ribbon (having a width of 100 μm). This fabrication follows the procedure for strong bond formation using 2 nm Ti and 28 nm SiO 2 layers on GaAs. A ˜1.9% biaxial pre-strain (calculated from the thermal response of PDMS) is caused by thermal expansion (heating to 90 ° C. in an oven) in PDMS immediately before and during bond formation. This heating also accelerates the formation of interfacial siloxane bonds. The prestrain is relaxed by cooling the PDMS to room temperature (˜27 ° C.) after transferring the GaAs ribbon. Frames A, B, and C in FIG. 23 show images collected from the same sample with an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), and an atomic force microscope (AFM), respectively. This image shows the formation of a periodic wavy structure in a GaAs ribbon. This wave is quantitatively analyzed by evaluating line cuts from the AFM image (FIG. 23D) (FIGS. 23E and 23F). The outline parallel to the longitudinal direction of the ribbon clearly shows a periodic wavy profile consistent with a computational approximation to a sine wave (dotted line in FIG. 23E). This result is consistent with the nonlinear analysis of the initial buckling geometry in a uniform thin high elastic layer on a semi-infinite low elastic support. The peak-to-peak amplitude and wavelength associated with this function are determined to be 2.56 and 35.0 μm, respectively. Distortion calculated by the ratio of the horizontal distance (ie wavelength) between two adjacent peaks on the stamp and their actual peak-to-peak profile length (ie surface distance measured by AFM) Will give a value smaller than the pre-distortion in PDMS (ie 1.3%). This difference is due to the low stiffness of PDMS and the island effect associated with the length of the GaAs ribbon being shorter than the length of the PDMS substrate. The surface strain of the GaAs ribbon at the peaks and valleys (we call the maximum GaAs strain) is the thickness and curvature of the ribbon at the peaks or valleys of the wave according to κh / 2 where κ is the curvature. Estimated from the radius. In this evaluation, since PDMS can be treated as a semi-infinite support having a lower elastic modulus than GaAs (Young's modulus of GaAs: 85.5 GPa and Young's modulus of PDMS: 2 MPa), the strain in the PDMS stamp is directly affected by GaAs. Contributions are ignored. For the data in FIG. 23E, the maximum GaAs strain is ˜0.62%, which is less than ½ of the ribbon strain (ie 1.3%). This mechanical advantage provides the stretchability of GaAs ribbons with physics similar to that found for wavy Si.

[0129]図23Fに示すように、リボンの山および谷領域は、前歪みPDMS(すなわちリボン無し領域)の表面の外形レベル(緑のカーブの右側部分)よりもそれぞれより高くまた低い。この結果は、山および谷部のGaAsリボンによりPDMSにそれぞれ付与される上向きおよび下向きの力の結果として、GaAs下層のPDMSが波状プロファイルを取ることを示している。波のピーク近傍のPDMSの精密なジオメトリを直接評価することは難しい。本発明者らは、上方向の変形に加えてポワソン効果による横方向のくびれもあるのではないかと疑っている。PDMSスタンプ上の波状リボンは、PDMSに歪みを加えることによって(伸張にはプラス、圧縮にはマイナスとしてそれぞれ表示される、いわゆる加えた歪み)伸張および圧縮可能である。図23Aおよび23Bの挿入図は、比較的小さい伸張歪み(すなわち〜1.5%)を加えた際に元の平坦なジオメトリに変形するリボンの画像を示す。さらに伸張することにより、平坦なGaAsリボンにより大きな引っ張り歪みが移り、この過剰な歪みがGaAsの破壊歪みに達するとリボンの破損が発生する。基板に加えた圧縮歪みが、波状リボンの波長を小さくし、振幅を大きくする。山(および谷)での曲げ歪みが破壊歪みを超えると圧縮状態で破壊が発生する。この歪みに応じた波長の変動は、シリコンで以前観察されたものに一致し、理想モデルに由来する波長の不変性の予測とは異なる。   [0129] As shown in FIG. 23F, the peak and valley regions of the ribbon are respectively higher and lower than the surface profile level (the right part of the green curve) of the pre-distorted PDMS (ie, no ribbon region). This result shows that the PDMS under the GaAs has a wave-like profile as a result of the upward and downward forces applied to the PDMS by the ridge and valley GaAs ribbons, respectively. It is difficult to directly evaluate the precise geometry of PDMS near the wave peak. The present inventors suspect that in addition to the upward deformation, there is also a lateral constriction due to the Poisson effect. The wavy ribbon on the PDMS stamp can be stretched and compressed by adding strain to the PDMS (so-called added strain, displayed as plus for decompression and minus for compression, respectively). The insets in FIGS. 23A and 23B show an image of a ribbon that deforms to its original flat geometry when a relatively small stretch strain (ie, ˜1.5%) is applied. By further stretching, a large tensile strain is transferred to the flat GaAs ribbon, and when this excessive strain reaches the fracture strain of GaAs, the ribbon breaks. The compressive strain applied to the substrate reduces the wavelength of the wavy ribbon and increases the amplitude. When the bending strain at the peaks (and valleys) exceeds the fracture strain, fracture occurs in the compressed state. This variation in wavelength as a function of strain is consistent with that previously observed in silicon and is different from the prediction of wavelength invariance derived from the ideal model.

[0130]波状GaAsリボンの伸縮性は、(熱膨張とは対照的な)機械的ステージを用いてPDMSに加える前歪みを大きくすることにより改善可能である。例えば、SiO層を持ったGaAsリボンを前歪み7.8%のPDMSスタンプの表面上に移送することによって、GaAsにおける観察可能な亀裂が無い波状リボンを生成した(図24のA)。この場合のピークでの曲げ歪みは、〜1.2%と推定されるが、これはGaAsの破壊歪み(〜2%)よりも低い。この低歪みの場合と同様に、システムが伸張および圧縮される(波長および振幅が加えた歪みを吸収するように変化する)際に、波状リボンがアコーディオン状に動く。図24のAに示すように、波長は、リボンが平坦になるまで引っ張り歪みに応じて大きくなり、リボンが破損するまで圧縮歪みとともに小さくなる。これらの変形は完全に可逆的であり、PDMS上のGaAsの測定可能なスリップはなんら含まない。弱い結合および非常に低い前歪みを持ったSiリボンにおいて観察されるやや非対称な挙動とは対照的に、波長が圧縮および伸張のいずれの状態でも加えた歪みに応じて線形に変化する(図24のBの黒のラインおよび記号を参照のこと)。 [0130] The stretchability of wavy GaAs ribbons can be improved by using a mechanical stage (as opposed to thermal expansion) to increase the pre-strain applied to PDMS. For example, by transferring a GaAs ribbon with a SiO 2 layer onto the surface of a PDMS stamp with a pre-strain of 7.8%, a wavy ribbon without observable cracks in GaAs was generated (A in FIG. 24). The peak bending strain in this case is estimated to be ~ 1.2%, which is lower than the fracture strain of GaAs (~ 2%). As with this low distortion case, the wavy ribbon moves in an accordion as the system is stretched and compressed (wavelength and amplitude change to absorb the added distortion). As shown in FIG. 24A, the wavelength increases according to the tensile strain until the ribbon becomes flat, and decreases with the compressive strain until the ribbon breaks. These deformations are completely reversible and do not contain any measurable slip of GaAs on PDMS. In contrast to the slightly asymmetric behavior observed in Si ribbons with weak bonds and very low prestrain, the wavelength varies linearly with applied strain in both compression and extension states (FIG. 24). (See black line and symbol in B).

[0131]実際の用途において、GaAsリボンおよびデバイスをそれらの伸縮性を維持するような方法で封入することは有用である。1つの可能性の簡単な実証として、本発明者らは、PDMSにリボンを埋め込むために図24のAに示したもの等の試料上でPDMSプレポリマーを成型および硬化した。埋め込みシステムは、埋め込みでないものと類似の機械的挙動を示す、すなわちシステムを伸張すると波長が大きくなりシステムを圧縮すると波長が小さくなる(図24のBの赤のラインおよび記号)。PDMSの第2層の硬化による収縮がいくらかの適度な量の追加歪み(〜1%)を生成した。この歪みによって波状リボンの波長がわずかに小さくなったので、伸縮性の範囲が若干拡大した。図24のBは、この差分を示している。全体として、〜7.8%の前歪みで生成されたシステムは、GaAsに観察可能な破損を生じることなく最大〜10%の歪みまで伸張また圧縮可能である。   [0131] In practical applications, it is useful to encapsulate GaAs ribbons and devices in such a way as to maintain their stretchability. As a simple demonstration of one possibility, we molded and cured a PDMS prepolymer on a sample such as that shown in FIG. 24A to embed a ribbon in PDMS. The embedded system exhibits similar mechanical behavior to that of the non-embedded, ie, the wavelength increases when the system is stretched and decreases when the system is compressed (red line and symbol in FIG. 24B). Shrinkage due to curing of the second layer of PDMS produced some modest amount of additional strain (˜1%). This distortion slightly reduced the wavelength of the wavy ribbon, thus slightly expanding the stretch range. FIG. 24B shows this difference. Overall, a system produced with ˜7.8% pre-strain can be stretched and compressed up to ˜10% strain without observable damage to GaAs.

[0132] PDMSに移送する前に、電極がウエハー上の金属化および処理によって形成されるMESFET等の高パフォーマンス電子デバイスを作製するのに、PDMS基板上の波状GaAsリボンを利用可能である。これらの金属層は空間的に依存した方法でリボンの曲げ剛性を変化させる。図25Aは、〜1.9%の前歪みを持ったPDMS基板への移送後、オーム縞(ソースおよびドレイン電極)およびショットキー接点(ゲート電極)と一体化されたGaAsリボンを示している。AuGe(70nm)/Ni(10nm)/Au(70nm)を含む金属スタックから成るオーム接点が、流動Nで石英管内に上昇した温度で(すなわち450℃で1分間)ウエハーを順次アニールするとともに、リソグラフィで規定されたマスクによってオリジナルのウエハー上に形成されるこれらのオームセグメントは500μmの長さを有する。2個の隣接するオーム接点間の距離は500μm(すなわちチャネル長)である。240μmの長さ(ゲート長)を持つショットキー接点は、75nmCr層と75nmAu層をフォトリソグラフィで設計したマスクに対して電子ビーム蒸着によって直接堆積することにより生成される。電極はGaAsリボンと等しい、すなわち100μmの幅を有し、それらの比較的大きいサイズがプローブを容易にする。電極および半導体チャネルの寸法は、より高度のデバイスパフォーマンスを他精するためにかなり小さくすることが可能である。図25Aに示すように、これらの伸縮性GaAsMESFETSは、電極の無い領域においてのみ短距離周期波を示す。主に金属に関連する追加の厚みによって、比較的厚い領域に波が無いことが、それらの高い曲げ剛性に寄与することもあり得る。周期波は、−3%より大きい前歪みを用いて比較的厚い領域において初期化することが可能である。しかしながら、これらの場合には、金属電極のエッジでこれらエッジ近傍の重大な欠陥および/または高いピーク歪みによってリボンが破損しやすい。故障モードは、伸縮性を限定する。 [0132] The wavy GaAs ribbon on the PDMS substrate can be used to make high performance electronic devices such as MESFETs whose electrodes are formed by metallization and processing on the wafer prior to transfer to PDMS. These metal layers change the bending stiffness of the ribbon in a spatially dependent manner. FIG. 25A shows a GaAs ribbon integrated with ohmic stripes (source and drain electrodes) and Schottky contacts (gate electrodes) after transfer to a PDMS substrate with ˜1.9% prestrain. An ohmic contact consisting of a metal stack comprising AuGe (70 nm) / Ni (10 nm) / Au (70 nm) anneals the wafer sequentially at a temperature elevated into the quartz tube with flowing N 2 (ie at 450 ° C. for 1 minute), These ohmic segments formed on the original wafer by a lithographically defined mask have a length of 500 μm. The distance between two adjacent ohmic contacts is 500 μm (ie channel length). A Schottky contact having a length of 240 μm (gate length) is generated by directly depositing a 75 nm Cr layer and a 75 nm Au layer on a photolithography designed mask by electron beam evaporation. The electrodes are equal to GaAs ribbons, ie have a width of 100 μm, and their relatively large size facilitates the probe. The dimensions of the electrodes and semiconductor channels can be significantly reduced to achieve higher device performance. As shown in FIG. 25A, these stretchable GaAs MESFETS show a short-range periodic wave only in a region where there is no electrode. Due to the additional thickness primarily associated with metal, the absence of waves in relatively thick areas may contribute to their high bending stiffness. The periodic wave can be initialized in a relatively thick region with a pre-distortion greater than −3%. However, in these cases, the ribbon is prone to breakage at the edges of the metal electrode due to critical defects and / or high peak distortions near these edges. The failure mode limits stretchability.

[0133]この限定を回避するため、本発明者らは、シロキサン結合をなくすことによってMESFETおよびPDMS間の相互作用の強度を低下した。このような試料について、>3%の前歪みが、PDMS表面からリボンを物理的に分離することにより、比較的大きな幅および振幅を有する大きい非周期的座屈を生成した。図25Bは、−7%の前歪みを持って調製されたこのタイプのシステムを示し、そこでは大きな座屈がデバイスの比較的薄い領域に形成されている。分離は、垂直なラインで示したように、オーム縞を持った比較的厚いセクションに若干延びているようである。リボンに沿ったコントラストの変動は、曲面状GaAsセグメントを通る光の反射および屈折に関連する通過に寄与する。SEM画像(図25C)は、弧状座屈および平坦な非摂動PDMSの形成を明確に示す。これらの座屈は、オーム接点を持った測部への尾部を持った(赤のカーブで示したように)非対称なプロファイルを示している。この非対称性は、個々のトランジスタについてオーム縞およびショットキー接点の不均等な長さ(500μm対240μm)に寄与することもあり得る。この種の座屈MESFETは、〜6%および〜7%の間の加えた伸張歪みでその元の平坦な状態(図25D)へと伸張することができる。しかしながら、図25Bに示したシステムを圧縮することにより、弱い結合のためにPDMS表面からリボンが連続的に分離されてより大きな座屈が形成される。上述した手順に従ってこれらのデバイスをPDMSに埋め込むことにより、この種の制御されない挙動を排除する。図25Bはこのようなシステムを示しており、ここで液体PDMS前駆体が座屈下部のギャップを満たす。完全に周囲を囲んだPDMSは、リボンを閉じ込めてそのスライドや分離を防ぐ。埋め込まれたデバイスは、リボンを破損することなく最大〜6%まで可逆的に伸張および圧縮可能である。埋め込まれたシステムが−5.83%圧縮された場合に(図25Eの上フレーム)、座屈領域の新たなリップルと同様に周期性の小さい波が金属電極のある領域に形成される。これらの新たな小さい波の形成は、大きい座屈と組み合わさって圧縮性を高める。システムを伸張することにより、座屈領域にこれら座屈をいくらか平坦化可能とするような方法でPDMSを圧縮および伸張させ、これによってリボンの突出した長さを延長する(図25Eの下フレーム)。これらの結果は、大きい座屈を持って埋め込まれたデバイスが、波とはジオメトリが異なるものの、波状アプローチと組み合わせて、またはそれとは別個に利用可能な伸張性および圧縮性を達成するための有望な方法を示すことを示唆している。   [0133] To circumvent this limitation, we reduced the strength of the interaction between MESFET and PDMS by eliminating siloxane bonds. For such samples,> 3% pre-strain produced a large aperiodic buckling with a relatively large width and amplitude by physically separating the ribbon from the PDMS surface. FIG. 25B shows this type of system prepared with a prestrain of −7%, where large buckling is formed in a relatively thin area of the device. The separation appears to extend slightly into a relatively thick section with ohmic stripes, as shown by the vertical lines. Contrast variations along the ribbon contribute to the passage associated with reflection and refraction of light through the curved GaAs segment. The SEM image (FIG. 25C) clearly shows the formation of arc buckling and flat unperturbed PDMS. These bucklings show an asymmetric profile (as shown by the red curve) with a tail to the measuring part with an ohmic contact. This asymmetry can contribute to unequal lengths of ohmic stripes and Schottky contacts (500 μm vs. 240 μm) for individual transistors. This type of buckled MESFET can stretch to its original flat state (FIG. 25D) with an applied strain between ˜6% and ˜7%. However, by compressing the system shown in FIG. 25B, the ribbon is continuously separated from the PDMS surface due to weak bonding, resulting in greater buckling. Embedding these devices in PDMS according to the procedure described above eliminates this type of uncontrolled behavior. FIG. 25B shows such a system, where the liquid PDMS precursor fills the gap below the buckling. Fully enclosed PDMS traps the ribbon to prevent its sliding and separation. The embedded device can be reversibly stretched and compressed up to ~ 6% without damaging the ribbon. When the embedded system is compressed by −5.83% (upper frame in FIG. 25E), a wave with less periodicity is formed in the region with the metal electrode as well as a new ripple in the buckling region. These new small wave formations combine with large buckling to increase compressibility. Stretching the system compresses and stretches the PDMS in a manner that allows some of these buckling to be flattened in the buckled region, thereby extending the protruding length of the ribbon (lower frame in FIG. 25E). . These results show the promise for devices with large buckling to achieve extensibility and compressibility available in combination with, or separately from, the wave-like approach, although the geometry is different from the wave. Suggests a good way.

[0134]座屈デバイスのパフォーマンスは、ソースからドレインへの電流を直接プローブすることにより評価可能である。図26のAは、ウエハー上に作製され、平坦なPDMSスタンプを用いて持ち上げられ、4.7%の前歪みを持ったPDMS基板上に移送印刷されたGaAsリボンデバイスを示す。この形態において、金属電極は電気的プローブのために空気にさらされる。前伸張PDMSが3.4%の歪みまで弛緩された後、周期性の小さい波がMESFETの薄い領域に形成される(図26のA、上から2番目のフレーム)。前伸張PDMSが完全に弛緩されると、純GaAsの各セグメントの小さい波が合体して大きな座屈となる(図26のA、上から3番目のフレーム)。座屈デバイスは、4.7%の加えた伸張歪みによりそれらの平坦な状態まで伸張可能である(図26のA、下フレーム)。0.0%(図26のA、上から3番目のフレーム)および4.7%(図26のA、下フレーム)の加えた歪みでの同じデバイスのIV曲線が、赤および黒色でそれぞれ図26のBにプロットされている。この結果は、PDMS基板上の座屈MESFETのソースからドレインへの電流が、ゲートに印加した電圧に応じて十分に調整可能であること、ならびに加えた伸張歪みがデバイスのパフォーマンスに小さい影響しか及ぼさないことを示している。   [0134] The performance of a buckling device can be evaluated by directly probing the current from the source to the drain. FIG. 26A shows a GaAs ribbon device fabricated on a wafer, lifted using a flat PDMS stamp, and transfer printed onto a PDMS substrate with a pre-strain of 4.7%. In this form, the metal electrode is exposed to air for the electrical probe. After the pre-stretched PDMS is relaxed to a strain of 3.4%, a less periodic wave is formed in the thin region of the MESFET (A in FIG. 26, second frame from the top). When the pre-stretched PDMS is completely relaxed, the small waves of the pure GaAs segments coalesce and become large buckled (A in FIG. 26, third frame from the top). The buckling devices can be stretched to their flat state with an applied strain of 4.7% (A in FIG. 26, lower frame). The IV curves of the same device with applied strains of 0.0% (A in FIG. 26, third frame from the top) and 4.7% (A in FIG. 26, bottom frame) are shown in red and black, respectively. Plotted at 26 B. This result shows that the current from the source to the drain of the buckled MESFET on the PDMS substrate can be adjusted sufficiently depending on the voltage applied to the gate, and that the added strain only has a small impact on device performance. It shows no.

[0135]要約すれば、本実施例は、PDMSエラストマー基板上またはその内部に埋め込まれた「座屈」および「波状」GaAsリボンを形成するアプローチを開示するものである。これらリボンのジオメトリ形態は、作製で用いられる前歪みのレベル、PDMSおよびリボン間の相互作用強度、ならびに使用する材料の厚さおよび種類に依存する。GaAs多層スタックの座屈および波状リボンおよび完全に形成されたMESFETデバイスは、加えた歪みを吸収可能な方法でそれら歪みを材料自体に移送することなくそのジオメトリを調整できるため、大きなレベルの圧縮性/伸張性を示す。GaAsのような本質的に脆弱な材料において、大きなレベルの機械的伸張性(および、結果として極度の曲げ性等の他の魅力的な機械的特性)の実現に成功することにより、広範囲な他の種類の材料に適用可能な同様の方策が得られる。   [0135] In summary, this example discloses an approach to forming "buckled" and "wavy" GaAs ribbons embedded on or within a PDMS elastomer substrate. The geometric form of these ribbons depends on the level of pre-strain used in the fabrication, the strength of interaction between the PDMS and the ribbon, and the thickness and type of material used. GaAs multilayer stack buckling and corrugated ribbons and fully formed MESFET devices can adjust their geometry in a way that can absorb the applied strains without transferring them to the material itself, thus providing a high level of compressibility / Shows extensibility. A wide range of others have been achieved by successfully achieving large levels of mechanical extensibility (and consequently other attractive mechanical properties such as extreme bendability) in intrinsically fragile materials such as GaAs. Similar strategies applicable to this kind of material are obtained.

[0136]熱的に誘導される前歪みはPDMSスタンプの熱膨張に起因し、α=3.1×10−4μm/μm/℃のバルク線形熱膨張率を有する。一方、GaAsについての熱膨張率は、5.73×10−6μm/μm/℃に過ぎない。したがって、90℃で調製され27℃まで冷却された試料についてのPDMS上の前歪み(GaAsリボンと比べて)は、Δα×ΔT=(3.1×10−4−5.73×10−6)×(90−27)=1.9%に従って決定される。 [0136] The thermally induced pre-strain is due to the thermal expansion of the PDMS stamp and has a bulk linear thermal expansion coefficient of α L = 3.1 × 10 −4 μm / μm / ° C. On the other hand, the thermal expansion coefficient for GaAs is only 5.73 × 10 −6 μm / μm / ° C. Thus, the pre-strain on PDMS (compared to the GaAs ribbon) for the sample prepared at 90 ° C. and cooled to 27 ° C. is Δα L × ΔT = (3.1 × 10 −4 −5.73 × 10 − 6 ) x (90-27) = 1.9%.

[0137]方法:特別設計のエピタキシャル層を持ったGaAsウエハーをIQE社, Bethlehem, PAから購入した。リソグラフィプロセスは、AZフォトレジスト、すなわちAZ5214およびAZ nLOF 2020をポジおよびネガ撮像にそれぞれ用いた。フォトレジストマスクパターンを持ったGaAsウエハーを、冷水層で冷却されたエッチング液(4mL HPO(85重量%)、52mL H(30重量%)、および48mL脱イオン水)で異方性エッチングする。AlAs層をエタノール(体積比1:2)中の希釈HF溶液(Fisher(登録商標)ケミカルズ社)で溶解する。マザーウエハー上の解放したリボンを持った試料をヒュームフード内で乾燥する。乾燥した試料を、電子ビーム蒸着器(Temescal社 FC−1800)のチャンバ内に置かれて順次2nmTiおよび28nmSiOの層でコーティングする。AlAs層を除去する前に、MESFETデバイス用の金属を電子ビーム蒸着により堆積する。低弾性PDMS(A:B=1:10、slygard 184, Dow Corning社)の混合物を、単層の(トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチル)−1−トリクロロシランで前変性したシリコンウエハー片上に注ぐことによって、〜5mm厚のPDMSスタンプを調製し、次に65℃で4時間焼成する。強い結合を生成するために、スタンプをUV光に5分間さらす。移送プロセスでは、スタンプを(オーブン内で)熱膨張および/または機械的な力により伸張する。次に、解放されたリボンを持ったウエハーは、伸張されたPDMSスタンプの表面上に積層して上げた温度(必要とされる前歪みに依存)で5分間接触させる。マザーウエハーをスタンプから剥離し、全てのリボンをスタンプに移送する。スタンプに加えた前歪みは室温への冷却および/または機械的な力の除去により解放され、リボンに沿った波状プロファイルが形成される。機械的評価では、本発明者らは特別に設計したステージを用いて「波状」および「座屈」GaAsリボンを持ったPDMSスタンプを伸張および圧縮する。 [0137] Method: A GaAs wafer with a specially designed epitaxial layer was purchased from IQE, Bethlehem, PA. The lithography process used AZ photoresists, AZ5214 and AZ nLOF 2020, for positive and negative imaging, respectively. A GaAs wafer with a photoresist mask pattern was different from the etchant (4 mL H 3 PO 4 (85 wt%), 52 mL H 2 O 2 (30 wt%), and 48 mL deionized water) cooled in a cold water layer. Isotropic etching. The AlAs layer is dissolved with dilute HF solution (Fisher® Chemicals) in ethanol (volume ratio 1: 2). The sample with the released ribbon on the mother wafer is dried in a fume hood. The dried sample is placed in the chamber of an electron beam evaporator (Temescal FC-1800) and sequentially coated with layers of 2 nm Ti and 28 nm SiO 2 . Prior to removing the AlAs layer, the metal for the MESFET device is deposited by electron beam evaporation. A mixture of low elasticity PDMS (A: B = 1: 10, slygard 184, Dow Corning) was pre-modified with monolayer (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) -1-trichlorosilane A ˜5 mm thick PDMS stamp is prepared by pouring onto a piece of silicon wafer, and then baked at 65 ° C. for 4 hours. To produce a strong bond, the stamp is exposed to UV light for 5 minutes. In the transfer process, the stamp is stretched (in an oven) by thermal expansion and / or mechanical force. The wafer with the released ribbon is then contacted for 5 minutes at the elevated temperature (depending on the required pre-strain) stacked on the surface of the stretched PDMS stamp. The mother wafer is peeled from the stamp and all ribbons are transferred to the stamp. The prestrain applied to the stamp is released by cooling to room temperature and / or removal of mechanical force, forming a wave profile along the ribbon. For mechanical evaluation, we use a specially designed stage to stretch and compress PDMS stamps with “wavy” and “buckled” GaAs ribbons.

[実施例3]二次元伸縮性半導体
[0138]本発明は、互いに直交する方向を含む複数の方向に伸張、圧縮および/または屈曲可能な伸縮性半導体および伸縮性電子デバイスを提供する。本発明のこの態様の伸縮性半導体および伸縮性電子デバイスは、複数の方向に伸張および/または圧縮される際に良好な機械的および電子的特性および/またはデバイスパフォーマンスを示す。
[Example 3] Two-dimensional stretchable semiconductor
[0138] The present invention provides stretchable semiconductors and stretchable electronic devices that can stretch, compress and / or bend in multiple directions, including directions orthogonal to each other. The stretchable semiconductor and stretchable electronic devices of this aspect of the invention exhibit good mechanical and electronic properties and / or device performance when stretched and / or compressed in multiple directions.

[0139]図27A〜Cは、二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性シリコン半導体の異なる拡大率での画像である。図27A〜Bに示した伸縮性半導体は、弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて調製した。   [0139] FIGS. 27A-C are images at different magnifications of a stretchable silicon semiconductor of the present invention that exhibits stretchability in two dimensions. The stretchable semiconductor shown in FIGS. 27A and 27B was prepared by applying prestrain to an elastic substrate by thermal expansion.

[0140]図28A〜Cは、二次元で伸縮性を示す本発明の伸縮性半導体の3つの異なる構造形態の画像である。示したように、図28Aの半導体構造はエッジライン波状形態を示し、図28Bの半導体構造はヘリンボーン波状形態を示し、図28Cの半導体構造はランダム波状形態を示す。   [0140] FIGS. 28A-C are images of three different structural forms of stretchable semiconductors of the present invention that exhibit stretchability in two dimensions. As shown, the semiconductor structure of FIG. 28A exhibits an edge line wave form, the semiconductor structure of FIG. 28B exhibits a herringbone wave form, and the semiconductor structure of FIG. 28C exhibits a random wave form.

[0141]図29A〜Dは、弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて作成した本発明の伸縮性半導体の画像である。   [0141] FIGS. 29A-D are images of stretchable semiconductors of the present invention created by pre-straining an elastic substrate by thermal expansion.

[0142]図30は、弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて調製した二次元で伸縮性を示す伸縮性半導体の光学画像である。図30は、各種の伸張および圧縮条件に対応する画像を示している。   [0142] FIG. 30 is an optical image of a stretchable semiconductor exhibiting two-dimensional stretchability prepared by applying pre-strain to an elastic substrate by thermal expansion. FIG. 30 shows images corresponding to various expansion and compression conditions.

[0143]図31Aは、弾性基板に熱膨張により前歪みを加えて作製した二次元で伸縮性を示す伸縮性半導体の光学画像である。図31Bおよび31Cは、図31Aに示した伸縮性半導体の機械的特性に関する実験結果である。   [0143] FIG. 31A is an optical image of a stretchable semiconductor that is two-dimensionally stretchable and produced by applying pre-strain to the elastic substrate by thermal expansion. 31B and 31C show the experimental results regarding the mechanical properties of the stretchable semiconductor shown in FIG. 31A.

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参照および変形による援用に関する記載
[0144]以下の参考文献は、接触印刷および/または溶液印刷技術による印刷可能半導体素子の移送、組み立ておよび相互接続のために、本発明の方法で用いることができる自己集合技術に関し、その全体が参照として本明細書に組み入れられる:(1)“Guided molecular self−assembly: a review of recent efforts”, Jiyun C Huie Smart Mater. Struct. (2003) 12, 264−271; (2)“Large−Scale Hierarchical Organization of Nanowire Arrays for Integrated Nanosystems”, Whang, D.; Jin, S.; Wu, Y.;, Liever, C. M. Nano Lett. (2003)3(9), 1255−1259; (3)“Directed Assembly of One Dimensional Nanostructures into Functional Networks”, Yu Huang, Xiangfeng Duan, Qingqiao Wei, and Charles M. Lieber, Science (2001)291, 630−633; and (4) “Electric−field assisted assembly and alignment of metallic nanowires”, Peter A. Smith et al., Appl. Phys. Lett. (2000)77(9), 1399−1401.
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[0145]例えば、発行済みまたは許可済み特許または均等物を含む特許文献、特許出願公開、非公開特許出願、および非特許文献または他の資料等の本願全体を通して全ての参考文献は、個々に参照として組み入れられるが、各参考文献が少なくとも部分的に本願の開示と整合する範囲内で(例えば、部分的には整合性がないある参考文献がその参考文献のその部分的に整合性がない部分を除いて参照として組み入れられる)、その全体が参照として本明細書に組み入れられる。   [0145] All references, such as patent documents, issued patents, published patent applications, unpublished patent applications, and non-patent documents or other materials, including issued or allowed patents or equivalents, are individually referenced throughout this application. To the extent that each reference is at least partially consistent with the disclosure of this application (for example, a reference that is not partially consistent is a part of that reference that is not partially consistent). All of which are incorporated by reference).

[0146]この文書のいかなる付属書類も本明細書および/または図面の一部として、参照として組み入れられる。   [0146] Any appendices of this document are incorporated by reference as part of this specification and / or drawings.

[0147]用語「〜を備える(comprise、comprises)」、「〜を備えた」、「〜を備えている」が本明細書で用いられているが、それらは言及された記載の特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するものとして解釈されるべきであり、1つ以上の他の特徴、整数、ステップ、構成要素またはそれらの群の存在あるいは追加を排除するものではない。本発明の個々の実施形態も網羅されるよう意図されており、用語「〜を備えている」または「〜を備える」または「〜を備えた」は文法的に類似の用語、例えば、「〜から成る」または「基本的に〜から成る」と選択的に置き換えられ、これによって必ずしも同一の広がりを持たない別の実施形態についても記述している。   [0147] The terms "comprise", "comprising", "comprising" and "comprising" are used herein as they refer to the described feature, integer Should not be construed as specifying the presence of steps, components, or the presence or addition of one or more other features, integers, steps, components, or groups thereof. Individual embodiments of the invention are also intended to be covered, and the terms “comprising” or “comprising” or “comprising” are grammatically similar terms, eg, “ It also describes alternative embodiments that are selectively replaced with “consisting of” or “consisting essentially of” and thus do not necessarily have the same extent.

[0148]本発明は、種々の特定の好ましい実施形態および技術に関連して説明されてきた。しかしながら、本発明の思想および範囲内にありながら多くの変更および変形が可能であることを理解されたい。当業者には、ここで詳細に述べたもの以外の組成、方法、デバイス、デバイス素子、材料、手順および技術を、過度の実験に頼らずにここで広く開示した本発明の実施に適用可能であることは明らかである。ここで述べた組成、方法、デバイス、デバイス素子、材料、手順および技術の技術的に既知の機能的均等物の全てが、本発明により網羅されるよう意図されている。範囲が開示された場合はいつでも、全ての部分的範囲および個々の値が個別に実施されたかのように網羅されるよう意図されている。本発明は、図面で示したまたは明細書で例示されたあらゆるものを含む開示された実施形態により限定されるべきでなく、それらは限定のためでなく、例示または説明のために与えられたものである。本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。   [0148] The invention has been described with reference to various specific and preferred embodiments and techniques. However, it should be understood that many modifications and variations are possible while remaining within the spirit and scope of the invention. Those skilled in the art will be able to apply compositions, methods, devices, device elements, materials, procedures, and techniques other than those described in detail herein to practice the invention broadly disclosed herein without resorting to undue experimentation. It is clear that there is. All technically known functional equivalents of the compositions, methods, devices, device elements, materials, procedures, and techniques described herein are intended to be covered by the present invention. Whenever a range is disclosed, it is intended that all subranges and individual values be covered as if they were implemented separately. The present invention should not be limited by the disclosed embodiments, including anything shown in the drawings or illustrated in the specification, which is given for illustration or description, not limitation. It is. It is intended that the scope of the invention be limited only by the claims.

700…伸縮性半導体素子、705、777…フレキシブル基板、710…支持表面、715…湾曲半導体構造、720…曲面状内表面、730…変形軸、750…凹部領域、760…凸部形状、776…半導体構造。 700 ... Stretchable semiconductor element, 705, 777 ... Flexible substrate, 710 ... Support surface, 715 ... Curved semiconductor structure, 720 ... Curved inner surface, 730 ... Deformation axis, 750 ... Depression region, 760 ... Convex shape, 776 ... Semiconductor structure.

Claims (27)

フレキシブル基板と、
少なくとも1つの伸縮性半導体構造を備える回路パターンであり、前記フレキシブル基板の表面によって支持される、回路パターンと、
封入層またはコーティングと、
を備え、
前記封入層またはコーティングが、前記回路パターンを少なくとも部分的に封入し、
前記回路パターンの少なくとも部分的に封入された部分が、前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造を備え、
前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造が、加えられた歪みから前記回路パターンを隔離する伸縮性を前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造に与える曲面状表面を有する、伸縮性電子回路。
A flexible substrate;
A circuit pattern comprising at least one stretchable semiconductor structure, supported by the surface of the flexible substrate, and a circuit pattern;
An encapsulating layer or coating;
With
The encapsulation layer or coating at least partially encapsulates the circuit pattern ;
At least partially encapsulated portion of the circuit pattern comprises the at least one stretchable semiconductor structure;
Wherein the at least one stretchable semiconductor structure has a curved table surface giving elasticity to isolate the circuit pattern from the strain applied to the at least one stretchable semiconductor structure, stretchable electronics.
前記封入層を備え、前記封入層が添加剤を含む、請求項1に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit according to claim 1, comprising the encapsulating layer, wherein the encapsulating layer includes an additive. 前記コーティングを備え、前記コーティングが添加剤を含む、請求項1に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 1, comprising the coating, wherein the coating includes an additive. 前記曲面状表面が、少なくとも1個の凸部領域、少なくとも1個の凹部領域、または少なくとも1個の凸部領域と少なくとも1個の凹部領域の組み合わせを有する、請求項1に記載の伸縮性電子回路。 The curved table surface, at least one raised region, a combination of at least one recessed area, or at least one raised region at least one recessed area, stretch of claim 1 Electronic circuit. 前記曲面状表面が、凸部領域と凹部領域の組み合わせを有する、請求項4に記載の伸縮性電子回路。 The curved table surface has a combination of convex regions and concave regions, stretchable electronic circuit according to claim 4. 前記曲面状表面が、周期波または非周期波を含む外形プロファイルを有する、請求項1に記載の伸縮性電子回路。 The curved table surface has a contour profile that includes a periodic wave or aperiodic wave, stretchable electronic circuit according to claim 1. 前記曲面状表面が、一次元で空間的に変動する外形プロファイルを有する、請求項1に記載の伸縮性電子回路。 The curved table surface has a contour profile that varies spatially in one dimension, stretchable electronic circuit according to claim 1. 前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造が、曲面状表面を有する伸縮性半導体構造のアレイまたはパターンを備える、請求項1に記載の伸縮性電子回路。 Wherein the at least one stretchable semiconductor structure comprises an array or pattern of stretchable semiconductor structure having a curved table surface, stretchable electronic circuit according to claim 1. 前記回路パターンが、波形またはしわの寄った形態を有する少なくとも1つの金属相互接続を備え、前記金属相互接続が、前記回路パターンのデバイスコンポーネントを電気的に接続する、請求項1に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable structure of claim 1, wherein the circuit pattern comprises at least one metal interconnect having a corrugated or wrinkled configuration, the metal interconnect electrically connecting device components of the circuit pattern. Electronic circuit. 前記封入層またはコーティングが、ポリマーを備える、請求項1に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 1, wherein the encapsulating layer or coating comprises a polymer. 前記封入層またはコーティングが、ポリイミドを備える、請求項1に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 1, wherein the encapsulation layer or coating comprises polyimide. 前記フレキシブル基板が、ポリマーを備える、請求項1に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 1, wherein the flexible substrate comprises a polymer. 前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造の離散点が前記フレキシブル基板の前記表面に結合されており、前記フレキシブル基板に直接結合されない前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造の座屈領域により結合の前記離散点が互いに離間されている、請求項1に記載の伸縮性電子回路。   The discrete points of the at least one stretchable semiconductor structure are coupled to the surface of the flexible substrate, and the discrete points of coupling are coupled by a buckling region of the at least one stretchable semiconductor structure that is not directly coupled to the flexible substrate. The stretchable electronic circuit of claim 1, wherein the stretchable electronic circuit is spaced apart from each other. フレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の表面上に少なくとも部分的に支持される中間層と、
少なくとも1つの伸縮性半導体構造を備える回路パターンであり、前記フレキシブル基板の表面によって支持され、前記中間層内に少なくとも部分的に埋め込まれる、回路パターンと、
封入層またはコーティングと、
を備え、
前記封入層またはコーティングが、前記中間層内に埋め込まれていない前記回路パターンの部分を少なくとも部分的に封入し、
前記回路パターンの少なくとも部分的に封入された部分が、前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造を備え、
前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造が、加えられた歪みから前記回路パターンを隔離する伸縮性を前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造に与える曲面状表面を有する、伸縮性電子回路。
A flexible substrate;
An intermediate layer at least partially supported on the surface of the flexible substrate;
A circuit pattern comprising at least one stretchable semiconductor structure, supported by the surface of the flexible substrate, and at least partially embedded in the intermediate layer; and
An encapsulating layer or coating;
With
The encapsulation layer or coating at least partially encapsulates a portion of the circuit pattern that is not embedded in the intermediate layer ;
At least partially encapsulated portion of the circuit pattern comprises the at least one stretchable semiconductor structure;
Wherein the at least one stretchable semiconductor structure has a curved table surface giving elasticity to isolate the circuit pattern from the strain applied to the at least one stretchable semiconductor structure, stretchable electronics.
前記封入層を備え、前記封入層が添加剤を含む、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit according to claim 14, comprising the encapsulating layer, wherein the encapsulating layer includes an additive. 前記コーティングを備え、前記コーティングが添加剤を含む、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 14, comprising the coating, wherein the coating includes an additive. 前記中間層が、ファイバー、ペーパー、フォイル、構造促進剤及び充填剤のうち少なくとも1つを備える、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 14, wherein the intermediate layer comprises at least one of fiber, paper, foil, structure accelerator, and filler. 前記曲面状表面が、少なくとも1個の凸部領域と少なくとも1個の凹部領域の組み合わせを有する外形プロファイルを有する、請求項14に記載の伸縮性電子回路。 The curved table surface has a contour profile having a combination of at least one recessed area and at least one convex region, stretchable electronic circuit according to claim 14. 前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造が、曲面状表面を有する伸縮性半導体構造のアレイまたはパターンを備える、請求項14に記載の伸縮性電子回路。 Wherein the at least one stretchable semiconductor structure comprises an array or pattern of stretchable semiconductor structure having a curved table surface, stretchable electronic circuit according to claim 14. 前記中間層が、接着層、積層層、コーティングまたは薄膜である、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit according to claim 14, wherein the intermediate layer is an adhesive layer, a laminated layer, a coating, or a thin film. 前記中間層が、ポリイミドを備える、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 14, wherein the intermediate layer comprises polyimide. 前記封入層またはコーティングが、ポリイミドを備える、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 14, wherein the encapsulating layer or coating comprises polyimide. 前記フレキシブル基板が、ポリマーを備える、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 14, wherein the flexible substrate comprises a polymer. 前記フレキシブル基板が第1のヤング率を有し、前記封入層またはコーティングが、前記第1のヤング率よりも小さい第2のヤング率を有するポリマーを備える、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit of claim 14, wherein the flexible substrate has a first Young's modulus, and the encapsulation layer or coating comprises a polymer having a second Young's modulus that is less than the first Young's modulus. . 前記中間層が、前記フレキシブル基板の前記第1のヤング率よりも小さい第3のヤング率を有する、請求項24に記載の伸縮性電子回路。   The stretchable electronic circuit according to claim 24, wherein the intermediate layer has a third Young's modulus smaller than the first Young's modulus of the flexible substrate. 前記回路パターンが、波形またはしわの寄った形態を有する少なくとも1つの金属相互接続を備え、前記金属相互接続が、前記回路パターンのデバイスコンポーネントを電気的に接続する、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   15. The stretchability of claim 14, wherein the circuit pattern comprises at least one metal interconnect having a corrugated or wrinkled configuration, the metal interconnect electrically connecting device components of the circuit pattern. Electronic circuit. 前記回路パターンが、前記少なくとも1つの伸縮性半導体構造に結合された少なくとも1つの電子デバイスアイランドを備え、前記封入層またはコーティングが、前記少なくとも1つの電子デバイスアイランドを少なくとも部分的に封入する、請求項14に記載の伸縮性電子回路。   The circuit pattern comprises at least one electronic device island coupled to the at least one stretchable semiconductor structure, and the encapsulation layer or coating at least partially encapsulates the at least one electronic device island. 14. The stretchable electronic circuit according to 14.
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