简述柔性无机LED 微阵列器件的发展现状

随着工艺技术水平的发展和应用需求的不断提高，对于无机半导体LED 的研究趋于微型化、阵列化、集成化及柔性化。柔性光电子器件的研究扩展了传统无机半导体光电器件的应用领域，具有柔性化及集成化优势的柔性LED 微阵列引起了国内外研究团队广泛关注。柔性LED 微阵列通过对器件结构的特殊设计和制备工艺的选择，克服了机械性能的限制，器件具备柔韧性及适应性，具有可挠性好、可贴附在任意曲面或不规则物体表面的特点。

柔性电子技术是材料科学、力学、热学及光电子学等多学科交叉的新兴科研方向，在传统半导体制作工艺基础上，通过对应用材料的力学、热学和光电特性的优化分析，从而提出新结构或新方法，是柔性电子器件或系统的设计和研制常规路线。Arokia Nathan 等于2012 年展望了柔性电子器件及系统在技术发展中可能遇见的材料、设计、工艺技术等方面的问题，以及未来柔性电子的主要应用方向，图1.1 展示了涉及的材料及应用领域。可用于柔性电子系统的材料不仅包括了硅、锗等传统半导体材料和铝、银等工业化标准的金属，也包含了纳米线、量子点、纳米管、石墨烯等新兴低维材料。通过优化柔性电子系统中的关键元件(如传感器、二极管、薄膜晶体管等)或功能部分(如柔性基底、连接电极、封装层等)的材料、结构设计及制备工艺方法，可使柔性电子器件或系统的应用领域涵盖显示、医疗保健、工业自动化、人机交互、移动通信及网络、能源存储等多方面。

伴随着社会信息化的加速，对高速化、智能化电子器件需求的增长，以及科研投入的不断增长，不同柔性电子系统研究成果层出不穷，其中具有代表性的成果如图1.2 所示：(a)附于皮肤上的多功能表皮电子系统；(b)制作于塑料膜上的超薄硅基电路；(c)可伸展和折叠的硅基CMOS 集成电路；(d)可以像纸一样褶皱的触觉传感器；(e)基于印刷电子技术的多功能柔性触觉及温度传感器；(f)基于电化学驱动晶体管的压电式压力传感器；(j)大面积高亮度柔性白光有机发光二极管；(h)具有自相似蜿蜒电极结构的高性能锂离子柔性电池；(i)弹性基底上制作的无机光电探测器阵列。

柔性无机LED微阵列器件的发展现状

无机半导体柔性LED 微阵列器件，不仅具有无机半导体发光材料诸如光电转换效率高、寿命长、响应快、耗能低和波长固定等优势，同时具有微阵列器件高分辨率、高对比度、微型化的特点，而且其拉伸或弯曲特征增强了其环境适应性并扩展了应用范围。国内外研究人员提出了不同方法制作微型柔性无机LED器件。

柔性基底上生长纳米结构LED

波特兰州立大学Athavan Nadarajah 等在2007 年报道了通过柔性透明基底上生长半导体纳米结构制作的柔性LED，其结构如图1.10(a)所示。溅射了氧化铟锡(ITO)的透明PET 薄片作为支撑基底，单晶ZnO 纳米线垂直生长于ITO 层，纳米线的长度约2μm，直径在70nm 到120nm 之间。清洁处理后，纳米线嵌入绝缘聚苯乙烯膜中，并利用等离子体刻蚀处理聚苯乙烯表面。PEDOT：PSS 和金膜作为LED 的阳极电极。单晶ZnO 纳米线是有源结构，聚合物提供了柔性支撑，并且ZnO 纳米线能够稳定地附着在基底上。如图1.10(b)，ZnO 纳米线附着于弯曲半径小于10μm 的金膜上。

韩国首尔大学Chul-Ho Lee 等于2011 年研究了在石墨烯膜上直接生长GaN/ZnO 同轴纳米线的方法制作柔性LED，GaN/ZnO 同轴纳米线的结构如图1.11(a)所示。为保证纳米线的晶体质量和尺寸，使用了化学气相沉积合成在铜箔上的石墨烯薄膜作为晶体沉积层。在石墨烯薄膜上直接生长的ZnO 纳米线的密度为108-109cm−2，间距约为1μm。ZnO 纳米柱的结构参数和密度适合制作独立的同轴异质结LED 纳米柱。在ZnO 纳米柱表面依次制作n-GaN，InxGa1–xN/GaN多层量子阱和p-GaN 层形成LED 结构。Ni/Au 薄膜沉积在p-GaN 表面作为独立的欧姆接触，并在纳米柱间填充绝缘材料。去除材料生长时的支撑基底后，将石墨烯膜上的LED 转移到附着铜膜的PET 基底上，并制作石墨烯膜与绝缘基底的电学连接。器件样品在不同弯曲半径及注入电流时的工作状态分别如图1.10(b) 和图1.11(c)。石墨烯膜上直接生长无机半导体异质结探索了制作非常规无机半导体光电子器件的方法，结合了无机半导体纳米结构和石墨烯二者的优势。

2015 年，巴黎第十一大学的Xing Dai 和Nan Guan 等利用金属有机气相沉积(MOCVD)方法制备了大面积InGaN/GaN 基纳米线柔性LED。LED 纳米线的结构如图1.12(a)所示，各层材料从内至外依次为n-GaN、InGaN/GaN 多层量子阱及p-GaN，。嵌在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的LED 纳米线阵列利用银纳米线作为透明电极，并与其生长基底分离。蓝光InGaN/GaN 基纳米线柔性LED 器件的阈值电压约为3V，漏电流很小。在没有保护性封装情况下，经过半径为3mm 的弯曲或者一个月的静置，器件的发光性能没有退化(图1.12(c))。将两层LED 纳米线薄膜集成为双层柔性LED，单独驱动的每层InGaN/GaN。因每层LED 材料中的In 含量不同，双层柔性LED 分别发出绿光和蓝光。双层LED 纳米线薄膜同时工作可以获得更宽的光谱，如图1.12(b)。这一方法可用来为制作柔性纳米线白光显示器件。在PDMS 中混合纳米荧光粉(掺铈钇铝石榴石，YAG：Ce)后，柔性LED 纳米线膜的发光光谱范围(400nm-700nm)几乎覆盖了整个可见光区，并且在弯曲半径为5mm 时没有表现出性能衰退，如图1.12(d)。

纳米结构柔性LED 器件在注入电流及发光效率等方面具有优势，但在LED单元的一致性、周期性方面有待进一步改善。具有规则阵列并实现纳米LED 单元单独寻址的纳米结构柔性LED 器件在柔性光电子应用领域有着广阔前景。

（参考文献：方士伟，柔性AlGaInP-LED 微阵列器件设计及制作技术研究【D】，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2022）