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有机薄膜晶体管(OTFT)显示发展态势

供稿人:徐宏宇  供稿时间:2016-2-16   关键字:OTFT  有机TFT  有机薄膜晶体管  

有机薄膜晶体管(OTFT,organic thin film transistor)的基本结构和功能与传统的薄膜晶体管(TFT)基本相同,不同的是核心材料采用了有机半导体。相对比于无机TFT来说,OTFT主要具有以下优点:

1)   工艺过程大大简化, OTFT的成膜工艺途径更多、更新。有机物成膜技术多,器件可以做得很小。

2)   可制成大面积的器件,如智能卡、识别卡、液晶显示器的驱动器等,而无机TFT因受单晶硅晶体尺寸的限制而多采用无定型硅和多晶硅,但制备过程中需要的高温使得它不能构筑在聚合物基底上。

3)   可低温下加工,制作工艺较为温和简单,生产成本大幅度降低。

4)   材料来源广泛,发展潜力大。有机物易得,通过对有机物分子进行化学修饰可以方便地调节场效应管的性能。

5)   全有机的OTFT可对器件进行适度扭曲或弯折,可以呈现出良好的柔韧性,这样可以把器件制成各种形状,而且器件的性能没有发生显著的变化,拓宽了OTFT的应用领域。

表1  a-Si TFT与OTFT的制程与材料比较

 

材料

制程

制程温度

制作成本

a-Si TFT

非晶硅

类似半导体制程

高温

200-400度

OTFT

小分子

高分子

有机金属错合物

印刷制程

较低

<100度

除此之外,以OTFT作为驱动部分的全有机显示屏还具有以下优良性能:驱动电压低,发光效率高,响应速度快,光电性能优良,器件性能稳定。

(1)国际技术研发方向

有机TFT在上世纪80年代中期开始出现,在国际上受到重视,并迅速发展。一个衡量半导体应用范围的重要指标载流子迁移率在近20年时间里平均每两年约提高10倍,目前已经达到现有商业上广泛使用的非晶硅水平。从长远发展看,有机TFT有可能成为微电子技术发展到未来纳米电子技术和分子电子技术时代的关键元件,近期则还是以发展有机固体电子技术和微电子技术为主的发展趋势,主要目标是廉价的塑料芯片和有源矩阵平板显示技术。

从专利角度看,OTFT的研究自2005年至今(2012年由于数据更新不完全,数量可能小于实际专利申请量)进入持续活跃期,可见该技术受到的重视和关注度很高。但从数量上看,仍未达到技术爆发期,因此距离真正的产业化尚需时日。

图1 历年OTFT相关专利申请数量变化

从专利的技术分布看,OTFT的研究主要集中在半导体器件上,其他研究类目依次为杂环化合物、电热、用碳-碳不饱和键以外的反应得到的高分子化合物、应用材料、用于控制光的强度/颜色/相位/偏振或方向的器件或装置。其中半导体器件类目下,最多的研究集中在使用有机材料作有源部分的固态器件、专门适用于整流、放大、振荡或切换的半导体器件、专门适用于制造或处理半导体或固体器件。

图2  OTFT相关专利的技术分布

目前国际上有机TFT技术主要有两条发展路线,一条是与现有TFT技术兼容的路线,另一条是全新的印刷和打印路线。第一条路线的主要优点是器件的综合性能指标比较高,有很多现有技术可以借鉴,技术成熟快,成本和生产效率与现有TFT技术比较有显著进步。第二条路线的主要优点是特别廉价、生产效率也高,但是器件的综合性能指标偏低,很多新的加工方法和加工设备需要开发,技术成熟需要更长的时间。根据应用目标的技术要求,目前国际上面向高端的有机TFT显示技术发展主要是采用第一条技术路线,而面向低端的塑料芯片技术发展主要是采用第二条技术路线。

有机TFT技术已经发展到产业技术攻关阶段,真正实现产业化还有一段路要走。首先,有机TFT技术尚有不成熟之处。例如,还没有通过中试实验,生产线设计需要基础数据支持。其次,有机TFT技术与现有TFT技术所用的材料有很大的差异,需要建设有市场竞争力的材料供应链。第三,有机TFT技术是新技术,如何与现有TFT技术之间平衡发展不可避免地会出现理解的差异。

(2) 国际产业化进展情况

采用有机TFT的有源矩阵平板显示技术近期主要应用目标是近700亿美元的液晶显示(OTFT-LCD)和新型的静态电子油墨显示(OTFT- Eink),主要驱动力是降低TFT基板的成本。中长期目标是与我们友好的柔性显示,包括液晶显示(OTFT-LCD)、电子油墨显示(OTFT-Eink)和完美的有机发光显示(OTFT-OLED和OTFT-PLED)等。荷兰飞利浦、美国朗讯和3M、韩国三星、日本索尼等很多国际公司的参与,极大地推动了这个领域的发展,虽然目前尚未有专业的技术公司出现,但是技术成熟度已经发展到产业技术攻关阶段。

对于OTFT在平板显示领域的实用性方面,贝尔实验室(朗讯科技)、E Ink公司已经研制出了大视角的可弯曲的电子油墨显示屏,台湾工研院电子所也曾研制成功3寸彩色OTFT驱动的液晶面板(OTFT-LCD)模块,索尼公司也发布了4.1寸OTFT(有机薄膜晶体管)驱动全彩OLED屏。

国内中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院化学研究所和清华大学等研究单位进行了相关研究。如:中国科学院长春应用化学所“有机TFT 器件”研发项目显示长春应化所在显示器件加工工艺、有机薄膜制备、材料合成关键环节上取得了突破,综合性能指标超过目前国际上已公布的同类光刻工艺制备OTFT,并制备出3 英寸200×60 和64×64 像素的OTFT-LCD 原型器件。上海中科联和显示技术有限公司已在2009年进行了OTFT平板显示技术中试实验线项目。

(3)产业前景及瓶颈

下图对OTFT的应用领域进行了大致的分类,图中越往下技术实现难度越高。近期,重点以电泳显示为突破,逐步渗透LCD、OLED。中期,塑料芯片。长期,生物化学材料传感器芯片。

otft.jpg

图3  OTFT细分技术市场应用领域

尽管 OTFT 具有材料广泛、工艺简单、可制成柔性产品等方面的优势,但目前大部分关于 OTFT 的研究还处于实验室阶段,如果要实现大规模工业化生产还要进一步的研究。目前,OTFT 存在的主要问题和发展趋势主要集在:

(1)有机半导体材料。目前大部分有机材料的迁移率较低,而且绝大部分材料是p型材料,n型材料较少,材型过于单一,采用n型材料作为OTFT的有源层,器件的性能普遍不好,这就制约了 OTFT 应用在大规模集成电路和其他领域。

(2)稳定性。OTFT 器件的稳定性较差,有机薄膜很容易与周围空气中的水分、氧气等反应,因而造成器件性能衰减。OTFT 的开关速度也不稳定,可能在晶体管内部发生摆动。

(3)理论方面。有机半导体中载流子传输理论还不完善,还有大量没有解决的问题。目前的一些理论模型存在局限性。

(4)应用于 OTFT 的性能优越的有机材料多半为小分子材料,这些材料普遍难容或不容,无法采用溶液成膜的方法,只能采用复杂、昂贵的工艺,如真空蒸发等。

参考文献:

  1. 刘翔等. 有机薄膜晶体管(OTFT)的研究进展. 现代显示,2007.12
  2. 徐宏智等. OTFT 專利分析與其研發策略關係之探討. 臺北科技大學學報,第四十之一期
  3. 闫东航. OTFT将成为下一代平板显示核心技术. 实用影音技术,2008.2


 


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