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苦苦等待了49年，OTFT终于向前迈进了一大步

CINNO · 公众号 · 数码 · 2017-08-02 23:18

正文

楔子：我们活在摩尔定律所主宰的硅基世界中，手持设备、智慧系统、大型物联网生态链，我们的生命中充斥着硅基生命的影子。

甚至有时候我们会怀疑，40多亿年前当地球上还是汪洋大海和怪石嶙峋时，碳基物质是如何在与硅基物质的竞争中获胜，成为现在唯一生命载体的？

硅在1787年被发现，再到1960年贝尔实验室的康(Kahng)和艾塔拉(Atalla)首次研制出MOS晶体管，硅基生命苦苦等待了173年。

而有机物的概念直到1806年才由贝采利乌斯首次提出，直到1927年海特勒和伦敦用量子力学提出了价键理论。

在贝尔实验室的MOS晶体管被发现15年之后，导电高分子才由美国的黑格、麦克迪尔米德和日本科学家白川英树于1975年发现。

在生命起源中完胜的碳基材料，却在第三次工业革命的浪潮中完败于前者。既然是碳基生命创造了硅基生命，可我们为什么会被硅基生命所创造的大脑打败在棋盘上呢？

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碳基与硅基的对决，有机与无机的决战如今在显示技术中又上演了。

虽然液晶和有机发光二极管这两个碳基生命干掉了阴极射线管和等离子显示器，但当你把显示器翻过来，你看到驱动它们背板技术仍然是硅基半导体TFT(当然，还有氧化物啦)时，你会不会有一种有机生命被无机生命所操纵的失落感？至少笔者是这么认为的。

液晶在电场下的电镜照片

其实早在1968年，人们就第一次发现了有场效应的有机材料——钛青铜；

1983年，聚乙炔成为了被发现的第一个具有场效应的聚合物材料；随后，有机半导体材料也继承了有机材料可溶的特点，第一个可溶解的有机聚合物材料Poly(3-hexylthiophene)则是在1988年被应用于场效应晶体管；

1992年，经典材料并五苯(Pentacene)被提出，从此以后，人们对有机半导体材料及其用于场效应管的研究一直没有停滞，有机半导体材料制备的场效应管迁移率也由最开始的10^-5cm²V^-1s^-1提升至10cm²V^-1s^-1.

并五苯分子在电子显微镜下

纵观有机电子学的发展历史，我们不难发现其的进化阶段

第一个阶段是对有机半导体材料器件性能和工作机理的初步研究，这一阶段发生在1986-1993年间；
第二个阶段是对有机薄膜固态沉积的机理及工艺制备技术等的研究，这一阶段发生在1993-1997年；
第三个阶段就是现代有机电子时期，越来越多的新材料和其器件被研究，为有机半导体器件构成集成电路奠定了基础。

不难发现，有机半导体材料具有得天独有的优势

第一：它的制备工艺温和，有机材料的低熔点特定即便采用真空蒸镀的形式也不会耗费太多的能源，若采用溶液法制备，则根本不需要真空环境，直接在室温下就可以完成制备。
第二就是其易得性，有机材料可以按需合成，可以根据官能团特点实现功能上的改变，向利于载流子传输的方向上进步。
第三是其易于大面积制程，溶液的流动性为有机材料的大面积化提供了保证。
第四是其柔性，可像OLED一样制备在柔性的基底上，实现柔性的电子器件。

Sony 2008年OTFT-OLED论文

但是有机半导体学科发展到今天，也没有系统性的理论基础，只能去参考它的导师硅基半导体的理论体系，它的缺点和不足也十分尖锐，他也无法适应现在集成电路大规模生产的设备和工艺。

首先是其图案化难度高，溶液成膜的重复性差，薄膜的形貌也难以控制。

有机材料无法和传统的光刻工艺结合去实现图案化（所以OLED的发光层选择了FMM形式的蒸渡方式），即便采用溶液法制备，也无法形成尺寸极小的有机半导体薄膜的图案，喷墨打印OLED尚且不成熟，打印比OLED更小的OTFT就可想而知。

奇特的BTBT取向成膜方法

我们愿意为OLED的不成熟贡献与其配套的设备和工艺，因为OLED技术在显示技术中的颠覆性让我们甘愿为其付出。

但，OTFT的出现和存在一直都不是颠覆性的，这就是它的第二个缺点，虽然它的迁移率超过了非晶硅，但也比非晶硅强不了太多，与低温多晶硅和氧化物TFT还存在着不小的距离。

用你来驱动液晶吗？抱歉你的工艺没有非晶硅成熟，非晶硅产线没有必要为了一个和自己相当的没有颠覆性的技术来更改产线结构，那用你来驱动OLED？抱歉你的迁移率太小了，你5-10cm²V^-1s^-1的迁移率还不够我低温多晶硅的十分之一。

第三个缺点就是其N型材料的发展速度慢，因为有机材料的结构特点，大部分有机材料P型半导体，这与目前成熟的非晶硅NMOS工艺、低温多晶硅CMOS工艺在驱动显示器件上的吻合度较差，即便不用于显示器件，用于一般的逻辑电路，也无法满足CMOS的驱动要求。

那用你来做柔性总可以了吧？

可是我们用非晶硅、多晶硅、氧化物TFT做背板的柔性器件也都做出来了，因为电子器件的应用还无法达到可以弯折到TFT级别的使用场景，这就是其第四个缺点，空有一身柔性的基因，却在显示技术中没有柔性的用武之地。

OTFT器件阵列

有机薄膜晶体管尴尬了，他出现在了一个以硅基生命为生存法则的时代，一个看似低成本、易于大面积、可柔性化的先进器件，却输给了现实，输给了时间。

半导体技术的发展由NMOS再到CMOS，无时不刻都是以硅基生命为基准的。

虽然有机生命的合成手段多种多样，但毕竟你还是来自石油，地球上的沙子才真是取之不尽！在历史上，硅基生命一直都是胜出者，氧化物TFT发展至今，都无法撼动硅基TFT的地位，OTFT的日子还不知道要等到哪一天。

OTFT logic from Neudrive

但是历史总要有默默付出和奉献的人们，在硅基产业蓬勃发展的今日，有机电子在其巨大的身影旁默默地思索着，OLED是幸运的，它虽然也是生不逢时，也被它的竞争者嘲笑了很久，他最终还是在LCD的世界里分得了一杯羹；有机太阳能电池也是幸运的，至少我们可以看到它与非晶硅在薄膜太阳能电池事业上的较量，至少我们还可以每年看到大量OPV的基础科学研究论文。

而OTFT呢？我们发现它半个世纪了，我们真的给予过它机会吗？当OTFT的迁移率超过非晶硅时，我们是否给予了它非晶硅市场中相同的机会？当高校的OTFT论文发不出高影响因子的论文时，有多少课题组转向了OPV，而又有多少课题组依然在坚持探索OTFT的应用呢？

扪心自问一下，我们究竟是在为了科学而研究科学，还是为了功利而研究科学？每一篇OTFT论文的开篇都千篇一律地重复着，低温、大面积、可柔性，但又有多少人坚持自己当初写下的这段话呢？

我想我们当初或许只是遵从导师的思想而从事着这门研究，但走出实验室的那个瞬间，就被这个世界的现实打败了。

FlexEnable OLCD watch

让笔者欣慰的是，有人在坚持——在产业界，至少FlexEnable在坚持，Neudrive在坚持，nVerpix在坚持，幂方电子在坚持。在LCD和OLED显示以外，Eink技术在坚持。在学术界，致力于OTFT器件制备和传感器应用的高校在坚持，特别是在传感器应用中，有机半导体被证明为最好的一次性传感器敏感材料，在传感器无处不在的物联网时代，OTFT将有很大的舞台。