有机半导体器件的现状及发展趋势

纳米器件与技术

NanoelectronicDevice&Technology

有机半导体器件的现状及发展趋势

陈海明1,靳宝善2

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051;

2.国家国防科工局协作配套中心,北京 100081)

摘要:从上世纪末和本世纪初开始,有机半导体材料研究引起了业界的广泛重视,使有机半导体器件的实验室制作水平得到大幅提高,并逐步进入当前的商品发展阶段。概述了有机半导体的发展历程、各种器件结构与特性及其技术现状;介绍了有机发光二极管(OLED)、太阳电池以及其他有机半导体器件的应用概况;探讨了有机半导体优于Si和GaAs等典型无机半导体技术的特点,分析讨论了有机半导体技术的发展前景;指出有机半导体器件有望成为解决传统半导体技术问题的有效途径。

关键词:有机半导体;有机发光二极管(OLED);有机场效应晶体管;有机太阳电池;有机传感器中图分类号:TN304 5 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2010)08-0470-05

StatusandDevelopmentTrendofOrganicSemiconductorDevices

ChenHaiming1,JinBaoshan2

(1.The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China;

2.TheCenterofCoordinationandSupportofSASTIND,Beijing100081,China)

Abstract:Sincethelate1990sandearly2000s,theresearchoforganicsemiconductormaterialshasattractedgreatattentioninrelatedfields,whichdramaticlyimprovedthefabricationlevelofor ganicsemiconductordevicesinlaboratoryenvironments.Currently,thefieldoforganicsemicon ductordevicesisenteringcommercialphase.Anoverviewaboutthehistory,structuresandproperties,thepresentstatusoforganicsemiconductordevicesispresented.Besidesthatsomeapplicationsoforganicsemiconductordevices,forexample,OLEDs,solarcellsandothersarealsogiven.Advantagesoforganicsemiconductorscomparedtotypicalinorganicsemiconductors,suchasSiandGaAs,aredisscussed.Thedevelopmenttrendoforganicsemiconductortechnolo giesisanalyzed,theorganicsemiconductordeviceisexpectedtobeanefficientwayforsolvingtheproblemscausedbytraditionalsemiconductortechnologies.

Keywords:organicsemiconductor;organiclight emittingdiode(OLED);organicfieldeffecttransistor;organicsolarcell;organicsensor

DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2010.08.002 EEACC:7280L

器件越来越难以满足应用领域的各种需求,因此一批具有半导体特性的有机功能材料如塑料和高分子聚合物等陆续被开发出来,并且正在尝试应用于由

0 引 言

随着信息社会的不断发展,单一功能的材料与

收稿日期:2010-04-13E mail:[email protected]

TVol.47No.8

At

陈海明等:有机半导体器件的现状及发展趋势

Si和GaAs等传统半导体材料所占领的领域。有机半导体材料具有原料易得、廉价、重量轻、制备工艺简单、环境稳定性好以及可制作成大面积柔性器件等优点[1-5]。而且这类器件即使报废了也可以回收再利用,非常符合当前大力倡导的节能环保理念

[6-7]

也是有机半导体的重要研究内容之一。目前,OFET的制作技术主要包括小分子真空蒸发、聚合物和小分子溶液铸模或将剥离的单晶有机层机械转移至衬底上等方法[10]。

OFET由于在大面积、柔性化和低成本有源矩阵显示、射频标签等方面的潜在应用前景而备受学术界和工业界的关注。自1987年第一个OFET的成功研制至今,OFET技术发展迅速,无论是材料研究还是器件制备工艺都取得了较大的突破。由OFET驱动的OLED发光和由OFET形成的逻辑电路以及有机发光场效应晶体管、单晶场效应晶体管等器件相继研制成功。美国、日本、德国、法国、英国、韩国及以色列等多个国家都在开展这方面的研究。2007年底美国佐治亚理工大学采用C60薄膜利用室温工艺制作出高性能场效应晶体管,器件的电子迁移率高于非晶Si材料,且阈值电压较低,开-关比值较大,工作稳定性也较高

[11]

。

长久以来人们普遍认为有机物是不导电的,因此被广泛用作绝缘材料,直到20世纪70年代,美国物理学家A J Heeger、化学家M MacDiarmid和日本化学家H Shirakawa共同发现对聚乙炔分子进行掺杂可以使其变成良导体,从而拉开了有机半导体技术研究的序幕,这三位科学家凭借该项重大发现成为2000年诺贝尔化学奖得主

[1-2]

。

自上世纪80年代以来,有机半导体研究领域云集了众多世界知名公司、大学与研究机构,如美国的IBM、柯达、通用显示公司、固态显示实验室、普林斯顿大学、英国剑桥大学、日本索尼公司、NEC公司、丰田公司、韩国三星和LG以及印度科学院等,不断开发出能改善有机半导体特性和稳定性的新材料和制造技术,而新材料和新技术的应用又极大地促进了有机场效应晶体管(OFET)、有机发光二极管(OLED)和有机光伏电池(OPC)以及有机传感器等有机电子器件和有机光电子器件性能的提高。当前有机半导体器件的应用正在不断扩大,市场份额也在逐年增长[4,6]。

在学术界与工业界的共同努力下,有机半导体材料与技术研究不断取得新的进展,这一领域已成为一个汇集了物理、化学与材料科学等学科的多学科交叉研究领域,工艺技术不断取得新的突破,预示着有机半导体革命的到来

[8-9]

[4,8]

。

2009年,日本东北大学的研究人员采用液相外延工艺成功生长了近乎无缺陷的并五苯单晶,他们继而采用该单晶制成一种OFET,其场效应迁移率达0 4~0 6cm/(V s)。2010年1月法国CNRS和CEA的研究人员开发出一种能够模仿神经元突触主要功能的纳米粒子有机存储场效应晶体管(NOMFET),为新一代神经激发计算机系统设计提供了一条新思路[13]。众多研究结果表明,有机OFET有望成为新一代集成电子器件。

2

[12]

2 有机太阳电池

当前,太阳电池已发展到第三代产品。第一代为Si基太阳电池,采用单晶Si和多晶Si制成。第二代为化合物薄膜太阳电池,采用的材料包括砷化镓、铜铟镓锡和碲化镉等。第三代太阳电池将采用新技术新概念,主要包括有机太阳电池和染料敏化太阳电池。作为第三代太阳电池技术的代表,有机太阳电池以生产工艺简单、可降解和对环境污染小的优点得到越来越广泛的关注。能源专家预计,清洁廉价的有机太阳电池,将使世界能源应用方式发生革命性的改变。

与第一、第二代太阳电池相比,有机太阳电池更轻、更薄,在同等体积展开后的受光面积大大增加,因此将其应用于通信卫星可提高光电利用率。

[14-15]

。一些业内专家认

为,用有机半导体材料开发出各种新型导电聚合物器件的研究正在改变着高技术未来的发展方向。

当前,采用有机半导体已可制作各种类型的有源器件和无源器件,如晶体管、二极管、OLED、传感器、存储器、显示器、电池、电阻、电容、电感和天线等。本文将简要介绍几种典型有机半导体器件的研究与应用现状。

1 OFET

OFET是一种在沟道内采用有机半导体材料的晶体管,是有机电子器件家族中一类重要的器件,

47卷第8

陈海明等:有机半导体器件的现状及发展趋势

有机太阳电池还以其轻薄柔软易携带的特点,成为微型电脑、数码播放器和无线鼠标等小型电子设备的电源。

有机太阳电池通常采用成熟的涂覆工艺如喷墨打印和旋涂法制作在塑料等大面积柔性衬底上。目前市场上已有一些太阳电池产品,如英国G24i公司在2008年提供的GcellFlex有机太阳电池,能为手机提供20min的通话时间,2008年的价格为20美元。公司投资1 2亿美元在威尔士建造了一座工厂,主要瞄准非洲和印度市场[16]。

近期,以视频眼镜和随身影院为载体的头戴式显示器也得到了越来越广泛的应用和发展。用有机太阳电池作电源为OLED屏幕供电,可以大大减轻重量。

轻薄柔性是有机太阳电池的最大优点,但其最大不足是效率低、寿命短。各国的研究机构都在致力于这项研究,如美国的国家可回收能源实验室、太阳能公司、麻省理工大学以及加拿大、英国、德国、澳大利亚、荷兰、法国和日本的许多大学与公司都在从事这项工作。最新报道结果显示,有机太阳电池效率已接近10%,工作寿命达5年以上

[4,7]

11英寸OLED电视机[9]。2010年初,三星展出了14英寸透明OLED笔记本电脑,并计划在1年内投放市场。三星还计划在2010年底推出配有2英寸透明OLED屏幕的MP3播放器IceTouch。2010年4月TVLogic推出了两款专业级OLED显示器,其中的TDM 150W支持3D显示,估计是市面上首款3DOLED显示器。2010年5月索尼开发出厚度仅为80 m的可卷式显示器,是OLED技术上的一项重大突破。预计2010年全球智能手机销量可能会增长50%,未来5年智能手机将促使高端OLED显示器呈现爆炸式发展的势头

[13]

。

随着OLED领域内研发工作的突飞猛进,未来OLED的应用范围可能会扩大到平视显示器、汽车仪表板、看板式显示器、家庭或办公室照明以及柔性显示器。由于OLED的刷新速率比LCD更高(高出近1000倍),使视频图像的逼真度大大提升,还可以不间断地进行图像更新。未来的报纸可能就是一部OLED显示器,能持续更新突发新闻事件,不看的时候即可像报纸一样卷起来装进背包。

。

有机太阳电池的产业化自2005年开始已经持续了数年,随着科学理论与制造工艺的进步,产业化的突破已现曙光。

4 射频识别标签、有机传感器及集成

智能系统

除有机太阳电池、OLED显示和照明应用外,射频识别(RFID)标签、大面积传感器及集成智能系统的研究也有较大进展。

RFID被称为本世纪的十大技术之一,RFID商品标签也被认为是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一。如果每个标签的价格以5美分计算,RFID标签的潜在市场规模可能达到每年数十亿至数百亿美元。但现有RFID标签的高成本一直制约着这项技术的普及和发展,低成本有机RFID标签技术的研究和发展有望解决这一问题。据估计,有机RFID标签的成本有望降至0 01~0 02美元,甚至更低。作为一个低成本的选择方案,有机RFID将在世界范围内开辟一个新市场,与Si片RFID技术相互补充来满足市场的需求。世界各国都认为有机RFID市场潜力巨大,至于技术的发展,目前全球都还处于探索阶段,但对其发展前景普遍看好,多个国家和地区科的科研机构都纷纷加大研发力度,如OrganicID,IBM,PolyIC

At[7]

3 OLED

OLED技术可能是有机半导体领域发展最成熟的器件平台。与液晶显示器(LCD)相比,OLED具有可视度更佳、图像质量更好、显示器更薄等优点,而且还可以弯曲折叠、随身携带。目前OLED已经在一些小型设备中得到应用,如移动电话、掌上型电脑以及数码相机等。柯达、三星、TV Logic、LG和索尼等公司在OLED显示器开发市场上具有较大的技术优势。2004年9月索尼公司开始批量生产OLED显示屏,用于CLIEPEG VZ90型个人娱乐掌上电脑。柯达公司已在多款数码相机中使用了OLED显示屏。2005年5月,三星电子公司宣布,首部基于OLED技术的40英寸(1英寸=2 54cm)超薄电视机研制成功。2008年索尼推出了面板厚度仅为3mm、视角达178 的

[12]

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陈海明等:有机半导体器件的现状及发展趋势

和IMEC等。

近年来,微芯片上的传感系统也引起了较为广泛的关注,催生了!芯片实验室∀这一新的概念。具有!芯片实验室∀这一特征的器件是一些集成度较高的小型传感器系统,这类系统的主要应用领域包括医疗和环境监测等领域[7,12,17]。通常这些领域使用的监测分析系统都十分复杂,且价格很高。采用!芯片实验室∀平台可以将分析用的所有元器件制作在一个完整的集成系统中来简化系统、降低成本。这些微系统可采用的衬底材料范围很广,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其他塑料等。许多不同类型的有机传感器系统已经问世,如集成化学、温度和压力传感器、电子鼻、电子舌、光扫描仪以及盲人专用的电子布莱叶传感器等[16]。

集成智能系统(ISS)可以将多种完全不同的功能集成在一块芯片上,从而开辟了许多全新的价值领域。ISS的应用领域包括诊断系统、大面积传感器、智能光源与光系统和智能包装等[18-19]。欧洲、日本和美国在这一领域的科研水平比较领先,但以中国为代表的一些亚洲国家也具有一定的优势。

挡风沙,它还能为司机提供导航图或其他信息帮助[2,15,18]。

迄今为止,多种有机半导体器件应用市场已开始初具规模,OLED电视即是最典型的实例。此外,OSRAM在2008年向市场推出了OLED照明灯,2010年OLED照明市场会有所增长,至2015年市场规模会达到40亿欧元,占整个照明市场的5%。2012年有机RFID市场将达到45亿美元。2015年,使用有机电路的RFID市场规模将达到116亿美元。另据市场研究与分析公司IDTechEX预测,至2027年全球有机半导体市场规模将会与传统CMOS器件市场相当,达到3300亿美元,其中逻辑和存储器件的增长最为可观,将达到1150亿美元

[18-19]

。

6 结 语

经过30年的发展,作为电子和光电子应用的新型材料,有机半导体经历了材料开发、基础研究和器件工程阶段,目前有机显示等器件已进入商品化发展阶段,并显示了诱人的发展前景。

有机半导体器件具有易加工、成本低、功耗小等许多无机半导体器件所不具备的优点,因而有着极具潜力的应用优势。但与无机半导体器件相比,有机半导体器件在性能、使用寿命和制作工艺等方面上还需要进一步的优化和完善[18-19]。

目前有机半导体器件仍有一些技术难题需要解决,如速度较慢等,因此在近期内取代传统半导体器件、占据市场主导地位的可能性不大。然而,如果最为关心的问题是价格而并非速度和其他因素的话,有机半导体将是一种更佳的选择。参考文献:

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5 有机半导体器件的应用与市场

有机半导体技术已在众多应用领域显示出广阔的发展前景,为此越来越多的公司和机构都开始涉足有机半导体技术的开发与研究。据2009年的统计结果显示,仅欧洲就有15个国家多达70余家公司在从事有机半导体技术的开发[4,8,15,18]。随着批量制造技术水平的提高,有机半导体技术将真正成为一项实用化技术,并与无机半导体技术展开有力的竞争。例如OLED电视的实用化水平已达到相当的程度,市场占有率也在不断提高,随着制造成本的大幅降低,OLED电视将成为千家万户必不可少的家用电器。此外,透明、柔软、可折叠的OLED技术还将有助于电子报纸开发,人们将不需每天都购买报纸。建筑物玻璃窗将增添更多新的功能,采用OLED技术的玻璃窗在电源关闭状态时与普通玻璃窗并无区别,而接通电源后即可变成显示器或广告栏。汽车挡风玻璃的功能也不再只是阻

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[2010-6-5].

com/subscribers/article03/or

编辑部通告

编辑部敬告本刊的所有读者和作者,通过点击中国知网网址:www cnki net,在网站首页左侧登录用户名DKBDTQ01、密码100722,即可免费检索、浏览和下载#微纳电子技术∃刊发的全文,特此通告并欢迎大家使用。

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纳米器件与技术

NanoelectronicDevice&Technology

有机半导体器件的现状及发展趋势

陈海明1,靳宝善2

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051;

2.国家国防科工局协作配套中心,北京 100081)

摘要:从上世纪末和本世纪初开始,有机半导体材料研究引起了业界的广泛重视,使有机半导体器件的实验室制作水平得到大幅提高,并逐步进入当前的商品发展阶段。概述了有机半导体的发展历程、各种器件结构与特性及其技术现状;介绍了有机发光二极管(OLED)、太阳电池以及其他有机半导体器件的应用概况;探讨了有机半导体优于Si和GaAs等典型无机半导体技术的特点,分析讨论了有机半导体技术的发展前景;指出有机半导体器件有望成为解决传统半导体技术问题的有效途径。

关键词:有机半导体;有机发光二极管(OLED);有机场效应晶体管;有机太阳电池;有机传感器中图分类号:TN304 5 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2010)08-0470-05

StatusandDevelopmentTrendofOrganicSemiconductorDevices

ChenHaiming1,JinBaoshan2

(1.The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China;

2.TheCenterofCoordinationandSupportofSASTIND,Beijing100081,China)

Abstract:Sincethelate1990sandearly2000s,theresearchoforganicsemiconductormaterialshasattractedgreatattentioninrelatedfields,whichdramaticlyimprovedthefabricationlevelofor ganicsemiconductordevicesinlaboratoryenvironments.Currently,thefieldoforganicsemicon ductordevicesisenteringcommercialphase.Anoverviewaboutthehistory,structuresandproperties,thepresentstatusoforganicsemiconductordevicesispresented.Besidesthatsomeapplicationsoforganicsemiconductordevices,forexample,OLEDs,solarcellsandothersarealsogiven.Advantagesoforganicsemiconductorscomparedtotypicalinorganicsemiconductors,suchasSiandGaAs,aredisscussed.Thedevelopmenttrendoforganicsemiconductortechnolo giesisanalyzed,theorganicsemiconductordeviceisexpectedtobeanefficientwayforsolvingtheproblemscausedbytraditionalsemiconductortechnologies.

Keywords:organicsemiconductor;organiclight emittingdiode(OLED);organicfieldeffecttransistor;organicsolarcell;organicsensor

DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2010.08.002 EEACC:7280L

器件越来越难以满足应用领域的各种需求,因此一批具有半导体特性的有机功能材料如塑料和高分子聚合物等陆续被开发出来,并且正在尝试应用于由

0 引 言

随着信息社会的不断发展,单一功能的材料与

收稿日期:2010-04-13E mail:[email protected]

TVol.47No.8

At

陈海明等:有机半导体器件的现状及发展趋势

Si和GaAs等传统半导体材料所占领的领域。有机半导体材料具有原料易得、廉价、重量轻、制备工艺简单、环境稳定性好以及可制作成大面积柔性器件等优点[1-5]。而且这类器件即使报废了也可以回收再利用,非常符合当前大力倡导的节能环保理念

[6-7]

也是有机半导体的重要研究内容之一。目前,OFET的制作技术主要包括小分子真空蒸发、聚合物和小分子溶液铸模或将剥离的单晶有机层机械转移至衬底上等方法[10]。

OFET由于在大面积、柔性化和低成本有源矩阵显示、射频标签等方面的潜在应用前景而备受学术界和工业界的关注。自1987年第一个OFET的成功研制至今,OFET技术发展迅速,无论是材料研究还是器件制备工艺都取得了较大的突破。由OFET驱动的OLED发光和由OFET形成的逻辑电路以及有机发光场效应晶体管、单晶场效应晶体管等器件相继研制成功。美国、日本、德国、法国、英国、韩国及以色列等多个国家都在开展这方面的研究。2007年底美国佐治亚理工大学采用C60薄膜利用室温工艺制作出高性能场效应晶体管,器件的电子迁移率高于非晶Si材料,且阈值电压较低,开-关比值较大,工作稳定性也较高

[11]

。

长久以来人们普遍认为有机物是不导电的,因此被广泛用作绝缘材料,直到20世纪70年代,美国物理学家A J Heeger、化学家M MacDiarmid和日本化学家H Shirakawa共同发现对聚乙炔分子进行掺杂可以使其变成良导体,从而拉开了有机半导体技术研究的序幕,这三位科学家凭借该项重大发现成为2000年诺贝尔化学奖得主

[1-2]

。

自上世纪80年代以来,有机半导体研究领域云集了众多世界知名公司、大学与研究机构,如美国的IBM、柯达、通用显示公司、固态显示实验室、普林斯顿大学、英国剑桥大学、日本索尼公司、NEC公司、丰田公司、韩国三星和LG以及印度科学院等,不断开发出能改善有机半导体特性和稳定性的新材料和制造技术,而新材料和新技术的应用又极大地促进了有机场效应晶体管(OFET)、有机发光二极管(OLED)和有机光伏电池(OPC)以及有机传感器等有机电子器件和有机光电子器件性能的提高。当前有机半导体器件的应用正在不断扩大,市场份额也在逐年增长[4,6]。

在学术界与工业界的共同努力下,有机半导体材料与技术研究不断取得新的进展,这一领域已成为一个汇集了物理、化学与材料科学等学科的多学科交叉研究领域,工艺技术不断取得新的突破,预示着有机半导体革命的到来

[8-9]

[4,8]

。

2009年,日本东北大学的研究人员采用液相外延工艺成功生长了近乎无缺陷的并五苯单晶,他们继而采用该单晶制成一种OFET,其场效应迁移率达0 4~0 6cm/(V s)。2010年1月法国CNRS和CEA的研究人员开发出一种能够模仿神经元突触主要功能的纳米粒子有机存储场效应晶体管(NOMFET),为新一代神经激发计算机系统设计提供了一条新思路[13]。众多研究结果表明,有机OFET有望成为新一代集成电子器件。

2

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2 有机太阳电池

当前,太阳电池已发展到第三代产品。第一代为Si基太阳电池,采用单晶Si和多晶Si制成。第二代为化合物薄膜太阳电池,采用的材料包括砷化镓、铜铟镓锡和碲化镉等。第三代太阳电池将采用新技术新概念,主要包括有机太阳电池和染料敏化太阳电池。作为第三代太阳电池技术的代表,有机太阳电池以生产工艺简单、可降解和对环境污染小的优点得到越来越广泛的关注。能源专家预计,清洁廉价的有机太阳电池,将使世界能源应用方式发生革命性的改变。

与第一、第二代太阳电池相比,有机太阳电池更轻、更薄,在同等体积展开后的受光面积大大增加,因此将其应用于通信卫星可提高光电利用率。

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。一些业内专家认

为,用有机半导体材料开发出各种新型导电聚合物器件的研究正在改变着高技术未来的发展方向。

当前,采用有机半导体已可制作各种类型的有源器件和无源器件,如晶体管、二极管、OLED、传感器、存储器、显示器、电池、电阻、电容、电感和天线等。本文将简要介绍几种典型有机半导体器件的研究与应用现状。

1 OFET

OFET是一种在沟道内采用有机半导体材料的晶体管,是有机电子器件家族中一类重要的器件,

47卷第8

陈海明等:有机半导体器件的现状及发展趋势

有机太阳电池还以其轻薄柔软易携带的特点,成为微型电脑、数码播放器和无线鼠标等小型电子设备的电源。

有机太阳电池通常采用成熟的涂覆工艺如喷墨打印和旋涂法制作在塑料等大面积柔性衬底上。目前市场上已有一些太阳电池产品,如英国G24i公司在2008年提供的GcellFlex有机太阳电池,能为手机提供20min的通话时间,2008年的价格为20美元。公司投资1 2亿美元在威尔士建造了一座工厂,主要瞄准非洲和印度市场[16]。

近期,以视频眼镜和随身影院为载体的头戴式显示器也得到了越来越广泛的应用和发展。用有机太阳电池作电源为OLED屏幕供电,可以大大减轻重量。

轻薄柔性是有机太阳电池的最大优点,但其最大不足是效率低、寿命短。各国的研究机构都在致力于这项研究,如美国的国家可回收能源实验室、太阳能公司、麻省理工大学以及加拿大、英国、德国、澳大利亚、荷兰、法国和日本的许多大学与公司都在从事这项工作。最新报道结果显示,有机太阳电池效率已接近10%,工作寿命达5年以上

[4,7]

11英寸OLED电视机[9]。2010年初,三星展出了14英寸透明OLED笔记本电脑,并计划在1年内投放市场。三星还计划在2010年底推出配有2英寸透明OLED屏幕的MP3播放器IceTouch。2010年4月TVLogic推出了两款专业级OLED显示器,其中的TDM 150W支持3D显示,估计是市面上首款3DOLED显示器。2010年5月索尼开发出厚度仅为80 m的可卷式显示器,是OLED技术上的一项重大突破。预计2010年全球智能手机销量可能会增长50%,未来5年智能手机将促使高端OLED显示器呈现爆炸式发展的势头

[13]

。

随着OLED领域内研发工作的突飞猛进,未来OLED的应用范围可能会扩大到平视显示器、汽车仪表板、看板式显示器、家庭或办公室照明以及柔性显示器。由于OLED的刷新速率比LCD更高(高出近1000倍),使视频图像的逼真度大大提升,还可以不间断地进行图像更新。未来的报纸可能就是一部OLED显示器,能持续更新突发新闻事件,不看的时候即可像报纸一样卷起来装进背包。

。

有机太阳电池的产业化自2005年开始已经持续了数年,随着科学理论与制造工艺的进步,产业化的突破已现曙光。

4 射频识别标签、有机传感器及集成

智能系统

除有机太阳电池、OLED显示和照明应用外,射频识别(RFID)标签、大面积传感器及集成智能系统的研究也有较大进展。

RFID被称为本世纪的十大技术之一,RFID商品标签也被认为是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一。如果每个标签的价格以5美分计算,RFID标签的潜在市场规模可能达到每年数十亿至数百亿美元。但现有RFID标签的高成本一直制约着这项技术的普及和发展,低成本有机RFID标签技术的研究和发展有望解决这一问题。据估计,有机RFID标签的成本有望降至0 01~0 02美元,甚至更低。作为一个低成本的选择方案,有机RFID将在世界范围内开辟一个新市场,与Si片RFID技术相互补充来满足市场的需求。世界各国都认为有机RFID市场潜力巨大,至于技术的发展,目前全球都还处于探索阶段,但对其发展前景普遍看好,多个国家和地区科的科研机构都纷纷加大研发力度,如OrganicID,IBM,PolyIC

At[7]

3 OLED

OLED技术可能是有机半导体领域发展最成熟的器件平台。与液晶显示器(LCD)相比,OLED具有可视度更佳、图像质量更好、显示器更薄等优点,而且还可以弯曲折叠、随身携带。目前OLED已经在一些小型设备中得到应用,如移动电话、掌上型电脑以及数码相机等。柯达、三星、TV Logic、LG和索尼等公司在OLED显示器开发市场上具有较大的技术优势。2004年9月索尼公司开始批量生产OLED显示屏,用于CLIEPEG VZ90型个人娱乐掌上电脑。柯达公司已在多款数码相机中使用了OLED显示屏。2005年5月,三星电子公司宣布,首部基于OLED技术的40英寸(1英寸=2 54cm)超薄电视机研制成功。2008年索尼推出了面板厚度仅为3mm、视角达178 的

[12]

TVol.47No.8

陈海明等:有机半导体器件的现状及发展趋势

和IMEC等。

近年来,微芯片上的传感系统也引起了较为广泛的关注,催生了!芯片实验室∀这一新的概念。具有!芯片实验室∀这一特征的器件是一些集成度较高的小型传感器系统,这类系统的主要应用领域包括医疗和环境监测等领域[7,12,17]。通常这些领域使用的监测分析系统都十分复杂,且价格很高。采用!芯片实验室∀平台可以将分析用的所有元器件制作在一个完整的集成系统中来简化系统、降低成本。这些微系统可采用的衬底材料范围很广,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其他塑料等。许多不同类型的有机传感器系统已经问世,如集成化学、温度和压力传感器、电子鼻、电子舌、光扫描仪以及盲人专用的电子布莱叶传感器等[16]。

集成智能系统(ISS)可以将多种完全不同的功能集成在一块芯片上,从而开辟了许多全新的价值领域。ISS的应用领域包括诊断系统、大面积传感器、智能光源与光系统和智能包装等[18-19]。欧洲、日本和美国在这一领域的科研水平比较领先,但以中国为代表的一些亚洲国家也具有一定的优势。

挡风沙,它还能为司机提供导航图或其他信息帮助[2,15,18]。

迄今为止,多种有机半导体器件应用市场已开始初具规模,OLED电视即是最典型的实例。此外,OSRAM在2008年向市场推出了OLED照明灯,2010年OLED照明市场会有所增长,至2015年市场规模会达到40亿欧元,占整个照明市场的5%。2012年有机RFID市场将达到45亿美元。2015年,使用有机电路的RFID市场规模将达到116亿美元。另据市场研究与分析公司IDTechEX预测,至2027年全球有机半导体市场规模将会与传统CMOS器件市场相当,达到3300亿美元,其中逻辑和存储器件的增长最为可观,将达到1150亿美元

[18-19]

。

6 结 语

经过30年的发展,作为电子和光电子应用的新型材料,有机半导体经历了材料开发、基础研究和器件工程阶段,目前有机显示等器件已进入商品化发展阶段,并显示了诱人的发展前景。

有机半导体器件具有易加工、成本低、功耗小等许多无机半导体器件所不具备的优点,因而有着极具潜力的应用优势。但与无机半导体器件相比,有机半导体器件在性能、使用寿命和制作工艺等方面上还需要进一步的优化和完善[18-19]。

目前有机半导体器件仍有一些技术难题需要解决,如速度较慢等,因此在近期内取代传统半导体器件、占据市场主导地位的可能性不大。然而,如果最为关心的问题是价格而并非速度和其他因素的话,有机半导体将是一种更佳的选择。参考文献:

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5 有机半导体器件的应用与市场

有机半导体技术已在众多应用领域显示出广阔的发展前景,为此越来越多的公司和机构都开始涉足有机半导体技术的开发与研究。据2009年的统计结果显示,仅欧洲就有15个国家多达70余家公司在从事有机半导体技术的开发[4,8,15,18]。随着批量制造技术水平的提高,有机半导体技术将真正成为一项实用化技术,并与无机半导体技术展开有力的竞争。例如OLED电视的实用化水平已达到相当的程度,市场占有率也在不断提高,随着制造成本的大幅降低,OLED电视将成为千家万户必不可少的家用电器。此外,透明、柔软、可折叠的OLED技术还将有助于电子报纸开发,人们将不需每天都购买报纸。建筑物玻璃窗将增添更多新的功能,采用OLED技术的玻璃窗在电源关闭状态时与普通玻璃窗并无区别,而接通电源后即可变成显示器或广告栏。汽车挡风玻璃的功能也不再只是阻

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陈海明等:有机半导体器件的现状及发展趋势

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