用于制造并组装可印刷半导体元件的方法和设备技术

本发明专利技术提供用于制造可印刷半导体元件并将可印刷半导体元件组装至基片表面上的方法。本发明专利技术的方法和设备组件能在含有聚合物材料的基片上产生多种柔性电子和光电子器件以及器件阵列。本发明专利技术还提供能在拉伸状态下具有良好性能的可拉伸半导体元件及可拉伸电子器件。

【技术实现步骤摘要】
用于制造并组装可印刷半导体元件的方法和设备本申请是2005年6月2日向国际局提交的、2006年12月4日进入中国国家阶段 的名称为“用于制造并组装可印刷半导体元件的方法和设备”的200580018159. 5号专利技术专 利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求分别于2004年6月4日、2004年8月11日、2005年2月4日、2005年 3月18日以及2005年5月4日提交的美国临时专利申请No. 60/577, 077,No. 60/601,061、 No. 60/650，305、No. 60/663，391和No. 60/677，617的优先权，其全部内容特此通过引用的 方式以不与本申请所公开内容矛盾的程度完整纳入本说明书中。
技术介绍
自1994年第一次出现了印刷的全聚合物晶体管以来，一类潜在的、在塑料基片 上含有柔性集成电子器件的、新的电子系统引起广泛关注。近来，对开发用 于柔性塑料电子器件的导体、绝缘体和半导体的新的溶液可处理材料进行了大量研究。然 而，柔性电子器件领域的进步不仅依靠新的溶液可处理材料的开发来推动，还有赖于器件 组件新的几何结构、有效的器件以及适用于塑料基片的器件组件处理方法和高分辨率构图 技术。这样的材料、器件配置和制造方法有望在快速涌现的新类型的柔性集成电子器件、系 统和电路中发挥重要作用。对柔性电子器件领域的关注主要是由于该技术具有几个重要的优点。第一，塑料 基片材料的机械强度使得电子器件不易由于机械应力而引起损坏和/或电子性能下降。第 二，这些基片材料固有的柔性使得它们可整合为大量有用的器件配置所需的、而脆性的常 规硅基电子器件无法实现的多种形状。例如，可弯曲的柔性电子器件有望实现已有的硅基 技术所不易于实现的新器件的制造，所述新器件包括例如电子纸、可穿戴计算机(wearable computer)和大屏幕高分辨率显示器。最后，溶液可处理组件材料与塑料基片的结合使通过 连续、高速的印刷技术进行的制造得以实现，所述印刷技术能以低成本在大的基片面积上 产生电子器件。然而，表现出良好的电子性能的柔性电子器件的设计和制造面临许多重大挑战。 首先，已开发完善的制造常规硅基电子器件的方法与大多数塑料基片均不兼容。例如，传统 的高质量无机半导体组件，如单晶硅或锗半导体，通常通过在远远超过大多数塑料基片的 熔化或分解温度的温度(> 1000°c )下生长薄膜进行处理。此外，大多数无机半导体本身 不溶于便于进行基于溶液的处理和传送的方便溶剂中。其次，虽然很多无定形硅、有机或混 合有机-无机半导体(hybridorganic-inorganic semiconductor)可兼容纳入塑料基片中 并可在较低温度下进行处理，但这些材料并不具有能使集成电子器件表现出良好的电子性 能的电子特性。例如，具有由这些材料制成的半导体元件的薄膜晶体管表现出比单晶硅基 互补器件小约三个数量级的场效应迁移率。这些限制导致柔性电子器件目前仅限于不需要 高性能的特定应用中，例如用于具有非发射像素(non-emissive pixel)的有源矩阵平板显示器的开关元件中以及发光二极管中。近来在扩展塑料基片上集成电子器件的电子性能能力以拓宽其对电子器件应用 的适用范围方面已经取得了进步。例如，已经涌现了数种新的薄膜晶体管(TFT)，它们与在 塑料基片材料上进行的处理方法兼容，并且表现出明显高于具有无定形硅、有机或混合有 机-无机半导体元件的薄膜晶体管的器件性能特性。一类运行较好的柔性电子器件基于由 脉冲激光对无定形硅薄膜进行退火制得的多晶硅薄膜半导体元件。虽然这类柔性电子器件 提供了提高的器件电子性能特性，但脉冲激光退火处理的使用限制了这类器件制造的简易 程度和灵活性，从而显著增大成本。另一类有前景的、运行较好的、新型柔性电子器件是在 许多大型电子(macroelectronic)器件和微电子器件中采用溶液可处理纳米级材料，例如 纳米线(nanowire)、纳米带(nanor iWxm)、纳米颗粒和碳纳米管作为有源功能组件的器 件。分立单晶纳米线或纳米带的使用已被评价为在塑料基片上提供表现出提高的器 件性能特性的可印刷电子器件的可能途径。Duan等描述了具有多个选择性取向的单晶硅纳 米线或CdS纳米带作为半导体通道的薄膜晶体管设计。这些作者 报道了一种据称与塑料基片上的溶液处理方法兼容的制造方法，该方法将厚度小于或等于 150纳米的单晶硅纳米线或CdS纳米带分散到溶液中，并采用导流排列法(flow-directed alignmentmethod)将其组装至基片表面，以生产薄膜晶体管半导体元件。作者提供的光学 显微照片表明所公开的制造方法以基本平行的取向制备间隔约500纳米至约1000纳米的 纳米线或纳米带的单层。虽然作者报道单独的纳米线或纳米带具有较高的本征场效应迁移 率( Iigcm2V4iT1)，但近来已测得整个器件的场效应迁移率比Duan等报道的本征场效应 迁移率的值“低约两个数量级” 。该器件的场效应迁移率比常规的单晶无机薄膜 晶体管的器件场效应迁移率低几个数量级，并且很可能是因为采用Duan等所公开的方法 和器件配置在分立的纳米线或纳米管的排列、紧密堆积和电接触方面面临实际挑战。使用纳米晶体溶液作为多晶无机半导体薄膜的前体已被挖掘为在塑料基片上提 供表现出较高的器件性能特性的可印刷电子器件的可能途径。Ridley等公开了一种溶液 处理制造方法，该方法在与塑料相适应的温度下处理尺寸为约2纳米的硒化镉纳米晶体的 溶液，以提供用于场效应晶体管的半导体元件。作者报道了一种如下所述的方法，在该方 法中，硒化镉纳米晶体溶液中低温晶粒的生长提供含有数百个纳米晶体的单晶区。虽然 Ridley等报道了比具有有机半导体元件的类似器件改善的电特性，但通过这些技术达到的 器件迁移率( Icm2V-1S-1)比常规的单晶无机薄膜晶体管的器件场效应迁移率低几个数量 级。对Ridley等的器件配置和制造方法所达到的场效应迁移率的限制很可能是因为单个 纳米颗粒之间建立的电接触。用于稳定纳米晶体溶液并防止聚集作用(agglomeration)的 有机端基的使用可能妨碍在相邻的纳米颗粒之间建立良好的电接触，而这是提供高的器件 场效应迁移率所必须的。虽然Duan等和Ridley等提供了在塑料基片上制造薄膜晶体管的方法，但所述的 器件配置采用了含有机械刚性器件组件——例如电极、半导体和/或绝缘体——的晶体管。 选择具有良好的机械性能的塑料基片可使电子器件能在挠曲或变形的取向上运行。然而，这种动作预计会对单个刚性晶体管器件组件产生机械应变。这种机械应变可能通过例如使 其破裂而导致单个组件损坏，并且也可能降低或破坏器件组件之间的电接触。由前述内容将领会目前本领域需要用于制造在塑料基片上含有集成电子半导体 的器件的方法和器件配置。需要具有良好电特性的可印刷半导体元件，以实现在与塑料聚 合物基片上的组件相适应的温度下进行有效的器件制造。另外，需要将半导体材料印刷至 大面积的塑料基片上的方法，以实现在大的基片面积上连续、高速地印刷复杂的集成电路。 最后，需要在挠曲或变形的器件取向上具有良好的电子性能的全柔性电子器件，以获得多 种新的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可拉伸半导体元件，包括：具有支承面的柔性基片；以及具有弯曲内表面的可印刷单晶半导体结构，所述弯曲内表面具有至少一个凹区域和至少一个凸区域，其中所述弯曲内表面的至少一部分与所述柔性基片的所述支承面联结，所述半导体结构包括处于应变状态的屈曲结构，所述屈曲结构以由施加提供所述应变的力而引起的弯曲形态提供。

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