可延展柔性无机光电子器件及其制备方法技术

一种可延展柔性无机光电子器件及其制备方法，该方法包括以下步骤：在衬底上生长外延材料，并刻蚀形成多个光电子器件单元，在多个光电子器件单元上制备接触电极；在多个光电子器件单元之间的间隙中形成聚合物‑金属‑聚合物互连结构，并通过接触电极形成电学互连；在聚合物‑金属‑聚合物互连结构上旋涂胶膜，并对胶膜选择性显影去除；将上述结构黏附于预拉伸并固定的柔性可延展衬底上，并腐蚀去除生长有外延材料的衬底；去除剩余的胶膜，逐渐释放预拉伸并固定的柔性可延展衬底，形成翘曲结构，完成器件制备。本方法制备的可延展柔性无机光电子器件，同时具有高可延展性和高占空比的特性。

Flexible flexible inorganic optoelectronic device and method of making the same

A scalable flexible inorganic optoelectronic devices and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: the growth of epitaxial material on the substrate, and etching to form a plurality of optoelectronic devices unit, preparation of contact electrode in many optoelectronic devices unit; the formation of polymer metal polymer interconnect structure in the gap between a plurality of optoelectronic devices unit and, through the contact electrode forming electrical interconnection; spin coating film on polymer metal interconnect structure polymer, and the removal of the film selectively developing the above structure; adhere to the pre stretching and fixed flexible stretchable substrate, and etching growth of epitaxial materials; removing film remaining, gradually the release of pre tension and flexible stretchable substrate fixed, forming warp structure, complete device fabrication. The preparation method of ductile and flexible inorganic optoelectronic devices, and has high ductility and high duty ratio characteristics.

【技术实现步骤摘要】
可延展柔性无机光电子器件及其制备方法
本专利技术属于光电子器件制备领域，更具体地涉及一种可延展柔性无机光电子器件及其制备方法。
技术介绍
随着可穿戴电子的发展，柔性电子器件越来越受到重视。当可穿戴电子的发展追求极致时，电子皮肤的概念应运而生。这是一种具有可延展柔性、能随人体皮肤一起伸展和褶皱的薄膜电子器件。这种器件在实现与人体完美贴合的同时，还具备高性能。这一类的柔性电子器件与传统的电子器件在应用上的创新也使得其评价指标不同于传统的电子器件。美国UIUC大学材料系教授John.A.Rogers和美国西北大学的黄永刚教授合作研发了可延展柔性无机光电子器件，其提出的岛-桥结构和蛇形互连导线结构使得这种器件在100％的拉伸形变下性能不发生退化，且可以重复测试。柔性电子器件正向着更高的可延展性和更高的集成度方向发展。然而，集成度和可延展性正是相互制约的两个因素。集成度越高，器件有效面积内允许存在的互连导线长度越短，因此允许的拉伸形变范围就受到了极大抑制。三维折纸结构在近两年被引入微纳加工领域，这使得难以加工三维形貌的微纳制备领域有了低成本高效率的解决方案。这种三维折纸结构设计，建立了二维图形和三维形貌的关系，已经被用于三维线圈、三维光学腔和三维柔性可延展导线的设计，在新颖微纳加工方面具有极其广阔的发展空间，但此结构存在集成度和可延展性不能同时提高的矛盾，利用折纸结构将垂直方向的空间利用起来就成为了一个突破方向。目前已经报道的采用折纸结构的柔性电子器件多还集中在利用三维的弯曲互连导线对可延展性的提高，然而面对提高集成度这一需求还未见报道。现有技术下，占空比和可延展性依旧矛盾。现有满足高可延展性的器件，由于其器件单元之间的空间需要布置大量的弯曲互连结构，导致占空比降低，也由于大量的弯曲互连导线的存在，严重增加互连电阻和寄生电容等电学问题。
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术的目的在于提出一种可延展柔性无机光电子器件及其制备方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种可延展柔性无机光电子器件的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤1、在衬底上生长外延材料，并刻蚀形成多个光电子器件单元，在多个光电子器件单元上制备接触电极；步骤2、在接触电极及多个光电子器件单元之间的间隙中形成聚合物-金属-聚合物互连结构；步骤3、在聚合物-金属-聚合物互连结构上旋涂胶膜，并对胶膜选择性显影去除；步骤4、将步骤3中结构黏附于预拉伸并固定的柔性可延展衬底上，并腐蚀去除生长有外延材料的衬底；步骤5、去除步骤3中剩余的胶膜，逐渐释放预拉伸并固定的柔性可延展衬底，形成翘曲结构，完成器件制备。进一步地，上述聚合物-金属-聚合物互连结构的制备方法为：步骤2-1、在接触电极及多个光电子器件单元台面间的间隙中涂敷第一柔性聚合物材料层；步骤2-2、刻蚀上述第一柔性聚合物材料层形成接触小孔，刻蚀至接触电极为止，并在接触小孔中和第一柔性聚合物材料层上溅射金属层；步骤2-3、在金属层上涂敷第二柔性聚合物材料层，形成聚合物-金属-聚合物互连结构。进一步地，上述第一柔性聚合物材料层和第二柔性聚合物材料层的材料为聚酰亚胺、多官能团环氧树脂或聚苯乙烯，且第一柔性聚合物材料层与第二柔性聚合物材料层可以采用上述材料中的同一种或不同种的组合。第一柔性聚合物材料层与第二柔性聚合物材料层的厚度差距不应超过较薄一层的一倍，并应大于金属层。进一步地，上述步骤3对胶膜选择性显影去除为：每间隔一光电子器件单元，去除单个光电子器件单元上表面的胶膜。进一步地，上述在衬底上生长的外延材料包括一腐蚀停止层，刻蚀形成多个光电子器件单元时刻蚀至腐蚀停止层上表面为止；步骤4中腐蚀去除生长有外延材料的衬底后，还需腐蚀去除腐蚀停止层。进一步地，上述光电子器件为基于半导体材料的光电子器件，包括Si基、GaAs基、GaN基或InP基的LED、LD、探测器或太阳能电池。进一步地，对于Si基光电子器件，腐蚀停止层的材料为SiO2、SiGe合金、SiC和SiN；对于GaAs基的光电子器件，腐蚀停止层的材料为AlAs、x大于0.9的AlxGa1-xAs、InGaP、AlGaP；对于GaN基的光电子器件，腐蚀停止层的材料为Si、SiO2；对于InP基的光电子器件，腐蚀停止层的材料为InGaAs、InAlAs。进一步地，上述多个光电子器件单元的宽度与其之间的间隙宽度之比应大于等于所设计的可延展性值。进一步地，上述柔性可延展衬底的材料为含有聚二甲基硅氧烷或聚丙烯酸酯的胶带。进一步地，上述胶膜为含有萘醌及其衍生物或聚甲基丙烯酸甲酯的光刻胶；所述步骤5中去除步骤3中剩余胶膜的方法为采用显影液对曝光后的胶膜进行腐蚀，显影液为四甲基氢氧化铵溶液或丙酮。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种可延展柔性无机光电子器件，采用上述的可延展柔性无机光电子器件的制备方法制备得到。基于上述技术方案可知，本专利技术提出的可延展柔性无机光电子器件及其制备方法具有以下有益效果：1、本专利技术的可延展柔性无机光电子器件，由于为翘曲结构，因此在垂直于衬底的方向，可将光电子器件单元抬高，离开衬底，使得在预应力释放之后，器件之间允许存在一定的空间交叠层，从而形成单位面积内的极高器件密度；然后，利用抬高器件的高度空间，导线可以以“S”型收纳起来，作为拉伸延展下可释放的变形量，保证了器件的可延展性与制备时预应变的正比关系；2、本专利技术是将传统的光电器件分离成刚性器件单元，并用三维折纸结构的导线进行设计，具有高占空比、高可延展性和高可靠性的特点。其占空比可以达到极限100％，同时延展性也可以达到100％，这是采用传统二维可延展互连设计的器件所无法实现的。3、采用本专利技术提出的方法制备的器件，其弯曲的过程中金属承受应变极小，在100％的拉伸范围内，金属始终在聚合物-金属-聚合物形成的力学中性面上进行弯曲，几乎没有发生影响性能的拉伸/压缩应变。其与器件连接的部分更是由于器件的刚性制约，几乎不发生变形，保证了器件在服役环境下的高可靠性。附图说明图1是本专利技术一实施例提出的制备方法中，在无机衬底上生长具有腐蚀停止层的光电器件外延结构后的结构示意图；图2是本专利技术一实施例提出的方法中中，在外延结构上刻蚀形成多个光电子器件单元后的结构示意图；图3是本专利技术一实施例提出的方法中，形成聚合物-金属-聚合物结构后器件的结构示意图；图4是本专利技术一实施例提出的方法中，旋涂胶膜并对胶膜选择性显影去除后的结构示意图；图5是本专利技术一实施例提出的制备方法中，将器件黏附于预拉伸可延展柔性材料后的结构示意图，将器件倒置绘制以方便示意；图6是本专利技术一实施例提出的制备方法中，去除衬底以及腐蚀停止层，并去除胶膜后的结构示意图，将器件倒置绘制以方便示意；图7是本专利技术一实施例提出的制备方法中，释放可延展柔性材料的预应力，通过选择性翘曲形成可延展柔性无机光电子器件后的器件结构示意图，将器件倒置绘制以方便示意。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种可延展柔性无机光电子器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底上生长外延材料，并刻蚀形成多个光电子器件单元，在多个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可延展柔性无机光电子器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底上生长外延材料，并刻蚀形成多个光电子器件单元，在所述多个光电子器件单元上制备接触电极；步骤2、在所述接触电极及多个光电子器件单元之间的间隙中形成聚合物‑金属‑聚合物互连结构；步骤3、在所述聚合物‑金属‑聚合物互连结构上旋涂胶膜，并对所述胶膜选择性显影去除；步骤4、将步骤3制备的结构黏附于预拉伸并固定的柔性可延展衬底上，并腐蚀去除所述生长有外延材料的衬底；步骤5、去除步骤3中剩余的胶膜，逐渐释放所述预拉伸并固定的柔性可延展衬底，形成翘曲结构，完成器件制备。

【技术特征摘要】
1.一种可延展柔性无机光电子器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底上生长外延材料，并刻蚀形成多个光电子器件单元，在所述多个光电子器件单元上制备接触电极；步骤2、在所述接触电极及多个光电子器件单元之间的间隙中形成聚合物-金属-聚合物互连结构；步骤3、在所述聚合物-金属-聚合物互连结构上旋涂胶膜，并对所述胶膜选择性显影去除；步骤4、将步骤3制备的结构黏附于预拉伸并固定的柔性可延展衬底上，并腐蚀去除所述生长有外延材料的衬底；步骤5、去除步骤3中剩余的胶膜，逐渐释放所述预拉伸并固定的柔性可延展衬底，形成翘曲结构，完成器件制备。2.如权利要求1所述的可延展柔性无机光电子器件的制备方法，其特征在于，所述聚合物-金属-聚合物互连结构的制备方法为：步骤2-1、在所述接触电极及多个光电子器件单元台面间的间隙中涂敷第一柔性聚合物材料层；步骤2-2、刻蚀所述第一柔性聚合物材料层形成接触小孔，刻蚀至所述接触电极为止，并在接触小孔中和所述第一柔性聚合物材料层上溅射金属层；步骤2-3、在所述金属层上涂敷第二柔性聚合物材料层，形成所述聚合物-金属-聚合物互连结构。3.如权利要求2所述的可延展柔性无机光电子器件的制备方法，其特征在于，所述第一柔性聚合物材料层和第二柔性聚合物材料层的材料为聚酰亚胺、多官能团环氧树脂和聚苯乙烯中的同一种或不同种，所述第一柔性聚合物材料层与所述第二柔性聚合物材料层的厚度差不超过较薄一层的一倍，并大于所述金属层。4.如权利要求1所述的可延展柔性无机光电子器件的制备方法，其特征在于，所述步骤3中对胶膜选择性显影去除的步骤包括：每间隔一光电子器件单元，去除单个光电子器件单元上表面的胶膜。5.如权利要求1所述的可延展柔...

【专利技术属性】
技术研发人员：江宇，徐云，宋国峰，白霖，陈华民，王磊，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11