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彭俊彪:氧化物材料或将推动OLED技术发展

2017年11月14日 18:45   来源:经济日报-中国经济网   

  

  华南理工大学材料科学与工程学院院长彭俊彪在下午进行的显示器件论坛上发表演讲。(京东方供图)

  经济日报-中国经济网武汉11月14日讯 “京东方全球创新伙伴大会·2017”今日在武汉开幕。华南理工大学材料科学与工程学院院长彭俊彪出席大会并表示,TFT(薄膜晶体管)之所以重要,是因为它终结了CRT显示技术,并因其发展使我们进入柔性OLED显示的时代。他希望能在氧化物TFT和OLED技术方面做到技术成熟。

  OLED驱动要电源,对TFT材料和器件要求更高。而显示面板将来越做越大,成本要求低,氧化物材料体系逐渐被大家认可。彭俊彪表示,他们走了一条新路,从鑭系的稀土掺杂氧化物,从材料设计角度解决了迁移率低、稳定性差的问题。就材料本身而言,氧化物半导体系材料具有灵活性,如果能把氧化物的阵列做出来,接下来就有集成的希望,推动OLED的技术发展。

  以下是发言实录:

  谢谢各位同仁大家下午好!今天非常荣幸,非常感谢京东方给我这样的机会,在IPC场合这么高端大气又有发展潜力的场合,给我机会谈一谈TFT发展的未来,这个题目面很大很宽,我本人来自学校,听了前面几位老总演讲,内容更广阔更宏观,我就想具体介绍一下从TFT材料与器件角度,谈一谈我对TFT器件和材料发展的看法。

  TFT是薄膜晶体管,作用是开关,它要具备很大的数量,把这些多的TFT器件做好是工艺上的难题,在2008年以来,我们的TFT产业走到今天,是非常伟大的创举,TFT关键的部件材料很重要,王董事长说目前阶段属于半导体显示,这是很多年提出来的,现在看来显示已经走到了半导体时代,不只是驱动,在显示材料本身,也已经向半导体方向发展。

  TFT之所以重要,它终结了CRT显示技术,从TFT技术发展成熟到现在,开启了平面的显示,走到今天大家已经看到,可以进入到柔性的OLED显示,这是仰仗于TFT技术的发展。

  TFT技术在多种显示里都有重要的表现,比如说量子点,MEMS和μ-LED, 电子纸,这些依靠的都是TFT,它支撑的是很多方面。从TFT的发展趋势可以看到,最早是非晶硅,然后进入多晶硅时代,现在出来了氧化物,大体TFT材料有三种类型构成,非晶硅比较成熟,迁移率低,驱动OLED就比较有难度,OLED和液晶的本质差别,OLED驱动要电源,是LED限制,是电流驱动,这对TFT材料和器件要求更高。

  多晶硅是从非晶硅材料发展而来,多晶和单晶硅电子迁移率很高,氧化物横空出世,有了低温多晶硅,为什么需要氧化物?显示面板将来越做越大,成本要求低,在这种背景要求下,低温多晶硅有它自己的技术的局限,氧化物材料体系逐渐被大家认可,大面积、高迁移率都有可能,问题至少现在驱动高质量显示的时候,稳定性和牵引率指标需要提高。从性能比较来看,氧化物材料和时代性也没有问题,成本比低温多晶硅略低,工艺温度也比较低特是电流比较低,综合来讲大家对氧化物的材料体系越来越认可,氧化物材料是一个多元素、多组分的材料体系,对控制的难度会比单一元素的非晶硅和多晶硅难度大,氧化物由多组分构成,可调节的余地很大,给我们带来了很大的机遇,我们围绕氧化物看一看它存在怎样的表现,看有怎样的发展机遇?

  现在的氧化物主要是IGZO,目前是电子迁移率低,稳定性不够,这些问题要解决需要花力气。

  氧化物材料的体系非常多非常复杂,现在IGZO做到了控制本征载流子浓度,很了不起,所以推向了产业。我们看元素周期表,能从氧化物角度做成半导体,做成TFT开关的有很多,比如说氧化锡等都没有问题,这个研究的历史很长。

  我们想走一条新路,我们从鑭系的稀土掺杂氧化物,从材料设计角度解决了迁移率低、稳定性差的问题。

  我们发现掺杂稀土Nd是有一定的优势,比如从电子迁移率来讲,Nd很容易控制氧离子,我们就能控制本真电子电流,由于离子健很强,可以减少亚离子摆幅,我们考虑从不同角度写文章,对它机理的研究有一定的深度。

  到目前为止我们跟IGZO材料做了对比,我们没有从最好的IGZO材料来讲,从我们自己实验室的条件制定了IGZO,从光照角度,不管是正面反面稳定性都很好,包括加热偏压稳定性可以提高1个数量级,电学稳定性我们用加速老化,通过理论计算模拟,预测可以超过11年,从稳定性角度这个材料体系是有希望可以往产业推进的。从抗弯折性我们做了很多实验,效果很好。

  我们希望我们的材料体系Nd-IZO是不是可以和IGZO的比较来比较我们发现牵引率很高,Ln-IZO和IGZO比起来有可取之处。

  我们希望能从稀土掺杂的氧化物材料,能不能把迁移率提高,高迁移率意味着低功耗和高分辨率,我们希望把迁移率做更高,从材料体系和器件结构我们都做了尝试。

  介绍一点结果供大家参考,我们最早想提高迁移率,最初的想法是降低功耗,我们模拟了4.8英寸的OLED显示屏,迁移率提高功耗会显著降低,如果迁移率超过50的降低已经趋于饱和,意义不大了。

  当初我们的目标是不是能把OLED材料体系迁移率提高到50,从20多到50还是有跨度。我们能减少界面的缺陷,迁移率可以提高,实验中发现这样做迁移率可以超过50%,这是我们基本的考虑,我们还可以从电极来考虑,用铜和铜合金来做电极,不同的合金由于原路电极和半导体层的金属不同,金属回改善界面注入,如果用常规的迁移率方法,可以超过100,我们经过反复实验和认证,铜合金有这样的效果,意味着氧化物的迁移率如果选择合适的原路电极,我们可以把迁移率提高,从机制上也可以考虑,铜可能有一部分元素可以扩散,这样的机制我们也进行了研究。

  从提高迁移率的高端,不管是界面型的还是其他,对提高迁移率都有可能性,氧化物在研究过程中还是有新的结果可以发现和利用。

  利用高迁移率的材料,可以做高分辨率显示屏,我们做了单色显示分辨率超过700PPI的显示屏。

  我们做一些驱动集成,可以把边框做窄,取消驱动IC,我们对周边集成做了线路上的设计,对线路的结构提出了方案,最后把边框窄到不到一毫米,还有很大的空间,基于高迁移率的材料,我们能把显示屏效果做更好,分辨率更高。

  一般的背道结构,采用的是ESL结构,我们想用碳膜取代现在的背沟道结构,因为碳很容易被去除,把多余的成分洗掉,我们就减少一道光刻,可以降低成本提高良品率,这是很重要的。我们做了很多实验,从稳定性和性能上讲没有问题。

  有没有可能在产业化上有所应用?也是值得考虑和探讨的问题。我们从结构上来看,沟道的保护效果非常好。

  下面我要讲的是TFT全印刷方面,做简单的介绍,这个工作是初步的,我为什么要在这里讲?氧化物半导体系材料的灵活性,如果我们能把氧化物的阵列做出来,接下来就有集成的希望,就能推动OLED的技术发展,我们做的技术是比较超前的,可能是五年十年,从显示的角度来讲,显示真空系统的发展非常成熟,下一步是不是要走印刷,从印刷的大尺寸、低成本方向来发展,印刷有很多的问题我非常认可,包括分辨率。

  我们可以做到完全用印刷的方式,可以把OLED的分辨率做到1000PPI以上,已经初步实现了,我们氧化物TFT由印刷做的一些结果。

  第一是墨水,印刷最关键的材料是墨水,我们的氧化物现在是氧化银,如果你做成墨水的材料迁移率很低,硅如果形成量子点,最大的问题是量子的电的传送,氧化物半导体不完全这样,氧化物半导体从电力结构来看,用纳米的角度来做薄膜,仍然能得到比较高的迁移率,所以我们用氧化物和氧化银,我们是想降低温度,采用跨学科的方法,两种化合物形成,在这个过程中降低温度,在250度就可以看到有稳定的薄膜结果,在这种产品下,我们用溶液加工方法,得到的迁移率是超过10,这已经是非常好的结果。全印刷还有电介质层,这一层至关重要,我们有时候讲用有机高分子材料,也可以做成介电常数,我们还是选迁移率好的体系,我们用氧化铬氧化钪来做,我们从材料的选择不把氧钪铬进行分配,我们得到了比较好的薄膜。

  我们把材料进行结合做成了一个器件,我们做成了模拟全打印氧化物TFT阵列背板,用全印刷的方式做氧化物的TFT阵列是可行的,这需要做进一步工作,是不是可以用全印刷的方式,这个路子可以走,墨水和材料的配置上还有相当大的难度,这方面是值得探索的。

  从TFT器件应用来讲,在电子纸上有应用,其他方面是值得探索的,比如平面X光探索,我们拍X光片用的还是照相的,将来数字化是一个非常大的趋势,数字医疗首先牌片子能不能数据,这是很有市场的应用,氧化物材料用在X光探索器上是非常有前景的。

  另一个传感器探索器,氧化物半导体,肯定会有非常好的地方。

  小结,研制了高迁移氧化物TFT新材料,电子迁移率超过50,高迁移率氧化物半导体材料具有广泛的应用空间。尝试研制了全印刷TFT阵列,印刷工艺是未来绿色加工方式的选择,感谢我的团队,我这边是曹院士带领的团队,我们一直在做OLED和驱动OLED的TFT,感谢广州新视界广电科技有限公司,这是学校团队孵化出去的,希望能在氧化物TFT和OLED技术方面做到技术成熟!谢谢大家。

(责任编辑:吴晓薇)

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