聚合物半導(dǎo)體產(chǎn)品及工藝概論

聚合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)概述引言半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。具有五大特性：摻雜性，熱敏性，光敏性，負(fù)電阻率溫度特性，整流特性。根據(jù)其半導(dǎo)體特性可分為四類(lèi)產(chǎn)品：集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器。聚合物半導(dǎo)體指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的聚合物，電導(dǎo)率在10-8?103(Q*cm)-1范圍內(nèi)，禁帶寬度與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的禁帶寬度相當(dāng)。聚合物半導(dǎo)體可用來(lái)制作發(fā)光二極管、場(chǎng)效應(yīng)管等器件，其制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易成大面結(jié)，且便于分子設(shè)計(jì)，因而受到普遍重視。聚合物半導(dǎo)體發(fā)展十分迅速，并已開(kāi)始步入實(shí)用階段。但由于其穩(wěn)定性較差，目前應(yīng)用還受到一定限制。20世紀(jì)70年代末，Heeger發(fā)現(xiàn)聚乙炔通過(guò)摻雜可實(shí)現(xiàn)金屬量級(jí)的導(dǎo)率，打破了聚合物只能做電絕緣體的傳統(tǒng)觀念，引起了人們對(duì)于共軛聚合物材料的研究興趣。大量的研究表明，各種共軛聚合物經(jīng)摻雜后都能變?yōu)榫哂胁煌瑢?dǎo)電性能的導(dǎo)電聚合物，具有代表性的共軛聚合物有聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚對(duì)苯撐乙烯、聚對(duì)苯等。至今，聚合物半導(dǎo)體材料的發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了3個(gè)主要階段，以聚乙炔為代表的第1代聚合物半導(dǎo)體材料；以聚噻吩、聚亞苯基乙烯為代表的可溶液加工的第2代聚合物半導(dǎo)體材料；以及近些年發(fā)展起來(lái)的給體-受體類(lèi)第3代聚合物半導(dǎo)體材料。與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料相比，聚合物半導(dǎo)體材料具有質(zhì)輕、價(jià)廉、可溶液加工和柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，在低成本構(gòu)筑、大面積、全柔性光電器件，例如有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)、有機(jī)太陽(yáng)能電池(OPV)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)等方面顯示了潛在的應(yīng)用前景。.聚合物半導(dǎo)體研究與應(yīng)用聚合物太陽(yáng)能電池目前開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池有硅太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池及聚合物太陽(yáng)能電池。相比于其它種類(lèi)太陽(yáng)能電池，聚合物太陽(yáng)能電池具有原料廣、成本低、光伏材料可自行設(shè)計(jì)合成及可制備柔性器件等諸多有點(diǎn)，具有很大的潛力在新一代電子器件中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，成為近年來(lái)國(guó)際上前沿科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。聚合物太陽(yáng)能電池中，我們將P型材料稱(chēng)為給體材料(D),把N型材料稱(chēng)為受體材料(A)。與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理相同，都是基于P-N結(jié)光伏打效應(yīng)，但是光照射到聚合物電池材料時(shí)，光子被吸收后產(chǎn)生激子(電子-空穴對(duì))而非直接產(chǎn)生載流子(自由電子或空穴)。激子擴(kuò)散到D-A面后分離為自由電子和空穴，在內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下自由電子通過(guò)受體材料通道遷移至陽(yáng)極，空穴通過(guò)給體材料通道遷移至陰極，從而產(chǎn)生光電流。?受體電子但是與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，制約聚合物太陽(yáng)能電池商業(yè)化的主要因素為其器件的能量轉(zhuǎn)化率較低，目前最高的轉(zhuǎn)化率為11%（2016年數(shù)據(jù)）。而無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)化效率為24.7%。同時(shí)，這些聚合物半導(dǎo)體的制備工藝大多采用有毒溶劑如氯仿或是氯苯等溶液進(jìn)行處理，對(duì)環(huán)境和人體有嚴(yán)重的威脅，影響了其商業(yè)化使用。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室侯劍輝課題組研究人員持續(xù)圍繞疊層有機(jī)光伏電池關(guān)鍵材料和器件制備開(kāi)展了大量研究。研究人員圍繞基于聚合物-富勒烯的有機(jī)光伏電池，系統(tǒng)優(yōu)化了寬帶隙和窄帶隙的光伏活性層材料以及相應(yīng)的疊層器件制備方法，在2015年和2016年分別實(shí)現(xiàn)了10%和11%的光伏效率，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。建物構(gòu)所結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭慶東課題組首次將不對(duì)稱(chēng)茚并噻吩作為構(gòu)筑單元用于系列新型聚合物太陽(yáng)能電池材料的設(shè)計(jì)與合成?；谒铣傻木酆衔锊牧希搱F(tuán)隊(duì)成功制備了9.14%的高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池。聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電聚合物的的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。采用聚合物作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料是其中最引人矚目的研究方向之一。如今，聚合物場(chǎng)效應(yīng)管（PEET）的研究取得了令人矚目的成果，性能良好的聚合物場(chǎng)效應(yīng)管的遷移率已經(jīng)超過(guò)了0.1。山2廠01,開(kāi)關(guān)比可＞106。從這些指標(biāo)來(lái)看，其性能已經(jīng)非常接近非晶硅器件。聚合物場(chǎng)效應(yīng)管得到人們高度關(guān)注有如下幾個(gè)原因：首先，聚合物有優(yōu)異的機(jī)械性能。良好的柔韌性使其有望在柔性基底上構(gòu)筑器件，得到可彎曲的“塑料電路”。其次，聚合物具有良好的成膜性能。這意味著聚合物適合低溫、大面積溶液加工工藝，甚至可以打印機(jī)打印電路。另外，聚合物材料來(lái)源廣、種類(lèi)多、對(duì)聚合物進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修飾可以方便的調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的性能。近年來(lái)的發(fā)展證明，PEET在智能卡、識(shí)別卡、儲(chǔ)存器、傳感器等方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，PEET在低成本，大面積柔性顯示等領(lǐng)域有著巨大的潛在價(jià)值，但是不可否認(rèn)其與無(wú)機(jī)材料器件相比還有一定差距。最重要的參數(shù)差距就是其遷移率，今后的研究重點(diǎn)也應(yīng)該放在如何提高遷移率上。聚合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域不斷吸引著越來(lái)越多的人們，目前已成為平板顯示領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)信息顯示技術(shù)提出越來(lái)越高的要求。色彩豐富、低耗能、綠色環(huán)保、輕便甚至可卷曲的顯示屏成為人們追求的目標(biāo)。聚合物/有機(jī)電致發(fā)光二極管由于其低壓驅(qū)動(dòng)、高效發(fā)光、色彩豐富、響應(yīng)快、視野寬及易于實(shí)現(xiàn)超薄輕便等優(yōu)點(diǎn)，正迎合了這一要求，它必將成為信息時(shí)代一種理想顯示技術(shù)。以O(shè)LED使用的有機(jī)發(fā)光材料來(lái)看，一是以染料及顏料為材料的小分子器件系統(tǒng)，另一則以共軛性高分子為材料的高分子器件系統(tǒng)。同時(shí)由于有機(jī)電致發(fā)光器件具有發(fā)光二極管整流與發(fā)光的特性，因此小分子有機(jī)電致發(fā)光器件亦被稱(chēng)為OLED(OrganicLightEmittingDiode)，高分子有機(jī)電致發(fā)光器件則被稱(chēng)為PLED(PolymerLight-emittingDiode)。小分子及高分子OLED在材料特性上可說(shuō)是各有千秋，但以現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展來(lái)看，如作為監(jiān)視器的信賴(lài)性上，及電氣特性、生產(chǎn)安定性上來(lái)看，小分子OLED處于領(lǐng)先地位。當(dāng)前投入量產(chǎn)的OLED組件，全是使用小分子有機(jī)發(fā)光材料。當(dāng)今研究主要集中在大量開(kāi)發(fā)高發(fā)光效率、物理性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)發(fā)光材料和載流子輸運(yùn)材料，改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)等方面。.聚合物半導(dǎo)體材料應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化高分子發(fā)光二極管(PLED)PLED/OLED是有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料在電流驅(qū)動(dòng)下發(fā)光并實(shí)現(xiàn)顯示的技術(shù)，按照使用的有機(jī)材料不同分為PLED和OLED。就使用材料而言，所用材料皆為共軛化學(xué)結(jié)構(gòu)，不同之處在于分子量。普通OLED采用小分子材料而PLED采用高分子材料。鑒于材料的不同，制造設(shè)備也有所差異，小分子采加熱蒸鍍的方式來(lái)蒸鍍多層有機(jī)膜材，為了避免不同材料間的相互污染，故需使用多腔體的真空設(shè)備，因此設(shè)備的成本較高。PLED大都是以其溶液旋轉(zhuǎn)涂布或者印刷方式涂膜，與CD-R的制程相似，設(shè)備成本較低，且PLED可應(yīng)用roller或screen的方式涂膜，較利于大尺寸顯示器的發(fā)展。OLEDPLED特色易彩色化，制作而單，可制成固體籍科，驅(qū)動(dòng)電路荷單不需昂貴良空裝置.投責(zé)成本概有機(jī)薄膜材料以柒料及敷料為材料的小分子元件以共施性高分子為材料的高分子元件制造技術(shù)百空蒸黑技術(shù)噴圈印刷技術(shù)優(yōu)點(diǎn)容媯彩色化，蒸諼全冉動(dòng)制益技術(shù)成熟.材料的合成與純化.精制容易.材料研發(fā)廠商/.供應(yīng)卷定采用溶液旋轉(zhuǎn)流般或噴墨印刷制造,設(shè)簫成本低、在大尺寸化的發(fā)展打葩對(duì)優(yōu)勢(shì)，元件可耐受藕密的電流密度忖溫度環(huán)境、技術(shù)黛導(dǎo)商CDT承用較開(kāi)放式的*利授權(quán)眺點(diǎn)采用名物體的白室沒(méi)錦，設(shè)得成本高.耐水性差.熱榜定性較高分子姜受限T-紅綠藍(lán)三色定位由雎、目前藍(lán)光壽命不理想應(yīng)川范圍主要應(yīng)用于小尺寸面板小尺寸及大尺寸面板上圖為OLED與PLED的技術(shù)對(duì)比圖，不難發(fā)現(xiàn)PLED在制備工藝上更簡(jiǎn)單，可有效降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，PLED技術(shù)可以制造更大的尺寸面板從而滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，這也是近年來(lái)PLED受到關(guān)注的主要原因。PLED生產(chǎn)工藝設(shè)備無(wú)源驅(qū)動(dòng)PLED：基板清洗設(shè)備，曝光設(shè)備、刻蝕相對(duì)其他平板顯示器件設(shè)備（濕法、干法），有機(jī)高分子薄膜設(shè)備（平涂機(jī)、凸版?zhèn)湓谟袞臠顯示器件的制/凹版印刷、噴墨打印等）、沉積系統(tǒng)、光固化設(shè)備等。有源驅(qū)動(dòng)PLED：有源驅(qū)動(dòng)的PLED除了上面無(wú)源驅(qū)動(dòng)PLED所需的設(shè)備外，還必須要有TFT制程專(zhuān)用的設(shè)備，包括CVD薄膜沉積設(shè)備、金屬電極濺射沉積設(shè)備、離子注入設(shè)備等。OTB-PLED一體生產(chǎn)線構(gòu)成示意圖口）一印刷預(yù)處理.（2J-PEDOT印刷N3）-LEPU制;《電一干燥、烘烤、修補(bǔ)：⑸-換灌時(shí)底：｛6）一真空馥蛇玨：（7）~領(lǐng)/鋁沆速X同一雇氯化榆沆淀1乂華-西機(jī)層印刷1；（10）-硅氮化的猊1速有機(jī)層印刷2；口2）-硅鼠化物沉濾3;。3）一防爆除涂層印刷PLED工藝流程無(wú)源驅(qū)動(dòng)PLED工藝流程

有源驅(qū)動(dòng)PLED工藝流程im電機(jī)圖形制作陰極制作鈍化層電極制作R圖形制作G圖膨制作有源驅(qū)動(dòng)PLED工藝流程im電機(jī)圖形制作陰極制作鈍化層電極制作R圖形制作G圖膨制作B圖形制作光刻股冰敷n■口電棘圖幃喋光空穴傳箱層涂敷有機(jī)發(fā)光層制作電子傳軸層制作TF「電路制作基扳清洗JTO鍍膜隔國(guó)柱制作1玻璃某扳涌詵緩沖層成膜Q-竽成膜L股多晶化處理多晶硅膜鼎用制作學(xué)晶已膘播雜府極絕緣層制作榭板和電容電極制作電容器絕壕膜制作電等盟電極制作房向絕級(jí)膜制仆接觸通孔制作信號(hào)電極激射成膜|信號(hào)電極制作鈍化膜制作平坦化腿制作接觸通孔制作像素電物微時(shí)成胰像素電極制作OTO）2.4PLED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2.4.1PLED應(yīng)用范圍PLED的應(yīng)用范圍比傳統(tǒng)OLED的應(yīng)用范圍更廣：（1）商業(yè)領(lǐng)域：可應(yīng)用于POS機(jī)和ATM機(jī)、復(fù)印機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、游戲機(jī)等;（2）通信領(lǐng)域：可應(yīng)用于3G手機(jī)、各類(lèi)可視電話(huà)系統(tǒng)