未來(lái)半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏技術(shù)中的創(chuàng)新與應(yīng)用

董明睿

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未來(lái)半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏技術(shù)中的創(chuàng)新與應(yīng)用

董明睿

（西安市鐵一中學(xué)，陜西 西安 710000）

柔性顯示器是一種新型的可以彎曲變形的顯示裝置。近幾年來(lái)，柔性顯示器憑借其輕薄柔軟的特點(diǎn)越來(lái)越被人們廣泛熟知并應(yīng)用，也受到了更多的關(guān)注與青睞，柔性顯示屏技術(shù)也逐漸成為未來(lái)顯示行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一。之前，柔性顯示技術(shù)由于受限于半導(dǎo)體材料的脆弱，還處在一個(gè)探索階段，面臨許多需要克服的技術(shù)難題，而隨著最新半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，柔性顯示屏在手機(jī)中的應(yīng)用也離我們更加近了一步。在對(duì)半導(dǎo)體材料相關(guān)概念以及其與柔性顯示屏的發(fā)展現(xiàn)狀等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探析了未來(lái)新型半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏中的應(yīng)用，對(duì)未來(lái)柔性顯示屏的發(fā)展進(jìn)行展望并分析未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。

半導(dǎo)體材料；柔性顯示屏；材料應(yīng)用；應(yīng)用創(chuàng)新

1 半導(dǎo)體材料概念及發(fā)展概況

早在18世紀(jì)中葉，在電磁學(xué)領(lǐng)域有諸多貢獻(xiàn)的英國(guó)科學(xué)家法拉第就發(fā)現(xiàn)了一種叫做硫化銀的半導(dǎo)體材料，這種材料的電阻會(huì)隨著溫度的不斷升高而降低，這也是當(dāng)時(shí)首次涉足半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，但是在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的太多關(guān)注。對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，溫度的升高導(dǎo)致自由載流子的濃度升高，這可以促進(jìn)傳導(dǎo)。到了20世紀(jì)，盡管人們對(duì)半導(dǎo)體材料的了解和認(rèn)識(shí)也不夠全面和深刻，但是當(dāng)時(shí)對(duì)半導(dǎo)體材料的研究已經(jīng)逐步增多；到20世紀(jì)20年代，隨著固體物理學(xué)和量子力學(xué)的發(fā)展以及理論的進(jìn)步，科學(xué)家們還對(duì)半導(dǎo)體材料中的電子態(tài)和電子傳輸過(guò)程進(jìn)行了更深入的研究，對(duì)材料的性能、特征也逐漸有了一個(gè)清晰的了解和認(rèn)識(shí)；20世紀(jì)50年代左右，為了改善晶體管的特性并提高晶體管的使用穩(wěn)定性，半導(dǎo)體材料的研究得到了迅速發(fā)展。

半導(dǎo)體材料（semiconductor material）是一種用來(lái)制作半導(dǎo)體器件與集成電路的材料，可用來(lái)導(dǎo)電，且其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，另外，半導(dǎo)體材料還可用來(lái)制造芯片與晶圓等領(lǐng)域。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體材料的晶格震動(dòng)會(huì)加劇電阻的產(chǎn)生，從而可以導(dǎo)電。目前，半導(dǎo)體制造工藝復(fù)雜，程序煩瑣，應(yīng)用起來(lái)有一定的復(fù)雜性，但是其應(yīng)用與進(jìn)步也帶動(dòng)了上游專用材料以及產(chǎn)業(yè)設(shè)備的升級(jí)改造與長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

2 柔性顯示屏發(fā)展現(xiàn)狀

柔性顯示屏也可稱為可以卷曲的顯示屏，是使用特定的柔性材料如超薄玻璃、塑料或者金屬箔片等可柔性的面板材料構(gòu)成的一種可以彎曲且變形的顯示裝置。近些年來(lái)，柔性顯示屏發(fā)展勢(shì)頭迅猛，也是近來(lái)技術(shù)領(lǐng)域研究探索的熱點(diǎn)之一，其中蘋果、三星等大型廠商已經(jīng)開(kāi)始將這一技術(shù)不斷商業(yè)化應(yīng)用到其旗下的電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制中，而韓國(guó)的LG目前已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了柔性顯示屏的量產(chǎn)，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。相比傳統(tǒng)的顯示屏，柔性顯示屏具有輕便、薄、柔軟可彎曲等特點(diǎn)，在手機(jī)、眼鏡、手表等已經(jīng)在市面上存在的一些產(chǎn)品中其具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還有一些新興的領(lǐng)域如電子紙、電子貨架標(biāo)簽等領(lǐng)域還有待柔性顯示屏去挖掘，而上述提到的可以實(shí)現(xiàn)商品化和大規(guī)模量產(chǎn)的領(lǐng)域主要集中在手機(jī)、平板電腦、電子紙等領(lǐng)域，總而言之，隨著柔性顯示技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用，未來(lái)電子產(chǎn)品的市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)革新，發(fā)生翻天覆地的變化。

3 半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏中的具體應(yīng)用

3.1 新型半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)使得柔性顯示屏應(yīng)用成為可能

中科院上海研究所研究員與德國(guó)馬普所的Yuri Grin等教授合作，研發(fā)出了一種新型的像金屬一樣的半導(dǎo)體材料，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種新型的半導(dǎo)體材料是一種典型的半導(dǎo)體，但是和傳統(tǒng)半導(dǎo)體的力學(xué)性能不太一致的是，該種新型材料具有良好的可延展性和可彎曲性，可以廣泛地應(yīng)用到柔性電子設(shè)備的顯示屏當(dāng)中去，其中這種新型的半導(dǎo)體材料在成分中主要含有銀原子，即α-Ag2S。

未來(lái)的半導(dǎo)體材料顛覆了以往人們對(duì)于半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)印象，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料并不能彎曲折疊，非常脆，但是最新的材料，其性能完全與之前的不同。一般的陶瓷或者半導(dǎo)體材料的加工碎片多為細(xì)小的顆?；蛘叱尸F(xiàn)粉末狀，而材料在外力的作用下并不會(huì)破碎，會(huì)形成一片細(xì)長(zhǎng)的纏繞絲狀物。雖然近兩年發(fā)展起來(lái)的柔性電子材料，只是簡(jiǎn)單將材料電子器件制作在柔性襯底上，但是即便如此，柔性半導(dǎo)體材料也憑借著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被逐漸應(yīng)用到柔性顯示屏以及更多的領(lǐng)域。

3.2 二硫化鉬作為2D半導(dǎo)體材料可驅(qū)動(dòng)OLED顯示

目前，柔性顯示屏技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，主要靠OLED顯示方案，而OLED顯示方式下畫面質(zhì)量較高、響應(yīng)的速度也很快，且還可以彎曲，憑借著這些優(yōu)點(diǎn)OLED顯示成為柔性顯示領(lǐng)域主流的發(fā)展趨勢(shì)，目前，以LG、三星為代表的電子生產(chǎn)廠商已初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，上海天馬、京東方、維信已陸續(xù)推出柔性顯示樣機(jī)，柔性顯示作為下一代主流顯示技術(shù)煥發(fā)出勃勃生機(jī)。

將二硫化鉬晶體管等半導(dǎo)體材料應(yīng)用到可彎曲的OLED顯示屏中。通常這種晶體管會(huì)在塑料片上形成一個(gè)簡(jiǎn)單的6×6點(diǎn)陣，厚度僅為7 μm。這種簡(jiǎn)單的塑料薄片顯示器非常柔軟，可以在彎曲半徑小于1 cm的情況下彎曲。

流子遷移率（Carrier mobility）是將半導(dǎo)體材料應(yīng)用到柔性顯示屏中所需要關(guān)注并攻克的重點(diǎn)性能。該項(xiàng)性能主要測(cè)量的是電荷通過(guò)半導(dǎo)體的速率。例如，用于制造大多數(shù)芯片的結(jié)晶硅的材料具有1 400 cm2/ V-s的載流子遷移率，而構(gòu)成顯示器背板的半導(dǎo)體是用于切換和照射像素的系統(tǒng)，并且它們所需的載流子遷移率必須能夠驅(qū)動(dòng)足夠的電流來(lái)操作像素，同時(shí)還要滿足視頻碼率的要求。

對(duì)于傳統(tǒng)的LCD液晶顯示器，它們的背板可以用非晶硅制造，具有較低的載流子遷移率，但是這種材料的電子遷移率約為1 cm2/ V-s。然而OLED顯示器需要更高的載流子遷移率，因此包括 LG和三星在內(nèi)的 OLED顯示器制造商也都會(huì)選擇使用更高遷移率的材料，如多晶硅（每平方厘米10 cm2）和氧化物半導(dǎo)體。

3.3 柔性半導(dǎo)體材料應(yīng)當(dāng)阻隔水、氧

對(duì)于柔性半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，要想應(yīng)用到柔性顯示屏上首先需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題就是對(duì)建立水、氧的阻隔層，從承溫程度來(lái)看，不銹鋼是目前市場(chǎng)上公認(rèn)的承受高溫較好的材料，因此許多廠商利用不銹鋼箔來(lái)制作柔性硅薄膜太陽(yáng)能電池，還有一些用鋁箔來(lái)制作太陽(yáng)能電池，但是二者在絕緣程度上存在差異。

金屬箔是導(dǎo)體材料，而對(duì)于較為復(fù)雜的柔性顯示屏的設(shè)計(jì)上需要采用具有絕緣層的電子設(shè)計(jì)組件。水和氧氣阻隔層通常通過(guò)薄膜工藝在塑料基板上涂覆有諸如SiOx、SiNx或氧化鋁的無(wú)機(jī)膜。單層無(wú)缺陷的無(wú)機(jī)薄膜如非晶 Al2O3（Super Sapphire）可以在38 ℃/ 100% RH下每天可達(dá)到5×10-5g/m2的水氣阻隔效果，單層SiNx在PEN基板20 ℃/50% RH下每天也達(dá)5×10-5g/m2。

4 未來(lái)柔性顯示屏發(fā)展及半導(dǎo)體材料的應(yīng)用創(chuàng)新

由于柔性顯示器是一種新興的顯示技術(shù)，在某些產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，柔性顯示器的技術(shù)也相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力，例如在智能電子設(shè)備、汽車顯示器以及電子紙等技術(shù)領(lǐng)域。此外，柔性顯示器的另一個(gè)應(yīng)用是引入新產(chǎn)品，如智能卡、電子標(biāo)牌顯示器或者是軟電子書。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2010年柔性顯示器的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5億美元，到2015年也已經(jīng)接近19億美元。其中，手機(jī)、數(shù)字標(biāo)牌、電子書和智能卡是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。

未來(lái)半導(dǎo)體材料的主要發(fā)展方向?qū)?huì)是低維納米半導(dǎo)體材料。在實(shí)際應(yīng)用中，光電二極管組件是構(gòu)成電子設(shè)備相機(jī)中的一個(gè)重要的組成部分，光電二極管通過(guò)感知光線可以將圖像傳感轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)，進(jìn)而通過(guò)芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，這一處理過(guò)程就離不開(kāi)新型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用。

低維納米半導(dǎo)體材料主要依靠的是鎢硒二維納米薄膜，具有很強(qiáng)的耐受性，因此將其作為半導(dǎo)體材料來(lái)應(yīng)用到電子芯片中使電子遷移率達(dá)到最佳，同時(shí)將合成的一維氧化鋅納米線與二維納米薄膜混合，形成（PN）光電二極管元件，應(yīng)用于圖像傳感器像素，也是未來(lái)研究的主要趨勢(shì)。

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2095－6835（2019）03－0160－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.160

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕