苦苦等待了49年，OTFT終於向前邁進了一大步

知識 08-03

楔子：我們活在摩爾定律所主宰的硅基世界中，手持設備、智慧系統、大型物聯網生態鏈，我們的生命中充斥著硅基生命的影子。

甚至有時候我們會懷疑，40多億年前當地球上還是汪洋大海和怪石嶙峋時，碳基物質是如何在與硅基物質的競爭中獲勝，成為現在唯一生命載體的？

硅在1787年被發現，再到1960年貝爾實驗室的康(Kahng)和艾塔拉(Atalla)首次研製出MOS晶體管，硅基生命苦苦等待了173年。

而有機物的概念直到1806年才由貝采利烏斯首次提出，直到1927年海特勒和倫敦用量子力學提出了價鍵理論。

在貝爾實驗室的MOS晶體管被發現15年之後，導電高分子才由美國的黑格、麥克迪爾米德和日本科學家白川英樹於1975年發現。

在生命起源中完勝的碳基材料，卻在第三次工業革命的浪潮中完敗於前者。既然是碳基生命創造了硅基生命，可我們為什麼會被硅基生命所創造的大腦打敗在棋盤上呢？

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碳基與硅基的對決，有機與無機的決戰如今在顯示技術中又上演了。

雖然液晶和有機發光二極體這兩個碳基生命幹掉了陰極射線管和等離子顯示器，但當你把顯示器翻過來，你看到驅動它們背板技術仍然是硅基半導體TFT(當然，還有氧化物啦)時，你會不會有一種有機生命被無機生命所操縱的失落感？至少筆者是這麼認為的。

液晶在電場下的電鏡照片

其實早在1968年，人們就第一次發現了有場效應的有機材料——鈦青銅；

1983年，聚乙炔成為了被發現的第一個具有場效應的聚合物材料；隨後，有機半導體材料也繼承了有機材料可溶的特點，第一個可溶解的有機聚合物材料Poly(3-hexylthiophene)則是在1988年被應用於場效應晶體管；

1992年，經典材料並五苯(Pentacene)被提出，從此以後，人們對有機半導體材料及其用於場效應管的研究一直沒有停滯，有機半導體材料製備的場效應管遷移率也由最開始的10-5cm2V-1s-1提升至10cm2V-1s-1.

並五苯分子在電子顯微鏡下

縱觀有機電子學的發展歷史，我們不難發現其的進化階段

第一個階段是對有機半導體材料器件性能和工作機理的初步研究，這一階段發生在1986-1993年間；

第二個階段是對有機薄膜固態沉積的機理及工藝製備技術等的研究，這一階段發生在1993-1997年；

第三個階段就是現代有機電子時期，越來越多的新材料和其器件被研究，為有機半導體器件構成集成電路奠定了基礎。

不難發現，有機半導體材料具有得天獨有的優勢

第一：它的製備工藝溫和，有機材料的低熔點特定即便採用真空蒸鍍的形式也不會耗費太多的能源，若採用溶液法製備，則根本不需要真空環境，直接在室溫下就可以完成製備。

第二就是其易得性，有機材料可以按需合成，可以根據官能團特點實現功能上的改變，向利於載流子傳輸的方向上進步。

第三是其易於大面積製程，溶液的流動性為有機材料的大面積化提供了保證。

第四是其柔性，可像OLED一樣製備在柔性的基底上，實現柔性的電子器件。

Sony 2008年OTFT-OLED論文

但是有機半導體學科發展到今天，也沒有系統性的理論基礎，只能去參考它的導師硅基半導體的理論體系，它的缺點和不足也十分尖銳，他也無法適應現在集成電路大規模生產的設備和工藝。

首先是其圖案化難度高，溶液成膜的重複性差，薄膜的形貌也難以控制。

有機材料無法和傳統的光刻工藝結合去實現圖案化（所以OLED的發光層選擇了FMM形式的蒸渡方式），即便採用溶液法製備，也無法形成尺寸極小的有機半導體薄膜的圖案，噴墨列印OLED尚且不成熟，列印比OLED更小的OTFT就可想而知。

奇特的BTBT取向成膜方法

我們願意為OLED的不成熟貢獻與其配套的設備和工藝，因為OLED技術在顯示技術中的顛覆性讓我們甘願為其付出。

但，OTFT的出現和存在一直都不是顛覆性的，這就是它的第二個缺點，雖然它的遷移率超過了非晶硅，但也比非晶硅強不了太多，與低溫多晶硅和氧化物TFT還存在著不小的距離。

用你來驅動液晶嗎？抱歉你的工藝沒有非晶硅成熟，非晶硅產線沒有必要為了一個和自己相當的沒有顛覆性的技術來更改產線結構，那用你來驅動OLED？抱歉你的遷移率太小了，你5-10cm2V-1s-1的遷移率還不夠我低溫多晶硅的十分之一。

第三個缺點就是其N型材料的發展速度慢，因為有機材料的結構特點，大部分有機材料P型半導體，這與目前成熟的非晶硅NMOS工藝、低溫多晶硅CMOS工藝在驅動顯示器件上的吻合度較差，即便不用於顯示器件，用於一般的邏輯電路，也無法滿足CMOS的驅動要求。

那用你來做柔性總可以了吧？

可是我們用非晶硅、多晶硅、氧化物TFT做背板的柔性器件也都做出來了，因為電子器件的應用還無法達到可以彎折到TFT級別的使用場景，這就是其第四個缺點，空有一身柔性的基因，卻在顯示技術中沒有柔性的用武之地。

OTFT器件陣列

有機薄膜晶體管尷尬了，他出現在了一個以硅基生命為生存法則的時代，一個看似低成本、易於大面積、可柔性化的先進器件，卻輸給了現實，輸給了時間。

半導體技術的發展由NMOS再到CMOS，無時不刻都是以硅基生命為基準的。

雖然有機生命的合成手段多種多樣，但畢竟你還是來自石油，地球上的沙子才真是取之不盡！在歷史上，硅基生命一直都是勝出者，氧化物TFT發展至今，都無法撼動硅基TFT的地位，OTFT的日子還不知道要等到哪一天。

OTFT logic from Neudrive

但是歷史總要有默默付出和奉獻的人們，在硅基產業蓬勃發展的今日，有機電子在其巨大的身影旁默默地思索著，OLED是幸運的，它雖然也是生不逢時，也被它的競爭者嘲笑了很久，他最終還是在LCD的世界裡分得了一杯羹；有機太陽能電池也是幸運的，至少我們可以看到它與非晶硅在薄膜太陽能電池事業上的較量，至少我們還可以每年看到大量OPV的基礎科學研究論文。

而OTFT呢？我們發現它半個世紀了，我們真的給予過它機會嗎？當OTFT的遷移率超過非晶硅時，我們是否給予了它非晶硅市場中相同的機會？當高校的OTFT論文發不出高影響因子的論文時，有多少課題組轉向了OPV，而又有多少課題組依然在堅持探索OTFT的應用呢？

捫心自問一下，我們究竟是在為了科學而研究科學，還是為了功利而研究科學？每一篇OTFT論文的開篇都千篇一律地重複著，低溫、大面積、可柔性，但又有多少人堅持自己當初寫下的這段話呢？

我想我們當初或許只是遵從導師的思想而從事著這門研究，但走出實驗室的那個瞬間，就被這個世界的現實打敗了。

FlexEnable OLCD watch

讓筆者欣慰的是，有人在堅持——在產業界，至少FlexEnable在堅持，Neudrive在堅持，nVerpix在堅持，冪方電子在堅持。在LCD和OLED顯示以外，Eink技術在堅持。在學術界，致力於OTFT器件製備和感測器應用的高校在堅持，特別是在感測器應用中，有機半導體被證明為最好的一次性感測器敏感材料，在感測器無處不在的物聯網時代，OTFT將有很大的舞台。