本発明は、デバイス構成要素の印刷ベースの組立及び集積化により少なくとも部分的に製作される、光学デバイス及びシステムを提供する。本発明の光学システムは、他のデバイス構成要素と共に印刷技法により組立、編成、及び／又は集積化された半導体要素を備え、この半導体要素は、従来の高温処理方法を使用して製作された１０個の単結晶半導体ベースデバイスに匹敵する性能特性及び機能を示す。本発明の光学システムは、印刷により得られる、フォームファクタ、構成要素密度、及び構成要素位置などのデバイス幾何形状及び構成を有し、それらがさまざまな有用なデバイス機能をもたらす。

【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[001]本願は、２００７年１月１７日に出願された米国特許仮出願第６０／８８５，３０６号明細書、及び２００７年６月１８日に出願された米国特許仮出願第６０／９４４，６１１号明細書の優先権の利益を主張する。その両方を、本明細書における開示と矛盾しない範囲で、ここに参照によりその全体を組み込む。
【連邦政府の助成による研究又は開発に関する言明】
【０００２】
[002]本発明は、少なくとも一部には、米国エネルギー省によって与えられたＤＥＦＧ０２−９１−ＥＲ４５４３９の下で、米国政府の援助により行われた。米国政府は、本発明に対していくつかの権利を有する。
【発明の背景】
【０００３】
[003]１９９４年に、印刷された全ポリマートランジスタが初めて実証されて以来、プラスチック基板上の可撓性集積電子デバイスを備える、新規なクラスの電子システムの開発に大きな関心が向けられてきている［Ｇａｒｎｉｅｒ，Ｆ．、Ｈａｊｌａｏｕｉ，Ｒ．、Ｙａｓｓａｒ，Ａ．及びＳｒｉｖａｓｔａｖａ，Ｐ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２６５、１６８４〜１６８６ページ］。かなりの研究が、過去１０年間にわたり、可撓性の、ポリマーベースの電子デバイス用の導体、誘電体、及び半導体要素のための新規な溶液処理可能材料の開発を対象としてきた。フレキシブルエレクトロニクス分野における進歩は、新規な溶液処理可能材料の開発によって推進されるだけでなく、新規なデバイス幾何形状、高解像度のための技法、大基板面積の密なパターニング、及びプラスチック基板に適合する高スループットの加工戦略によっても推進される。新規な材料、デバイス構成、及び製作方法の開発の継続が、急速に台頭しつつあるこの新規なクラスの可撓性集積電子デバイス、システム、及び回路において重要な役割を果たすことが期待されている。
【０００４】
[004]フレキシブルエレクトロニクス分野に対する関心は、そ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、プラスチック基板の機械的堅牢性が、機械的応力によって生じる損傷及び／又は電子的性能の劣化を受けにくい電子デバイスの基盤をもたらす。第２に、プラスチック基板材料の固有の可撓性及び変形性により、そうした材料を、従来の脆弱なシリコンベースの電子デバイスでは不可能な有用な形状、フォームファクタ、及び構成にまとめることが可能になる。例えば、可撓性、形状化可能、及び／又は曲げ可能なプラスチック基板上でのデバイス製作には、確立されたシリコンベースの技術を使用して実現することのできない電子ペーパー、ウェアラブルコンピュータ、大面積センサ、及び高解像度ディスプレイなど、画期的な機能的能力を有するクラスの機能デバイスを可能にする潜在的可能性がある。最後に、可撓性プラスチック基板上の電子デバイス組立には、電子デバイスを大きな基板面積にわたって組み立てることの可能な印刷などの高速加工技法による、低コストの商用実施が潜在的に可能である。
【０００５】
[005]フレキシブルエレクトロニクスのための商用的に実現可能な基盤を開発する相当な動機にも関わらず、良好な電子的性能を示す可撓性電子デバイスの設計及び製作は、いくつかの重要な技術的課題を引き続き提示している。第１に、単結晶シリコンベースの電子デバイスを作製する従来の十分に開発された方法は、大多数のプラスチック材料には適合しない。例えば、単結晶シリコン半導体又はゲルマニウム半導体など、従来の高品質無機半導体構成要素は、典型的には、大多数又は全てのプラスチック基板の融点又は分解温度を大幅に超える温度（摂氏１０００度超）で薄膜を成長させることにより加工される。さらに、多くの無機半導体は、溶液ベースの加工及び引渡しを可能にする好都合な溶剤に本質的に可溶ではない。第２に、低温処理及びプラスチック基板への集積化に適合する非晶質シリコン半導体、有機半導体、又はハイブリッド有機−無機半導体が開発されてきたが、これらの材料は、従来の単結晶半導体ベースのシステムに匹敵する電子的特性を示さない。したがって、これらの代替半導体材料製の電子デバイスの性能は、現在の最先端をゆく高性能半導体デバイスに及ばない。これらの制限の結果として、可撓性電子システムは現在、非発光画素を有する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要素での使用、及び発光ダイオードでの使用など、高性能を必要としない特定の用途に限定されている。
【０００６】
[006]マクロエレクトロニクスは、商用的に実現可能な可撓性電子システム及び加工戦略の開発に対する多大な関心を生み出してきた、急速に拡大している技術分野である。マクロエレクトロニクス分野は、従来の半導体ウェーハの物理的寸法を大幅に超える大面積基板上にマイクロエレクトロニクスデバイス及びデバイスアレイが分配及び集積化されるマイクロエレクトロニクスシステムに関連する。大面積マクロエレクトロニクスフラットパネルディスプレイ製品を含めたいくつかのマクロエレクトロニクス製品が、成功裏に商用化されている。大多数のそうしたディスプレイシステムは、剛性ガラス基板上にパターニングされた非晶質又は多結晶シリコンの薄膜トランジスタアレイを備える。数１００平方メートルもの大きさの基板寸法を有するマクロエレクトロニクスディスプレイデバイスが、達成されている。開発中の他のマクロエレクトロニクス製品には、光起電力デバイスアレイ、大面積センサ、及びＲＦＩＤ技術が含まれる。
【０００７】
[007]この分野における多大な進歩にも関わらず、高い堅牢性、機械的可撓性、及び曲げ可能性など、新規なデバイス機能を付与するように、可撓性基板及びデバイス構造をマクロエレクトロニクスシステムにまとめようとする動機が絶えずある。この必要性に対処するために、有機半導体薄膜トランジスタ技術、ナノワイヤ及びナノ粒子ベースのフレキシブルエレクトロニクス、並びに有機／無機半導体ハイブリッド技術を含めて、可撓性マクロエレクトロニクスシステムに対するいくつかの材料戦略が現在推し進められている。さらに現在、かなりの研究が、マクロエレクトロニクスシステムの高スループット及び低コストの製造を利用できるようにするための新規な製作プロセスの開発を対象としている。
【０００８】
[008]共に２００５年６月２日に出願された米国特許第１１／１４５，５７４号明細書及び米国特許第１１／１４５，５４２号明細書は、電子デバイス、光電子デバイス、及び他の機能電子組立体を、汎用性があり、低コスト大面積の印刷技法により作製するための、印刷可能半導体要素を使用した高歩留まりの製作基盤を開示している。開示された方法及び組成は、大きな基板面積にわたって良好な配置精度、見当合せ、及びパターン忠実度をもたらす乾式転写コンタクト印刷及び／又は溶液印刷技法を使用した、マイクロサイズ及び／又はナノサイズの半導体要素の転写、組立及び／又は集積化を可能にするものである。開示された方法は、可撓性プラスチック基板を含めた一連の有用な基板材料に適合する比較的低い温度（約摂氏４００度未満）で独立に実施することができる印刷技法によって、従来の高温処理方法を使用して製作された高品質半導体材料を基板上に集積化することを可能にする、重要な加工上の利点をもたらす。印刷可能半導体材料を使用して製作された可撓性薄膜トランジスタは、屈曲及び非屈曲形状状態にあるとき、３００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１よりも大きなデバイス電界効果移動度及び１０^３よりも大きなオン／オフ比など、良好な電子的性能特性を示す。
【０００９】
[009]前述したことから、マクロエレクトロニクスシステムを含む大面積集積エレクトロニクスを作製する方法が必要とされることが理解されよう。具体的には、高スループット及び低コストの実装が可能な、これらのシステムのための製作方法が必要とされている。さらに、良好な電子デバイス性能と、可撓性、形状化可能性、曲げ可能性、及び／又は伸縮性などの、高い機械的機能とを兼ね備えたマクロエレクトロニクスシステムが、現在必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[010]本発明は、印刷可能な機能材料並びに／或いは半導体ベースのデバイス及びデバイス構成要素の印刷ベースの組立及び集積化により少なくとも部分的に製作される、光学デバイス及びシステムを提供する。特定の実施形態では、本発明は、大面積高性能マクロエレクトロニクスデバイスを含めた、印刷可能半導体要素を備える発光システム、収光システム、感光システム、及び光起電力システムを提供する。本発明の光学システムは、印刷技法により他のデバイス構成要素と共に組立、編成及び／又は集積化された印刷可能半導体含有構造（例えば印刷可能半導体要素）を備え、この印刷可能半導体含有構造は、従来の高温処理方法を使用して製作された単結晶半導体ベースのデバイスに匹敵する性能特性及び機能を示す。本発明の光学システムは、印刷によりアクセスされる、フォームファクタ、構成要素密度、及び構成要素位置などのデバイス幾何形状及び構成を有し、それらが一連の有用なデバイス機能をもたらす。本発明の光学システムは、可撓性、形状化可能性、共形性、及び／又は伸縮性を含めた一連の有用な物理的及び機械的特性を示す、デバイス及びデバイスアレイを含む。しかし、本発明の光学システムは、可撓性、形状化可能性、及び／又は伸縮性の基板上に設けられたデバイス及びデバイスアレイに加えて、従来の剛性又は半剛性の基板上に設けられたデバイス及びデバイスアレイも含む。
【００１１】
[011]本発明は、光学システムを、例えばエラストマー転写デバイス（例えばエラストマー層又はスタンプ）などの共形性転写デバイスを使用したコンタクト印刷を含めた印刷技法により少なくとも部分的に作製するための、デバイス製作及び加工のステップ、方法、及び材料戦略も提供する。特定の実施形態では、本発明の方法は、発光システム、収光システム、感光システム、及び光起電力システムを含めた、一連の高性能光学システムを作製するための、高スループット、低コストの製作基盤を提供する。本方法により提供される加工は、マイクロエレクトロニクスデバイス、アレイ及びシステム用のデバイス基板などの大面積基板に適合し、電子及び電気光学デバイス用の印刷可能構造及び／又は薄膜層のパターニングなど、層状材料のパターニングを必要とする製作用途に有用である。本発明の方法は、従来のマイクロファブリケーション及びナノファブリケーション基盤と相補的であり、既存のフォトリソグラフィ、エッチング、及び薄膜堆積デバイスパターニングの戦略、システム、及びインフラストラクチャに効果的に組み込むことができる。本デバイス製作方法は、単結晶半導体など、非常に高品質の半導体材料、及び半導体ベースの電子デバイス／デバイス構成要素を、大面積基板、ポリマーデバイス基板、及び輪郭付き形状を有する基板上に設けられる光学システムに集積化することができる能力を含めて、従来の製作基盤に勝るいくつかの利点をもたらす。
【００１２】
[012]一態様では、本発明は、高品質バルク半導体ウェーハ出発材料を使用する加工方法を提供する。この出発材料は、予め選択された物理的寸法及び形状を有する印刷可能半導体要素の大きな歩留まりをもたらすように加工され、その後で、それらの印刷可能半導体要素を光学システムに印刷により転写、組立、及び集積化することができる。この印刷ベースのデバイス製作方法によりもたらされる利点は、印刷可能半導体要素が、高品質バルクウェーハ出発材料の望ましい電子的特性、光学特性、及び組成（例えば移動度、純度、及びドーピングなど）を保持すると共に、フレキシブルエレクトロニクスなどのターゲット用途に有用なさまざまな機械的特性（例えば可撓性、伸縮性など）を有することである。さらに、例えばコンタクト印刷又は溶液印刷による印刷ベースの組立及び集積化の使用は、バルクウェーハ出発材料の寸法を大きく超える面積を含めて、大面積にわたるデバイス製作に適合する。本発明のこの態様は、マクロエレクトロニクスでの用途にとって特に魅力がある。さらに、この半導体加工及びデバイス組立方法により、多数のデバイス又はデバイス構成要素に組立及び集積化することができる印刷可能半導体要素を作製するために、出発半導体材料のほぼ全部を非常に効率的に使用することが可能になる。本発明のこの態様は、高品質半導体ウェーハ出発材料が加工中にほとんど無駄にならず、又は廃棄されず、それにより、光学システムの低コスト製作が可能な加工基盤をもたらすので、有利である。
【００１３】
[013]一態様では、本発明は、コンタクト印刷を使用して組立、編成、及び／又は集積化された、印刷可能な半導体ベースの電子デバイス／デバイス構成要素を含めた印刷可能半導体要素を備える光学システムを提供する。この態様の一実施形態では、本発明は、（ｉ）受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、（ｉｉ）基板の受取面上に１つ又は複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップとを含む方法により作製される、半導体ベースの光学システムを提供する。一実施形態では、本発明のこの態様の光学システムは、基板の受取面上にコンタクト印刷により組み立てられた半導体ベースのデバイス又はデバイス構成要素のアレイを備える。特定の実施形態では、光学システムの印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。この態様の一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する、ＬＥＤ、太陽電池、ダイオード、ｐ−ｎ接合、光起電力システム、半導体ベースのセンサ、レーザ、トランジスタ、及びフォトダイオードからなる群から選択される１つ又は複数の半導体デバイスを備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さ、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される長さ、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される幅、及び１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【００１４】
[014]一実施形態では、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、電子デバイス又は電子デバイス構成要素である。一実施形態では、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、及びフォトダイオードからなる群から選択される。一実施形態では、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、別の半導体構造、誘電体構造、導電性構造、及び光学構造からなる群から選択される少なくとも１つの追加構造と共に集積化された半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、電極、誘電体層、光学コーティング、金属接点パッド、及び半導体チャネルからなる群から選択される少なくとも１つの電子デバイス構成要素と共に集積化された半導体構造を備える。一実施形態では、システムがさらに、前記印刷可能半導体要素の少なくとも一部分と電気的に接触した状態で設けられる電気伝導性グリッド又はメッシュを備え、この電気伝導性グリッド又はメッシュが前記システム用の少なくとも１つの電極を提供する。
【００１５】
[015]この態様の印刷可能半導体要素の組立、編成、及び／又は集積化に有用なコンタクト印刷方法には、乾式転写コンタクト印刷、マイクロコンタクト又はナノコンタクト印刷、マイクロ転写又はナノ転写印刷、及び自己組織化支援印刷（ｓｅｌｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）が含まれる。コンタクト印刷の使用は、それにより複数の印刷可能半導体を互いに選択された向き及び位置で組立及び集積化することが可能になるので、本光学システムにおいて有利である。本発明におけるコンタクト印刷は、半導体（例えば無機半導体、単結晶半導体、有機半導体、カーボンナノ材料など）、誘電体、及び導体を含めた、さまざまなクラスの材料及び構造の効果的な転写、組立、及び集積化をも可能にする。本発明のコンタクト印刷方法は、任意選択で、印刷可能半導体要素を、デバイス基板上に予めパターニングされた１つ又は複数のデバイス構成要素に対して予め選択された位置及び空間配向で高精度に見当合せ転写及び組立することを可能にする。コンタクト印刷はまた、ガラス、セラミック、及び金属など、従来の剛性又は半剛性基板、並びに可撓性基板、曲げ可能基板、形状化可能基板、共形性基板、及び／又は伸縮性基板など、特定用途にとって魅力のある物理的及び機械的特性を有する基板を含めた、広範な基板タイプに適合する。印刷可能半導体構造のコンタクト印刷による組立は、例えば低温処理（例えば２９８Ｋ以下）に適合する。この属性により、本光学システムを、ポリマー及びプラスチック基板など、高温で分解又は劣化するものを含めた一連の基板材料を使用して実装することが可能になる。デバイス要素のコンタクト印刷による転写、組立、及び集積化はまた、それをロールツーロール印刷及びフレキソ印刷の方法及びシステムなど、低コスト及び高スループットの印刷技法及びシステムにより実施することできるので、有利である。本発明は、コンタクト印刷が、印刷可能半導体要素の外面との共形接触を確立することが可能なエラストマー転写デバイスなどの共形性転写デバイスを使用して実施される方法を含む。いくつかのデバイス製作用途に有用な実施形態では、コンタクト印刷が、エラストマースタンプを使用して実施される。
【００１６】
[016]一実施形態では、印刷可能半導体のコンタクト印刷ベースの組立のステップが、（ｉ）１つ又は複数の接触面を有する共形性転写デバイスを準備するステップと、（ｉｉ）印刷可能半導体要素の外面と共形性転写デバイスの接触面との間で共形接触を確立するステップであって、共形接触が、印刷可能半導体要素を接触面に接合するステップと、（ｉｉｉ）接触面に接合された印刷可能半導体要素とデバイス基板の受取面とを接触させるステップと、（ｉｖ）印刷可能半導体要素と共形性転写デバイスの接触面とを分離し、それにより、印刷可能半導体要素をデバイス基板の受取面上に組み立てるステップとを含む。いくつかの実施形態では、接触面に接合された印刷可能半導体要素とデバイス基板の受取面とを接触させるステップが、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素を有する転写デバイスの接触面と、受取面との間の共形接触を確立するステップを含む。いくつかの実施形態では、接触面上の（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、デバイス基板上での剥離及び組立を容易にするために、受取面上に設けられた接着剤層及び／又は平坦化層に接触させられる。ＰＤＭＳスタンプ及び層を含めた、エラストマー層又はスタンプなどのエラストマー転写デバイスの使用は、そうしたデバイスが印刷可能半導体要素、並びにデバイス基板及び光学構成要素の受取面、外面、及び内面との共形接触を確立することができる能力を考えると、いくつかの方法において有用である。
【００１７】
[017]この態様の諸実施形態における印刷可能半導体材料及び印刷可能な半導体ベースの電子デバイス／デバイス構成要素の使用により、優れたデバイス性能及び機能を示す光学システムを製作するために、一連の高品質半導体材料を集積化する能力がもたらされる。有用な印刷可能半導体要素には、単結晶半導体、多結晶半導体、及びドープ半導体を含む高品質半導体ウェーハソースから得られる半導体要素が含まれる。本発明の一システムでは、印刷可能半導体要素が単体無機半導体構造を備える。本発明の一システムでは、印刷可能半導体要素が単結晶半導体材料を含む。さらに、印刷可能半導体構造の使用により、高温処理により作製され、その後印刷により基板上に組み立てられる、半導体電子、光学、及び光電子デバイス、デバイス構成要素、並びに／或いはハイブリッド材料などの半導体ヘテロ構造を備えた印刷可能構造を集積化する能力がもたらされる。ある実施形態では、本発明の印刷可能半導体要素が、ｐ−ｎ接合、半導体ダイオード、発光ダイオード、半導体レーザ（例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））、及び／又は光電池などの機能性電子デバイス又はデバイス構成要素を備える。
【００１８】
[018]一実施形態では、印刷可能半導体要素が前記デバイス基板上に、印刷可能半導体要素が前記受取面上に多層構造を生成するように組み立てられる。一実施形態では、例えば、多層構造が、機械的に積層された太陽電池を備える。一実施形態では、例えば、印刷可能半導体要素が、さまざまなバンドギャップを有する太陽電池である。
【００１９】
[019]本発明のこの態様の光学システムは、光学構成要素、誘電体構造、導電性構造、接着剤層又は構造、接続構造、カプセル化構造、平坦化構造、電気光学要素、及び／又は薄膜構造、並びにこれらの構造のアレイを含むが、それだけには限定されない、さまざまな追加デバイス要素を任意選択で備えることができる。一実施形態では、例えば、本発明の光学システムはさらに、収光光学系、集光光学系、拡散光学系、分散光学系、光ファイバ及びそのアレイ、レンズ及びそのアレイ、拡散器、反射器、ブラッグ反射器、導波路（「光パイプ」）、並びに光学コーティング（例えば反射コーティング又は反射防止コーティング）からなる群から選択される１つ又は複数の受動又は能動光学構成要素を備える。いくつかの実施形態では、能動及び／又は受動光学構成要素が、デバイス基板上に設けられた印刷可能半導体要素の少なくとも１つに対して空間的に整合される。本発明のこの態様の光学システムは、電気相互接続、電極、絶縁体、及び電気光学要素を含むが、それだけには限定されない、さまざまな追加デバイス構成要素を任意選択で備えることができる。光フォトリソグラフィ、堆積技法（例えば化学気相成長、物理気相成長、原子層堆積、スパッタリング堆積など）、ソフトリソグラフィ、スピンコーティング、及びレーザアブレーションパターニングを含むが、それだけには限定されない、マイクロエレクトロニクス分野で公知のさまざまな技法によるこれらの追加要素の組立及び集積化に加えて、印刷ベースの組立を使用して、追加デバイス要素及び追加デバイス構成要素を組立及び集積化することもできる。
【００２０】
[020]印刷ベースの組立は、本光学システムに組立及び集積化される印刷可能半導体要素の物理的寸法、幾何形状、相対的な空間配向及び編成、ドーピングレベル、並びに材料純度に対する非常に高度の制御を可能にする。一実施形態では、光学システムの印刷可能半導体要素が基板の受取面上に、５半導体要素ｍｍ^−１以上の密度、好ましくはいくつかの実施形態では、５０半導体要素ｍｍ^−１以上の密度、好ましくはいくつかの用途では、１００半導体要素ｍｍ^−１以上の密度で設けられる。別の実施形態では、光学システムの印刷可能半導体要素が、２０００ナノメートル以下の、いくつかの実施形態では５００ナノメートル以下の、少なくとも１つの長手方向物理的寸法（例えば長さ、幅など）、任意選択で２つの長手方向物理的寸法を有する。別の実施形態では、光学システムの各印刷可能半導体要素が、１００ミクロン以下の、好ましくはいくつかの用途では、１０ミクロン以下の、好ましくはいくつかの用途では、１ミクロン以下の、少なくとも１つの断面物理的寸法（例えば厚さ）を有する。別の実施形態では、光学システム内での印刷可能半導体要素相互の相対的な位置が、１０，０００ナノメートル以内に選択される。
【００２１】
[021]印刷可能半導体要素は、互いに、又は本発明の光学システムの他のデバイス要素に対して、選択された向きで組み立てることができる。一実施形態では、光学システムの印刷可能半導体要素が、互いに長手方向に整合される。本発明は、例えば、印刷可能半導体要素が互いに３度以内で平行な長さに延在する光学システムを含む。別の実施形態では、光学システムがさらに、受取面上に設けられた第１及び第２の電極を備え、この場合、印刷可能半導体要素が、それらの電極のうち少なくとも一方と電気的接触状態にあり、印刷可能半導体要素が第１の電極と第２の電極との間に、１０％以上、好ましくはいくつかの実施形態では、５０％以上の充填率（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）をもたらす。
【００２２】
[022]本発明は、低密度（又は疎）構成で配置された印刷可能半導体要素を備えた光学システムも含む。低密度構成の使用は、いくつかの用途にとって利点がある。なぜならば、デバイスに組み込まれる半導体の量が少なく、したがって、より低コストに近づくからである。こうした構成では、システムが光学的に透明となり、好ましくはいくつかの実施形態では選択された波長で５０％を超える光学的透明度をもつのに十分な程度に半導体要素の密度が低くなるように、半導体要素を基板上に配置することができる。一実施形態では、光学システムの印刷可能半導体要素が基板の受取面上に、１０００半導体要素ｍｍ^−１以下の密度、好ましくはいくつかの実施形態では、５００半導体要素ｍｍ^−１以下の密度、より好ましくはいくつかの実施形態では、５０半導体要素ｍｍ^−１以下の密度で設けられる。疎構成を得ることが可能な本方法及びシステムの一実施形態では、半導体要素が、ターゲット基板の受取面の１０％以下を覆い、別の実施形態では、１％以下を覆い、別の実施形態では、０．１％以下を覆う。別の実施形態では、光学システムがさらに、受取面上に設けられた第１及び第２の電極を備え、この場合、印刷可能半導体要素が、それらの電極のうち少なくとも一方と電気的接触状態にあり、印刷可能半導体要素が第１の電極と第２の電極との間に、１０％以下、好ましくはいくつかの実施形態では、５％以下の充填率をもたらす。
【００２３】
[023]本発明は、ガラス基板、ポリマー基板、プラスチック基板、金属基板、セラミック基板、ウェーハ基板、及び複合基板を含めた、一連の有用な基板材料上に組立及び集積化された印刷可能半導体要素を備えた光学システムを含む。本光学システムにおいて有用な基板には、可撓性、形状化可能性、伸縮性、機械的堅牢性、及び選択された波長での光学的透明性など、有用な機械的及び／又は物理的特性を有するものが含まれる。いくつかの実施形態では、本発明の光学システムは、デバイス構成要素で予めパターニングされたデバイス基板上に組立及び集積化された印刷可能半導体要素を備える。いくつかの実施形態では、本発明の光学システムは、レンズ、レンズアレイ、光学窓、反射器、光学コーティング、一連の光学コーティングを備えたデバイス基板、又は反射コーティング若しくは反射防止コーティングのような１種又は複数種の光学コーティングを任意選択で有する光学的に透明な基板など、選択された光学的機能を有するデバイス基板上に組立及び集積化された印刷可能半導体要素を備える。いくつかの実施形態では、本発明の光学システムは、凹状受取面、凸状受取面、球面、楕円面、又は凹状領域と凸状領域を共に備えた複雑な輪郭を有する受取面など、輪郭付き受取面を有するデバイス基板上に組立及び集積化された印刷可能半導体要素を備える。
【００２４】
[024]本発明の光学システムはさらに、１層又は複数層のカプセル化層、平坦化層、ラミネート層、カバー層、及び／又は接合層を備えることができる。カプセル化層、ラミネート層、平坦化層、カバー層、又は接合層は、機械的安定性及び堅牢性の強化をもたらすために、印刷可能半導体要素又は他のデバイス構成要素の上面に設けることができる。カプセル化層、ラミネート層、平坦化層、カバー層、又は接合層は、本光学システムのデバイス構成要素及び構造を機械的、光学的、及び／又は電気的に相互接続するような構成で設けることができる。カプセル化層、ラミネート層、カバー層、平坦化層、又は接合層は、堆積された材料の層、スピンコーティングした層、及び／又は成形した層を備えることができる。カプセル化層、ラミネート層、カバー層、平坦化層、又は接合層は、本発明のいくつかの光学システム及び用途では、少なくとも部分的に光学的に透明であることが好ましい。有用なカプセル化層、ラミネート層、平坦化層、カバー層、及び／又は接合層は、１種又は複数種のポリマー、複合ポリマー、金属、誘電体材料、エポキシ材料、又はプレポリマー材料を含むことができる。一実施形態では、印刷可能半導体要素が受取面に、次の（ｉ）印刷可能半導体要素と受取層との間に設けられた金属層を介して、半導体要素を受取面に冷間圧接すること、（ｉｉ）印刷可能半導体要素と受取層との間に設けられた接着剤層を介して行われること、又は（ｉｉｉ）印刷可能半導体要素及び受取層の上面に設けられたラミネート、カプセル化、又は平坦化層によって行われることのうち、１つ若しくは複数により接合され、又は他の様式で集積化される。接着剤層が金属である場合、この層は、印刷ベースの組立及び集積化中に、印刷可能半導体要素への電気的接触を確立するように働くこともできる。
【００２５】
[025]いくつかの実施形態では、カプセル化、ラミネート、又は平坦化層の組成及び厚さが、デバイス基板上に組み立てられる印刷半導体デバイス及び／又はデバイス構成要素などの印刷可能半導体要素が機械的中立面の近く又はその上に配置されるように選択される。一実施形態では、例えば、カプセル化又はラミネート層が、組み立てられた印刷可能半導体要素の上面に設けられ、この場合、カプセル化又はラミネート層は、デバイス基板の組成及び厚さに類似する組成及び厚さを有する。これらの実施形態では、カプセル化及び／又はラミネート層の組成及び厚さ寸法をデバイス基板の組成及び厚さ寸法と合致させると、印刷可能半導体要素が機械的中立面の近くにあることになる。或いは、カプセル化及び／又はラミネート層の厚さ及びヤング率を、印刷可能半導体要素が機械的中立面の近くにあるように選択することもできる。印刷可能半導体要素がデバイスの機械的中立面の近くにある加工方法及びデバイス幾何形状の利点は、曲げ又は変形中にそうした要素にかかる歪みが最小限に抑えられることである。曲げ中に発生する歪みに対処するためのこの戦略は、曲げ誘起歪みから生じるデバイスの層間剥離又は他の劣化を最小限に抑える利点がある。
【００２６】
[026]いくつかの実施形態では、本発明の光学システムは、先進照明システム、発光ダイオードアレイ、半導体レーザ（例えばＶＣＳＥＬ）アレイ、パッシブマトリクスＬＥＤ（発光ダイオード）ディスプレイ、アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイ、ＩＬＥＤ（無機発光ダイオード）ディスプレイ、マクロエレクトロニクスディスプレイデバイス、及びフラットパネルディスプレイを含むが、それだけには限定されない、発光光学システムをもたらす。いくつかの実施形態では、本発明の光学システムは、光センサ及びセンサアレイ、可撓性センサ、伸縮性センサ、共形センサ、及びセンサスキンを含む、感光光学システムをもたらす。いくつかの実施形態では、本発明の光学システムは、シートスキャナなど、発光機能と感光機能を共に提供する光学システムをもたらす。本発明の光学システムは、太陽電池アレイを含む光起電力デバイス、デバイスアレイ、及びシステムを含めた、エネルギー変換及び貯蔵システムを含む。いくつかの実施形態では、本発明の光学システムが、２００ミクロン未満の少なくとも２つの物理的寸法（例えば長さ、幅、直径、又は厚さ）を有する、複数の１つ又は複数のＬＥＤ、光電池、半導体レーザ、フォトダイオード、及び電気光学要素を備える。一実施形態では、例えば、本発明は、太陽電池アレイを備えた光学システムを提供し、この場合、アレイ内の各電池が、２００ミクロン未満の少なくとも２つの物理的寸法（例えば長さ、幅、直径、又は厚さ）を有する。別の実施形態では、例えば、本発明は、ＬＥＤアレイを備えた光学システムを提供し、この場合、アレイ内の各ＬＥＤが、３ミクロン未満、好ましくはいくつかの用途では、１ミクロン未満の厚さを有する。
【００２７】
[027]別の態様では、光学システムを形成する方法であって、本発明は、（ｉ）受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、（ｉｉ）基板の受取面上に１つ又は複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであって、印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備えるステップとを含む、光学システムを作製する方法を提供する。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さ、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される長さ、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される幅、及び１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【００２８】
[028]本発明のこの態様において有用な、有用なコンタクト印刷方法には、乾式転写コンタクト印刷、マイクロコンタクト又はナノコンタクト印刷、マイクロ転写又はナノ転写印刷、及び自己組織化支援印刷が含まれる。任意選択で、本発明の方法は、エラストマー転写デバイス（例えばエラストマースタンプ、複合スタンプ又は層）などの共形性転写デバイスを使用して実施するコンタクト印刷を使用する。任意選択で、複数の印刷可能半導体要素が基板の受取面上に、例えば密又はスペア構成で組み立てられる。任意選択で、本発明のこの態様の方法はさらに、デバイス基板を１つ又は複数のデバイス構成要素で予めパターニングするステップを含む。任意選択で、本発明のこの態様の方法はさらに、１つ又は複数の光学構成要素を、印刷可能半導体要素と光学的に連絡した状態又は光学的に見当合せされた状態で設けるステップを含む。本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単体無機半導体構造を備える。本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単結晶半導体材料を含む。
【００２９】
[029]任意選択で、本発明の方法は、ポリマー又はエラストマー層などのラミネート層を、基板の受取面上に組み立てられた印刷可能半導体要素の少なくとも一部の上面に設けるステップを含む。任意選択で、本発明の方法は、基板の受取面上に組み立てられた印刷可能半導体要素の少なくとも一部分を平坦化するステップを含む。任意選択で、本発明の方法は、（ｉ）受取面に平坦化層を設けるステップと、（ｉｉ）印刷可能半導体要素の少なくとも一部分を、平坦化層に埋め込むステップとを含む。任意選択で、本発明の方法は、１つ又は複数の電気接点、電極、接点パッド、又は他の電気相互接続構造を、印刷可能半導体要素の少なくとも一部分上にパターニングするステップを含む。
【００３０】
[030]本発明のこの態様の方法はさらに、光学構成要素、電子構成要素、及び／又は電気光学構成要素など、１つ又は複数の追加デバイス構成要素をデバイス基板上に組立及び／又は集積化するステップを含む。本方法における追加デバイス構成要素の組立及び／又は集積化は、リソグラフィパターニング（例えば光リソグラフ及びソフトリソグラフィ）、堆積技法（例えばＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤなど）、レーザアブレーションパターニング、成形技法（例えばレプリカ成形）、スピンコーティング、自己組織化、コンタクト印刷、及び溶液印刷を含むが、それだけには限定されない、他の多数の製作技法と組み合わせて実施することができる。いくつかの実施形態では、印刷可能半導体要素を含むデバイス構成要素を生成、組立、又は集積化するために、プラズマ処理、エッチング、金属化、及び冷間圧接などの他の加工技法が使用される。
【００３１】
[031]一実施形態では、例えば、印刷可能半導体要素の印刷ベース組立の前又は後で、デバイス基板をパターニングするために、光リソグラフィと堆積技法の組合せが使用される。別の実施形態では、例えば、レンズアレイ又は拡散器などの光学構成要素を生成するためにレプリカ成形が使用され、その後で、光学構成要素が印刷可能半導体要素と共にコンタクト印刷によりパターニングされる。別の実施形態では、例えば、デバイス基板上に設けられた印刷可能半導体要素がデバイス基板上にパターニングされた電極及び電気相互接続と、光リソグラフィと堆積技法を組み合わせて使用して電気的に接続される。別の実施形態では、例えば、多層構造を備えた光学システムが、デバイス基板上に印刷される薄膜トランジスタ、ＬＥＤ、半導体レーザ、及び／又は光起電力デバイスなどの印刷可能半導体要素の反復的な転写及び組立ステップを、任意選択で、電極、相互接続、接着剤層、ラミネート層、光学構成要素、及びカプセル化又は平坦化層などの追加デバイス構成要素を集積化するためのスピンコーティング、堆積、及びカプセル化／平坦化ステップにより実施される追加の加工と組み合わせて行うことによって生成される。
【００３２】
[032]一実施形態では、この態様の方法はさらに、１つ又は複数の光学構成要素を、印刷可能半導体要素と光学的に連絡した状態又は光学的に見当合せされた状態で設けるステップを含み、例えば、光学構成要素は、収光光学系、拡散光学系、分散光学系、光ファイバ及びそのアレイ、レンズ及びそのアレイ、拡散器、反射器、ブラッグ反射器、並びに光学コーティング（例えば反射コーティング又は反射防止コーティング）からなる群から選択される。例えば、本発明の方法は、任意選択で、光学構成要素アレイを、印刷可能半導体要素の少なくとも一部分と光学的に連絡した状態又は光学的に見当合せされた状態で設けるステップを含むことができる。いくつかの実施形態では、アレイの光学構成要素が、印刷可能半導体要素のそれぞれに個別にアドレスされる。特定の一実施形態では、光学構成要素アレイが、レプリカ成形により製作され、この場合、印刷可能半導体要素が、光学構成要素アレイの受取面上にコンタクト印刷により組み立てられる。
【００３３】
[033]一実施形態では、本発明の一方法はさらに、１つ又は複数の電極を、デバイス基板上に設けられた印刷可能半導体要素と電気的に接触した状態で設けるステップを含む。一実施形態では、光リソグラフィパターニングと堆積技法（例えば熱堆積、化学気相成長、又は物理気相成長）を組み合わせて使用することにより、電極が光学システム内に画定及び集積化される。別の実施形態では、印刷を使用することにより、電極がデバイス要素と組立及び相互接続される。
【００３４】
[034]本発明の方法は、光学システムを大面積の基板の受取面上に設けるのに有用である。大規模アレイ光学システムの作製に有用な一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０５ｍ^２〜１０メートル^２の範囲で選択され、好ましくはいくつかの用途では、０．０５ｍ^２〜１メートル^２の範囲で選択される、受取基板の領域上に設けられる。
【００３５】
[035]一実施形態では、本方法はさらに、組立ステップの前に受取面に接着剤層を設けるステップを含む。接着剤層は、本発明において、印刷可能半導体要素及び他のデバイス要素を基板の受取面に接合し、又は他の様式で付着させるのに有用である。有用な接着剤層には、１層又は複数層の金属層又はポリマー層が含まれるが、それだけには限定されない。一実施形態では、本方法はさらに、印刷可能半導体要素上にラミネート、平坦化、又はカプセル化層を設けるステップを含む。ラミネート、平坦化、又はカプセル化層は、本方法において、受取面上の印刷可能半導体要素及び他の要素を少なくとも部分的にカプセル化又はラミネートするのに有用である。
【００３６】
[036]任意選択で、本発明の方法はさらに、（ｉ）無機半導体ウェーハを準備するステップと、（ｉｉ）半導体ウェーハから複数の印刷可能半導体要素を生成するステップと、（ｉｉｉ）複数の印刷可能半導体要素をウェーハから受取面にコンタクト印刷により転写し、それにより、複数の印刷可能半導体要素を基板の受取面上に組み立てるステップとを含む。一実施形態では、複数の印刷可能半導体要素が、基板の受取面上、及び１つ又は複数の追加基板の受取面上に組み立てられ、この場合、それらの基板上に組み立てられた複数の印刷可能半導体要素が、半導体ウェーハの少なくとも５〜５０質量％を占める。本発明のこの態様は、半導体ウェーハ出発材料の非常に効率的な使用を可能にし、その結果、光学システムを低コストで製作することになるため、有利である。いくつかの実施形態では、「基板上に組み立てられた複数の印刷可能半導体要素」が、最終のデバイス基板のごく一部分（約５質量％又は面積％未満）を占めることができる。換言すれば、印刷されたシステムは、半導体の低充填率を示すことができる。低充填率の利点は、これらの場合に、大面積の最終の（１つ又は複数の）デバイス基板をカバーするための面積当たりの値段が高い、半導体材料を少量しか必要としないことである。
【００３７】
[037]別の実施形態では、本発明は、半導体ベース光学システムを作製する方法であって、（ｉ）外面及び内面を有する光学構成要素を準備するステップと、（ｉｉ）光学構成要素の内面上に、電気伝導性グリッド又はメッシュを設けるステップと、（ｉｉｉ）受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、（ｉｖ）基板の受取面上に複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであって、印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する単体無機半導体構造を備えるステップと、（ｖ）グリッド又はメッシュを有する光学構成要素を基板に転写するステップであって、光学構成要素が、基板の受取面上に組み立てられた半導体要素の上面に配置され、グリッド又はメッシュが、光学構成要素と半導体要素との間に設けられるステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さ、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される長さ、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される幅、及び１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【００３８】
[038]本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単体無機半導体構造を備える。本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単結晶半導体材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明により提供される光学システムを示す概略図である。図１に示すように、本発明は、見当合せされた集積光学構成要素を有する印刷無機光電子システムを備えた、光発生用システム及び光ハーベスティング用システムを含むいくつかのクラスの光学システム、及びこれらのシステムを作製する関連方法を提供する。
【図２Ａ】印刷可能半導体要素を備えた、本発明の光学システムの概略図であり、集積光拡散器を備えた印刷ＬＥＤアレイを示す。
【図２Ｂ】印刷可能半導体要素を備えた、本発明の光学システムの概略図であり、集積光ファイバを備えた、シリコンチップ上のＶＣＳＥＬアレイを示す。
【図２Ｃ】印刷可能半導体要素を備えた、本発明の光学システムの概略図であり、集積収光器を備えた印刷光起電力アレイを示す。
【図２Ｄ】印刷可能半導体要素を備えた、本発明の光学システムの概略図であり、収光レンズ上に印刷フォトダイオードアレイを備えた、人工眼センサを示す。
【図２Ｅ】印刷可能半導体要素を備えた、本発明の光学システムの概略図であり、感光機能と光発生機能を共に有し、ポリマー基板又は他の低コスト基板上に設けられた、印刷アレイＬＥＤ及びフォトダイオード構成要素、並びに集積収光光学系を備えた、シートスキャナを示す。
【図３】本発明の印刷無機アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素要素の製作に関するプロセスフロー概略図である。
【図４】ガラス基板上の印刷アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの概略図である（原寸に比例しない）。図示のディスプレイは１００画素を備え、約１１インチのディスプレイである。デバイスの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）要素、ＬＥＤ要素、ゲートライン、アノードライン、及びデータラインが図４に示してある。
【図５Ａ】（透明）ガラス基板上のアクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素の写真である。図５Ａに示すように、アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素は、印刷ＴＦＴ構造、ＬＥＤ構造、ゲート電極、及び電気相互接続を備える。
【図５Ｂ】アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素に関する電流（Ａ）対駆動バイアス（Ｖ）をプロットしたグラフである。
【図６Ａ】（透明）ガラス基板上の６４画素アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの写真であり、デバイス基板上に印刷した１ｍｍトランジスタ、及び基板上に手動で配置したＩＬＥＤを備えた、６４画素部分ＬＥＤディスプレイ（注意：上部接点を省略）の写真を示す。図６Ａに示すデバイスでは、画素が４ｍｍピッチで設けられている。
【図６Ｂ】（透明）ガラス基板上の６４画素アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの写真であり、高電流動作用のインターデジタル型チャネル（薄い緑色の線）を備えた印刷シリコンＴＦＴの写真を示す。
【図６Ｃ】（透明）ガラス基板上の６４画素アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの写真であり、透明な共通アノード電気接点をＬＥＤに対して配置することにより照明される２つの画素の写真を示す。
【図７Ａ】印刷無機パッシブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素要素の製作に関するプロセスフロー概略図である。
【図７Ｂ】（軟質）基板／層の圧縮による電気的接触の確立に関するプロセスフロー概略図である。
【図８】印刷パッシブマトリクス印刷無機ＬＥＤディスプレイの概略図である（原寸に比例しない）。図８に示すように、このディスプレイは、底部基板、電極ネットワーク、印刷ＩＬＥＤ、ＰＤＭＳ層、及び上部基板を備える。
【図９】ガラス基板及び可撓性ＰＥＴ基板上の、受動アドレス型印刷無機ＬＥＤディスプレイ／アレイの写真である。
【図１０】無機発光体及び収光器の冷間圧接接合技法による印刷に関するプロセスフロー概略図である。
【図１１】ドナーカートリッジ及び冷間圧接接合技法を使用した印刷に関するプロセスフロー概略図である。この方法では、カートリッジをＳＵ−８でパターニングする。カートリッジのパターニングされた表面上にＩＬＥＤ構造を配置する。スタンプを使用してＩＬＥＤ構造を取り上げ、その後、ＩＬＥＤ構造を、電極で予めパターニングした基板上に転写印刷により印刷する。図１１の下部パネルは、この方法を使用して印刷したＬＥＤ構造の一例を示す。
【図１２】拡散光学系が印刷可能ＬＥＤ構造と共に集積化される、本発明の光学システムの概略図である。この実施形態では、ＰＤＭＳを粗面ポリスチレン上で成形する。パネル（ａ）と（ｂ）を比較することにより、この光学システムに拡散器を組み込んだ影響が分かる。拡散器は、粗成形されたＰＤＭＳ構造とすることができる。この図は、拡散器が発光領域のサイズを効果的に増加させることができることを実証している。
【図１３】本発明のＬＥＤ照明システムに有用な、径方向密度勾配散乱中心（ｒａｄｉａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ）を備えた拡散光学系の概略図である。この図に示すように、金属の下にある印刷ＬＥＤ構造が、複数の光散乱中心と光学的に連絡した状態で設けられている。図１３の下部パネルは、透明基板内にレリーフフィーチャを備えた散乱中心の断面図を示す。
【図１４Ａ】印刷可能マイクロＬＥＤを製作するための例示的エピ層構造を示す図である。この図に示すように、エピ層構造は、一連のデバイス層、犠牲層、及びハンドルウェーハを備える。エピ層構造内の個々の層が、図１４Ａの下部パネル内に示してある。
【図１４Ｂ】量子井戸発光層を備えた印刷可能マイクロＬＥＤを製作するための例示的エピ層構造を示す図である。エピ層構造は、ｐクラッド層とｎクラッド層との間に設けられた一連の半導体層を備える。エピ層構造内にある各層の具体的な組成が示してある。
【図１４Ｃ】印刷可能マイクロＬＥＤを製作するためのエピ層構造内にある各層の組成、厚さ、ドーピング、及び機能を示す表である。
【図１４Ｄ】フォトリソグラフィと層９〜４のエッチング、並びに湿式化学エッチングによる層３の選択的除去によって、印刷可能なｐオンｎ ＧａＡｓ太陽電池を製作することができる、マザーウェーハの一例を示す図である。
【図１４Ｅ】フォトリソグラフィと層９〜４のエッチング、並びに湿式化学エッチングによる層３の選択的除去によって、印刷可能なｎオンｐ ＧａＡｓ太陽電池を製作することができる、マザーウェーハのもう１つの例を示す図である。
【図１５】低充填率、マイクロサイズ（約１００ミクロンフットプリント未満）のＬＥＤの、知覚できないピクセレーション／高度の透明性を示す概略図である。この図の上部パネル内に示すように、この光学システムは、（ｉ）第１のガラス被覆ＩＴＯ又は低充填率金属メッシュ層と、（ｉｉ）印刷マイクロＬＥＤ構造と、（ｉｉｉ）第２のガラス被覆ＩＴＯ又は低充填率金属メッシュ層とを備える。オフ状態及びオン状態に対応する上面図が示してある。マイクロＬＥＤ構造の位置決めを示した、上面図の拡大図も示してある。
【図１６】印刷可能発光無機半導体マイクロ要素、すなわちマイクロＬＥＤ又はＶＣＳＥＬの剥離の図式を示す図である。図式１は、そのような要素をポリマー、例えばフォトレジスト内にカプセル化し、それらの要素を、それらが上に成長したウェーハから、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞約７０％）犠牲層をフッ化水素酸を使用して選択的にエッチングすることで剥離することによる、それらの要素の剥離を示している。図式２は、それらの要素を共形誘電体（例えば窒化シリコン）内にカプセル化し、それらの要素を、ウェーハから、ＡｌＧａＡｓを選択的に酸化し酸化後の材料を水酸化カリウム水溶液を使用してエッチングすることで剥離することによる剥離を示している。図式３は、それらの要素をポリマー、例えばフォトレジストでカプセル化し、続いて、埋込みＧａＡｓ犠牲層をクエン酸と過酸化水素の水性混合物を使用して選択的にエッチングすることによる剥離を示している。図式３では、ＡｌＧａＡｓが、発光要素の下側をクエン酸ベースのエッチング液から保護する。
【図１７Ａ】太陽電池の印刷による集積太陽電池アレイ／収光器アレイの製作を示す、概略プロセスフロー図である。
【図１７Ｂ】光学アレイの見当合せ相互接続による集積太陽電池アレイ／収光器アレイの製作を示す、概略プロセスフロー図である。
【図１７Ｃ】集積太陽電池アレイ／収光器アレイの動作を示す、概略プロセスフロー図である。
【図１８】（Ａ）は本発明の光学システムの集積化した低レベル収光光学系（レンズ）アレイ及び太陽電池アレイの動作を示す概略光線図である（原寸に比例しない）。（Ａ）に示すように、放射が集光器により収光され、印刷マイクロ太陽電池上に集束される。（Ｂ）は反射防止層、上部接点、及びｐ−ｎ接合を備えた本発明のマイクロ電池の拡大図である。
【図１９】半導体材料コストをシート様フォームファクタの形で低減することによる、光ハーベスティングの概略図である。収光器のサイズが約２ｍｍであり、太陽電池のサイズが約０．１ｍｍであり、面積増倍度（収集器面積と太陽電池面積の比）が約４００である。この図に示す計算から実証されるように、１ｆｔ^２の加工後の半導体ウェーハが、約４００ｆｔ^２の光ハーベスティング面積をもたらす。この計算は、本発明の方法及び光学システムが、高性能光起電力デバイス及びシステムに対する高効率及び低コストの製作戦略をもたらすことを実証している。
【図２０】本発明の収光光学系、及び太陽電池アレイの異種構成した太陽電池（シンペヴォレント（ｓｙｍｐｅｖｏｌｅｎｔ）／ディヴェンテグレーション（ｄｉｖｅｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ））の概略図である。この図に示すように、収光光学系は、デバイス基板上にコンタクト印刷により組み立てた、窒化物／リン化物及び／又はヒ化物太陽電池並びにシリコン太陽電池と、光学的に連絡した状態で設けられる。図２０は、集光器の収光及び集束機能を示す入射光の光線図、並びに個別にアドレスされた太陽電池も示す。単結晶多層太陽電池（すなわち第三世代太陽電池）は、典型的には、ＭＯＣＶＤにより成長され、層間の結晶格子不整合が必然であるという制約を受ける。本発明者らのシステムでは、さまざまな吸収層が、任意の格子と、層ごとに最適なスペクトル吸収が得られるように選択された材料とを有することができる。
【図２１】レプリカ成形方法とコンタクト印刷を組み合わせて使用することによる集積太陽電池及びレンズアレイの製作に関する概略プロセスフロー図である。この図に示すように、マスタレンズアレイを使用して、ネガティブレプリカモールドを、例えばレプリカ成形又はインプリント技法により生成する。次に、成形されたＰＤＭＳ層を使用して、ポリマーをネガティブレプリカに対して注型することにより、平凹ポリマーレンズアレイを生成する。図２１に示すように、デバイス基板上に印刷された太陽電池が、本発明の光学システムを生成するように、レンズアレイと光学的に連絡した状態で設けられる。
【図２２】集光／収光光学系の一タイプであるフレネルレンズが、本発明で記載する光ハーベスティングシステム用に光を小面積に集束させることができる能力を実証する図である。フレネルレンズアレイは、従来のレンズに比べて薄いフォームファクタや軽量など、その有利な特徴のため、集光器として使用することができる。この図は、球面フレネルレンズ及び円柱フレネルレンズの場合の、焦点エリア測定値を示す。
【図２３】光ハーベスティング用に水平の光パイプ及び／又は導波路が設けられる、本発明の光学システムを示す概略図である。この光学システムは、垂直入射光又は斜入射光を捕捉し、それを基板の平面内で太陽電池又は太陽電池アレイに案内するのに適した屈折率をもつ、透明な構造化媒体を使用する。
【図２４】シリコンオンインシュレータＳＯＩウェーハを使用して製作した、例示的印刷可能シリコン太陽電池を示す概略図である。この太陽電池は、Ｐ／Ａｓ混合物でドープした上面を備え、ＳＯＩウェーハの埋込み酸化物層により支持される。図２４は、ｎ^＋−Ｓｉ（Ｐ／Ａｓ）層及びｐ−Ｓｉ（Ｂ）層を備えた太陽電池多層構造を示す。
【図２５】印刷可能太陽電池を、コンタクト印刷と、それに続く、太陽電池をデバイス基板に付着させるための冷間圧接加工とを使用して、基板に転写する方法を示す概略プロセスフロー図である。
【図２６】本発明の太陽電池アレイへの上部接点の例示的構成の上面図（並列式）を示す概略図である（原寸に比例しない）。約１２０ミクロンの幅、及び約１ミリメートルの長さを有するマイクロ太陽電池（グレーで示す）が、デバイス基板上にアレイ形式で設けられている。６０ミクロンの幅、及び１インチ程度の長さを有する金属フィーチャが設けられている。この金属フィーチャは、本発明の太陽電池デバイスアレイの上部接点をもたらす。この図は、曲げ半径が０．８５ｃｍに等しい状態の、青色ＬＥＤ及び薄いカプトン基板で作製された可撓性ストリップライトを示す。
【図２７】本発明の「人工眼」センサの概略図である。このセンサは、球面曲率を有するレンズ上に分配された無機フォトダイオードアレイを備える。さまざまなレンズ形状及び角度が、図２７に示してある。
【図２８】例示的「人工眼」センサにおいて伸縮性が必要なことを実証する、平坦なシートを球面に巻き付ける様子を示す概略図である。図２８に示すように、平坦なシートの共形位置決めには、破損を回避するためにある程度の伸縮性が必要である。
【図２９】本発明のマイクロ太陽電池アレイを作製する方法を示す、概略プロセスフロー図である。
【図３０】推定短絡電流（Ｊ_ＳＣ）及びＡＭ１．５効率をシリコン厚さの関数として示す図である。
【図３１】Ｓｉ多層リボン積層体を連続して作製する様子を示す、走査型電子顕微鏡写真である。
【図３２】Ｓｉリボンがｐ型シリコンを備え、上面にエミッタを形成するための薄いｎ型層がある、接続方式の概略図である。左側は転写した状態のままのＳｉリボンを示し、右側は接続（直接描画又はスクリーン印刷）を示す。図を見やすくするために、４本のＳｉリボンだけが示してある。
【図３３】ＰＤＭＳを使用して太陽照明を集光するための、本発明の太陽電池アレイの概略図である。
【図３４】単結晶シリコンをプラスチック、ガラス、Ｓｉウェーハ、ＩｎＰウェーハ、及び薄膜ａ−Ｓｉ上に印刷した結果を示す画像である。本発明のマイクロスタンピングプロセスは、広範な基板に適合する。
【図３５】印刷可能無機半導体ベースＬＥＤの印刷に適用される、本発明の例示的プロセスの概略図である。
【図３６】共形性ＬＥＤ照明システムを製作する本方法において有用なプリンタの画像及び概略図である。
【図３７】プラスチック基板上にコンタクト印刷により組み立てた受動アドレス型青色無機ＬＥＤを備える、正方形（部分ａ）及び直線状（部分ｂ）の照明デバイスの画像である。部分（ｂ）のデバイスは、本発明の共形ＩＬＥＤベース薄膜照明デバイスを示す。
【図３８】本発明の共形性ＬＥＤ照明システムを製作する方法の概略プロセスフロー図である。
【図３９】可撓性ストリップを備えた本発明のＩＬＥＤ光デバイスの製作のプロセスフロー図である。
【図４０】上部及び底部ＰＥＴ基板（厚さ約１７５ミクロン）、ＩＬＥＤ構造（厚さ約１００ミクロン）、電極、及びＰＤＭＳカプセル化コーティングを備えた、本発明の共形ＩＬＥＤ照明システムの断面図である。
【図４１−１】本発明のＩＬＥＤ照明システムの、曲がっていない状態、曲げ半径が７ｃｍの第１の曲がった状態、曲げ半径が５ｃｍの第２の曲がった状態、曲げ半径が４．５ｃｍの第３の曲がった状態、曲げ半径が３ｃｍの第４の曲がった状態、及び曲げ応力を開放してすぐの状態における画像である。図４２の画像は、本発明の共形ＩＬＥＤ照明システムが曲がった形状において有用な光学特性をもたらすことを確かに示している。
【図４１−２】図４１−１に続く図であり、本発明のＩＬＥＤ照明システムの、曲がっていない状態、曲げ半径が７ｃｍの第１の曲がった状態、曲げ半径が５ｃｍの第２の曲がった状態、曲げ半径が４．５ｃｍの第３の曲がった状態、曲げ半径が３ｃｍの第４の曲がった状態、及び曲げ応力を開放してすぐの状態における画像である。図４２の画像は、本発明の共形ＩＬＥＤ照明システムが曲がった形状において有用な光学特性をもたらすことを確かに示している。
【図４２】曲げ半径が０．８５ｃｍに等しい、青色ＬＥＤ及び薄いカプトン基板で作製した可撓性ストリップライトの画像である。
【図４３】デバイス基板上にＩＬＥＤ構造を組み立てる２つの方法を示す概略図である。
【図４４】低レベル集光レンズを有するマイクロ単結晶シリコン太陽電池の作製の概略図である。第１のステップ（ａ）では、マイクロ構造を、ＰＤＭＳからデバイスの裏面電気接点として働く埋込み電極上に転写する。シリコンは、電極表面上にＰＤＭＳをラミネートし、ＰＤＭＳを後方にゆっくりと剥がすことにより転写される。次に、ステップ（ｂ）で、平坦化と、それに続いて上部金属接点の作製を実施する。ＰＤＭＳから作製した低集光円柱レンズアレイをデバイス上に集積化することにより、デバイスが完成する（ステップｃ）。この最終ステップで、シリコン電池の並びがレンズアレイの焦点と整合するようにデバイスが設計されたことが分かる。
【図４５】ガラス基板に転写されたシリコン太陽電池の画像である。（ａ）上部及び底部電気接点を共に有するガラス基板上の単一電池の光学画像。（ｂ）電流電圧特性。（ａ）に示すデバイスのＡＭ１．５下での典型的なＩ−Ｖ応答。
【図４６】円柱収光光学系に接合された太陽電池アレイの画像である。（ａ）円柱レンズアレイと完全に集積化した最終デバイスの写真。（ｂ）レンズアレイを組み込んでいない同じデバイスの写真。
【図４７】集積金属接点を備える集光器アレイを、ｍＳ−シリコン太陽電池（マイクロシリコン太陽電池）上で生成する様子を示す概略図である。このプロセスは、（濃青色として示す）基板から金属メッシュパターンを、ＰＤＭＳ成形したレンズアレイにより取り上げることから開始する。次いで、レンズアレイ／メッシュパターンを、シリコン太陽電池アレイ上に見当合せしてラミネートすることができる。
【図４８】太陽電池及び集積集光光学系を生成するためのプロセスフローである。
【図４９】ガラス基板上にある金バスライン上に薄いＰＤＭＳ接着剤層を介して印刷された、マイクロ太陽電池アレイの画像である。この太陽電池アレイの電流−電圧特性も示してある。
【図５０】（ａ）縦型のマイクロ電池、（ｂ）横型のマイクロ電池、（ｃ）両方の型を組み合わせたマイクロ電池の概略図である。
【図５１】大面積光学システムを転写印刷によるマイクロマニピュレーションを使用して作製するための、本発明の方法を示す概略図である。この技法は、マイクロサイズ及び／又はナノサイズの物理的寸法を有する無機半導体要素及び半導体デバイスの同時大量組立を可能にする。
【図５２】転写印刷により組み立てた無機ＬＥＤデバイスの、電流（Ａ）対印加電圧（Ｖ）をプロットしたグラフである。
【図５３Ａ】プラスチック基板上に転写印刷により組み立てた印刷薄膜無機ＬＥＤデバイスの、電流（Ａ）対印加電圧（Ｖ）をプロットしたグラフである。図５３Ａは、組み立てたデバイスの概略図も示す。
【図５３Ｂ】本発明において有用な例示的ＩＬＥＤエピ層構造を示す概略図を示す。
【図５４Ａ】平坦化された印刷可能半導体要素を備えた本発明のシステムの概略図である。
【図５４Ｂ】平坦化された印刷可能半導体要素を備えた本発明のシステムの概略図である。
【図５５】印刷可能半導体ベースの電子デバイス及びデバイス構成要素などの平坦化された印刷可能半導体要素を備えた半導体ベースの光学システムを作製するための、本発明の方法における加工ステップを示すフロー図である。
【図５６】段差エッジが印刷可能半導体要素への電気的接触及び／又は印刷可能半導体要素間の電気的接触の確立に及ぼす影響を特徴付ける実験結果を示す図である。
【図５７】後で組立及び相互接続して太陽電池アレイを製作することができる縦型太陽電池を備えた、印刷可能半導体要素の作製のプロセスフロー図である。
【図５８】バルクウェーハから製作されたさまざまな厚さのマイクロ太陽電池のＳＥＭ画像である。（上部から下部に向かって、厚さ８ミクロン、１６ミクロン、２２ミクロン）。
【図５９】本加工基盤を使用して製作された個々の太陽電池デバイスのＩＶ特性を示すプロットである。
【図６０】縦型太陽電池用の上部接点を生成するための加工、及び関連する電子的性能データを示す図である。
【図６１】＜１１１＞ｐ型Ｓｉウェーハ上にパターニングされ、またコンタクト印刷による後続の組立及び集積化が可能な、横型太陽電池の太陽電池レイアウトを示す概略図である。
【図６２】パターニングされた半導体リボンの外面上にホウ素（Ｐ＋）及びリン（ｎ＋）ドープ領域がパターニングされるドーピング方式を示す概略図である。
【図６３】電池のパターニング及びドーピングステップのプロセスフローを示す概略図である。
【図６４】フォトリソグラフィ及びＳＴＳ深堀りＲＩＥエッチングプロセスステップを示す、太陽電池リボンをパターニングするための加工ステップを示す概略図である。
【図６５】パターニングされたリボンの側壁をＫＯＨリファイニング処理した結果を示す図である。
【図６６】ホウ素ドーピング処理の概略図である。ＫＯＨリファイニングステップ後、上部ｐ＋接点を形成するためにホウ素ドーピングを行う。
【図６７】リンドーピング処理の概略図である。
【図６８】側壁パッシベーション処理を示した概略図である。
【図６９】ＫＯＨエッチング窓を作製するための加工を示す概略図である。
【図７０】ＫＯＨエッチング処理及び底部ホウ素ドーピング処理を示す顕微鏡写真である。
【図７１】太陽電池リボンをソースウェーハからＰＤＭＳ転写デバイスを使用して転写する様子を示す画像である。
【図７２】コンタクト印刷及び平坦化処理ステップを示す概略図である。
【図７３】金属化処理の結果を示すイメージングである。
【図７４】Ａｌ金属層、ＳｉＯ_２誘電体層、Ｃｒ／Ａｕ層、太陽電池、平坦化層、及びデバイス基板を示す、金属化プロセスの概略図である。
【図７５Ａ】本明細書において使用する「横方向寸法」及び「断面寸法」という表現を例示した概略図であり、４本の半導体リボン６００５を備えた印刷可能半導体要素の上面図である。この記載の文脈では、「横方向寸法」という表現は、半導体リボン６００５の長さ６０００及び幅６０１０により例示される。
【図７５Ｂ】本明細書において使用する「横方向寸法」及び「断面寸法」という表現を例示した概略図であり、４本の半導体リボン６００５を備えた印刷可能半導体要素の断面図である。
【図７６】ＰＥＴ基板上に印刷された、印刷可能ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＰ赤色ＬＥＤアレイを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
[0116]図面を参照すると、類似の数字は類似の要素を示し、２つ以上の図面中に出現する同じ数字は同じ要素を示している。さらに、以下では次の定義が当てはまる。
【００４１】
[0117]光学系及び光学構成要素に用いられる「収光」及び「集光」とは、光学構成要素及びデバイス構成要素が比較的大きな領域から光を向け、その光を別の領域、場合によってはより小さな領域に向ける、それらの構成要素の特性を指す。いくつかの実施形態の文脈では、収光及び集光光学構成要素及び／又は光学構成要素は、印刷無機太陽電池又はフォトダイオードによる光検出又は電力ハーベスティングに有用である。
【００４２】
[0118]「印刷可能」とは、基板を高温に（すなわち約摂氏４００度以下の温度で）さらさずに、基板上又は基板内に転写、組立、パターニング、編成、及び／又は集積化することが可能な材料、構造、デバイス構成要素、及び／又は集積機能デバイスに関係する。本発明の一実施形態では、印刷可能な材料、要素、デバイス構成要素、及びデバイスは、基板上又は基板内に、溶液印刷又はコンタクト印刷により転写、組立、パターニング、編成、及び／又は集積化することが可能である。
【００４３】
[0119]本発明の「印刷可能半導体要素」は、基板表面上に、例えば乾式転写コンタクト印刷及び／又は溶液印刷方法を使用して組立及び／又は集積化することが可能な半導体構造を備える。一実施形態では、本発明の印刷可能半導体要素は、単体の単結晶、多結晶、又は微結晶無機半導体構造である。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、マザーウェーハなどの基板に、１つ又は複数のブリッジ要素を介して接続される。本明細書のこの文脈では、単体構造は、機械的に接続されるフィーチャを有するモノリシック要素である。本発明の半導体要素は、ドープされなくてもドープされてもよく、ドーパントの選択された空間的分布を有することができ、Ｐ及びＮ型ドーパントを含めて、複数の異なるドーパント材料でドープされてよい。本発明の印刷可能半導体要素及び構造は、ウェーハからのその剥離を化学剥離剤の導入によって容易にするために、要素の１つの寸法を貫通する孔又は貫通孔を含むことができる。本発明は、１ミクロン〜１０００ミクロンの範囲で選択される少なくとも１つの断面寸法（例えば厚さ）を有する、マイクロ構造の印刷可能半導体要素を含む。本発明は、１〜１０００ナノメートルの範囲で選択される少なくとも１つの断面寸法（例えば厚さ）を有する、ナノ構造の印刷可能半導体要素を含む。一実施形態では、本発明の印刷可能半導体要素は、１０００ミクロン以下の厚さ寸法、好ましくはいくつかの用途では、１００ミクロン以下の厚さ寸法、好ましくはいくつかの用途では、１０ミクロン以下の厚さ寸法、好ましくはいくつかの用途では、１ミクロン以下の厚さ寸法を有する。
【００４４】
[0120]多くの用途において有用な印刷可能半導体要素は、従来の高温処理技法を使用して生成された高純度結晶半導体ウェーハなどの高純度バルク材料の「トップダウン」加工から得られる要素を備える。本発明のいくつかの方法及びシステムでは、本発明の印刷可能半導体要素が、導電性層、誘電体層、電極、追加半導体構造、又はそれらの任意の組合せなど、少なくとも１つの追加デバイス構成要素又は構造に動作可能に接続され、又はそれと共に他の様式で集積化された半導体を有する、複合異種構造を備える。本発明のいくつかの方法及びシステムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、別の半導体構造、誘電体構造、導電性構造、及び光学構造（例えば光学コーティング、反射器、窓、光学フィルタ、収光、拡散又は集光光学系など）からなる群から選択される少なくとも１つの追加構造と共に集積化された半導体構造を備える。本発明のいくつかの方法及びシステムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、電極、誘電体層、光学コーティング、金属接点パッド、及び半導体チャネルからなる群から選択される少なくとも１つの電子デバイス構成要素と共に集積化された半導体構造を備える。本発明のいくつかの方法及びシステムでは、本発明の印刷可能半導体要素が、伸縮性半導体要素、曲げ可能半導体要素、及び／又は異種半導体要素（例えば、誘電体、他の半導体、導体、セラミックなど、１つ又は複数の追加材料と共に集積化された半導体構造）を備える。印刷可能半導体要素は、印刷可能なＬＥＤ、レーザ、太陽電池、ｐ−ｎ接合、光起電力システム、フォトダイオード、ダイオード、トランジスタ、集積回路、及びセンサを含むが、それだけには限定されない、印刷可能半導体デバイス及びその構成要素を含む。
【００４５】
[0121]「断面寸法」とは、デバイス、デバイス構成要素、又は材料の断面の寸法を指す。断面寸法は、印刷可能半導体要素の厚さ、半径、又は直径を含む。例えば、リボン形状を有する印刷可能半導体要素は、厚さ断面寸法によって特徴付けられる。例えば、円柱形状を有する印刷可能半導体要素は、直径（又は半径）断面寸法によって特徴付けられる。
【００４６】
[0122]「実質的に平行な構成で長手方向に配向された」とは、印刷可能半導体要素など、一群の要素の長手方向軸が、選択された整合軸に実質的に平行に配向されるような向きを指す。この定義の文脈では、選択された軸に実質的に平行とは、絶対的に平行な向きから１０度以内、より好ましくは絶対的に平行な向きから５度以内にある向きを指す。
【００４７】
[0123]「可撓性の、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）」及び「曲げ可能な」という用語は、本明細書において同義的に使用され、材料、構造、デバイス、又はデバイス構成要素が、材料、構造、デバイス、又はデバイス構成要素の破損点を特徴付ける歪みなどの大幅な歪みを導入する変化を受けずに、湾曲形状に変形することができる能力を指す。例示的一実施形態では、可撓性の材料、構造、デバイス、又はデバイス構成要素は、５％以上の、好ましくはいくつかの用途では、１％以上の、より好ましくはいくつかの用途では、０．５％以上の歪みを導入せずに、湾曲形状に変形することができる。
【００４８】
[0124]「半導体」とは、非常に低い温度では絶縁体であるが、約３００ケルビンの温度ではかなりの電気伝導率を有する材料である、任意の材料を指す。本記載では、半導体という用語の使用は、マイクロエレクトロニクス及び電気デバイスの技術分野におけるこの用語の使用と一致するものとする。本発明において有用な半導体は、シリコン、ゲルマニウム、及びダイアモンドなどの元素半導体、並びにＳｉＣ及びＳｉＧｅなどのＩＶ族化合物半導体、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ、Ａｌｎ、ＡｌＰ、ＢＮ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、及びＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族三元半導体合金、ＣｓＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、及びＺｎＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｉ−ＶＩＩ族半導体であるＣｕＣｌ、ＰｂＳ、ＰｂＴｅ、及びＳｎＳなどのＩＶ−ＶＩ族半導体、Ｐｂｌ_２、ＭｏＳ_２、及びＧａＳｅなどの層半導体、ＣｕＯ及びＣｕ_２Ｏなどの酸化物半導体などの、化合物半導体を備えることができる。半導体という用語は、真性半導体と、所与の用途又はデバイスに有用な有利な電気的特性を与えるために、１種又は複数種の選択された材料でドープされた、ｐ型ドーピング材料及びｎ型ドーピング材料を有する半導体を含めた外因性半導体とを含む。半導体という用語は、半導体及び／又はドーパントの混合物を含んだ複合材料を含む。本発明のいくつかの用途において有用な、具体的な半導体材料には、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、及びＧａＩｎＡｓＰが含まれるが、それだけには限定されない。センサ、並びに発光ダイオード（ＬＥＤ）及び固体レーザなどの発光材料の分野での本発明の用途には、多孔質シリコン半導体材料が有用である。半導体材料の不純物は、（１種又は複数種の）半導体材料自体以外の原子、元素、イオン、及び／又は分子、或いは半導体材料に与えられる任意のドーパントである。不純物は、半導体材料中に存在する、半導体材料の電気的特性に悪影響を及ぼす恐れのある望ましくない材料であり、不純物には、酸素、炭素、及び重金属を含む金属が含まれるが、それだけには限定されない。重金属不純物には、周期表で銅と鉛の間にある元素群、カルシウム、ナトリウム、及びそれらのあらゆるイオン、化合物、及び／又は複合体が含まれるが、それだけには限定されない。
【００４９】
[0125]「プラスチック」とは、一般に加熱したときに型成形又は成形され、所望の形状に硬化することができる、任意の合成若しくは天然の材料、又は材料の組合せを指す。本発明のデバイス及び方法において有用な例示的プラスチックには、ポリマー、樹脂、及びセルロース誘導体が含まれるが、それだけには限定されない。本明細書では、プラスチックという用語は、１種又は複数種のプラスチックと、構造増強剤、充填剤、繊維、可塑剤、安定剤、又は所望の化学的又は物理的特性を与えることができる添加剤など、１種又は複数種の添加剤とを含んだ、複合プラスチック材料を含むものとする。
【００５０】
[0126]「エラストマー」とは、伸縮又は変形することができ、大幅な永久的変形を伴わずにその元の形状に戻ることができるポリマー材料を指す。エラストマーは一般に、実質的に弾性的な変形を受ける。本発明において有用な例示的エラストマーは、ポリマー、コポリマー、複合材料、又はポリマーとコポリマーの混合物を含むことができる。エラストマー層とは、少なくとも１種のエラストマーを含む層を指す。エラストマー層は、ドーパント及び他の非エラストマー材料を含むこともできる。本発明において有用なエラストマーには、熱可塑性エラストマー、スチレン材料、オレフィン材料、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、及びシリコーンが含まれ得るが、それだけには限定されない。エラストマーは、本方法において有用なエラストマースタンプをもたらす。
【００５１】
[0127]「転写デバイス」とは、１つ又は複数の印刷可能半導体要素など、要素又は要素アレイを受取、再配置、組立、及び／又は集積化することが可能なデバイス又はデバイス構成要素を指す。本発明において有用な転写デバイスには、転写を受ける要素との共形接触を確立することが可能な１つ又は複数の接触面を有する共形性転写デバイスが含まれる。本方法及び組成は、エラストマー転写デバイスを備えた転写デバイスに関連した実施に特に十分に適している。有用なエラストマー転写デバイスには、エラストマースタンプ、複合エラストマースタンプ、エラストマー層、複数のエラストマー層、及びガラス、セラミック、金属、又はポリマー基板などの基板に結合されたエラストマー層が含まれる。
【００５２】
[0128]「大面積」とは、デバイス製作に使用される基板の受取面の面積などの、３６平方インチ以上の面積を指す。
【００５３】
[0129]「共形接触」とは、表面、被覆された表面、及び／又は材料が上に堆積された表面の間に確立される、（印刷可能半導体要素などの）構造を基板表面上に転写、組立、編成、及び集積化するのに有用となり得る接触を指す。一態様では、共形接触は、共形性転写デバイスの１つ又は複数の接触面を、基板表面の形状全体、又は印刷可能半導体要素などの物体の表面に、巨視的に適合させるものである。別の態様では、共形接触は、共形性転写デバイスの１つ又は複数の接触面を基板表面に微視的に適合させ、それにより、ボイドのない密接な接触をもたらすものである。共形接触という用語は、ソフトリソグラフィ技術分野におけるこの用語の使用と一致するものとする。共形接触は、共形性転写デバイスの１つ又は複数のベア接触面と、基板表面との間に確立することができる。或いは、共形接触は、共形性転写デバイスの１つ又は複数の被覆された接触面、例えば転写材料、印刷可能半導体要素、デバイス構成要素、及び／又はデバイスが上に堆積された接触面と、基板表面との間に確立することもできる。或いは、共形接触は、共形性転写デバイスの１つ又は複数の被覆なしの接触面又は被覆された接触面と、転写材料、固体フォトレジスト層、プレポリマー層、液体、薄膜、又は流体などの材料で被覆された基板表面との間に確立することもできる。
【００５４】
[0130]「配置精度」とは、転写方法又は転写デバイスが、印刷可能半導体要素などの印刷可能要素を、電極などの他のデバイス構成要素の位置に対する選択された相対位置、又は受取面の選択された領域に対する選択された相対位置に転写することができる能力を指す。「良好な配置」精度とは、方法及びデバイスが、印刷可能要素を、別のデバイス又はデバイス構成要素に対する選択された相対位置、又は受取面の選択された領域に対する選択された相対位置に、絶対的に正確な位置から５０ミクロン以下、より好ましくは、いくつかの用途では２０ミクロン以下、さらに好ましくは、いくつかの用途では５ミクロン以下の空間的なずれで転写することが可能なことを指す。本発明は、良好な配置精度で転写された少なくとも１つの印刷可能要素を備えるデバイスを提供する。
【００５５】
[0131]「光学的連絡」とは、電磁放射の１本又は複数本のビームが一方の要素から他方の要素に伝搬することが可能な、２つ以上の要素の構成を指す。光学的連絡状態にある要素は、直接的な光学的連絡状態にあっても、間接的な光学的連絡状態にあってもよい。「直接的な光学的連絡」とは、電磁放射の１本又は複数本のビームが第１のデバイス要素から別のデバイス要素に、ビームの誘導及び／又は組合せのための光学構成要素を使用せずに直接伝搬する、２つ以上の要素の構成を指す。一方、「間接的な光学的連絡」とは、電磁放射の１本又は複数本のビームが２つの要素間を、導波路、光ファイバ要素、反射器、フィルタ、プリズム、レンズ、回折格子、及びこれらのデバイス構成要素の任意の組合せを含むが、それだけには限定されない、１つ又は複数のデバイス構成要素を介して伝搬する、２つ以上の要素の構成を指す。
【００５６】
[0132]本発明は、次の分野、すなわち収光光学系、拡散光学系、ディスプレイ、ピックアンドプレース組立体、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）及びそのアレイ、ＬＥＤ及びそのアレイ、透明エレクトロニクス、光起電力アレイ、太陽電池及びそのアレイ、フレキシブルエレクトロニクス、マイクロマニピュレーション、プラスチックエレクトロニクス、ディスプレイ、転写印刷、ＬＥＤ、透明エレクトロニクス、伸縮性エレクトロニクス、並びにフレキシブルエレクトロニクスに関する。
【００５７】
[0133]本発明は、転写印刷技法により組立及び集積化された印刷可能な高品質無機半導体要素を備えた、光学デバイス及びデバイスアレイ、例えばＬＥＤアレイ、レーザアレイ、光センサ及びセンサアレイ、並びに光起電力アレイを提供する。本発明の組立及び集積化方法は、印刷可能半導体要素の乾式コンタクト印刷、集積光学構成要素（例えばレンズアレイ）を有するデバイス基板などのデバイス基板を作製するためのレプリカ成形、及びラミネート加工のステップを含む。
【００５８】
[0134]一実施形態では、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は他の発光若しくは収光デバイスの組立体の協調動作により画像を生成する、新規なタイプのディスプレイを提供する。画像は、コンピュータモニタ又はテレビジョン上での画像のように高精細度とすることができ、又は、画像は、蛍光灯に類似した形で単純な照明をもたらすことができる。本発明は、小型の無機発光デバイス、トランジスタ、及び電気伝導性相互接続の組立により形成される。転写印刷及び他の新規な製作プロセスを使用して、それらの構成要素の組立を実施し、それらに新規な機能、例えば伸縮性を付与することができる。
【００５９】
[0135]本発明は、剛性材料（例えばガラス）、可撓性材料（例えば薄いプラスチック）、さらには伸縮性材料（例えばエラストマー）をも含めた、一連の基板上に構築して、それらのディスプレイ及び照明製品に、高度の透明性、可撓性、及び／又は伸縮性、並びに機械的靭性及び低重量を含めたいくつかの利点を付与することができる。したがって、本発明は、例えば航空宇宙、輸送、医療、及びファッション産業における、物体の複雑な輪郭に動的に共形となることができる構造的要素及びデバイスを含むいくつかの用途に有用である。使用される発光体（ＬＥＤ）は、高速動作及び大きな輝度が可能であり、それにより、（例えば屋外ディスプレイの場合の）直射太陽光下でも、画像の効果的な表示が可能になる。
【００６０】
[0136]本発明の新規な転写印刷及び他の製作プロセスは、ディスプレイに機能を付与することに加えて、他のそれほど汎用性のないタイプのディスプレイ（例えば従来のＬＥＤディスプレイ）を製作するのに必要なコストよりも低いコストで本発明のシステムを製作することも可能にする。新規な転写印刷及び他の製作手順は、本発明のシステムが、他のディスプレイ技術（液晶ディスプレイ、有機ＬＥＤディスプレイ、従来のＬＥＤディスプレイ、陰極線管ディスプレイなど）にとって利用できないレベルの輝度、大面積カバレージ、透明性、機械的特性、動作寿命、及び／又は解像度の組合せを達成することも可能にする。
【００６１】
[0137]図１は、本発明により提供される光学システムを示す概略図である。図１に示すように、本発明は、見当合せされた集積光学構成要素を有する印刷無機光学システム及び光電子システムを備えた、光発生用システム及び光ハーベスティング用システムを含むいくつかのクラスの光学システム、及びこれらのシステムを作製する関連方法を提供する。光発生システムは、印刷ＬＥＤディスプレイ、マイクロＬＥＤデバイス、パッシブマトリクスＬＥＤディスプレイ、アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイ、印刷ＶＣＳＥＬシステム、及び印刷半導体レーザアレイを含み、任意選択で光拡散光学系、光集束光学系、及び／又は光フィルタリング光学系を備える。光ハーベスティングシステムは、人工眼センサ、球面／平面コンバーチブルスタンプセンサ、及び球面確認可能伸縮性半導体ベースセンサなどのセンサ、並びに光起電力アレイ、マイクロ太陽電池などの光起電力システムを含み、任意選択で収光光学系を備える。本発明の光学システムは、伸縮性デバイス及びシステム、可撓性デバイス及びシステム、並びに剛性デバイス及びシステムを含む。
【００６２】
[0138]図２Ａ〜Ｅは、印刷可能半導体要素を備えた、本発明の光学システムの概略図である。図２Ａは、集積光拡散器を備えた印刷ＬＥＤアレイを示す。図２Ｂは、集積光ファイバを備えた、シリコンチップ上のＶＣＳＥＬアレイを示す。図２Ｃは、集積収光器を備えた印刷光起電力アレイを示す。図２Ｄは、収光レンズ上に印刷フォトダイオードアレイを備えた、人工眼センサを示す。図２Ｅは、感光機能と光発生機能を共に有し、ポリマー基板又は他の低コスト基板上に設けられた、印刷アレイＬＥＤ及びフォトダイオード構成要素、並びに集積収光光学系を備えた、シートスキャナを示す。
【００６３】
[0139]図３は、本発明の印刷無機アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素要素の製作のプロセスフロー概略図を示す。パネル１は、基板上にゲート電極を設けるステップを示す。パネル２は、パターニングされた基板上に薄膜接着剤をスピンコーティングするステップを示す。パネル３は、接着剤層上に薄膜トランジスタ構造を、例えばコンタクト印刷を使用して印刷するステップを示す。パネル４は、印刷されたトランジスタ構造を相互接続するように電極ラインを堆積させる（又は印刷する）ステップを示す。パネル５は、１つ又は複数の電極上にＬＥＤ構造を印刷するステップを示す。いくつかの実施形態では、これらの要素の接合が冷間圧接により達成される。パネル６は、デバイス構成要素を、例えば光硬化性エポキシを使用してカプセル化又は平坦化するステップを示す。パネル７は、ＬＥＤ電極構造の上面に電気接点を堆積又は印刷するステップを示す。
【００６４】
[0140]図４は、ガラス基板上の印刷アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの概略図である（原寸に比例しない）。図示のディスプレイは１００画素を備え、約１１インチのディスプレイである。デバイスの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）要素、ＬＥＤ要素、ゲートライン、アノードライン、及びデータラインが図４に示してある。ＴＦＴ及びＬＥＤ構造は、例えば１つ又は複数のエラストマースタンプを使用した印刷により組み立てる。金属ラインは、シャドーマスクを用いてパターニングする。底部プレートが、ＬＥＤ構造、データ及びゲートライン、並びにＴＦＴ構造を保持する。上部プレートが、アノードラインを保持する。
【００６５】
[0141]図５は、（透明）ガラス基板上のアクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素の写真（図５Ａ）及び動作電流−電圧特性（図５Ｂ）を示す。図５Ａに示すように、アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素は、印刷ＴＦＴ構造、ＬＥＤ構造、ゲート電極、及び電気相互接続を備える。図５Ｂは、アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素の電流（Ａ）対駆動バイアス（Ｖ）のプロットを示す。
【００６６】
[0142]図６は、（透明）ガラス基板上の６４画素アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイの写真である。図６Ａは、デバイス基板上に印刷された１ｍｍトランジスタ、及び基板上に手動で配置されたＩＬＥＤを備えた、６４画素部分ＬＥＤディスプレイ（注意：上部接点を省略）の写真を示す。図６Ａに示すデバイスでは、画素が４ｍｍピッチで設けられている。図６Ｂは、高電流動作用のインターデジタル型チャネル（薄い緑色の線）を備える印刷シリコンＴＦＴの写真を示す。図６Ｃは、透明な共通アノード電気接点をＬＥＤに対して配置することにより照明される２つの画素の写真を示す。
【００６７】
[0143]図７Ａは、印刷無機パッシブマトリクスＬＥＤディスプレイの単一画素要素の製作のプロセスフロー概略図を示す。パネル１は、基板の受取面上にエラストマー前駆体層をスピンコーティングするステップを示す。スピンキャスティング後、エラストマー前駆体層を少なくとも部分的に硬化する。パネル２は、電極を堆積させるステップを示す。パネル３は、電極上にＩＬＥＤ構造を、例えばコンタクト印刷により印刷するステップを示す。パネル４は、上部電極をラミネートするステップを示し、この場合、上部電極は第２の基板上に収容されている。この加工ステップが、印刷したＬＥＤ構造の接触を達成する。
【００６８】
[0144]図７Ｂは、（軟質）基板／層の圧縮による電気的接触の確立のプロセスフロー概略図を示す。パネル１は、集積電極で予めパターニングされた２つの基板（少なくとも一方は軟質、例えばエラストマー）の間に構成要素を配置するステップを示す。パネル２は、接触と同時に強力な接合が得られるように、例えばＰＤＭＳをＰＤＭＳに、又はＰＤＭＳをガラスに接合するための酸素プラズマ処理によって、基板表面を活性化させるステップを示す。パネル３は、２つの基板を、例えば構成要素を「サンドイッチ式に挟む」ことによって互いに押し付けるステップを示す。この加工ステップでは、軟質層を変形させて２つの表面を接触させるために、十分な圧力をかける。接合後、電気的接触は残留圧力により維持される。パネル４は、接触を容易にし、例えば応力集中点の低減によってより強力な接合界面を作製するために任意選択のレリーフフィーチャを使用する、パネル３に示したものと類似のプロセスを示す。
【００６９】
[0145]図８は、印刷パッシブマトリクス印刷無機ＬＥＤディスプレイの概略図である（原寸に比例しない）。図８に示すように、このディスプレイは、底部基板、電極ネットワーク、印刷ＩＬＥＤ、ＰＤＭＳ層、及び上部基板を備える。
【００７０】
[0146]図９は、ガラス基板及び可撓性ＰＥＴ基板上の、受動アドレス型印刷無機ＬＥＤディスプレイ／アレイの写真である。
【００７１】
[0147]図１０は、無機発光体及び収光器の冷間圧接接合技法による印刷のプロセスフロー概略図である。パネル１は、転写デバイス（例えばエラストマースタンプ）上に配設された無機要素上に、金属（例えば金、インジウム、銀など）を蒸着するステップを示す。パネル１に示すように、金属は基板の受取面上にも蒸着される。パネル２は、スタンプ及び無機要素を受取面に接触させ、任意選択で熱又は圧力をかけて、金属被膜の冷間圧接を誘起するステップを示す。パネル３は、スタンプを取り外し、それにより、コンタクト印刷による無機要素の転写及び組立をもたらすステップを示す。
【００７２】
[0148]図１１は、ドナーカートリッジ及び冷間圧接接合技法を使用した本発明の印刷技法のプロセスフロー概略図である。この方法では、カートリッジをＳＵ−８でパターニングする。カートリッジのパターニングされた表面上にＩＬＥＤ構造を配置する。スタンプを使用してＩＬＥＤ構造を取り上げ、その後、ＩＬＥＤ構造を、電極で予めパターニングされた基板上に転写印刷により印刷する。図１１の下部パネルは、この方法を使用して印刷及び組立したＬＥＤ構造の一例を示す。
【００７３】
[0149]図１２は、拡散光学系が印刷可能ＬＥＤ構造と共に集積化される、本発明の光学システムの概略図である。この実施形態では、ＰＤＭＳを粗面ポリスチレン上に成形する。パネル（ａ）と（ｂ）を比較することにより、この光学システムに拡散器を組み込んだ影響が分かる。拡散器は、粗成形されたＰＤＭＳ構造とすることができる。この図は、拡散器が発光領域のサイズを効果的に増加させることができることを実証している。
【００７４】
[0150]図１３は、本発明のＬＥＤ照明システムに有用な、複数の径方向密度勾配散乱中心を備えた拡散光学系の概略図である。この図に示すように、金属の下にある印刷ＬＥＤ構造が、複数の光散乱中心と光学的に連絡した状態で設けられている。図１３の下部パネルは、透明基板内にレリーフフィーチャを備えた散乱中心の断面図を示す。
【００７５】
[0151]図１４Ａは、印刷可能マイクロＬＥＤを製作するための例示的エピ層構造を示す。この図に示すように、エピ層構造は、一連のデバイス層、犠牲層、及びハンドルウェーハを備える。エピ層構造内の個々の層が、図１４Ａの下部パネル内に示してある。図１４Ｂは、量子井戸発光層を備えた印刷可能マイクロＬＥＤを製作するための例示的エピ層構造を示す。エピ層構造は、ｐクラッド層とｎクラッド層との間に設けられた一連の半導体層を備える。エピ層構造内にある各層の具体的な組成が示してある。図１４Ｃは、印刷可能マイクロＬＥＤを製作するためのエピ層構造内にある各層の組成、厚さ、ドーピング、及び機能を示す表である。
【００７６】
[0152]図１４Ｄは、フォトリソグラフィと層９〜４のエッチング、並びに湿式化学エッチングによる層３の選択的除去によって、印刷可能なｐオンｎ ＧａＡｓ太陽電池を製作することができる、マザーウェーハの一例を示す。
【００７７】
[0153]図１４Ｅは、フォトリソグラフィと層９〜４のエッチング、並びに湿式化学エッチングによる層３の選択的除去によって、印刷可能なｎオンｐ ＧａＡｓ太陽電池を製作することができる、マザーウェーハのもう１つの例を示す。
【００７８】
[0154]図１５は、低充填率、マイクロサイズ（約１００ミクロンフットプリント未満）のＬＥＤの、知覚できないピクセレーション／高度の透明性を示す概略図である。この図の上部パネル内に示すように、この光学システムは、（ｉ）第１のガラス被覆ＩＴＯ又は低充填率金属メッシュ層と、（ｉｉ）印刷マイクロＬＥＤ構造と、（ｉｉｉ）第２のガラス被覆ＩＴＯ又は低充填率金属メッシュ層とを備える。オフ状態及びオン状態に対応する上面図が示してある。マイクロＬＥＤ構造の位置決めを示した、上面図の拡大図も示してある。
【００７９】
[0155]図１６は、印刷可能発光無機半導体マイクロ要素、すなわちマイクロＬＥＤ又はＶＣＳＥＬの剥離の図式を示す。図式１は、そのような要素をポリマー、例えばフォトレジスト内にカプセル化し、それらの要素を、それらが成長されたウェーハから、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞約７０％）犠牲層をフッ化水素酸を使用して選択的にエッチングすることで剥離することによる、それらの要素の剥離を示している。図式２は、それらの要素を共形誘電体（例えば窒化シリコン）内にカプセル化し、それらの要素を、ウェーハから、ＡｌＧａＡｓを選択的に酸化し、酸化後の材料を水酸化カリウム水溶液を使用してエッチングすることで剥離することによる剥離を示している。図式３は、それらの要素をポリマー、例えばフォトレジストでカプセル化し、続いて、埋込みＧａＡｓ犠牲層をクエン酸と過酸化水素の水性混合物を使用して選択的にエッチングすることによる剥離を示している。図式３では、ＡｌＧａＡｓが、発光要素の下側をクエン酸ベースのエッチング液から保護する。
【００８０】
[0156]図１７Ａは、太陽電池の印刷による集積太陽電池アレイ／収光器アレイの製作を示す、概略プロセスフロー図である。この図に示すように、太陽マイクロ電池を、ウェーハ上に密なアレイの形で製作する。スタンプを密な太陽電池アレイと接触させ、スタンプを使用して、太陽電池をウェーハからターゲット組立基板に転写する。図１７Ａに示すように、アレイ内の太陽マイクロ電池は、ターゲット組立基板の裏面電極上にコンタクト印刷により転写する。図１７Ｂは、光学アレイの見当合せ相互接続による集積太陽電池アレイ／収光器アレイの製作を示した、概略プロセスフロー図を示す。この図に示すように、太陽マイクロ電池をターゲット基板上に印刷する。基板をさらに加工して、前面電極及び絶縁層を設ける。次に、成形されたマイクロレンズマイクロアレイを、アレイ内の各レンズが少なくとも１つの太陽マイクロ電池に個別にアドレスされるように光学システムに集積化する。図１７Ｃは、集積太陽電池アレイ／収光器アレイの動作を示した、概略プロセスフロー図を示す。この実施形態では、図１７Ｃの上部パネル内に示すように、各マイクロレンズ収光器／集光器を単結晶太陽電池に個別にアドレスし、単結晶太陽電池と光学的に整合させる。前面電極、絶縁層、及び裏面電極も、この図に示してある。図１７Ｃの下部パネルは、太陽光と光学システムとの相互作用を概略的に示す。
【００８１】
[0157]図１８の（Ａ）は、本発明の光学システムの集積化された収光／集光光学系（レンズ）アレイ及び太陽電池アレイの動作を示した概略図を示す（原寸に比例しない）。入射光の収光及び集束が、この図に示した光線図によって示されており、光線図は、集光器に入射する光が、集光器にアドレスされた印刷マイクロ太陽電池の活性エリア上に集束される様子を示す。金層が、マイクロ太陽電池をデバイス基板に付着させるための接合層となっている。図１８の（Ｂ）は、印刷により組み立てた本発明のマイクロ太陽電池の拡大図を示す。この太陽電池は、反射防止層、上部接点、ｐ−ｎ接合、及び底部アルミニウム層を備える多層構造である。
【００８２】
[0158]図１９は、半導体材料コストをシート様フォームファクタの形で低減することによる、光ハーベスティングの本発明の設計及び製作戦略を示す概略図である。収集器のサイズが約２ｍｍであり、太陽電池のサイズが約０．１ｍｍであり、面積増倍度（収集器面積と太陽電池面積の比）が約４００である。この図に示す計算から実証されるように、１ｆｔ^２の加工後の半導体ウェーハが、約４００ｆｔ^２の光ハーベスティング面積をもたらす。この計算は、本発明の方法及び光学システムが、高性能光起電力デバイス及びシステムに対する高効率及び低コストの製作戦略を提供することを実証している。
【００８３】
[0159]図２０は、本発明の収光／集光光学系、及び太陽電池アレイの異種構成した太陽電池（シンペヴォレント／ディヴェンテグレーション）の概略図である。この図に示すように、収光光学系は、デバイス基板上にコンタクト印刷により組み立てた、窒化物／リン化物及び／又はヒ化物太陽電池並びにシリコン太陽電池と、光学的に連絡した状態で設けられる。図２０は、集光器の収光及び集束機能を示した入射光の光線図、並びに個別にアドレスされた太陽電池も示す。単結晶多層太陽電池（すなわち第三世代太陽電池）は、典型的には、ＭＯＣＶＤにより成長され、層間の結晶格子不整合が必然であるという制約を受ける。本発明者らのシステムでは、さまざまな吸収層が、任意の格子と、層ごとに最適なスペクトル吸収が得られるように選択された材料とを有することができる。
【００８４】
[0160]図２１は、レプリカ成形方法とコンタクト印刷を組み合わせて使用することによる集積太陽電池及びレンズアレイの製作の概略プロセスフロー図である。この図に示すように、マスタレンズアレイを使用して、ネガティブレプリカモールドを、例えばレプリカ成形又はインプリント技法により生成する。次に、成形されたＰＤＭＳ層を使用して、ポリマーをネガティブレプリカに対して注型することにより、平凹ポリマーレンズアレイを生成する。図２１に示すように、デバイス基板上に印刷された太陽電池は、本発明の光学システムを生成するように、レンズアレイと光学的に連絡した状態で設けられる。
【００８５】
[0161]図２２は、集光／収光光学系の一タイプであるフレネルレンズが、本発明により記載される光ハーベスティングシステム用に光を小面積に集束させることができる能力を実証している。フレネルレンズアレイは、従来のレンズに比べて薄いフォームファクタや軽量など、その有利な特徴のため、集光器として使用することができる。図２２は、球面フレネルレンズ及び円柱フレネルレンズの、焦点エリア測定値を示す。
【００８６】
[0162]図２３は、光ハーベスティング用に水平の光パイプ及び／又は導波路が設けられる、本発明の光学システムを示す概略図である。この光学システムは、垂直入射光又は斜入射光を捕捉し、それを基板の平面内で太陽電池又は太陽電池アレイに案内するのに適した屈折率をもつ、透明な構造化媒体を使用する。この図に示すように、光パイプなど、複数の導波路構造が、各導波路により収光された光が太陽電池に向けられるように、太陽電池と光学的に連絡した状態にあり、太陽電池に個別にアドレスされる。
【００８７】
[0163]図２４は、シリコンオンインシュレータＳＯＩウェーハを使用して製作した、例示的印刷可能シリコン太陽電池を示す概略図である。この太陽電池は、Ｐ／Ａｓ混合物でドープされた上面を備え、ＳＯＩウェーハの埋込み酸化物層により支持される。図２４は、ｎ^＋−Ｓｉ（Ｐ／Ａｓ）層及びｐ−Ｓｉ（Ｂ）層を備えた太陽電池多層構造を示す。一実施形態では、このシリコン太陽電池が、（ｉ）ＳＯＩウェーハの表面を、１つ又は複数の印刷可能太陽電池構造の物理的寸法を規定するように、例えばＩＣＰ−ＲＩＥを使用してパターニングするステップと、（ｉｉ）印刷可能太陽電池構造を、例えばＨＦアンダーカットエッチング処理により剥離するステップであって、埋込み酸化物層が選択的にエッチングされ、それにより印刷可能太陽電池構造を剥離するステップと、（ｉｉｉ）シリコン印刷可能構造を、例えば、剥離された印刷可能太陽電池構造と接触されＳＯＩ基板から引き離されるエラストマー（例えばＰＤＭＳ）スタンプを使用して取り上げ、それにより、印刷可能太陽電池構造を基板からエラストマースタンプに転写するステップと、（ｉｖ）印刷可能太陽電池構造の裏面金属被覆を、例えばＣＶＤ、ＰＶＤ、又は熱堆積方法を使用して堆積させるステップと、（ｖ）裏面金属被覆を有する印刷可能シリコン構造を、エラストマースタンプから金属化されたデバイス基板にコンタクト印刷により、任意選択で冷間圧接接合ステップと組み合わせて転写するステップと、（ｖｉ）デバイス基板上に印刷された太陽電池構造をアニールして、Ａｌドープｐ＋領域を活性化させるステップと、（ｖｉｉ）印刷された太陽電池構造上に絶縁／平坦化層を注型するステップと、（ｖｉｉｉ）印刷された太陽電池上に上部電気接点を、例えばフォトリソグラフィと蒸着処理を組み合わせて使用して堆積させるステップと、（ｉｖ）太陽電池アレイ上にＳｉ_３Ｎ_４反射防止コーティングを堆積させるステップと、（ｖ）マイクロ太陽電池アレイの上面に、レンズアレイなどの集光器光学系を集積化するステップとを含む方法により光起電力システムに組み立てられる。
【００８８】
[0164]図２５は、印刷可能太陽電池を基板に、コンタクト印刷と、それに続く、太陽電池をデバイス基板に付着させるための冷間圧接加工とを使用して転写する方法を示す、概略プロセスフロー図である。この図に示すように、太陽電池をエラストマースタンプ（例えばＰＤＭＳスタンプ）と接触させる。印刷可能太陽電池の外部アルミニウム層に、薄い金層を設ける。薄い金層を有する太陽電池の表面を、デバイス基板の金属化された受取面と接触させる。その後、エラストマースタンプを基板から遠ざけ、その結果、印刷可能太陽電池のデバイス基板への転写が生じる。最後に、転写した太陽電池をアニールして、アルミニウムドープｐ^＋領域を活性化させる。
【００８９】
[0165]図２６は、本発明の太陽電池アレイへの上部接点の、例示的構成の上面図（並列式）を示す概略図である（原寸に比例しない）。約１００ミクロンの幅、及び約１ミリメートルの長さを有するマイクロ太陽電池（グレーで示す）が、デバイス基板上にアレイ形式で設けられている。約６０ミクロンの幅、及び１インチ程度の長さを有する金属フィーチャが設けられている。この金属フィーチャは、本発明の太陽電池デバイスアレイの上部接点をもたらす。
【００９０】
[0166]図２７は、本発明の「人工眼」センサの概略図である。このセンサは、球面曲率を有するレンズ上に分配された無機フォトダイオードアレイを備える。さまざまなレンズ形状及び角度が、図２７に示してある。図２８は、平坦なシートを球面に巻き付けるプロセスを示す概略図であり、一例示的「人工眼」センサにおいて伸縮性が必要なことを実証している。図２８に示すように、球面受取面上への平坦なシートの共形位置決めには、破損を回避するためにある程度の伸縮性が必要である。
【００９１】
実施例１．超薄型可撓性太陽電池（ＵＴＦＳ）デバイス及び方法
[0167]光起電力（ＰＶ）エネルギー変換は、半導体デバイス構造を使用して太陽光を電気へと直接変換するものである。ＰＶ産業における最も一般的な技術は、単結晶及び多結晶シリコン技術に基づいている。現在、シリコンＰＶ技術は、バルクシリコン材料を比較的非効率に使用しているため、材料コストが高い。従来方法では、バルク結晶シリコンをソーイングしてウェーハにし、次いでウェーハを太陽電池に加工し、一緒にはんだ付けして最終モジュールを形成する。典型的な多結晶効率は１５％程度であり、高性能単結晶シリコンは、２０％の効率で製作されている。このタイプの太陽電池では、コストの５７％が材料にあり、その総材料コストのうち４２％が、結晶Ｓｉから生じている。さらに、これらのモジュールは剛性であり、重量がある。
【００９２】
[0168]現在、薄膜ＰＶ技術に関心が寄せられている。なぜならば、そうしたシステムには、（活性の低い材料の使用のため）より低コストになる潜在的可能性があり、また、そうしたシステムは、低重量及び可撓性を得るためにポリマー基板上に堆積させることができるからである。現在、非晶質シリコン、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、及び二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）などの薄膜材料において調査が進行中である。ＣＩＧＳベースのＰＶ電池は、任意の多結晶薄膜材料のうちで最も高い１９．２％の電池効率を実証している。こうした電池は、小型の、実験室規模のデバイスであり、現在までのところ、最も高い大面積可撓性モジュールの効率は１０％程度である。より安価な薄膜半導体は、材料コスト節減を可能にするが、電池を大面積基板上に製作／加工する必要があるため、より高い加工コストを誘発する。また、最終組立基板に対しては、低／中温プロセスしか使用することができない。
【００９３】
[0169]理想的には、高効率を有し、大きな産業知識ベースのある単結晶技術を、薄膜技術の低コスト、軽量、及び可撓性の性質と組み合わせたいと思うであろう。本超薄型可撓性太陽電池（ＵＴＦＳ）技術は、高効率を有し、材料コストがより低い、軽量で可撓性の太陽電池モジュールを達成する手段を提供する。本発明者らは、純シリコン基板から開始するので、それにより、高精度及び高温のウェーハ加工を使用して、最先端をゆく性能の太陽電池を製作することが可能になる。
【００９４】
[0170]本発明は、以下のものを組み合わせた新規な製作基盤により生成される超薄型可撓性太陽電池（ＵＴＦＳ）デバイスを提供する。
１．単結晶シリコンウェーハ上で成長させてエッチングした、超薄型（厚さ２０ミクロン未満）結晶シリコン太陽電池。この電池のサイズは、これまでのシリコン移転プロセスで使用されたサイズよりもずっと（例えば２桁）小さく、例えば、この太陽電池は、いくつかの実施形態では１００ミクロン程度の長さ及び幅を有する。
２．シリコン太陽電池をマザーウェーハから取り外し、それを可撓性ポリマー基板に移転する、革新的なマイクロスタンピングプロセス。
３．必要に応じて、最終モジュールを形成するための、移転された電池の自動化相互接続。
【００９５】
[0171]本発明の方法及びシステムは、これまでのシリコン移転技術に付随するいくつかの問題、すなわち、比較的大きなシリコン片を移転しようと試みることで形成される亀裂及び欠陥を回避する、マイクロスタンピングコンタクト印刷プロセスを利用する。本マイクロスタンピングコンタクト印刷プロセスはまた、何千個ものマイクロ電池を同時に転写印刷することができるので、（従来のダイピックアンドプレース技法に比べて）全体のモジュール組立コストを低減させる。
【００９６】
[0172]本発明の太陽電池デバイス及び製作方法には、単結晶シリコン、及びヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの、他のより高効率の材料を含むが、それだけには限定されない、多種多様な高品質結晶半導体へのその適用可能性を含めたいくつかの利点がある。さらに、超薄型太陽電池とポリマー基板との組合せにより、低重量及び良好な機械的可撓性を有するデバイス及びシステムがもたらされる。ポリプロピレンが、本システム及び方法のこの態様に有用なポリマーである。
【００９７】
[0173]図２９は、本発明のマイクロ太陽電池アレイを作製する方法を示す、プロセスフロー図の概略図である。図２９に示すように、複数のシリコンベースマイクロ太陽電池リボンを生成するようにＳｉウェーハを加工する。シリコンベースマイクロ太陽電池リボンを、基板から剥離する。剥離したリボンを、エラストマー転写デバイスを使用したコンタクト印刷によりリフトオフして、ポリマーデバイス基板に移転する。シリコンのリボンを、マイクロ太陽電池へのデバイス相互接続と、任意選択でレンズアレイなどの収光及び集光光学系とを設けるステップを含む後続の処理により組み立てて、光起電力デバイスアレイにする。
【００９８】
[0174]図２９に示すように、可撓性を保持するように、薄い（約１０μｍ）シリコン太陽電池をポリマー基板に転写し、相互接続してモジュールを形成する。シリコン太陽電池のシリコン構成要素の厚さの選択は、本発明における重要なパラメータである。一実施形態では、例えば、薄いシリコン構成要素が、約１５％の所望の効率を達成するのに十分なほど厚い。厚さが電池性能に及ぼす主要な影響は、収集される電流に対するものであり、すなわち、より薄い電池ではより少ない光子が吸収され、したがってより少ない電流が発生する。図３０は、地上ベースの太陽電池に使用されるＡＭ１．５標準スペクトルにさらした模擬Ｓｉ電池について計算した、Ｓｉ層厚さ対短絡電流（Ｊ_ＳＣ）のプロットを示す。これらの計算について、本発明者らは、光がＳｉ層を合計３度通過し（一度は最初に、一度は裏面から反射されて戻った後で、もう一度は前面からその後反射されて戻った後で）、電池の量子効率は比較的高い（９０％）と仮定している。
【００９９】
[0175]計算結果によると、１５％という所望のＡＭ１．５効率を達成するために、１０〜１５ミクロン程度のシリコン厚さが本発明のいくつかの実施形態において必要となることになる。この比較的厚い吸収体層は、シリコンが間接バンドギャップ材料であることによるものであることに留意されたい。ヒ化ガリウムなどの直接バンドギャップ材料を使用する類似の太陽電池は、より薄くすることができる。
【０１００】
[0176]印刷可能シリコンリボンの多層積層体を、ＲＩＥと湿式エッチングを組み合わせて使用して形成することができる。図３１は、本発明のいくつかの実施形態において有用なＳｉ多層リボン積層体を連続して形成する様子を示した、走査型電子顕微鏡写真を示す。これらは、高品質の、寸法的に均一なリボンである。これらは、適切に加工してｐ−ｎダイオードにすることによって、シリコン太陽電池に変換することができる。
【０１０１】
[0177]これまでのシリコン転写技法は、典型的には、リフトオフ層をガラスキャリアに接着し、また比較的大面積のシリコン（約５ｃｍ^２）を転写するものである。これらの転写技法に伴う主要な問題の１つは、Ｓｉ層中に形成される亀裂及び欠陥である。
【０１０２】
[0178]本発明者らは、より小さなＳｉ片を転写することによって、転写されたＳｉ層に亀裂が入るのを回避する。本発明者らはまた、ポリ−ジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）材料を使用した革新的な「スタンピング」プロセスを使用して、シリコンを把持し、それをポリマー基板に転写する。
【０１０３】
[0179]ＰＥＴ又はＰＥＮなどのポリマーは、地上用途における基板に有用である。宇宙ベースの用途では、カプトンなどの宇宙規格のポリアミドを基板材料として使用することができる。カプトンは、宇宙用途に機械的には適しているが、低地球軌道においては、原子酸素（ＡＯ）が存在するため劣化することが知られている。
【０１０４】
[0180]Ｓｉリボンをポリマー基板に転写した後、Ｓｉリボンを電気的に相互接続して、最終太陽電池を形成する。いくつかの実施形態では、個々のＳｉリボンを直列接続の形で接続する。図３２は、Ｓｉリボンがｐ型シリコンを備え、上面にエミッタを形成するための薄いｎ型層を有する、接続方式の概略図を示す。転写後、導電性インクを含む接続ラインをリボン上に、直接描画プロセス又はスクリーン印刷により印刷する。下部パネルは、転写した状態のままのＳｉリボンを示し、上部パネルは、接続（直接描画又はスクリーン印刷）を示す。図を見やすくするために、４本のＳｉリボンだけが示してある。
【０１０５】
[0181]本技術の魅力の１つは、本技術が他の吸収体材料に適用可能なことである。例えば、同じマイクロスタンピングプロセスが、ヒ化ガリウムを転写するのに使用されている。こうした材料の使用は、集光器太陽電池モジュールにおいて実証されている。図３３は、太陽照明を集光するためにＰＤＭＳ集光器アレイを使用した、本発明の太陽電池アレイの概略図を示す。
【０１０６】
[0182]バルク結晶シリコンは、１キログラム当たり５０ドル超で販売されている。現在、シリコン工場は、ＰＶ及びマイクロエレクトロニクス産業の需要を満たすために、オンライン化されている。バルクＳｉのコストが、２００１年以前の２０ドル／ｋｇという価格に反落しても、能力が需要に追いつくため、全体のコストは高いままであると予想される。先に述べたように、今日のＳｉ ＰＶは、結晶インゴットをソーイングしてウェーハにし、次いでウェーハを加工して電池にし、次いで電池を一緒にはんだ付けして最終モジュールを形成することによって形成される。本産業の動向は、より薄い電池の方に向かっている。なぜならば、約５０ミクロンを超えるＳｉ厚さ（図３０を参照されたい）は、それ以上の光を吸収しないからである。現在、最も薄いＳｉ ＰＶ電池は、厚さ２５０ミクロン（約１／４ｍｍ）程度である。「通常の」ＰＶ電池加工及び集積化においてそのような薄いウェーハを取り扱うことは難題である。
【０１０７】
[0183]従来のワイヤソーイング技法は、約６０％の廃棄物を生じさせ、すなわち、元のシリコンインゴットの６０％が最終的に塵埃になる。厚さ２５０ミクロンのウェーハから形成される効率２０％のモジュールの場合、シリコン材料コストは０．４０ドル／ワットと見積もられる。ＰＶ産業の最終目標が、１ドル／ワットを達成することであることを考えると、そのようなモジュールの材料コストは甚大である。
【０１０８】
[0184]本ＵＴＦＳ技術の場合、半導体材料コストはずっと少ない。１５％のモジュール及び厚さ１５ミクロンのシリコンの場合に５０％の廃棄物を仮定しても、材料コストは約０．０２ドル／ワットと見積もられる。このコスト節減は主として、シリコンのより良好な利用によるものであり、実際、本発明者らは、従来の方法及びデバイスにおけるよりも大きな面積にシリコンを「分散させて」いる。
【０１０９】
[0185]印刷プロセスは、デバイス要素をマザー基板からスタンプ上にリフトオフし、続いて、そうした要素をスタンプの表面からターゲット基板に引き渡すものである。そうした要素のそのマザー基板からのアンダーカットエッチング及びリフトオフを適切に設計することにより、リフトオフステップを高歩留まりで実施することが可能である。転写は、要素とスタンプとの間よりも強力な、要素とターゲット基板との間のファンデルワールス結合により、又はターゲット基板上に強力な接着剤層を使用することにより達成される。どちらの場合にも、要素とターゲット基板の被覆表面又は非被覆表面との間の接触面積は、効率的な転写を可能にするのに十分なほど大きくなければならない。たいていの場合、要素の底面及びターゲット基板の上面が、大きな接触面積を可能にするのに十分なほど平滑であることが、主要な要件である。この要件は、広範な対象のシステムに対して満たすことができる。この例において考慮するシステムは、極めて十分にこれらの平坦要件を満たす状態にある。なぜならば、このシステムは、研磨した裏面を有する要素、及び研磨した半導体ウェーハからなるターゲット基板を使用するからである。
【０１１０】
[0186]図３４は、単結晶シリコンをプラスチック、ガラス、Ｓｉウェーハ、ＩｎＰウェーハ、及び薄膜ａ−Ｓｉ上に印刷した結果を示す画像である。本発明のマイクロスタンピングプロセスは、広範な基板に適合する。
【０１１１】
[0187]一実施形態では、「チップレット（ｃｈｉｐｌｅｔ）」をピックアップ及び転写するために使用するスタンプを、典型的には、厚さ約１ｃｍのゴム片を「マスタ」基板に対して注型及び硬化することにより作製する。「マスタ」の表面上にあるパターンは、ポリ−ジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの低弾性率シリコーンを使用してスタンプを製作すると、（下方にナノメートル規模までの）極めて高い忠実度で複製することができる。しかし、この軟質材料から作製した単層スタンプは、印刷プロセス中に容易に変形することがある。その結果、こうした軟質スタンプでは、粗い配置精度が時折現実化する。しかし、本発明は、優れた配置精度及びパターン忠実度を可能にする複合スタンプの使用を含む。「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｓｏｆｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」として出願された米国特許出願第１１／１１５，９５４号明細書（米国特許第７，１９５，７３３号明細書として発行された）は、本発明において有用な複合スタンプの設計及び方法を記載しており、それをここに、参照によりその全体を組み込む。
【０１１２】
[0188]半導体デバイス構成要素の上面との共形（すなわち気泡のない）接触を可能にするために、ＰＤＭＳなどの低弾性率材料を第１の層として使用する。転写中の面内機械的変形を防止するために、高い面内弾性率を有する（プラスチック被膜又はガラス繊維などの）追加の薄層を使用する。そのような複合スタンプ設計を使用することにより、約１６×１６ｃｍ^２の面積にわたって５ミクロン未満の（高倍率顕微鏡下で観察される）面内歪みが、ソフトリソグラフィ印刷技法において達成可能となる。
【０１１３】
[0189]一実施形態では、印刷システムが、（１）印刷要素の配置の際に、効率的な転写及び最小歪みとなるように設計が最適化されたスタンプと、（２）こうしたスタンプのための物理的取付け用ジグ、並びに基板及びスタンプをサブミクロン精度で移動させるための並進ステージと、（３）「インキング」及び「印刷」ステップ中に接触の力フィードバック制御をするための、スタンプとインターフェースしたロードセルと、（４）多重レベルの見当合せを可能にするビジョンシステムとを備える。いくつかの実施形態では、本発明において有用な印刷システムが、３００×４００ｍｍまでのサイズを有するターゲットデバイス基板、及び４インチまでの直径を有するドナーウェーハを取り扱うことができる。見当合せは、長作動距離顕微鏡、及び透明スタンプの表面上のアライメントマークをドナーウェーハ及びターゲット基板上のアライメントマークに見当合せすることを可能にするＣＣＤカメラを用いて達成される。スタンプを配置及び整合させることができる精度は、約０．５μｍである。新規なタイプの歪みのない複合スタンプを用いて実施する場合の見当合せ精度も、この範囲内である。
【０１１４】
実施例２．共形性薄膜ＬＥＤ照明システム
[0190]本発明は、無機発光ダイオードを薄い可撓性基板と集積化する手段をもたらす印刷ベースの技法を提供する。自動化高精度プリンタシステムを用いて実施されるこの手法は、自動車及び他の用途向けの軽量で機械的共形性のある室内照明要素を、低コスト製造に適合する様式で製作するのに有用である。
【０１１５】
[0191]本方法及びシステムは、共形性ＩＬＥＤベース薄膜照明デバイスの製作と、それに続いて、接着接合を使用して表面への付着を行うものである。方法は、システムの機械的特性を強化するために、カプセル化、並びに平坦化材料、コーティング、及び層の組込みを伴う処理を任意選択で含むこともできる。薄膜構造のサイズ、ＩＬＥＤの数及び間隔、並びに他の側面により、特定用途向けのデバイス設計が決まる。
【０１１６】
[0192]本発明では、共形性ＬＥＤ照明システムを製作するために、ソースウェーハから、薄いプラスチックシートを含めた広範なクラスのターゲット基板へのマイクロ／ナノ規模の半導体デバイスの転写印刷を使用する。図３５は、印刷可能無機半導体ベースＬＥＤの印刷に適用される、本発明の例示的プロセスの概略図を示す。エラストマースタンプへ、またそこからのインクの転写は、スタンプ−「インク」表面及び「インク」−基板表面での接着エネルギーを動力学的に変調することにより影響を受ける。図３５の場合には、印刷可能無機半導体ベースのＬＥＤが「インク」の役割を果たす。このタイプのプロセスは、１００ｎｍ〜数百ミクロンの横方向寸法、及び２０ｎｍ〜数百ミクロンの厚さを有する半導体材料又はデバイスを操作することが可能である。さまざまなタイプの電子システム及び光電子システムが、この手法を用いて、剛性のガラス、ポリマー、及び半導体ウェーハから、薄い可撓性のプラスチックシートまでに及ぶ基板上で実証されている。印刷自体は、転写プロセスの力制御とフィードバック制御を共に行う完全自動化プリンタを、整合用の顕微鏡ベースのビジョンシステムと共に用いて実施される。図３６は、共形性ＩＬＥＤベース薄膜照明システムを製作する本方法において有用なプリンタの画像及び概略図を示す。
【０１１７】
[0193]そのような手法を使用して、予めパターニングした金属相互接続を有するポリカーボネート基板上に青色無機ＬＥＤを組み立てた、小型のパッシブマトリクス８×８照明パッドが組み立てられている。図３７は、プラスチック基板上にコンタクト印刷により組み立てた受動アドレス型青色無機ＬＥＤを備える、正方形（部分ａ）及び直線状（部分ｂ）の照明デバイスの画像を示す。部分（ｂ）のデバイスは、本発明の共形性ＩＬＥＤベース照明システムを備えた薄膜照明デバイスの実例を示す。青色ＩＬＥＤベース薄膜照明デバイスの小型版も、図３７に示してある。
【０１１８】
[0194]いくつかの実施形態では、本発明の共形性ＬＥＤ照明システムには、自動車及び他の車両向けの照明用途としての実用性がある。いくつかの実施形態では、例えば、本発明は、自動車又は他の車両の関連する表面と共形に集積化することができる、信頼性の高い、低コストのＩＬＥＤベース薄膜照明デバイスを提供する。
【０１１９】
[0195]図３９は、本発明の共形性ＬＥＤ照明システムを製作する方法の概略プロセスフロー図を示す。図３９に示すように、ＰＤＭＳの注入前に、接着剤（ＮＯＡ）を使用してＩＬＥＤと上部／底部基板を固定する。いくつかの実施形態では、図３９に示すように、外部パッド領域の汚染を防止するために、ＰＤＭＳの注入前に外部電力ラインを設置する。いくつかの実施形態では、図３９に示すように、注入されたＰＤＭＳ中の空気を除去するために、サンプルを傾いた角度で真空チャンバ内に設置する。いくつかの実施形態では、図３９に示すように、ＩＬＥＤと電極との間の接触を維持するために、２つの基板の間に圧力をかける。ＰＤＭＳカプセル化層の注入は、（特にゆっくりとした曲げ運動の際の）デバイスの曲げ特性の向上に有用であり、ＰＤＭＳの注入により、安定した接触特性が得られる。
【０１２０】
[0196]図３９は、可撓性ストリップを備えた本発明のＩＬＥＤ光デバイスの製作に関するプロセスフロー図を示す。この図に示すように、ＰＥＴ被膜上に薄いＰＤＭＳ層を設ける。Ｔｉ／Ａｕの蒸着及びシャドーマスキング技法により、電極を画定及び堆積する。印刷可能ＩＬＥＤデバイス要素を、基板上にコンタクト印刷により転写及び組立する。図３９に示すように、接着剤（例えばＮＯＡ）を底部基板に設け、上部基板をデバイスに接合する。外部パッド及びワイヤを固定し、ＰＤＭＳ接着剤を、ＩＬＥＤ構造をカプセル化／平坦化するように、任意選択で真空条件下で注入して硬化する。
【０１２１】
[0197]図４０は、上部及び底部ＰＥＴ基板（厚さ約１７５ミクロン）、ＩＬＥＤ構造（厚さ約１００ミクロン）、電極、及びＰＤＭＳカプセル化コーティング又は層（厚さ約２０〜４０ミクロン）を備えた、本発明の共形ＩＬＥＤ照明システムの断面図を示す。
【０１２２】
[0198]図４１は、本発明のＩＬＥＤ照明システムの、曲がっていない状態、曲げ半径が７ｃｍの第１の曲がった状態、曲げ半径が５ｃｍの第２の曲がった状態、曲げ半径が４．５ｃｍの第３の曲がった状態、曲げ半径が３ｃｍの第４の曲がった状態、及び曲げ応力を開放してすぐの状態における画像を示す。図４１の画像は、本発明の共形ＩＬＥＤ照明システムが曲がった形状において有用な光学特性をもたらすことを確かに示している。
【０１２３】
[0199]図４２は、曲げ半径が０．８５ｃｍに等しい状態の、青色ＬＥＤ及び薄いカプトン基板で作製した可撓性ストリップライトの画像を示す。
【表１】

【０１２４】
[0200]実験結果の中で、本発明者らは、電極がより厚く、ＰＥＴ上にＰＤＭＳコーティング又はカプセル化層がある場合に、この共形性ＩＬＥＤベース照明システムの動作が向上することに気付いている。しかし、電極上にＩＬＥＤを（手動により）整合させることが困難なため、より厚い電極のみを用いてストリップライトを製作することは困難である。いくつかの実施形態では、より安定した、正確な組立を行うために、このプロセスでアライナを使用する。いくつかの実施形態に合わせて最適化されたシステムは、より厚い電極、ＰＥＴ上のＰＤＭＳコーティング、及び手動によるピンセット操作（ｔｗｅｅｚｉｎｇ）プロセスの除去を同時に実現している。
【０１２５】
[0201]図４３は、デバイス基板上にＩＬＥＤ構造を組み立てる２つの方法を示した概略図を示す。下部パネルは、手動による整合を使用した組立方法を示し、上部パネルは、アライナを使用した組立方法を示す。本発明者らがアライナを使用して電極上にＩＬＥＤを整合させる場合、ピンセットを使用するのに比べて電極の損傷が減少するため、動作するＩＬＥＤの数が大きく増加する。この方法により、ＩＬＥＤと電極構造との間の整合も強化される。
【０１２６】
実施例３：太陽電池及び太陽電池アレイの印刷ベースの組立
[0202]図４４は、低レベル集光レンズを有するマイクロ単結晶シリコン太陽電池の作製に関する概略図を示す。第１のステップ（ａ）では、マイクロ構造をＰＤＭＳからデバイスの裏面電気接点として働く埋込み電極上に転写する。シリコンは、電極表面上にＰＤＭＳをラミネートし、ＰＤＭＳを後方にゆっくりと剥がすことにより転写される。次に、ステップ（ｂ）では、平坦化と、それに続いて上部金属接点の作製を実施する。デバイスは、ＰＤＭＳから作製した低集光円柱レンズアレイをデバイス上に集積化することにより、完全なものになる（ステップｃ）。この最終ステップでは、シリコン電池の並びがレンズアレイの焦点と整合するようにデバイスが設計されたことが分かる。
【０１２７】
[0203]図４５は、ガラス基板に転写されたシリコン太陽電池の画像を示す。（ａ）上部及び底部電気接点をどちらも有するガラス基板上の単一電池の光学画像。（ｂ）（ａ）に示すデバイスに関するＡＭ１．５下での典型的なＩ−Ｖ応答。
【０１２８】
[0204]図４６は、円柱収光光学系に接合された太陽電池アレイの画像を示す。（ａ）円柱レンズアレイと完全に集積化された最終デバイスの写真。（ｂ）レンズアレイを組み込んでいない同じデバイスの写真。
【０１２９】
[0205]図４７は、集光器アレイ及び集積金属接点の、ｍＳ−シリコン太陽電池上での生成に関する概略図を示す。このプロセスは、（濃青色として示す）基板から金属メッシュパターンを、ＰＤＭＳ成形したレンズアレイにより取り上げることから開始する。いくつかの実施形態では、レンズアレイ／メッシュパターンを、シリコン太陽電池アレイ上に見当合せしてラミネートする。
【０１３０】
[0206]図４８は、太陽電池及び集積集光光学系を生成するためのプロセスフローを示している。
【０１３１】
[0207]図４９は、ガラス基板上にある金バスライン上に薄いＰＤＭＳ接着剤層を介して印刷された、マイクロ太陽電池アレイの画像を示す。
【０１３２】
[0208]図５０は、（ａ）縦型のマイクロ電池、（ｂ）横型のマイクロ電池、（ｃ）両方の型を組み合わせたマイクロ電池の概略図を示す。バルクシリコンウェーハから大量の単結晶Ｓｉマイクロリボンを製作する加工方式が最近開発された。この手法は、明確に画定されたリボン構造を作製するための、制御された深堀り反応性イオンエッチングプロセスから開始する。金属の斜め電子ビーム蒸着堆積又はＳｉＯ_２／Ｓｉ_３Ｎ_４の化学気相成長による後続の側壁パッシベーションが、高異方性の湿式化学（例えばＫＯＨ）エッチング用の物理的マスクとして機能することができる。したがって、この単一ステップエッチングプロセスは、マイクロリボンアレイを印刷対応形態で製作することができる。縦型と横型のｐｎ接合がどちらも本発明により提供され、これらは、マイクロ電池構成の点で他方に勝るそれ自体の利点がある。縦型ｐｎ接合は、バルクウェーハを用いたその容易な加工、及び大きな接合面積のため、光起電力用途向けに主として推し進められてきた。一方、横型ｐｎ接合には、転写方法、利用可能な基板、及び裏面照明の可能性（すなわち、金属グリッドによるシャドーイング問題の解消）の点で、より多くの選択肢があるが、横型ｐｎ接合は、その本質的に小さな接合面積のため、限られた性能を示す可能性がある。本発明の別の設計は、縦型接合と横型接合を組み合わせたものであり、これは上述の利点を利用することができる。全ての接合構造（ｎ^＋−ｐ−ｐ^＋）は、スピンオンドーパントの熱拡散を適切な厚さ及びパターンをもつＰＥＣＶＤ成長させたＳｉＯ_２ドーピングマスクを用いて行う、選択的ドーピングプロセスにより容易に製作することができる。縦型電池の場合、ｎ^＋エミッタドーピングを最初に行ってから、マイクロ電池パターンを作製し、一方、裏面電界（ＢＳＦ）としての裏面ｐ^＋ドーピングはマイクロ電池パターニングプロセスの後で、パターニングしたマイクロ電池をドーパントで覆った基板上に転写し、その後熱拡散することにより達成する。このＢＳＦドーピングステップ後、マイクロ電池を再度、任意の所望の基板に転写することができる。横型電池の場合、選択的ｎ^＋及びｐ^＋ドーピングのプロセスは、単にパターニングしたドーピングマスクを繰返し使用することにより、縦型電池よりも簡単である。これらのドーピングプロセスを終了した後で、マイクロ電池が作製される。組合せ型電池の場合、前面ドーピングは、横型電池と同じように達成し、裏面ドーピングは、縦型電池におけるＢＳＦ作製の手順に従って実施する。
【０１３３】
[0209]本発明は、ＰＤＭＳカセットを使用する方法を用いない、マトリックス構造を有するＩＬＥＤディスプレイ並びにストリップライトも含む。
【０１３４】
実施例４：印刷光学システムに対する電気相互接続戦略
[0210]本発明は、コンタクト印刷方法により製作される半導体ベース光学システムの良好な電気接続を確立するのに有用な方法及びシステムを提供する。本発明の加工ステップ及びデバイス幾何形状は、コンタクト印刷により組み立てられた、電子デバイスと電子デバイス構成要素との間、或いは電子デバイス間又は電子デバイス構成要素間の、効率の良い、機械的に堅固な、高導電性の電気接続を可能にする。本加工ステップ及びデバイス幾何形状は、フォトリソグラフィ処理、堆積技法、及び／又はソフトリソグラフィ（例えばコンタクト印刷）パターニングを含めた、電気相互接続の一連のパターニング及び加工技法に適合する。
【０１３５】
ａ．平坦化製作戦略及びデバイス幾何形状
[0211]一態様では、本発明は、デバイス基板上にコンタクト印刷により組み立てられた半導体電子デバイス及びデバイス構成要素などの半導体要素の段差エッジから生じる、デバイス電気相互接続の電子的性能の劣化を最小限に抑え、又は完全に回避する、平坦化処理ステップ及び平坦なデバイス幾何形状を提供する。この記載の文脈では、「平坦化」とは、１つ又は複数の印刷可能半導体要素がデバイス基板と、実質的に平坦な幾何形状を有する露出面を有して表面構造が作製されるように集積化されるプロセスを指す。好ましくは、いくつかの用途では、実質的に平坦な幾何形状を有する露出面が、（１つ又は複数の）印刷半導体要素の、例えば光リソグラフィ及び堆積技法を使用してデバイス電気相互接続構造でパターニングすることができる１つ又は複数の個々の表面を含む。平坦な幾何形状とは一般に、表面上のあらゆる点が共通平面を占める表面形状を指す。しかし、この記載の文脈では、実質的に平坦な幾何形状は、絶対的に平坦な形状からのいくらかのずれを含む。いくつかの実施形態では、例えば、実質的に平坦な幾何形状が、絶対的に平坦な形状からの２ミクロン未満の表面位置のずれ、好ましくは、いくつかの実施形態では、絶対的に平坦な形状からの１ミクロン未満の表面位置のずれ、より好ましくは、いくつかの実施形態では、絶対的に平坦な形状からの５００ナノメートル未満の表面位置のずれを含む。
【０１３６】
[0212]本発明における平坦化は、印刷半導体要素の段差エッジが低減及び／又は最小化され、それにより、電気相互接続構造の効果的なパターニング及び集積化が可能になるように、こうした構造に隣接して材料、層、及び／又は構造を設けることにより達成される。一実施形態では、例えば、隣接する印刷半導体要素間の空間が、デバイス基板自体の部分、デバイス基板に設けられる他の材料、層、若しくは構造、又はこれらの組合せで埋められ、又は他の様式で占められる。平坦化は、本発明において、１つ又は複数の印刷可能半導体要素をデバイス基板の受取面、又はその上に設けられた平坦化層に埋め込むことを含む、いくつかの処理方法を使用して達成することができる。或いは、本発明における平坦化は、印刷可能半導体要素をデバイス基板の受取面上にコンタクト印刷により組み立て、その後、印刷構造の段差エッジを低減させ、又は最小限に抑えるように、材料又は層を印刷可能半導体要素に隣接して、いくつかの実施形態では隣接する印刷半導体要素間に設けることにより、達成することもできる。
【０１３７】
[0213]この態様の一実施形態では、本発明は、半導体ベース光学システムを作製する方法であって、（ｉ）受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、（ｉｉ）基板の受取面上に１つ又は複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップと、（ｉｉｉ）受取面上に組み立てられた（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素を平坦化し、それにより、半導体ベース光学システムを作製するステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、平坦化するステップが、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素を含むデバイス基板上に、実質的に平坦及び／又は平滑な上面を生成する。デバイス製作用途に有用な方法では、生成された実質的に平坦及び／又は平滑な上面が、受取面上に組み立てられた１つ又は複数の平坦化された印刷可能半導体要素の露出面を含む。方法及びシステムが１つ又は複数の平坦化された印刷可能半導体要素の露出面に含まれる平坦及び／又は平滑な上面を有することは、電極／デバイス相互接続構造のリソグラフィパターニングなどの追加加工ステップにより、平坦化された印刷可能半導体要素に対する電気的接触を実現するのに有利である。本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単一無機半導体構造を備える。本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単結晶半導体材料を含む。
【０１３８】
[0214]任意選択で、本発明の一方法はさらに、印刷可能半導体要素が中に埋め込まれた平坦化層を硬化、重合、又は架橋させ、それにより、平坦化層内で印刷可能半導体要素を固定するステップを含む。本発明のこの態様の方法及びシステムの平坦化層は、印刷可能半導体要素をデバイス基板と機械的に集積化するのにも有用である。任意選択で、本発明の一方法はさらに、１つ又は複数の電極／電気相互接続を、実質的に平坦及び／又は平滑な上面内に含まれる平坦化された印刷可能半導体要素の１つ又は複数の露出面にパターニングするステップを含む。電極及び相互接続のパターニングは、光リソグラフィ、堆積技法（例えばＣＶＤ、ＰＶＤ、熱堆積、スパッタリング堆積、プラズマ堆積など）、ソフトリソグラフィ（例えばコンタクト印刷）、及びこれらの組合せを含むが、それだけには限定されない、当技術分野で知られる手段によって達成することができる。任意選択で、本発明の一方法は、（ｉ）基板の受取面上に複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップと、（ｉｉ）受取面上に組み立てられた複数の印刷可能半導体要素を平坦化するステップとを含む。
【０１３９】
[0215]一実施形態では、平坦化するステップが、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素を有するデバイス基板上に実質的に平坦な上面を生成する。好ましくは、いくつかの用途では、実質的に平坦な上面が、受取面上に組み立てられた印刷半導体要素それぞれの露出面を備える。好ましくは、この態様のいくつかの実施形態では、受取面上に組み立てられた平坦化された半導体要素が、２ミクロン未満の、好ましくはいくつかの用途では、１ミクロン未満の、より好ましくはいくつかの用途では、５００ナノメートル未満の段差エッジフィーチャを示す。本発明のこの態様は、例えばリソグラフィパターニング及び薄膜堆積方法を使用して効果的に電気的に相互接続することができる構造を生成するのに有用である。
【０１４０】
[0216]一実施形態では、この方法の平坦化するステップが、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素をデバイス基板に埋め込むステップを含む。１つ又は複数の印刷可能半導体要素を直接デバイス基板に埋め込む技法は、ポリマーデバイス基板の温度を、コンタクト印刷中の変位が可能な物理的状態（例えば粘度）を達成するように上げることを含む。或いは、平坦化は、印刷可能半導体要素を、受取基板の受取面内の予めパターニングした凹んだフィーチャに直接集積化することによって達成することもできる。
【０１４１】
[0217]別の実施形態では、この方法の平坦化するステップが、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素を、デバイス基板の受取面上に設けられた平坦化層に埋め込むステップを含む。この記載の文脈では、平坦化層とは、そこに印刷半導体要素を埋め込み、又はインプラントすることができるような、受取基板により支持される材料の層を指す。いくつかの実施形態では、平坦化層が、印刷半導体要素を収容するように物理的変位又は再配置することが可能な低粘度流体などの材料を含む。任意選択で、本発明の平坦化層は、埋め込まれた印刷半導体要素が定位置に保持されるように、硬化し、凝固し、又は他の様式で相若しくは粘度を変化させるように、印刷可能半導体要素を受け取った後で化学的又は物理的変化することが可能である。任意選択で、平坦化層は、印刷可能半導体要素を受け取った後で重合されるプレポリマー層である。任意選択で、平坦化層は、印刷可能半導体要素を受け取った後で架橋されるポリマー層である。
【０１４２】
[0218]本発明は、平坦化層が受取面又はその上の構造に設けられ、その後（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素と接触させられる方法を含む。この実施形態では、平坦化層が、受取面上に組み立てられる印刷可能半導体要素を受け取る。或いは、本発明は、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素を受取面上に組み立てるステップの後で、平坦化層が受取面に設けられる方法を含む。この実施形態では、平坦化層が、印刷半導体要素を平坦化するように受取基板の領域を埋め、又は積み上げるように設けられる。
【０１４３】
[0219]本発明の平坦化層は、ポリマー、プレポリマー、ポリマー成分を有する複合材料、ゲル、接着剤、及びこれらの組合せを含むが、それだけには限定されない、さまざまな材料を含むことができる。いくつかの用途では、平坦化層が、好ましくは、印刷可能半導体要素を収容し、また埋め込むように物理的変位又は再配置することが可能な、１種又は複数種の低粘度材料を含む。一実施形態では、例えば、平坦化層が、１〜１０００センチポアズの範囲で選択される粘度を有する材料を含む。いくつかのデバイス製作用途向けの平坦化層は、受取面上に組み立てられる印刷可能半導体要素に匹敵する厚さを有する。一実施形態では、本発明の平坦化層が、１０ナノメートル〜１００００ミクロンの範囲で選択される厚さを有する。いくつかの実施形態では、本発明の平坦化層が、受取面上に組み立てられる印刷可能半導体要素の厚さに類似する（例えば１．５倍以内の）厚さを有する。一実施形態では、平坦化層の厚さが、０．０００３ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲で選択され、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ｍｍ〜０．０２ｍｍの範囲で選択される。
【０１４４】
[0220]本発明は、平坦化された印刷可能半導体要素を備えた光学システムも含む。一実施形態では、本発明の半導体ベース光学システムが、（ｉ）受取面を有するデバイス基板と、（ｉ）受取面により支持されるもう１つの平坦化された印刷可能半導体要素とを備え、この場合、１つ又は複数の印刷可能半導体要素を有するデバイス基板が、印刷可能半導体要素の少なくとも一部を含む実質的に平坦な上面を有し、印刷可能半導体要素が、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する単一無機半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さ、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される長さ、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される幅、及び１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【０１４５】
[0221]任意選択で、本発明のシステムはさらに、デバイス基板の受取面上に設けられた平坦化層を備え、この場合、印刷可能半導体要素が平坦化層に埋め込まれる。本発明の一システムでは、印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、太陽電池、レーザ、センサ、トランジスタ、ダイオード、ｐ−ｎ接合、集積回路、光起電力システム、又はそれらの構成要素などの、印刷可能電子デバイス又は電子デバイス構成要素である。
【０１４６】
[0222]図５４Ａ及び５４Ｂは、平坦化された印刷可能半導体要素を備えた本発明のシステムの概略図を示す。印刷可能半導体要素５０１０は、デバイス基板５０００自体に埋め込まれ（図５４Ａを参照されたい）、又は別法として、デバイス基板５０００の受取面上に設けられた平坦化層５０２０に埋め込まれる（図５４Ｂを参照されたい）。これらの図５４Ａ及び５４Ｂに示すように、平坦化された形状は、絶対的に平坦な形状からのいくらかのずれを含む実質的に平坦な幾何形状を有する上部露出面５０１５をもたらす。これらの図に示すように、上部露出面５０１５は、平坦化された印刷可能半導体要素５０１０の露出面と、それに加えて、基板５０００又は平坦化層５０２０の露出面も含む。図５５は、印刷可能半導体ベース電子デバイス及びデバイス構成要素などの平坦化された印刷可能半導体要素を備えた半導体ベース光学システムを作製するための、本発明の方法における加工ステップを示したフロー図を示す。
【０１４７】
[0223]本発明の平坦化されたデバイス形状及び平坦化方法を使用することの利点は、それにより、リソグラフィ及び堆積処理などの更なる加工ステップ中に、平坦化された印刷可能半導体要素との良好な電気的接触を確立することが可能になることである。図５６は、段差エッジが印刷可能半導体要素への電気的接触及び／又は印刷可能半導体要素間の電気的接触の確立に及ぼす影響を特徴付ける実験結果を示す。実験結果は、２９０ｎｍ、７００ｎｍ、１．２５ミクロン、及び２．５ミクロンの段差エッジ寸法を有するシリコンバーを備えた印刷半導体要素に対応する。図５６の挿入図は、デバイス及び電気接点の幾何形状を示した顕微鏡写真及び概略図を示す。この図に示すように、良好な導電性（例えば１０オーム未満の抵抗）が、１．２５ミクロンまでの段差エッジ寸法について観察される。しかし、２．５ミクロンに等しい段差エッジ寸法では、導電性の大幅な減少（例えば１．７オームに等しい抵抗）が観察される。したがって、本発明の平坦化方法には、組み立てられた印刷可能半導体要素における段差エッジの大きさを最小限に抑え、それにより、デバイス相互接続及び電極の効果的な実装が可能な平坦化されたデバイス幾何形状を得るという点で、大きな価値がある。
【０１４８】
[0224]この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの長手方向物理的寸法を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの長手方向物理的寸法を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの断面寸法を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの断面寸法を有する半導体構造を備える。
【０１４９】
[0225]１４２。前記受取面により支持される、複数の平坦化された印刷可能半導体要素を備え、前記印刷可能半導体要素を有する前記デバイス基板が、前記平坦化された印刷可能半導体要素の少なくとも一部を含む前記実質的に平坦な上面を有し、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項１３６に記載のシステム。
【０１５０】
[0226]この態様の一実施形態では、システムがさらに、前記デバイス基板の前記受取面上に設けられた平坦化層を備え、この場合、前記印刷可能半導体要素が前記平坦化層に埋め込まれる。この態様の一実施形態では、システムがさらに、前記実質的に平坦な上面上にパターニングされた１つ又は複数の電極又は電気相互接続を備える。この態様の一実施形態では、前記印刷可能半導体要素が、印刷可能電子デバイス又は電子デバイス構成要素である。この態様の一実施形態では、印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、太陽電池、レーザ、センサ、ダイオード、ｐ−ｎ接合、トランジスタ、集積回路、又はそれらの構成要素である。この態様の一実施形態では、印刷可能半導体要素が、別の半導体構造、誘電体構造、導電性構造、及び光学構造からなる群から選択される少なくとも１つの追加構造と共に集積化された前記半導体構造を備える。この態様の一実施形態では、印刷可能半導体要素が、電極、誘電体層、光学コーティング、金属接点パッド、及び半導体チャネルからなる群から選択される少なくとも１つの電子デバイス構成要素と共に集積化された前記半導体構造を備える。この態様の一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する。
【０１５１】
[0227]本発明は、印刷可能半導体要素への電気接続及び／又は印刷可能半導体要素間の電気接続を確立する際の段差エッジの影響を回避又は軽減するための他の戦略を含む。いくつかの実施形態では、例えば、印刷可能半導体要素は、傾斜エッジ又は他の様式で次第に細くなるエッジのある少なくとも１つの側面を有するように製作される。傾斜エッジは、印刷可能半導体要素のエッジに対する変化が急峻である直角形状とは対照的に、印刷可能半導体要素のエッジに段階的な変化をもたらす。これらの実施形態では、印刷可能半導体要素は、（１つ又は複数の）傾斜エッジを有する側面が受取面との接触と同時に露出されるように組み立てられる。この幾何形状により、電気相互接続を集積化するために、傾斜エッジを有する露出した側面にアクセスし、その後でその側面上に加工することが可能になる。したがって、印刷可能半導体要素の本傾斜エッジは、電気相互接続構造及び電極を集積化する際の段差エッジの影響を低減させる。
【０１５２】
ｂ．メッシュ及びグリッド電極を使用した電気相互接続
[0228]本発明は、電気伝導性メッシュ又はグリッド電極を使用して、コンタクト印刷により組み立てられた印刷可能半導体要素を電気的に相互接続する、デバイス幾何形状及び加工方法も含む。メッシュ及びグリッドの電気相互接続要素及び／又は電極は、任意選択で共形性転写デバイスを使用して、任意選択で、コンタクト印刷方法によりデバイス基板、光学システム、又は光学構成要素の受取面上に組み立てられ、又はコンタクト印刷方法により印刷半導体要素の露出面上に組み立てられる。メッシュ及びグリッド電極を使用する利点には、それらを大面積にわたって効果的にパターニングし、それにより、コンタクト印刷デュー（ｄｕｅ）により組み立てられる印刷可能半導体要素の配置精度の面でより大きな許容差を可能にできることがある。この加工及び設計上の利点は、印刷可能半導体要素のコンタクト印刷ベース組立に関係する加工上の制約及びデバイス幾何形状の許容差の緩和をもたらす。例えば、メッシュ及びグリッドの電極及びデバイス相互接続を使用すると、コンタクト印刷により組み立てられる印刷可能半導体要素の整合及び位置に対する設計及び配置の制約が大幅に緩和する。さらに、メッシュ及びグリッド電極を使用すると、多数の印刷可能半導体要素を、単一（又は少数の）加工ステップで効果的に電気的に相互接続することが可能になる。さらに、メッシュ又はグリッド電極の厚さ及び／又は充填率を、これらの電極が光学的に透明となるように選択することができ、それにより、そうした構成要素を、ディスプレイ、光起電力システム、感光システム、及び多機能光学システムなど、メッシュ又はグリッドを通って電磁放射を透過させる必要のある光学システム内に実装することが可能になる。いくつかの実施形態では、グリッド又はメッシュは、選択された電磁放射波長で５０％を超えて光学的に透明である。
【０１５３】
[0229]一実施形態では、本発明の方法は、電気伝導性グリッド又はメッシュを、デバイス基板の受取面上に組み立てられた印刷可能半導体要素の少なくとも一部と電気的接触した状態で設け、それにより、メッシュから印刷可能半導体要素の少なくとも一部への電気的接触を確立するステップを含む。一実施形態では、グリッド又はメッシュから前記印刷可能半導体要素への電気接続が、コンタクト印刷により確立される。グリッド又はメッシュは、本発明の光学システムのいくつかにおいて、１つ又は複数の電極又は電気相互接続構造となる。グリッド又はメッシュを印刷可能半導体要素の少なくとも一部と電気的接触した状態で設けるステップは、例えばエラストマー（例えばＰＤＭＳ）スタンプなどの共形性転写デバイスを使用した、コンタクト印刷ベースの加工により実施することができる。いくつかの実施形態では、例えば、この加工ステップが、グリッド又はメッシュをデバイス基板の受取面上にコンタクト印刷により転写し、その後、印刷されたグリッド又はメッシュの１つ又は複数の表面上に印刷可能半導体要素を組み立て、それにより、これらのデバイス要素間の電気接続を確立するステップを含む。或いは、別の方法では、この加工ステップが、グリッド又はメッシュをデバイス基板の受取面上に先に組み立てられた印刷可能半導体要素の１つ又は複数の露出面上にコンタクト印刷により転写し、それにより、これらのデバイス要素間の電気接続を確立するステップを含む。
【０１５４】
[0230]別の実施形態では、本発明は、半導体ベース光学システムを作製する方法であって、（ｉ）内面を有する光学構成要素を準備するステップと、（ｉｉ）前記光学構成要素の前記内面上に、電気伝導性グリッド又はメッシュを設けるステップと、（ｉｉｉ）受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、（ｉｖ）前記基板の前記受取面上に複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備えるステップと、（ｖ）前記グリッド又はメッシュを有する前記光学構成要素を前記デバイス基板に転写するステップであり、前記光学構成要素が、前記基板の前記受取面上に組み立てられた前記半導体要素の上面に配置され、前記電気伝導性グリッド又はメッシュが、前記光学構成要素と前記半導体要素との間に設けられ、前記金属グリッド又はメッシュが、前記印刷可能半導体要素の少なくとも一部と電気的接触した状態で設けられるステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さ、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される長さ、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される幅、及び１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【０１５５】
[0231]任意選択で、上記で列挙した方法におけるステップ（ｉ）及び／又は（ｖ）は、例えばエラストマースタンプなどの共形性転写デバイスを使用したコンタクト印刷方法により実施される。一実施形態では、電気伝導性メッシュ又はグリッドが１種又は複数種の金属を含む。一実施形態では、電気伝導性メッシュ又はグリッドが１種又は複数種の半導体材料を含む。本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単一無機半導体構造を備える。本発明の一方法では、印刷可能半導体要素が単結晶半導体材料を含む。
【０１５６】
[0232]いくつかの方法では、前記光学構成要素を、前記基板の前記受取面上に組み立てられた前記半導体要素の上面に転写する前記ステップが、前記光学構成要素を、前記基板の前記受取面上に組み立てられた前記半導体要素の上面に、コンタクト印刷を使用して印刷するステップを含む。例えば、本発明の方法は、印刷可能半導体要素を前記受取面上に、任意選択でエラストマー転写デバイスなどの共形性転写デバイスを使用した乾式転写コンタクト印刷により組み立てるステップを含む。
【０１５７】
[0233]電気相互接続構造及び／又は電極として有用なメッシュ又はグリッドは、金属及び（ドープ半導体を含めた）半導体を含む、任意の導電性材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、電気相互接続構造及び／又は電極として有用なメッシュ又はグリッドは、１０ナノメートル〜１００００ミクロンの範囲で選択される厚さを有することができる。薄いグリッド若しくはメッシュ構造及び／又は低充填率グリッド若しくはメッシュ構造の使用は、いくつかの実施形態に有用である。なぜならば、それらの構造は、光学的に透明性である、例えば、選択された波長を有する入射電磁放射の１０％、３０％、５０％、又は７０％より多くの放射を透過するように、実装することができるからである。いくつかの用途向けのメッシュ又はグリッド構造の充填率は、５％〜８０％であり、好ましくは１０〜５０％である。いくつかの実施形態では、３０％未満の充填率があるメッシュ又はグリッド構造の使用が好ましい。
【０１５８】
[0234]本発明の電気相互接続構造及び／又は電極として有用なメッシュ又はグリッド構造は、任意選択で、ラミネート、平坦化、及び／又はカプセル化された構造とすることができる。一実施形態では、例えば、メッシュ又はグリッド構造が、例えば、任意選択でエラストマースタンプなどの共形性転写デバイスを使用したコンタクト印刷方法を使用する取扱い、転写、及び／又は集積化を容易にするために、ＰＤＭＳ層などのエラストマー層に接合される。いくつかの用途に有用なエラストマー層は、１ミクロン〜１０００ミクロンの厚さを有する。いくつかの実施形態においてエラストマー層を使用すると、グリッド又はメッシュの電極又は相互接続構造が、印刷半導体要素との良好な電気接続を生成するように変形及び移動することが可能になる。いくつかの実施形態では、メッシュ又はグリッド構造が、ガラス又はポリマー基板などの支持体にも結合される。一実施形態では、例えば、メッシュ又はグリッド構造が、ガラス又はポリマー基板に結合されたエラストマー層に機械的に結合される。いくつかの構成では、エラストマー層が、メッシュ又はグリッド構造と、ガラス又はポリマー基板との間に配置される。ガラス又はポリマー基板などの支持体を使用すると、グリッド又はメッシュの電極又は相互接続構造を本発明の光学システムに集積化することが容易になる。
【０１５９】
[0235]グリッド及びメッシュの電極及び／又は電気相互接続構造の使用は、さまざまな印刷可能半導体要素の電気接続を確立するのに有利である。任意選択で、これらの方法における印刷可能半導体要素は、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、及びフォトダイオードなどの、電子デバイス又は電子デバイスの構成要素である。任意選択で、これらの方法における印刷可能半導体要素は、１００ナノメートル〜１００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する。
【０１６０】
[0236]一実施形態では、本発明は、半導体ベース光学システムであって、（ｉ）受取面を有するデバイス基板と、（ｉｉ）前記受取面により支持される複数の印刷可能半導体要素であり、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、複数の印刷可能半導体要素と、（ｉｉｉ）前記受取面により支持される前記複数の印刷可能半導体要素と電気的接触した状態で設けられる金属グリッド又はメッシュとを備える、半導体ベース光学システムを提供する。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さ、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される長さ、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される幅、及び１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【０１６１】
[0237]任意選択で、印刷可能半導体要素が、前記受取面上にコンタクト印刷により組み立てられる。任意選択で、前記金属グリッド又はメッシュが、ラミネートされた構造である。任意選択で、金属グリッド又はメッシュが、ＰＤＭＳ層などのエラストマー層に接合され、いくつかの実施形態では、エラストマー層がガラス基板に接合され、この場合、前記エラストマー層は、前記金属グリッド又はメッシュと前記ガラス基板との間に配置される。任意選択で、金属グリッド又はメッシュが、前記受取面と前記印刷可能半導体要素との間に設けられる。任意選択で、金属グリッド又はメッシュが、印刷可能半導体要素の１つ又は複数の外面上に設けられる。任意選択で、金属グリッド又はメッシュは、光学的に透明であり、及び／又は３０％未満の充填率を有する。任意選択で、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が単一無機半導体構造を備える。
【０１６２】
[0238]この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの長手方向物理的寸法を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの長手方向物理的寸法を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの断面寸法を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、（１つ又は複数の）印刷可能半導体要素が、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される少なくとも１つの断面寸法を有する半導体構造を備える。この態様の一システムでは、印刷可能半導体要素が、受取面上にコンタクト印刷により組み立てられる。この態様の一システムでは、グリッド又はメッシュが１種又は複数種の金属を含む。この態様の一システムでは、グリッド又はメッシュが、ラミネートされた構造である。この態様の一システムでは、グリッド又はメッシュがエラストマー層に接合され、任意選択で、エラストマー層がガラス基板に接合され、この場合、エラストマー層は、グリッド又はメッシュとガラス基板との間に配置され、任意選択で、グリッド又はメッシュが、受取面と印刷可能半導体要素との間に設けられる。この態様の一システムでは、グリッド又はメッシュが、印刷可能半導体要素の外面上に設けられる。この態様の一システムでは、グリッド又はメッシュは、５０％を超えて光学的に透明である。この態様の一システムでは、グリッド又はメッシュに３０％未満の充填率がある。
【０１６３】
ｃ．印刷可能半導体要素用の電極相互接続幾何形状
[0239]本発明は、コンタクト印刷による組立としての電極のパターニング及び電気相互接続を容易にする、印刷可能半導体デバイス及びデバイス構成要素などの印刷可能半導体要素用の電極相互接続幾何形状も含む。こうした相互接続幾何形状は、太陽電池、ＬＥＤ、トランジスタ、ダイオード、レーザ、及びセンサを含む、さまざまな印刷可能電子デバイス及びその構成要素に適用可能である。
【０１６４】
[0240]一実施形態では、本発明の印刷可能半導体要素が、電気接続を作製するための接点パッド又は他の電気相互接続構造などの接触構造が印刷可能半導体要素の片面に設けられるような、デバイス幾何形状を有する。好ましくは、いくつかのデバイス製作用途では、印刷可能半導体要素の電気接点を有する側面が、印刷可能半導体要素をデバイス基板、光学システム、又は光学構成要素上に組み立てるステップと同時に露出され、又は他の様式でアクセス可能になる。この設計は、デバイスの異なる構成要素につながる２つ以上の電気接点を必要とする、太陽電池、ＬＥＤ、又はトランジスタなどの電子デバイスを備えた印刷可能半導体要素にとって、特に魅力がある。この態様の印刷可能半導体デバイス及びデバイス構成要素では、デバイス幾何形状が、印刷可能半導体デバイス及びデバイス構成要素の片面に２つ以上の電気相互接続を設けることが可能になるように選択される。いくつかの実施形態では、例えば、印刷可能半導体デバイス及びデバイス構成要素のドーピング成分及びドーピングされる成分が、印刷可能半導体デバイス及びデバイス構成要素の片面に電気相互接続を設けることが可能になるように選択及び／又は空間的に配置される。
【０１６５】
実施例５：光学構成要素上へのコンタクト印刷ベース組立
[0241]本発明のコンタクト印刷ベースの加工方法の利点は、その方法が、さまざまな光学システム及びその光学構成要素上への直接的なデバイスの組立及び集積化に適合することである。これにより、さまざまな有用な構造及びデバイス幾何形状を、本製作方法を使用して効率的に得ることが可能になる。
【０１６６】
[0242]この態様の一実施形態では、本発明は、半導体ベース光学システムを作製する方法であって、（ｉ）受取面を有する光学システム又は光学構成要素を準備するステップと、（ｉｉ）前記光学システム又は光学構成要素の前記受取面上に、１つ又は複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備えるステップとを含む方法を提供する。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅、好ましくはいくつかの用途では、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さ、好ましくはいくつかの用途では、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される長さ、１００ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される幅、及び１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【０１６７】
[0243]いくつかの実施形態では、印刷可能半導体要素が、レンズ、レンズアレイ、導波路、又は導波路アレイの（１つ又は複数の）曲面など、前記光学構成要素の輪郭付き受取面上に組み立てられる。或いは、印刷可能半導体要素は、前記光学構成要素の（１つ又は複数の）平坦な受取面上に組み立てられる。
【０１６８】
[0244]本方法のコンタクト印刷ベース製作基盤は、非常に汎用性があり、したがって、光収光光学構成要素、集光光学構成要素、光拡散光学構成要素、光分散光学構成要素、光フィルタリング光学構成要素、及びそれらのアレイを含む、さまざまな光学構成要素に適合する。一実施形態では、例えば、印刷可能半導体ベース電子デバイス及び／又はデバイス構成要素などの印刷可能半導体要素が、レンズ、レンズアレイ、反射器、反射器アレイ、導波路、導波路アレイ、光学コーティング、光学コーティングアレイ、光学フィルタ、光学フィルタアレイ、光ファイバ要素、及び光ファイバ要素アレイからなる群から選択される光学システム又は構成要素の受取面上に組み立てられる。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、レプリカ成形により製作されたレンズ又はレンズアレイなど、レプリカ成形により製作された光学構成要素又はシステム上に組み立てられる。一実施形態では、印刷可能半導体要素が、ＰＤＭＳ成形したレンズ又はレンズアレイなど、ＰＤＭＳ成形した光学構造上に組み立てられる。
【０１６９】
[0245]印刷ベース組立は、組み立てられる印刷可能半導体要素を、光学システム又は光学構成要素のフィーチャ及び部分に正確（ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ）及び／又は正確（ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ）に空間的に整合及び／又は個別にアドレスすることを可能にする。一実施形態では、例えば、コンタクト印刷が、光学構成要素アレイ内にある構成要素のそれぞれを、前記印刷可能半導体要素の少なくとも１つに対して空間的にアライメントし、例えば、１００ミクロン未満、又は好ましくは１０ミクロン未満で整合することを可能にする。一実施形態では、例えば、コンタクト印刷が、光学構成要素アレイ内にある構成要素のそれぞれを、前記印刷可能半導体要素の少なくとも１つに個別にアドレスすることを可能にする。
【０１７０】
[0246]光学システム及び構成要素の表面上への直接コンタクト印刷は、ディスプレイシステム、光起電力システム、センサ、及び多機能光学システムを含む、さまざまなシステムの製作を可能する。生成される光学システムのタイプ及び機能は、少なくとも一部には、印刷される印刷可能要素のタイプ、及び印刷可能半導体要素を受け取る光学システム又は構成要素のタイプに依存する。いくつかの実施形態では、光学システム及び構成要素の表面上に組み立てられる印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、及びフォトダイオードなどの、電子デバイス又は電子デバイスの構成要素である。いくつかの実施形態では、光学システム及び構成要素の表面上に組み立てられる印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する。
【０１７１】
[0247]本発明におけるコンタクト印刷の使用により、印刷可能半導体要素をさまざまな光学システムと直接集積化する能力がもたらされる。一実施形態では、例えば、印刷可能半導体要素が、光学システム又は光学構成要素の前記受取面上に乾式転写コンタクト印刷により組み立てられる。任意選択で、印刷可能半導体要素が、光学システム又は光学構成要素の前記受取面上に、エラストマー転写デバイス（例えばＰＤＭＳスタンプ）などの共形性転写デバイスを使用して組み立てられる。この態様の一方法は、（ｉ）接触面を有する前記共形性転写デバイスを準備するステップと、（ｉｉ）前記印刷可能半導体要素の外面と前記共形性転写デバイスの前記接触面との間の共形接触を確立するステップであり、前記共形接触が、前記印刷可能半導体要素を前記接触面に接合するステップと、（ｉｉｉ）前記接触面に接合された前記印刷可能半導体要素と前記光学構成要素の前記受取面とを接触させるステップと、（ｉｖ）前記印刷可能半導体要素と前記共形性転写デバイスの前記接触面とを分離し、それにより、前記印刷可能半導体要素を前記光学構成要素の前記受取面上に組み立てるステップとを含む。
【０１７２】
実施例６：コンタクト印刷による太陽電池アレイの製作
[0248]本方法は、太陽電池アレイを含む高性能光起電力システムを製作するための、効果的な加工基盤を提供する。
【０１７３】
[0249]図５７は、その後で組立及び相互接続して太陽電池アレイを製作することができる縦型太陽電池を備えた、印刷可能半導体要素の作製に関するプロセスフロー図を示す。図５７のステップＡ〜Ｅは、Ｓｉ（１１１）ｐ型ウェーハから印刷可能太陽電池リボンを作製するための、さまざまなプロセス及び条件を示す。
【０１７４】
[0250]図５７のプロセスステップＡは、裏面電界作製の加工ステップ及び条件を示す。この加工ステップでは、３インチのｐ型Ｓｉ １１１ウェーハをへき開して、６つの等しい部分にする。次に、加工後のウェーハを、Ａｃｅ／ＩＰＡ及びピラニア洗浄を使用して洗浄する。ホウ素（Ｂ２１９）ＳＯＤを、ウェーハにスピンオンする。ホウ素付きウェーハを２５０℃でアニールする。ホウ素を、例えば１１５０℃で４５分間ドライブインする。任意のガラス残留物を除去する。これらの加工ステップの結果、約１．５ｍｍ厚さの接合部分がもたらされる。
【０１７５】
[0251]図５７のプロセスステップＢ及びＣは、リボン作製の加工ステップ及び条件を示す。３００ｎｍのＰＥＣＶＤ酸化物を使用して、レジストパターンを作製する。リボンの空間的寸法、及びＢＯＥで湿式エッチング露出される酸化物を画定するように、ＰＲをパターニングする。次いで、ＩＣＰ−ＤＲＩＥ約２５〜３０ｍｍを使用して、露出したシリコン内に深いトレンチを生成する（毎回１２分）。例示的なリボン寸法及びトレンチ寸法が、図５７に示してある。加工後のウェーハを、ＲＣＡ １及びＫＯＨリファイニングにおいて約４分間洗浄して、側壁粗さをいくらか除去する。次に、ＰＥＣＶＤ １００ｎｍ ＳｉＯ_２及び６００ｎｍ Ｓｉ_３Ｎ_４を隋所に堆積させる。この加工ステップでは、Ｔｉ／Ａｕ ３／５０ｎｍの斜め蒸着（６０度ステージ）を使用する。ウェーハを、露出した酸化物及び窒化物層のＲＩＥエッチングにさらす。次に、ＫＯＨを使用した湿式エッチングを使用して、リボンを、例えば約３５％のＫＯＨ溶液を使用してアンダーカットする。その後、金属マスク層を除去する。酸化物及び窒化物層は、後続のドーピング処理用に維持する。
【０１７６】
[0252]図５７のプロセスステップＤ及びＥは、エミッタ作製の加工ステップ及び条件を示す。一実施形態では、Ｐ５０９などのｎ型ドーパントを、完全にアンダーカットされたリボンチップ上にスピンコーティングする。ｎ型ドーパント（例えばＰ５０９）を、例えば９５０℃で１５分間ドライブする。これにより、約５００ｎｍ厚さの接合部分が作製される。次に、これらの層を取り外して、メッシュ又はＮＯＡ付きの受取基板上に転写印刷する。
【０１７７】
[0253]図５８は、バルクウェーハから製作したさまざまな厚さのマイクロ太陽電池のＳＥＭ画像を示す。（上部から下部に向かって、厚さ８ミクロン、１６ミクロン、２２ミクロン）。
【０１７８】
[0254]図５９は、本加工基盤を使用して製作した個々の太陽電池デバイスのＩＶ特性を示したプロットを示す。このデバイス例は、９％の効率を示す。図５９の挿入図は、底部バス電極上に印刷した、縦型幾何形状を有するＳｉ太陽電池を示す。
【０１７９】
[0255]図６０は、縦型太陽電池用の上部接点を生成するための加工、及び関連する電子的性能データを示す。まず、縦型太陽電池を、パネルＡ及びＢに示すように、Ａｕ又はＣｕメッシュ構造上に印刷する。次に、第２のＡｕメッシュを電池の上面に印刷（ラミネート）し、第２のＡｕメッシュは上部接点として働く。パネルＣは、印刷した接点のＩＶ曲線のプロットを示し、このようにして製作したモジュールは、６％の合計効率を示す。パネルＣ内の挿入図は、シリコン太陽電池上に印刷した上部及び底部メッシュ電極を示す。
【０１８０】
[0256]図６１は、＜１１１＞ｐ型Ｓｉウェーハ上にパターニングされ、またコンタクト印刷による後続の組立及び集積化が可能な、横型太陽電池の太陽電池レイアウトを示した概略図を示す。太陽電池リボン、ブリッジ要素、トレンチ、及びマザーウェーハの物理的寸法が、図６１に示してある。電池レイアウトをフォトリソグラフィ及び乾式エッチングプロセスによりパターニングした後、ドーピングプロセスを行う。図６２は、パターニングした半導体リボンの外面上にホウ素（Ｐ＋）及びリン（ｎ＋）ドープ領域がパターニングされるドーピング方式を示した概略図を示す。上部ホウ素ドーピングは、上部ｐ＋コンタクトを作製するためのものであり、上部リンドーピングは、ｐｎ接合を作製するためのものである。接合面積を増大させ、金属化ステップ中の起こり得る短絡作製を防止するために、意図的に側壁ドーピング戦略を実施する。底面をＫＯＨエッチングプロセスでアンダーカットした後で、裏面電界（ＢＳＦ）を作製するために底部ｐ＋ドーピングを行う。
【０１８１】
[0257]図６３は、電池のパターニング及びドーピングステップに関するプロセスフローを示した概略図を示す。図６３に示すように、まず、太陽電池パターンをウェーハ上に、フォトリソグラフィ及び乾式エッチングを使用して作製する。次に、窓作製及び拡散用に、空間的に局所的なホウ素ドーピングを実施する。次に、窓作製及び拡散用に、空間的に局所的なリンドーピングを実施する。次に、パターニングした太陽電池を、上部及び側壁のパッシベーション、並びにＫＯＨエッチングを使用してアンダーカットする。最後に、底部ホウ素ドーピングを実施する。
【０１８２】
[0258]図６４は、太陽電池リボンをパターニングするための加工ステップを示した概略図を示し、フォトリソグラフィ及びＳＴＳ深堀りＲＩＥエッチングプロセスステップを示す。この図に示すように、プロセスフロー中の第１のステップは、フォトリソグラフィ及び深堀り反応性イオンエッチング（ボッシュ法）により、バルク＜１１１＞Ｓｉウェーハ上に電池パターンを作製することである。エッチングマスクとして、ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２及びポジティブフォトレジストを使用する。この乾式エッチングでは、エッチングにＳＦ_６及びＯ_２を使用し、パッシベーションにＣ_４Ｈ_８を使用する。ボッシュ法でのエッチングとパッシベーションの交互プロセスの結果、エッチングされた構造に側壁リップルがあり、それを後でＫＯＨを用いて平滑にする。図６４には、フォトレジスト及びＳｉＯ_２マスキング層を除去した後のプロセスウェーハの顕微鏡写真も示してある。図６５は、パターニングしたリボンの側壁をＫＯＨリファイニング処理したことによる結果を示す。側壁リップルを除去するために、短時間のＫＯＨリファイニングプロセスを行う。このプロセス中、上面はＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２で保護される。
【０１８３】
[0259]図６６は、ホウ素ドーピング処理の概略図を示す。ＫＯＨリファイニングステップ後、上部ｐ＋コンタクトを作製するためのホウ素ドーピングを行う。ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２（９００ｎｍ）をドーピングマスク層として堆積させ、ドーピング窓をフォトリソグラフィ及びＢＯＥ湿式エッチングにより作製する。ドーピングエージェントとして、スピンオンドーパント又は固体ドーピング源を使用することができる。拡散プロセスを窒素（固体源）又は窒素／酸素（７５／２５、スピンオンドーパント）雰囲気下で、１０００〜１１５０℃で行う。図６６には、局所的ホウ素ドーピング用のドーピング窓を有する、マスクしたリボン構造の顕微鏡写真も示してある。図６６には、４００オームの抵抗を示す、電流対電圧のプロットも示してある。
【０１８４】
[0260]図６７は、リンドーピング処理の概略図を示す。リンドーピングは、浅い接合部分（１００〜３００ｎｍ）を作製するために、ホウ素ドーピングの後に続く。ホウ素ドーピングプロセスと同様に、リンドーピング窓をＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２堆積、フォトリソグラフィ、及びＢＯＥ湿式エッチングプロセスで作製する。ドーピング源として、スピンオンドーパントを使用し、スピンコーティングにより与える。拡散を、Ｎ_２／Ｏ_２（７５／２５）雰囲気下で９５０Ｃで行う。図６７には、局所的リンドーピング用にマスクしたリボン構造の顕微鏡写真も示してある。図６７には、８０オームの抵抗を示す、電流対電圧のプロットも示してある。
【０１８５】
[0261]図６８は、側壁パッシベーション処理を示した概略図を示す。上部ドーピングプロセスが終了した後、ＰＥＣＶＤ Ｓｉ_３Ｎ_４をＫＯＨアンダーカットプロセス中の保護層として堆積させる。ＫＯＨエッチングが開始するエッチング窓を作製するには、まず、底面を除く上部及び側壁上に金属保護層を作製するために、Ｃｒ及びＡｕをサンプル表面から６０°の角度で堆積させる。金属カバー面は、後続の乾式エッチング処理から保護され、したがって、ＫＯＨ湿式エッチングステップ用のパッシベーション層として機能する。電池の厚さは、金属堆積角度を調整することにより、容易に制御することができる。次に、ＣＨＦ３／Ｏ２及びＳＦ６を用いたＲＩＥが、底面でＳｉを露出させ、そこでＫＯＨエッチングを開始することができる。図６９は、ＫＯＨエッチング窓を作製するための加工を示した概略図を示す。
【０１８６】
[0262]図７０は、ＫＯＨエッチング処理及び底部ホウ素ドーピング処理を示した、顕微鏡写真を示す。この図に示すように、底面を、ＫＯＨを用いて９０Ｃで３０分間エッチングし、その結果、例えばエラストマー共形性転写デバイスを使用したコンタクト印刷による組立が可能な、印刷対応電池構造がもたらされる。ＫＯＨエッチング後、底部Ｓｉ表面のみが露出し、Ｓｉ３Ｎ４保護層はホウ素ドーピング用のバリアとして引き続き使用することができる。その後、ホウ素ドーピングを１０００Ｃで１０分間行う。
【０１８７】
[0263]底部ホウ素ドーピング後、パッシベーション層及び残りのドーパントを、ＨＦ、ピラニア、及びＢＯＥを用いて洗浄除去する。ＰＤＭＳピックアップ前に、ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ２をＮＯＡの汚染から守る上面パッシベーションとして堆積させることができる。図７１は、太陽電池リボンをソースウェーハからＰＤＭＳ転写デバイスを使用して転写する様子を示した画像を示す。
【０１８８】
[0264]図７２は、コンタクト印刷及び平坦化処理ステップを示した概略図を示す。図７２には、印刷組立した太陽電池の画像も示してある。マイクロ電池を、ＰＤＭＳスタンプによりピックアップした後、ガラス、ＰＥＴ、又はカプトンなどの受取基板上にＮＯＡを接着剤として使用して印刷する。この印刷技法は、それ自体で、金属相互接続を作製するために重要な電池の平坦化も完了させる。まず、ＵＶＯ処理した基板上にＮＯＡ６１を被覆し、次いで、ＮＯＡの上面にＰＤＭＳ上のマイクロ電池を配置する。スタンプ及び電池の重量により、マイクロ電池は、ＰＤＭＳスタンプが覆われている上面を除き、ＮＯＡ中に完全に埋め込まれる。ＵＶ光下で部分硬化した後、ＰＤＭＳスタンプを取り上げることができ、マイクロ電池が埋め込まれて、次の金属化ステップ用の平坦な表面を作製する。
【０１８９】
[0265]図７３は、金属化処理の結果を示したイメージングを示す。図７４は、Ａｌ金属層、ＳｉＯ_２誘電体層、Ｃｒ／Ａｕ層、太陽電池、平坦化層、及びデバイス基板を示した、金属化プロセスの概略図を示す。図７３に示すように、金属相互接続を作製するには、電池表面全体上に金属を堆積させ、選択エリアを、フォトレジスト又はＮＯＡをエッチング保護層として使用して、金属エッチング液でエッチバックする。金属化を実施した後、それらの金属ラインをＳｉＯ_２で分離及びカプセル化し、Ａｌを表面全体にわたって堆積させて、反射層を作製する。このようにして、本発明者らは、従来の電池幾何形状で通常生じる金属シャドーイングを基本的に解消することができる。反射防止コーティングを、基板の底面又は転写前に電池の底部にさらに追加することができる。この電池構成及び印刷戦略の場合、本発明者らは、ＫＯＨエッチングステップによる底部電池表面の粗さを、表面テクスチャ化部として使用することもできる。
【０１９０】
実施例７：印刷可能半導体要素の物理的寸法
[0266]本発明の方法及びシステムは、広範な物理的寸法及び形状を有する、印刷可能半導体ベースデバイス及びデバイス構成要素を含む印刷可能半導体要素を用いて実施することが可能である。コンタクト印刷により組み立てられる印刷可能半導体要素の物理的寸法及び形状に対する本発明の汎用性により、広範なデバイス製作用途が可能になり、広範な電子、光学、光電子デバイスの構成及びレイアウトが得られる。
【０１９１】
[0267]図７５Ａ及び７５Ｂは、本明細書において使用する「横方向寸法」及び「断面寸法」という表現を例示した概略図を示す。図７５Ａは、４本の半導体リボン６００５を備えた印刷可能半導体要素の上面図を示す。この記載の文脈では、「横方向寸法」という表現は、半導体リボン６００５の長さ６０００及び幅６０１０により例示される。図７５Ｂは、４本の半導体リボン６００５を備えた印刷可能半導体要素の断面図を示す。この記載の文脈では、「断面寸法」という表現は、半導体リボン６００５の厚さ６０１５により例示される。
【０１９２】
[0268]いくつかの実施形態では、印刷可能半導体ベースのデバイス及びデバイス構成要素を含む印刷可能半導体要素の、長さ及び幅などの横方向寸法の１つ又は複数が、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で選択される。横方向寸法の１つ又は複数が、いくつかの用途では、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲で選択され、いくつかの用途では、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で選択される。こうした横方向寸法を有する印刷可能半導体要素の用途には、膜太陽電池及びその光起電力システムが含まれるが、それだけには限定されない。
【０１９３】
[0269]いくつかの実施形態では、印刷可能半導体ベースデバイス及びデバイス構成要素を含む印刷可能半導体要素の、長さ及び幅などの横方向寸法の１つ又は複数が、０．０２ｍｍ〜３０ｍｍの範囲で選択される。こうした横方向寸法を有する印刷可能半導体要素の用途には、光電子半導体要素及びそのシステムが含まれるが、それだけには限定されない。
【０１９４】
[0270]いくつかの実施形態では、印刷可能半導体ベースデバイス及びデバイス構成要素を含む印刷可能半導体要素の、長さ及び幅などの横方向寸法の１つ又は複数が、０．０００１ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲で選択される。長さ及び幅などの横方向寸法の１つ又は複数は、好ましくは、いくつかの用途では、０．０００１ｍｍ〜３００ｍｍの範囲で選択される。
【０１９５】
[0271]いくつかの実施形態では、印刷可能半導体ベースデバイス及びデバイス構成要素を含む印刷可能半導体要素の、厚さなどの断面寸法の１つ又は複数が、０．００２ｍｍ〜０．０２ｍｍの範囲で選択される。印刷可能半導体ベースデバイス及びデバイス構成要素を含む印刷可能半導体要素の、厚さなどの断面寸法の１つ又は複数は、いくつかの用途では、０．０００３ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲で選択される。印刷可能半導体ベースデバイス及びデバイス構成要素を含む印刷可能半導体要素の、厚さなどの断面寸法の１つ又は複数は、いくつかの用途では、０．００００１ｍｍ〜３ｍｍの範囲で選択される。
【０１９６】
[0272]本発明の一光学システムでは、印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。本発明の一光学システムでは、印刷可能半導体要素が、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。本発明の一光学システムでは、印刷可能半導体要素が、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える。本発明の一光学システムでは、印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。本発明の一光学システムでは、印刷可能半導体要素が、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。本発明の一光学システムでは、印刷可能半導体要素が、２００ミクロン以下の少なくとも１つの長手方向物理的寸法を有する。本発明の一光学システムでは、印刷可能半導体要素が、１０ナノメートル〜１０ミクロンの範囲で選択される少なくとも１つの断面物理的寸法を有する。
【０１９７】
[0273]本発明は、コンタクト印刷により組み立てられる、印刷可能電子デバイス又はデバイス構成要素など、複数の印刷可能半導体要素を備えた光学システムを含む。本発明の実施形態では、例えば、光学システムがさらに、前記基板の前記受取面上にコンタクト印刷により複数の印刷可能半導体要素を備え、この場合、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える。
【０１９８】
実施例８．ＰＥＴ基板上に印刷した印刷可能ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＰ赤色ＬＥＤ
[0274]図７６は、ＰＥＴ基板上に印刷した、印刷可能ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＰ赤色ＬＥＤアレイを示す。このデバイスを作製するには、ＰＥＴ基板をＰＤＭＳの薄い（１〜２ミクロン）層で被覆し、ＰＤＭＳを熱により硬化し、基板上に疎な金メッシュアレイをコンタクト印刷により印刷する。次いで、メッシュ電極上に１ｍｍ×１ｍｍ×約０．３ｍｍのＬＥＤをコンタクト印刷する。ＬＥＤを印刷した後、その基板に対して、別のメッシュアレイを収容した薄いＰＤＭＳ基板をラミネートして、ＬＥＤの上面への電気的接触を作製し、約５Ｖで動作させる（上部左側及び右側）。薄いＰＤＭＳ基板は、ＬＥＤアレイを機械的にカプセル化する働きもする。
【参照による組込み及び変形形態に関する言明】
【０１９９】
[0275]米国特許出願第１１／１１５，９５４号明細書、米国特許出願第１１／１４５，５７４号明細書、米国特許出願第１１／１４５，５４２号明細書、米国特許出願第６０／８６３，２４８号明細書、米国特許出願第１１／４６５，３１７号明細書、米国特許出願第１１／４２３，２８７号明細書、米国特許出願第１１／４２３，１９２号明細書、及び米国特許出願第１１／４２１，６５４号明細書を、本記載と矛盾しない範囲で、ここに参照により組み込む。
【０２００】
[0276]本願全体を通じたあらゆる参考文献、例えば、発行若しくは授与された特許又は均等物を含む特許文献、特許出願公開公報、及び非特許文献又は他の源資料を、各参考文献が本願における開示と少なくとも部分的に矛盾しない範囲で、参照により個々に組み込まれているのと同様に、ここに参照によりその全体を本明細書に組み込む（例えば、部分的に矛盾する参考文献は、その参考文献の部分的に矛盾する部分を除いて参照により組み込む）。
【０２０１】
[0277]本明細書において使用されている用語及び表現は、限定するものではなく説明用語として使用されている。そのような用語及び表現を使用する場合に、図示及び記載した特徴の任意の均等物又はその一部を除外することが意図されているのではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内でさまざまな変更形態が可能であることが理解されよう。したがって、本発明を、好ましい実施形態、例示的実施形態、及び任意選択の特徴により具体的に開示したが、本明細書において開示した概念の変更形態及び変形形態が、当業者により用いられてよく、そのような変更形態及び変形形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に含まれると見なされることを理解されたい。本明細書において提供する特定の実施形態は、本発明の有用な実施形態の例であり、本記載に記すデバイス、デバイス構成要素、方法ステップの多数の変形形態を使用して本発明を実施できることが、当業者に明らかとなるであろう。当業者には明白となるように、本方法に有用な方法及びデバイスは、多数の任意選択の組成及び処理要素及びステップを含むことができる。
【０２０２】
[0278]特に明記しない限り、本明細書において記載又は例示した成分のあらゆる配合又は組合せを、本発明を実施するために使用することができる。
【０２０３】
[0279]明細書中に範囲、例えば温度範囲、時間範囲、又は組成若しくは濃度範囲が与えられるときはいつでも、あらゆる中間範囲及び部分範囲、並びに与えられるそれらの範囲内に含まれるあらゆる個々の値が、この開示に含まれるものとする。本明細書における記載に含まれる任意の部分範囲、又は範囲若しくは部分範囲内の個々の値を、本明細書における特許請求の範囲から除外できることが理解されよう。
【０２０４】
[0280]明細書中で述べたあらゆる特許及び公開公報は、本発明に関係する当業者の技術水準を示すものである。本明細書において引用した参考文献は、その公開又は出願日時点の最先端技術を示すために、参照によりその全体が本明細書に組み込まれており、その情報は、従来技術に含まれる特定の実施形態を除外するために、必要に応じて本明細書において使用できるものとする。例えば、組成物が特許請求の範囲に記載される場合、本明細書において引用した参考文献中で実施可能な程度の開示が行われている化合物を含めて、出願人の発明より前に当技術分野において既知で利用可能な化合物は、本明細書における組成物の請求項内に含まれるものではないことを理解されたい。
【０２０５】
[0281]本明細書では、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、又は「によって特徴付けられる（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ）」と同義語であり、包括的又はオープンエンド型であり、列挙されていない追加の要素又は方法ステップを除外するものではない。本明細書では、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、請求項の要素において特定されていない任意の要素、ステップ、又は成分を除外するものである。本明細書では、「から基本的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、請求項の基本的又は新規な特徴に実質的に影響を及ぼさない材料又はステップを除外するものではない。本明細書の各場合において、「備える」、「から基本的になる」、及び「からなる」という用語のいずれかを、残りの２つの用語のどちらかと置き換えることができる。本明細書において例示的に記載した本発明は、本明細書において具体的に開示されていない任意の１つ又は複数の要素、１つ又は複数の制限がなくても、適切に実施することができる。
【０２０６】
[0282]具体的に例示したもの以外の出発材料、生物材料、試薬、合成方法、精製方法、分析方法、検査方法、及び生物学的方法を、過度の実験を用いることなく本発明の実施に使用できることを、当業者なら理解するであろう。そのような任意の材料及び方法の、当技術分野で既知のあらゆる機能的均等物は、本発明に含まれるものとする。使用されている用語及び表現は、限定するものではなく説明用語として使用されている。そのような用語及び表現を使用する場合に、図示及び記載した特徴の任意の均等物又はその一部を除外することが意図されているのではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内でさまざまな変更形態が可能であることが理解されよう。したがって、本発明を、好ましい実施形態及び任意選択の特徴により具体的に開示したが、本明細書において開示した概念の変更形態及び変形形態が、当業者により用いられてよく、そのような変更形態及び変形形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に含まれると見なされることを理解されたい。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ベースの光学システムを作製する方法であって、
受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、
前記基板の前記受取面上に印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素が、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える前記ステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記印刷可能半導体要素が、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記印刷可能半導体要素が、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記印刷可能半導体要素が、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記基板の前記受取面上に複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える前記ステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記デバイス基板の前記受取面を１つ又は複数のデバイス構成要素で予めパターニングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
１つ又は複数の光学構成要素を、前記印刷可能半導体要素と光学的に連絡した状態で設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
拡散光学系、分散光学系、収光光学系、集光光学系、及び光ファイバからなる群から選択される光学構成要素アレイを設けるステップであり、前記光学構成要素アレイが、前記印刷可能半導体要素の少なくとも一部分と光学的に連絡した状態で設けられる前記ステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記アレイの光学構成要素が、前記印刷可能半導体要素のそれぞれに個別にアドレスされる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記光学構成要素アレイが、レプリカ成形により製作され、前記印刷可能半導体要素が、前記光学構成要素アレイの受取面上にコンタクト印刷により組み立てられる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
第１及び第２の電極を、前記印刷可能半導体要素の露出面と電気的に接触した状態でパターニングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、乾式転写コンタクト印刷により組み立てられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、共形性転写デバイスを使用して組み立てられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記組み立てるステップが、
接触面を有する前記共形性転写デバイスを準備するステップと、
前記印刷可能半導体要素の外面と前記共形性転写デバイスの前記接触面との間の共形接触を確立するステップであり、前記共形接触が、前記印刷可能半導体要素を前記接触面に接合する前記ステップと、
前記接触面に接合された前記印刷可能半導体要素と前記デバイス基板の前記受取面とを接触させるステップと、
前記印刷可能半導体要素と前記共形性転写デバイスの前記接触面とを分離し、それにより、前記印刷可能半導体要素を前記デバイス基板の前記受取面上に組み立てるステップと
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、エラストマー転写デバイスを使用して組み立てられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、エラストマースタンプを使用して組み立てられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記印刷可能半導体要素が、電子デバイス又は電子デバイスの構成要素である、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、ｐ−ｎ接合、集積回路、及びフォトダイオードからなる群から選択される電子デバイスである、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記印刷可能半導体要素が、別の半導体構造、誘電体構造、導電性構造、及び光学構造からなる群から選択される少なくとも１つの追加構造と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記印刷可能半導体要素が、電極、誘電体層、光学コーティング、金属接点パッド、及び半導体チャネルからなる群から選択される少なくとも１つの電子デバイス構成要素と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、ｐ−ｎ接合、集積回路、及びフォトダイオードからなる群から選択される少なくとも２つの電子デバイスを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項２４】
前記印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記受取面上に接着剤層を設けるステップと、前記印刷可能半導体要素を前記接着剤層と接触させ、それにより、前記印刷可能半導体要素を前記基板の前記受取面に接合するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記接着剤層が、１層又は複数層のポリマー層、プレポリマー層、エラストマー層、金属層、又はそれらの組合せである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記受取面上に組み立てられた前記印刷可能半導体要素を少なくとも部分的にカプセル化又はラミネートすることが可能なラミネート層又はカプセル化層を、前記印刷可能半導体要素と接触して設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記印刷可能半導体要素が、１００００ミクロン^２〜１メートル^２の範囲で選択される前記受取基板のある領域にわたって組み立てられる、請求項７に記載の方法。
【請求項２９】
前記印刷可能半導体要素が前記基板の前記受取面上に、５半導体要素ｍｍ^−１以上の密度で組み立てられる、請求項７に記載の方法。
【請求項３０】
前記印刷可能半導体要素が、２００ミクロン以下の少なくとも１つの長手方向物理的寸法を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記印刷可能半導体要素が、１０ナノメートル〜１０ミクロンの範囲で選択される断面物理的寸法を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記受取面上に組み立てられる前記印刷可能半導体要素相互の相対的な位置が、１０，０００ナノメートル以内に選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項３３】
前記受取面上の前記印刷可能半導体要素が、互いに長手方向に整合され、前記長手方向に整合された半導体要素が、互いに３度以内で平行な長さに延在する、請求項７に記載の方法。
【請求項３４】
前記光学システムが、発光ダイオードアレイ、レーザアレイ、ＶＣＳＥＬアレイ、パッシブマトリクスＬＥＤディスプレイ、アクティブマトリクスＬＥＤディスプレイ、光センサ及び光センサアレイ、シートスキャナ、並びに太陽電池アレイからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
前記印刷可能半導体要素が単体無機半導体構造を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３６】
前記印刷可能半導体要素が単結晶半導体材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
前記光学システム内の１つ又は複数の電極又は電気相互接続構造をもたらす電気伝導性グリッド又はメッシュを、前記印刷可能半導体要素の少なくとも一部分と電気的に接触した状態で設けるステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項３８】
前記メッシュ又はグリッドが１種又は複数種の金属を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記電気伝導性グリッド又はメッシュが、５０％を超える光学的透明度を有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記電気伝導性グリッド又はメッシュが、ラミネートされた構造である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記電気伝導性グリッド又はメッシュがエラストマー層に接合される、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記グリッド又はメッシュを前記デバイス基板の前記受取面、又は前記印刷可能半導体要素の少なくとも一部分の外面上に組み立て、それにより、前記グリッド又はメッシュと、前記印刷可能半導体要素の前記少なくとも一部分との間の電気的接触を確立するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記金属グリッド又はメッシュから前記印刷可能半導体要素への電気接続が、前記グリッド又はメッシュを前記デバイス基板の前記受取面、又は前記印刷可能半導体要素の少なくとも一部分の外面上に、コンタクト印刷により組み立てることによって確立される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
半導体ベースの光学システムを作製する方法であって、
内面を有する光学構成要素を準備するステップと、
前記光学構成要素の前記内面上に、電気伝導性グリッド又はメッシュを設けるステップと、
受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、
前記基板の前記受取面上に複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える前記ステップと、
前記グリッド又はメッシュを有する前記光学構成要素を前記デバイス基板に転写するステップであり、前記光学構成要素が、前記基板の前記受取面上に組み立てられた前記半導体要素の上面に配置され、前記グリッド又はメッシュが、前記光学構成要素と前記半導体要素との間に設けられ、前記グリッド又はメッシュが、前記印刷可能半導体要素の少なくとも一部分と電気的に接触した状態で設けられる前記ステップと
を含む方法。
【請求項４５】
前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記メッシュ又はグリッドが１種又は複数種の金属を含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
前記グリッド又はメッシュが、５０％を超える光学的透明度を有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項５２】
前記グリッド又はメッシュが、ラミネートされた構造である、請求項４４に記載の方法。
【請求項５３】
前記グリッド又はメッシュがエラストマー層に接合される、請求項４４に記載の方法。
【請求項５４】
前記エラストマー層が、ガラス基板に結合され、前記エラストマー層が、前記グリッド又はメッシュと前記ガラス基板との間に配置される、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記グリッド又はメッシュが３０％未満の充填率を有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項５６】
前記光学構成要素を、前記基板の前記受取面上に組み立てられた前記半導体要素の上面に転写する前記ステップが、前記光学構成要素を、前記基板の前記受取面上に組み立てられた前記半導体要素の上面に、コンタクト印刷を使用して組み立てるステップを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５７】
前記グリッド又はメッシュが前記光学構成要素の前記内面上に、コンタクト印刷により組み立てられる、請求項４４に記載の方法。
【請求項５８】
前記グリッド又はメッシュが前記光学構成要素の前記内面上に、共形性転写デバイスを使用して組み立てられる、請求項４４に記載の方法。
【請求項５９】
前記グリッド又はメッシュが前記光学構成要素の前記内面上に、エラストマー転写デバイスを使用して組み立てられる、請求項４４に記載の方法。
【請求項６０】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、乾式転写コンタクト印刷を使用して組み立てられる、請求項４４に記載の方法。
【請求項６１】
前記光学構成要素が、収光光学構成要素、集光光学構成要素、光拡散光学構成要素、分散光学構成要素、又は光フィルタリング光学構成要素である、請求項４４に記載の方法。
【請求項６２】
前記光学構成要素がレンズ又はレンズアレイである、請求項４４に記載の方法。
【請求項６３】
前記光学構成要素が、ＰＤＭＳ成形されたレンズ又はＰＤＭＳ成形されたレンズアレイである、請求項４４に記載の方法。
【請求項６４】
前記印刷可能半導体要素が、電子デバイス又は電子デバイス構成要素である、請求項４４に記載の方法。
【請求項６５】
前記印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、ｐ−ｎ接合、集積回路、及びフォトダイオードからなる群から選択される１つ又は複数の電子デバイスである、請求項４４に記載の方法。
【請求項６６】
前記印刷可能半導体要素が、別の半導体構造、誘電体構造、導電性構造、及び光学構造からなる群から選択される少なくとも１つの追加構造と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項６７】
前記印刷可能半導体要素が、電極、誘電体層、光学コーティング、金属接点パッド、及び半導体チャネルからなる群から選択される少なくとも１つの電子デバイス構成要素と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項６８】
前記印刷可能半導体要素が、１００ナノメートル〜１００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項６９】
半導体ベース光学システムを作製する方法であって、
受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、
前記基板の前記受取面上に印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップと、
前記受取面上に組み立てられた前記印刷可能半導体要素を平坦化し、それにより、前記半導体ベース光学システムを作製するステップと
を含む方法。
【請求項７０】
前記平坦化するステップが、前記印刷可能半導体要素を前記デバイス基板に埋め込むステップを含む、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記基板の前記受取面上に平坦化層を設けるステップをさらに含み、前記平坦化するステップが、前記印刷可能半導体要素を、前記デバイス基板の前記受取面上に設けられた前記平坦化層に埋め込むステップを含む、請求項６９に記載の方法。
【請求項７２】
前記平坦化層が、前記受取面上に前記印刷可能半導体要素を組み立てる前記ステップの前に前記受取面に設けられる、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記平坦化層が、前記受取面上に前記印刷可能半導体要素を組み立てる前記ステップの後で前記受取面に設けられる、請求項７１に記載の方法。
【請求項７４】
前記平坦化層が、１０ナノメートル〜１０００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する、請求項７１に記載の方法。
【請求項７５】
前記平坦化層がプレポリマー又はポリマーを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７６】
前記印刷可能半導体要素が中に埋め込まれた前記平坦化層を硬化、重合、又は架橋させ、それにより、前記平坦化層内で前記印刷可能半導体要素を固定するステップをさらに含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７７】
前記平坦化するステップが、前記印刷可能半導体要素を有する前記デバイス基板上に実質的に平坦な上面を生成する、請求項６９に記載の方法。
【請求項７８】
１つ又は複数の電気相互接続を、前記実質的に平坦な上面の前記平坦化された印刷可能半導体要素の露出面にパターニングするステップをさらに含む、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記印刷可能半導体要素が、印刷可能電子デバイス又は電子デバイス構成要素である、請求項６９に記載の方法。
【請求項８０】
前記印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、ｐ−ｎ接合、集積回路、又はフォトダイオードである、請求項６９に記載の方法。
【請求項８１】
前記印刷可能半導体要素が、別の半導体構造、誘電体構造、導電性構造、及び光学構造からなる群から選択される少なくとも１つの追加構造と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項８２】
前記印刷可能半導体要素が、電極、誘電体層、光学コーティング、金属接点パッド、及び半導体チャネルからなる群から選択される少なくとも１つの電子デバイス構成要素と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項８３】
前記印刷可能半導体要素が、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する、請求項６９に記載の方法。
【請求項８４】
前記印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項８５】
前記印刷可能半導体要素が、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項８６】
前記印刷可能半導体要素が、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項８７】
前記印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項８８】
前記印刷可能半導体要素が、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項６９に記載の方法。
【請求項８９】
前記基板の前記受取面上に複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップと、
前記受取面上に組み立てられた前記複数の印刷可能半導体要素を平坦化するステップと
を含む、請求項６９に記載の方法。
【請求項９０】
前記複数の印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、ｐ−ｎ接合、集積回路、及びフォトダイオードからなる群から選択される１つ又は複数の電子デバイスを備える、請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
半導体ベース光学システムを作製する方法であって、
受取面を有する光学構成要素を準備するステップと、
前記光学構成要素の前記受取面上に印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素が、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える前記ステップと
を含む方法。
【請求項９２】
前記印刷可能半導体要素が、０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．０２ミリメートル〜３０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前記印刷可能半導体要素が、０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び０．１ミリメートル〜１ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項９１に記載の方法。
【請求項９４】
前記印刷可能半導体要素が、１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される長さ、及び１ミリメートル〜１０ミリメートルの範囲から選択される幅を有する半導体構造を備える、請求項９１に記載の方法。
【請求項９５】
前記印刷可能半導体要素が、０．０００３ミリメートル〜０．３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項９１に記載の方法。
【請求項９６】
前記印刷可能半導体要素が、０．００２ミリメートル〜０．０２ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、請求項９１に記載の方法。
【請求項９７】
前記光学構成要素の前記受取面上に複数の印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える前記ステップを含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項９８】
前記光学構成要素が、収光光学構成要素、集光光学構成要素、光拡散光学構成要素、光分散光学構成要素、又は光フィルタリング光学構成要素である、請求項９１に記載の方法。
【請求項９９】
前記光学構成要素が、レンズ、レンズアレイ、反射器、反射器アレイ、導波路、導波路アレイ、光学コーティング、光学コーティングアレイ、光学フィルタ、光学フィルタアレイ、光ファイバ要素、及び光ファイバ要素アレイからなる群から選択される、請求項９１に記載の方法。
【請求項１００】
前記光学構成要素がレプリカ成形により製作されるレンズアレイである、請求項９１に記載の方法。
【請求項１０１】
前記光学構成要素が、収光光学構成要素、集光光学構成要素、光拡散光学構成要素、分散光学構成要素、又は光フィルタリング光学構成要素のアレイである、請求項９１に記載の方法。
【請求項１０２】
前記アレイ内にある前記構成要素のそれぞれが、前記印刷可能半導体要素の少なくとも１つに対して空間的に整合される、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０３】
前記アレイ内にある前記構成要素のそれぞれが、前記印刷可能半導体要素の少なくとも１つに個別にアドレスされる、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０４】
前記印刷可能半導体要素が、電子デバイス又は電子デバイス構成要素である、請求項９１に記載の方法。
【請求項１０５】
前記印刷可能半導体要素が、ＬＥＤ、レーザ、太陽電池、センサ、ダイオード、トランジスタ、ｐ−ｎ接合、集積回路、及びフォトダイオードからなる群から選択される１つ又は複数の電子デバイスである、請求項９１に記載の方法。
【請求項１０６】
前記印刷可能半導体要素が、別の半導体構造、誘電体構造、導電性構造、及び光学構造からなる群から選択される少なくとも１つの追加構造と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項９１に記載の方法。
【請求項１０７】
前記印刷可能半導体要素が、電極、誘電体層、光学コーティング、金属接点パッド、及び半導体チャネルからなる群から選択される少なくとも１つの電子デバイス構成要素と共に集積化された前記半導体構造を備える、請求項９１に記載の方法。
【請求項１０８】
前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、１００ナノメートル〜１００ミクロンの範囲から選択される厚さを有する、請求項９１に記載の方法。
【請求項１０９】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、乾式転写コンタクト印刷により組み立てられる、請求項９１に記載の方法。
【請求項１１０】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、共形性転写デバイスを使用して組み立てられる、請求項９１に記載の方法。
【請求項１１１】
前記組み立てるステップが、
接触面を有する前記共形性転写デバイスを準備するステップと、
前記印刷可能半導体要素の外面と前記共形性転写デバイスの前記接触面との間の共形接触を確立するステップであり、前記共形接触が、前記印刷可能半導体要素を前記接触面に接合する前記ステップと、
前記接触面に接合された前記印刷可能半導体要素と前記光学構成要素の前記受取面とを接触させるステップと、
前記印刷可能半導体要素と前記共形性転写デバイスの前記接触面とを分離し、それにより、前記印刷可能半導体要素を前記光学構成要素の前記受取面上に組み立てるステップと
を含む、請求項１１０に記載の方法。
【請求項１１２】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、エラストマー転写デバイスを使用して組み立てられる、請求項９１に記載の方法。
【請求項１１３】
前記印刷可能半導体要素が前記受取面上に、エラストマースタンプを使用して組み立てられる、請求項９１に記載の方法。
【請求項１１４】
前記光学構成要素の前記受取面に接着剤層又は平坦化層を設けるステップをさらに含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項１１５】
受取面を有するデバイス基板を準備するステップと、
前記基板の前記受取面上に印刷可能半導体要素をコンタクト印刷により組み立てるステップであり、前記印刷可能半導体要素が、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える前記ステップと
を含む方法により作製されるデバイスを備える、半導体ベース光学システム。
【請求項１１６】
受取面を有するデバイス基板と、
前記受取面により支持される平坦化された印刷可能半導体要素とを備え、前記印刷可能半導体要素を有する前記デバイス基板が、前記印刷可能半導体要素を含む前記実質的に平坦な上面を有し、前記平坦化された印刷可能半導体要素が、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える
半導体ベース光学システム。
【請求項１１７】
半導体ベースの光学システムであって、
受取面を有するデバイス基板と、
前記受取面により支持される複数の印刷可能半導体要素であり、前記印刷可能半導体要素のそれぞれが、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される長さ、０．０００１ミリメートル〜１０００ミリメートルの範囲から選択される幅、及び０．００００１ミリメートル〜３ミリメートルの範囲から選択される厚さを有する半導体構造を備える、前記複数の印刷可能半導体要素と、
前記受取面により支持される前記複数の印刷可能半導体要素の少なくとも一部分と電気的に接触した状態で設けられるグリッド又はメッシュであり、電気伝導性材料を含み、前記光学システムの電気相互接続構造又は電極をもたらす前記グリッド又はメッシュと
を備える、半導体ベース光学システム。

【図１】

【図２Ａ】

【図２Ｂ】

【図２Ｃ】

【図２Ｄ】

【図２Ｅ】

【図３】

【図５Ｂ】

【図７Ａ】

【図７Ｂ】

【図１０】

【図１３】

【図１４Ａ】

【図１４Ｂ】

【図１４Ｃ】

【図１４Ｄ】

【図１４Ｅ】

【図１６】

【図１８】

【図１９】

【図２０】

【図２１】

【図２３】

【図２４】

【図２５】

【図２６】

【図３０】

【図３１】

【図３２】

【図３３】

【図３７（ａ）】

【図３７（ｂ）】

【図４０】

【図４２】

【図４４（ａ）】

【図４４（ｂ）】

【図４４（ｃ）】

【図４６ａ】

【図４６ｂ】

【図４８】

【図５０（ａ）】

【図５０（ｂ）】

【図５０（ｃ）】

【図５３Ｂ】

【図５４Ａ】

【図５４Ｂ】

【図５５】

【図５８】

【図６１】

【図６２】

【図６３】

【図７３】

【図７４】

【図７５Ａ】

【図７５Ｂ】

【図７６】

【図４】

【図５Ａ】

【図６Ａ】

【図６Ｂ】

【図６Ｃ】

【図８】

【図９】

【図１１】

【図１２】

【図１５】

【図１７Ａ】

【図１７Ｂ】

【図１７Ｃ】

【図２２】

【図２７】

【図２８】

【図２９】

【図３４】

【図３５】

【図３６】

【図３８】

【図３９】

【図４１−１】

【図４１−２】

【図４３】

【図４５】

【図４７】

【図４９】

【図５１】

【図５２】

【図５３Ａ】

【図５６】

【図５７】

【図５９】

【図６０】

【図６４】

【図６５】

【図６６】

【図６７】

【図６８】

【図６９】

【図７０】

【図７１】

【図７２】

【公表番号】特表２０１０−５１７２６５（Ｐ２０１０−５１７２６５Ａ）
【公表日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４６３６１（Ｐ２００９−５４６３６１）
【出願日】平成１９年１０月３１日（２００７．１０．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２２９５９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４３６３５
【国際公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【出願人】（５０６１７５８４０）ザ　ボード　オブ　トラスティーズ　オブ　ザ　ユニヴァーシティー　オブ　イリノイ (30)
【出願人】（５０９２０２９３８）セムプリウス　インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】