(57)【要約】本特許文献に開示された技術は、感知および識別用途のためのオプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを構築し、生体および他の用途における展開のための非テザリングデバイスを提供し、かつこのようなデバイスを商用生産のために作製するための製造技術を提供するために使用され得る。本明細書に開示される特定の実施例によって例示されるように、開示された技術は、光学的に電力が供給されかつ光学的に読み出される無線、無機の細胞スケールのセンサおよび識別システムを可能にする製造方法、基板、およびデバイスを提供するように実装され得る。【選択図】図５Ａ
2021513745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスであって、
基板と、
前記基板に係合され、かつ入力光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールであって、前記センサモジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、前記センサモジュールが、前記感知素子からの前記応答に基づいて、前記標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている、センサモジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信し、前記センサモジュールから前記電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールであって、前記発光モジュールが、前記電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気センサ信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、発光モジュールと、を備える、デバイス。
【請求項２】
前記発光モジュールを前記光起電モジュールおよび前記センサモジュールに電気的に接続するように構成された１つ以上の電気相互接続部をさらに備え、前記１つ以上の電気相互接続部が、１０ミクロン未満の寸法を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスが、１ｍｍ３未満の体積を有するように構造化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように結合された識別モジュールをさらに備え、前記識別モジュールが、前記デバイスの識別情報を示す電気識別信号を生成するように構成されており、前記発光モジュールが、前記電気識別信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気識別信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記出力光が、パルス位置変調（ＰＰＭ）符号化方式を使用して変調される、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記デバイスが、所定の入力光の受信時に、前記電気識別信号を搬送するように変調された前記出力光のみを出力するように構成されている、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記所定の入力光が、所定の周波数を有する光を含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記所定の入力光が、所定の一連の光パルスを含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記センサモジュールが、ＣＭＯＳ回路を含み、
前記発光モジュールが、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記光起電モジュールが、ＳｉもしくはＡｌＧａＡｓ、または他のものを伴う、もしくは伴わないＳｉおよびＡｌＧａＡｓの組み合わせを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記センサモジュールが、前記標的物質の温度を示す前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記センサモジュールが、前記標的物質中の生物物質もしくは化学物質、または前記標的物質の電気的特性、または他のものを伴う、もしくは伴わない前記標的物質中の前記生物物質、前記標的物質中の前記化学物質、および前記標的物質の前記電気的特性のうちの任意の２つ以上を示す前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記感知素子が、感知電極を含み、
前記センサモジュールが、前記感知電極を介して、前記標的物質としての１つ以上のニューロンと相互作用することから、前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記センサモジュールが、前記感知素子を介して、前記標的物質としての流体と相互作用することから前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記センサモジュールが、前記感知素子を介して、前記標的物質としての組織と相互作用することから前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記光起電モジュール、前記センサモジュール、および前記発光モジュールをカプセル化して、前記デバイスが生体対象物に移植されることを可能にする、１つ以上のカプセル化構造体をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記基板に係合され、かつ前記デバイスの動作に関連付けられた情報を搬送する入力光通信信号を受信するように動作可能な光受信器をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記感知素子が、感知電極もしくは感知抵抗器もしくは感知ナノ構造体、または他のものを伴う、もしくは伴わない感知電極、感知抵抗器、および感知ナノ構造体のうちの任意の２つ以上の組み合わせを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスであって、
基板と、
前記基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように結合された識別モジュールであって、前記識別モジュールが、前記デバイスの識別情報を示す電気識別信号を生成するように構成されている、識別モジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信し、前記識別モジュールから前記電気識別信号を受信するように結合された発光モジュールであって、前記発光モジュールが、前記電気識別信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気識別信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、発光モジュールと、を備える、デバイス。
【請求項２０】
前記発光モジュールを前記光起電モジュールおよび前記識別モジュールに電気的に接続するように構成された１つ以上の電気相互接続部をさらに備え、前記１つ以上の電気相互接続部が、１０ミクロン未満の寸法を有する、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスが、１ｍｍ３未満の体積を有する、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記デバイスが、所定の入力光の受信時に、前記電気識別信号を搬送するように変調された前記光を出力するように構成されている、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記デバイスが、前記出力光のスペクトルに基づいて識別される、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記出力光が、パルス位置変調（ＰＰＭ）符号化方式を使用して変調される、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２５】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスであって、
基板と、
前記基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化されたフォトエレクトロニクスモジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記フォトエレクトロニクスモジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように結合された識別モジュールであって、前記識別モジュールが、前記デバイスの識別情報を示す電気識別信号を生成するように構成されている、識別モジュールと、を備え、
前記フォトエレクトロニクスモジュールが、前記識別モジュールから前記電気識別信号を受信し、前記電気識別信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気識別信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構成されている、デバイス。
【請求項２６】
前記フォトエレクトロニクスモジュールを前記識別モジュールに電気的に接続するように構成された１つ以上の電気相互接続部をさらに備え、前記１つ以上の電気相互接続部が、１０ミクロン未満の寸法を有する、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスが、１ｍｍ３未満の体積を有する、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記デバイスが、所定の入力光の受信時に、前記電気識別信号を搬送するように変調された前記光を出力するように構成されている、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記デバイスが、前記出力光のスペクトルに基づいて識別される、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項３０】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスであって、
基板と、
前記基板に係合され、かつ入力光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールであって、前記光起電モジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、前記光起電モジュールが、前記感知素子からの前記応答に基づいて、前記標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている、光起電モジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信し、前記光起電モジュールから前記電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールであって、前記発光モジュールが、前記電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気センサ信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、発光モジュールと、を備える、デバイス。
【請求項３１】
前記発光モジュールを前記光起電モジュールに電気的に接続するように構成された１つ以上の電気相互接続部をさらに備え、前記１つ以上の電気相互接続部が、１０ミクロン未満の寸法を有する、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスが、１ｍｍ３未満の体積を有する、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３３】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスであって、
基板と、
前記基板に係合され、かつ入力光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように構造化された光電気信号変換モジュールであって、前記光電気信号変換モジュールが、標的物質に応答して前記標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成し、前記光電気信号変換モジュールが、前記電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気センサ信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、光電気信号変換モジュールと、を備える、デバイス。
【請求項３４】
前記発光モジュールを前記光起電モジュールに電気的に接続するように構成された１つ以上の電気相互接続部をさらに備え、前記１つ以上の電気相互接続部が、１０ミクロン未満の寸法を有する、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスが、１ｍｍ３未満の体積を有する、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３６】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを構築するための方法であって、
第１の半導体基板上に半導体剥離層を形成することと、
前記半導体剥離層上にフォトエレクトロニクス半導体構造体を製造することと、
前記半導体剥離層上の前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造上にポリマー層を形成して、前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体を前記形成されたポリマー層に埋め込むことと、
前記ポリマー層および前記ポリマー層に埋め込まれた前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体から前記半導体剥離層を除去するためのエッチング処理を実施し、これにより前記ポリマー層および前記ポリマー層に埋め込まれた前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体が絶縁された集合体になるようにすることと、
前記ポリマー層および前記ポリマー層に埋め込まれた前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体を第２の半導体基板に転写することと、を含む、方法。
【請求項３７】
前記半導体剥離層を除去するための前記エッチング処理を実施する前に、キャリア基板［ＡＪＣｌ］に剥離層を形成して、前記半導体剥離層がエッチングされた後に前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体を一時的に保持することをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体が、近赤外線ＧａＡｓレーザ、または赤色ＡｌＩｎＰ発光ダイオード、またはＡｌＧａＡｓ光起電、または赤外線ＩｎＰレーザ、またはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、または他のものを伴う、もしくは伴わない近赤外線ＧａＡｓレーザ、赤色ＡｌＩｎＰ発光ダイオード、ＡｌＧａＡｓ光起電、赤外線ＩｎＰレーザ、およびＨＥＭＴのうちの任意の２つ以上の組み合わせを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体が、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体を含み、
前記剥離層が、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓを含み、式中、ｙは０〜１である、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１の半導体基板がＧａＡｓを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記第２の半導体基板が、前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体の前記転写の前に、回路で製造されたシリコン基板または絶縁体オンシリコン基板を含み、
前記方法が、前記回路を前記製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体に結合して、前記第２の基板上にデバイスを形成することをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
前記第２の基板上に形成された前記デバイスが、
前記新しい基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、
前記新しい基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールであって、前記センサモジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、前記センサモジュールが、前記感知素子からの前記応答に基づいて、前記標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するように構成されている、センサモジュールと、
前記新しい基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信し、前記センサモジュールから前記電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールであって、前記発光モジュールが、前記電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気センサ信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、発光モジュールと、を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
前記感知素子が、感知電極もしくは感知抵抗器もしくは感知ナノ構造体、または他のものを伴う、もしくは伴わない感知電極、感知抵抗器、および感知ナノ構造体のうちの任意の２つ以上の組み合わせを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記半導体剥離層を除去するための前記エッチング処理を実施する前に、前記半導体基板を除去するための第１のエッチング処理を実施することを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４５】
標的対象物を感知するための方法であって、
前記センサへの物理的接続を有することなく、標的対象物にセンサを移植することと、
前記センサ内の光起電モジュールに前記センサを動作させるための電力を生成させるために、前記標的対象物に移植された前記センサに照明光を方向付けることであって、これにより、前記生成された電力が、（１）前記標的対象物に対して感知動作を実施して、前記標的対象物の特性を示す電気センサ信号を生成するセンサモジュールと、（２）前記センサモジュールから前記電気センサ信号を受信するように結合され、前記電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成するように動作可能である発光モジュールとに電力供給するようになる、方向付けることと、
前記出力光を使用して、前記デバイスから前記電気センサ信号を無線でかつ光学的に送信することによって、前記標的対象物の前記特性を示す情報を受信することと、を含む、方法。
【請求項４６】
前記センサの動作に関連付けられた情報を前記光通信信号を介して前記センサに無線でかつ光学的に送信するために、前記光通信信号を前記センサに方向付けること、を含む、請求４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記光通信信号の光波長が、前記照明光の光波長とは異なる、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記光通信信号の光波長が、前記発光モジュールによって生成された前記出力光の光波長とは異なる、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記センサモジュールが、ナノスケール材料に対して感知動作を実施するように動作される、請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】
前記ナノスケール材料が、金属電極、トンネル接合部、カーボンナノチューブ、またはグラフェン構造体を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記センサによって感知される前記標的対象物の前記特性が、前記標的対象の、またはその中の流体の生物学的特性、化学的特性、温度、または流動特性を含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項５２】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスであって、
基板と、
入射光学波長での入射光を電気に変換し、前記入射光学波長とは異なる出力光波長を出力光を放出するために、パターン化された半導体層を含むように前記基板上に形成されたヘテロ構造体モジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記ヘテロ構造体モジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールであって、前記センサモジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、前記センサモジュールが、前記感知素子からの前記応答に基づいて、前記標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている、センサモジュールと、
前記ヘテロ構造体モジュールおよび前記センサモジュールに結合された回路であって、前記ヘテロ構造体モジュールによって生成された前記電気から前記ヘテロ構造体モジュールに電力を供給して、前記出力光の放出を引き起こし、かつ前記センサモジュールから前記電気センサ信号を受信するように動作可能であり、前記ヘテロ構造体モジュールが、前記電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気センサ信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、回路と、を備える、デバイス。
【請求項５３】
前記ヘテロ構造体モジュールが、前記動作時間の大部分の間に入射光を電気に変換する一方、前記動作時間の小部分の間に出力光を放出するように、前記回路によって制御される、請求項５２に記載のデバイス。
【請求項５４】
オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスであって、
基板と、
前記基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールであって、前記センサモジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、前記センサモジュールが、前記感知素子からの前記応答に基づいて、前記標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている、センサモジュールと、
前記基板に係合され、かつ前記光起電モジュールによって生成された前記電気から電力を受信し、前記センサモジュールから前記電気センサ信号を受信するように、１０ミクロン未満の寸法を有する電気的な１つ以上の相互接続部を通じて前記光起電モジュールおよび前記センサモジュールに結合された発光モジュールであって、前記発光モジュールが、前記電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、前記電気センサ信号を前記デバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、発光モジュールと、を備える、デバイス。
【請求項５５】
前記センサモジュールが、前記標的物質の温度を示す前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項５４に記載のデバイス。
【請求項５６】
前記センサモジュールが、前記標的物質内の生物物質を示す前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項５４に記載のデバイス。
【請求項５７】
前記センサモジュールが、前記標的物質内の化学物質を示す前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項５４に記載のデバイス。
【請求項５８】
前記センサモジュールが、前記標的物質の電気的特性を示す前記電気センサ信号を生成するように構造化されている、請求項５４に記載のデバイス。
【請求項５９】
光無線センサデバイスであって、
電磁放射線を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、
前記光起電モジュールによって生成された前記電力を受信するために前記光起電モジュールに結合され、かつ感知素子および通信素子を含むように構造化されたセンサモジュールであって、前記感知素子が、標的物質に応答して応答を生成し、前記通信素子が、前記感知素子からの前記応答に基づいて、前記標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するように構成されている、センサモジュールと、
前記電気を受信するように前記光起電モジュールに結合され、かつ前記電気センサ信号を受信し、前記電気センサ信号を変換して、前記標的物質の前記特性を示す電磁放射線を出力するように前記センサモジュールに結合された発光モジュールと、を備える、光無線センサデバイス。
【請求項６０】
前記光起電モジュールによって生成される前記電気が、前記センサモジュールおよび前記発光モジュールに電力を供給するために使用される、請求項５９に記載のデバイス。
【請求項６１】
前記光起電モジュールによって生成される前記電気が、前記センサモジュールおよび前記発光モジュールを制御するための電気制御信号を生成するために使用される、請求項５９に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張および関連特許出願
本特許文献は、（１）２０１８年２月８日に出願され、「ＷＩＲＥＬＥＳＳ，ＯＰＴＩＣＡＬＬＹ−ＰＯＷＥＲＥＤ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＳＥＮＳＯＲＳ」と題する米国仮特許出願第６２／６２８，１９０号（代理人整理番号０７８５５４−８０８４．ＵＳ００）、および（２）２０１８年１０月２日に出願され、「ＷＩＲＥＬＥＳＳ，ＯＰＴＩＣＡＬＬＹ−ＰＯＷＥＲＥＤ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＳＥＮＳＯＲＳ」と題する米国仮出願第６２／７４０，３２６号（代理人整理番号０７８５５４−８０８４．ＵＳ０１）の優先権および利益を主張する。上記の出願の全ては、参照により本特許文献の開示の一部として組み込まれる。
【０００２】
本特許文献は、感知技術およびオプトエレクトロニクスデバイス、システムおよび用途に関する。
【背景技術】
【０００３】
化学物質または生物物質を感知するためのセンサは、様々な構成で設計され得る。いくつかの設計では、センサは、導電配線を介して電子デバイスまたはプロセッサにテザリングされる電極を含み得る。このような配線は、望ましくない効果を有することがある。例えば、神経活動を監視するためのテザリングインプラントは、脳が動くとニューロンと電極との間の残留運動を引き起こすことがあり、したがって、動物、特にゼブラフィッシュまたはミズバエなどのより小さな生物における末梢神経からの測定能力を制限することがある。これらおよび他の用途には、非テザリングの無線センサが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本特許文献に開示された技術は、感知および識別用途のためのオプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを構築し、生体および他の用途における展開のための非テザリングデバイスを提供し、かつこのようなデバイスを商用生産のために作製するための製造技術を提供するために実装され得る。本明細書に開示される特定の例によって例示されるように、開示された技術は、光学的に給電され、光学的に読み出される無線、無機、細胞スケールのシステムを可能にする製造方法、基板、およびデバイスを提供するように実装され得る。
【０００５】
一態様では、例えば、開示された技術は、基板と、基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールと、を含むオプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができ、センサモジュールは、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構築される。センサモジュールは、感知素子からの応答に基づいて、標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている。このデバイスは、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信し、センサモジュールから電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールを含む。発光モジュールは、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている。
【０００６】
別の態様では、例えば、開示された技術は、標的対象物を感知するための方法を提供するように実装することができる。この方法は、センサと物理的接続を有さずに標的対象物にセンサを移植することと、標的対象物に移植されたセンサに照明光を方向付けることであって、センサ内の光起電モジュールにセンサを動作させるための電力を生成させ、これにより、生成された電力が、（１）標的対象物に対して感知動作を実施して、標的対象物の特性を示す電気センサ信号を生成するセンサモジュールと、（２）センサモジュールから電気センサ信号を受信するように結合され、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成するように動作可能である発光モジュールとに電力供給するようになる、方向付けることと、出力光を使用して電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信することと、を含む。
【０００７】
別の態様では、例えば、開示された技術は、基板と、基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信するように結合された識別モジュールと、を含むオプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができ、識別モジュールは、識別情報を示す電気センサ信号を生成するように構成されている。このデバイスは、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信し、識別モジュールから電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールを含む。発光モジュールは、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気識別信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている。
【０００８】
また別の態様では、例えば、開示された技術は、オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを構築するための方法を提供するように実装することができる。この方法は、半導体基板上に半導体剥離層を形成することと、半導体剥離層上にフォトエレクトロニクス半導体構造体を製造することと、半導体剥離層上に製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体上にポリマー層を形成して、製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体を形成されたポリマー層に埋め込むことと、半導体剥離層を除去するエッチング処理を実施して、ポリマー層に埋め込まれたポリマー層および製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体を絶縁することと、ポリマー層に埋め込まれたポリマー層および製造されたフォトエレクトロニクス半導体構造体を新しい基板に転写することと、を含む。
【０００９】
さらに別の態様では、例えば、開示された技術は、基板と、入射光学波長での入射光を電気に変換し、入射光波長とは異なる出力光波長を出力光を放出するために、パターン化された半導体層を含むように基板上に形成されたヘテロ構造体モジュールと、を含むオプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができる。センサモジュールは、基板に係合され、かつヘテロ構造体モジュールによって生成された電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールであって、センサモジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、センサモジュールが、感知素子からの応答に基づいて、標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている。このデバイスは、ヘテロ構造体モジュールおよびセンサモジュールに結合された回路であって、ヘテロ構造体モジュールによって生成された電気からヘテロ構造体モジュールに電力を供給して、出力光の放出を引き起こし、かつセンサモジュールから電気センサ信号を受信するように動作可能であり、ヘテロ構造体モジュールが、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、回路をさらに含む。
【００１０】
さらに別の態様では、例えば、開示された技術は、基板と、基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成される電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールであって、センサモジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、センサモジュールは、感知素子からの応答に基づいて、標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている、センサモジュールと、４０ミクロン未満の寸法を有するように基板上にフォトリソグラフィで形成され、かつ光起電モジュールによって生成される電気から電力を受信し、センサモジュールから電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールと、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、発光モジュールと、を含むオプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができる。
【００１１】
さらに別の態様では、開示された技術は、電磁放射線を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、光起電モジュールによって生成された電力を受信するために光起電モジュールに結合され、かつ感知素子および通信素子を含むように構造化されたセンサモジュールであって、感知素子が、標的物質に応答して応答を生成し、通信素子が、感知素子からの応答に基づいて、標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するように構成されている、センサモジュールと、電気を受信するように光起電モジュールに結合され、かつ電気センサ信号を受信し、電気センサ信号を変換して、標的物質の特性を示す電磁放射線を出力するようにセンサモジュールに結合された発光モジュールと、を含む、光無線センサデバイスを提供するように実装することができる。
【００１２】
さらに別の態様では、開示された技術は、基板と、基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信するように結合された識別モジュールであって、デバイスの識別情報を示す電気識別信号を生成するように構成された識別モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信し、識別モジュールから電気識別信号を受信するように結合された発光モジュールであって、発光モジュールが、電気識別信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気識別信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化された発光モジュールと、を備える、オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができる。
【００１３】
さらに別の態様では、開示された技術は、基板と、基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化されたフォトエレクトロニクスモジュールと、基板に係合され、かつフォトエレクトロニクスモジュールによって生成された電気から電力を受信するように結合された識別モジュールであって、デバイスの識別情報を示す電気識別信号を生成するように構成されている、識別モジュールと、を備え、フォトエレクトロニクスモジュールは、識別モジュールから電気識別信号を受信し、電気識別信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気識別信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構成されている。
【００１４】
さらに別の態様では、開示された技術は、基板と、基板に係合され、かつ入力光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールであって、光起電モジュールが、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されており、光起電モジュールが、感知素子からの応答に基づいて、標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている、光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信し、光起電モジュールから電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールであって、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、発光モジュールと、を備える、オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができる。
【００１５】
さらに別の態様では、開示された技術は、基板と、基板に係合され、かつ入力光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信するように構造化された光電気信号変換モジュールであって、光電気信号変換モジュールが、標的物質に応答して標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成し、光電気信号変換モジュールが、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている、光電気信号変換モジュールと、を備える、オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができる。
【００１６】
開示された技術の上記および他の態様および実装形態は、図面、説明および特許請求の範囲でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写方法を示す。
【図１Ｂ】ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写方法を示す。
【図１Ｃ】ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写方法を示す。
【図１Ｄ】ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写方法を示す。
【図１Ｅ】ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写方法を示す。
【図２Ａ】転写に使用されるＡｌＧａＡｓヘテロ構造体発光ダイオードの例を示す。
【図２Ｂ】転写に使用されるＡｌＧａＡｓヘテロ構造体発光ダイオードの例を示す。
【図３】ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写の例示的な平面整列方法を例示する。
【図４】ＡｌＧａＡｓ発光ダイオードをシリコン基板に転写させ、薄いコンフォーマル酸化物を使用して表面に接着した例を示す。
【図５Ａ】光学的に給電されるセンサおよび光学的に読み出されるニューロンセンサのためのシリコンＣＭＯＳ回路およびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の例示的なリソグラフィ集積を示す。
【図５Ｂ】光学的に給電されるセンサおよび光学的に読み出されるニューロンセンサのためのシリコンＣＭＯＳ回路およびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の例示的なリソグラフィ集積を示す。
【図５Ｃ】光学的に給電されるセンサおよび光学的に読み出されるニューロンセンサのためのシリコンＣＭＯＳ回路およびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の例示的なリソグラフィ集積を示す。
【図５Ｄ】光学的に給電されるセンサおよび光学的に読み出されるニューロンセンサのためのシリコンＣＭＯＳ回路およびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の例示的なリソグラフィ集積を示す。
【図５Ｅ】光学的に給電されるセンサおよび光学的に読み出されるニューロンセンサのためのシリコンＣＭＯＳ回路およびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の例示的なリソグラフィ集積を示す。
【図５Ｆ】光学的に給電されるセンサおよび光学的に読み出されるニューロンセンサのためのシリコンＣＭＯＳ回路およびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の例示的なリソグラフィ集積を示す。
【図６】剥離可能なシリコンおよびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の集積を可能にする基板および例示的な製造を示す。
【図７Ａ】同じ基板上に製造されたシリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコン光起電、およびＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤを含むミクロンスケールの例示的な構成の光学画像および性能を示す。
【図７Ｂ】同じ基板上に製造されたシリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコン光起電、およびＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤを含むミクロンスケールの例示的な構成の光学画像および性能を示す。
【図７Ｃ】同じ基板上に製造されたシリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコン光起電、およびＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤを含むミクロンスケールの例示的な構成の光学画像および性能を示す。
【図７Ｄ】同じ基板上に製造されたシリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコン光起電、およびＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤを含むミクロンスケールの例示的な構成の光学画像および性能を示す。
【図８−１】例示的な基板および製造方法の概略図を示す。
【図８−２】例示的な基板および製造方法の概略図を示す。
【図９Ａ】剥離可能なサブｍｍ３デバイスの斜視図を示す例示的な基板および製造方法の概略図を示す。
【図９Ｂ】剥離可能なサブｍｍ３デバイスの斜視図を示す例示的な基板および製造方法の概略図を示す。
【図９Ｃ】剥離可能なサブｍｍ３デバイスの斜視図を示す例示的な基板および製造方法の概略図を示す。
【図９Ｄ】剥離可能なサブｍｍ３デバイスの斜視図を示す例示的な基板および製造方法の概略図を示す。
【図１０Ａ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積の例を示す。
【図１０Ｂ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積の例を示す。
【図１０Ｃ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積の例を示す。
【図１０Ｄ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積の例を示す。
【図１１Ａ】ＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンＭＯＳＦＥＴの例示的な集積回路を示す。
【図１１Ｂ】ＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンＭＯＳＦＥＴの例示的な集積回路を示す。
【図１１Ｃ】ＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンＭＯＳＦＥＴの例示的な集積回路を示す。
【図１１Ｄ】ＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンＭＯＳＦＥＴの例示的な集積回路を示す。
【図１１Ｅ】ＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンＭＯＳＦＥＴの例示的な集積回路を示す。
【図１１Ｆ】ＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンＭＯＳＦＥＴの例示的な集積回路を示す。
【図１２Ａ】剥離対応基板上の光学的に給電される電圧センサ製造の例を示す。
【図１２Ｂ】剥離対応基板上の光学的に給電される電圧センサ製造の例を示す。
【図１２Ｃ】剥離対応基板上の光学的に給電される電圧センサ製造の例を示す。
【図１２Ｄ】剥離対応基板上の光学的に給電される電圧センサ製造の例を示す。
【図１２Ｅ】剥離対応基板上の光学的に給電される電圧センサ製造の例を示す。
【図１２Ｆ】剥離対応基板上の光学的に給電される電圧センサ製造の例を示す。
【図１３Ａ】例示的な無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムおよび用途を示す。
【図１３Ｂ】例示的な無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムおよび用途を示す。
【図１３Ｃ】例示的な無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムおよび用途を示す。
【図１３Ｄ】例示的な無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムおよび用途を示す。
【図１３Ｅ】例示的な無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムおよび用途を示す。
【図１４−１】集積されたＣＭＯＳおよびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の細胞スケールのセンサのための例示的な代替の剥離方法を示す。
【図１４−２】集積されたＣＭＯＳおよびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の細胞スケールのセンサのための例示的な代替の剥離方法を示す。
【図１５Ａ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積を使用することによって作製されたセンサの例を示す。
【図１５Ｂ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積を使用することによって作製されたセンサの例を示す。
【図１５Ｃ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積を使用することによって作製されたセンサの例を示す。
【図１５Ｄ】剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積を使用することによって作製されたセンサの例を示す。
【図１６Ａ】無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示す。
【図１６Ｂ】無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示す。
【図１６Ｃ】無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示す。
【図１６Ｄ】無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示す。
【図１６Ｅ】無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示す。
【図１６Ｆ】無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示す。
【図１６Ｇ】無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示す。
【図１７Ａ】約１５０μｍ離間された２つの感知電極間の差動信号を高めて、近傍ニューロンによって生成される電界をサンプリングするアンプのシステムブロック図および概略図を示す。
【図１７Ｂ】約１５０μｍ離間された２つの感知電極間の差動信号を高めて、近傍ニューロンによって生成される電界をサンプリングするアンプのシステムブロック図および概略図を示す。
【図１８Ａ】アンプがパルス位置エンコーダを駆動する一方、１０ＫＨｚの緩和発振器が周期的なパルスを生成し、コンデンサＣ１をＶＤＤに充電することを示す。
【図１８Ｂ】アンプがパルス位置エンコーダを駆動する一方、１０ＫＨｚの緩和発振器が周期的なパルスを生成し、コンデンサＣ１をＶＤＤに充電することを示す。
【図１８Ｃ】アンプがパルス位置エンコーダを駆動する一方、１０ＫＨｚの緩和発振器が周期的なパルスを生成し、コンデンサＣ１をＶＤＤに充電することを示す。
【図１８Ｄ】アンプがパルス位置エンコーダを駆動する一方、１０ＫＨｚの緩和発振器が周期的なパルスを生成し、コンデンサＣ１をＶＤＤに充電することを示す。
【図１９Ａ】光出力パルス（図１９Ａ）、および関連する再構築された１ＫＨｚ波形（図１９Ｂ）の例示的な測定を示す。
【図１９Ｂ】光出力パルス（図１９Ａ）、および関連する再構築された１ＫＨｚ波形（図１９Ｂ）の例示的な測定を示す。
【図１９Ｃ】周波数（図１９Ｃ）および振幅（図１９Ｄ）の関数としての信号利得を示す。
【図１９Ｄ】周波数（図１９Ｃ）および振幅（図１９Ｄ）の関数としての信号利得を示す。
【図２０Ａ】起動を示し、光学パルス（図２０Ａ）および復号信号（図２０Ｂ）の開始を示す。
【図２０Ｂ】起動を示し、光学パルス（図２０Ａ）および復号信号（図２０Ｂ）の開始を示す。
【図２０Ｃ】ベースライン（図２０Ｃ）を提供するために商用アンプを通じて並列に測定され、かつ本システムを使用して光学的に給電されて通信する機械的刺激時の、ミミズ腹部神経上の神経記録を示す（図２０Ｄ）。
【図２０Ｄ】ベースライン（図２０Ｃ）を提供するために商用アンプを通じて並列に測定され、かつ本システムを使用して光学的に給電されて通信する機械的刺激時の、ミミズ腹部神経上の神経記録を示す（図２０Ｄ）。
【図２１】消費電力およびＳｉ領域別の設計の詳細を示す。
【図２２】開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線集積回路センサの例を示す。
【図２３】開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線センサデバイスの例を示す。
【図２４】開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線センサデバイスの例を示す。
【図２５】開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線識別デバイスの例を示す。
【図２６】パルス位置変調（ＰＰＭ）符号化の例を示す。
【図２７】標的対象物を感知するための例示的な方法を示す。
【図２８】開示された技術に基づく無線光学識別デバイスの例示的なレイアウトおよび実装形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
感知、作動、および識別のための無線デバイスは、スマートパッケージング、医療センサ、および追跡のためにますます望まれる。無線システムのいくつかの既存の実装形態は、主にＲＦコイルまたは超音波によって給電され、それと通信する。このような電源に対するサイズスケールの要件は、生産され得るサイズを根本的に制限する。さらに、いくつかの実装形態では、このような無線センサを構築するための技術は、典型的には、ダイシングソーを使用して材料をダイシングすること、材料系を手動でまたは連続的に積層すること、および／またはワイヤ接合もしくはフリップチップ接合を使用して、またははんだマイクロバンプを使用して電気相互接続を確立することを含む。これらの技術は、デバイスのサイズスケールおよび並列生産を制限することがあり、このような技術を使用して、１ｍｍ３より著しく小さいものなどの小型デバイスを生産することは困難である。
【００１９】
本特許文献に開示された技術は、デバイスに電力を供給するために光を電気に変換し、このようなセンサデバイスが無線デバイスを使用して汎用的な感知および識別用途のためにセンサデバイス（例えば、ワイヤまたはケーブル）の外側の任意の物理的接続にリンクされないように、センサ動作から情報を搬送するように変調される出力光を生成するオプトエレクトロニクス回路を有する無線センサまたは／および無線デバイスを構築するために使用され得る。例えば、開示された技術のいくつかの実施形態では、個々の細胞レベルで電気信号および化学信号を監視するための無線方法は、脳内の神経活動のマッピングから神経伝達物質の放出の検出に至るまでの様々なセンサ測定の無線光学出力を提供するために、オプトエレクトロニクス回路を有する無線デバイスの使用を可能にするであろう。例は、光学的に給電され、光学的に読み出され、電気および化学信号を監視することが可能な無線、無機、細胞スケールのセンサシステムを可能にする転写方法、基板、およびデバイスについて開示される。
【００２０】
インビボでの活動動物における神経活動を記録することは、いくつかの課題をもたらす。電気技術は、典型的には、電極をワイヤを介して直接、または電極自体よりはるかに大きいＲＦコイルを介して間接的に外部世界にテザリングすることを必要とする。テザリングされたインプラントは、脳が動くとニューロンと電極の間に残留運動をもたらし、動物、特にゼブラフィッシュまたはミズバエなどのより小さな生物における末梢神経からの測定能力を制限する。一方、ますます強力になりつつある光学技術の様々な実装形態は、それにもかかわらず、しばしば、任意の所与の生物におけるニューロンのサブセットに限定され、励起光および発出される蛍光の散乱によって阻害され、低時間分解能に限定される。本特許文献は、光学技術の多くの利点と電気信号の高い時間分解能の記録とを組み合わせた、微小規模の光インターフェースを介して電力を供給し、通信する非テザリング電極ユニットのためのエレクトロニクスの設計例を開示する。
【００２１】
開示された技術のいくつかの実施形態を使用して、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体を、以下の固有の機能のうちの１つ以上を有する他の基板に転写および接着することができる。第１に、開示された技術は、ＡｌＧａＡｓ材料系ヘテロ構造体をより広範な種類の基板に転写するために使用することができる。シリコン、ガラス、ＩＩＩ−Ｖ族、金属、可撓性材料（ＰＥＴ、ＰＤＭＳ）などの基板に加えて、開示された技術は、ミクロンスケールの針、光ファイバ、マイクロレンズなどの高曲率の物体を、所望の最終基板に転写するために使用することができる。第２に、メサ構造体が各転写について同じまたは類似の形状およびサイズであることを必要とする様々な他の転写方法とは異なり、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写の開示された方法は、同じ転写プロセスにおいて、様々なサイズ（例えば、ナノメートルから１ミリメートル）の任意の形状の複数のヘテロ構造体を転写し得る。第３に、マイクロＬＥＤおよび他の光学ヘテロ構造体の転写のための広く使用される方法である転写印刷のいくつかの実装形態とは異なり、本特許文献に開示された技術の下で転写を実装する際に、ピックアップおよび転写のための転写スタンプの剥離速度を調整する必要はない。これらのパラメータの一貫した結果および高収率のための調整は困難であり得る。加えて、１ミクロン未満の厚さの光学ヘテロ構造体、または放物線形状のマイクロＬＥＤなどの非矩形形状の光学ヘテロ構造体を転写することも非常に困難であり得る。ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体のポリマー支援型転写方法の開示された例は、例えば、９００ｎｍほど薄い構造体を含む、薄い構造体におけるそのような光学ヘテロ構造体の転写を可能にし得る。さらに、光学ヘテロ構造体は、コンフォーマル誘電体を使用してシリコンおよび他の基板に接着される。これらの誘電体は、多くの接着剤材料よりも薄くすることができ、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、および他の誘電体は、原子層堆積を使用してナノメートルのスケールおよび精度で堆積することができる。これらの誘電体は、高温（例えば、摂氏数百度）でも安定している。これらの固有の特徴は、多くの半導体プロセスと高温処理規格に対応していない厚いエポキシの特徴と対照的である。
【００２２】
開示された技術のいくつかの実施形態は、シリコンエレクトロニクス（ＭＯＳＦＥＴ、光起電、抵抗器、コンデンサ、ＪＦＥＴ、ＢＪＴなど）と前述の転写されたＡｌＧａＡｓヘテロ構造体との集積を、剥離可能な無線の細胞スケールのデバイスのためにミクロンスケールで可能にする基板および製造方法を提供するように実装することができる。基板および製造方法は、以下の固有の特徴のうちの１つ以上で実装することができる。まず、ＰＮ接合部またはＰＮＰ接合部は、光学ヘテロ構造体の転写の前に絶縁体基板上のシリコンのデバイス層内で作製および活性化される。これは、典型的には、標準的なシリコンエレクトロニクス製造方法をＡｌＧａＡｓ系との互換性をなくす熱予算の不適合性を回避する。これにより、高性能、ナノメーターまたはミクロンスケールのシリコンエレクトロニクスが、同じ製造プロセスでＡｌＧａＡｓヘテロ構造体に整列してパターン化されることも可能になる。第２に、本特許文献に開示された基板および製造方法は、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体をシリコン製造プロセスとは別に最適化することを可能にする。シリコン上で成長したガリウムアセナイドを使用するデバイスの集積プロセスは、別々に最適化されて成長したＡｌＧａＡｓ系ほど効率的ではなく、典型的には、２つの構成要素の性能が損なわれる。さらに、開示された技術に基づく方法は、製造された構造体またはデバイスを剥離するための技術またはプロセスなどの様々な既知の製造技術またはプロセスを使用することによって、解決しにくい製造問題に対する技術的解決策を提供することができる。第３に、ＩＩＩ−Ｖ族ヘテロ構造体をシリコンＣＭＯＳデバイス上に転写して、より優れた性能を有する集積デバイスを作製することは可能であるが、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体のポリマー支援型転写は、細胞スケールで剥離可能なデバイスを可能にする様式で行うことができるため、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体のポリマー支援型転写の方法は、既存の方法よりも優れている。さらに、本特許文献に開示された様々なセンサおよび／または識別デバイスの設計は、全てのチップに数万個の集積回路（ＩＣ）を有するシリコンおよびＡｌＧａＡｓ系を集積する多くの異なる設計を使用して形成されてもよい。
【００２３】
開示された技術のいくつかの実施形態は、情報を光学的に受信し、情報を光学的に通信することができる細胞スケールのデバイスのための無線の光学的に動力供給される無機のオプトエレクトロニクスを提供するために実装することができる。開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される光学的に給電されるデバイスは、前述の方法および基板によって可能にされてもよい。光学的に給電されるデバイスは、以下を含む１つ以上の固有の特徴を含むように構造化されてもよい。例えば、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される光学的に給電されるデバイスは、ミクロンスケールの光起電を使用して光学電力を有する無線および無機の細胞スケールのデバイスであり得る。これらのデバイスはまた、マイクロＬＥＤ（または他の光学ヘテロ構造体）を使用して電気信号を光学読み出し信号に変換する構造であってもよい。さらに、光学的に給電される無線、無機、細胞スケールのデバイスは、符号化光読み出しを使用し、ミクロンスケールの光起電を使用して、非テザリング無線光通信を可能にするように構成することができる。いくつかの実装形態では、開示された技術に基づく光学的に給電される無線、無機のシステムは、特定の用途に適した細胞スケールまたは他の所望のスケールで作製することができる。細胞スケールまたは小型化されたスケールを使用して、生物系のために意図されている場合、組織損傷をほとんど与えずに、デバイスの注入を可能にすることができる。光学的に給電されるデバイスはまた、細胞スケールで作製することができる無線システムを使用して、光学的に信号の高速（ｋＨｚよりも大きい）検出を可能にする。この特徴は、他の撮像技術、例えば、細胞のカルシウム撮像とは対照的である。本特許文献に開示された製造方法を使用することによって、互いに固定された相対距離を伴わずに、任意の位置に数千〜数百万のデバイスを移植することができる。加えて、通信出力の時間および出力信号の光キャリア波長における信号多重化により、潜在的に多数のセンサおよび／または識別デバイス（例えば、１０００を超えるセンサデバイス）を同時に監視することを可能にし、したがって、並列センサ測定および処理を実現する。
【００２４】
ミリメートルスケールの非テザリングセンサおよび識別のための開示された技術に基づくいくつかの方法は、例えば、ＲＦコイル電力、オンボード電池、または圧電を使用した超音波電力を含む、好適な電力技術を実装し得る。開示された技術は、細胞スケールでなされる光学的な給電、光学的な読み出しを可能にする方法として、ミクロンスケールの光起電をＬＥＤと集積するために使用され得る。開示された技術のこの態様は、光を使用して外部に電力を供給すること、光を使用してセンサに情報を供給すること、およびデバイスが光を介して情報を通信することなどのいくつかの特徴を可能にする。電磁放射線を使用することによって、膨大な電力をナノスケールまでの非常に小さな体積に集中させることができ、可能な最速での通信を実現することができる。さらに、デバイス、それらの通信、およびそれらの給電は、所望される場合、システムから電気的に切り離すこともできる。
【００２５】
開示された技術に基づくセンサおよび／または識別デバイスは、光学的に給電され、光学的に制御され、光学的に読み出される電流源、電圧源、電圧センサ、および電流センサを、同一の剥離可能なシステムに集積することを可能にするために使用され得る。開示された技術は、流体内にセンサシステムを有する細胞サイズの体積の流体内で実施することができるサイクリックボルタンメトリー（ファストスキャンサイクリックボルタンメトリー、超微小電極ボルタンメトリーなど）を可能にする。これにより、個々の細胞スケールでの神経伝達物質検出などの使用が可能になる。さらに、小さな体積の化学種を検出することによって、少量のサンプルは、症例においてより多くの試験に十分な材料を提供することができる。これは、サンプル体積が制限されている場合に大いに役立ち得る。また、開示された技術は、個々のニューロン、心臓細胞などからの電気信号を検出するために作製することができる細胞スケールの電圧センサを提供する。開示された技術は、細胞膜、ナノ収縮、または微小流体チャネルを介して細胞スケールのイオン電流を検出するためにさらに実装され得る。また、開示された技術は、電圧および電流を溶液に印加して、細胞スケールのシステムを使用して細胞またはニューロンを刺激することを可能にし得る。
【００２６】
製造における転写方法の例
効率的な発光構造体に使用される材料は、高性能なエレクトロニクスデバイスに使用される材料と同じでないことが多い。開示された技術の一実施形態では、シリコンを使用して、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される構造体を形成する高性能トランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＪＦＥＴなど）を構築することができる。しかしながら、シリコンの間接的なバンドギャップは、光を放出するための材料として非効率的になることがある。開示された技術の別の実施形態では、ＡｌＧａＡｓ発光ダイオードヘテロ構造体が転写に使用されてもよい。ＡｌＧａＡｓ系は、現代のエレクトロニクスでは、典型的には、トランジスタを生成するために使用されないが、それらを使用して高効率発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザを生成することができる。実施形態は、より具体的には、共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）および垂直空洞表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）も含み得る。
【００２７】
開示されたヘテロ構造体は、高性能エレクトロニクスおよび効率的な発光構成要素を利用したハイブリッドオプトエレクトロニクスを可能にするために、シリコンおよびＡｌＧａＡｓなどの２つの材料系をミクロンスケールで組み合わせることによって実装することができる。この所望の目標に対処する試みのために、転写印刷、ウェハ接合、ボール接合、およびエピタキシャルリフトオフを含む多くの方法が存在する。転写のための各方法には、他の方法に比べて独自の長所および短所がある。これらの既存の技術の様々な実装形態は、細胞スケールで無線センサを構築することができていなかった。
【００２８】
開示された技術の様々な実施形態は、図１Ａ〜図１Ｅに概略的に示されるように、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体を他の基板に転写する新規な方法を提供する。図１Ａ〜図１Ｅは、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写の例示的な方法を示す。開示された技術の実装形態では、ＡｌＧａＡｓ系（またはＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、およびＧａＡｓＰなどの任意の他の十分にＧａＡｓ格子整合された系）を様々な基板に転写する方法は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓの剥離層上の様々なＡｌＧａＡｓ層から構成されるパターン化されたまたはパターン化されていないヘテロ構造体から始まり、ここで、ｙは０〜１であり、離型層は、転写されるデバイスのエッチングに対して十分な選択性を有し、かつ基板のエッチングに対して十分な選択性を有してエッチングされ得るようなものである。図１Ａは、ポリマーのフィルム（例えば、ポリメチルメタクリレート：ＰＭＭＡ）を回転および硬化させ、転写するデバイスを被覆していることを示している。図１Ｂは、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ剥離層よりも速くＧａＡｓ基板を選択的にエッチングする比率で、ＧａＡｓ基板をクエン酸と過酸化水素との混合物中でエッチングすることを示している。剥離層およびポリマーは、転写されるデバイスがエッチングされないように保護する。図１Ｃは、次いで、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体のエッチングに対して選択的であるフッ化水素酸（ＨＦ）の希釈混合物中で剥離層をエッチングすることを示している。図１Ｄは、任意の汚染物質を除去するために、ポリマー封入デバイスをＤＩ浴を通じて転写した後、ポリマーフィルムを新しい基板に転写ができることを示している。必要に応じて、図１Ｅに示すように、次いで、酸素プラズマを使用した反応性イオンエッチングなどの乾式エッチングでポリマーを除去することができる。基板への接着のために、ＳｉＯ２などのコンフォーマル誘電体を堆積することができる。別の実施形態では、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ剥離層は、ＧａＡｓ基板をエッチングする必要なく、選択性エッチング（例えば、ＨＦで）することができる。これは、ＧａＡｓ基板の再使用が所望される特定の用途に対して利点を有し得る。
【００２９】
図２Ａおよび図２Ｂは、転写に使用されるＡｌＧａＡｓヘテロ構造体発光ダイオードの例を示している。具体的には、図２Ａは、発光ダイオードを生成するために使用されるＡｌＧａＡｓ系層の材料、厚さ、ドーパント、および濃度を詳細に示す表を示している。開示された技術のいくつかの実施形態は、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体（発光ダイオード、レーザ、トランジスタなど）を任意の基板（シリコン、ガラス、ＰＥＴ、光ファイバなど）に転写するために使用され得る。例として、限定するものではないが、開示された技術は、ＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤをシリコン基板に転写するために使用され得る。
【００３０】
図２Ｂは、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された中間剥離層およびＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ発光ダイオードの層の断面図を示している。まず、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体を、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって成長させる。一連の層は、基板、剥離層、およびヘテロ構造体を含む３つの根本的な部分に分割することができる。実装形態では、基板は、数百ミクロンの厚さの内在性ＧａＡｓのウェハであり、剥離層は、数百ナノメートルの薄さのＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの層である。実装形態では、ヘテロ構造体は、接触層、包覆層、および電子ホール対が結合して光を放出する放出領域からなる剥離層の上に成長した一連の層である。この場合、光学ヘテロ構造体は、電子正孔再結合の効率を増加させるために、複数の量子井戸を有するＬＥＤである。
【００３１】
剥離層上の光学ヘテロ構造体の成長後、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体を次いで、アノードおよびカソードへの電気相互接続のための金属接点を有する様々なサイズおよび形状のミクロンスケールＬＥＤ（マイクロＬＥＤ）にパターン化する。ポリマーの薄い層をマイクロＬＥＤ上に回転させ、標準的なフォトリソグラフィ技術を使用して硬化させる。開示された技術の一実施形態では、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）の厚さ１．５ミクロンの層が、マイクロＬＥＤを被覆する、基板の上側に回転される。製造のこの段階では、図１Ａに示すようにポリマーの薄い層でコーティングされた、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ剥離層上にパターン化されたマイクロＬＥＤのアレイが存在する。薄いポリマー層は、エッチングステップ中にマイクロＬＥＤを保護し、マイクロＬＥＤの相対的な位置を固定するフレームを提供する役割を果たす。
【００３２】
開示された技術のいくつかの実施形態では、次のステップは、ｘが０〜１にあるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの異なる組成物の様々なエッチング速度の変化を利用する。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの組成物に応じて、異なる化学溶液中のエッチング速度は、オーダーの大きさによって変化し得る。例えば、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓは、４：１のクエン酸：過酸化水素ではＧａＡｓよりもはるかに遅くエッチングする一方、フッ化水素酸ではＡｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓはＧａＡｓよりもはるかに速くエッチングする。ＰＭＭＡで被覆された基板を、４：１クエン酸：過酸化水素の混合物中に長期間（例えば、５００ミクロン厚の基板の場合は約２０時間）置く。エッチングは、基板全体をエッチングするのに必要な時間内に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の大部分が残るように、ＧａＡｓおよびＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓに対して非常に選択的である。このステップは、図１Ｂに概略的に示される。Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ剥離層およびＰＭＭＡの両方は、このエッチング中にＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体を保護する役割を果たす。
【００３３】
図１Ｃに示すように、ＧａＡｓ基板のエッチング後、残りのＰＭＭＡ／ヘテロ構造体／剥離層系を、希釈フッ化水素酸（ＨＦ）：脱イオン水（ＤＩ）混合物（５０：１  ＨＦ：ＤＩ）に転写する。これにより、マイクロＬＥＤよりもはるかに高い速度でＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ剥離層を選択的にエッチングし、マイクロＬＥＤが任意の顕著な量をエッチングされる前に剥離層を完全に除去することができる。
【００３４】
次いで、マイクロＬＥＤを含有する残りのＰＭＭＡフィルムは、図１Ｄに示すように、シリコン基板に転写される前に、汚染物質を除去するために、例えば、脱イオン（ＤＩ）水を使用した洗浄プロセスを通過する。この場合、転写基板は、先行文中に記載される絶縁体基板上のＰＮ接合部含有シリコンである。次いで、サンプルをホットプレート上で少し高い温度で空気中で乾燥させる。
【００３５】
図３は、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体の他の基板へのポリマー支援型転写の例示的な整列方法を示す。転写基板へのＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の整列が必要な場合、転写方法は、整列転写に適合させることができる。一実施形態では、ポリマー、例えば、ＰＭＭＡは、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体上に回転され、硬化される（３１０）。ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体は、上述のように、ＧａＡｓ基板上で成長したＡｌＧａＡｓ剥離層上にある。熱剥離層をＰＭＭＡ上に回転させ、ＧａＡｓ基板を担体基板（３２０）に結合するために使用する。担体基板は、可視光またはＩＲ光に対して部分的に透明な任意の剛性構造体であり得る。熱剥離層は、ＰＭＭＡを除去または溶融させない温度で材料を除去することができるように選択される。このような材料の例としては、ＰＭＭＡの摂氏１６０度の融点をはるかに下回る温度で除去することができるポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）が挙げられる。別の実施形態では、この熱剥離剤層は、半導体ウェハダイシングプロセスに多く使用される熱または紫外線（ＵＶ）剥離テープによって置き換えられるように修正され得る。このようなテープはまた、熱またはＵＶ光に曝された後の接着力を低下させる。結合した基板を上述の湿式エッチング内に配置して、ＧａＡｓ基板およびＡｌＧａＡｓ剥離層を除去する（３３０）。剛性担体基板を使用することにより、ＰＭＭＡ中のＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体は、所望の転写基板に整列および結合することができる（３４０）。整列後に系を十分な高温に加熱することによって、熱剥離層を除去し、ＰＭＭＡまたはＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体を除去することなく、担体基板を除去することを可能にする（３５０）。
【００３６】
このプロセスのこの時点で、ポリマーは、標準的な乾式または湿式エッチング技術によって完全に除去され得るか、またはパターン化され得る（３６０）。例えば、酸素プラズマを使用する反応性イオンエッチングは、マイクロＬＥＤを損傷することなくＰＭＭＡを除去する役割を果たすことができる。乾式エッチング技術を使用することにより、マイクロＬＥＤは、ファンデルワールス相互作用によって基板に接着して、それらの相対的な位置を維持することが可能になる。
【００３７】
さらなる接着が必要な場合、図１Ｅにも概略的に示すように、マイクロＬＥＤを基板に接着する絶縁材料のコンフォーマル層を堆積することができる（３６０）。一実施形態では、原子層堆積（ＡＬＤ）は、二酸化ケイ素などの誘電体を使用して実施されて、マイクロＬＥＤを基板に接着することができる。別の実施形態では、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）を実施して、二酸化ケイ素および窒化ケイ素などの誘電体を生成することができる。
【００３８】
さらなる接着が所望される場合、ＳＵ８の薄層（１０ミクロンを下回る厚さで堆積することができる）を堆積させ、転写前にパターン化することができる。ＳＵ８層は、堆積しているときに、または少量の熱の下で、発光素子と基板との間の接合層として機能することができる。
【００３９】
別の実施形態では、さらなる接着が所望される場合、ローズ金属などの低融解温度金属、またはパラジウムなどのＡｌＧａＡｓへの強い接合特性を有する金属を使用して、接着を促進することができる。
【００４０】
図４は、ＡｌＧａＡｓ発光ダイオードをシリコン基板に転写させ、薄いコンフォーマル酸化物を使用して表面に接着した例を示している。様々なサイズおよび形状のＬＥＤを、同じ転写中に転写した。左下に表示されるスケールバーは２００ミクロンである。示されるマイクロＬＥＤは、厚さ９００ｎｍおよび様々な形状およびサイズである。上述の方法は、シリコン、ガラス、金属、プラスチック、ポリマー、およびミクロンスケールの針を含む様々な基板にマイクロＬＥＤを転写するために使用され得る。様々なサイズのマイクロＬＥＤをシリコン基板に転写し、ＡＬＤ二酸化ケイ素を使用して接着することができる。
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｆは、光学的に給電されるセンサおよび光学的に読み出されるニューロンセンサのためのシリコンＣＭＯＳ回路およびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の例示的な集積を示す。具体的には、図５Ａは、上述の方法によって可能になる用途の概略図を示す。図５Ａのセンサデバイスは、ワイヤが取り付けられていない器官または組織に埋め込まれていることが示され、拡大図に示されるように、受信した照明光を電気に変換してＣＭＯＳセンサ回路を１つ以上のアンプおよび信号エンコーダで給電するための照明光を受信するための光起電モジュールと、センサデータを搬送するために変調される光出力を生成するための光送信器と、を含む。センサデバイスが位置する組織の領域を照明するために、光学照明光源が組織の外側に配置される。この具体例では、光学ビームスプリッタは、組織と照明光源との間の光路に設けられ、照明光をモニタビームに分割して、光ダイオード（ＰＤ）および組織への照明ビームなどの光学モニタにする。光学モニタは、モニタビームに基づいて照明光の強度を調節するために使用され、それによってセンサデバイス内の光起電モジュール上で照明される光の強度を調節する。光学ビームスプリッタから出力される照明ビームは、光ビームスプリッタと組織との間に位置する光投影モジュールを使用して組織に方向付けられる。センサデバイス内の光起電モジュールは、受信した照明光を電気に変換し、電気は、例えば、センサ信号の形態で所望の測定値を取得するために組織と相互作用するセンサ、センサ信号を、光送信器によって生成された出力光上に変調されるために適切な形態に符号化するために使用される信号エンコーダを含む、センサデバイス内の様々な構成要素を通電するために使用される。センサは、組織の外側の光学検出モジュールがセンサ信号を検出できるように、センサ信号を搬送するように変調される出力光を組織から光学的に送出することができる。一実装形態では、照明光は、出力光よりも短い波長を有する連続波を含んでもよい。開示された技術のいくつかの実施形態は、脳の組織内に注入され、１つの波長を介して光学的に給電され、別の波長を使用して光学的に読み出されることによって、ニューロンからの電気信号を監視することができる細胞スケールのセンサを提供するために実装され得る。開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される特定のＧａＡｓヘテロ構造体は、二重目的の光起電およびＬＥＤ（ＰＶＬＥＤ）であることが可能である。したがって、一旦集積されると、光起電は電力を提供し、シリコン回路は信号を測定し、増幅し、符号化し、最後に、ＰＶＬＥＤのＬＥＤ機能を使用して信号を光学的に通信する。
【００４２】
図５Ｂは、カスタム、二重機能のＡｌＧａＡｓ光起電／発光ダイオード（ＰＶＬＥＤ）ユニットのＩ−Ｖ曲線を有する、そのＰＶおよびＬＥＤモードにおける、二重目的ＰＶＬＥＤの性能を示している。ＣＭＯＳダイの上に取り付けられると、約９８％の時間、ＰＶＬＥＤは電源として機能し、入射光を電力に変換し、約０．９Ｖで少なくとも１μＡを提供する。残りの２％の時間の間、ＰＶＬＥＤは光送信器として機能し、測定データをより長い波長で外部受信器に送信するために光学パルスを放出する。これにより、システムは、以前報告されたＲＦおよび超音波アプローチよりもよりコンパクトにすることができる。
【００４３】
図５Ｃは、シリコンＣＭＯＳ回路の電気相互接続部の上にＡｌＧａＡｓ  ＰＶＬＥＤが転写された集積デバイスの光学画像を示し、基礎となるＣＭＯＳ回路が、電力および通信を調停するための記録電極、増幅、パルス位置符号化、およびＰＶＬＥＤインターフェースを組み込む、１８０ｎｍＣＭＯＳ上のＰＶＬＥＤの集積を示している。開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される二重目的ＰＶＬＥＤは、ＡｌＧａＡｓ光起電／発光ダイオード、ＡｌＧａＡｓ光起電／発光ダイオードのアノードおよびカソード、ならびにＣＭＯＳダイ上に形成されたＣＭＯＳ回路のプラス入力およびマイナス入力を含む。開示された技術のいくつかの実施形態では、金属相互接続部は、ＡｌＧａＡｓ光起電／発光ダイオードのアノードおよびカソードをＣＭＯＳ回路の対応する接続部に電気的に接続するようにパターン化される。特に、金属相互接続部は、金属相互接続部が１０ミクロン未満の最小寸法を有することができ、電極間の距離が４０ミクロン未満であるように、フォトリソグラフィで形成され得る。開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された二重目的ＰＶＬＥＤは、開示された方法を使用してＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体をＣＭＯＳ回路に転写することによって形成することができる。神経組織は主に（吸収とは対照的に）散乱しているため、このようなシステムは、原則として、撮像の深さを大きく上回る深さで機能することができるが、ほとんどの電極によって要求されるテザリングは必要とされない。次いで、デバイスは標準的なフォトリソグラフィを使用して電気的に接続される。図５Ｄは、入力ＶＩＮ−およびＶＩＮ＋、アンプ、絶対温度電流ＰＴＡＴに比例する回路、起動用回路ＳＴＡＲＴＵＰ、パルス生成器ＰＵＬＳＥ  ＧＥＮ、ＭＯＳコンデンサＭＯＳ  ＣＡＰ、ＬＥＤドライバＬＥＤ  ＤＲＩＶＥＲ、および符号化回路ＥＮＣＯＤＥＲなどの構成要素を含む、上部金属接点の下にあるＣＭＯＳ回路のレイアウトを示している。図５Ｅおよび図５Ｆは、一緒に配線されたシリコン−ＰＶＬＥＤシステムに対する商用アンプの比較性能を示す。
【００４４】
この転写方法の使用範囲の別の例示として、本特許文献は、二重目的光起電／発光ダイオード（ＰＶＬＥＤ）が、図５Ｃおよび図５Ｄに示す複雑なシリコン相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路に整列、転写、および集積される例を提供する。この転写方法によって可能になった集積デバイスは、神経活動を監視することができる、無線の光学的に給電され、かつ光学的に読み出される無機、細胞スケールのセンサの第１の例である。
【００４５】
パターン化されていないシリコンと完全ＣＭＯＳシリコン基板との両方に転写されるＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の転写は、限定ではなく例として本特許文献に開示されており、したがって、転写方法は、多くの異なる実施形態を可能にする。同じ転写方法を使用して、ヘテロ構造体のタイプと基板の両方を変化させることができる。この方法を使用して転写することができるヘテロ構造体の可能性としては、発光ダイオード、レーザ、光起電、およびトランジスタが挙げられるが、これらに限定されない。転写可能なヘテロ構造体のいくつかの例としては、近赤外線ＧａＡｓレーザ、赤色ＡｌＩｎＰ発光ダイオード、ＡｌＧａＡｓ光起電、赤外線ＩｎＰレーザ、およびＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が挙げられる。
【００４６】
ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体が転写され得る基板もまた、様々であり得る。この方法を使用してＡｌＧａＡｓヘテロ構造体が転写され得る基板の可能性としては、半導体（シリコン、ＡｌＧａＡｓ、炭化ケイ素、サファイアなど）、金属（金、白金、アルミニウムなど）、誘電体（二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素など）、可撓性基板（ＰＭＭＡ、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレンテレフタレートなど）、および高曲線物体（マイクロニードル、光ファイバ、マイクロレンズなど）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４７】
上記で開示された製造方法の例は、ＡｌＧａＡｓ材料系に関するものであるが、開示された方法は、ＧａＮおよびＩｎＧａＮなどの他のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料系によるデバイス製造に適合させることができる。上記の方法は、剥離層として使用することができる材料を使用することによって実装され、剥離層は、（１）その上で成長させる材料系に対して十分に格子整合され、（２）それに接触する光学ヘテロ構造体層に対して選択的にエッチング可能である。上記に開示される例では、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓは、格子整合された剥離層として機能し、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと接触したｎ型ＧａＡｓに対してフッ化水素酸で選択的にエッチングされた。別の実施形態では、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ光学ヘテロ構造体を、水酸化カリウムを使用して選択的にエッチングすることができる（１１１）シリコン剥離層上で成長させることが可能である。別の実施形態では、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ光学ヘテロ構造体を、電気バイアスを印加した、高濃度でドープされたＧａＮ層上で成長させることができ、シュウ酸、または水酸化カリウムもしくは塩酸などの他の電解質溶液における選択的エッチングを可能にする。したがって、開示された方法は、オプトエレクトロニクス回路の製造が、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮを含むＩＩＩ−Ｖ族材料系を使用して発光モジュールを含むことを可能にする。
【００４８】
製造で使用される基板の例
ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体およびシリコンエレクトロニクスを集積し、細胞スケールのセンサのための無線の光学的に給電される無機のオプトエレクトロニクスを可能にする基板および製造方法の例を以下に説明する。開示された技術のいくつかの実施形態を使用して製造された例示的なセンサからの光学画像およびデータは、以下にも記載される。
【００４９】
細胞スケールのセンサのための無線の光学的に給電される無機のオプトエレクトロニクスのために、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体およびシリコンエレクトロニクスをミクロンスケールで集積することには、３つの主な課題がある。第１に、シリコンおよびＡｌＧａＡｓの２つの材料系は、格子整合されておらず、したがって、高効率な光学ヘテロ構造体および高性能なシリコンエレクトロニクスを、同じ基板上で容易に成長させることができない。第２に、典型的にシリコンエレクトロニクスに必要とされる高温は、ほとんどのＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体に損傷を与える。第２の課題は、シリコン中のドーパントのドーパント活性化を検討するときに最も顕著である。現代のシリコンエレクトロニクスでは、イオン移植および拡散を含む様々な技術を使用してｎ型およびｐ型の両方のドーパントをシリコン基板に移植する。これらのドーパントの移植後、典型的には、ドーパントは、摂氏１０００度を上回る温度で活性化されなければならない。二酸化ケイ素およびケイ素のような材料は、これらの高温に損傷を伴わずに耐えることができるが、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体は、しばしば、これらの温度で劣化する。例えば、６００℃を上回る温度では、ＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤに拡散が発生し、放出領域の量子井戸を損傷し、効率が低下する可能性がある。基板から剥離することができる典型的なシリコンおよびＡｌＧａＡｓ基板上で、無線の細胞スケールの集積オプトエレクトロニクス回路を作製することができる確立された方法は存在しない。
【００５０】
第１の課題に対する解決策は、別の基板に転写する前に別々のＧａＡｓ（または同様に格子整合された）基板上のＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体の成長を可能にする転写方法を含む、本特許文献で取り上げられている。第２および第３の課題は、高性能のシリコンエレクトロニクスを可能にするが、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体の転写後に摂氏６００度を上回る温度で追加のアニールを必要としない基板を使用することによっても克服することができる。さらに、基板および製造方法は、最終的に集積された細胞スケールのデバイスがハンドル基板から剥離されることを可能にすることができる。
【００５１】
基板の一実施形態において、厚さ５００ミクロンのシリコンハンドル、薄さ５００ナノメートルの埋設酸化物（ボックス）、および２ミクロン薄いｐ型シリコンデバイス層からなる絶縁体上のシリコン（ＳＯＩ）基板から始める。リン珪酸ガラス（ＰＳＧ）の薄い５００ナノメートルの層をシリコンデバイス層上に堆積させ、次いで、基板を摂氏１０５０度で約５分間アニールする。このアニールは、両方とも、部分的にシリコンデバイス層を通ってリンドーパント内を駆動し、それらを活性化する。次いで、残りのＰＳＧガラスを緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）で除去する。この時点で、基板は、シリコンデバイス層に形成されたＰＮ接合部を有するＳＯＩウェハからなる。
【００５２】
上記に開示された転写方法を使用して、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体を転写し、ＰＮ接合部含有ＳＯＩウェハに接着することができる。ＰＮ接合部は、基板の表面上のあらゆる場所に形成されているため、基板の表面は水平対称であり、したがって、基板への整列転写は必要ない。
【００５３】
図６は、剥離可能なシリコンおよびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の集積を可能にする基板および例示的な製造を示しており、以下を含む：エッチングおよび金属接触前のＡｌＧａＡｓヘテロ構造体を有するＰＮ接合部ＳＯＩウェハ（６１０）；エッチングおよび金属接触後のＡｌＧａＡｓヘテロ構造体およびシリコンエレクトロニクスを有するＰＮ接合部ＳＯＩウェハ（６２０）（示される可能性のあるシリコンエレクトロニクスの例としては、光起電（ＰＶ）、ｎＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴ、ＮＰＮ  ＢＪＴ、ｎチャネルＪＦＥＴ、ＭＯＳコンデンサ、およびシリコン抵抗器が挙げられる）；エッチングおよび金属接触前のＡｌＧａＡｓヘテロ構造体を有するＮＰＮ接合部ＳＯＩウェハ（６３０）；ならびにエッチングおよび金属接触後のＡｌＧａＡｓヘテロ構造体およびシリコンエレクトロニクスを有するＮＰＮ接合部ＳＯＩウェハ（６４０）（示される可能性のあるシリコンエレクトロニクスの例としては、光起電（ＰＶ）、ｎＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴ、ｐＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴ、ＮＰＮ  ＢＪＴ、ＰＮＰ  ＢＪＴ、ｎチャネルＪＦＥＴ、ｐチャネル、ＪＦＥＴ、ＭＯＳコンデンサ、およびシリコン抵抗が挙げられる）。
【００５４】
ＳＯＩウェハを含有するＰＮ接合部へのＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の転写および接着後、様々なシリコンエレクトロニクスは、シリコンデバイス層を所望の深さにエッチングし、デバイス層内のｎ型および／またはｐ型シリコンに電気的に接触させることによって、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体にナノスケールまで整列させて製造することができる。図６に示すように、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体と集積され得るシリコンデバイスには、光起電、ｎＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴ、ｎチャネルＪＦＥＴ、ＮＰＮ  ＢＪＴ、ＭＯＳコンデンサ、および薄膜抵抗器（６１０、６２０）が挙げられるが、これらに限定されない。より一般的に、シリコンデバイス層中にＮＰＮ接合部を有する基板の一実施形態は、さらに、より高度なＣＭＯＳデバイスに有用な構成要素であるｐＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴ、ｐチャネルＪＦＥＴ、およびＰＮＰ  ＢＪＴを可能にする。ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体（６３０、６４０）に損傷を与えることなく、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の転写後の標準的なＣＭＯＳ製造方法では、上記は不可能であろう。
【００５５】
ＰＮ接合部、またはＰＮＰ接合部が形成され、ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の転写前にドーパントが活性化されるため、ＡｌＧａＡｓは、上述の第２の課題に対処して、それらの上昇した温度に露出されない。
【００５６】
図７Ａは、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された方法を使用して基板上に製造されたシリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコン光起電、およびＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤを含む例示的な構成を示す。左上隅のスケールバーは１００ミクロンである。例示的な構成はまた、シリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコン光起電、およびＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤを互いにおよび／または図７Ａに示されていない他の構成要素に電気的に接続する金属相互接続部も含む。開示された技術のいくつかの実施形態では、金属相互接続部は、金属相互接続部が１０ミクロン未満の最小寸法を有することができ、電極間の距離が４０ミクロン未満であるように、フォトリソグラフィで形成され得る。図７Ｂは、シリコンｎＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴのミクロンスケールの光学画像および性能を示し、図７Ｃは、シリコン光起電のミクロンスケールの光学画像および性能を示し、図７Ｄは、ＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤのミクロンスケールの光学画像および性能を示す。性能プロットでは、ｕＡは、マイクロアンプの略称として使用される。
【００５７】
集積デバイスを剥離するという残りの第３の課題に対処するために、本特許文献は、上記の基板を使用して、細胞スケールのセンサのための無線の光学的に給電される無機のオプトエレクトロニクスを生成する製造方法を提示する。
【００５８】
図８は、例示的な基板および製造方法の概略図を示す。８０２において、開示された転写方法を使用して、ＳＯＩウェハを含有するＰＮ接合部に転写されるＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体。８０４において、シリコンデバイス層は、臭化水素（ＨＢｒ）を使用した誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ベースの反応性イオンエッチングで様々な深さにエッチングされる。このステップは、シリコンｎＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴおよび光起電のメサ構造体を形成する。８０６において、絶縁層とゲート誘電体との両方としてのＡＬＤを使用して薄い誘電体が堆積される。この材料は、二酸化ケイ素、酸化ハフニウムのような高Ｋ誘電体、または他の所望の誘電体であり得る。８０８において、ｎ型およびｐ型シリコンへの金属接点が堆積される（堆積前に接触開口部で酸化物が除去される）。次いで、デバイスは、アルゴン中で摂氏３５０度でアニールされ、シリコンへのオーム接点を形成する。他の金属またはシリサイド接点を代替として使用してもよい。８１０において、ゲート金属および金属相互接続部が堆積される。例えば、チタン（４０ナノメートル）およびプラチナ（６０ナノメートル）を含む一連の層をゲート金属として使用する。金、クローム、アルミニウム、および銅を含むがこれらに限定されない他の金属を代替として使用してもよい。ポリシリコンおよび非晶質シリコンを含むがこれらに限定されない、ゲートに他の半導体材料を使用することができる。
【００５９】
８１２において、ＳＯＩウェハのＢＯＸ内の開口部は、反応性イオンエッチングを使用してエッチングされる。８１４において、剥離タグが堆積される。これらのタグは、アルミニウムまたはフォトレジストなどの材料であり得るが、デバイスの剥離が所望されるまで、デバイスを浮遊させて所定の位置に保持するのに役立つであろう。８１６において、ＳＵ８フォトレジスト層は、カプセル化層として機能するようにパターン化される。開口部は、感知の目的のために、またはその他の目的のために、所望の場所に金属または他の材料を露出させるようにすることができる。二酸化ケイ素、パリレン、または他の絶縁体などの材料は、代替のカプセル化層として使用され得る。８１８において、デバイスの下のシリコンハンドルは、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を使用してエッチングされて除去される。この等方性エッチングは、露出した他の材料（白金、ＳＵ８、および二酸化ケイ素）のいずれよりもシリコンに対して非常に選択的である。このステップにおいて、カプセル化されたデバイスは空気中に浮遊され、小さなアルミニウム剥離タグによってのみ所定の位置に保持される。他のＳＦ６／Ｏ２などの乾式エッチング、または水酸化カリウムなどの湿式エッチングを代替として使用することができる。８２０において、デバイスは、タグに対して選択的なエッチング剤中で剥離される。アルミニウム剥離タグを有する一実施形態では、塩酸（ＨＣｌ）などの希釈酸エッチングまたは水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）などの別の溶液エッチング剤を使用することができ、これは、アルミニウム剥離タグを選択的にエッチングするが、他の露出材料を任意の実質的な量だけエッチングしない。露出したフォトレジスト剥離タグを有する別の実施形態では、希釈塩基またはアセトンのいずれかを使用して、他の露出した材料をエッチングすることなくデバイスを剥離することができる。次いで、溶液を脱イオン水に交換し、次いで任意の他の所望の溶液に交換することができる。
【００６０】
図９Ａ〜図９Ｄは、斜視図を示す例示的な基板および製造方法の概略図を示す。図９Ａは、ｎ型およびｐ型ドープ領域を含むＳｉ基板上に形成されたＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤを示し、ｎ型およびｐ型ドープ領域を囲むＳｉＯ２ボックスと、ＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤ、ｎ型およびｐ型ドープ領域ならびにＳｉＯ２ボックスの下に位置するＳｉハンドルと、を含む。図９Ｂは、基板上に配設されたＳｉ  ＭＯＳＦＥＴ、ＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤのＳｉ光起電を示す。図９Ｃは、剥離タグを有さない例を示し、図９Ｄは、剥離タグを有する別の例を示す。開示された基板および製造方法は、無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサまたは識別デバイスの大量の並列剥離を可能にする。センサおよび識別デバイスは、２Ｄ材料（グラフェン、ＭｏＳ２など）、カーボンナノチューブ、および遷移金属ダイカルコゲナイドを含むがこれらに限定されない、標準的なシリコンエレクトロニクス、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体、および他の適合性材料の任意の所望の構成から形成され得る。以下のセクションでは、上記の開示によって可能にされたデバイスを詳細に説明する。
【００６１】
上記の観点から、開示された技術は、基板と、基板に係合され、光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信するように結合されたセンサモジュールと、を含むオプトエレクトロニクス回路を有するデバイスを提供するように実装することができ、センサモジュールは、標的物質に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化される。センサモジュールは、感知素子からの応答に基づいて、標的物質の特性を示す電気センサ信号を生成するようにさらに構成されている。このデバイスは、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信し、センサモジュールから電気センサ信号を受信するように結合された発光モジュールを含む。発光モジュールは、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化されている。実装形態では、感知素子は、１つ以上の感知電極、シリコン抵抗器またはナノチューブ抵抗器などの１つ以上の抵抗器、または他の感知素子設計を含む様々な構成であり得る。
【００６２】
開示された技術は、集積、パッケージング、およびアセンブリが、平面フォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィを通じて大規模な並列で行われる、リソグラフィで形成された無線センサおよびデバイスを製造する方法を提供するために実装されてもよい。１）異なる材料の集積、２）デバイスの絶縁、３）パッケージング、および４）集合体のための無線デバイスを分厚くまたは直列に作成する技術のための以前の方法。開示された技術を可能にしないこれらの従来の技術の例としては、ワイヤ接合、フリップチップ接合、はんだバンプ、ダイシング、ダイスビフォアグラインド、ピックアンドプレース、スタッキング、およびカプセル化のためのディップコーティングが挙げられる。このような従来の方法とは異なり、本書に開示された方法は、（ｉ）発光素子モジュール、（ｉｉ）光起電モジュール、および（ｉｉｉ）感知または識別モジュールを備えるデバイスの作製を可能にし、全ての構成要素は、リソグラフで形成された電気相互接続部を有する。加えて、方法は、（ｉ）発光素子モジュール、（ｉｉ）光起電モジュール、および（ｉｉｉ）感知または識別モジュールを備えるデバイスの並列生産を可能にする。
【００６３】
開示された技術に基づいて、電気接点のフォトリソグラフィまたはｅビームリソグラフィ形成は、それ以外の方法では実現できないであろう電気相互接続部のサイズスケールおよび寸法を可能にする。いくつかの実施形態では、可能にされた無線オプトエレクトロニクスデバイスは、４０ミクロン、３０ミクロン、２０ミクロン、１５ミクロン、１０ミクロン、５ミクロン、３ミクロン、または１ミクロン以下の寸法を有する電気相互接続部を有することができる。他の実施形態では、異なる材料を接続する電気相互接続部間のピッチは、４０ミクロン、３０ミクロン、２０ミクロン、１０ミクロン、５ミクロン、または３ミクロン以下であってもよい。
【００６４】
開示された技術に基づいて、（ｉ）リソグラフィ集積、（ｉｉ）相互接続、（ｉｉｉ）組み立て、（ｉｉｉ）パッケージング、および（ｉｖ）それらが構築された基板からのデバイスの剥離のための全ての平面技術の使用は、それ以外の方法では達成できないであろう完全に集積された独立型のデバイスのサイズスケールおよび寸法を可能にする。いくつかの実施形態では、可能にされた無線オプトエレクトロニクスデバイスは、１ｍｍ３、（５００μｍ）３、（４００μｍ）３、（３００μｍ）３、（２００μｍ）３、または（１００μｍ）３を下回る寸法を有し得る。
【００６５】
開示された技術に基づいて、センサとの物理的接続を有することなく、標的対象物にセンサを移植することによって標的対象物を感知することを達成することができる。この方法では、照明光は、センサ内の光起電モジュールにセンサを動作させるための電力を生成させるために、標的対象物に移植されたセンサに方向付けられ、これにより生成された電力が、（１）標的対象物に対して感知動作を実施して、標的対象物の特性を示す電気センサ信号を生成するセンサモジュールと、（２）センサモジュールから電気センサ信号を受信するように結合され、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成するように動作可能である発光モジュールとに電力供給するようになる。出力光は、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するために使用される。
【００６６】
開示された技術の別の実施形態では、オプトエレクトロニクス回路を有するデバイスは、基板と、基板に係合され、かつ光を電気に変換するように構造化された光起電モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信するように結合された識別モジュールであって、デバイスの識別情報を示す電気識別信号を生成するように構成された識別モジュールと、基板に係合され、かつ光起電モジュールによって生成された電気から電力を受信し、識別モジュールから電気識別信号を受信するように結合された発光モジュールであって、発光モジュールが、電気識別信号を搬送するように変調される出力光を生成して、電気識別信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構造化された出力光モジュールと、を含む。
【００６７】
開示された技術のいくつかの実施形態では、出力光は、パルス位置変調方式を使用して変調され得る。例えば、センサモジュールまたは識別モジュールから測定される信号は、パルス間のタイミングで符号化される。
【００６８】
無線で自己給電するセンサデバイスの実施例
図１０Ａ〜図１０Ｄは、剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積の例を示す。具体的には、図１０Ａは、数千個のＧａＡｓマイクロＬＥＤがシリコンハンドルに形成されたＰＮ接合部を有するシリコンオン絶縁体基板に転写された１８×１８ミリメートルのチップの光学画像を示す。次いで、シリコンエレクトロニクスをＧａＡｓマイクロＬＥＤに整列させて製造した。チップ上の例示的なダイは、ＧａＡｓ  ＬＥＤの転写後が図１０Ｂに示されているが、シリコンエレクトロニクスが製造される前である。図１０Ｃは、シリコンエレクトロニクスが集積された後の例示的なダイを示す。図１０Ｄに示されるデバイスは、シリコン光起電で光学的に給電され、ＧａＡｓマイクロＬＥＤで光学的に読み出されるミクロンスケールの電圧センサを含む。
【００６９】
上記で開示された転写方法、基板、および製造方法を使用して、シリコンハンドルから剥離することができるオプトエレクトロニクス集積回路（ＩＣ）を定期的に生産する。図１０Ａは、ＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤとシリコンエレクトロニクスとが集積された１８ミリメートルチップ上の一例を示し、光学的に給電される細胞スケールのセンサおよび識別システムを含む。このようなチップでは、約５０種類の異なるＩＣ設計および数千種類の個々のＩＣがある。開示された技術のいくつかの実施形態では、チップ上に集積されたＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤおよびシリコンエレクトロニクスは、金属相互接続部が１０ミクロン未満の最小寸法を有することができ、ＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤの電極間の距離が４０ミクロン未満であるように、フォトリソグラフィで形成された金属相互接続部を通じて互いに電気的に接続される。
【００７０】
図１１Ａ〜図１１Ｆは、ＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンＭＯＳＦＥＴの例示的な集積回路を示す。具体的には、図１１Ａは、ＧａＡｓ  ＬＥＤとＳｉ  ＭＯＳＦＥＴとが直列の状態の集積デバイスの概略図である。図１１Ｂは、ゲート−ソース間バイアスなしで集積ＬＥＤ／ＭＯＳＦＥＴシステムの近赤外光を監視することができるＣＣＤカメラで撮影した光学画像を示している。示されるシリコンＭＯＳＦＥＴ、ならびに画像に示される他の全てのシリコンエレクトロニクスは、ＧａＡｓ  ＬＥＤの転写後に製造された。図１１Ｃは、ＬＥＤから放出されている光を示す正のゲート−ソース間バイアスを印加した同じデバイスの光学画像を示している。図１１Ｄは、ゲート−ソースバイアスを１１０２から１１０６に増加させる順序で集積デバイスのより高い倍率で撮影された光学画像１１０２、１１０４、１１０６を示している。スケールについて、シリコンＭＯＳＦＥＴのチャネル長は約２ミクロンである。図１１Ｅおよび図１１Ｆは、集積ＬＥＤ／ＭＯＳＦＥＴシステムの性能を示している。ＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤとシリコンエレクトロニクスとの集積の一例として、図１１Ａ〜図１１Ｆは、直列に接続されたＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤおよびシリコンｎＭＯＳ  ＭＯＳＦＥＴからの光学画像およびデータを示す。ＭＯＳＦＥＴのゲートに入力された電気信号は、ＣＣＤカメラまたは他の光検出器を使用して読み出すことができるマイクロＬＥＤからの光信号に変換される。
【００７１】
図１２Ａ〜図１２Ｆは、剥離対応基板上の光学的に給電される電圧センサ製造の例を示している。具体的には、図１２Ａは、光学的に給電される無線の細胞スケールの電圧センサの回路概略図を示している。図１２Ｂは、剥離対応基板上のデバイスの光学画像を示している。図１２Ｃは、ゲート電圧の関数としてのマイクロＬＥＤの電力出力を示している。デバイスは、１ミクロン平方照明あたり当たり２５ナノワット未満であり、回路に電力を提供する。図１２Ｄ〜図１２Ｅは、異なる入力電圧パルスに対するマイクロＬＥＤおよび入力電圧信号の電力出力を示す。これらのプロットは、入力電気信号を光信号出力に変換することを示している。図１２Ｆは、光学的に給電される電圧センサの給電および監視のための測定設定の一例を示している。
【００７２】
開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される電圧センサは、シリコン光起電、シリコンＭＯＳＦＥＴ、およびＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤを含み得る。
一実装形態では、約５０ミクロン×２００ミクロンの電圧センサは、その周囲の電圧の変化を検出し、次いで、集積されたマイクロＬＥＤを使用してこれらの変化を光学的に通信することができる。この実施形態では、信号は、ＬＥＤの強度の変化で符号化される。より複雑な実施形態は、図５Ａ〜図５Ｆに示すように、他の符号化方式を使用してノイズを低減し、出力信号を符号化するための追加の機能を有することができ、ここで、電圧センサは、約１０ナノボルト／Ｈｚ１／２に感受性があり、信号は、パルス位置変調を通じて通信される。無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサの両方を、個々の細胞レベルでの神経活動の記録などの用途に使用することができる。
【００７３】
図１３Ａ〜図１３Ｅは、例示的な無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムおよび用途を示している。具体的には、図１３Ａは、使用中の無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムの概略図を示す。上述の電圧センサを生成するために使用される同じ技術は、無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムの様々な実施形態を可能にすることができる。このようなセンサシステムの概略図を図１３Ａに示す。光学電力λ１は、λ２内の任意の光通信とともにシステムに供給される。供給される電力および任意の通信を使用して、細胞スケールのセンサシステムは、必要に応じて信号を印加することができる。次いで、センサシステム環境からの信号入力は、光学的にλ３で通信される。センサシステムは、電圧源、電流源、電圧を測定するセンサ、および電流を測定するセンサを使用して作成することができる。
【００７４】
図１３Ｂ〜図１３Ｅは、例示的な本開示によって可能にされる無線の光学的に給電される細胞スケールのセンサシステムの実施形態および用途を詳細に示している。図１３Ｂは、電圧センサの例示的な用途として、個々のニューロンからの電気信号を測定することができるデバイスを示しており、（ｂ．ｉ）回路、（ｂ．ｉｉ）ニューロン活動を検出する例示的な用途、および（ｂ．ｉｉｉ）λ３から再構築された信号入力の概略図を含む。図１３Ｃは、λ２で制御された電圧源を有する電流センサの例示的な用途として、例えば、細胞から放出されたドーパミンの存在を決定するために、小さい体積の流体中でサイクリックボルタンメトリーを実施および測定することができるデバイスを示しており、例えば、（ｃ．ｉ）回路、（ｃ．ｉｉ）サイクリックボルタンメトリーを実施する例示的な用途、および（ｃ．ｉｉｉ）λ３から再構築されたサイクリックボルタンメトリーの概略図を含む。図１３Ｄは、λ２で制御される電圧源を有するグラフェンセンサの例示的な用途として、ＤＮＡの存在に対するグラフェンまたはカーボンナノチューブの応答を測定することができるデバイスを示しており、（ｄ．ｉ）回路、（ｄ．ｉｉ）検出ＤＮＡの例示的な用途、および（ｄ．ｉｉｉ）λ３から再構築された信号入力の概略図を含む。図１３Ｅは、λ２で制御された電圧源を有するシリコンセンサの例示的な用途として、流体中の流れおよび乱流の監視を可能にする温度変化に対するシリコン抵抗器の応答を測定することができるデバイスを示しており、（ｅ．ｉ）回路、（ｅ．ｉｉ）流体の流れまたは温度変化の検出の例示的な用途、および（ｅ．ｉｉｉ）λ３から再構築された信号入力の概略図を含む。
【００７５】
本特許文献の開示された技術は、細胞スケールでの電気信号および化学信号の監視に使用することができる。監視方法の例としては、ニューロン、神経細胞、心筋細胞、および他の生物系からの電気信号を監視することが挙げられる。いくつかの実装形態では、神経活動の脳マッピングのために、多数のデバイスを並列に使用することができる。監視方法の例としては、細胞もしくは他の生物系の化学信号もしくは化学組成物の監視、またはその近傍の監視も挙げられる。ここで、脳内の化学的放出のマッピング（または化学組成の変化のマッピング）に、多くのデバイスを並列に使用することができる。監視方法の例としては、グルコースレベル、酸素含有量、Ａ１Ｃ検査、ＰＨ、妊娠、感染症、および薬物乱用の化学検出が挙げられる。監視方法の例としては、溶液中の特定の化学種に感受性のあるナノスケール材料（金属電極、トンネル接合部、カーボンナノチューブ、グラフェン、他の２Ｄ材料など）からの電気信号の変化を監視することが挙げられる。監視方法の例としては、ナノスケールまたはマイクロスケール流体チャネル内の電気信号、化学信号、温度、または流量を監視することも挙げられる。マイクロ流体チャネルの流れ、乱流、または溶液伝導率をマッピングするために、多くのデバイスを並列に使用することができる。監視方法の例としては、転写方法を使用して、光生成学のために集積されたＡｌＧａＡｓ  ＬＥＤでマイクロシャンクを作成することができる。
【００７６】
製造で使用される代替の方法の例
図１４は、集積ＣＭＯＳおよびＡｌＧａＡｓヘテロ構造体の細胞スケールのセンサのための例示的な代替の剥離方法を示している。１４０２において、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体は、開示された方法を使用してＣＭＯＳ回路に転写されて接着する。１４０４において、金属相互接続部は、ＣＭＯＳ入力を通じて、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体のアノードおよびカソードをＣＭＯＳ回路の対応する接続部に電気的に接続するようにパターン化される。１４０６において、デュアルクロームおよびアルミナマスク層は、ＣＭＯＳ誘電体層および下部バルクシリコン基板を通じたエッチング中に回路および光学ヘテロ構造体を保護するために堆積され、パターン化される。他のマスク層は、後続のエッチングに十分選択的である限り、使用することができる。他のこのような組み合わせは、フォトレジスト、アルミナ、酸化タンタル、二酸化チタン、クローム、およびニッケルの組み合わせを含むことができる。１４０８において、ＣＭＯＳ誘電体を通じた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、剥離される細胞スケールのデバイスの所望のサイズおよび形状をエッチングする。このようなエッチングに好適で例示的なＲＩＥ化学は、ＣＨＦ３およびＯ２からなる誘導結合プラズマＲＩＥである。１４１０において、クロームは、クロームエッチング剤中で選択的に除去され、残りのアルミナを使用して、シリコン内への深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）中に回路および光学ヘテロ構造体をマスクする。シリコンへのエッチング深さは、シンギュレーションされたデバイスまたはダイの最終的な厚さを決定するために使用される。１４１２において、アルミナは、例えば、ＢＣｌ３ＲＩＥ化学で選択的に除去され、コンフォーマルカプセル化層は、デバイスをコーティングし、次いでＣＭＯＳ回路の所望の入力で開かれる。ＳＵ８、パリレン、二酸化ケイ素、および他の絶縁材料は、カプセル化層として使用され得る。１４１６において、保護および接着の両方のために、デバイスは、デバイス側を下にして転写基板に接合される。接着／保護層は、他の露出材料に対して選択的にエッチングすることができるように選択される。この層に使用することができる材料の例としては、フォトレジスト、ＰＭＭＡ、およびダイニングソーテープが挙げられるが、これらに限定されない。シリコン、サファイア、または他の基板を転送基板に使用することができる。１４１６において、深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）またはウェハ研削を使用して、所望のデバイス厚さまでエッチングする。この時点で、デバイスは、接着／保護層を介して転写基板に保持されるのみである。１４１８において、次いで、デバイスは、接着／保護層に対して選択的な湿式または乾式エッチングを使用することによって剥離され得る。
【００７７】
一実施形態では、ＵVダイニングソーテープを、接着／保護層に使用することができる。次いで、テープをＵＶ光に露出することによって、デバイスを剥離することができる。
【００７８】
一実施形態では、二酸化ケイ素をカプセル化層として使用することができ、フォトレジストを接着／保護層として使用することができ、デバイスの剥離は、アセトン溶液を使用して達成することができる。この代替の方法は、ＳＯＩ基板または標準的なＣＭＯＳ基板の両方からの細胞スケールのデバイスの剥離を可能にする。
【００７９】
記載される製造方法の例は、いくつかの他のダイシング方法よりも、ダイまたはデバイスのシンギュレーションのための新規の方法を表す。ダイシングレーションのためのそれらの他のダイシング技術のいくつかの実装形態は、例えば、以下のような１つ以上の側面で制限されている傾向がある：（１）ダイシングは完全に並列のプロセスではないことがあり、（２）ダイシングソーの厚さは、作製される溝または切断物の最小サイズを決定することがあり、（３）利用可能な形状は、刃のサイズおよび方向によって幾何学的に制限されることがある。上記の方法は、これらの制限のいずれにも該当しない。（１）に関しては、平面リソグラフィ法を通じて、上述のプロセスを完全に並列に達成することができる。ウェハ全体を一度のプロセスで処理することができ、シンギュレーションの時間とコストを削減する。（２）に関して、エッチングの厚さは、リソグラフィおよび使用されるＲＩＥ技術で可能なアスペクト比によってのみ制限される。４０ミクロン、３０ミクロン、２０ミクロン、１０ミクロン、５ミクロン、２ミクロン、および１ミクロン以下の寸法を有する溝は、開示された方法を使用して達成可能である。（３）に関して、幾何学的形状は、基板上でどのような形状をリソグラフィで生成することができるかに限定される。各個々のダイは、同じウェハ上に独自の任意の形状を有することができる。
【００８０】
本明細書に開示された方法は、無線オプトエレクトロニクスデバイスのシンギュレーションに使用することができるが、これらの方法は、プロセス中に失われるデバイス間にエッチングされたスペース、すなわちカーフをはるかに少なくしたＣＭＯＳまたは他の半導体ダイのシンギュレーションにも使用することができる。開示された技術で可能なカーフのサイズスケールは、従来の技術を通じて達成可能なものからの逸脱を表している。例えば、ＣＭＯＳプロセスにおいて、４０ミクロンの厚さを有するダイシングソーを使用して２００μｍのダイにシンギュレーションする場合、ウェハの約４０パーセントがダイニングによって失われることになる。比較して、開示された方法で達成可能な２ミクロンの溝を使用して、ダイを２００μｍのダイにシンギュレーションする場合、シンギュレーション中にウェハの約２パーセントしか失われない。
【００８１】
追加センサの例
図１５Ａ〜図１５Ｄは、剥離可能なデバイスのためのミクロンスケールシリコンならびにＩＩＩ−Ｖ族エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスの大規模な集積を使用することによって作製されたセンサの例を示す。具体的には、図１５Ａは、シリコン光起電およびＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤを有する温度センサを示す。図１５Ｂは、温度センサの関数としての線形光学応答（上）、温度センサ（挿入部）の回路概略図、および温度センサの隣の抵抗素子を使用したパルス加熱の高速温度感知（下）のを示す、図１５Ａの温度センサの温度感知のサンプル特性を示している。図１５Ｃは、シリコン光起電、シリコンＭＯＳＦＥＴ、ＡｌＧａＡｓマイクロＬＥＤ、および入力電極を有する電圧センサを示している。図１５Ｄは、図１５Ｃのセンサの入力電圧の関数として出力される電力によって表されるサンプル電圧センサ特性（上）、および光学電圧センサ（下）からの高速電圧感知データを示している。ここに示すデバイスは、基板から剥離し、カプセル化することができる。ＧａＡｓマイクロＬＥＤのための相互接続部は、ワイヤ接合法またはフリップチップ法とは対照的にフォトリソグラフィを使用して作製された。
【００８２】
図１６Ａ〜図１６Ｇは、無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞スケールのセンサの例を示している。具体的には、図１６Ａは、フォトリソグラフィで定義された相互接続部で集積された、数千個の剥離可能な無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスの細胞サイズのセンサを含む１８ｍｍ×１８ｍｍのチップを示している。図１６Ｂは、デバイスの剥離構造体を示す例示的なダイを示している。図１６Ｃは、上記の材料に記載されているように、溝の上に浮遊している光学的に給電される無線のオプトエレクトロニクス電圧および温度センサを示している。図１６Ｄは、剥離タグの選択的化学エッチングによって溶液中に剥離される無線デバイスを示している。図１６Ｅは、心臓細胞の隣に剥離された無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスデバイスを示している。図１６Ｆは、ヒトの指の稜線上に剥離された無線の光学的に給電されるオプトエレクトロニクスデバイスを示している。図１６Ｇは、マウスの脳にインビボに移植された無線の光学的に給電される光電温度センサを示している。
【００８３】
上記および開示される他の技術的特徴は、光学構成要素（発光ダイオードなど）をフォトリソグラフィで定義された相互接続部を集積しながら、４０μｍピッチよりも大きい相互接続部を形成するためのかさばるワイヤ結合またはフリップチップ接合を回避することによって、いくつかのｍｍスケールのセンサよりも体積が１０，０００倍小さい小さなスケールで、光学的に給電される無線センサを構築するために使用することができる。フォトリソグラフィで定義された相互接続部を使用することによって、本明細書に開示された技術は、例えば、全ての電気相互接続部が１０ミクロン未満の寸法を有する場合、より小さなサイズの集積を達成することができる。
【００８４】
いくつかの例示的な用途では、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体を転写する方法は、ヘテロ構造体と基板との間に「中間選択的エッチング層」を有する基板上にＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体を生成することと、光学ヘテロ構造体上にポリマー層を堆積することと、基板を化学混合物（クエン酸および過酸化水素）中でエッチングすることと、異なる化学混合物（希釈ＨＦ）中で中間選択的エッチング層をエッチングすることと、ポリマー／光学ヘテロ構造体系を転写基板に転写することと、を含み得る。一実施形態では、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体を転写する方法は、乾式エッチング法を介してポリマーを除去することと、コンフォーマル絶縁材料（ＡＬＤ、ＰＥＣＶＤなど）を堆積することによって、デバイスを転写基板に接着することと、を含み得る。代替の実施形態では、ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体を転写する方法は、光学ヘテロ構造体と基板との間に「中間選択的エッチング層」を有する基板上にＡｌＧａＡｓ系ヘテロ構造体を生成することと、光学ヘテロ構造体上にポリマー層を堆積させ、異なる化学混合物（希釈ＨＦ）中に中間選択的エッチング層をエッチングすることと、ポリマー／光学ヘテロ構造体系を転写基板に転写することと、を含み得る。
【００８５】
開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される例示的な基板として、シリコンエレクトロニクスとＡｌＧａＡｓ系の光学ヘテロ構造とを集積するための基板は、光学ヘテロ構造体をシリコンオン絶縁体基板に転写したものと、１００ミクロン未満の厚さを有するシリコンハンドルと、を含み得る。ドーパントを作動させたシリコンハンドルにＰＮ接合部が形成され、シリコンデバイス層がエッチングされ、ｎ型シリコンの少なくとも１つの領域に電気接点が作製され、ｐ型シリコンの少なくとも１つの領域に電気接点が作製されている。
【００８６】
開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装される例示的なデバイスとして、エレクトロニクスおよび光学デバイスは、基板と、少なくとも１つのミクロンスケールのＡｌＧａＡｓ系光学ヘテロ構造体、少なくとも１つのトランジスタ、および少なくとも１つの光起電を備えるデバイスと、を含み得る。３つの構成要素は、電磁放射線の照射下で、電流が３つの構成要素を通過し、トランジスタになされた接続における電圧または電流の変化が、ＡｌＧａＡｓ光学ヘテロ構造体を通過する電流の変調をもたらし、当該電流の変調が、ＡｌＧａＡｓ系光学ヘテロ構造体から放出される光の量の変化をもたらすような構成で電気相互接続部に接続されている。デバイスの構成要素の寸法は、全て１０００ミクロン未満である。
【００８７】
開示された例では、「無線」は、デバイスから発せられる電気相互接続部を有さないデバイスを説明するために使用される。電気相互接続部は、デバイス内部にある。デバイスが、全ての寸法が１００ミクロン未満の無線であると言われる場合、デバイスを境界とする１００ミクロンの境界の外に延びる電気相互接続部は存在しない。「細胞スケールの」、「細胞スケール」、および「細胞サイズ」は、全ての側面に５００ミクロン未満の寸法を有する物体を記述するために互換的に使用される。「マイクロＬＥＤ」という用語は、全ての側面に１ミリ未満の寸法を有する発光ダイオードを説明するために使用される。「ヘテロ構造体」という用語は、光学デバイスまたはエレクトロニクスデバイスを生成するために基板上で成長した任意の一連の材料層を説明するために使用される。「光学ヘテロ構造体」という用語は、光を放出または吸収する能力を有する基板上で成長した材料の構造体または層を説明するために使用される。これには、発光ダイオード、レーザ、光起電、ならびに他の光学素子が含まれる。「ＡｌＧａＡｓ材料系」、「ＡｌＧａＡｓ系」、「ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ」、および「ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系」という用語は、光学ヘテロ構造体が生成されることを可能にするために、ＧａＡｓに十分に格子整合されている任意の材料または材料層を説明するために互換的に使用される。これには、光学ヘテロ構造体を生成するために全て同じ基板上で成長させることができるＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＰ、および／またはＧａＰなどの材料系が含まれる。「ＡｌＧａＡｓヘテロ構造体」という用語は、ＡｌＧａＡｓ系からの材料から作製されるヘテロ構造体または光学ヘテロ構造体を説明するために使用される。「製造」、「マイクロ製造」、および「ナノ製造」は、ナノメートルからミリスケールでのデバイスの製造または生産を説明するために互換的に使用される。「光」と「電磁波放射線」とは、互換的に使用される。「ＢＪＴ」は、双極性接合トランジスタの略である。「ＪＦＥＴ」は、接合ゲート電界効果トランジスタの略である。
【００８８】
開示された技術のいくつかの実施形態では、光起電は電力を提供し、シリコン回路は信号を測定し、増幅し、符号化し、最後に、ＰＶＬＥＤのＬＥＤ機能を使用して信号を光学的に通信する。
【００８９】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、約１５０μｍ離間された２つの感知電極間の差動信号を高めて、近傍ニューロンによって生成される電界をサンプリングするアンプのシステムブロック図および概略図を示す。具体的には、図１７Ａは、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装されるシステムのブロック図を示している。図１７Ｂは、起動回路およびフィルタリング回路を含む増幅器の概略図を示している。ＰＶＬＥＤからの全電流の約２分の１（１μＡの５００ｎＡ）を使用して、入力差動対（Ｍ１とＭ２）を通じて低ノイズ増幅を提供する。一対のＮＦＥＴ（Ｍ３とＭ４）は、ハイパスアクティブ負荷として機能する：アンプ出力は、疑似抵抗器として機能し、ＭＯＳコンデンサによってシャントされるトランジスタを通じてゲートにフィードバックされる。したがって、Ｍ３およびＭ４は、低周波数（＜＜１Ｈｚ）における低インピーダンスを提供するが、対象となる神経帯域（＞１０Ｈｚ）における高抵抗を提供する。最後に、一対のダイオード接続ＰＦＥＴ（Ｍ５とＭ６）は、高次のエイリアシング項を抑制するために約１０ＫＨｚでローパスコーナーを設定する並列ＭＯＳコンデンサで、制御された中域利得のために一致した負荷を提供する。ハイパス負荷は、照明が一過性のものであり得る間に極めて長い起動時間をもたらすため、ハイパス抵抗器は、ＶＤＤ起動時に一時的に低抵抗状態に設定され、通常の高抵抗状態に切り替える前に、ＤＣオフセットとバイアス状態とを迅速に較正する。照明変動時または出力光学パルス生成時のＶＤＤの変動に対しても耐性を提供するために、増幅器および全ての他の回路を電源不変のＰＴＡＴ様電流源からバイアスする。
【００９０】
開示された技術のいくつかの実施形態は、光子効率当たりのその高い情報の信号符号化のためにパルス位置変調（ＰＰＭ）を使用することができる。図１８Ａ〜図１８Ｄは、アンプがパルス位置エンコーダを駆動する一方、１０ＫＨｚの緩和発振器が周期的なパルスを生成し、コンデンサＣ１をＶＤＤに充電することを示している。具体的には、図１８Ａおよび図１８Ｂは、ＰＰＭエンコーダおよび関連するタイミング図を示し、図１８Ｃおよび図１８Ｄは、パルス生成器およびその関連するタイミング図を示している。このリセットの後、コンデンサは、アンプの出力から生成された２つの差動電流のうちの１つによって放電される。その結果は、そのデューティサイクルが測定電圧の逆を反映する方形波である。固定電流では、デューティサイクルを２０％〜８０％の範囲に制限された。Ｔフリップフロップは、２つの相補電流のどちらがコンデンサを放電するかを選択し、クロックサイクル間で交互に、このように切断することで、変化の遅い光レベルによる変動から信号を分離することができる。得られた方形波は、電流の少ないインバータの遅延ラインを通過し、エッジを組み合わせて方形波の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方にパルスを生成する。これらの信号のタイミングは、図１８Ｂおよび１８Ｄに示されている。より広いパルスは、ＶＤＤをＰＶＬＥＤから１μｓ切断し、他の２つのパルスは３コンデンサ（各１．２ｐＦ）の充電ポンプを切り替え、並列構成から直列構成に切り替え、ＰＶＬＥＤに接続して鋭い（＜１００ｎｓ）電流パルスを送達する。緩和発振器の各サイクルでは、ＰＶＬＥＤを通じて２つの光パルスを生成し、１つはサイクルの開始時であり、もう１つは２０μｓ〜８０μｓ後であり、この時間差は入力電圧を示す。パルスイベント中（ＰＶＬＥＤから切断した場合）にＶＤＤが過度に低下しないように、１６ｐＦのデカップリング容量を設置する。さらに、ＰＶＬＥＤは、限られた量の瞬間電流のみを供給することができ、過剰な供給波動を回避するために、充電ポンプコンデンサは、約１０μｓにわたってゆっくりと充電される。２０μｓの最小パルス間隔は、各パルスの前に充電ポンプが完全に充電されることを保証する。最後に、ＰＶＬＥＤとＣＭＯＳの組み立てを容易にするために、クロスカップル整流器（極性補正器）が実装されており、そのパッド上のＰＶＬＥＤの極性に関係なくシステムの機能を確保する。
【００９１】
図１９Ａおよび図１９Ｂは、光出力パルス（図１９Ａ）、および関連する再構築された１ＫＨｚ波形（図１９Ｂ）の例示的な測定を示している。図１９Ｃ〜図１９Ｄは、周波数（図１９Ｃ）および振幅（図１９Ｄ）の関数としての信号利得を示している。ＣＭＯＳ回路は、１８０ｎｍのＣＭＯＳで作製され、活性面積は２１０μｍｘ９０μｍである。試験のために、ＣＭＯＳはＰＶＬＥＤに結合され得る。脳組織の安全限界の約６分の１である約５０ｎＷ／μｍ２の帯域通過白光（３８０ｎｍ〜７２０ｎｍ）で照明すると、図１９Ａに示すように、光パルスを予想通り測定する。電圧信号で入力電極を駆動すると、パルスのタイミングが変調され、ここに示すように１ＫＨｚの試験信号のために入力が正常に再構築される。システムは、１Ｈｚ〜１０ＫＨｚにわたる１４０ｎｓ／μＶの変換利得を有し、３ｍＶＰＰ（１．１ＶＲＭＳ）を超える大きな入力に対して利得圧縮を行うが、入力参照ノイズフロアは約２１μＶＲＭＳである。パルス動力環境におけるその潜在的な使用のためのシステムのウェイクアップ特性（図５Ａに示すような連続露光とは対照的に）は、システムが１ｍｓ未満でウェイクアップすることを可能にし得る。
【００９２】
図１９Ａはまた、２０ｋＨｚ近くで通信するが、多くの小数点以下、例えば、１９，８５７．１２Ｈｚまで精密に測定することができる特定の周波数で通信するデバイスの例を示している。この情報は、個々のセンサの識別情報を提供する。デバイス間の製造上のわずかな違いにより、クロックサイクルがわずかに異なる。したがって、１９，８５７．１２Ｈｚのクロックサイクルで動作する例示的なデバイスは、１８，３５４．４７Ｈｚのクロックサイクルを有するデバイスと区別することができる。このシステムの特徴は、光学的にかつ無線で通信される固有の識別情報をデバイスに付与する。
【００９３】
図２８は、デバイスの識別情報を示す所定の電気識別信号を生成するように構成された完全に集積された独立型の無線の光学デバイスの一実施形態を示している。光起電モジュールは、供給電圧ＶＤＤで識別モジュールに電力を供給するように構成されている。この電力は、回路のクロックとして機能する周期的なパルスを提供する緩和発振器（例えば、ＣＬＯＣＫとラベル付けされたクロック生成器）をオンにする。一組のカウンタ、例えば、リングカウンタ、ラベル付けされたＸ  ＣＯＵＮＴＥＲおよびＹ  ＣＯＵＮＴＥＲは、電気信号を、ラベル付けされたＸ  ＤＥＣＯＤＥＲおよびＹ  ＤＥＣＯＤＥＲの一組のデコーダに提供し、これは、メモリ素子（例えば、ＭＥＭＯＲＹとラベル付けされたメモリ）に供給される。メモリ素子の出力は、低電圧、接地、または高電圧ＶＤＤのいずれかでの一連の電圧である。メモリ素子の出力は、電気識別信号を搬送するように発光モジュールの出力光を変調して、電気識別信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信するように構成されている。一実施形態では、発光モジュールからの出力光パルスのタイミングは、デバイスの識別信号を送信する。別の実施形態では、発光モジュールからの一連の光パルス（ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＭＯＤＵＬＥとラベル付けされている）は、デバイスの識別情報を送信する。識別モジュールはさらに、デバイスのメモリをリセットし、任意のメモリ素子を放電するカウンタおよびリセット（例えば、ＣＯＵＮＴＥＲ  ＡＮＤ  ＲＥＳＥＴとラベル付けされた機能ブロック）を有するように構成されている。
【００９４】
図２０Ａおよび図２０Ｂは、起動を示し、光学パルス（図２０Ａ）および復号信号（図２０Ｂ）の開始を示している。図２０Ｃ〜図２０Ｓは、ベースライン（図２０Ｃ）を提供するために商用アンプを通じて並列に測定され、かつ本システムを使用して光学的に給電されて通信する機械的刺激時の、ミミズ腹部神経上の神経記録を示す（図２０Ｄ）。システムが実際の神経信号を符号化する能力を実証するために、入力電極は、プローブを使用してミミズの腹部神経コードに接続され得、商用の神経アンプは並列に接続されて、参照ベースラインを提供する。図２０Ｃ〜図２０Ｓは、通信および電源が純粋に光学であっても、複合スパイクが出力光学パルス内で正確に符号化されていることを明確に示している。
【００９５】
図２１は、消費電力（左上）とＳｉ領域（右上）別の設計の詳細を示している。先に強調したように、消費電力は主にメインアンプおよび充電ポンプで占められている。領域はアンプ（フリッカノイズ低減のため）、ＬＥＤドライバ、およびデカップリングが中心となっている。図６の下部は、従来技術との比較表を示している。
【００９６】
図２２は、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線集積回路センサの例を示している。上述のように、このような光学無線集積回路センサは、神経活動のための移植可能な医療診断、癌細胞増殖のための温度監視、または他のもののために使用することができる。開示された技術の様々な実施形態は、マイクロ流体、ラボオンアチップ、小型サンプル材料の熱特性などのミクロンスケールのシステムまたは材料においてシステム監視を実装するために使用することができる。
【００９７】
図２３は、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線センサデバイス２３００の例を示す。光学無線センサデバイス２３００は、光起電モジュール２３０２と、センサモジュール２３０４と、発光モジュール２３０６と、を含んでもよい。光起電モジュール２３０２は、光Ｌ１を電気に変換するように構造化されている。センサモジュール２３０４は、光起電モジュール２３０２によって生成された電気から電力を受信するために、光起電モジュール２３０２に結合されている。センサモジュール２３０４は、標的物質２３１０に応答して応答を生成する感知素子を含むように構造化されている。センサモジュール２３０４はまた、感知素子からの応答に基づいて、標的物質２３１０の特性を示す電気センサ信号を生成してもよい。発光モジュール２３０６は、光起電モジュール２３０２によって生成された電気から電力を受信し、センサモジュール２３０４から電気センサ信号を受信するように結合されている。発光モジュール２３０６は、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光Ｌ２を生成して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信することもできる。
【００９８】
図２４は、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線センサデバイス２４００の例を示す。光無線センサデバイス２４００は、電磁放射線Ｌ１およびＬ２を電気に変換するように構造化された光起電モジュール２４０２を含む。光学無線集積回路センサ２４００はまた、光起電モジュールによって生成された電気を受信するために、光起電に結合されたセンサモジュール２４０４も含む。センサモジュール２４０４は、感知素子２４０６と、通信素子２４０５と、を含む。感知素子２４０６は、標的物質２４１０に応答して応答を生成し、通信素子２４０５は、感知素子２４０６からの応答に基づいて、標的物質２４１０の特性を示す電気センサ信号を生成するように構造化されている。光学無線センサデバイス２４００はまた、電気を受信するように光起電モジュール２４０２に結合され、かつ電気センサ信号を受信し、電気センサ信号を変換して、標的物質２４１０の特性を示す電磁放射線Ｌ３を出力するようにセンサモジュール２４０４の通信素子２３０５に結合された発光モジュール２４０８も含む。光起電モジュールによって生成された電気は、センサモジュール２４０４および発光モジュール２４０８に電力を供給するために使用される。開示された技術の一実施形態では、光起電モジュールによって生成された電力はまた、センサモジュール２４０４および発光モジュール２４０８を制御するための電気制御信号を生成するために使用することもできる。開示された技術の一実施形態では、放射線Ｌ１は、センサモジュール２４０４および発光モジュール２４０８を動作させるための電力に変換され、放射線Ｌ２は、センサモジュール２４０４および／または発光モジュール２４０８を制御するための命令などの、センサモジュール２４０４および／または発光モジュール２４０８の動作に関連する情報に変換される。ここで、放射線Ｌ２の光学波長は、放射線Ｌ１とは異なっていてもよい。
【００９９】
図２５は、開示された技術のいくつかの実施形態に基づいて実装された光学無線識別デバイス２５００の例を示す。光学無線識別デバイス２５００は、光起電モジュール２５０２と、識別モジュール２５０４と、発光モジュール２５０６と、を含み得る。光起電モジュール２５０２は、光Ｌ１を電気に変換するように構造化されている。識別モジュール２５０４は、光起電モジュール２５０２によって生成された電気から電力を受信するために、光起電モジュール２５０２に結合されている。識別モジュール２５０４は、デバイスの識別情報を示す電気識別信号を生成するように構成されている。発光モジュール２５０６はまた、電気識別信号を搬送するように変調される出力光Ｌ２を生成して、電気識別信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信することもできる。
【０１００】
図２６は、パルス位置変調（ＰＰＭ）符号化の例を示しており、ＶＰＤおよびΔｔが光検出器出力およびパルス間隔（一次側と二次側との間）をそれぞれ示している。開示された技術のいくつかの実施形態では、出力光は、パルス位置変調方式を使用して変調され得る。例えば、センサモジュールまたは識別モジュールから測定される信号は、図２６に示すように、パルス間のタイミングで符号化される。１セットのパルス、「一次ピーク」は、いくつかの規則的な周波数で発生する。別のパルスのセット（他のパルスごと）である「二次ピーク」は、入力信号を符号化する。この実装形態では、パルス間の時間は電圧を符号化する。このようにして、電気センサ信号または電気識別信号を搬送するように出力光を変調して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信することができる。
【０１０１】
図２７は、標的対象物を感知するための例示的な方法を示す。方法は、２７０２において、センサと物理的接続を有さずに標的対象物にセンサを移植することと、２７０４において、標的対象物に移植されたセンサに照明光を方向付けることであって、センサ内の光起電モジュールにセンサを動作させるための電力を生成させ、これにより生成された電力が、（１）標的対象物に対して感知動作を実施して、標的対象物の特性を示す電気センサ信号を生成するセンサモジュールと、（２）センサモジュールから電気センサ信号を受信するように結合され、電気センサ信号を搬送するように変調される出力光を生成するように動作可能である発光モジュールとに電力供給するようになる、方向付けることと、２７０６において、出力光を使用することによって、標的対象物の特性を示す情報を受信して、電気センサ信号をデバイスから無線でかつ光学的に送信することと、を含む。
【０１０２】
本特許文献には多くの詳細が含まれるが、これらは、任意の発明の範囲または特許請求され得るものの制限として解釈されるべきではなく、むしろ、特定の発明の特定の実施形態に特異的であり得る特徴の説明として解釈されるべきである。別々の実施形態の文脈において本特許文献に記載されるある特定の特徴はまた、単一の実施形態において組み合わせて実装することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈に記載される様々な特徴は、複数の実施形態において別々に、または任意の好適な部分的な組み合わせで実装することもできる。さらに、特徴は、特定の組み合わせで作用し、最初に特許請求されたものとしても上述され得るが、特許請求された組み合わせからの１つ以上の特徴は、場合によっては、組み合わせから抜粋されてもよく、特許請求された組み合わせは、部分的な組み合わせの部分的な組み合わせまたは変形に向けられてもよい。
【０１０３】
同様に、動作は特定の順序で図面に示されるが、これは、所望の結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序で、または順番に実施されること、または図示される全ての動作が実施されることを必要とするものとして理解されるべきではない。さらに、本特許文献に記載の実施形態における様々なシステム構成要素の分離は、全ての実施形態においてそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではない。
【０１０４】
いくつかの実装形態および実施例のみを説明し、本特許文献に記載および例示される内容に基づいて他の実装、改良および変形を行うことができる。
【０１０５】
特許請求の範囲は、以下を含む、記載および図示されるものである。
【図１Ａ】
2021513745.tif 000003
【図１Ｂ】
2021513745.tif 000004
【図１Ｃ】
2021513745.tif 000005
【図１Ｄ】
2021513745.tif 000006
【図１Ｅ】
2021513745.tif 000007
【図２Ａ】
2021513745.tif 000008
【図２Ｂ】
2021513745.tif 000009
【図３】
2021513745.tif 000010
【図４】
2021513745.tif 000011
【図５Ａ】
2021513745.tif 000012
【図５Ｂ】
2021513745.tif 000013
【図５Ｃ】
2021513745.tif 000014
【図５Ｄ】
2021513745.tif 000015
【図５Ｅ】
2021513745.tif 000016
【図５Ｆ】
2021513745.tif 000017
【図６】
2021513745.tif 000018
【図７Ａ】
2021513745.tif 000019
【図７Ｂ】
2021513745.tif 000020
【図７Ｃ】
2021513745.tif 000021
【図７Ｄ】
2021513745.tif 000022
【図８−１】
2021513745.tif 000023
【図８−２】
2021513745.tif 000024
【図９Ａ】
2021513745.tif 000025
【図９Ｂ】
2021513745.tif 000026
【図９Ｃ】
2021513745.tif 000027
【図９Ｄ】
2021513745.tif 000028
【図１０Ａ】
2021513745.tif 000029
【図１０Ｂ】
2021513745.tif 000030
【図１０Ｃ】
2021513745.tif 000031
【図１０Ｄ】
2021513745.tif 000032
【図１１Ａ】
2021513745.tif 000033
【図１１Ｂ】
2021513745.tif 000034
【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
2021513745.tif 000036
【図１１Ｅ】
2021513745.tif 000037
【図１１Ｆ】
2021513745.tif 000038
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
2021513745.tif 000042
【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
2021513745.tif 000048
【図１３Ｅ】
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【図１４−１】
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【図１４−２】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１６Ｇ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
2021513745.tif 000070
【図１９Ｃ】
2021513745.tif 000071
【図１９Ｄ】
2021513745.tif 000072
【図２０Ａ】
2021513745.tif 000073
【図２０Ｂ】
2021513745.tif 000074
【図２０Ｃ】
2021513745.tif 000075
【図２０Ｄ】
2021513745.tif 000076
【図２１】
2021513745.tif 000077
【図２２】
2021513745.tif 000078
【図２３】
2021513745.tif 000079
【図２４】
2021513745.tif 000080
【図２５】
2021513745.tif 000081
【図２６】
2021513745.tif 000082
【図２７】
2021513745.tif 000083
【図２８】
2021513745.tif 000084
【国際調査報告】
2021513745.tif 000085