KR20200117021A - 무선, 광학 구동 광전자 센서 및 디바이스 - Google Patents

무선, 광학 구동 광전자 센서 및 디바이스 Download PDF

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KR20200117021A
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KR
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KR1020207025896A
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알레잔드로 제이. 코르테스
알로샤 씨. 몰나르
폴 엘. 맥유엔
선우 이
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코넬 유니버시티
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Abstract

본 특허 문서에 개시된 기술은 감지 및 식별 어플리케이션들을 위한 광-전자 회로를 갖는 디바이스들을 구성하고, 생물체들 및 다른 어플리케이션들에 배치하기 위해 테더링되지 않는 디바이스들을 제공하며, 그러한 디바이스들을 상업적 생산을 위해 만들기 위한 제조 기술들을 제공하는데 사용될 수 있다. 여기에 개시된 구체적인 예들에 의해 예시된 바와 같이, 개시된 기술은 무선, 무기 셀 규모의 센서 및 식별 시스템들이 광학 구동 및 광학 판독되게 하는 제조 방법들, 기판들 및 디바이스들을 제공하도록 구현될 수 있다.

Description

무선, 광학 구동 광전자 센서 및 디바이스
우선권 주장 및 관련 특허 출원
본 특허 문서는 (1) 2018년 2월 8일에 출원된 "WIRELESS, OPTICALLY-POWERED OPTOELECTRONIC SENSORS(무선, 광학 구동 광전자 센서)"라는 명칭의 미국 가 특허 출원 번호 62/628,190(대리인 문서 번호 078554-8084.US00), 및 (2) 2018년 10월 02일에 출원된 "WIRELESS, OPTICALLY-POWERED OPTOELECTRONIC SENSORS(무선, 광학 구동 광전자 센서)"라는 명칭의 미국 가 출원 번호 62/740,326(대리인 문서 번호 078554-8084.US01)의 우선권 및 이익을 주장한다. 상기한 출원들 전체는 본 특허 문서의 개시 내용의 부분으로서 참조로 통합된다.
기술분야
본 특허 문서는 감지 기술 및 광-전자 디바이스들, 시스템들 및 어플리케이션들에 관한 것이다.
화학 또는 생물 물질들을 감지하기 위한 센서들은 다양한 구성으로 설계될 수 있다. 일부 설계에서, 센서들은 전도성 배선을 통해 전자 디바이스들 또는 프로세서들에 테더링되는 전극들을 포함할 수 있다. 그러한 배선은 원하지 않는 효과를 가질 수 있다. 예를 들어, 신경 활동들을 모니터링하기 위해 테더링되는 주입물들은 뇌가 움직일 때 신경들과 전극들 사이에 잔여 흔들림을 유발할 수 있고 그에 따라 움직이는 동물들, 특히 얼룩말 물고기 또는 초파리와 같은 보다 작은 유기체들에서 말초 신경들로부터 측정할 수 있는 능력을 제한할 수 있다. 테더링되지 않는 무선 센서들은 그러한 그리고 다른 어플리케이션들에 바람직하다.
본 특허 문서에 개시된 기술은 감지 및 식별 어플리케이션들을 위한 광-전자 회로를 갖는 디바이스들을 구성하고, 생물체들 및 다른 어플리케이션들에 배치하기 위한 테더링되지 않는 디바이스들을 제공하며, 그러한 디바이스들을 상업적 생산을 위해 만들기 위한 제조 기술들을 제공하는데 구현될 수 있다. 여기에 개시된 구체적인 예들에 의해 예시된 바와 같이, 개시된 기술은 무선, 무기 셀 규모의 시스템들이 광학 구동 및 광학 판독되게 하는 제조 방법들, 기판들 및 디바이스들을 제공하도록 구현될 수 있다.
일 양태에서, 예를 들어, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는 기판; 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈; 및 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 센서 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성된, 상기 센서 모듈을 포함한다. 상기 센서 모듈은 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성된다. 이러한 디바이스는 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈을 포함한다. 상기 발광 모듈은 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된다.
다른 양태에서, 예를 들어, 개시된 기술은 타겟 대상을 감지하기 위한 방법을 제공하도록 구현될 수 있다. 이러한 방법은 센서에 물리적 연결 없이 타겟 대상 상에 상기 센서를 주입하는 단계; 발생된 전기 전력이 (1) 상기 타겟 대상의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 상기 타겟 대상에 관한 감지 동작을 수행하는 센서 모듈, 및 (2) 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되고 상기 전기 센서 신호를 운반하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 동작 가능한 발광 모듈에 전력을 공금하도록 상기 센서에서 광전 변환 모듈이 상기 센서를 동작시키기 위한 전기 전력을 발생하게 하기 위해 상기 타겟 대상 상에 주입된 상기 센서 상으로 조명 광을 지향시키는 단계; 및 상기 출력 광을 사용하여 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하는 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 예를 들어, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는 기판; 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈; 및 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 식별 모듈로서, 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 식별 모듈을 포함한다. 이러한 디바이스는 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 식별 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈을 포함한다. 상기 발광 모듈은 상기 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된다.
또 다른 양태에서, 예를 들어, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 구성하기 위한 방법을 제공하도록 구현될 수 있다. 이러한 방법은 반도체 기판 위에 반도체 이형층을 형성하는 단계; 상기 반도체 이형층 위에 광전자 반도체 구조들을 제조하는 단계; 형성되는 폴리머 층에 제조된 상기 광전자 반도체 구조들이 내장되도록 상기 반도체 이형층 위에 제조된 상기 광전자 반도체 구조들 위에 폴리머 층을 형성하는 단계; 상기 반도체 이형층을 제거하여 상기 폴리머 층 및 상기 폴리머 층에 내장되는 제조된 상기 광전자 반도체 구조들을 분리시키기 위한 에칭 공정을 수행하는 단계; 및 상기 폴리머 층 및 상기 폴리머 층에 내장되는 제조된 상기 광전자 반도체 구조들을 새로운 기판에 전사하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 예를 들어, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는 기판 및 입사 광 파장의 입사 광을 전기로 변환하고 상기 입사 광 파장과 상이한 출력 광 파장의 출력 광을 방출하도록 패터닝된 반도체 층들을 포함하도록 상기 기판 위에 형성되는 헤테로 구조 모듈을 포함한다. 센서 모듈은 상기 기판에 체결되고 상기 헤테로 구조 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되고, 상기 센서 모듈은 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되며, 상기 센서 모듈은 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성된다. 이러한 디바이스는 상기 헤테로 구조 모듈에 의해 발생되는 상기 전기로부터의 전력을 다시 상기 헤테로 구조 모듈에 공급하여 상기 출력 광의 방출울 야기하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 동작 가능한 상기 헤테로 구조 모듈 및 상기 센서 모듈에 커플리되는 회로를 더 포함하고 상기 헤테로 구조 모듈은 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된다.
또 다른 양태에서, 예를 들어, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는 기판, 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈, 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 센서 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되고, 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성되는, 상기 센서 모듈, 및 40 마이크론 미만의 치수를 갖도록 상기 기판에 포토리소그래피로 형성되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함한다.
또 다른 양태에서, 개시된 기술은 광학 무선 센서 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는 전자기 방사를 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈, 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기를 수신하도록 상기 광전 변환 모듈에 커플링되고 감지 요소 및 통신 요소를 포함하도록 구성된 센서 모듈로서, 상기 감지 요소는 타겟물에 반응하여 응답을 생성하고, 상기 통신 요소는 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 센서 모듈, 및 상기 전기를 수신하도록 상기 광전 변환 모듈에 커플링되고 상기 전기 센서 신호를 수신하고 상기 전기 센서 신호를 변환하여 상기 타겟물의 상기 속성을 나타내는 전자기 방사를 출력하도록 상기 센서 모듈에 커플링되는 발광 모듈을 포함한다.
또 다른 양태에서, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는: 기판; 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈; 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 식별 모듈로서, 상기 디바이스의 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 식별 모듈; 및 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 식별 모듈로부터 상기 전기 식별 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 식별 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함한다.
또 다른 양태에서, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는: 기판; 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광-전자 모듈; 및 상기 기판에 체결되고 상기 광-전자 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 식별 모듈로서, 상기 디바이스의 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 식별 모듈을 포함하며, 상기 광-전자 모듈은 상기 식별 모듈로부터 상기 전기 식별 신호를 수신하도록 그리고 상기 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 식별 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된다.
또 다른 양태에서, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는: 기판; 상기 기판에 체결되고 입력 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되고, 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성되는, 상기 광전 변환 모듈; 및 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 광전 변환 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함한다.
또 다른 양태에서, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는: 기판; 상기 기판에 체결되고 입력 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈; 및 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 구성된 광-전기 신호 변환 모듈로서, 타겟물에 반응하여 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 생성하고, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 광-전기 신호 변환 모듈을 포함한다.
개시된 기술의 상기한 그리고 다른 양태들 및 구현들은 도면들, 설명 및 청구범위에서보다 상세하게 설명된다.
도 1a 내지 도 1e는 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 다른 기판들이 폴리머 보조로 전사하는 방법을 도시한다.
도 2a 내지 도 2b는 전사에 사용되는 AlGaAs 헤테로 구조 발광 다이오드의 예들을 도시한다.
도 3은 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 다른 기판들에 폴리머 보조로 전사하는 예시적인 평면 정렬 방법을 도시한다.
도 4는 얇은, 등각 산화물을 사용하여 실리콘 기판에 전사되어 표면에 접착되는 AlGaAs 발광 다이오드들의 일례를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f는 광학 구동 및 광학 판독 신경 센서들에 대한 실리콘 CMOS 회로 및 AlGaAs 헤테로 구조의 예시적인 리소그래픽 집적을 도시한다.
도 6은 이형 가능한 실리콘 및 AlGaAs 헤테로 구조들의 집적을 가능하게 하는 기판 및 예시적인 제조를 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 동일한 기판 상에 제조된 실리콘 MOSFET들, 실리콘 광전 변환 소자들 및 AlGaAs LED들을 포함하는 마이크론 규모의 예시적인 구성들의 광학 이미지들 및 성능을 도시한다.
도 8은 예시적인 기판 및 제조 방법 도해들을 도시한다.
도 9a 내지 도 9d는 이형 가능한 mm3 이하 디바이스들에 대한 사시도를 도시하는 예시적인 기판 및 제조 방법 도해들을 도시한다.
도 10a 내지 도 10d는 이형 가능한 디바이스들에 대한 마이크론 규모의 실리콘 및 III-V 전자 소자들 및 광전자 소자들의 대규모 직접의 예들을 도시한다.
도 11a 내지 도 11f는 GaAs LED 및 실리콘 MOSFET의 예시적인 집적 회로를 도시한다.
도 12a 내지 도 12f는 이형-호환 기판 상의 광학 구동 전압 센서 제조의 예들을 도시한다.
도 13a 내지 도 13e는 예시적인 무선, 광학 구동, 셀 규모의 센서 시스템들 및 어플리케이션들을 도시한다.
도 14는 직접된 CMOS 및 AlGaAs 헤테로 구조 셀 규모이 센서들에 대한 예시적인 대안적인 이형 방법을 도시한다.
도 15a 내지 도 15d는 이형 가능한 디바이스들에 대한 마이크론 규모의 실리콘 및 III-V 전자 소자들 및 광전자 소자들의 대규모 직접을 사용하여 만들어진 센서들의 예들을 도시한다.
도 16a 내지 도 16g는 무선, 광학 구동 광전자 셀 규모의 센서들의 예들을 도시한다.
도 17a 내지 도 17b는 근처 신경들에 의해 생성되는 전기장을 샘플링하기 위해 ~150㎛ 떨어져 이격되는 두 개의 감지 전극 간 차분 신호를 부스팅하는 시스템의 블록도 및 증폭기의 도해를 도시한다.
도 18a 내지 도 18d는 증폭기가 펄스-위치 인코더를 구동하는 한편, 10KHz 이완 발진기가 주기 펄스를 발생시켜, 커패시터(C1)을 VDD로 충전시키는 것을 도시한다.
도 19a 내지 도 19b는 광학 출력 펄스의 예시적인 측정(도 19a), 및 연관된 재구성된 1KHz 파형(도 19b)을 도시한다. 도 19c 내지 도 19d는 신호 이득을 주파수(도 19c) 및 진폭(도 19d)의 함수로서 도시한다.
도 20a 내지 도 20b는 광학 펄스들(도 20a) 및 디코딩된 신호(도 20b)의 개시를 도시하여, 시동을 도시한다. 도 20c 내지 도 20s는 기준선을 제공하기 위해 상업용 증폭기를 통해(도 20c) 그리고 광학 구동 및 통신하는 본 시스템을 사용하여(도 20d) 병렬로 측정된 기계적 자극시 지렁이 복신경에 관한 신경 기록을 도시한다.
도 21은 전력 소비 및 Si 면적에 의한 설계의 항복을 도시한다.
도 22는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 집적 회로 센서의 일례를 도시한다.
도 23은 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 센서 디바이스의 일례를 도시한다.
도 24는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 센서 디바이스의 일례를 도시한다.
도 25는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 식별 디바이스의 일례를 도시한다.
도 26은 펄스-위치 변조(PPM, pulsed-position modulation) 인코딩의 일례를 도시한다.
도 27은 타겟물을 감지하기 위한 예시적인 방법을 도시한다.
도 28은 개시된 기술에 기초하여 무선 광학 식별 디바이스의 예시적인 레이아웃 및 구현을 도시한다.
감지, 작동 및 식별을 위한 무선 디바이스들이 스마트 패키징, 의료 센서들 및 추적을 위해 점점 더 요구되고 있다. 무선 시스템들의 일부 기존 구현은 주로 RF 코일들 또는 초음파에 의해 전력을 공급받고 통신한다. 그러한 전원들에 대한 크기-규모 요건들은 기본적으로 그것들이 생산될 수 있는 크기를 제한한다. 뿐만 아니라, 일부 구현에서, 그러한 무선 센서들을 구성하기 위한 기술들은 통상적으로 다이싱 소들을 사용하여 재료들을 다이싱하는 것, 재료 시스템들을 수동으로 또는 순차적으로 적층하는 것, 그리고/또는 와이어-본딩 또는 플립-칩 본딩을 이용하여 또는 솔더 마이크로 범프들을 사용하여 전기 인터커넥트들을 확립하는 것을 수반한다. 이러한 기술들은 디바이스들의 크기-규모들 및 병렬 생산을 제한할 수 있고 그러한 기술들을 사용하여 1 mm3보다 훨씬 더 작은 디바이스들과 같은 소형 디바이스들을 생산하는 것은 어렵다.
본 특허 문서에 개시된 기술은 무선 디바이스들을 사용하는 다용도 감지 및 식별 적용을 위해 그러한 센서 디바이스가 센서 디바이스 외부의 임의의 물리적 연결부(예를 들어, 와이어 또는 케이블)에 연결되지 않도록 디바이스들에 전력을 공급하기 위해 광을 전기로 변환하고 또한 센서 동작으로부터 정보를 운반하기 위해 변조되는 출력 광을 발생시키는 광-전자 회로를 갖는 무선 센서들 또는/및 무선 디바이스들을 구성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 개시된 기술의 일부 실시 예에서, 개별 셀 레벨에서 전기 및 화학 신호들을 모니터링하기 위한 무선 방법은 광-전자 회로를 갖는 무선 디바이스들의 사용을 가능하게 하여 범위가 뇌에서의 신경 활동을 매핑하는 것에서 신경 전달 물질들의 방출을 검출하는 것까지 다양한 센서 측정의 무선 광 출력을 제공할 수 있다. 광학 구동되고 광학 판독되며 전기 및 화학 신호들을 모니터링할 수 있는 무선, 무기 셀 규모의 센서 시스템들을 가능하게 하는 전사 방법, 기판 및 디바이스들에 대한 예들이 개시된다.
생체 내에서 살아있는 동물들에서의 신경 활동을 기록하는 것은 몇 가지 과제를 지운다. 전기 기술들은 통상적으로 전극들 자체보다 훨씬 더 큰 와이어를 통해 직접 또는 RF 코일을 통해 간접적으로, 전극들을 외부 세계에 테더링해야 한다. 테더링되는 주입물들은 뇌가 움직일 때 신경들과 전극들 사이에 잔여 흔들림을 유발하고 움직이는 동물들, 특히 얼룩말 물고기 또는 초파리와 같은 보다 작은 유기체들에서 말초 신경들로부터 측정할 수 있는 능력을 제한한다. 다른 한편, 점점 더 강력 해지고 있는 광학 기술들의 다양한 구현은 그럼에도 불구하고 보통 임의의 주어진 유기체에서의 신경의 하위 집합들로 제한되고, 여기 광 및 방출된 형광 물질의 산란에 의해 방해를 받으며, 낮은 시간 해상도로 제한된다. 본 특허 문서는 전기 신호들의 높은 시간 해상도 기록과 광학 기술들의 많은 이점을 조합하여, 마이크로 규모의 광학 인터페이스에 의해 전력이 공급되고 이를 통해 통신하는, 테더링되지 않는 전극 유닛을 위한 전자 소자들의 설계 예들은 개시한다.
개시된 기술의 일부 실시 예는 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 다음의 고유한 특징들 중 하나 이상을 갖는 다른 기판들에 전사하고 접착하는데 사용될 수 있다. 첫째, 개시된 기술은 AlGaAs 재료 시스템 헤테로 구조들을 매우 다양한 기판에 전사하는데 사용될 수 있다. 실리콘, 유리, III-V, 금속, 유연한 재료(PET, PDMS) 등과 같은 기판들 외에도 개시된 기술을 사용하여 마이크론 규모의 니들, 광섬유, 마이크로 렌즈 등과 같은 높은 곡률의 대상들을 원하는 최종 기판들에 전사할 수 있다. 둘째, 메사 구조들이 각 전사마다 동일하거나 유사한 형상 및 크기를 필요로 하는 다양한 다른 전사 방법과 달리, AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 다른 기판에 폴리머 보조로 전사나는 개시된 방법은 동일한 전사 공정에서, 다양한 크기(예를 들어, 나노미터부터 1 밀리미터까지)의 임의의 형상들의 복수의 헤테로 구조를 전사할 수 있다. 셋째, 마이크로-LED들 및 다른 광학 헤테로 구조들의 전사에 널리 사용되는 전사 인쇄의 일부 구현과 달리, 본 특허 문서에 개시된 기술에 따라 전사를 구현시 픽업 및 전사를 위한 전사 스탬프의 박리 속도를 조정할 필요가 없다. 일관된 결과들 및 높은 수율을 위해 이러한 매개 변수들을 조정하는 것은 어려울 수 있다. 또한, 1 마이크론 미만 두께의 또는 포물선 형상의 마이크로-LED들과 같이 직사각형이 아닌 형상들의 광학 헤테로 구조들을 전사하는 것도 매우 어려울 수 있다. AlGaAs 시스템 헤테로 구조들의 폴리머 보조 전사 방법에 대한 개시된 예는 예를 들어, 900nm와 같이 얇은 구조들을 포함하여 얇은 구조들에서 그러한 광학 헤테로 구조들의 전사를 가능하게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 광학 헤테로 구조들은 등각 유전체들을 사용하여 실리콘 및 다른 기판들에 접착된다. 이러한 유전체들은 많은 접착 재료들보다 더 얇을 수 있고, 실리콘 이산화물, 실리콘 규화물 및 다른 유전체들은 예를 들어, 원자층 증착을 사용하여 나노미터 규모 및 정밀도로 증착될 수 있다. 이러한 유전체들은 또한 고온(예를 들어, 섭씨 수백 도)에서도 안정적이다. 이러한 고유한 기능들은 고온 처리 표준과 호환되지 않는 두꺼운 에폭시를 많은 반도체 공정들과 대조한다.
개시된 기술의 일부 실시 예는 이형 가능한, 무선 셀 규모의 디바이스들에 대해 실리콘 전자 소자들(MOSFET, 광전 변환 소자, 저항, 커패시터, JFET, BJT 등) 및 전술한 마이크론 규모의 전사된 AlGaAs 헤테로 구조들의 집적을 가능하게 하는 기판 및 제조 방법을 제공하도록 구현될 수 있다. 기판 및 제조 방법은 다음과 같은 고유한 기능들 중 하나 이상으로 구현될 수 있다. 첫째, 광학 헤테로 구조들을 전사하기 이전에 실리콘 온 절연체 기판의 디바이스 층에 PN-접합 또는 PNP 접합이 만들어지고 활성화된다. 이는 통상적으로 표준 실리콘 전자 제조 방법들을 AlGaAs 시스템과 호환되지 않게 만드는 열 수요 예측의 비호환성을 방지한다. 이는 또한 고성능, 나노미터 또는 마이크론 규모의 실리콘 전자 소자들이 동일한 제조 공정에서 AlGaAs 헤테로 구조들에 정렬되어 패터닝될 수 있게 한다. 둘째, 본 특허 문서에 개시된 기판 및 제조 방법은 AlGaAs 헤테로 구조들이 실리콘 제조 공정과 별도로 최적화될 수 있게 한다. 실리콘 상에 성장되는 갈륨-비소를 사용하는 디바이스들의 집적 공정은 개별적으로 최적화되고 성장되어 AlGaAs 시스템만큼 효율적이지 않고, 두 개의 구성요소의 성능은 통상적으로 저하된다. 더욱이, 개시된 기술에 기초한 방법들은 제조된 구조들 또는 디바이스들을 이형시키기 위한 것들과 같은 다양한 알려져 있는 제조 기술 또는 공정을 사용함으로써 해결하기 어려운 제조 이슈들에 대한 기술적 해결책을 제공할 수 있다. 셋째, III-V 헤테로 구조들을 실리콘 CMOS 디바이스들에 전사하여 보다 나은 성능을 갖는 집적 디바이스들을 만들 수 있지만, AlGaAs 시스템 헤테로 구조들의 폴리머 보조 전사 방법은 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들의 폴리머 보조 전사가 셀 규모의 이형 가능한 디바이스를 가능하게 하는 방식으로 이루어질 수 있기 때문에 기존 방법들보다 우수하다. 더욱이,본 특허 문서에 개시된 다양한 센서 및/또는 식별 디바이스에 대한 설계들은 모든 칩 상에 수만 개의 집적 회로(IC)가 있는 실리콘 및 AlGaAs 시스템들을 집적하는 많은 상이한 설계를 사용하여 형성될 수 있다.
개시된 기술의 일부 실시 예는 정보를 광학적으로 수신하고 정보를 광학적으로 전달할 수 있는 셀 규모의 디바이스를 위한 무선, 광학 구동 무기 광전자 소자들을 제공하도록 구현될 수 있다. 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 구동 디바이스들은 전술한 방법들 및 기판들에 의해 가능해질 수 있다. 광학 구동 디바이스들은 다음을 포함하는 하나 이상의 고유한 특징을 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 구동 디바이스들은 마이크론 규모의 광전 변환 소자들을 사용하는 광학 전력를 갖는 무선, 무기 셀 규모의 디바이스들일 수 있다. 이러한 디바이스들은 마이크로-LED들(또는 다른 광학 헤테로 구조들)을 사용하여 전기 신호들을 광학 판독 신호들로 변환하는 구조들일 수도 있다. 뿐만 아니라, 광학 구동, 무선 무기 셀 규모의 디바이스들은 인코딩된 광 판독 및 마이크론 규모의 광전 변환을 사용하여 테더링되지 않는 무선 광학 통신을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 구현에서, 개시된 기술에 기초한 광학 구동 무선 무기 시스템들은 특정 적용에 적합한 셀 규모 또는 다른 바람직한 규모로 만들어질 수 있다. 세포 규모 또는 소형화된 규모들은 디바이스의 주입을 가능하게 하면서 생물학적 시스템들을 대상으로 하는 경우 조직 손상을 거의 또는 전혀 발생시키지 않기 위해 사용될 수 있다. 광학 구동 디바이스들은 또한 셀 규모로 만들 수 있는 무선 시스템을 사용하여 광학적으로 신호들의 고속(kHz 이상) 검출을 가능하게 한다. 이러한 기능은 셀들의 칼슘 이미징과 같은 다른 이미징 기술들과 대조된다. 본 특허 문서에 개시된 제조 방법들을 사용하면, 수천에서 수백만 개의 디바이스를 서로 고정된 상대적 거리들 없이 임의의 위치들에 주입할 수 있다. 또한, 출력 신호의 전달 및 광학 캐리어 파장의 신호 시간 다중화는 잠재적으로 많은 수의 센서 및/또는 식별 디바이스(예를 들어, 수천 개 이상의 센서 디바이스)를 동시에 모니터링할 수 있게 함에 따라, 병렬 센서 측정 및 처리를 달성한다.
밀리미터 규모의, 테더링되지 않는 센서들 및 식별을 위해 개시된 기술에 기초한 일부 방법은 예를 들어, RF-코일 전력, 온-보드 배터리, 또는 피에조 전자 소자드을 사용하는 초음파 전력 공급을 포함하여 적절한 전력 기술을 구현할 수 있다. 개시된 기술은 셀 규모로 만들어진 광학 구동, 광학 판독 센서를 가능하게 하는 방법으로서 마이크론 규모의 광전 변환 소자들을 LED들과 집적하는데 사용될 수 있다. 개시된 기술의 이러한 양태는 다음과 같은 몇 가지 특징을 가능하게 한다: 광을 사용하여 외부에서 공급되는 전력; 광을 사용하여 센서에 제공되는 정보; 및 디바이스가 광을 통해 정보를 전달. 전자기 방사를 사용하면, 엄청난 양의 전력을 극히 작은 크기로 집중시킬 수 있으며, 나노 규모, 볼륨 및 통신에 이르기까지 가능한 가장 빠른 속도로 달성될 수 있다. 또한, 원하는 경우 디바이스들, 그것들의 통신 및 그것들의 전력 공급을 시스템에서 전기적으로 분리할 수 있다.
개시된 기술에 기초한 센서 및/또는 식별 디바이스들은 광학 구동, 광학 제어, 광학 판독되는 전류원, 전압원, 전압 센서들 및 전류 센서들이 동일한 이형 가능 시스템에 집적될 수 있게 하는데 사용될 수 있다. 개시된 기술은 유체 내의 센서 시스템을 이용하여 셀 크기의 유체 부피에서 수행될 수 있는 순환-전압 전류 측정(고속 스캔 순환 전압 전류 측정, 초미세 전극 전압 전류 측정 등)을 가능하게 한다. 이는 개별 셀 규모에서 신경 전달 물질 검출과 같은 용도들을 가능하게 한다. 추가로, 소량의 화학 종들을 검출함으로써, 소량의 샘플이 케이스들에서 보다 많은 수의 검사에 충분한 재료를 제공할 수 있다. 이는 샘플 볼륨이 제한된 경우에 매우 유용할 수 있다. 개시된 기술은 또한 개별 신경, 심장 세포 등으로부터의 전기 신호들을 검출하도록 만들어질 수 있는 셀 규모의 전압 센서들을 제공한다. 개시된 기술은 세포막, 나노 수축 또는 미세 유체 채널을 통해 셀 규모의 이온 전류를 검출하도록 더 구현될 수 있다. 개시된 기술은 또한 셀 규모의 시스템들을 사용하여 세포 또는 신경을 자극하기 위해 용액들에 전압 및 전류를 인가할 수 있다.
제조시 전사 방법의 예들
효율적인 발광 구조들에 사용되는 재료들은 보통 고성능 전자 디바이스들에 사용되는 재료들과 동일하지 않다. 개시된 기술의 일 실시 예에서는, 실리콘이 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 구조들을 형성하는 고성능 트랜지스터들(예를 들어, MOSFET들, BJT들, JFET들 등)을 구성하는데 사용될 수 있다. 그러나, 실리콘의 간접 밴드 갭은 광을 방출하기 위한 재료로서 비효율적일 수 있다. 개시된 기술의 다른 실시 예에서는, AlGaAs 발광 다이오드 헤테로 구조가 전사에 사용될 수 있다. AlGaAs 시스템은 통상적으로 최신 전자 디바이스들 내 트랜지스터들을 생산하는데 사용되지 않지만, 그것들은 고효율 발광 다이오드들(LED들) 및 레이저들을 생산하는데 사용될 수 있다. 실시 예들은 또한 보다 구체적으로, 공진 공동 LED들(RCLED들, resonant cavity LEDs) 및 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL들, vertical-cavity surface-emitting laser)를 포함할 수도 있다.
개시된 헤테로 구조들은 하이브리드 광전자 소자들이 고성능 전자 디바이스들 및 효율적인 발광 구성 요소들을 이용할 수 있게 하기 위해 실리콘 및 AlGaAs와 같은 두 개의 재료 시스템을 마이크론 규모로 조합함으로써 구현될 수 있다. 이러한 원하는 목표를 해결하기 위해 전사 인쇄, 웨이퍼 본딩, 볼-본딩 및 에피택셜 리프트오프를 포함하여 많은 방법이 존재한다. 각 전사 방법에는 대안들에 비해 그 자체의 장점들 및 단점들이 있다. 이러한 기존 기술들의 다양한 구현은 무선 센서들을 세포 규모로 구성할 수 없었다.
개시된 기술의 다양한 실시 예는 도 1a 내지 도 1e에 개략적으로 도시된 바와 같이 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 다른 기판들에 전사하는 신규한 방법을 제공한다. 도 1a 내지 도 1e는 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 다른 기판들에 폴리머 보조로 전사하는 예시적인 방법을 도시한다. 개시된 기술의 구현에서, AlGaAs 시스템들(또는 AlGaAs, AlGaInP, GaP 및 GaAsP와 같은 임의의 다른 충분히 GaAs 격자 정합되는 시스템들)을 다양한 기판으로 전사하는 방법은 AlyGa1-yAs(여기서 y는 0 내지 1 사이이고 이형층이 전사될 디바이스들의 에칭에 대해 충분한 선택성으로 에칭될 수 있고 기판의 에칭에 대해 충분히 선택적이도록 함)의 이형층 상의 다양한 AlGaAs 층으로 구성된 패터닝되거나 패터닝되지 않은 헤테로 구조들로 시작된다. 도 1a는 폴리머 필름(예를 들어, 폴리메틸 메타크릴레이트: PMMA)이 방사되고 경화되어, 전사될 디바이스들을 덮은 것을 도시한다. 도 1b는 GaAs 기판이 AlyGa1-yAs 이형층보다 더 빠르게 GaAs 기판을 선택적으로 에칭하는 비율의 시트르산 및 과산화수소의 혼합물로 에칭 된 것을 도시한다. 이형층 및 폴리머는 전사될 디바이스들이 에칭되는 것을 방지한다. 도 1c는 그 다음 이형층이 AlGaAs 헤테로 구조들을 에칭하는 것에 대하여 선택적인 불화수소산(HF)의 희석 혼합물로 에칭된 것을 도시한다. 도 1d는 임의의 오염물들을 제거하기 위해 DI 배치를 통해 폴리머 매입된 디바이스들을 전사한 후, 폴리머 필름이 새로운 기판으로 전사될 수 있음을 도시한다. 필요한 경우, 도 1e에 도시된 바와 같이, 그 다음 폴리머는 산소 플라즈마를 사용하여 반응성 이온 에칭과 같은 건식 에칭으로 제거될 수 있다. 기판에 접착을 위해서는, SiO2와 같은 등각 유전체들이 증착될 수 있다. 다른 실시 예에서, AlyGa1-yAs 이형층은 GaAs 기판을 에칭할 필요없이 선택성 에칭될 수 있다(예를 들어, HF로). 이는 재사용을 위해 GaAs 기판이 필요한 특정 어플리케이션들에 이익이 될 수 있다.
도 2a 내지 도 2b는 전사에 사용되는 AlGaAs 헤테로 구조 발광 다이오드의 예들을 도시한다. 구체적으로, 도 2a는 발광 다이오드들을 생성하는데 사용되는 AlGaAs 시스템 층들의 재료, 두께, 도펀트 및 농도를 상세히 설명하는 표를 도시한다. 개시된 기술의 일부 실시 예는 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들(발광 다이오드들, 레이저들, 트랜지스터들 등)을 임의의 기판들(실리콘, 유리, PET, 광섬유 등)에 전사하는데 사용될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 개시된 기술은 AlGaAs 마이크로-LED들을 실리콘 기판에 전사하는데 사용될 수 있다.
도 2b는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 중간 이형층 및 GaAs 기판 상의 AlGaAs 발광 다이오드 층들의 단면을 도시한다. 우선, AlGaAs 헤테로 구조가 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD, metalorganic chemical vapor deposition)에 의해 성장된다. 일련의 층은 기판, 이형층 및 헤테로 구조를 포함하는 세 개의 기본 부분으로 분절될 수 있다. 구현에서, 기판은 진성 GaAs의 수백 마이크론의 두꺼운 웨이퍼이고, 이형층은 수백 나노미터의 얇은 Al0.9Ga0.1As 층이다. 구현에서, 헤테로 구조는 접촉 층들, 클래딩 층들 및 전자-정공 짝들이 조합하여 광을 방출하는 방출 영역으로 구성된 이형층 위에 성장된 일련의 층이다. 이 경우, 광학 헤테로 구조는 전자-정공 재조합의 효율성을 높이기 위해 다수의 양자 우물을 갖는 LED이다.
광학 헤테로 구조가 이형층 상에 성장된 후, 그 다음 AlGaAs 헤테로 구조들은 애노드 및 캐소드에 대한 전기 인터커넥트들에 대한 금속 접점들을 갖는 다양한 크기 및 형상의 마이크론 규모의 LED들(마이크로-LED들)로 패터닝된다. 마이크로 LED들 상에 얇은 폴리머 층이 방사되고 표준 포토리소그래피 기술들을 사용하여 경화된다. 개시된 기술의 일 실시 예에서, 1.5 마이크론 두께의 폴리(메틸 메타크릴 레이트)(PMMA) 층이 기판의 상측 상에 방사되어, 마이크로-LED들을 덮는다. 이러한 제조 스테이지에서는, 도 1a에 도시된 바와 같이 얇은 폴리머 층으로 코팅된, Al0.9Ga0.1As 이형층 위에 마이크로-LED 어레이가 패터닝된다. 얇은 폴리머 층은 에칭 단계들 동안 마이크로-LED들을 보호하고 마이크로-LED들의 상대적 위치를 고정하는 프레임을 제공하는 역할을 한다.
개시된 기술의 일부 실시 예에서, 다음 단계는 상이한 조성들의 AlxGa1-xAs(x는 0 내지 1 사이)의 다양한 에칭 속도를 이용한다. AlxGa1-xAs의 조성에 따라, 상이한 화학 용액들에서의 에칭 속도는 자릿수에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, Al0.9Ga0.1As는 GaAs보다 4:1 시트르산: 과산화수소에서 훨씬 더 느리게 에칭하는 반면, 불화수소산 Al0.9Ga0.1As에서는 GaAs보다 훨씬 더 빠르게 에칭한다. PMMA로 덮인 기판은 4:1 시트르산: 과산화수소의 혼합물에 장기간(예를 들어, 500 마이크론 두께 기판들의 경우 약 20 시간) 배치된다. 에칭은 GaAs 및 Al0.9Ga0.1As에 대해 선택적이므로 전체 기판을 에칭하는데 필요한 시간에, 대부분의 Al0.9Ga0.1As 층은 남는다. 이 단계는 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다. Al0.9Ga0.1As 이형층 및 PMMA 양자는 이러한 에칭 동안 AlGaAs 광학 헤테로 구조를 보호하는 역할을 한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, GaAs 기판의 에칭 이후, 나머지 PMMA/헤테로 구조/이형층 시스템은 희석된 불화수소산(HF): 탈이온수(DI) 혼합물(50:1 HF:DI)로 전사된다. 이는 마이크로-LED들보다 훨씬 빠른 속도로 Al0.9Ga0.1As 이형층을 선택적으로 에칭하여 마이크로-LED들이 임의의 감지할 수 있을 정도의 양이 에칭되기 전에 이형층이 완전히 제거되게 한다.
그 다음 마이크로-LED들을 포함하는 나머지 PMMA 필름은 도 1d에 도시된 바와 같이 실리콘 기판에 전사되기 전에 오염물들을 제거하기 위해 예를 들어, 탈이온(DI)수를 사용하는 세정 공정을 거친다. 이 경우, 전사 기판은 계속되는 본문에서 설명되는 절연체 기판 상의 PN-접합-함유 실리콘이다. 그 다음 샘플은 열판 상에서 약간 상승된 온도에서 공기 중에서 건조된다.
도 3은 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 다른 기판들에 폴리머 보조로 전사하는 예시적인 정렬 방법을 도시한다. AlGaAs 헤테로 구조들을 전사 기판에 정렬해야 하는 경우, 전사 방법은 정렬된 전사에 적응될 수 있다. 일 실시 예에서, AlGaAs 광학 헤테로 구조들 상에 폴리머, 예를 들어. PMMA가 방사되고 경화된다(310). AlGaAs 광학 헤테로 구조들은 상술된 바와 같이 GaAs 기판 상에 성장된 AlGaAs 이형층 상에 있다. PMMA 상에는 열 이형층이 방사되고 이는 GaAs 기판을 캐리어 기판에 본딩하는데 사용된다(320). 캐리어 기판은 가시 광선 또는 IR 광을 부분적으로 통과하는 임의의 강성 구조일 수 있다. 열 이형층은 PMMA를 제거하거나 녹이지 않는 온도에서 재료가 제거될 수 있도록 선택된다. 그러한 재료들의 예들은 PMMA의 녹는점 섭씨 160도보다 훨씬 낮은 온도에서 제거될 수 있는 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)를 포함한다. 다른 실시 예에서, 이러한 열 이형 층은 반도체 웨이퍼 다이싱 공정들에 보통 사용하는 열 또는 자외선(UV) 이형 테이프로 대체되도록 변형될 수 있다. 그러한 테이프들은 또한 열이나 UV 광에 노출된 후 접착력이 줄어든다. 본딩된 기판들은 GaAs 기판과 AlGaAs 이형층을 제거하기 위해 상술된 습식 에칭들에 배치된다(330). PMMA에서 AlGaAs 광학 헤테로 구조들은 강성 캐리어 기판을 사용하여, 원하는 전사 기판에 정렬되고 본딩될 수 있다(340). 정렬 이후 시스템을 충분히 높은 온도로 가열함으로써, 열 이형층이 제거되어 PMMA 또는 AlGaAs 광학 헤테로 구조들을 제거하지 않고도 캐리어 기판이 제거되게 한다(350).
공정의 이러한 시점에서, 폴리머는 표준 건식 또는 습식 에칭 기술들에 의해 완전히 제거되거나 패터닝될 수 있다(360). 예를 들어, 산소 플라즈마를 사용한 반응성 이온 에칭은 마이크로-LED들을 손상시키지 않고 PMMA를 제거하는 역할을 할 수 있다. 건식 에칭 기술을 사용하면 마이크로-LED들이 반데르발스 상호 작용에 의해 기판에 접착되어, 상대적 위치들을 유지하게 한다.
추가 접착이 필요한 경우, 도 1e에 또한 개략적으로 도시된 바와 같이, 등각 절연 재료층이 증착되어 마이크로-LED들을 기판에 접착할 수 있다(360). 일 실시 예에서, 마이크로-LED들을 기판에 부착하기 위해 원자층 증착(ALD)이 이산화 규소와 같은 유전체들을 사용하여 수행될 수 있다. 다른 실시 예에서는, 실리콘 이산화물 및 실리콘 질화물과 같은 유전체들을 생성하기 위해 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)이 수행될 수 있다.
추가 접착이 더 필요한 경우, 얇은 SU8 층(10 마이크론 두께 미만으로 증착될 수 있음)이 전사 이전에 증착되고 패터닝될 수 있다. SU8 층은 증착되거나 적은 양의 열을 받아, 발광 요소와 기판 사이의 본딩층 역할을 할 수 있다.
다른 실시 예에서, 추가 접착이 필요한 경우, 접착을 촉진하기 위해 로즈 합금과 같은 저 융점 금속들 또는 팔라듐과 같이 AlGaA에 대해 강한 본딩 속성들을 갖는 금속들이 사용될 수 있다.
도 4는 얇은, 등각 산화물을 사용하여 실리콘 기판에 전사되어 표면에 접착되는 AlGaAs 발광 다이오드들의 일례를 도시한다. 동일한 전사 동안 다양한 크기 및 형상의 LED들이 전사되었다. 왼쪽 하단에 도시된 기준자는 200 마이크론이다. 도시된 마이크로-LED들은 두께가 900 nm이고 다양한 형상 및 크기이다. 상술된 방법은 마이크로-LED들을 실리콘, 유리, 금속, 플라스틱, 폴리머 및 마이크론 규모의 니들을 포함하여 다양한 기판에 전사하는데 사용될 수 있다. 다양한 크기의 Micro-LED들은 실리콘 기판에 전사되고 ALD 실리콘 이산화물을 사용하여 접착될 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 광학 구동 및 광학 판독 신경 센서들에 대한 실리콘 CMOS 회로 및 AlGaAs 헤테로 구조의 예시적인 집적을 도시한다. 구체적으로, 도 5a는 상술된 방법들에 의해 가능해진 가능한 어플리케이션의 개략도를 예시한다. 도 5a의 센서 디바이스는 와이어가 부착되지 않고 장기 또는 조직에 내장된 것으로 도시되어 있으며, 확대도에 도시된 바와 같이, 수신되는 조명 광을 전기로 변환하여 하나 이상의 증폭기 및 신호 인코더를 갖는 CMOS 센서 회로, 및 센서 데이터를 운반하도록 변조된 광 출력을 생성하기위한 광 송신기에 전력을 공급하기 위한 조명 광을 수신하는 광전 변환 모듈을 포함한다. 광학 조명 광원은 센서 디바이스가 위치되는 조직의 영역을 조명하도록 조직 외부에 배치된다. 이러한 구체적인 예에서, 광학 빔 스플리터가 조직과 조명 광원 사이의 광로에 제공되어 조명 광을 포토다이오드(PD)와 같은 광학 모니터로의 모니터 빔 및 조직으로의 조명 빔으로 분할한다. 광학 모니터는 모니터 빔에 기초하여 조명 광의 강도를 조정하는데 사용됨으로써, 센서 디바이스에서의 광전 변환 모듈 상에 조명되는 광의 강도를 조정한다. 광학 빔 스플리터로부터 출력된 조명 빔은 광학 빔 스플리터와 조직 사이에 위치되는 광학 투영 모듈을 사용하여 조직으로 지향된다. 센서 디바이스에서의 광전 변환 모듈은 수신된 조명 광을 예를 들어, 조직과 상호 작용하여 센서 신호 형태로 원하는 측정치들을 획득하는 센서, 센서 신호를 광학 송신기에 의해 발생된 출력 광 상으로 변조되기 위한 적절한 형태로 인코딩하는데 사용되는 인코더를 포함하여 센서 디바이스의 다양한 구성요소에 에너지를 공급하는데 사용되는 전기로 변환한다. 센서는 센서 신호를 운반하도록 변조된 출력 광을 조직으로부터 조직 외부의 광학 검출 모듈이 센서 신호를 검출할 수 있도록 광학적으로 보낼 수 있다. 일 구현에서, 조명 광은 출력 광의 파장보다 짧은 파장을 갖는 연속파를 포함할 수 있다. 개시된 기술의 일부 실시 예는 뇌의 조직으로 주입되고 하나의 파장을 통해 광학 구동되며 다른 파장을 사용하여 광학 판독됨으로써 신경으로부터의 전기 신호들을 모니터링할 수 있는 셀 규모의 센서를 제공하도록 구현될 수 있다. 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 특정 GaAs 헤테로 구조는 이중 목적 광전 변환 소자 및 LED(PVLED, photovoltaic and LED)일 수 있다. 그로 인해, 집적되면, 광전 변환 소자는 전력을 제공하고, 실리콘 회로는 신호를 측정, 증폭 및 인코딩하며, 마지막으로 신호는 PVLED의 LED 기능을 사용하여 광 통신된다.
도 5b는 PV 및 LED 모드들에서 맞춤형 이중 기능 AlGaAs 광전 변환 소자/발광 다이오드(PVLED) 유닛의 I-V 곡선들로, 이중 목적 PVLED의 성능을 도시한다. 약 98%의 시간 동안 CMOS 다이 위에 장착될 때, PVLED가 전원 역할을하여, 들어오는 광을 전력으로 변환하여, ~ 0.9V에서 최소 1μA를 제공한다. 나머지 2 %의 시간 동안, PVLED는 광 송신기 역할을 하여, 광학 펄스들을 방출하여 측정된 데이터를 보다 긴 파장의 외부 수신기로 전달한다. 이를 통해 시스템은 이전에 보고된 RF 및 초음파 접근 방식들보다 더 컴팩트할 수 있다.
도 5c는 실리콘 CMOS 회로의 전기 인터커넥트들 위에 전사된 AlGaAs PVLED를 갖는 집적 디바이스의 광학 이미지를 도시하며, 하지의 CMOS 회로가 기록 전극들, 증폭, 펄스-위치 인코딩 및 PVLED 인터페이스를 통합하여 전력 및 통신을 중재하는 180nm CMOS 상의 PVLED 집적을 도시한다. 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 이중 목적 PVLED는 AlGaAs 광전 변환 소자/발광 다이오드, AlGaAs 광전 변환 소자/발광 다이오드의 애노드 및 캐소드, 및 CMOS 다이 상에 형성된 CMOS 회로의 플러스 및 마이너스 입력들을 포함한다. 개시된 기술의 일부 실시 예에서, 금속 인터커넥트들은 AlGaAs 광전 변환 소자/발광 다이오드의 애노드 및 캐소드를 CMOS 회로의 대응하는 연결부들에 전기적으로 연결하도록 패터닝된다. 특히, 금속 인터커넥트들은 금속 인터커넥트들이 10 마이크론 미만의 가장 작은 치수를 가질 수 있고 전극들 사이의 거리들이 40 마이크론 미만이 되도록 포토리소그래피로 형성될 수 있다. 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 이중 목적 PVLED는 개시된 방법들을 사용하여 AlGaAs 광학 헤테로 구조를 CMOS 회로로 전사함으로써 형성될 수 있다. 신경 조직은 주로 산란(흡수와 반대)이기 때문에, 그러한 시스템은 원칙적으로 이미징의 깊이를 훨씬 초과하는 깊이들에서, 그러나 대부분의 전극에 필요한 테더들 없이 기능할 수 있다. 그 다음 디바이스는 표준 포토리소그래피를 사용하여 전기적으로 연결된다. 도 5d는 입력 VIN-및 VIN+, 증폭기, 절대 온도 전류에 비례하는 회로를 생성하는 회로(PTAT), 시동을 위한 회로(STARTUP), 펄스 발생기(PULSE GEN), MOS 커패시터들(MOS CAP), LED 드라이버(LED DRIVER) 및 인코딩 회로(ENCODER)와 같은 구성요소들을 포함하는 상단 금속 접점들 밑의 CMOS 회로 레이아웃을 도시한다. 도 5e 및 도 5f는 함께 연결된 실리콘-PVLED 시스템에 대한 상용 증폭기의 비교 성능을 도시한다.
이러한 전사 방법에 대한 사용 범위의 다른 예시로서, 본 특허 문서는 이중 목적 광전 변환 소자/발광 다이오드(PVLED)가 정렬, 전사 및 도 5c 및 도 5d에 도시된 복합 실리콘 보완 금속-산화물-반도체(CMOS) 회로로 집적되는 일례를 제공한다. 이러한 전사 방법으로 가능해진 집적 디바이스는 신경 활동들을 모니터링할 수 있는 무선, 광학 구동 및 광학 판독 무기 셀 규모의 센서의 첫 번째 예이다.
비패턴 실리콘 및 전체 CMOS 실리콘 기판드 양자에 전사된 AlGaAs 헤테로 구조들의 전사는 본 특허 문서에서 제한이 아닌 예로서 논의되고, 그에 따라 전사 방법은 많은 상이한 실시 예를 허용한다. 동일한 전사 방법을 사용하여, 헤테로 구조의 유형 및 기판 양자가 달라질 수 있다. 이러한 방법을 사용하여 전사할 수 있는 가능한 헤테로 구조들에는 발광 다이오드들, 레이저들, 광전 변환 소자들 및 트랜지스터들이 포함되나, 이에 제한되지는 않는다. 전사 가능한 헤테로 구조들의 일부 예는 다음을 포함한다: 근적외 GaAs 레이저들; 적색 AlInP 발광 다이오드들; AlGaAs 광전 변환 소자들; 적외 InP 레이저들; 및 AlGaAs/GaAs HEMT들(high-electron-mobility transistors).
AlGaAs 헤테로 구조들이 전사될 수 있는 기판 또한 달라질 수 있다. 이러한 방법을 사용하여 AlGaAs 헤테로 구조들이 전사될 수 있는 가능한기판들에는: 반도체들(실리콘, AlGaAs, 실리콘 카바이드, 사파이어 등); 금속들(금, 백금, 알루미늄 등); 유전체들(실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 질화물 등); 유연한 기판들(PMMA, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등); 곡률이 높은 객체들(마이크로 니들, 광섬유, 마이크로 렌즈 등)을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
제조 방법들의 위에서 개시된 예들은 AlGaAs 재료 시스템에 대한 것이지만, 개시된 방법들은 다른 III-V 반도체 재료 시스템들 이를테면 GaN 및 InGaN을 이용하는 디바이스 제조에 적응될 수 있다. 상기한 방법들은 (1) 그 위에 성장될 재료 시스템에 충분히 격자 정합되고 (2) 그와 접촉하는 광학 헤테로 구조들의 층에 대해 선택적으로 에칭 가능한 이형층으로 사용될 수 있는 재료를 사용하여 구현된다. 위에서 개시된 예에서, Al0.9Ga0.1As는 격자 정합되는 이형층 역할을 하고 Al0.9Ga0.1As와 접촉하는 n형 GaAs에 대해 불화수소산을 이용하여 선택적으로 에칭되었다. 다른 실시 예에서는, GaN 또는 InGaN 광학 헤테로 구조들은 수산화 칼륨를 사용하여 선택적으로 에칭될 수 있는 (111) 실리콘 이형층 상에 성장될 수 있다. 다른 실시 예에서, GaN 또는 InGaN 광학 헤테로 구조들은 옥살산 또는 다른 전해질 용액들 이를테면 수산화 칼륨 또는 염산으로의 선택적 에칭을 가능하게 하는 고농도 도핑된 GaN 층에 인가되는 전기 바이어스(electric bias)를 이용하여 그 위에 성장될 수 았다. 그로 인해 개시된 방법들은 광전자 회로가 예를 들어, GaAs, AlGaAs, GaP, InGaP, InGaAsP, GaN, AlGaN, 또는 InGaN을 포함하는 III-V 재료 시스템들을 사용하는 발광 모듈들을 포함할 수 있게 한다.
제조에 사용된 기판들의 예들
AlGaAs 광학 헤테로 구조들 및 실리콘 전자 디바이스들을 집적하여, 셀 규모의 센서들을 위한 무선 광학 구동 무기 광전자 소자들을 가능하게 하는 기판 및 제조 방법의 예들이 후술될 것이다. 개시된 기술의 일부 실시 예를 사용하여 제조된 예시적인 센서들로부터의 광학 이미지들 및 데이터가 또한 후술될 것이다.
마이크론 규모의 AlGaAs 광학 헤테로 구조들 및 실리콘 전자 소자들을 집적하여, 셀 규모의 센서들을 위한 무선 광학 구동 무기 광전자 소자들을 가능하게 하는데에는 세 가지 주요 과제가 있다. 첫째, 실리콘 및 AlGaAs라는 두 가지 재료 시스템은 격자 정합되지 않고 그로 인해 고효율 광학 헤테로 구조들 및 고성능 실리콘 전자 소자들이 동일한 기판 상에서 쉽게 성장할 수 없다. 둘째, 실리콘 전자 소자들에 통상적으로 요구되는 상승된 온도는 대부분의 AlGaAs 광학 헤테로 구조들을 손상시킬 것이다. 두 번째 문제는 실리콘의 도펀트들에 대한 도펀트 활성화를 고려할 때 가장 두드러진다. 최신 실리콘 전자 소자들에서 n형 및 p형 도펀트들 양자는 이온 주입 및 확산을 포함한 다양한 기술을 사용하여 실리콘 기판으로 주입된다. 이러한 도펀트들의 주입 이후, 도펀트들은 통상적으로 섭씨 1000도를 초과하는 온도에서 활성화되어야 한다. 실리콘 이산화물소 및 실리콘과 같은 재료들은 이러한 상승된 온도를 손상없이 견딜 수 있지만, AlGaAs 광학 헤테로 구조들은 그러한 온도에서 보통 열화된다. 예를 들어, 600C를 초과하는 온도에서, 본 발명의 AlGaAs 마이크로-LED들에서 확산이 발생하여 방출 영역의 양자 우물들을 손상시켜, 효율이 떨어질 수 있다. 기판에서 이형될 수 있는 통상적인 실리콘 및 AlGaAs 기판 상에 무선, 셀 규모의 집적 광전자 회로들을 만들 수 있는 확립된 방법은 없다.
다른 기판에 전사 이전 별도의 GaAs(또는 유사하게 격자 정합된) 기판 상에서 AlGaAs 광학 헤테로 구조의 성장을 가능하게 하는 전사 방법을 포함하여 첫 번째 도전에 대한 해결책이 본 특허 문서에서 다루어졌다. 두 번째 및 세 번째 문제들은 또한 고성능 실리콘 전자 소자들을 가능하게 하지만 AlGaAs 광학 헤테로 구조들의 전사 이후 섭씨 600도를 초과하는 온도에서 추가 어닐링이 필요하지 않은 기판을 사용함으로써 극복될 수 있다. 뿐만 아니라, 기판 및 제조 방법을 통해 최종 집적된 셀 규모의 디바이스들이 핸들 기판에서 이형될 수 있다.
기판의 일 실시 예에서, 우리는 500 마이크론의 두꺼운 실리콘 핸들, 500 나노미터의 얇은 매립 산화물(BOX, buried oxide) 및 2 마이크론의 얇은 p형 실리콘 디바이스 층으로 구성된 실리콘 온 절연체(SOI, silicon on insulator) 기판으로 시작한다. 500 나노미터의 얇은 포스포실리케이트 유리(PSG, phosphosilicate glass) 층이 실리콘 디바이스 층 상에 증착된 다음 기판이 섭씨 1050도에서 대략 5분 동안 어닐링된다. 이러한 어닐링 양자는 실리콘 디바이스 층을 통해 부분적으로 포스포러스 도펀트들을 주입시키고 그것들을 활성화한다. 나머지 PSG 유리는 버퍼드 산화물 에천트(BOE, buffered oxide)에서 제거된다. 이 시점에서 기판은 실리콘 디바이스 층에 PN-접합이 형성된 SOI 웨이퍼로 구성된다.
위에 개시된 전사 방법을 사용하여, AlGaAs 헤테로 구조들은 PN-접합-함유 SOI 웨이퍼에 전사되고 접착될 수 있다. PN-접합이 기판 표면 상의 모든 곳에 형성되었기 때문에, 기판의 표면은 수평 대칭이고 그로 인해 기판에 정렬된 전사가 필요하지 않다.
도 6은 다음을 포함하는 이형 가능한 실리콘 및 AlGaAs 헤테로 구조들의 집적을 가능하게 하는 기판 및 예시적인 제조를 도시한다: 에칭 이전 AlGaAs 헤테로 구조 및 금속 접점들을 갖는 PN-접합 SOI 웨이퍼(610); 에칭 이후 AlGaAs 헤테로 구조들 및 실리콘 전자 소자들 및 금속 접점들을 갖는 PN-접합 SOI 웨이퍼(620)(도시된 가능한 예시적인 실리콘 전자 소자들로는 광전 변환 소자들(PV들, Photovoltaics), nMOS MOSFET들, NPN BJT들, n-채널 JFET들, MOS 커패시터들 및 실리콘 저항들이 포함된다); 에칭 이전 AlGaAs 헤테로 구조 및 금속 접점들을 갖는 PN-접합 SOI 웨이퍼(630); 및 에칭 이후 AlGaAs 헤테로 구조들 및 실리콘 전자 소자들 및 금속 접점들을 갖는 NPN-접합 SOI 웨이퍼(640)(도시된 가능한 예시적인 실리콘 전자 소자들로는 광전 변환 소자들(PV들), nMOS MOSFET들, pMOS MOSFET들, NPN BJT들, PNP BJT들, n-채널 JFET들, p-채널 JFET들, MOS 커패시터들 및 실리콘 저항들이 포함된다).
AlGaAs 헤테로 구조들을 PN-접합 함유 SOI 웨이퍼의 전사 및 접착 다음, 다양한 실리콘 전자 소자들은 다양한 실리콘 디바이스 층을 원하는 깊이로 에칭하고 디바이스 층 내 n형 및/또는 p형 실리콘과 전기 접촉시킴으로써 나노 규모에 이르기까지 AlGaAs 헤테로 구조들에 정렬되도록 제조될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, AlGaAs 헤테로 구조들과 집적될 수 있는 실리콘 디바이스들은 광전 변환 소자들, nMOS MOSFET들, n-채널 JFET들, NPN BJT들, MOS 커패시터들 및 박막 저항들(610, 620)을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 보다 일반적으로, 실리콘 디바이스 층에 NPN-접합을 갖는 기판의 일 실시 예는 추가로 보다 발달된 CMOS 디바이스들에 유용한 구성요소들인 pMOS MOSFET들, p-채널 JFET들 및 PNP BJT들을 가능하게 한다. 위의 내용은 AlGaAs 헤테로 구조들(630, 640)에 손상 없이 AlGaAs 헤테로 구조들의 전사 이후 표준 CMOS 제조 방법들로는 가능하지 않다.
PN-접합 또는 PNP-접합이 형성되고 AlGaAs 헤테로 구조들의 전사 이전에 도펀트들이 활성화되기 때문에, AlGaAs는 그러한 상승된 온도에 노출되지 않아, 상술된 두 번째 문제를 해결한다.
도 7a는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 방법들을 사용하여 기판 상에 제조된 실리콘 MOSFET들, 실리콘 광전 변환 소자들 및 AlGaAs LED들을 포함하는 예시적인 구성을 도시한다. 왼쪽 상단 코너의 기준자는 100 마이크론이다. 예시적인 구성은 또한 실리콘 MOSFET들, 실리콘 광전 변환 소자들 및 AlGaAs LED들을 서로 그리고/또는 도 1에 도시되지 않은 다른 구성요소들에 전기적으로 연결하는 금속 인터커넥트들을 포함한다. 개시된 기술의 일부 실시 예에서, 금속 인터커넥트들은 금속 인터커넥트들이 10 마이크론 미만의 가장 작은 치수를 가질 수 있고 전극들 사이의 거리가 40 마이크론 미만이되도록 포토리소그래피로 형성될 수 있다. 도 7b는 마이크론 규모의 실리콘 nMOS MOSFET의 광학 이미지 및 성능을 도시하고, 도 7c는 마이크로 규모의 실리콘 광전 변환 소자의 광학 이미지 및 성능을 도시하며, 도 7d는 마이크론 규모의 AlGaAs LED의 광학 이미지 및 성능을 도시한다. 성능 플롯들에서, uA는 마이크로 암페어의 약어로 사용된다.
집적 디바이스들을 이형하는 나머지 세 번째 과제를 해결하기 위해, 본 특허 문서는 상기한 기판을 사용하여 셀 규모의 센서들을 위한 무선, 광학 구동 무기 광전자 소자들을 생산하는 제조 방법을 제시한다.
도 8은 예시적인 기판 및 제조 방법 도해들을 도시한다. 802에서, AlGaAs 광학 헤테로 구조들이 개시된 전사 방법을 사용하여 PN-접합 함유 SOI 웨이퍼에 전사된다. 804에서, 실리콘 디바이스 층은 브롬화수소(HBr)를 사용하여 유도 결합 플라즈마(ICP, inductively coupled plasma) 기반 반응성 이온 에칭으로 다양한 깊이로 에칭된다. 이러한 단계는 실리콘 nMOS MOSFET들 및 광전 변환 소자들을 위한 메사 구조들을 형성한다. 806에서, 얇은 유전체가 ALD를 사용하여 증착되어 절연층과 게이트 유전체 양자 역할을 한다. 이러한 재료는 실리콘 이산화물, 하프늄 산화물과 같은 고-k 유전체들 또는 다른 원하는 유전체들일 수 있다. 808에서, n형 및 p형 실리콘에 대한 금속 접점들이 증착된다(산화물은 증착 이전 접촉 개구부들에서 제거된다). 그 다음 디바이스는 섭씨 350도에서 아르곤으로 어닐링되어 실리콘에 오옴 접점들을 형성한다. 다른 금속 또는 실리사이드 접점들이 대안들로 사용될 수도 있다. 810에서, 게이트 금속 및 금속 인터커넥트들이 증착된다. 예를 들어, 티타늄(40 나노미터) 및 백금(60 나노미터)을 포함하는 일련의 층이 게이트 금속으로 사용된다. 이에 제한되지는 않지만 금, 크롬, 알루미늄 및 구리를 포함하는 다른 금속들이 대안들로 사용될 수도 있다. 이에 제한되지는 않지만 폴리 실리콘 및 비정질 실리콘을 포함하는 다른 반도체 재료들이 게이트에 사용될 수도 있다.
812에서, SOI 웨이퍼의 BOX에 있는 개구들이 반응성 이온 에칭을 사용하여 에칭된다. 814에서, 이형 태그들이 증착된다. 알루미늄 또는 포토레지스트와 같은 재료들이 될 수 있는 이러한 태그들은 디바이스를 서스펜딩하고 디바이스들의 이형이 요구될 때까지 제자리에 홀딩하는 역할을 한다. 816에서, SU8 포토레지스트 층이 봉지층 역할을 하도록 패터닝된다. 감지 목적 또는 기타를 위해 요구되는 경우 금속 또는 다른 재료들을 노출시키도록 개구들이 만들 수 있다. 실리콘 이산화물, 파릴렌 또는 다른 절연체들과 같은 재료들이 대안적인 봉지층들로 사용될 수도 있다. 818에서, 디바이스 밑 실리콘 핸들이 이불화제논(XeF2)을 사용하여 에칭된다. 이러한 등방성 에칭은 노출된 임의의 다른 재료들(백금, SU8 및 실리콘 이산화물)에 비해 실리콘에 대해 매우 선택적이다. 이러한 단계에서, 봉지된 디바이스는 공기 중에 서스펜딩되어, 단지 작은 알루미늄 이형 태그들에 의해 제자리에 홀딩된다. SF6/O2와 같은 다른 건식 에칭들 또는 수산화칼륨과 같은 습식 에칭들이 대안들로 사용될 수도 있다. 820에서, 디바이스는 태그들에 대해 선택적인 에천트로 이형된다. 알루미늄 이형 태그들을 갖는 일 실시 예에서, 알루미늄 이형 태그들을 선택적으로 에칭하지만 노출된 다른 재료들은 임의의 상당한 양으로 에칭하지 않는 염산(HCl) 과 같은 희산 에칭 또는 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)과 같은 다른 용액 에천트가 사용될 수 있다. 노출된 포토레지스트 이형 태그들을 갖는 다른 실시 예에서는 , 다른 노출된 재료들을 에칭하지 않고 디바이스들을 이형하기 위해 희석 염기 또는 아세톤 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 그 다음 용액은 탈이온수 그 다음 임의의 다른 원하는 용액과 와 교환될 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 사시도를 도시하는 예시적인 기판 및 제조 방법 도해들을 도시한다. 도 9a는 SiO2 박스가 n형 및 p형 도핑 영역을 둘러싸는 n형 및 p형 도핑 영역, 및 AlGaAs LED, n형 및 p형 도핑 영역 및 SiO2 박스 밑에 위치되는 Si 핸들을 갖는 n형 및 p형 도핑 영역을 포함하는 Si 기판 상에 형성된 AlGaAs LED를 나타낸다. 도 9b는 기판 상에 배치된 Si MOSFET, AlGaAs LED, Si 광전 변환 소자들을 도시한다. 도 9c는 이형 태그들이 없는 일례를 도시하고, 도 9d는 이형 태그들을 갖는 다른 예를 도시한다. 개시된 기판 및 제조 방법은 무선, 광학 구동 셀 규모의 센서 또는 식별 디바이스들의 대규모 병렬 이형을 가능하게 한다. 센서 및 식별 디바이스들은 표준 실리콘 전자 소자들, AlGaAs 광학 헤테로 구조들 이에 제한되지는 않지만 2D 재료들(그래핀, MoS2 등), 탄소 나노튜브들 및 전이 금속 디칼코게나이드들을 포함하는 다른 호환 가능한 재료들의 임의의 원하는 구성으로 형성될 수 있다. 다음 섹션에서는, 상기한 개시 내용에 의해 가능해지는 디바이스들을 상세히 설명한다.
위의 내용을 고려하여, 개시된 기술은 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 디바이스는 기판; 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈; 및 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 센서 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성된, 상기 센서 모듈을 포함한다. 상기 센서 모듈은 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성된다. 이러한 디바이스는 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈을 포함한다. 상기 발광 모듈은 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된다. 구현에서, 감지 요소는 하나 이상의 감지 전극, 실리콘 저항 또는 나노튜브 저항과 같은 하나 이상의 저항, 또는 다른 감지 요소 설계들을 포함하는 다양한 구성일 수 있다.
개시된 기술은 리소그래피로 형성된 무선 센서들 및 디바이스들을 만드는 방법을 제공하기 위해 구현될 수 있으며, 여기서 집적, 패키징 및 조립은 평면 포토리소그래피 또는 전자 빔 리소그래피를 통해 대규모 병렬로 수행된다. 1) 비유사한 재료들의 집적, 2) 디바이스 분리, 3) 패키징 및 4) 조립을 위해 무선 디바이스들을 부피가 크거나 직렬로 만드는 기술들에 대한 이전 방법들. 개시된 기술을 가능하게 하지 않는 이러한 선행 기술들의 예들은 다음을 포함한다; 와이어-본딩, 플립-칩 본딩, 솔더 범프, 다이싱, 다이스-비포-그라인드, 픽-앤-플레이스, 스태킹 및 봉지를 위한 딥 코팅. 그러한 이전 방법들과 달리, 본 문서에 개시된 방법들은 (i) 발광 요소 모듈, (ii) 광전 변환 모듈 및 (iii) 감지 또는 식별 모듈을 포함하는 디바이스의 제조를 가능하게 하며, 여기서 모든 구성요소는 리소그래피로 형성된 전기 인터커넥트들을 갖는다. 추가적으로, 상기 방법들은 (i) 발광 요소 모듈, (ii) 광전 변환 모듈 및 (iii) 감지 또는 식별 모듈을 포함하는 디바이스들의 병렬 생산을 가능하게 한다.
개시된 기술에 기초하여, 전기 접점들의 포토리소그래피 또는 e-빔 리소그래피 형성은 그렇지 않으면 달성할 수 없는 전기 인터커넥트들의 크기 규모들 및 치수들을 가능하게 한다. 일부 실시 예에서, 가능해지는 무선 광전자 디바이스들은 40 마이크론, 30 마이크론, 20 마이크론, 15 마이크론, 10 마이크론, 5 마이크론, 3 마이크론 또는 1 마이크론 이하의 하나의 치수를 갖는 전기 인터커넥트들을 가질 수 있다. 다른 실시 예들에서, 비유사한 재료들을 연결하는 전기 인터커넥트들 사이의 피치는 40 마이크론, 30 마이크론, 20 마이크론, 10 마이크론, 5 마이크론 또는 3 마이크론 이하일 수 있다.
개시된 기술에 기초하여, (i) 리소그래피 집적, (ii) 인터커넥트들, (iii) 조립, (iii) 패키징 및 (iv) 디바이스들이 구축됐던 기판으로부터 그것들의 이형을 위한 모든 평면 기술의 사용은 그렇지 않으면 달성할 수 없는 완전히 집적된 독립형 디바이스의 크기 규모들 및 치수들을 가능하게 한다. 일부 실시 예에서, 가능해진 무선 광전자 디바이스들은 1 mm3,(500 ㎛)3,(400 ㎛)3,(300 ㎛)3,(200 ㎛)3, 또는(100 ㎛)3 미만의 치수들을 가질 수 있다.
개시된 기술에 기초하여, 센서에 물리적 연결 없이 타겟 대상 상에 센서를 주입함으로써 타겟 대상을 감지하는 것이 이루어질 수 있다. 이러한 방법에서, 조명 광은 발생된 전기 전력이 (1) 상기 타겟 대상의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 상기 타겟 대상에 관한 감지 동작을 수행하는 센서 모듈, 및 (2) 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되고 상기 전기 센서 신호를 운반하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 동작 가능한 발광 모듈에 전력을 공금하도록 상기 센서에서 광전 변환 모듈이 상기 센서를 동작시키기 위한 전기 전력을 발생하게 하기 위해 상기 타겟 대상 상에 주입된 상기 센서 상으로 지향된다. 상기 출력 광은 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하는데 사용된다.
개시된 기술의 다른 실시 예에서, 광-전자 회로를 갖는 디바이스는 기판, 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈, 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 식별 모듈로서, 상기 디바이스의 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 식별 모듈, 및 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 식별 모듈로부터 상기 전기 식별 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 식별 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함한다.
개시된 기술의 일부 실시 예에서, 상기 출력 광은 펄스-위치 변조 기법을 사용하여 변조될 수 있다. 예를 들어, 센서 모듈 또는 식별 모듈로부터 측정된 신호는 펄스들 사이의 타이밍에 인코딩된다.
무선, 자가 구동 센서 디바이스들의 예들
도 10a 내지 도 10d는 이형 가능한 디바이스들에 대한 마이크론 규모의 실리콘 및 III-V 전자 소자들 및 광전자 소자들의 대규모 직접의 예들을 도시한다. 구체적으로, 도 10a는 수천 개의 GaAs 마이크로-LED가 실리콘 핸들에 PN-접합이 형성된 실리콘-온-절연체 기판에 전사되는 18 x 18-밀리미터 칩의 광학 이미지를 도시한다. 실리콘 전자 소자들은 GaAs 마이크로-LED들에 정렬되게 제조되었다. GaAs LED들의 전사 이후, 실리콘 전자 소자들이 제조되기 전 칩 상의 예시적인 다이가 도 10b에 도시되어 있다. 도 10c는 실리콘 전자 소자들이 집적된 후의 예시적인 다이를 도시한다. 도 10d에 도시된 디바이스들은 실리콘 광전 변환 소자들로 광학 구동되고 GaAs 마이크로-LED들로 광학 판독되는 마이크론 규모의 전압 센서들을 포함한다.
위에 개시된 전사 방법, 기판 및 제조 방법들을 사용하여, 본 발명은 실리콘 핸들에서 이형될 수 있는 광전자 집적 회로들(IC들)을 규칙적으로 생산한다. 도 10a는 광학 구동, 셀 규모의 센서 및 식별 시스템들을 포함하여 AlGaAs 마이크로-LED들 및 실리콘 전자 소자들이 집적된 18 밀리미터 칩의 일례를 도시한다. 그러한 칩 상에는, 약 50개의 상이한 IC 설계 및 수천 개의 개별 IC가 있다. 개시된 기술의 일부 실시 예에서, 칩 상에 집적된 AlGaAs 마이크로-LED들 및 실리콘 전자 소자들은 금속 인터커넥트들이 10 마이크론 미만의 가장 작은 치수를 가질 수 있고 AlGaAs 마이크로-LED들의 전극들 사이의 거리들이 40 마이크론 미만이 되도록 포토리소그래피로 형성되는 금속 인터커넥트들을 통해 서로 전기적으로 연결된다.
도 11a 내지 도 11f는 GaAs LED 및 실리콘 MOSFET의 예시적인 집적 회로를 도시한다. 구체적으로, 도 11a는 Si MOSFET과 직렬로 GaAs LED를 갖는 집적 디바이스의 회로도를 도시한다. 도 11b는 게이트-소스 바이어스가 없는 집적 LED/MOSFET 시스템의 근적외광을 모니터링할 수 있는, CCD 카메라로 촬영된 광학 이미지를 도시한다. 도시된 실리콘 MOSFET, 뿐만 아니라 이미지에 도시된 다른 실리콘 전자 소자들은 GaAs LED를 전사 이후 제조되었다. 도 11c는 LED로부터 방출되는 광을 도시하며 양의 게이트-소스 바이어스가 인가된 동일한 디바이스의 광학 이미지를 도시한다. 도 11d는 게이트-소스 바이어스가 1102로부터 1106으로 증가되는 순서로 집적 디바이스의 보다 높은 배율에서 촬영된 광학 이미지들(1102, 1104, 1106)을 도시한다. 척도로, 실리콘 MOSFET의 채널 길이는 대략 2 마이크론이다. 도 11e 및 도 11f는 집적 LED/MOSFET 시스템의 성능을 도시한다. AlGaAs 마이크로-LED들 및 실리콘 전자 소자들의 집적의 일례로서, 도 11a 내지 도 11f는 직렬로 연결된 AlGaAs LED 및 실리콘 nMOS MOSFET로부터 광학 이미지들 및 데이터를 도시한다. MOSFET의 게이트에 입력되는 전기 신호는 CCD 카메라 또는 기다른광 검출기를 사용하여 판독될 수 있는 마이크로-LED 밖에서 광학 신호로 변환된다.
도 12a 내지 도 12f는 이형-호환 기판 상의 광학 구동 전압 센서 제조의 예들을 도시한다. 구체적으로, 도 12a는 광학 구동, 무선, 셀 규모의 전압 센서의 회로도를 도시한다. 도 12b는 이형-호환 가능한 기판 상의 디바이스의 광학 이미지를 도시한다. 도 12c는 마이크로-LED의 전력 출력을 게이트 전압의 함수로서 도시한다. 디바이스는 마이크론 제곱 조명당 25 나노 와트 미만으로, 회로에 전력을 제공한다. 도 12d 내지 도 12e는 상이한 입력 전압 펄스들에 대한 마이크로-LED의 전력 출력들 및 입력 전압 신호를 도시한다. 이러한 플롯들은 입력 전기 신호를 광학 신호 출력으로 변환하는 것을 도시한다. 도 12f는 광학 구동, 전압 센서에 전력을 공급하고 모니터링하기 위한 예시적인 측정 셋업을 도시한다.
개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현되는 전압 센서는 실리콘 광전 변환 소자들, 실리콘 MOSFET 및 AlGaAs 마이크로-LED를 포함할 수 있다.
구현에서, 대략 50 마이크론 x 200 마이크론 전압 센서는 그 주변의 전압 변화들을 검출한 다음 집적 마이크로-LED를 사용하여 이러한 그러한 변화들을 광학적으로 전달할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 신호는 LED의 강도 변화들로 인코딩된다. 보다 복잡한 실시 예들은 노이즈를 줄이고 전압 센서가 대략 10 나노볼트/Hz1/2에 민감하고 신호가 펄스 위치 변조를 통해 전달되는 도 5a 내지 도 5f에 도시된 바와 같은 다른 인코딩 방식들을 사용하여 출력 신호를 인코딩하기 위한 추가 특징들을 가질 수 있다. 무선, 광학 구동, 셀 규모의 센서들 양자는 개별 셀 수준에서 신경 활동들을 기록하는 것과 같은 어플리케이션들에 사용될 수 있다.
도 13a 내지 도 13e는 예시적인 무선, 광학 구동, 셀 규모의 센서 시스템들 및 어플리케이션들을 도시한다. 구체적으로, 도 13a는 사용 중인 무선, 광학 구동 셀 규모의 센서 시스템의 개략도를 도시한다. 상술된 전압 센서를 생성하는데 사용되는 동일한 기술들은 무선, 광학 구동 셀 규모의 센서 시스템들의 다양한 실시 예를 가능하게 할 수 있다. 그러한 센서 시스템의 일반적인 개략도가 도 13a에 도시되어 있다. 광학 출력(λ1)은 임의의 광학 통신 입력(λ2)과 함께 시스템에 공급된다. 공급되는 전원 및 임의의 통신 입력을 사용하여, 셀 규모의 센서 시스템은 원하는 경우 신호를 인가할 수 있다. 그 다음 센서 시스템 환경으로부터의 신호 입력은 광학적으로 전달된다(λ3). 센서 시스템들은 전압원들, 전류원들, 전압들을 측정하는 센서들 및 전류들을 측정하는 센서들을 활용할 수 있다.
도 13b 내지 도 13e는 본 개시 내용에 의해 가능해지는 예시적인 무선, 광학 구동, 셀 규모의 센서 시스템 실시 예들 및 적용 예들을 상세히 설명한다. 도 13b는 전압 센서에 대한 예시적인 적용 예로서, (b.i) 회로, (b.ii) 신경 활동을 검출하는 예시적인 적용 예, 및 (b.iii) λ3로부터 재구성되는 신호 입력의 개략도들을 포함하여 개별 신경으로부터의 전기 신호들을 측정할 수 있는 디바이스를 도시한다. 도 13c는 λ2로 전압원이 제어되는 전류 센서에 대한 예시적인 적용 예로서, 예를 들어, (c.i) 회로, (c.ii) 순환-전압 전류 측정을 수행하는 예시적인 적용 예, 및 (c.iii) λ3로부터 재구성되는 순환 전압-전류 그림의 개략도들을 포함하여 셀로부터 방출되는 도파민의 존재를 결정하기 위해 소량의 유체에서 순환-전압 측정을 수행 및 측정할 수 있는 디바이스를 도시한다. 도 13d는 λ2로 전압원 제어되는 그래핀 센서에 대한 예시적인 적용으로서, (d.i) 회로, (d.ii) 검출 DNA의 예시적인 적용 예 및 (d.iii) λ3로부터 재구성되는 신호 입력의 개략도들을 포함하여 DNA의 존재에 대한 그래핀 또는 탄소 나노튜브들의 반응을 측정할 수 있는 디바이스를 도시한다. 도 13e는 λ2로 전압원 제어되는 실리콘 센서에 대한 예시적인 적용으로서, (e.i) 회로, (e.ii) 유체 흐름 또는 온도 변화의 검출의 예시적인 적용 예 및 (e.iii) λ3로부터 재구성되는 신호 입력의 개략도들을 포함하여 유체에서의 흐름 및 난류를 모니터링하게 하는 온도의 변화들에 대한 실리콘 저항의 응답을 측정할 수 있는 디바이스를 도시한다.
본 특허 문서에 개시된 기술은 세포 규모에서 전기 및 화학 신호들을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 모니터링 방법의 예들은 신경, 신경 세포들, 심근 세포들 및 다른 생물학적 시스템들로부터의 전기 신호들의 모니터링을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 신경 활동의 뇌 매핑을 위해 병렬로 많은 디바이스가 사용될 수 있다. 모니터링 방법의 예들은 세포들 또는 다른 생물학적 시스템의 또는 그 근처의 화학 신호들 또는 화학 조성의 모니터링을 포함한다. 여기서, 뇌의 화학 물질 방출의 매핑(또는 화학 조성의 변화들의 매핑)을 위해 병렬로 많은 디바이스가 사용될 수 있다. 모니터링 방법의 예들은 포도당 수준, 산소 함량, A1C 검사, PH, 임신, 감염성 질환 및 약물 남용의 화학적 검출을 포함한다. 모니터링 방법의 예들은 용액의 특정 화학 종들에 민감한 나노 규모의 재료들(금속 전극, 터널 접합, 탄소 나노튜브, 그래핀, 다른 2D 재료들 등)으로부터의 전기 신호들의 변화들의 모니터링을 포함한다. 모니터링 방법의 예들은 또한 나노 규모 또는 마이크로 규모의 유체 채널들에서의 전기 신호들, 화학 신호들, 온도 또는 흐름의 모니터링을 포함한다. 미마이크로 유체 채널들에서 흐름, 난류 또는 용액 전도도를 매핑하는데 병렬로 많은 디바이스가 사용될 수 있다. 모니터링 방법의 예들은 광유전학을 위해 집적 AlGaAs LED들로 마이크로-생크들(micro-shanks)을 만드는데 사용될 수 있는 전사 방법을 포함한다.
제조에 사용된 대안적인 방법들의 예들
도 14는 직접된 CMOS 및 AlGaAs 헤테로 구조 셀 규모의 센서들에 대한 예시적인 대안적인 이형 방법을 도시한다. 1402에서, AlGaAs 광학 헤테로 구조가 개시된 방법들을 사용하여 CMOS 회로에 전사되고 접착된다. 1404에서, 금속 인터커넥트들이 AlGaAs 광학 헤테로 구조의 애노드 및 캐소드를 CMOS 입력들을 통해 CMOS 회로의 대응하는 연결부들에 전기적으로 연결하도록 패터닝된다. 1406에서, CMOS 유전체 층들 및 하지의 벌크 실리콘 기판을 통한 에칭들 동안 회로 및 광학 헤테로 구조를 보호하도록 듀얼 크롬 및 알루미나 마스킹 층들이 증착되고 패터닝된다. 후속 에칭들에 충분히 선택적인 한 다른 마스킹 레이어들이 사용될 수도 있다. 다른 그러한 조합들은 포토레지스트, 알루미나, 탄탈륨 산화물, 티타늄 이산화물, 크롬 및 니켈의 조합들을 포함할 수 있다. 1408에서, CMOS 유전체를 통한 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 이형된, 셀 규모의 디바이스의 원하는 크기와 형상을 에칭한다. 그러한 에칭에 적합한 예시적인 RIE 화학 물질은 CHF3 및 O2로 구성된 유도 결합 플라즈마 RIE이다. 1410에서, 크롬은 크롬 에천트에서 선택적으로 제거되고 나머지 알루미나는 실리콘으로의 딥 반응성 이온 에칭(DRIE, deep reactive ion etching) 동안 회로 및 광학 헤테로 구조를 마스킹하는데 사용된다. 실리콘으로의 에칭 깊이는 하나의 단위로 된 디바이스 또는 다이의 최종 두께를 결정하는데 사용된다. 1412에서, 예를 들어, BCl3 RIE 화학 물질에서 알루미나가 선택적으로 제거되고, 등각 봉지층이 디바이스를 코팅한 다음 CMOS 회로의 원하는 입력들에서 개방된다. SU8, 파릴렌, 실리콘 이산화물 및 다른 절연 재료들이 봉지층으로 사용될 수 있다. 1416에서, 보호 및 접착 양자를 위해, 디바이스가 디바이스-측 아래로 향하도록 전사 기판에 본딩된다. 접착/보호층은 다른 노출된 재료들에 대하여 선택적으로 에칭될 수 있도록 선택된다. 이러한 층에 사용될 수 있는 재료들의 예들은 포토레지스트, PMMA 및 다이싱 소 테이프를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 전사 기판으로는 실리콘, 사파이어 또는 다른 기판이 사용될 수 있다. 1416에서는, 딥 반응성 이온 에칭(DRIE) 또는 웨이퍼 그라인딩을 사용하여 원하는 디바이스 두께에 이르기까지 에칭된다. 이 시점에서 디바이스는 단지 접착/보호층을 통해 전사 기판에 홀딩된다. 그 다음 1418에서, 디바이스는 접착/보호층에 대해 선택적인 습식 또는 건식 에칭들을 사용함으로써 이형될 수 있다.
일 실시 예에서, UV 다이싱 소 테이프가 접착/보호층에 사용될 수 있다. 그 다음 테이프를 UV 광에 대량 노출시킴으로써 디바이스가 이형될 수 있다.
일 실시 예에서, 실리콘 이산화물은 봉지층으로 사용될 수 있고, 포토레지스트는 접착/보호층으로 사용될 수 있으며, 디바이스의 이형은 아세톤 용액을 사용하여 실현될 수 있다. 이러한 대안적인 방법을 사용하면 SOI 기판들 또는 표준 CMOS 기판들 양자로부터 셀 규모의 디바이스들의 이형이 가능할 수 있다.
설명된 제조 방법들의 예들은 일부 다른 다이싱 방법들에 비해 다이들 또는 디바이스들의 단위화를 위한 신규한 방법을 나타낸다. 다이 단위화를 위한 그러한 다른 다이싱 기술들의 일부 구현은 예를 들어, 다음을 포함하여 하나 이상의 양태에서 제한되는 경향이 있다 : (1) 다이싱은 완전히 병렬 프로세스가 아닐 수 있다, (2) 다이싱 소의 두께는 만들어지는 트렌치 또는 절단의 최소 크기를 나타낼 수 있다, 그리고 (3) 이용 가능한 형상들은 블레이드의 크기 및 방향에 의해 기하학적으로 제한될 수 있다. 상이한 방법들은 이러한 제한 사항들 중 어느 것도 겪지 않는다. (1)에 대하여, 위에서 나열된 프로세스들은 평면 리소그래피 방법들을 통해 완전히 병렬로 달성될 수 있다. 전체 웨이퍼가 단일 프로세스로 처리되어, 단위화 시간 및 비용이 줄어들 수 있다. (2)에 대하여, 에칭의 두께는 리소그래피 및 사용되는 RIE 기술들로 가능한 종횡비들에 의해서만 제한된다. 40 마이크론, 30 마이크론, 20 마이크론, 10 마이크론, 5 마이크론, 2 마이크론 및 1 마이크론 이하의 치수들을 갖는 트렌치들이 개시된 방법들을 사용하여 얻어질 수 있다. (3)에 대하여, 기하학적 형상들은 기판들 상에 리소그래피로 생성될 수 있는 형상들로만 제한된다. 각 개별 다이는 동일한 웨이퍼 상에서 그 자체의 임의의 형상을 가질 수 있다.
여기에 개시된 방법들이 무선 광전자 디바이스 단위화에 사용될 수 있지만, 이러한 방법들은 또한 디바이스들 사이에 에칭된 공간 또는 공정 동안 손실되는 커프(kerf)가 훨씬 적은 CMOS 또는 다른 반도체 다이들의 단위화에 사용될 수도 있다. 개시된 기술들로 가능한 커프의 크기 규모들은 이전 기술들을 통해 달성 가능한 것에서 벗어난 것을 나타낸다. 예를 들어, CMOS 공정 상에서, 다이들이 40 마이크론 두께를 갖는 다이싱 소를 사용하여 200 ㎛ 다이들로 단위화된다면, 웨이퍼의 대략 40 퍼센트가 다이싱으로 손실될 것이다. 이에 비해, 다이들인 개시된 방법들로 달성 가능한 가봐 같은 2 마이크론 트렌치들을 사용하여 200 ㎛ 다이들로 단위화되는 경우에는, 단위화 동안 웨이퍼의 대략 2 퍼센트만이 손실될 것이다.
추가 센서 예들
도 15a 내지 도 15d는 이형 가능한 디바이스들에 대한 마이크론 규모의 실리콘 및 III-V 전자 소자들 및 광전자 소자들의 대규모 직접을 사용하여 만들어진 센서들의 예들을 도시한다. 구체적으로, 도 15a는 실리콘 광전 변환 소자들 및 AlGaAs 마이크로-LED를 갖는 온도 센서를 도시한다. 도 15b는 도 15a의 온도 센서의 온도 감지의 샘플 특성들을 도시하며 온도의 함수로서 선형 광학 응답(상단), 온도 센서 회로도(삽입물) 및 온도 센서 옆에 있는 저항 요소를 사용한 펄싱 가열의 고속 온도 감지(하단)를 도시한다. 도 15c는 실리콘 광전 변환 소자들, 실리콘 MOSFET, AlGaAs 마이크로-LED 및 입력 전극들을 갖는 전압 센서를 도시한다. 도 15d는 도 15c의 센서의 입력 전압의 함수로서 전력 출력으로 표현되는 샘플 전압 센서 특성들(상단) 및 광학 전압 센서로부터의 고속 전압 감지 데이터(하단)를 도시한다. 여기에 도시된 디바이스들은 기판으로부터 이형되고 봉지될 수 있다. GaAs 마이크로-LED들에 대한 인터커넥트들은 와이어-본드 또는 플립-칩 방법들과는 대조적으로 포토리소그래피를 사용하여 만들어졌다.
도 16a 내지 도 16g는 무선, 광학 구동 광전자 셀 규모의 센서들의 예들을 도시한다. 구체적으로, 도 16a는 포토리소그래피로 형성된 인터커넥트들과 집적된 수천 개의 이형 가능한 무선, 광학 구동 광전자 셀 크기의 센서들을 포함하는 18 mm x 18 mm 칩들을 도시한다. 도 16b는 디바이스들의 이형 구조를 도시하는 예시적인 다이를 도시한다. 도 16c는 상기한 재료들로 설명된 바와 같이 트렌치 위에 서스펜딩되는 광학 구동, 무선 광전자 전압 및 온도 센서들을 도시한다. 도 16d는 이형 태그들의 선택적 화학적 에칭에 의해 용액으로 이형된 무선 디바이스들을 도시한다. 도 16e는 심장 세포 옆에 이형된 무선 광학 구동 광전자 디바이스를 도시한다. 도 16f는 사람의 지문의 융기부 상에 이형된 무선 광학 구동 광전자 디바이스를 도시한다. 도 16g는 생체 내에서 쥐의 뇌에 주입된 무선 광학 구동 광전자 온도 센서들을 도시한다.
개시된 바와 같은 상기한 그리고 다른 기술적 특징들은 광학 구성요소들(발광 다이오드들과 같은)을 40um 피치보다 큰 인터커넥트들을 형성하기 위해 부피가 큰 와이어-본드 또는 플립-칩 본딩을 피하면서 포토리소그래피로 형성된 인터커넥트들과 집적함으로써 일부 mm-규모의 센서보다 부피가 10,000배 더 작은 규모들의 광학 구동 무선 센서를 구성하는데 사용될 수 있다. 포토리소그래피로 형성된 인터커넥트들을 사용함으로써, 본 문서에 개시된 기술은 예를 들어, 모든 전기 인터커넥트가 10 마이크론 미만의 치수를 갖는 보다 작은 크기의 집적을 달성하는데 사용될 수 있다.
일부 예시적인 적용 예에서, AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 전사하는 방법은 다음을 포함할 수 있다: 헤테로 구조들과 기판 사이에 "중간 선택적 에칭 층"을 갖는 AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 기판 상에 생성하는 단계; 광학 헤테로 구조들 상에 폴리머 층을 증착하는 단계; 화학 혼합물(시트르산 및 과산화수소)로 기판을 에칭하는 단계; 별개의 화학 혼합물(희석된 HF)로 중간 선택적 에칭 층을 에칭하는 단계; 폴리머/광학 헤테로 구조 시스템을 전사 기판에 전사하는 단계. 일 실시 예에서, AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 전사하는 방법은 건식 에칭 방법을 사용하여 폴리머를 제거하는 단계; 등각 절연 재료(ALD, PECVD 등)를 증착하여 디바이스들을 전사 기판에 접착하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적인 실시 예에서, AlGaAs 시스템 헤테로 구조들을 전사하는 방법은 다음을 포함할 수 있다: 광학 헤테로 구조들과 기판 사이에 "중간 선택적 에칭 층"을 갖는 AlGaAs 시스템 광학 헤테로 구조들을 기판 상에 생성하는 단계; 광학 헤테로 구조들 상에 폴리머 층을 증착하는 단계, 별개의 화학 혼합물(희석된 HF)로 중간 선택적 에칭 층을 에칭하는 단계; 및 폴리머/광학 헤테로 구조 시스템을 전사 기판에 전사하는 단계.
개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 예시적인 기판으로서, 실리콘 전자 소자들 및 AlGaAs 시스템 광학 헤테로 구조들의 집적을 위한 기판은 다음을 포함할 수 있다: 실리콘-온-절연체 기판 상에 전사되는 광학 헤테로 구조; 두께가 100 마이크론 미만인 실리콘 핸들. 도펀트들이 활성화된 실리콘 핸들에 pn-접합이 형성되었고; 실리콘 디바이스 층이 에칭되었고; n형 실리콘의 적어도 하나의 영역에 전기 접촉이 이루어졌으며; p형 실리콘의 적어도 하나의 영역에 전기 접촉이 이루어졌다.
개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 예시적인 디바이스로서, 전자 및 광학 디바이스는 다음을 포함할 수 있다: 기판; 및 다음을 포함하는 디바이스; 하나 이상의 마이크론 규모의 AlGaAs 시스템 광학 헤테로 구조; 적어도 하나의 트랜지스터; 적어도 하나의 광전 변환 소자. 세 개의 구성요소는 전자기 복사의 조명 하에서, 전류가 세 개의 구성요소를 통과하고, 트랜지스터에 연결된 전압 또는 전류의 변화로 인해 AlGaAs 광학 헤테로 구조를 통과하는 전류가 변조되며, 상기 전류의 변조는 AlGaAs 시스템 광학 헤테로 구조로부터 방출되는 광의 양을 변화시키도록 하는 구성으로 전기 인터커넥트들과 연결된다. 디바이스 구성요소들의 모든 치수는 1000 마이크론 미만이다.
개시된 예들에서, "무선"은 디바이스로부터 나오는 전기 인터커넥트들을 갖지 않는 디바이스를 기술하는데 사용된다. 전기 인터커넥트들은 디바이스 내부에 있다. 디바이스가 모든 치수가 100 마이크론 미만인 무선 디바이스라고 한다면 디바이스를 경계로 하는 100 마이크론 경계 외부로 연장되는 전기 인터커넥트가 없다. "셀-규모", "세포 규모" 및 "셀 크기"는 모든 측 상에서 모든 치수가 500 마이크론 미만인 객체를 기술하는데 통용된다. "마이크로-LED"라는 용어는 모든 측 상에서 모든 치수가 1 밀리미터 미만인 발광 다이오드를 기술하는데 사용된다. "헤테로 구조(heterostructure)"라는 용어는 광학 또는 전자 디바이스를 생산하기 위해 기판 상에 성장되는 재료들의 임의의 일련의 층을 기술하는데 사용된다. "광학 헤테로 구조"라는 용어는 광을 방출하거나 흡수하는 능력을 갖는 기판 상에 성장 되는 재료들의 구조들 또는 층들을 기술하는데 사용된다. 이는 발광 다이오드들, 레이저들, 광전 변환 소자들, 뿐만 아니라 다른 광학 요소들을 포함할 것이다. "AlGaAs 재료 시스템", "AlGaAs 시스템", "AlGaAs", "AlGaAs/GaAs" 및 "AlGaAs/GaAs 시스템"이라는 용어들은 광학 헤테로 구조들이 생성될 수 있게 하기 위해 GaAs에 충분히 격자 정합되는 임의의 재료 또는 재료들의 층들을 기술하는데 통용된다.. 이는 광학 헤테로 구조들을 생성하기 위해 모두 동일한 기판 상에 성장될 수 있는 GaAs, AlGaAs, AlGaInP, GaAsP, AlInP, 및/또는 GaP와 같은 재료 시스템들을 포함할 것이다. "AlGaAs 헤테로 구조"라는 용어는 AlGaAs 시스템으로부터의 재료로 만들어진 헤테로 구조 또는 광학 헤테로 구조를 기술하는데 사용된다. "제조", "마이크로 제조" 및 "나노 제조"는 나노미터 내지 밀리미터 규모의 디바이스들의 제조 또는 생산을 기술하는데 통용된다. "광(light)"및 "전자기 방사(electromagnetic radiation)"는 통용된다. "BJT"는 바이폴라 접합 트랜지스터의 약자이다. "JFET"는 접합 게이트 전계 효과 트랜지스터의 약자이다.
개시된 기술의 일부 실시 예에서, 광전 변환 소자는 전력을 제공하고, 실리콘 회로는 신호를 측정, 증폭 및 인코딩하며, 마지막으로 신호는 PVLED의 LED 기능을 사용하여 광 통신된다.
도 17a 내지 도 17b는 근처 신경들에 의해 생성되는 전기장을 샘플링하기 위해 ~150㎛ 떨어져 이격되는 두 개의 감지 전극 간 차분 신호를 부스팅하는 시스템의 블록도 및 증폭기의 도해를 도시한다. 구체적으로, 도 17a는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 시스템의 블록도를 도시한다. 도 17b는 시동 회로 및 필터링 회로를 포함하는 증폭기의 개략도를 도시한다. PVLED로부터의 총 전류의 대략 절반(1㎄의 500nA)은 입력 차동 쌍(M1 & M2)을 통해 저잡음 증폭을 제공하는데 사용된다. 한 쌍의 NFET(M3 & M4)는 고역 통과 활성 부하들로 작용한다: 증폭기 출력은 의사 저항들로 작용하고 MOS 커패시터들에 의해 분로되는 트랜지스터들을 통해 게이트들로 피드백된다. 그에 따라, M3 및 M4는 저주파수들(<<1Hz)에서 저임피던스를 제공하지만 관심 있는 신경 대역(>10Hz)에서는 고저항을 제공한다. 마지막으로, 한 쌍의 다이오드-연결 PFET(M5 & M6)는 제어되는 중간 대역 이득에 정합되는 부하를 제공하며, 병렬 MOS 커패시터들은 약 10KHz에서 저역 통과 코너를 설정하여 보다 고차 앨리어싱 항들을 억제한다. 고역 통과 부하로 인해 시동 시간이 엄청나게 길어지는 한편 조명은 일시적일 수 있으므로, 고역 통과 저항들은 VDD 시동시 저저항 상태로 잠깐 설정되어, 스위칭 이전에 DC 오프셋들 및 바이어스 상태를 그것들의 정상적인 고저항 상태로 신속하게 교정한다. 증폭기 및 다른 모든 회로는 공급-불변 PTAT 유사 전류원으로부터 바이어싱되어 조명 변동 또는 출력 광 펄스 생성 동안 VDD의 변동에 대한 내성을 제공한다.
개시된 기술의 일부 실시 예는 광자당 높은 정보 효율을 위한 신호 인코딩을 위해 펄스 위치 변조(PPM)를 사용할 수 있다. 도 18a 내지 도 18d는 증폭기가 펄스-위치 인코더를 구동하는 한편, 10KHz 이완 발진기가 주기 펄스를 발생시켜, 커패시터(C1)을 VDD로 충전시키는 것을 도시한다. 구체적으로, 도 18a 및 도 18b는 PPM 인코더 및 관련 타이밍도를 도시하고, 도 18c 및 도 18d는 펄스 발생기 및 관련 타이밍도를 도시한다. 이러한 리셋 이후, 커패시터는 증폭기의 출력으로부터 발생된 두 개의 차동 전류 중 하나에 의해 방전된다. 그 결과는 듀티 사이클이 측정된 전압의 역을 반영하는 구형파이다. 고정 전류들은 듀티 사이클을 20% 내지 80 % 사이의 범위로 구속한다. T-플립-플롭은 두 개의 상보 전류 중 커패시터를 방전하는 것을 선택하여, 클록 사이클들의 사이를 교대하며, 이와 같은 삼각파는 천천히 변화하는 광 레벨로 인한 변동으로부터 신호를 분리할 수 있다. 그 결과 구형파는 전류가 부족한 인버터들의 지연 라인을 통과하고, 에지들이 조합되어 구형파의 상승 및 하강 에지들 양자 상에서 펄스들을 발생시킨다. 이러한 신호들의 타이밍은 도 18b 및 도 18d에 도시되어 있다. 보다 넓은 펄스는 1㎲ 동안 PVLED에서 VDD를 분리하고, 다른 두 개의 펄스는 3-커패시터(각각 1.2pF) 차지 펌프를 전환하여, 병렬 구성으로부터 직렬 구성으로 전환하며, PVLED에 연결하여 예리한(<100ns) 전류 펄스를 전달한다. 이완 발진기의 각 사이클은 PVLED를 통해 두 개의 광 펄스를 발생시키는데, 하나는 사이클의 시작 부분에, 다른 하나는 20㎲ 내지 80㎲ 사이 후에 발생되며, 이러한 시간 차이는 입력 전압을 나타낸다. 펄싱 이벤트들 동안(그것이 PVLED에서 분리될 때) VDD가 과도하게 떨어지지 않도록, 16pF의 분리 커패시턴스가 설치된다. 또한, PVLED는 유한한 양의 순간 전류만 공급할 수 있기 때문에, 그리고 과도한 공급 리플을 피하기 위해, 차지 펌프 커패시터들은 약 10㎲에 걸쳐 천천히 재충전된다. 20㎲의 최소 펄스 간격은 각 펄스 이전에 차지 펌프가 완전히 충전되도록 한다. 마지막으로, PVLED 및 CMOS의 조립을 용이하게 하기 위해, 교차-커플링된 정류기(극성 교정기)가 구현되어 그것의 패드들의 PVLED 극성에 관계없이 시스템 기능을 보장한다.
도 19a 내지 도 19b는 광학 출력 펄스의 예시적인 측정(도 19a), 및 연관된 재구성된 1KHz 파형(도 19b)을 도시한다. 도 19c 내지 도 19d는 신호 이득을 주파수(도 19c) 및 진폭(도 19d)의 함수로서 도시한다. CMOS 회로는 210㎛x90㎛의 활성 면적을 가진 180nm CMOS로 제작된다. 검사를 위해, CMOS는 PVLED에 본딩될 수 있다. 뇌 조직에 대한 안전 한계의 약 1/6인 약 50nW/㎛2의 대역 통과 백색광(380nm-720nm)으로 조명될 때, 광 펄스들은 도 19a에 도시된 바와 같이 예상대로 측정된다. 전압 신호들로 입력 전극들을 구동하면 펄스들의 타이밍이 변조되어, 이로부터 1KHz 검사 신호에 대해 여기서 도시된 바와 같이 입력이 성공적으로 재구성된다. 시스템은 1Hz-10KHz에 걸친 140ns/㎶의 변환 이득을 갖고 >3mVPP(1.1VRMS) 입력들에 대해 이득이 압축되는 반면 잡음층을 기준으로 하는 입력은 약 21㎶RMS이다. (도 5a에 도시된 바와 같은 연속적인 노출과 반대되는) 펄스 구동 환경에서 그것의 잠재적인 사용을 위한 시스템의 기상 특성들은 시스템이 1ms 미만에 기상하게 할 수 있다.
도 19a는 또한 20 kHz 부근, 그러나 여러 소수 자릿수까지 정확하게 측정될 수 있는 특정 주파수, 예를 들어, 19,857.12 Hz에서 통신하는 디바이스의 일례를 도시한다. 이러한 정보는 개별 센서의 신원을 제공한다. 디바이스들 간의 작은 제조 차이들로 인해 클록 사이크들이 약간 상이하다. 그로 인해 19,857.12 Hz의 클록 사이클로 동작하는 예시적인 디바이스는 클록 사이클이 18,354.47 Hz인 디바이스와 구별될 수 있다. 시스템의 이러한 기능은 광 및 무선 통신되는 고유한 신원을 디바이스에 부여한다.
도 28은 디바이스의 신원을 나타내는 미리 결정된 전기 식별 신호를 발생하도록 구성된 완전히 집적된 독립형 무선 광학 디바이스의 일 실시 예를 도시한다. 광전 변환 모듈은 공급 전압(VDD)으로 식별 모듈에 전원을 공급하도록 구성된다. 이러한 전력은 회로의 클록 역할을 하는 주기 펄스를 제공하는 이완 발진기(예를 들어, 클록(CLOCK)이라고 라벨링된 클록 발생기)를 턴 온시킨다. X 카운터 및 Y 카운터로 라벨링된 카운터들의 집합, 예를 들어, 링 카운터는 메모리 요소(예를 들어, 메모리(MEMORY)로 라벨링된 메모리)에 공급되는 X 디코더 및 Y 디코더로 라벨링된 디코더들의 집합에 전기 신호를 제공한다. 메모리 요소의 출력은 저전압, 접지 또는 고전압 VDD 중 어느 하나의 일련의 전압이다. 메모리 요소의 출력은 전기 식별 신호를 운반하여 전기 식별 신호를 디바이스 밖으로 무선 및 광 송신하도록, 발광 모듈의 출력 광을 변조하도록 구성된다. 일 실시 예에서, 발광 모듈로부터의 광의 출력 펄스들의 타이밍은 디바이스의 신원을 송신한다. 다른 실시 예에서는, 발광 모듈로 라벨링된 발광 모듈로부터의 광 펄스들의 시퀀스가 디바이스의 신원을 송신한다. 식별 모듈은 디바이스의 메모리를 리셋하여, 모든 메모리 요소를 방전하는 카운터 및 리셋(예를 들어, 카운터 및 리셋으로 라벨링된 기능 블록)을 갖도록 더 구성된다.
도 20a 내지 도 20b는 광학 펄스들(도 20a) 및 디코딩된 신호(도 20b)의 개시를 도시하여, 시동을 도시한다. 도 20c 내지 도 20s는 기준선을 제공하기 위해 상업용 증폭기를 통해(도 20c) 그리고 광학 구동 및 통신하는 본 시스템을 사용하여(도 20d) 병렬로 측정된 기계적 자극시 지렁이 복신경에 관한 신경 기록을 도시한다. 실제 신경 신호들을 인코딩하는 시스템의 기능을 입증하기 위해, 입력 전극들이 프로브들을 사용하여 지렁이의 복신경 코드에 연결될 수 있으며, 상용 신경 증폭기가 병렬로 연결되어 기준 기준선을 제공한다. 도 20c 내지 도 20s는 통신 및 전력이 순 광학일 때에도, 복합 스파이크들이 출력 광학 펄스들에서 정확하게 인코딩되었음을 명확하게 도시한다.
도 21은 전력 소비(왼쪽 상단) 및 Si 면적(오른쪽 상단)에 의한 설계의 항복을 도시한다. 앞서 강조했듯이, 전력 소비는 메인 증폭기 및 차지 펌프에 의해 좌우된다. 면적은 증폭기(플리커 노이즈 감소용), LED 드라이버 및 분리에 의해 좌우된다. 도 6의 하단은 종래 기술과의 비교표를 도시한다.
도 22는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 집적 회로 센서의 일례를 도시한다. 상술된 바와 같이, 그러한 광학 무선 집적 회로 센서들은 신경 활동을 위한 주입형 의료 진단, 암 세포 성장에 대한 온도 모니터링 등에 사용될 수 있다. 개시된 기술의 다양한 실시 예는 마이크로 유체, 랩-온-어-칩, 작은 샘플 재료들의 열적 속성들과 같은 마이크론 규모의 시스템들 또는 재료들에서 시스템 모니터링을 구현하는데 사용될 수 있다.
도 23은 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 센서 디바이스(2300)의 일례를 도시한다. 광학 무선 센서 디바이스(2300)는 광전 변환 모듈(2302), 센서 모듈(2304) 및 발광 모듈(2306)을 포함할 수 있다. 광전 변환 모듈(2302)은 광(L1)을 전기로 변환하도록 구성된다. 센서 모듈(2304)은 광전 변환 모듈(2302)에 의해 발생된 전기로부터 전력을 수신하도록 광전 변환 모듈(2302)에 커플링된다. 센서 모듈(2304)은 응답을 생성하기 위해 타겟물(2310)에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성된다. 센서 모듈(2304)은 또한 감지 요소로부터의 응답에 기초하여, 타겟물(2310)의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시킬 수 있다. 발광 모듈(2306)은 광전 변환 모듈(2302)에 의해 발생된 전기로부터 전력을 수신하고 센서 모듈(2304)로부터 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링된다. 발광 모듈(2306)은 또한 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 전기 센서 신호를 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광(L2)을 생성할 수 있다.
도 24는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 센서 디바이스(2400)의 일례를 도시한다. 광학 무선 센서 디바이스(2400)는 전자기 방사(L1 및 L2)를 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈(2402)을 포함한다. 광학 무선 집적 회로 센서(2400)는 또한 광전 변환 모듈에 의해 발생된 전기를 수신하도록 광전 변환 모듈에 커플링되는 센서 모듈(2404)을 포함한다. 센서 모듈(2404)은 감지 요소(2406) 및 통신 요소(2405)를 포함한다. 감지 요소(2406)는 타겟물(2410)에 반응하여 응답을 생성하고, 통신 요소(2405)는 감지 요소(2406)로부터의 응답에 기초하여, 타겟물(2410)의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된다. 광학 무선 센서 디바이스(2400)는 또한 전기를 수신하도록 광전 변환 모듈(2402)에 커플링되고 전기 센서 신호를 수신하고 전기 센서 신호를 변환하여 타겟물(2410)의 속성을 나타내는 전자기 방사(L3)를 출력하도록 센서 모듈(2404)의 통신 요소(2305)에 커플링되는 발광 모듈(2408)을 포함한다. 광전 변환 모듈에 의해 발생된 전기는 센서 모듈(2404) 및 발광 모듈(2408)에 전력을 공급하는데 사용된다. 개시된 기술의 일 실시 예에서에서, 광전 변환 모듈에 의해 발생된 전기는 또한 센서 모듈(2404) 및 발광 모듈(2408)을 제어하기 위한 전기 제어 신호들을 발생시키는데 사용될 수도 있다. 개시된 기술의 일 실시 예에서, 방사선(L1)은 센서 모듈(2404) 및 발광 모듈(2408)을 동작시키기 위한 전력으로 변환되고, 방사선(L2)은 센서 모듈(2404) 및/또는 발광 모듈(2408)의 동작들과 연관된 정보 이를테면 센서 모듈(2404) 및/또는 발광 모듈(2408)을 제어하기 위한 명령들로 변환된다. 여기서, 방사선(L2)의 광 파장은 방사선(L1)의 광 파장과 상이할 수 있다.
도 25는 개시된 기술의 일부 실시 예에 기초하여 구현된 광학 무선 식별 디바이스(2500)의 일례를 도시한다. 광학 무선 식별 디바이스(2500)는 광전 변환 모듈(2502), 식별 모듈(2504) 및 발광 모듈(2506)을 포함할 수 있다. 광전 변환 모듈(2502)은 광(L1)을 전기로 변환하도록 구성된다. 식별 모듈(2504)은 광전 변환 모듈(2502)에 의해 발생된 전기로부터 전력을 수신하도록 광전 변환 모듈(2502)에 커플링된다. 식별 모듈(2504)은 디바이스의 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성된다. 발광 모듈(2506)은 또한 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 전기 식별 신호를 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광(L2)을 생성할 수 있다.
도 26은 VPD 및 t가 각각 광검출기 출력 및 펄스 간격(일차 및 이차 사이의)을 표기하는 펄스-위치 변조(PPM, pulsed-position modulation) 인코딩의 일례를 도시한다. 개시된 기술의 일부 실시 예에서, 상기 출력 광은 펄스-위치 변조 기법을 사용하여 변조될 수 있다. 예를 들어, 센서 모듈 또는 식별 모듈로부터 측정된 신호는 도 26에 오시된 바와 같이 펄스들 사이의 타이밍에 인코딩된다. 펄스들의 하나의 집합, "일차 피크"는 일정한 규칙적인 빈도로 발생한다. 펄스들(모든 다른 펄스)의 다른 집합, "이차 피크"는 입력 신호를 인코딩한다. 이러한 구현 예에서, 펄스들 사이의 시간은 전압을 인코딩한다. 이러한 방식으로, 출력 광은 전기 센서 신호 또는 전기 식별 신호를 무선으로 운반하여 전기 센서 신호를 디바이스 밖으로 무선 및 광 송신하도록 변조될 수 있다.
도 27은 타겟물을 감지하기 위한 예시적인 방법을 도시한다. 상기 방법은 2702에서, 센서에 물리적 연결 없이 타겟 대상 상에 상기 센서를 주입하는 단계, 2704에서, 발생된 전기 전력이 (1) 상기 타겟 대상의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 상기 타겟 대상에 관한 감지 동작을 수행하는 센서 모듈, 및 (2) 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되고 상기 전기 센서 신호를 운반하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 동작 가능한 발광 모듈에 전력을 공금하도록 상기 센서에서 광전 변환 모듈이 상기 센서를 동작시키기 위한 전기 전력을 발생하게 하기 위해 상기 타겟 대상 상에 주입된 상기 센서 상으로 조명 광을 지향시키는 단계, 및, 2706에서, 상기 출력 광을 사용하여 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신함으로써 상기 타겟 대상의 상기 속성을 나타내는 정보를 수신하는 단계를 포함한다.
본 특허 문서에는 많은 세부 사항이 포함되어 있지만, 이것들은 임의의 발명의 범위 또는 청구 대상에 대한 제한으로 해석되어서는 안 되며, 특정 발명들의 특정 실시 예들에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로 해석되어야 한다. 개별 실시 예들의 맥락에서 본 특허 문서에 설명된 특정 특징들은 또한 단일 실시 예에서 조합하여 구현될 수 있다. 반대로, 단일 실시 예의 맥락에서 설명된 다양한 특징은 또한 다수의 실시 예에서 별개로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 더욱이, 특징들이 특정 조합들로 작용하는 것으로 상술될 수 있고 심지어 처음에 그렇게 주장될 수도 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징은 경우에 따라 조합으로부터 절제될 수 있고, 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형에 관할 수 있다.
유사하게, 동작들이 특정 순서로 도면들에 도시되어 있지만, 이는 바람직한 결과들을 달성하기 위해 그러한 동작들이 도시된 특정 순서 또는 순차적 순서로 수행되거나 모든 예시된 동작들이 수행될 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 더욱이, 본 특허 문헌에 설명된 실시 예들에서 다양한 시스템 구성요소들의 분리는 모든 실시 예에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
단지 몇 가지 구현 및 예가 설명되고 다른 구현, 향상 및 변형이 본 특허 문서에 설명되고 예시된 것에 기초하여 이루어 질 수 있다.

Claims (61)

  1. 광-전자 회로를 갖는 디바이스로서,
    기판;
    상기 기판에 체결되고 입력 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈;
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 센서 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되고, 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성되는, 상기 센서 모듈; 및
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함하는, 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 발광 모듈을 상기 광전 변환 모듈 및 상기 센서 모듈에 전기적으로 연결하도록 구성된 하나 이상의 전기 인터커넥트를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전기 인터커넥트는 10 마이크론 미만의 치수를 갖는, 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 광-전자 회로를 갖는 디바이스는 1 mm3 미만의 볼륨을 갖도록 구성되는, 디바이스.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 식별 모듈을 더 포함하며, 상기 식별 모듈은 상기 디바이스의 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성되고, 상기 발광 모듈은 상기 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 식별 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성되는, 디바이스.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 출력 광은 펄스-위치 변조(PPM) 인코딩 기법을 사용하여 변조되는, 디바이스.
  6. 청구항 4에 있어서, 단지 미리 결정된 입력 광의 수신시 상기 전기 식별 신호를 운반하도록 변조된 상기 출력 광을 출력하도록 구성되는, 디바이스.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 미리 결정된 입력 광은 미리 결정된 주파수를 갖는 광을 포함하는, 디바이스.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 미리 결정된 입력 광은 미리 결정된 시퀀스의 광 펄스들을 포함하는, 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 모듈은 CMOS 회로를 포함하고,
    상기 발광 모듈은 III-V 또는 II-VI 화합물 반도체들을 포함하는, 디바이스.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전 변환 모듈은 Si 또는 AlGaAs 또는 다른 것들과 또는 다른 것들 없이 Si 및 AlGaAs의 조합을 포함하는, 디바이스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 타겟물의 온도를 나타내는 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 디바이스.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 타겟물 내 생물 물질 또는 화학 물질 또는 상기 타겟물의 전기적 속성 또는 다른 것들과 또는 다른 것들 없이 상기 타겟물 내 상기 생물 물질, 상기 타겟물 내 상기 화학 물질 및 상기 타겟물의 상기 전기적 속성 중 임의의 둘 이상을 나타내는 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 디바이스.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지 요소는 감지 전극을 포함하고,
    상기 센서 모듈은 상기 감지 전극을 통해 상기 타겟물로서 하나 이상의 신경과 상호 작용하는 것으로부터 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성되는, 디바이스.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 감지 요소를 통해 상기 타겟물로서 유체와 상호 작용하는 것으로부터 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성되는, 디바이스.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 감지 요소를 통해 상기 타겟물로서 조직과 상호 작용하는 것으로부터 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성되는, 디바이스.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 디바이스가 살아있는 대상에 주입되게 하기 위해 상기 광전 변환 모듈, 상기 센서 모듈 및 상기 발광 모듈을 봉지하는 하나 이상의 봉지 구조를 더 포함하는, 디바이스.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판에 체결되고 상기 디바이스의 동작과 연관된 정보를 운반하는 입력 광 통신 신호를 수신하도록 동작 가능한 광학 수신기를 더 포함하는, 디바이스.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지 요소는 감지 전극 또는 감지 저항 또는 감지 나노구조 또는 다른 것들과 또는 다른 것들 없이 상기 감지 전극, 상기 감지 저항 및 상기 감지 나노구조 중 임의의 둘 이상의 조합을 포함하는, 디바이스.
  19. 광-전자 회로를 갖는 디바이스로서,
    기판;
    상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈;
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 식별 모듈로서, 상기 디바이스의 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 식별 모듈; 및
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 식별 모듈로부터 상기 전기 식별 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 식별 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함하는, 디바이스.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 발광 모듈을 상기 광전 변환 모듈 및 상기 식별 모듈에 전기적으로 연결하도록 구성된 하나 이상의 전기 인터커넥트를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전기 인터커넥트는 10 마이크론 미만의 치수를 갖는, 디바이스.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 광-전자 회로를 갖는 디바이스는 1 mm3 미만의 볼륨을 갖는, 디바이스.
  22. 청구항 19에 있어서, 미리 결정된 입력 광의 수신시 상기 전기 식별 신호를 운반하도록 변조된 상기 광을 출력하도록 구성되는, 디바이스.
  23. 청구항 19에 있어서, 상기 출력 광의 스펙트럼에 기초하여 식별되는, 디바이스.
  24. 청구항 19에 있어서, 상기 출력 광은 펄스-위치 변조(PPM) 인코딩 기법을 사용하여 변조되는, 디바이스.
  25. 광-전자 회로를 갖는 디바이스로서,
    기판;
    상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광-전자 모듈; 및
    상기 기판에 체결되고 상기 광-전자 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 식별 모듈로서, 상기 디바이스의 신원을 나타내는 전기 식별 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 식별 모듈을 포함하며,
    상기 광-전자 모듈은 상기 식별 모듈로부터 상기 전기 식별 신호를 수신하도록 그리고 상기 전기 식별 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 식별 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성되는, 디바이스.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 광-전자 모듈을 상기 식별 모듈에 전기적으로 연결하도록 구성된 하나 이상의 전기 인터커넥트를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전기 인터커넥트는 10 마이크론 미만의 치수를 갖는, 디바이스.
  27. 청구항 25에 있어서, 상기 광-전자 회로를 갖는 디바이스는 1 mm3 미만의 볼륨을 갖는, 디바이스.
  28. 청구항 25에 있어서, 미리 결정된 입력 광의 수신시 상기 전기 식별 신호를 운반하도록 변조된 상기 광을 출력하도록 구성되는, 디바이스.
  29. 청구항 25에 있어서, 상기 출력 광의 스펙트럼에 기초하여 식별되는, 디바이스.
  30. 광-전자 회로를 갖는 디바이스로서,
    기판;
    상기 기판에 체결되고 입력 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되고, 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성되는, 상기 광전 변환 모듈; 및
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 광전 변환 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함하는, 디바이스.
  31. 청구항 30에 있어서, 상기 발광 모듈을 상기 광전 변환 모듈에 전기적으로 연결하도록 구성된 하나 이상의 전기 인터커넥트를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전기 인터커넥트는 10 마이크론 미만의 치수를 갖는, 디바이스.
  32. 청구항 30에 있어서, 상기 광-전자 회로를 갖는 디바이스는 1 mm3 미만의 볼륨을 갖는, 디바이스.
  33. 광-전자 회로를 갖는 디바이스로서,
    기판;
    상기 기판에 체결되고 입력 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈; 및
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 구성된 광-전기 신호 변환 모듈로서, 타겟물에 반응하여 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 생성하고, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 광-전기 신호 변환 모듈을 포함하는, 디바이스.
  34. 청구항 33에 있어서, 상기 발광 모듈을 상기 광전 변환 모듈에 전기적으로 연결하도록 구성된 하나 이상의 전기 인터커넥트를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전기 인터커넥트는 10 마이크론 미만의 치수를 갖는, 디바이스.
  35. 청구항 33에 있어서, 상기 광-전자 회로를 갖는 디바이스는 1 mm3 미만의 볼륨을 갖는, 디바이스.
  36. 광-전자 회로를 갖는 디바이스를 구성하기 위한 방법으로서,
    제1 반도체 기판 위에 반도체 이형층을 형성하는 단계;
    상기 반도체 이형층 위에 광전자 반도체 구조들을 제조하는 단계;
    형성되는 폴리머 층에 제조된 상기 광전자 반도체 구조들이 내장되도록 상기 반도체 이형층 위에 제조된 상기 광전자 반도체 구조들 위에 폴리머 층을 형성하는 단계;
    상기 폴리머 층 및 상기 폴리머 층에 내장되는 제조된 상기 광전자 반도체 구조들이 분리된 어셈블리가 되도록 상기 폴리머 층 및 상기 폴리머 층에 내장되는 제조된 상기 광전자 반도체 구조들에서 상기 반도체 이형층을 제거하기 위한 에칭 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 폴리머 층 및 상기 폴리머 층에 내장되는 제조된 상기 광전자 반도체 구조들을 제2 반도체 기판에 전사하는 단계를 포함하는, 방법.
  37. 청구항 36에 있어서, 상기 반도체 이형층을 제거하기 위한 상기 에칭 공정을 수행하기 전에, 상기 반도체 이형층이 에칭된 후 제조된 상기 광전자 반도체 구조들을 일시적으로 홀딩하기 위한 캐리어 기판에 이형층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  38. 청구항 36에 있어서,
    제조된 상기 광전자 반도체 구조들은 근적외 GaAs 레이저들 또는 적색 AlInP 발광 다이오드들 또는 AlGaAs 광전 변환 소자들 또는 적외 InP 레이저들 또는 AlGaAs/GaAs HEMT들(AlGaAs/GaAs high-electron-mobility transistors) 또는 다른 것들과 또는 다른 것들 없이 상기 근적외 GaAs 레이저들, 상기 적색 AlInP 발광 다이오드들, AlGaAs 광전 변환 소자들, 적외 InP 레이저들, 및 HEMT들 중 임의의 둘 이상의 조합을 포함하는, 방법.
  39. 청구항 36에 있어서,
    제조된 상기 광전자 반도체 구조들은 AlGaAs 헤테로 구조를 포함하고;
    상기 이형층은 AlyGa1-yAs(여기서 y는 0 내지 1 사이)를 포함하는, 방법.
  40. 청구항 39에 있어서,
    상기 제1 반도체 기판은 GaAs를 포함하는, 방법.
  41. 청구항 36에 있어서,
    제2 반도체 기판은 제조된 상기 광전자 반도체 구조들의 상기 전사 이전에 회로로 제조되는 실리콘 기판 또는 절연체 온 실리콘 기판을 포함하고;
    상기 방법은 상기 제2 기판 위에 디바이스를 형성하도록 제조된 상기 광전자 반도체 구조들에 상기 회로를 커플링시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  42. 청구항 36에 있어서,
    상기 제2 기판 위에 형성되는 상기 디바이스는:
    새로운 상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈;
    새로운 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 센서 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되고, 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성되는, 상기 센서 모듈; 및
    새로운 상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함하는, 방법.
  43. 청구항 42에 있어서,
    상기 감지 요소는 감지 전극 또는 감지 저항 또는 감지 나노구조 또는 다른 것들과 또는 다른 것들 없이 상기 감지 전극, 상기 감지 저항 및 상기 감지 나노구조 중 임의의 둘 이상의 조합을 포함하는, 방법.
  44. 청구항 36에 있어서,
    상기 반도체 이형층을 제거하기 위한 상기 에칭 공정을 수행하기 전에 상기 반도체 기판을 제거하기 위한 제1 에칭 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
  45. 타겟 대상을 감지하기 위한 방법으로서,
    센서에 물리적 연결 없이 타겟 대상 상에 상기 센서를 주입하는 단계;
    발생된 전기 전력이 (1) 상기 타겟 대상의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 상기 타겟 대상에 관한 감지 동작을 수행하는 센서 모듈, 및 (2) 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 커플링되고 상기 전기 센서 신호를 운반하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 동작 가능한 발광 모듈에 전력을 공금하도록 상기 센서에서 광전 변환 모듈이 상기 센서를 동작시키기 위한 전기 전력을 발생하게 하기 위해 상기 타겟 대상 상에 주입된 상기 센서 상으로 조명 광을 지향시키는 단계; 및
    상기 출력 광을 사용하여 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신함으로써 상기 타겟 대상의 상기 속성을 나타내는 정보를 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
  46. 청구항 45에 있어서,
    광 통신 신호를 통해 상기 센서의 동작과 연관된 정보를 상기 센서로 무선 및 광 전송하기 위해 상기 센서로 상기 광 통신 신호를 보내는 단계를 더 포함하는, 방법.
  47. 청구항 46에 있어서,
    상기 광 통신 신호의 광 파장은 상기 조명 광의 광 파장과 상이한, 방법.
  48. 청구항 47에 있어서,
    상기 광 통신 신호의 광 파장은 상기 발광 모듈에 의해 발생된 상기 출력 광의 광 파장과 상이한, 방법.
  49. 청구항 45에 있어서, 상기 센서 모듈은 나노 규모의 재료에 관한 감지 동작을 수행하도록 동작되는, 방법.
  50. 청구항 49에 있어서, 상기 나노 규모의 재료는 금속 전극, 터널 접합, 탄소 나노튜브 또는 그래핀 구조를 포함하는, 방법.
  51. 청구항 45에 있어서, 상기 센서에 의해 감지되는 상기 타겟 대상의 상기 속성은 생물학적 속성, 화학적 속성, 온도 또는 상기 타겟물의 또는 상기 타겟 대상 내 유체의 유동 속성을 포함하는, 방법.
  52. 광-전자 회로를 갖는 디바이스로서,
    기판;
    입사 광 파장의 입사 광을 전기로 변환하고 상기 입사 광 파장과 상이한 출력 광 파장의 출력 광을 방출하도록 패터닝된 반도체 층들을 포함하도록 상기 기판 위에 형성되는 헤테로 구조 모듈;
    상기 기판에 체결되고 상기 헤테로 구조 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 센서 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되고, 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성되는, 상기 센서 모듈; 및
    상기 헤테로 구조 모듈에 의해 발생되는 상기 전기로부터의 전력을 다시 상기 헤테로 구조 모듈에 공급하여 상기 출력 광의 방출울 야기하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 동작 가능한 상기 헤테로 구조 모듈 및 상기 센서 모듈에 커플리되는 회로를 포함하며, 상기 헤테로 구조 모듈은 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성되는, 디바이스.
  53. 청구항 52에 있어서, 상기 헤테로 구조 모듈은 작동 시간의 대부분 동안 입사 광을 전기로 변환하는 한편 상기 작동 시간의 작은 부분에서 상기 출력 광을 방출하도록 상기 제어에 의해 제어되는, 디바이스.
  54. 광-전자 회로를 갖는 디바이스로서
    기판;
    상기 기판에 체결되고 광을 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈;
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하도록 커플링되는 센서 모듈로서, 응답을 생성하기 위해 타겟물에 반응하는 감지 요소를 포함하도록 구성되고, 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 더 구성되는, 상기 센서 모듈; 및
    상기 기판에 체결되고 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기로부터 전력을 수신하고 상기 센서 모듈로부터 상기 전기 센서 신호를 수신하도록 10 마이크론 미만의 치수를 갖는 하나 이상의 전기 인터커넥트를 통해 상기 광전 변환 모듈 및 상기 센서 모듈에 커플링되는 발광 모듈로서, 상기 전기 센서 신호를 무선으로 운반하고 상기 전기 센서 신호를 상기 디바이스 밖으로 광 송신하도록 변조된 출력 광을 생성하도록 구성된, 상기 발광 모듈을 포함하는, 디바이스.
  55. 청구항 54에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 타겟물의 온도를 나타내는 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 디바이스.
  56. 청구항 54에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 타겟물 내 생물 물질을 나타내는 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 디바이스.
  57. 청구항 54에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 타겟물 내 화학 물질을 나타내는 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 디바이스.
  58. 청구항 54에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 타겟물의 전기적 속성을 나타내는 상기 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 디바이스.
  59. 광학 무선 센서 디바이스로서,
    전자기 방사를 전기로 변환하도록 구성된 광전 변환 모듈;
    상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기를 수신하도록 상기 광전 변환 모듈에 커플링되고 감지 요소 및 통신 요소를 포함하도록 구성된 센서 모듈로서, 상기 감지 요소는 타겟물에 반응하여 응답을 생성하고, 상기 통신 요소는 상기 감지 요소로부터의 상기 응답에 기초하여, 상기 타겟물의 속성을 나타내는 전기 센서 신호를 발생시키도록 구성된, 상기 센서 모듈; 및
    상기 전기를 수신하도록 상기 광전 변환 모듈에 커플링되고 상기 전기 센서 신호를 수신하고 상기 전기 센서 신호를 변환하여 상기 타겟물의 상기 속성을 나타내는 전자기 방사를 출력하도록 상기 센서 모듈에 커플링되는 발광 모듈을 포함하는, 디바이스.
  60. 청구항 59에 있어서, 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기는 상기 센서 모듈 및 상기 발광 모듈에 전력을 공급하는데 사용되는, 디바이스.
  61. 청구항 59에 있어서, 상기 광전 변환 모듈에 의해 발생된 상기 전기는 상기 센서 모듈 및 상기 발광 모듈을 제어하기 위한 전기 제어 신호들을 발생시키는데 사용되는, 디바이스.
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