OTFT和非晶硅晶體管有什么區(qū)別？

薄膜晶體管 （TFT） 已成為 LCD 和顯示器等大面積電子產(chǎn)品的關(guān)鍵元件。它們通過控制單個像素實現(xiàn)更高的分辨率和對比度，而不會犧牲刷新率。

繼 1947 年晶體管發(fā)明后，最早的 TFT 迭代在 1950 年代末和 1960 年代初被提出和創(chuàng)造。它們使用多種材料（例如鎘和銦）制成，并且具有不同的性能和應(yīng)用。然而，這些 TFT 只能在小區(qū)域內(nèi)可靠地運(yùn)行，因此不適合較大的顯示器尺寸，例如顯示器或電視。

進(jìn)一步的研究導(dǎo)致了非晶硅 （a-Si） TFT 的開發(fā)。事實證明，a-Si 在更大面積上是可靠的，從而推動了用于商業(yè)產(chǎn)品的 TFT-LCD 的發(fā)展。隨著 a-Si TFT 的商業(yè)化，其他類型的無機(jī) TFT，尤其是低溫多晶硅 （LTPS） 和氧化物 TFT 也被商業(yè)化，現(xiàn)在廣泛用于 OLED 和智能手機(jī)顯示器。如今，基于 a-Si 的 TFT-LCD 技術(shù)因其相對簡單且成本低廉的玻璃制造工藝而被用于數(shù)十億臺設(shè)備。

最近，有機(jī)薄膜晶體管 （OTFT） 的開發(fā)和批量生產(chǎn)取得了突破。它們采用有機(jī)聚合物制成，可提供與 a-Si 相同或更好的性能，可用于柔性、無玻璃顯示器和其他光學(xué)應(yīng)用。

經(jīng)過多年的開發(fā)，第一款 OTFT 于 2024 年 6 月在大規(guī)模生產(chǎn)的消費產(chǎn)品（Ledger 的加密貨幣錢包）中投入商業(yè)生產(chǎn)，其電子紙顯示屏環(huán)繞著 180 度的外彎，曲率半徑為 3 毫米。這一里程碑為未來產(chǎn)品中更多地采用基于 OTFT 的組件鋪平了道路（圖 1）。

圖1. Ledger Stax 推出首款量產(chǎn) OTFT 顯示屏。

那么，a-Si 晶體管和 OTFT 之間的主要區(qū)別是什么，什么時候更適合給定的產(chǎn)品呢？讓我們看看每個及其制造過程的特性和性能。

OTFT 與 a-Si 晶體管：特性和性能

尺寸、重量和耐用性是任何電子應(yīng)用中的重要考慮因素。顧名思義，雖然所有類型的薄膜晶體管都非常薄，因此很輕，但它們必須構(gòu)建在襯底上。對于無機(jī) TFT，這通常意味著玻璃基板，它幾乎貢獻(xiàn)了晶體管陣列的所有厚度和重量，并且限制了柔韌性和穩(wěn)健性。

近年來，我們看到聚酰亞胺基板上無機(jī) TFT 的商業(yè)化增長，最引人注目的是用于薄型或柔性 OLED 顯示器的 LTPS。由于無機(jī) TFT 本質(zhì)上包含陶瓷/脆性材料，因此如果施加過多的應(yīng)力，它們很容易開裂。因此，它們在柔性 （OLED） 顯示器中的使用需要仔細(xì)設(shè)計，以確保晶體管中的脆性層位于或非常接近中性軸。

先進(jìn)的顯示技術(shù)

顯示技術(shù)正在扭曲和包裹。

另一方面，OTFT 不包含任何脆性/陶瓷材料，因為構(gòu)成晶體管的所有層（半導(dǎo)體和電介質(zhì)）都由塑料制成，并且就其性質(zhì)而言，它們很柔軟，可以被拉到非常高的程度而不會影響性能（當(dāng)然也不會開裂）。

默認(rèn)情況下，它們默認(rèn)可以在低成本塑料薄膜上制造，并且由此產(chǎn)生的柔性晶體管可以集成到柔性顯示器中，而無需將 TFT 放置在中性軸附近。這開辟了硅無法實現(xiàn)的高度產(chǎn)品設(shè)計自由度（圖 2）。

圖2. 塑料上的 OTFT 陣列可以彎曲成小半徑 （1 mm）。

移動性、穩(wěn)定性和均勻性

移動性是衡量電氣性能的關(guān)鍵指標(biāo)。在顯示器領(lǐng)域，更高的移動性意味著可以使用更小的晶體管，從而減少其占用空間，從而增加像素尺寸以及其他好處。

非晶硅在顯示器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，因為它的移動性足以滿足許多用例，例如 LCD 電視、顯示器和筆記本電腦（對于智能手機(jī)顯示器等非常高的 PPI 應(yīng)用，通常使用 LTPS）。非晶硅的遷移率通常約為 0.5 cm²/Vs，這與用于微芯片的硅片的遷移率相去甚遠(yuǎn)。然而，這種移動性可以在非常大的區(qū)域上均勻地實現(xiàn);例如，跨越 3 × 3 米的顯示屏玻璃。

當(dāng)有機(jī) TFT 首次開發(fā)時，它們的遷移率比 a-Si 低幾個數(shù)量級，因此無法驅(qū)動顯示器像素。然而，聚合物化學(xué)的不斷進(jìn)步使有機(jī)材料和 OTFT 架構(gòu)的遷移率等于或優(yōu)于 a-Si。如今，F(xiàn)lexEnable 的 FlexiOM OTFT 材料是第一個商業(yè)化的材料，其遷移率比非晶硅的遷移率高出約三倍（圖 3）。

圖3. 該圖表顯示了有機(jī)薄膜晶體管的傳輸特性，其開/關(guān)比超過 10：9

與非晶硅相比，今天的 OTFT 還表現(xiàn)出更高水平的 Vt 穩(wěn)定性，并且在大面積上具有類似于非晶硅水平的 Vt 均勻性——在大面積上（FPD 母板）上的典型變化為 2% 至 3%。這是因為與有機(jī)小分子溶液處理半導(dǎo)體相比，溶液處理聚合物有機(jī)半導(dǎo)體特別適合在大面積上形成非晶薄膜。這通常會形成多晶膜，由于晶界引起的遷移率變化，導(dǎo)致均勻性差。

總的來說，F(xiàn)lexEnable OTFT 平臺的這些電氣參數(shù)都達(dá)到或超過非晶硅的電氣參數(shù)，這意味著塑料可以實現(xiàn)與玻璃相同的電氣性能（圖 4）。

圖4. 典型背板參數(shù)的比較（500 μm 玻璃上的 a-Si 與 40 μm TAC 上的 OTFT）。

比較 a-Si 和 OTFT 的制造工藝

OTFT 的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它們可以在非常低的溫度下制造。例如，F(xiàn)lexEnable 的方法使工藝中的每一步都能在低于 100°C 的溫度下生產(chǎn) OTFT。這種低溫不僅允許將 OTFT 構(gòu)建在柔性生物塑料基材（如三乙酰纖維素或 TAC）而不是玻璃上，而且還節(jié)省了能耗：在TFT生產(chǎn)中，通過從硅轉(zhuǎn)換為有機(jī)物，可以節(jié)省大約一半的能源。

相比之下，硅和其他無機(jī)晶體管需要高溫工藝，即使 LTPS 也需要 450°C+ 工藝。因此，不可能在 TAC 襯底上制造硅 TFT。此外，每個晶體管器件襯底在制造過程中需要數(shù)十次這樣的溫度循環(huán)，這消耗了大量的能量。

基于 OTFT 的 LCD 顯示器 （OLCD） 旨在使用標(biāo)準(zhǔn) FPD 設(shè)備在現(xiàn)有顯示器工廠中構(gòu)建。FlexEnable 的方法是將低成本塑料薄膜貼在玻璃上，然后使用低溫工藝和 FlexiOM OTFT 材料在塑料薄膜上制造柔性有機(jī)晶體管。它消除了對高溫退火和固化化學(xué)氣相沉積 （CVD）、離子注入和濺射等能源密集型步驟的需求。

陣列制造完成后，LCD 單元組裝也使用傳統(tǒng)設(shè)備完成。組裝后，通過加熱將完成的堆棧從載玻片中取出，使 TAC 薄膜從玻璃上分層。這個簡單的發(fā)布過程可以擴(kuò)展到非常大的大小。重要的是，載玻片不構(gòu)成 BOM 的一部分;相反，它被送回生產(chǎn)線的前面，進(jìn)行清潔，并用新的 TAC 薄膜層壓，以備下一次生產(chǎn)運(yùn)行（圖 5）。圖5. OTFT 背板采用貼裝和拆卸工藝制造。

對于非晶硅，這些工藝步驟直接在玻璃本身上執(zhí)行，玻璃本身也成為顯示器的基板，從而產(chǎn)生平面玻璃 LCD 面板。

OTFT 應(yīng)用超越傳統(tǒng)顯示器

雖然玻璃上的 a-Si 是許多應(yīng)用的合適選擇，主要是顯示器，但也包括某些類型的大面積傳感器（例如 X 射線傳感器），但它會根據(jù)用例和要求在機(jī)械和電氣性能方面帶來限制。OTFT 具有獨特的優(yōu)勢，將其潛在應(yīng)用擴(kuò)展到傳統(tǒng)顯示器之外。以下是當(dāng)今生產(chǎn)中的 OTFT 如何應(yīng)用于光學(xué)和顯示產(chǎn)品的幾個示例：

柔性顯示器

OTFT 以曲面 E Ink 顯示器的形式大規(guī)模生產(chǎn)，用于 Ledger Stax 加密貨幣錢包。使用 OTFT 實現(xiàn)了 3 mm 的曲線半徑，并在行業(yè)內(nèi)創(chuàng)造了獨特的外形尺寸和交互方法。

OTFT 的靈活性允許實現(xiàn)平板顯示器無法實現(xiàn)的尖端設(shè)計和新功能。除了電子紙顯示器，這項技術(shù)還可以驅(qū)動 LCD。所謂的有機(jī) LCD （OLCD） 可以彎曲以符合幾乎任何表面，甚至可以具有孔或切口，例如環(huán)繞按鈕。OLCD 非常適用于各種應(yīng)用，包括消費電子產(chǎn)品、平板電腦和筆記本電腦、汽車內(nèi)飾表面和數(shù)字標(biāo)牌，這要歸功于其堅固性、輕薄特性以及高對比度和長使用壽命。

增強(qiáng)現(xiàn)實

OTFT 可以與液晶單元相結(jié)合，為增強(qiáng)現(xiàn)實 （AR） 眼鏡執(zhí)行像素化調(diào)光，使虛擬信息和圖像在所有照明條件下都可見。

FlexEnable 還開發(fā)了對塑料液晶單元進(jìn)行熱成型的能力，用于制造用于 AR 和 VR 眼鏡的雙向彎曲像素化調(diào)光器和可調(diào)鏡頭，這些鏡頭可以緊貼彎曲的光學(xué)表面，從而最大限度地減少體積和接口。通過將輕薄的優(yōu)點與拉伸基于塑料的塑料晶體管的能力相結(jié)合，該技術(shù)實現(xiàn)了玻璃/硅基電子設(shè)備無法實現(xiàn)的外形尺寸（圖 6）。

圖6. OTFT 可以熱成型以制造雙向彎曲的表面，例如像素化調(diào)光器，這些表面緊貼 AR 眼鏡的固定光學(xué)元件。