隨著工藝技術(shù)水平的發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷提高，對(duì)于無機(jī)半導(dǎo)體LED 的研究趨于微型化、陣列化、集成化及柔性化。柔性光電子器件的研究擴(kuò)展了傳統(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用領(lǐng)域，具有柔性化及集成化優(yōu)勢的柔性LED 微陣列引起了國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)廣泛關(guān)注。柔性LED 微陣列通過對(duì)器件結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)和制備工藝的選擇，克服了機(jī)械性能的限制，器件具備柔韌性及適應(yīng)性，具有可撓性好、可貼附在任意曲面或不規(guī)則物體表面的特點(diǎn)。

柔性電子技術(shù)是材料科學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)及光電子學(xué)等多學(xué)科交叉的新興科研方向，在傳統(tǒng)半導(dǎo)體制作工藝基礎(chǔ)上，通過對(duì)應(yīng)用材料的力學(xué)、熱學(xué)和光電特性的優(yōu)化分析，從而提出新結(jié)構(gòu)或新方法，是柔性電子器件或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制常規(guī)路線。Arokia Nathan 等于2012 年展望了柔性電子器件及系統(tǒng)在技術(shù)發(fā)展中可能遇見的材料、設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)等方面的問題，以及未來柔性電子的主要應(yīng)用方向，圖1.1 展示了涉及的材料及應(yīng)用領(lǐng)域。可用于柔性電子系統(tǒng)的材料不僅包括了硅、鍺等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料和鋁、銀等工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的金屬，也包含了納米線、量子點(diǎn)、納米管、石墨烯等新興低維材料。通過優(yōu)化柔性電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件(如傳感器、二極管、薄膜晶體管等)或功能部分(如柔性基底、連接電極、封裝層等)的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝方法，可使柔性電子器件或系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋顯示、醫(yī)療保健、工業(yè)自動(dòng)化、人機(jī)交互、移動(dòng)通信及網(wǎng)絡(luò)、能源存儲(chǔ)等多方面。

伴隨著社會(huì)信息化的加速，對(duì)高速化、智能化電子器件需求的增長，以及科研投入的不斷增長，不同柔性電子系統(tǒng)研究成果層出不窮，其中具有代表性的成果如圖1.2 所示：(a)附于皮膚上的多功能表皮電子系統(tǒng)；(b)制作于塑料膜上的超薄硅基電路；(c)可伸展和折疊的硅基CMOS 集成電路；(d)可以像紙一樣褶皺的觸覺傳感器；(e)基于印刷電子技術(shù)的多功能柔性觸覺及溫度傳感器；(f)基于電化學(xué)驅(qū)動(dòng)晶體管的壓電式壓力傳感器；(j)大面積高亮度柔性白光有機(jī)發(fā)光二極管；(h)具有自相似蜿蜒電極結(jié)構(gòu)的高性能鋰離子柔性電池；(i)彈性基底上制作的無機(jī)光電探測器陣列。

柔性無機(jī)LED微陣列器件的發(fā)展現(xiàn)狀

無機(jī)半導(dǎo)體柔性LED 微陣列器件，不僅具有無機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料諸如光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、響應(yīng)快、耗能低和波長固定等優(yōu)勢，同時(shí)具有微陣列器件高分辨率、高對(duì)比度、微型化的特點(diǎn)，而且其拉伸或彎曲特征增強(qiáng)了其環(huán)境適應(yīng)性并擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。國內(nèi)外研究人員提出了不同方法制作微型柔性無機(jī)LED器件。

柔性基底上生長納米結(jié)構(gòu)LED

波特蘭州立大學(xué)Athavan Nadarajah 等在2007 年報(bào)道了通過柔性透明基底上生長半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)制作的柔性LED，其結(jié)構(gòu)如圖1.10(a)所示。濺射了氧化銦錫(ITO)的透明PET 薄片作為支撐基底，單晶ZnO 納米線垂直生長于ITO 層，納米線的長度約2μm，直徑在70nm 到120nm 之間。清潔處理后，納米線嵌入絕緣聚苯乙烯膜中，并利用等離子體刻蝕處理聚苯乙烯表面。PEDOT：PSS 和金膜作為LED 的陽極電極。單晶ZnO 納米線是有源結(jié)構(gòu)，聚合物提供了柔性支撐，并且ZnO 納米線能夠穩(wěn)定地附著在基底上。如圖1.10(b)，ZnO 納米線附著于彎曲半徑小于10μm 的金膜上。

韓國首爾大學(xué)Chul-Ho Lee 等于2011 年研究了在石墨烯膜上直接生長GaN/ZnO 同軸納米線的方法制作柔性LED，GaN/ZnO 同軸納米線的結(jié)構(gòu)如圖1.11(a)所示。為保證納米線的晶體質(zhì)量和尺寸，使用了化學(xué)氣相沉積合成在銅箔上的石墨烯薄膜作為晶體沉積層。在石墨烯薄膜上直接生長的ZnO 納米線的密度為108-109cm−2，間距約為1μm。ZnO 納米柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)和密度適合制作獨(dú)立的同軸異質(zhì)結(jié)LED 納米柱。在ZnO 納米柱表面依次制作n-GaN，InxGa1–xN/GaN多層量子阱和p-GaN 層形成LED 結(jié)構(gòu)。Ni/Au 薄膜沉積在p-GaN 表面作為獨(dú)立的歐姆接觸，并在納米柱間填充絕緣材料。去除材料生長時(shí)的支撐基底后，將石墨烯膜上的LED 轉(zhuǎn)移到附著銅膜的PET 基底上，并制作石墨烯膜與絕緣基底的電學(xué)連接。器件樣品在不同彎曲半徑及注入電流時(shí)的工作狀態(tài)分別如圖1.10(b) 和圖1.11(c)。石墨烯膜上直接生長無機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)探索了制作非常規(guī)無機(jī)半導(dǎo)體光電子器件的方法，結(jié)合了無機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和石墨烯二者的優(yōu)勢。

2015 年，巴黎第十一大學(xué)的Xing Dai 和Nan Guan 等利用金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)方法制備了大面積InGaN/GaN 基納米線柔性LED。LED 納米線的結(jié)構(gòu)如圖1.12(a)所示，各層材料從內(nèi)至外依次為n-GaN、InGaN/GaN 多層量子阱及p-GaN，。嵌在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的LED 納米線陣列利用銀納米線作為透明電極，并與其生長基底分離。藍(lán)光InGaN/GaN 基納米線柔性LED 器件的閾值電壓約為3V，漏電流很小。在沒有保護(hù)性封裝情況下，經(jīng)過半徑為3mm 的彎曲或者一個(gè)月的靜置，器件的發(fā)光性能沒有退化(圖1.12(c))。將兩層LED 納米線薄膜集成為雙層柔性LED，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的每層InGaN/GaN。因每層LED 材料中的In 含量不同，雙層柔性LED 分別發(fā)出綠光和藍(lán)光。雙層LED 納米線薄膜同時(shí)工作可以獲得更寬的光譜，如圖1.12(b)。這一方法可用來為制作柔性納米線白光顯示器件。在PDMS 中混合納米熒光粉(摻鈰釔鋁石榴石，YAG：Ce)后，柔性LED 納米線膜的發(fā)光光譜范圍(400nm-700nm)幾乎覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)，并且在彎曲半徑為5mm 時(shí)沒有表現(xiàn)出性能衰退，如圖1.12(d)。

納米結(jié)構(gòu)柔性LED 器件在注入電流及發(fā)光效率等方面具有優(yōu)勢，但在LED單元的一致性、周期性方面有待進(jìn)一步改善。具有規(guī)則陣列并實(shí)現(xiàn)納米LED 單元單獨(dú)尋址的納米結(jié)構(gòu)柔性LED 器件在柔性光電子應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊前景。

（參考文獻(xiàn)：方士偉，柔性AlGaInP-LED 微陣列器件設(shè)計(jì)及制作技術(shù)研究【D】，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2022）