有機薄膜電晶體(OTFT)技術
目前有機薄膜電晶體(OTFT)的綜合性能已經達到商用非晶矽水平，其鮮明的低生產成本和高功能優點已顯示出巨大的市場潛力和產業化價值。有機薄膜電晶體將很快成為新一代平板顯示的核心技術。有機薄膜電晶體(OTFT，organic thin film transistor)的基本結構和功能與傳統的薄膜電晶體(TFT)基本相同，不同的是它採用了有機半導體作為工作物質。與現有的非晶矽或多晶矽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，而且適用於柔性基板；工藝過程大大簡化，成本大幅度降低，氣相沉積和印刷列印兩種方法都適合大面積加工；材料來源廣泛，發展潛力大，同時環境友好。這些特點符合社會發展和技術進步的趨勢，因此，它的出現和進展在國際上引起廣泛關注，很多大公司和研發機構競相投入研發，特別是歐洲已形成研發聯盟，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展，目前綜合性能已經達到了目前商業上廣泛使用的非晶矽TFT水平(0.7平方厘米每伏秒)。可以說，有機薄膜電晶體將成為新一代平板顯示的核心技術。一、OTFTS簡介
近年來，有機薄膜電晶體（Organic Thin Film Transistors，OTFTs）發展迅速。它與無機TFTs相比有兩個突出的優點：一是製作溫度低，二是成本低。OTFTs有可能在許多電子產品上得到套用，如有源矩陣顯示器、智慧卡、商品價格及存貨分類標籤、大面積感測陣列等。到目前為止，人們利用兩層並五苯 (Pentacene) 作為半導體活性材料，使用金作為電極材料，SiO2作為絕緣層，已成功製備了遷移率為1.5cm2/Vs ，開關電流比超過108的有機薄膜電晶體。
圖1 有機薄膜場效應電晶體示意圖急需解決的關鍵問題包括：
1 研製高載流子遷移率的有機半導體材料
2 改善有機半導體薄膜特性來提高載流子遷移率
3 提高有機薄膜電晶體的穩定性、頻率特性、開關特性
本研究室自2000年開始有機電晶體的相關工作，研究集中在有機半導體材料的合成和設計、器件結構設計以及製備工藝的研究。
目前利用我們自己合成的高純度CuPc和並五苯，研製出了性能穩定的有機薄膜電晶體。在器件上我們採用梳狀源極和漏極相互齒合的結構，利用有機絕緣材料Teflon，製備出了高性能的全有機場效應電晶體，相關論文已發表在科學通報上（邱勇，胡遠川，董桂芳，王立鐸，高裕弟。有機薄膜場效應電晶體的研製。科學通報，2002，47（8）：580-583）。在一種直線溝道結構的電晶體中，以玻璃為基底，利用一種有機聚合物為柵極絕緣材料，使用一種新型有機半導體材料，得到了載流子遷移率0.07cm2/Vs,開關電流比為2×105的優良特性。
二、研究室最新研究進展
我們在一種直線溝道結構的電晶體中，以玻璃為基底，利用一種有機聚合物為柵極絕緣材料，使用一種新型有機半導體材料，得到了載流子遷移率0.07cm2/Vs,開關電流比為2×105的優良特性。
圖2 玻璃襯底有機電晶體器件特徵曲線 圖2 玻璃襯底有機電晶體器件特徵曲線在有機薄膜電晶體發展的初期，提高有機半導體的載流子遷移率是研發的主要目標，代表性的高遷移率有機半導體主要有聚噻吩、六噻吩、並五苯、並四苯和酞菁銅等，其中並五苯多晶薄膜的載流子遷移率超過1.0平方厘米每伏秒。眾多的研究機構圍繞並五苯展開了系統而深入的研究，成果矚目。這個階段的有機電子學一般也被稱為並五苯電子學。並五苯是一類螢光顏料，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電流比很低。美國賓州大學的Jackson組隨後對並五苯薄膜電晶體進行了深入的研究，取得可喜成果：發展出高遷移率並五苯多晶薄膜的製備方法和改善接觸電阻的電極修飾方法；採用多級環型振盪器證明有機半導體的動態特性能夠滿足平板顯示的需要；通過製備的OTFT-LCD和OTFT-OLED樣機展現出OTFT的美好套用前景。但是，並五苯由於其特殊的分子結構，一方面在光照或水氧存在的環境下其化學穩定性不夠好，另一方面它也容易升華揮發致使其欠缺物理穩定性，這些不穩定的因素限制了它的進一步實際套用。
化學和物理穩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於0.02平方厘米每伏秒，與並五苯比要低100倍。因此，尋找到物理和化學性質穩定的高遷移率有機半導體成為OTFT實用化的一個關鍵所在。
中國科學院長春套用化學研究所從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年發展出採用兩種有機半導體層狀複合的方法來方便地評價材料的性質，為新材料的篩選提供了有效的途經。例如，篩選出商用複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年最佳化出高遷移率的酞菁銅和酞菁鈷多晶複合膜，遷移率達到0.11平方厘米每伏秒，但與並五苯相比遷移率還是低幾十倍，主要原因還是薄膜質量不如並五苯。並五苯是棒狀分子，在多晶薄膜生長過程中，單晶島呈現對稱生長的方式，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的一個關鍵因素。2006年發展出採用棒狀分子六聯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，成功實現高品質盤狀分子多晶薄膜的製備。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定性有機半導體的出現，標誌著有機薄膜電晶體開始邁入實用化階段。
在給TFT加開態柵壓後很短的時間內漏極電流會出現一個峰值，這個現象被稱為過沖。經過一段時間電流逐漸減小達到穩定，這段時間被稱為瞬態持續時間。過沖現象將引起圖像的閃爍，對實際套用是不利的，因此，要求過沖越低越好，瞬態持續時間越短越好。
酞菁氧釩薄膜電晶體在1V的信號電壓下的最大過沖為87%，而相同條件下非晶矽薄膜電晶體的最大過沖為160%，在其他信號電壓下，酞菁氧釩薄膜電晶體的過衝波動也比非晶矽電晶體小得多；酞菁氧釩薄膜電晶體的瞬態持續時間為2毫秒，而非晶矽薄膜電晶體為6毫秒，且瞬態持續時間也同非晶矽一樣不隨信號電壓變化。這些數據證實了酞菁氧釩薄膜電晶體的過沖及瞬態持續時間都小於非晶矽，這源於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電晶體比非晶矽更符合動態平板顯示的要求。
有機發光二極體(OLED/PLED)的發光亮度與工作電流直接相關，這就要求有源矩陣是電流源電路，保障每個發光二極體的亮度是均勻的。
目前商業非晶矽TFT是n-溝道器件，採用兩個TFT和一個存儲電容的簡單電路可以構成電壓源和電流源兩種電路，其中電流源電路需要與發光二極體交叉加工，不適合商業使用。目前不得不採用更多的TFT來構造出電流源電路，但是受非晶矽載流子遷移率的限制，這個電路占每個像素的面積比較大，這就大大壓縮了發光二極體的面積，使整個顯示屏的開口率大大降低。而有機薄膜電晶體容易實現p-溝道工作模式，採用兩個TFT和一個存儲電容的簡單電路可以構成電流源電路，且電流源與發光二極體是接續加工，適合商業需要。因此，從技術、成本和長期發展的角度看，有機薄膜電晶體在發光二極體的有源基板選擇方面具有很強的競爭力。
有機薄膜電晶體在它一出現時人們已經意識到它在柔性基板上加工的優勢。經過近20年的發展，印刷列印方式和氣相沉積方式加工的有機薄膜電晶體均出現柔性顯示樣機，明確地向我們展示出顯示技術的發展趨勢。
總之，有機薄膜電晶體以其加工溫度低、工藝簡單和材料來源廣泛的鮮明特點向我們展現出其在平板顯示方面的廣泛適用性和巨大發展潛力，它必將在平板顯示技術的不斷發展中展現出不可替代的核心作用。
有機電晶體初露鋒芒
新款電子閱讀器率先使用該技術
近日在拉斯維加斯舉行的美國消費電子展中，Plastic Logic宣布了第一款基於有機電晶體的消費產品的相關細節，在過去的20年內，該技術一直僅限於實驗室中套用。該公司的超薄電子閱讀器Que使用基於有機電晶體的單色可觸摸顯示屏，該螢幕由電子紙張公司EINK製造。這種電晶體可以在輕質塑膠基板上套用。
Plastic Logical閱讀器：期待已久的Que是第一款套用Plastic Logic公司有機電晶體技術的消費產品。來源：Plastic Logic對於Que來說，有機電晶體意味著一塊大27厘米的輕質可觸摸顯示屏。Que的使用者可以直接用手指在螢幕上塗鴉以標註文檔，或使用觸控螢幕上顯示出的鍵盤敲入標註。今天宣布的這兩款型號，分別是售價649美元的4G記憶體版本，以及售價649美元、擁有3G功能的8G記憶體版本。8G的版本可以存儲75000項文檔。兩款皆約重0.5千克。
Que的主頁提供與微軟交換伺服器（Microsoft Exchange）同步的日曆顯示功能，而Que也正在研發無線電子郵件和日曆功能。該公司與龐諾書店（Barnes & Noble）合作提供商業書籍及期刊下載的精品書庫（包括《科技創業》雜誌）。
為了提高報刊雜誌的表現效果，Plastic Logic聯手abode研發出truVue標準，以製造更接近紙板頁面感受的期刊模板。訂閱可以通過WiFI或者AT&T的3G網路下載。
相比傳統的矽工藝電晶體，有機電晶體可在更低的溫度下製造，這意味著它有可能顯印在輕質彈性塑膠上，而非玻璃。Que顯示屏由100萬根固定在塑膠基板上的電晶體所組成的列陣構成。該塑膠列陣在大多數顯示屏中取代了沉重固化的玻璃基矽列陣，這包括使用E-Ink顯示屏驅動像素的其他電子閱讀器。儘管顯示屏本身是有彈性的，但它封裝在固化塑膠中。彈性塑膠顯示屏的優點是它幾乎牢不可破。
Plasitc Logic公司於2000年從劍橋大學分離，同一年諾貝爾化學獎頒給了三名曾在70年代末製造出最早的導電聚合物的科學家（這三名科學家均與Plastic Logic無關）。最初的有機電晶體曾在80年代末由日本和英國製造過，當時性能比矽差得多。
“這種電晶體的性能在過去這10年飛速提升，”Plastic Logic首席科學家、劍橋大學物理學教授海寧•斯琳豪斯（Henning Sirringhaus）說。即使這樣，當科學家製造出堪比或者優於無定形矽性能的電晶體時，如何把這些成果推向實際工業化生產仍是該公司的挑戰，無定形矽材料製作的電晶體曾一度統治顯示屏市場。
有機電子器件一直很難進入市場，因為沒有一家公司製造需要有機電子器件工作的設備。斯琳豪斯表示，這些材料可以用噴墨或者用大型卷狀塑膠技術顯印，當它們小規模顯印時，往往效果很好。Plastic Logic耗費了很多年，來開發性能優良的工業化生產方式。市場調研公司DisplaySearch的資深副主席保羅•賽門薩（Paul Semenza）說，沒有設備生產商會賣這些顯印系統。
斯琳豪斯表示，該公司位於德國德勒斯登的工廠使用了一套新舊結合的工藝流程來製造該電子器件。“這對於Plastic Logic來說，的確是一次巨大的挑戰，”他說，“我們有一部分設備不能買。”該公司沒有透露它們工藝流程的細節，但斯琳豪斯表示，許多困難不得不克服。在塑膠上顯印很困難，是因為在顯印過程中塑膠會變形，而顯印材料會滲入基板。如果材料加熱過度，塑膠就會收縮。Plastic Logic使用連續式卷到卷顯印工藝，使大量電晶體列陣化，這樣保證每層材料在顯印時排齊就至關重要。
Que將是考量市場對該技術需求的一次很重要的測試。然而，賽門薩表示，這也許是唯一一次。“當一家公司從一開始就創製屬於自身的工藝流程時，有兩個理由會導致量化生產非常困難：設備製造商沒有足夠大的客戶群，以及沒有機會互相借鑑，而多數採用相同工藝流程的公司則會互惠互利。”
“許多有機電晶體行業公司正謹慎關注著Que，” 斯琳豪斯表示，“如果它成功了，他們將相信，有機電子器件是可行的。”
與此同時，Plastic Logic正努力減少附著電子電晶體的成本，而且可能在將來開發彈性設備。斯琳豪斯表示，該公司還在尋找新材料，以進一步提高電晶體列陣的性能，並且可能與其他公司合作，製造彩色像素列陣。
有機技術：“柔軟時代”的觀看主張
西鐵城的電子紙概念手錶你能想像把電視螢幕摺疊起來收入行囊，將手機像紙一樣捲起來裝入口袋？近年來，有機技術的迅速發展，已經讓想像成為現實，但這些技術何時走向產業化？那就讓我們一起展望即將到來的“柔軟時代”。
ＯＬＥＤ：ＬＣＤ終結者
螢光顯示器螢幕閃爍嚴重，輻射強，體積大；液晶顯示視角小、回響速度慢、成本高、亮度低、不適合在低溫下使用。這兩種傳統顯示技術各有缺陷，OLED技術則具有獨特優勢，它是一種全新的顯示技術，這種有機發光顯示器不需要背景光源，自己發光，因此使用的材料更少，占用的空間更小，能量利用率更高。OLED包括基板、陽極、有機材料、陰極，其中基板可以是玻璃、塑膠、金屬薄膜甚至是畫布和紙張；電極為金屬、金屬氧化物等；有機材料可以是小分子材料和聚合物材料。
OLED以其獨有的優勢為開闢“柔軟時代”帶來極大希望。但目前世界上只有美國的UDC、日本的東北先鋒等為數不多的研發機構或公司推出了柔軟OLED樣品。大尺寸技術是全球研究開發的又一熱點，是OLED能否用於電視機的關鍵技術。制約其發展的關鍵技術是驅動IC(積體電路)和面板製備技術。目前還沒有很適合大尺寸OLED驅動的IC，而且大尺寸面板生產工藝尚不成熟。儘管多家企業已經推出大尺寸的OLED樣機，但距離批量生產還有很長的距離。
在我國，未來一段時期內，OLED廠商間的產品規模和成本競爭不會太明顯，而是處在共同開拓市場的階段，市場上主要表現為OLED與LCD等傳統顯示器之間的競爭。OLED廠商和研究單位直接的競爭，主要表現在智慧財產權的布局、新材料、新器件結構、新工藝等方面。
OLED可以做出最輕盈的顯示器。用厚度只有幾十納米的有機材料做發光層，再加上各種能彎曲的塑膠及薄膜感光基板材料，做成的顯示器就是最輕薄的顯示器。可以預見過不了多久，電視就能像窗簾一樣掛在牆上，隨意捲起放下，MP3、照相機、手機等數碼產品也可以任意彎曲摺疊。
OLED可以做出最“結實”的顯示器。OLED具有全固態特性，無真空腔、無液態成分。因此它的機械性能好，抗震性強，溫度適應能力也十分了得，就算在零下40度到80度範圍內也可以正常工作，因此在軍事、科學探險、航天領域也將大有作為。
OLED可以做出最”節省”的顯示器。具有低壓驅動和低功耗特性，是OLED的特性。可以用10V以下電壓驅動，比液晶顯示器更加省電。OLED技術的構成簡單，無需背光單元，基板選擇面廣，材料和工藝方面的要求比液晶技術低近1/3。
ＯＴＦＴ：從電子紙到機器人皮膚
傳統的無機電晶體，是利用金屬氧化物半導體(MOS)式的場效應管，其半導體材料一般為無機矽。而有機薄膜電晶體(OTFT)則採用有機半導體材料取代MOS中的無機半導體材料。
與MOS電晶體相比，OTFT具有其獨特的優勢：有機薄膜的成膜技術，種類更多更新，如噴墨列印等，從而使製作工藝簡單、多樣、成本低；以有機聚合物製成的電晶體，其電性能可通過對有機分子結構進行適當的修飾而得到滿意的結果；有機物易於獲得，有機場效應管的製作工藝也更為簡單，因而能有效地降低成本；有機材料製備的所謂“全有機”電晶體具有更好的柔韌性，器件的尺寸能做得更小，集成程度高，質量輕，攜帶方便。
利用OTFT技術，我們可以做出節約資源的電子紙。電子紙具有紙的可讀性、可書寫性和柔韌性，但並不需要砍伐樹木破壞環境。電子紙是一種用電場驅動的顯示裝置，它用於顯示的材料主要是“電子墨”和“微膠囊”。這種顯示器的驅動不是堅硬的無機薄膜晶體，而是OTFT，在製作過程中使用印刷等方式製作電路。
荷蘭飛利浦電子公司分別利用美國E-lnk公司的微膠囊型電泳顯示屏，及美國SiPix公司的MicroCup型電泳顯示器，研製成功兩種捲軸型電子紙。捲軸型電子紙樣品由OTFT所在的塑膠底板與電泳顯示屏構成，可以一層一層捲成半徑2cm以下的圓筒。索尼公司推出的電子書籍就使用了E-ink公司開發的電子紙技術。此外，日本普利斯通公司和九州大學也在會上宣布開發出了以並五苯為基礎的電子紙。
機器人的“皮膚”。OTFT的又一個奇特套用是在機器人領域，在日本東京大學生產技術研究所的試驗中，科學家首先製作出約10cm見方的一個塑膠薄膜底板，其上有1000個左右的開關用有機電晶體組成有機電晶體陣列，再在電晶體上塗上一層具有感覺作用的感壓橡膠，並將電晶體相互連線起來，產生出一塊有1000個痛點的人造皮膚。OTFT不僅可以用來製造電子人工皮膚，用它製造出來的人造肌肉也可以通過電化學方法進行控制，使之膨脹和收縮。利用這種技術工藝，科學家能製造出非常類似人類的機器人的肢體，機器人也將不再只能生硬地完成程式指令，而是可以更加靈活地做出各種複雜的動作，這讓我們離走進“機器人”世界的幻想更近了一步。
參考文獻
http://www.coema.org.cn/study/oedis/20070919/205639.html
http://mittrchinese.com/zh/2010/0115/article_731.html
http://media.ccidnet.com/art/3783/20080220/1366781_1.html
