RU2793120C1

RU2793120C1 - Elastic led matrix

Info

Publication number: RU2793120C1
Application number: RU2022124123A
Authority: RU
Inventors: Иван Сергеевич Мухин; Дмитрий Михайлович Митин; Владимир Владимирович Неплох; Владимир Викторович Федоров; Максим Яковлевич Винниченко
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2023-03-29

Abstract

FIELD: semiconductor optoelectronic technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of semiconductor optoelectronic technology and can be used to create elastic translucent light-emitting displays and wearable electronics elements. The substance of the invention lies in the fact that the LED matrix includes an array of inorganic whisker nanocrystals from semiconductor III-nitride compounds as a light-emitting element, while an elastic siloxane is used as a membrane material, and an elastic matrix of pixels is used as an electrode, each pixel is individually addressed elastic contact paths of a wavy form.

EFFECT: forming an elastic NMC/PDMS LED membrane and an elastic electrode in the form of pixels and leads to the LED matrix membrane.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектронной техники и может быть использовано для создания эластичных полупрозрачных светоизлучающих дисплеев и элементов носимой электроники. The invention relates to the field of semiconductor optoelectronic technology and can be used to create elastic translucent light-emitting displays and wearable electronics elements.

Среди способов создания эластичных светодиодных структур наиболее распространены технологии на основе органических полупроводниковых материалов. В таких устройствах активная область, в которой происходит процесс излучательной рекомбинации, создаётся на основе таких материалов, как сопряжённые полимеры (например, поли[2-метокси-5-(2′-этилгексилокси)-1,4-фениленвинилен, англ. сокр. MEH-PPV]), мономеры с сопряженными цепочками трис(8-оксихинолинат) алюминия (англ. сокр. Alq3), а также композитов на основе наночастиц полупроводниковых (А2В6) и органометаллических галоидных перовскитных соединений [Koo, Ja Hoon, et al. "Flexible and stretchable smart display: materials, fabrication, device design, and system integration." Advanced Functional Materials 28.35 (2018): 1801834.], [Wang, Z. B., et al. "Unlocking the full potential of organic light-emitting diodes on flexible plastic." Nature Photonics 5.12 (2011): 753-757, Li, Lu, et al. "Efficient flexible phosphorescent polymer light‐emitting diodes based on silver nanowire‐polymer composite electrode." Advanced Materials 23.46 (2011): 5563-5567, Kim, Sunkook, et al. "Low‐power flexible organic light‐emitting diode display device." Advanced Materials 23.31 (2011): 3511-3516, Yokota, Tomoyuki, et al. "Ultraflexible organic photonic skin." Science advances 2.4 (2016): e1501856, Qian, Lei, et al. "Stable and efficient quantum-dot light-emitting diodes based on solution-processed multilayer structures." Nature photonics 5.9 (2011): 543-548, Mashford, Benjamin S., et al. "High-efficiency quantum-dot light-emitting devices with enhanced charge injection." Nature photonics 7.5 (2013): 407-412, Zhao, Tianshuo, et al. "Advanced architecture for colloidal PbS quantum dot solar cells exploiting a CdSe quantum dot buffer layer." ACS nano 10.10 (2016): 9267-9273, Pu, Chaodan, and Xiaogang Peng. "To battle surface traps on CdSe/CdS core/shell nanocrystals: shell isolation versus surface treatment." Journal of the American Chemical Society 138.26 (2016): 8134-8142, Anikeeva, Polina O., et al. "Quantum dot light-emitting devices with electroluminescence tunable over the entire visible spectrum." Nano letters 9.7 (2009): 2532-2536, Kim, Tae-Ho, et al. "Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing." Nature photonics 5.3 (2011): 176-182]. Among the methods for creating flexible LED structures, technologies based on organic semiconductor materials are the most common. In such devices, the active region in which the radiative recombination process occurs is based on materials such as conjugated polymers (for example, poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, eng. abbr. MEH-PPV]), monomers with conjugated chains of tris(8-hydroxyquinolinate) aluminum (abbr. Alq3), as well as composites based on nanoparticles of semiconductor (A2B6) and organometallic halide perovskite compounds [Koo, Ja Hoon, et al. "Flexible and stretchable smart display: materials, fabrication, device design, and system integration." Advanced Functional Materials 28.35 (2018): 1801834.], [Wang, Z. B., et al. "Unlocking the full potential of organic light-emitting diodes on flexible plastic." Nature Photonics 5.12 (2011): 753-757, Li, Lu, et al. "Efficient flexible phosphorescent polymer light-emitting diodes based on silver nanowire-polymer composite electrode." Advanced Materials 23.46 (2011): 5563-5567, Kim, Sunkook, et al. "Low-power flexible organic light-emitting diode display device." Advanced Materials 23.31 (2011): 3511-3516, Yokota, Tomoyuki, et al. "Ultraflexible organic photonic skin." Science advances 2.4 (2016): e1501856, Qian, Lei, et al. "Stable and efficient quantum-dot light-emitting diodes based on solution-processed multilayer structures." Nature photonics 5.9 (2011): 543-548, Mashford, Benjamin S., et al. "High-efficiency quantum-dot light-emitting devices with enhanced charge injection." Nature photonics 7.5 (2013): 407-412, Zhao, Tianshuo, et al. "Advanced architecture for colloidal PbS quantum dot solar cells exploiting a CdSe quantum dot buffer layer." ACS nano 10.10 (2016): 9267-9273, Pu, Chaodan, and Xiaogang Peng. "To battle surface traps on CdSe/CdS core/shell nanocrystals: shell isolation versus surface treatment." Journal of the American Chemical Society 138.26 (2016): 8134-8142, Anikeeva, Polina O., et al. "Quantum dot light-emitting devices with electroluminescence tunable over the entire visible spectrum." Nano letters 9.7 (2009): 2532-2536, Kim, Tae-Ho, et al. "Full-color quantum dot displays fabricated by transfer printing." Nature photonics 5.3 (2011): 176-182].

Альтернатива органическим светодиодам представлена неорганическими соединениями А3В5 в геометрии тонких пленок или нитевидных нано- и микрокристаллов (ННК и НМК). Светодиодные структуры на основе тонких пленок полупроводниковых соединений А3В5 синтезируются эпитаксиальными методами на жестких подложках, поэтому для создания гибких устройств требуется отделение эпитаксиальных слоев от ростовой подложки или микроструктурирование с помощью литографии. Основным недостатком данных подходов является высокая трудозатратность изготовления, связанная с технологически трудоемкими процессами травления жертвенных слоев и литографии. Микроструктурирование также подразумевает использование дорогостоящих ростовых подложек, подвергающихся распиливанию вместе с эпитаксиальной структурой и не подлежащих повторному использованию, что увеличивает себестоимость производства [Huang, Yuge, et al. "Mini-LED, Micro-LED and OLED displays: Present status and future perspectives." Light: Science & Applications 9.1 (2020): 1-16].An alternative to organic light-emitting diodes is represented by A3B5 inorganic compounds in the geometry of thin films or filamentary nano- and microcrystals (NNCs and NMCs). LED structures based on thin films of A3V5 semiconductor compounds are synthesized by epitaxial methods on rigid substrates; therefore, to create flexible devices, it is necessary to separate the epitaxial layers from the growth substrate or microstructuring using lithography. The main disadvantage of these approaches is the high labor input associated with the technologically labor-intensive processes of sacrificial layer etching and lithography. Microstructuring also involves the use of expensive growth substrates that are sawn together with the epitaxial structure and cannot be reused, which increases the production cost [Huang, Yuge, et al. "Mini-LED, Micro-LED and OLED displays: Present status and future perspectives." Light: Science & Applications 9.1 (2020): 1-16].

В настоящее время III-нитридные полупроводниковые соединения интенсивно используются при создании оптоэлектронных устройств. За счет своей прямозонной энергетической структуры III-нитридные полупроводники могут эффективно поглощать или излучать свет в широком спектральном диапазоне от 0,65 эВ (для InN) до 6,4 эВ (для AlN), охватывая диапазон от глубокого ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Из-за отсутствия доступных подложек, согласованных по параметру решетки, традиционные планарные гетероструктуры (тонкие пленки) III-нитридных полупроводниковых соединений обычно демонстрируют очень высокую плотность дислокаций, что сильно ограничивает приборные свойства и надежность устройств на их основе. С другой стороны, нанопроволочные гетероструктуры можно выращивать на подложках с несогласованной решеткой и значительно сниженной плотностью дислокаций, таких как кремний и сапфир, благодаря высокоэффективной релаксации боковых напряжений.At present, III-nitride semiconductor compounds are intensively used in the creation of optoelectronic devices. Due to their direct-gap energy structure, III-nitride semiconductors can effectively absorb or emit light in a wide spectral range from 0.65 eV (for InN) to 6.4 eV (for AlN), covering the range from deep ultraviolet to near infrared radiation. Due to the lack of available lattice-matched substrates, traditional planar heterostructures (thin films) of III-nitride semiconductor compounds usually exhibit a very high dislocation density, which severely limits the device properties and reliability of devices based on them. On the other hand, nanowire heterostructures can be grown on substrates with a mismatched lattice and a significantly reduced dislocation density, such as silicon and sapphire, due to highly efficient relaxation of lateral stresses.

В отличие от тонких пленок, массивы ННК и НМК полупроводниковых соединений А3В5 могут быть синтезированы в том числе на дешевых кристаллических подложках Si, рассогласованных по параметру кристаллической решетки, а также на металлических фольгах или аморфных стеклах, что снижает стоимость получаемых приборных структур. Массивы ННК и НМК могут быть инкапсулированы в силиконовую резину (например, полидиметилсилоксан, ПДМС) с последующим отделением гибкой мембраны НМК/ПДМС от ростовой подложки. После этого возможна химическая обработка ростовых подложек и использование их для повторного синтеза НМК. Отделенная мембрана НМК/ПДМС после создания электродов представляет собой гибкое функциональное светоизлучающее устройство. Подобный подход, использующий массивы ННК или НМК, представлен в работах [Dai, Xing, et al. "Flexible light-emitting diodes based on vertical nitride nanowires." Nano letters 15.10 (2015): 6958-6964, Guan, Nan, et al. "Flexible white light emitting diodes based on nitride nanowires and nanophosphors." ACS photonics 3.4 (2016): 597-603].Unlike thin films, arrays of NWs and NMCs of A3B5 semiconductor compounds can be synthesized, among other things, on cheap Si crystalline substrates mismatched in the crystal lattice parameter, as well as on metal foils or amorphous glasses, which reduces the cost of the resulting device structures. Arrays of NWs and NMWs can be encapsulated in silicone rubber (eg, polydimethylsiloxane, PDMS) followed by separation of the flexible NMW/PDMS membrane from the growth substrate. After that, it is possible to chemically treat the growth substrates and use them for repeated synthesis of NMCs. The separated NMC/PDMS membrane after the creation of the electrodes is a flexible functional light emitting device. A similar approach using arrays of NWs or NMCs is presented in [Dai, Xing, et al. "Flexible light-emitting diodes based on vertical nitride nanowires." Nano letters 15.10 (2015): 6958-6964, Guan, Nan, et al. "Flexible white light emitting diodes based on nitride nanowires and nanophosphors." ACS photonics 3.4 (2016): 597-603].

Известна конструкция гибкой органической светодиодной структуры (патент RU 2470415 C2). Предлагаемое устройство на органических светодиодах может содержать области, где коэффициент преломления меньше, чем у подложки, или органический излучающий материал, обеспечивающий экстракцию света из волноводной среды в воздушную. Отличительными особенностями являются: а) возможное содержание областей, где коэффициент преломления меньше, чем у подложки, или органического излучающего материала, обеспечивающего экстракцию света из волноводной среды в воздушную, для дальнейшего улучшения перехода света из волноводной и/или стеклянной среды в воздушную и б) изготовление путем нанесения на подложку электрода, нанесения на электрод решетки из низкоиндексного материала, у которого коэффициент преломления находится в пределах 1,0-1,5, нанесение на упомянутую решетку органического излучающего материала.The design of a flexible organic LED structure is known (patent RU 2470415 C2). The proposed OLED device may contain areas where the refractive index is less than that of the substrate, or an organic emitting material that provides light extraction from the waveguide medium into the air. Distinctive features are: a) the possible content of regions where the refractive index is less than that of the substrate, or organic emitting material, providing the extraction of light from the waveguide medium to air, to further improve the transition of light from the waveguide and/or glass medium to air, and b) manufacturing by applying an electrode to the substrate, applying a grating of low-index material to the electrode, whose refractive index is in the range of 1.0-1.5, applying an organic radiating material to the said grating.

Коренное отличие структуры, представленной в патенте RU 2470415 C2, от предлагаемого изобретения заключается в использовании органических материалов. Однако светоизлучающим материалам в такого рода светоизлучающих диодах (СИД) присущи следующие недостатки (Koo, Ja Hoon, et al. "Flexible and stretchable smart display: materials, fabrication, device design, and system integration." Advanced Functional Materials 28.35 (2018): 1801834): относительно низкая яркость, эффективность менее 50%, ограниченный срок службы менее 5000 часов, низкая прозрачность, ограничивающая возможность комбинации СИД различных длин волн для создания полноцветного дисплея.The fundamental difference between the structure presented in patent RU 2470415 C2 and the proposed invention lies in the use of organic materials. However, the light emitting materials in this kind of light emitting diode (LED) have the following disadvantages (Koo, Ja Hoon, et al. "Flexible and stretchable smart display: materials, fabrication, device design, and system integration." Advanced Functional Materials 28.35 (2018): 1801834): Relatively low brightness, less than 50% efficiency, limited lifetime less than 5000 hours, low transparency limiting the ability to combine LEDs of different wavelengths to create a full color display.

Известна конструкция светоизлучающего диода RU 2507637 C2, в которой светодиод может быть выполнен на подложке из гибкой фольги. Таким образом, светодиод и гибкая подложка образуют светодиодную конструкцию, которая может быть герметизирована между, например, двумя стеклянными листами. Гибкой подложкой может быть светопрозрачная фольга.Known is the design of a light emitting diode RU 2507637 C2, in which the LED can be made on a flexible foil substrate. Thus, the LED and the flexible substrate form an LED structure that can be sealed between, for example, two glass sheets. The flexible substrate may be a translucent foil.

Недостатки описанного изобретения повторяют патент RU 2470415 C2, а также дополняются непрозрачностью нижнего контакта на основе металлической фольги и низкими прозрачностью и проводимостью электрода на основе светопрозрачной фольги, что ограничивает данные устройства возможностью создания только одноцветных дисплеев.The disadvantages of the described invention repeat patent RU 2470415 C2, and are also supplemented by the opacity of the lower contact based on metal foil and the low transparency and conductivity of the electrode based on translucent foil, which limits these devices to the ability to create only single-color displays.

Известна конструкция гибкого светодиода на основе неорганических полупроводниковых материалов НМК/ПДМС [Dai, Xing, et al. "Flexible light-emitting diodes based on vertical nitride nanowires." Nano letters 15.10 (2015): 6958-6964., Guan, Nan, et al. "Flexible white light emitting diodes based on nitride nanowires and nanophosphors." ACS photonics 3.4 (2016): 597-603]. Такие светодиодные структуры представляют собой инкапсулированные в ПДМС массивы вертикальных НМК со светодиодной структурой “ядро-оболочка”, которые отделяются от ростовой подложки с помощью поддержки в виде непрозрачного медного электрода в форме теплоотделяемой клейкой ленты, либо срезанием с последующим созданием электродов на основе серебряных нанонитей.A known design of a flexible LED based on inorganic semiconductor materials NMC/PDMS [Dai, Xing, et al. "Flexible light-emitting diodes based on vertical nitride nanowires." Nano letters 15.10 (2015): 6958-6964., Guan, Nan, et al. "Flexible white light emitting diodes based on nitride nanowires and nanophosphors." ACS photonics 3.4 (2016): 597-603]. Such LED structures are arrays of vertical NMCs encapsulated in PDMS with a “core-shell” LED structure, which are separated from the growth substrate using a support in the form of an opaque copper electrode in the form of a heat-removable adhesive tape, or by cutting, followed by the creation of electrodes based on silver nanowires.

Однако таким гибким СИД присущи следующие недостатки: отсутствие эластичности, низкая прозрачность из-за используемых материалов контактов, сложность текстурирования для создания массива пикселей дисплея.However, such flexible LEDs have the following disadvantages: lack of elasticity, low transparency due to the contact materials used, and difficulty in texturing to create an array of display pixels.

Известна конструкция гибкого светодиода на основе неорганических полупроводниковых материалов ННК/ПДМС [Neplokh, Vladimir, et al. "Red GaPAs/GaP nanowire-based flexible light-emitting diodes." Nanomaterials 11.10 (2021): 2549.]. В данной конструкции используется на 80% прозрачный и гибкий электрод на основе углеродных нанотрубок, однако такой СИД не обладает эластичностью.A known design of a flexible LED based on inorganic semiconductor materials NNC/PDMS [Neplokh, Vladimir, et al. "Red GaPAs/GaP nanowire-based flexible light-emitting diodes." Nanomaterials 11.10 (2021): 2549]. This design uses an 80% transparent and flexible carbon nanotube electrode, but this LED does not have elasticity.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является конструкция гибкого светодиода [CN 112216772 B] на основе самоорганизованных массивов нитевидных нанокристаллов из III-нитридных соединений с p-i-n структурой (p-GaN/i-InGaN/n-GaN), инкапсулированных в мембрану полиимида с базовым поддерживающим слоем из ПДМС. Общие признаки прототипа и настоящего изобретения состоят в использовании массивов неорганических полупроводниковых нитевидных нанокристаллов в качестве светоизлучающего элемента конструкции; использовании для инкапсуляции массива нитевидных нанокристаллов гибкого материала; создании контактов к верхним и нижним частям нитевидных нанокристаллов, выступающим из слоя (мембраны) инкапсулирующего материала.The closest to the proposed invention and adopted as a prototype is the design of a flexible LED [CN 112216772 B] based on self-organized arrays of whisker nanocrystals from III-nitride compounds with a p-i-n structure (p-GaN/i-InGaN/n-GaN) encapsulated in a membrane polyimide with a base support layer of PDMS. Common features of the prototype and the present invention are the use of arrays of inorganic semiconductor whisker nanocrystals as a light-emitting structural element; using a flexible material to encapsulate an array of whisker nanocrystals; creating contacts to the upper and lower parts of whisker nanocrystals protruding from the layer (membrane) of the encapsulating material.

Недостатком прототипа является использование тонких слоев металлов (толщиной 10-12 нм и 150-160 нм) в качестве контактов к светоизлучающим структурам, при этом данные слои поглощают значимую часть излучаемого света. В состав полупрозрачного контакта также входит слой оксида индия-олова (ITO), что существенно ограничивает гибкость светодиода из-за механической хрупкости данного слоя, а также делает светодиодную матрицу неэластичной.The disadvantage of the prototype is the use of thin layers of metals (10-12 nm and 150-160 nm thick) as contacts to light-emitting structures, while these layers absorb a significant part of the emitted light. The translucent contact also includes a layer of indium tin oxide (ITO), which significantly limits the flexibility of the LED due to the mechanical fragility of this layer, and also makes the LED matrix inelastic.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание матрицы эластичных полупрозрачных светодиодов на основе массивов нитевидных микро- или нанокристаллов III-нитридных соединений.Thus, the technical problem to be solved by the present invention is the creation of a matrix of elastic translucent light-emitting diodes based on arrays of whisker micro- or nanocrystals of III-nitride compounds.

Настоящее изобретение предлагает решение проблемы по созданию эластичной полупрозрачной светодиодной матрицы с массивом эластичных прозрачных контактных площадок (пикселей) к мембранам НМК/ПДМС, при этом расширяется функциональность и область применения светодиодных устройств за счет введения эластичной матрицы электродов.The present invention proposes a solution to the problem of creating an elastic translucent LED matrix with an array of elastic transparent contact pads (pixels) to NMC/PDMS membranes, while expanding the functionality and scope of LED devices by introducing an elastic matrix of electrodes.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что светодиодная матрица включает массив неорганических нитевидных нанокристаллов из полупроводниковых III-нитридных соединений в качестве светоизлучающего элемента, инкапсулированных в гибкий материал с электродами к верхним и нижним частям нитевидных нанокристаллов, выступающих из слоя инкапсулирующего материала, при этом в качестве материала мембраны используется эластичный силоксан, а в качестве электрода используется эластичная матрица пикселей, к каждому пикселю осуществляется индивидуальная адресация эластичными контактными дорожками волнообразной формы.The solution to this technical problem is achieved by the fact that the LED matrix includes an array of inorganic whisker nanocrystals from semiconductor III-nitride compounds as a light emitting element, encapsulated in a flexible material with electrodes to the upper and lower parts of the whisker nanocrystals protruding from the layer of encapsulating material, while as Elastic siloxane is used as the membrane material, and an elastic matrix of pixels is used as an electrode, each pixel is individually addressed by elastic wave-shaped contact tracks.

Таким образом, технический результат заявленного изобретения достигается за счет осуществления формирования эластичной светодиодной мембраны НМК/ПДМС и формирования эластичного электрода в виде пикселей и подводящих дорожек к мембране. Формируемые пиксели с подводящими дорожками наносятся на обе стороны светодиодной мембраны, после чего вся конструкция дополнительно инкапсулируется в защитную матрицу ПДМС. Использование массивов НМК, полимерных матриц ПДМС и пикселей с подводящими дорожками волнообразной формы обеспечивает эластичность светодиодной матрицы.Thus, the technical result of the claimed invention is achieved by forming an elastic NMC/PDMS LED membrane and forming an elastic electrode in the form of pixels and leads to the membrane. The formed pixels with lead-in paths are applied to both sides of the LED membrane, after which the entire structure is additionally encapsulated in a protective PDMS matrix. The use of NMC arrays, PDMS polymer matrices, and pixels with wave-like lead-in paths ensures the elasticity of the LED matrix.

Перечень чертежей. Сущность изобретения поясняется Фиг. 1-6, где:List of drawings. The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-6 where:

Фиг. 1 иллюстрирует изображение синтезированного массива НМК на рассогласованной по параметру решетки подложке, полученные растровой электронной микроскопией.Fig. 1 illustrates the image of the synthesized NMC array on a substrate mismatched in lattice parameter, obtained by scanning electron microscopy.

Фиг. 2 иллюстрирует схему массива НМК А3В5 в мембране ПДМС с прозрачными электродами.Fig. 2 illustrates the NMC A3B5 array in a PDMS membrane with transparent electrodes.

Фиг. 3 иллюстрирует фотографию изготовленного образца и схему литографической маски для формирования матрицы пикселей с эластичными контактными дорожками на основе прозрачных электродов.Fig. 3 illustrates a photograph of the fabricated sample and a diagram of a lithographic mask for forming a matrix of pixels with elastic contact tracks based on transparent electrodes.

Фиг. 4 иллюстрирует спектральные зависимости прозрачности эластичного светодиода (красная линия) и референсного образца из стекла (красная линия), нормированные на максимальные значение спектра для референсного образца. Вставка демонстрирует изображение светодиода.Fig. 4 illustrates the spectral dependences of the transparency of an elastic LED (red line) and a reference glass sample (red line), normalized to the maximum value of the spectrum for the reference sample. The inset shows an image of the LED.

Фиг. 5 иллюстрирует вольтамперную характеристику эластичной светодиодной мембраны GaN/InGaN ННК/силиконовая матрица до и после растяжения на 10%. Вставка демонстрирует изображение светодиода, излучающего свет, при механическом растяжении мембраны.Fig. 5 illustrates the current-voltage characteristic of an elastic GaN/InGaN NW/silicone matrix LED membrane before and after stretching by 10%. The insert shows an image of an LED emitting light when the membrane is mechanically stretched.

Фиг. 6 иллюстрирует спектры ЭЛ светодиода в релаксированном (сплошная линия) и растянутом (пунктирная линия) состояниях при различных электрических напряжениях. Спектры ЭЛ сдвинуты по вертикали для большей наглядности полученных результатов.Fig. 6 illustrates the EL spectra of an LED in relaxed (solid line) and stretched (dashed line) states at various electrical voltages. The EL spectra are shifted vertically for greater clarity of the results.

На фигурах показаны следующие элементы:The figures show the following elements:

1 - Светодиодные нитевидные нано-/микрокристаллы А3В5.1 - LED filamentary nano/microcrystals A3B5.

2 - Ростовая подложка кремния или сапфира.2 - Growth substrate of silicon or sapphire.

3 - Оболочка светодиодной гетероструктуры нитевидного нанокристалла (например, материал p- или n-GaN).3 - Shell of the LED heterostructure of a whisker nanocrystal (for example, p- or n-GaN material).

4 - Активная область светодиодной структуры (например, InGaN).4 - Active area of the LED structure (for example, InGaN).

5 - Ядро светодиодной гетероструктуры нитевидного нанокристалла (например, материал n- или p-GaN).5 - The core of the LED heterostructure of a whisker nanocrystal (for example, n- or p-GaN material).

6 - Пиксели электродной матрицы (в дальнейшем – пиксели).6 - Pixels of the electrode matrix (hereinafter referred to as pixels).

7 - Инкапсулирующий слой (мембрана) на основе эластичного полидиметилсилоксана.7 - Encapsulating layer (membrane) based on elastic polydimethylsiloxane.

8 - Подводящие дорожки волнообразной формы к пикселям электродной матрицы.8 - Wave-shaped lead-in paths to the pixels of the electrode matrix.

9 - Внешние контактные площадки для микропайки к подводящим дорожкам электродной матрицы.9 - External contact pads for microsoldering to the lead-in tracks of the electrode matrix.

Конструкция устройства эластичной светодиодной матрицы, представленная на фиг. 2, состоит из массива вертикально-ориентированных ННК или НМК 1, находящихся внутри эластичной мембраны ПДМС 7, при этом верхние и нижние части НМК выступают из мембраны и находятся в контакте с эластичным электродом 6.The structure of the elastic LED matrix device shown in Fig. 2 consists of an array of vertically oriented NWs or NMCs 1 located inside the elastic membrane PDMS 7, with the upper and lower parts of the NMC protruding from the membrane and in contact with the elastic electrode 6.

Например, для создания синих светодиодов синтез массива InGaN/GaN НМК 1 может осуществляться методом металлорганической газофазной эпитаксии на сапфировых подложках 2 с образованием p-i-n структуры “ядро 5-оболочка 3” и активной области 4 между ними (фиг. 1). Синтез начинается в режиме анизотропного синтеза НМК 1 n-GaN c высоким уровнем легирования атомами Si. В результате формируется массив НМК n-GaN с неоднородным распределением диаметров латерального сечения в диапазоне 300-1000 нм и высотой НМК 15-30 мкм. Затем режим эпитаксии переключается на изотропный синтез для формирования активной области 4 7-30 периодов квантовых ям InGaN толщиной 3-5 нм с барьерами GaN толщиной 5-10 нм на боковой поверхности и верхней фасетки ядра 5 НМК 1 n-GaN, при этом из-за морфологии массива НМК 1 квантовые ямы формируются только в верхних 1/3-2/3 областях НМК 1 из-за неоднородности потоков прекурсоров элементов А3 и В5 в зависимости от расстояния до поверхности подложки. После формирования квантовых ям InGaN/GaN в режиме изотропного синтеза формируется оболочка 3 p-GaN, легированная атомами Mg, что из-за неоднородности потока прекурсоров также происходит в верхних 1/3-2/3 областях НМК.For example, to create blue LEDs, the synthesis of an array of InGaN/GaN NMC 1 can be carried out by the method of metal-organic vapor phase epitaxy on sapphire substrates 2 with the formation of a p-i-n structure “core 5-shell 3” and an active region 4 between them (Fig. 1). Synthesis begins in the regime of anisotropic synthesis of NMC 1 n-GaN with a high level of doping with Si atoms. As a result, an n-GaN NMC array is formed with a non-uniform distribution of lateral section diameters in the range of 300–1000 nm and an NMC height of 15–30 μm. Then the epitaxy mode switches to isotropic synthesis to form an active region 4 7-30 periods of InGaN quantum wells 3-5 nm thick with GaN barriers 5-10 nm thick on the side surface and the upper facet of the core 5 NMC 1 n-GaN, while Due to the morphology of the NMC 1 array, quantum wells are formed only in the upper 1/3-2/3 regions of the NMC 1 due to the inhomogeneity of the fluxes of the A3 and B5 precursors depending on the distance to the substrate surface. After the formation of InGaN/GaN quantum wells in the isotropic synthesis mode, a 3 p-GaN shell doped with Mg atoms is formed, which also occurs in the upper 1/3–2/3 regions of the NMC due to the inhomogeneity of the precursor flux.

Полученные массивы светодиодных InGaN/GaN НМК 1 инкапсулируются в ПДМС методом гравитационной накрутки, при этом толщина мембраны ПДМС 7 выбирается в зависимости от высоты НМК контролем времени центрифугирования в диапазоне 10-90 мин. Остаточный смачивающий слой ПДМС на верхних частях НМК удаляется в смеси плазмы O₂/CF₄ для последующего формирования электрода 6 к верхним частям НМК 1. Отделение мембраны НМК 1 /ПДМС 7 осуществляется механически острым лезвием, для чего проводят продольное движение лезвием вдоль ростовой подложки, между подложкой и мембраной. После отделения мембраны основания НМК 1 выступают из мембраны, что обеспечивает возможность нанесения нижнего электрода 6, которое совершается аналогично верхнему (фиг. 2).The resulting arrays of LED InGaN/GaN NMC 1 are encapsulated in PDMS by the method of gravitational wrapping, while the thickness of the PDMS 7 membrane is selected depending on the height of the NMC by controlling the centrifugation time in the range of 10–90 min. The residual wetting layer of PDMS on the upper parts of the NMC is removed in a mixture of O ₂ /CF ₄ plasma for the subsequent formation of an electrode 6 to the upper parts of the NMC 1. The separation of the NMC 1 /PDMS 7 membrane is carried out with a mechanically sharp blade, for which a longitudinal movement of the blade along the growth substrate is carried out, between the substrate and the membrane. After separation of the membrane, the bases of the NMC 1 protrude from the membrane, which makes it possible to apply the lower electrode 6, which is carried out similarly to the upper one (Fig. 2).

В качестве материалов для изготовления эластичных контактных площадок 6, подводящих дорожек 8 и внешних контактных площадок 9 могут выступать, например, тонкие слои металлов, их оксидов или нитридов. Выбор материала для изготовления указанных элементов определяется составом ННК или НМК, а также типом их проводимости. В частности, могут быть использованы Al, Pt, Ti/Au, Ni/Au, NiO, TiN, а также слои одностенных углеродных нанотрубок прозрачностью 80-90%, синтезированные газофазным осаждением.As materials for the manufacture of elastic pads 6, lead-in tracks 8 and external pads 9 can be, for example, thin layers of metals, their oxides or nitrides. The choice of material for the manufacture of these elements is determined by the composition of NWs or NMCs, as well as the type of their conductivity. In particular, Al, Pt, Ti/Au, Ni/Au, NiO, TiN, as well as layers of single-walled carbon nanotubes with a transparency of 80-90% synthesized by gas-phase deposition can be used.

Материал электрода наносится на эластичную мембрану ННК/ПДМС в форме пикселей 6 и подводящих дорожек волнообразной формы 8 с внешними контактными площадками 9 для микропайки (фиг. 3).The electrode material is applied to the NNK/PDMS elastic membrane in the form of pixels 6 and wave-shaped lead-in tracks 8 with external pads 9 for microsoldering (Fig. 3).

Эластичная светодиодная матрица включает в себя гибкую мембрану 7 с массивом функционализированных нитевидных микро- и нанокристаллов (НМК) 1 из полупроводниковых III-нитридных соединений, представляющих собой ядро 5 одного типа проводимости и оболочку 3 с светоизлучающей областью 4 и слоем другого типа проводимости, инкапсулированных в силоксановую матрицу 7, отделенную от ростовой подложки 2, при этом оболочка 3 НМК 1 частично покрывает длину ядра 5 НМК 1, матрица 7 является прозрачной и электрически изолирующей и не покрывает основания и вершины НМК 1, при этом на обе стороны полимерной матрицы 7 нанесены эластичные прозрачные контактные площадки 6, каждой из которой обеспечена индивидуальная адресация подводящими эластичными контактными дорожками волнообразной формы 8.The elastic LED matrix includes a flexible membrane 7 with an array of functionalized whisker micro- and nanocrystals (NMCs) 1 made of semiconductor III-nitride compounds, which are a core 5 of one type of conductivity and a shell 3 with a light-emitting region 4 and a layer of another type of conductivity, encapsulated in siloxane matrix 7, separated from the growth substrate 2, while the shell 3 of the NMC 1 partially covers the length of the core 5 of the NMC 1, the matrix 7 is transparent and electrically insulating and does not cover the bases and tops of the NMC 1, while both sides of the polymer matrix 7 are coated with elastic transparent contact pads 6, each of which is provided with individual addressing by supplying elastic contact tracks of wavy shape 8.

Эластичная светодиодная матрица работает при приложении напряжения к внешним контактным площадкам 9 на обеих сторонах светодиодной матрицы (например, постоянного напряжения свыше 4-12 В, в зависимости от наличия паразитных электрических барьеров на интерфейсе НМК 1 и эластичного электрода 6). При этом отдельные пиксели 6 функционируют независимо друг от друга, то есть, при приложении напряжения к одному пикселю электролюминесценция наблюдается только от НМК 1 соответствующей области под контактными площадками 6. Одновременно может светить любой произвольный набор пикселей, к которым приложено соответствующее рабочее напряжение, что позволяет эластичной светодиодной матрице формировать изображение, то есть, функционировать как дисплей. Эластичная светодиодная матрица функционирует при изгибе радиусом кривизны до 1 мм в произвольной области устройства, а также растяжении до 10% вдоль произвольной оси в плоскости эластичной светодиодной матрицы (то есть, при растяжении перпендикулярно оси НМК 1).The elastic LED array operates by applying a voltage to the external contact pads 9 on both sides of the LED array (for example, a constant voltage of over 4-12 V, depending on the presence of parasitic electrical barriers at the interface of the NMC 1 and the elastic electrode 6). In this case, individual pixels 6 function independently of each other, that is, when a voltage is applied to one pixel, electroluminescence is observed only from the NMC 1 of the corresponding area under the contact pads 6. At the same time, any arbitrary set of pixels to which the corresponding operating voltage is applied can shine, which allows elastic LED matrix to form an image, that is, to function as a display. The elastic LED matrix functions when bent with a curvature radius of up to 1 mm in an arbitrary area of the device, as well as stretching up to 10% along an arbitrary axis in the plane of the elastic LED matrix (that is, when stretched perpendicular to the axis of NMC 1).

Claims

Светодиодная матрица, включающая массив неорганических нитевидных нанокристаллов из полупроводниковых III-нитридных соединений в качестве светоизлучающего элемента, инкапсулированных в гибкий материал с электродами к верхним и нижним частям нитевидных нанокристаллов, выступающих из слоя инкапсулирующего материала, отличающаяся тем, что в качестве материала мембраны используется эластичный силоксан, а в качестве электрода используется эластичная матрица пикселей, к каждому пикселю осуществляется индивидуальная адресация эластичными контактными дорожками волнообразной формы.LED matrix, including an array of inorganic whisker nanocrystals from semiconductor III-nitride compounds as a light-emitting element, encapsulated in a flexible material with electrodes to the upper and lower parts of the whisker nanocrystals protruding from the layer of encapsulating material, characterized in that elastic siloxane is used as the membrane material , and an elastic matrix of pixels is used as an electrode, each pixel is individually addressed by elastic wavy contact tracks.