OTFT將成為下一代平板顯示核心技術(shù)
OTFT將成為下一代平板顯示核心技術(shù)
中科院長春應(yīng)用化學所研究員閆東航
目前有機薄膜晶體管(OTFT)的綜合性能已經(jīng)達到商用非晶硅水平，其鮮明的低生產(chǎn)成本和高功能優(yōu)點已顯示出巨大的市場潛力和產(chǎn)業(yè)化價值。有機薄膜晶體管將很快成為新一代平板顯示的核心技術(shù)。
將成新一代平板顯示核心技術(shù)
有機薄膜晶體管(OTFT，organic thin film transistor)的基本結(jié)構(gòu)和功能與傳統(tǒng)的薄膜晶體管(TFT)基本相同，不同的是它采用了有機半導體作為工作物質(zhì)。與現(xiàn)有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特點：加工溫度低，一般在180℃以下，不僅能耗顯著降低，而且適用于柔性基板；工藝過程大大簡化，成本大幅度降低，氣相沉積和印刷打印兩種方法都適合大面積加工；材料來源廣泛，發(fā)展?jié)摿Υ?，同時環(huán)境友好。這些特點符合社會發(fā)展和技術(shù)進步的趨勢，因此，它的出現(xiàn)和進展在國際上引起廣泛關(guān)注，很多大公司和研發(fā)機構(gòu)競相投入研發(fā)，特別是歐洲已形成研發(fā)聯(lián)盟，OTFT的性能(載流子遷移率)以平均每兩年提高十倍的速度在發(fā)展，目前綜合性能已經(jīng)達到了目前商業(yè)上廣泛使用的非晶硅TFT水平(0.7平方厘米每伏秒)?？梢哉f，有機薄膜晶體管將成為新一代平板顯示的核心技術(shù)。
開始邁入實用化階段
在有機薄膜晶體管發(fā)展的初期，提高有機半導體的載流子遷移率是研發(fā)的主要目標，代表性的高遷移率有機半導體主要有聚噻吩、六噻吩、并五苯、并四苯和酞菁銅等，其中并五苯多晶薄膜的載流子遷移率超過1.0平方厘米每伏秒。眾多的研究機構(gòu)圍繞并五苯展開了系統(tǒng)而深入的研究，成果矚目。這個階段的有機電子學一般也被稱為并五苯電子學。并五苯是一類熒光顏料，最早由法國國家科學院的Garnier組在1991年篩選出來作為OTFT的半導體材料，但是載流子遷移率和開關(guān)電流比很低。美國賓州大學的Jackson組隨后對并五苯薄膜晶體管進行了深入的研究，取得可喜成果：發(fā)展出高遷移率并五苯多晶薄膜的制備方法和改善接觸電阻的電極修飾方法；采用多級環(huán)型振蕩器證明有機半導體的動態(tài)特性能夠滿足平板顯示的需要；通過制備的OTFT-LCD和OTFT-OLED樣機展現(xiàn)出OTFT的美好應(yīng)用前景。但是，并五苯由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，一方面在光照或水氧存在的環(huán)境下其化學穩(wěn)定性不夠好，另一方面它也容易升華揮發(fā)致使其欠缺物理穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定的因素限制了它的進一步實際應(yīng)用。
化學和物理穩(wěn)定性比較好的代表性材料是酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鐵、酞菁鉑、酞菁鎳、酞菁錫和自由酞菁，由美國貝爾實驗室的鮑哲南最早在1996年篩選出來，但是他們的載流子遷移率低于0.02平方厘米每伏秒，與并五苯比要低100倍。因此，尋找到物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定的高遷移率有機半導體成為OTFT實用化的一個關(guān)鍵所在。
中國科學院長春應(yīng)用化學研究所從1997年開始把研究重點聚焦到提升金屬酞菁多晶膜遷移率的方法研究和新型高遷移率金屬酞菁材料的篩選工作。2002年發(fā)展出采用兩種有機半導體層狀復合的方法來方便地評價材料的性質(zhì)，為新材料的篩選提供了有效的途經(jīng)。例如，篩選出商用復印機光導鼓所用的酞菁氧釩和酞菁氧鈦可以作為高遷移率有機半導體使用，它們的載流子遷移率達到0.01平方厘米每伏秒；2004年優(yōu)化出高遷移率的酞菁銅和酞菁鈷多晶復合膜，遷移率達到0.11平方厘米每伏秒，但與并五苯相比遷移率還是低幾十倍，主要原因還是薄膜質(zhì)量不如并五苯。并五苯是棒狀分子，在多晶薄膜生長過程中，單晶島呈現(xiàn)對稱生長的方式，相鄰單晶島長大相碰時晶界融合狀況比較好，而金屬酞菁是盤狀分子，在多晶薄膜生長過程中，單晶島呈現(xiàn)強烈的不對稱生長的方式，相鄰單晶島長大相碰時晶界融合狀況非常差，因此改善晶界融合狀況是提升金屬酞菁多晶薄膜品質(zhì)的一個關(guān)鍵因素。2006年發(fā)展出采用棒狀分子六聯(lián)苯多晶膜誘導金屬酞菁多晶膜的生長方法弱取向外延方法，成功實現(xiàn)高品質(zhì)盤狀分子多晶薄膜的制備。例如，酞菁銅和酞菁鋅多晶膜的遷移率分別達到0.15和0.32平方厘米每伏秒，達到類單晶水平，酞菁氧釩多晶膜的遷移率達到1.5平方厘米每伏秒。以酞菁氧釩為代表的高遷移率和高穩(wěn)定性有機半導體的出現(xiàn)，標志著有機薄膜晶體管開始邁入實用化階段。
動態(tài)特性滿足液晶顯示要求
我們知道，在給TFT加開態(tài)柵壓后很短的時間內(nèi)漏極電流會出現(xiàn)一個峰值，這個現(xiàn)象被稱為過沖。經(jīng)過一段時間電流逐漸減小達到穩(wěn)定，這段時間被稱為瞬態(tài)持續(xù)時間。過沖現(xiàn)象將引起圖像的閃爍，對實際應(yīng)用是不利的，因此，要求過沖越低越好，瞬態(tài)持續(xù)時間越短越好。
酞菁氧釩薄膜晶體管在1V的信號電壓下的最大過沖為87%，而相同條件下非晶硅薄膜晶體管的最大過沖為160%，在其他信號電壓下，酞菁氧釩薄膜晶體管的過沖波動也比非晶硅晶體管小得多；酞菁氧釩薄膜晶體管的瞬態(tài)持續(xù)時間為2毫秒，而非晶硅薄膜晶體管為6毫秒，且瞬態(tài)持續(xù)時間也同非晶硅一樣不隨信號電壓變化。這些數(shù)據(jù)證實了酞菁氧釩薄膜晶體管的過沖及瞬態(tài)持續(xù)時間都小于非晶硅，這源于有機半導體酞菁氧釩薄膜具有陷阱濃度低和陷阱對載流子的俘獲和釋放時間短的特性。這說明酞菁氧釩薄膜晶體管比非晶硅更符合動態(tài)平板顯示的要求。
滿足有機發(fā)光二極管顯示需要
有機發(fā)光二極管(OLED/PLED)的發(fā)光亮度與工作電流直接相關(guān)，這就要求有源矩陣是電流源電路，保障每個發(fā)光二極管的亮度是均勻的。
目前商業(yè)非晶硅TFT是n-溝道器件，采用兩個TFT和一個存儲電容的簡單電路可以構(gòu)成電壓源和電流源兩種電路，其中電流源電路需要與發(fā)光二極管交叉加工，不適合商業(yè)使用。目前不得不采用更多的TFT來構(gòu)造出電流源電路，但是受非晶硅載流子遷移率的限制，這個電路占每個像素的面積比較大，這就大大壓縮了發(fā)光二極管的面積，使整個顯示屏的開口率大大降低。而有機薄膜晶體管容易實現(xiàn)p-溝道工作模式，采用兩個TFT和一個存儲電容的簡單電路可以構(gòu)成電流源電路，且電流源與發(fā)光二極管是接續(xù)加工，適合商業(yè)需要。因此，從技術(shù)、成本和長期發(fā)展的角度看，有機薄膜晶體管在發(fā)光二極管的有源基板選擇方面具有很強的競爭力。
滿足柔性顯示需要
有機薄膜晶體管在它一出現(xiàn)時人們已經(jīng)意識到它在柔性基板上加工的優(yōu)勢。經(jīng)過近20年的發(fā)展，印刷打印方式和氣相沉積方式加工的有機薄膜晶體管均出現(xiàn)柔性顯示樣機，明確地向我們展示出顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢。
總之，有機薄膜晶體管以其加工溫度低、工藝簡單和材料來源廣泛的鮮明特點向我們展現(xiàn)出其在平板顯示方面的廣泛適用性和巨大發(fā)展?jié)摿Γ貙⒃谄桨屣@示技術(shù)的不斷發(fā)展中展現(xiàn)出不可替代的核心作用。
中科院長春應(yīng)用化學所研究員閆東航
目前有機薄膜晶體管(OTFT)的綜合性能已經(jīng)達到商用非晶硅水平，其鮮明的低生產(chǎn)成本和高功能優(yōu)點已顯示出巨大的市場潛力和產(chǎn)業(yè)化價值。有機薄膜晶體管將很快成為新一代平板顯示的核心技術(shù)。
將成新一代平板顯示核心技術(shù)
有機薄膜晶體管(OTFT，organic thin film transistor)的基本結(jié)構(gòu)和功能與傳統(tǒng)的薄膜晶體管(TFT)基本相同，不同的是它采用了有機半導體作為工作物質(zhì)。與現(xiàn)有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特點：加工溫度低，一般在180℃以下，不僅能耗顯著降低，而且適用于柔性基板；工藝過程大大簡化，成本大幅度降低，氣相沉積和印刷打印兩種方法都適合大面積加工；材料來源廣泛，發(fā)展?jié)摿Υ?，同時環(huán)境友好。這些特點符合社會發(fā)展和技術(shù)進步的趨勢，因此，它的出現(xiàn)和進展在國際上引起廣泛關(guān)注，很多大公司和研發(fā)機構(gòu)競相投入研發(fā)，特別是歐洲已形成研發(fā)聯(lián)盟，OTFT的性能(載流子遷移率)以平均每兩年提高十倍的速度在發(fā)展，目前綜合性能已經(jīng)達到了目前商業(yè)上廣泛使用的非晶硅TFT水平(0.7平方厘米每伏秒)?？梢哉f，有機薄膜晶體管將成為新一代平板顯示的核心技術(shù)。
開始邁入實用化階段
在有機薄膜晶體管發(fā)展的初期，提高有機半導體的載流子遷移率是研發(fā)的主要目標，代表性的高遷移率有機半導體主要有聚噻吩、六噻吩、并五苯、并四苯和酞菁銅等，其中并五苯多晶薄膜的載流子遷移率超過1.0平方厘米每伏秒。眾多的研究機構(gòu)圍繞并五苯展開了系統(tǒng)而深入的研究，成果矚目。這個階段的有機電子學一般也被稱為并五苯電子學。并五苯是一類熒光顏料，最早由法國國家科學院的Garnier組在1991年篩選出來作為OTFT的半導體材料，但是載流子遷移率和開關(guān)電流比很低。美國賓州大學的Jackson組隨后對并五苯薄膜晶體管進行了深入的研究，取得可喜成果：發(fā)展出高遷移率并五苯多晶薄膜的制備方法和改善接觸電阻的電極修飾方法；采用多級環(huán)型振蕩器證明有機半導體的動態(tài)特性能夠滿足平板顯示的需要；通過制備的OTFT-LCD和OTFT-OLED樣機展現(xiàn)出OTFT的美好應(yīng)用前景。但是，并五苯由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，一方面在光照或水氧存在的環(huán)境下其化學穩(wěn)定性不夠好，另一方面它也容易升華揮發(fā)致使其欠缺物理穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定的因素限制了它的進一步實際應(yīng)用。
化學和物理穩(wěn)定性比較好的代表性材料是酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鐵、酞菁鉑、酞菁鎳、酞菁錫和自由酞菁，由美國貝爾實驗室的鮑哲南最早在1996年篩選出來，但是他們的載流子遷移率低于0.02平方厘米每伏秒，與并五苯比要低100倍。因此，尋找到物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定的高遷移率有機半導體成為OTFT實用化的一個關(guān)鍵所在。
中國科學院長春應(yīng)用化學研究所從1997年開始把研究重點聚焦到提升金屬酞菁多晶膜遷移率的方法研究和新型高遷移率金屬酞菁材料的篩選工作。2002年發(fā)展出采用兩種有機半導體層狀復合的方法來方便地評價材料的性質(zhì)，為新材料的篩選提供了有效的途經(jīng)。例如，篩選出商用復印機光導鼓所用的酞菁氧釩和酞菁氧鈦可以作為高遷移率有機半導體使用，它們的載流子遷移率達到0.01平方厘米每伏秒；2004年優(yōu)化出高遷移率的酞菁銅和酞菁鈷多晶復合膜，遷移率達到0.11平方厘米每伏秒，但與并五苯相比遷移率還是低幾十倍，主要原因還是薄膜質(zhì)量不如并五苯。并五苯是棒狀分子，在多晶薄膜生長過程中，單晶島呈現(xiàn)對稱生長的方式，相鄰單晶島長大相碰時晶界融合狀況比較好，而金屬酞菁是盤狀分子，在多晶薄膜生長過程中，單晶島呈現(xiàn)強烈的不對稱生長的方式，相鄰單晶島長大相碰時晶界融合狀況非常差，因此改善晶界融合狀況是提升金屬酞菁多晶薄膜品質(zhì)的一個關(guān)鍵因素。2006年發(fā)展出采用棒狀分子六聯(lián)苯多晶膜誘導金屬酞菁多晶膜的生長方法弱取向外延方法，成功實現(xiàn)高品質(zhì)盤狀分子多晶薄膜的制備。例如，酞菁銅和酞菁鋅多晶膜的遷移率分別達到0.15和0.32平方厘米每伏秒，達到類單晶水平，酞菁氧釩多晶膜的遷移率達到1.5平方厘米每伏秒。以酞菁氧釩為代表的高遷移率和高穩(wěn)定性有機半導體的出現(xiàn)，標志著有機薄膜晶體管開始邁入實用化階段。
動態(tài)特性滿足液晶顯示要求
我們知道，在給TFT加開態(tài)柵壓后很短的時間內(nèi)漏極電流會出現(xiàn)一個峰值，這個現(xiàn)象被稱為過沖。經(jīng)過一段時間電流逐漸減小達到穩(wěn)定，這段時間被稱為瞬態(tài)持續(xù)時間。過沖現(xiàn)象將引起圖像的閃爍，對實際應(yīng)用是不利的，因此，要求過沖越低越好，瞬態(tài)持續(xù)時間越短越好。
酞菁氧釩薄膜晶體管在1V的信號電壓下的最大過沖為87%，而相同條件下非晶硅薄膜晶體管的最大過沖為160%，在其他信號電壓下，酞菁氧釩薄膜晶體管的過沖波動也比非晶硅晶體管小得多；酞菁氧釩薄膜晶體管的瞬態(tài)持續(xù)時間為2毫秒，而非晶硅薄膜晶體管為6毫秒，且瞬態(tài)持續(xù)時間也同非晶硅一樣不隨信號電壓變化。這些數(shù)據(jù)證實了酞菁氧釩薄膜晶體管的過沖及瞬態(tài)持續(xù)時間都小于非晶硅，這源于有機半導體酞菁氧釩薄膜具有陷阱濃度低和陷阱對載流子的俘獲和釋放時間短的特性。這說明酞菁氧釩薄膜晶體管比非晶硅更符合動態(tài)平板顯示的要求。
滿足有機發(fā)光二極管顯示需要
有機發(fā)光二極管(OLED/PLED)的發(fā)光亮度與工作電流直接相關(guān)，這就要求有源矩陣是電流源電路，保障每個發(fā)光二極管的亮度是均勻的。
目前商業(yè)非晶硅TFT是n-溝道器件，采用兩個TFT和一個存儲電容的簡單電路可以構(gòu)成電壓源和電流源兩種電路，其中電流源電路需要與發(fā)光二極管交叉加工，不適合商業(yè)使用。目前不得不采用更多的TFT來構(gòu)造出電流源電路，但是受非晶硅載流子遷移率的限制，這個電路占每個像素的面積比較大，這就大大壓縮了發(fā)光二極管的面積，使整個顯示屏的開口率大大降低。而有機薄膜晶體管容易實現(xiàn)p-溝道工作模式，采用兩個TFT和一個存儲電容的簡單電路可以構(gòu)成電流源電路，且電流源與發(fā)光二極管是接續(xù)加工，適合商業(yè)需要。因此，從技術(shù)、成本和長期發(fā)展的角度看，有機薄膜晶體管在發(fā)光二極管的有源基板選擇方面具有很強的競爭力。
滿足柔性顯示需要
有機薄膜晶體管在它一出現(xiàn)時人們已經(jīng)意識到它在柔性基板上加工的優(yōu)勢。經(jīng)過近20年的發(fā)展，印刷打印方式和氣相沉積方式加工的有機薄膜晶體管均出現(xiàn)柔性顯示樣機，明確地向我們展示出顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢。
總之，有機薄膜晶體管以其加工溫度低、工藝簡單和材料來源廣泛的鮮明特點向我們展現(xiàn)出其在平板顯示方面的廣泛適用性和巨大發(fā)展?jié)摿Γ貙⒃谄桨屣@示技術(shù)的不斷發(fā)展中展現(xiàn)出不可替代的核心作用。
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