OTFT和非晶硅晶體管有什么區別？

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

繼 1947 年晶體管發明后，最早的 TFT 迭代在 1950 年代末和 1960 年代初被提出和創造。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用。然而，這些 TFT 只能在小區域內可靠地運行，因此不適合較大的顯示器尺寸，例如顯示器或電視。

進一步的研究導致了非晶硅 （a-Si） TFT 的開發。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產品的 TFT-LCD 的發展。隨著 a-Si TFT 的商業化，其他類型的無機 TFT，尤其是低溫多晶硅 （LTPS） 和氧化物 TFT 也被商業化，現在廣泛用于 OLED 和智能手機顯示器。如今，基于 a-Si 的 TFT-LCD 技術因其相對簡單且成本低廉的玻璃制造工藝而被用于數十億臺設備。

最近，有機薄膜晶體管 （OTFT） 的開發和批量生產取得了突破。它們采用有機聚合物制成，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應用。

經過多年的開發，第一款 OTFT 于 2024 年 6 月在大規模生產的消費產品（Ledger 的加密貨幣錢包）中投入商業生產，其電子紙顯示屏環繞著 180 度的外彎，曲率半徑為 3 毫米。這一里程碑為未來產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 OTFT 顯示屏。

那么，a-Si 晶體管和 OTFT 之間的主要區別是什么，什么時候更適合給定的產品呢？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，但它們必須構建在襯底上。對于無機 TFT，這通常意味著玻璃基板，它幾乎貢獻了晶體管陣列的所有厚度和重量，并且限制了柔韌性和穩健性。

近年來，我們看到聚酰亞胺基板上無機 TFT 的商業化增長，最引人注目的是用于薄型或柔性 OLED 顯示器的 LTPS。由于無機 TFT 本質上包含陶瓷/脆性材料，因此如果施加過多的應力，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設計，以確保晶體管中的脆性層位于或非常接近中性軸。

先進的顯示技術

顯示技術正在扭曲和包裹。

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

默認情況下，它們默認可以在低成本塑料薄膜上制造，并且由此產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的高度產品設計自由度（圖 2）。

圖2. 塑料上的 OTFT 陣列可以彎曲成小半徑 （1 mm）。

移動性、穩定性和均勻性

移動性是衡量電氣性能的關鍵指標。在顯示器領域，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。

非晶硅在顯示器領域占據主導地位，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（對于智能手機顯示器等非常高的 PPI 應用，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。然而，這種移動性可以在非常大的區域上均勻地實現;例如，跨越 3 × 3 米的顯示屏玻璃。

當有機 TFT 首次開發時，它們的遷移率比 a-Si 低幾個數量級，因此無法驅動顯示器像素。然而，聚合物化學的不斷進步使有機材料和 OTFT 架構的遷移率等于或優于 a-Si。如今，FlexEnable 的 FlexiOM OTFT 材料是第一個商業化的材料，其遷移率比非晶硅的遷移率高出約三倍（圖 3）。

圖3. 該圖表顯示了有機薄膜晶體管的傳輸特性，其開/關比超過 10：9

與非晶硅相比，今天的 OTFT 還表現出更高水平的 Vt 穩定性，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%。這是因為與有機小分子溶液處理半導體相比，溶液處理聚合物有機半導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，導致均勻性差。

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

圖4. 典型背板參數的比較（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 的一個關鍵優勢是它們可以在非常低的溫度下制造。例如，FlexEnable 的方法使工藝中的每一步都能在低于 100°C 的溫度下生產 OTFT。這種低溫不僅允許將 OTFT 構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，而且還節省了能耗：在TFT生產中，通過從硅轉換為有機物，可以節省大約一半的能源。

相比之下，硅和其他無機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十次這樣的溫度循環，這消耗了大量的能量。

基于 OTFT 的 LCD 顯示器 （OLCD） 旨在使用標準 FPD 設備在現有顯示器工廠中構建。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晶體管。它消除了對高溫退火和固化化學氣相沉積 （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設備完成。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。這個簡單的發布過程可以擴展到非常大的大小。重要的是，載玻片不構成 BOM 的一部分;相反，它被送回生產線的前面，進行清潔，并用新的 TAC 薄膜層壓，以備下一次生產運行（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行，玻璃本身也成為顯示器的基板，從而產生平面玻璃 LCD 面板。

OTFT 應用超越傳統顯示器

雖然玻璃上的 a-Si 是許多應用的合適選擇，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），但它會根據用例和要求在機械和電氣性能方面帶來限制。OTFT 具有獨特的優勢，將其潛在應用擴展到傳統顯示器之外。以下是當今生產中的 OTFT 如何應用于光學和顯示產品的幾個示例：

柔性顯示器

OTFT 以曲面 E Ink 顯示器的形式大規模生產，用于 Ledger Stax 加密貨幣錢包。使用 OTFT 實現了 3 mm 的曲線半徑，并在行業內創造了獨特的外形尺寸和交互方法。

OTFT 的靈活性允許實現平板顯示器無法實現的尖端設計和新功能。除了電子紙顯示器，這項技術還可以驅動 LCD。所謂的有機 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，例如環繞按鈕。OLCD 非常適用于各種應用，包括消費電子產品、平板電腦和筆記本電腦、汽車內飾表面和數字標牌，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。

增強現實

OTFT 可以與液晶單元相結合，為增強現實 （AR） 眼鏡執行像素化調光，使虛擬信息和圖像在所有照明條件下都可見。

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

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