柔性和透明电子学与应用

          近半个世纪以来，微电子学技术的迅猛发展不断改变着人们的生活。传统微电子技术的发展主要得益于Si基材料、器件及加工技术的不断进步。为了保证材料结构的完整性和器件性能的更优化，传统的微电子器件都是制备在以单晶硅为代表的刚性衬底之上。随着材料技术及加工方法的进步，以金属氧化物半导体材料为代表的新材料逐渐被应用于微电子领域，因这些材料较传统微电子材料具有一些独特性质，催生了一些新技术及应用，如柔性电子学和透明电子学。

          柔性电子学主要是研究在柔性衬底上制备半导体器件、电路乃至整个系统的这样一门学问；而透明电子学主要是研究基于透明导电膜和新型透明半导体膜制备半导体器件、电路和系统。都涉及到材料、器件物理、电路系统等领域。以非晶铟镓锌氧（a-IGZO）为代表的金属氧化物半导体材料在最近十年得到广泛研究。如图1所示，其导带是由对取向不敏感的球形S轨道的交叠而形成，即使有源层材料为非晶态，器件也能获得很好的电学性能。同时，衬底的弯曲不会对器件性能造成大的影响。以Si为代表的传统半导体材料，其禁带宽度较窄，导致在可见光区有较大的光吸收，限制了其透明电子学方面的运用。而a-IGZO材料的禁带宽度~3.5eV，如图2所示，其在可见光区有非常好的光透过率，结合金属氧化物透明导电膜和透明的金属氧化物半导体膜可以制备全透明电子器件。所以，关于金属氧化物半导体材料及器件在柔性电子学和全透明电子学中的应用研究成为现今电子学特别是巨微电子学（Giant Microelectronics）研究的一个热点。

图1. a-IGZO薄膜的透光率

图2. 柔性器件/电路。 (a)A. K. Tripathi et. al, Appl. Phys. Lett. 98, 162102, (2004); (b) D. Geng et. al., SID Symposium Digest 44, 927-930 (2013); (c) S. Yang et. al., IEEE Electron Device Lett., Vol. 32, No. 12, PP. 1692-1694, Dec. 2011.

          柔性电子学和透明电子学应用研究主要集中在显示领域。显示技术的发展日新月异，在传统显示技术追求大尺寸、高分辨率发展趋势下，一些新的显示技术，如柔性显示、全透明显示等，以其独有的魅力吸引着消费者的眼球。传统显示面板制作在以玻璃为代表的刚性衬底上，笨重而不利于携带。而柔性显示其基板为以塑料为代表的柔性衬底，能够将显示器做到可卷曲、重量轻、超薄等。

图3. 柔性/透明显示器。（a）H. Yamaguchi et. al., SID Symposium Digest 44, 1002-1005 (2013)； (b) H. –H. Hsieh et. al., SID Symposium Digest 42, 714-717 (2011).