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新兴显示技术系列报道之四
OTFT将成为下一代平板显示核心技术
中科院长春应用化学所研究员闫东航
目前有机薄膜晶体管(OTFT)的综合性能已经达到商用非晶硅水平，其鲜明的低生产成本和高功能优点已显示出巨大的市场潜力和产业化价值。有机薄膜晶体管将很快成为新一代平板显示的核心技术。
将成新一代平板显示核心技术
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，不同的是它采用了有机半导体作为工作物质。与现有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特点：加工温度低，一般在180℃以下，不仅能耗显著降低，而且适用于柔性基板；工艺过程大大简化，成本大幅度降低，气相沉积和印刷打印两种方法都适合大面积加工；材料来源广泛，发展潜力大，同时环境友好。这些特点符合社会发展和技术进步的趋势，因此，它的出现和进展在国际上引起广泛关注，很多大公司和研发机构竞相投入研发，特别是欧洲已形成研发联盟，OTFT的性能(载流子迁移率)以平均每两年提高十倍的速度在发展，目前综合性能已经达到了目前商业上广泛使用的非晶硅TFT水平(0.7平方厘米每伏秒)。可以说，有机薄膜晶体管将成为新一代平板显示的核心技术。
开始迈入实用化阶段
在有机薄膜晶体管发展的初期，提高有机半导体的载流子迁移率是研发的主要目标，代表性的高迁移率有机半导体主要有聚噻吩、六噻吩、并五苯、并四苯和酞菁铜等，其中并五苯多晶薄膜的载流子迁移率超过1.0平方厘米每伏秒。众多的研究机构围绕并五苯展开了系统而深入的研究，成果瞩目。这个阶段的有机电子学一般也被称为并五苯电子学。并五苯是一类荧光颜料，最早由法国国家科学院的Garnier组在1991年筛选出来作为OTFT的半导体材料，但是载流子迁移率和开关电流比很低。美国宾州大学的Jackson组随后对并五苯薄膜晶体管进行了深入的研究，取得可喜成果：发展出高迁移率并五苯多晶薄膜的制备方法和改善接触电阻的电极修饰方法；采用多级环型振荡器证明有机半导体的动态特性能够满足平板显示的需要；通过制备的OTFT-LCD和OTFT-OLED样机展现出OTFT的美好应用前景。但是，并五苯由于其特殊的分子结构，一方面在光照或水氧存在的环境下其化学稳定性不够好，另一方面它也容易升华挥发致使其欠缺物理稳定性，这些不稳定的因素限制了它的进一步实际应用。
化学和物理稳定性比较好的代表性材料是酞菁铜、酞菁锌、酞菁铁、酞菁铂、酞菁镍、酞菁锡和自由酞菁，由美国贝尔实验室的鲍哲南最早在1996年筛选出来，但是他们的载流子迁移率低于0.02平方厘米每伏秒，与并五苯比要低100倍。因此，寻找到物理和化学性质稳定的高迁移率有机半导体成为OTFT实用化的一个关键所在。
中国科学院长春应用化学研究所从1997年开始把研究重点聚焦到提升金属酞菁多晶膜迁移率的方法研究和新型高迁移率金属酞菁材料的筛选工作。2002年发展出采用两种有机半导体层状复合的方法来方便地评价材料的性质，为新材料的筛选提供了有效的途经。例如，筛选出商用复印机光导鼓所用的酞菁氧钒和酞菁氧钛可以作为高迁移率有机半导体使用，它们的载流子迁移率达到0.01平方厘米每伏秒；2004年优化出高迁移率的酞菁铜和酞菁钴多晶复合膜，迁移率达到0.11平方厘米每伏秒，但与并五苯相比迁移率还是低几十倍，主要原因还是薄膜质量不如并五苯。并五苯是棒状分子，在多晶薄膜生长过程中，单晶岛呈现对称生长的方式，相邻单晶岛长大相碰时晶界融合状况比较好，而金属酞菁是盘状分子，在多晶薄膜生长过程中，单晶岛呈现强烈的不对称生长的方式，相邻单晶岛长大相碰时晶界融合状况非常差，因此改善晶界融合状况是提升金属酞菁多晶薄膜品质的一个关键因素。2006年发展出采用棒状分子六联苯多晶膜诱导金属酞菁多晶膜的生长方法弱取向外延方法，成功实现高品质盘状分子多晶薄膜的制备。例如，酞菁铜和酞菁锌多晶膜的迁移率分别达到0.15和0.32平方厘米每伏秒，达到类单晶水平，酞菁氧钒多晶膜的迁移率达到1.5平方厘米每伏秒。以酞菁氧钒为代表的高迁移率和高稳定性有机半导体的出现，标志着有机薄膜晶体管开始迈入实用化阶段。
动态特性满足液晶显示要求
我们知道，在给TFT加开态栅压后很短的时间内漏极电流会出现一个峰值，这个现象被称为过冲。经过一段时间电流逐渐减小达到稳定，这段时间被称为瞬态持续时间。过冲现象将引起图像的闪烁，对实际应用是不利的，因此，要求过冲越低越好，瞬态持续时间越短越好。
酞菁氧钒薄膜晶体管在1V的信号电压下的最大过冲为87%，而相同条件下非晶硅薄膜晶体管的最大过冲为160%，在其他信号电压下，酞菁氧钒薄膜晶体管的过冲波动也比非晶硅晶体管小得多；酞菁氧钒薄膜晶体管的瞬态持续时间为2毫秒，而非晶硅薄膜晶体管为6毫秒，且瞬态持续时间也同非晶硅一样不随信号电压变化。这些数据证实了酞菁氧钒薄膜晶体管的过冲及瞬态持续时间都小于非晶硅，这源于有机半导体酞菁氧钒薄膜具有陷阱浓度低和陷阱对载流子的俘获和释放时间短的特性。这说明酞菁氧钒薄膜晶体管比非晶硅更符合动态平板显示的要求。
满足有机发光二极管显示需要
有机发光二极管(OLED/PLED)的发光亮度与工作电流直接相关，这就要求有源矩阵是电流源电路，保障每个发光二极管的亮度是均匀的。
目前商业非晶硅TFT是n-沟道器件，采用两个TFT和一个存储电容的简单电路可以构成电压源和电流源两种电路，其中电流源电路需要与发光二极管交叉加工，不适合商业使用。目前不得不采用更多的TFT来构造出电流源电路，但是受非晶硅载流子迁移率的限制，这个电路占每个像素的面积比较大，这就大大压缩了发光二极管的面积，使整个显示屏的开口率大大降低。而有机薄膜晶体管容易实现p-沟道工作模式，采用两个TFT和一个存储电容的简单电路可以构成电流源电路，且电流源与发光二极管是接续加工，适合商业需要。因此，从技术、成本和长期发展的角度看，有机薄膜晶体管在发光二极管的有源基板选择方面具有很强的竞争力。
满足柔性显示需要
有机薄膜晶体管在它一出现时人们已经意识到它在柔性基板上加工的优势。经过近20年的发展，印刷打印方式和气相沉积方式加工的有机薄膜晶体管均出现柔性显示样机，明确地向我们展示出显示技术的发展趋势。
总之，有机薄膜晶体管以其加工温度低、工艺简单和材料来源广泛的鲜明特点向我们展现出其在平板显示方面的广泛适用性和巨大发展潜力，它必将在平板显示技术的不断发展中展现出不可替代的核心作用。
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