突破核心技術(shù) 賦能顯示產(chǎn)業(yè)

杜月嬌

顯示產(chǎn)業(yè)是產(chǎn)值數(shù)千億美元的大產(chǎn)業(yè)，與半導(dǎo)體一樣，被視為體現(xiàn)國家核心競爭力的產(chǎn)業(yè)。在多年的發(fā)展下，我國顯示產(chǎn)業(yè)規(guī)模于2020年已經(jīng)達(dá)到世界第一。但這一成績背后仍面臨著一系列技術(shù)困境，材料問題便是其中的主要痛點(diǎn)之一。

顯示技術(shù)特別是在薄膜晶體管（Thin-Film?Transistor，TFT）技術(shù)領(lǐng)域，核心生產(chǎn)設(shè)備幾乎依賴進(jìn)口，核心材料如靶材、電子氣體、光刻膠等對國外的依賴度也在90%以上。這種“大而不強(qiáng)”的局面極大制約了我國新型顯示領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)安全。因此，突破TFT的遷移率和穩(wěn)定性瓶頸，實(shí)現(xiàn)核心材料和器件結(jié)構(gòu)的源頭創(chuàng)新，打通TFT技術(shù)領(lǐng)域“源頭創(chuàng)新—工程技術(shù)—產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”的循環(huán)對我國新型顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

大國博弈，是核心科研技術(shù)的博弈。在半導(dǎo)體材料與器件、柔性電子的研究中砥礪前行20余載，華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員蘭林鋒積累了豐富的理論基礎(chǔ)與材料設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)一步探索新型氧化物半導(dǎo)體材料及器件在OLED顯示、柔性顯示、透明顯示及印刷顯示中的應(yīng)用，他與研究團(tuán)隊(duì)突破領(lǐng)域局限，做出了一系列落地生根的科研成果，為我國顯示產(chǎn)業(yè)突破現(xiàn)實(shí)困境作出了積極貢獻(xiàn)。

結(jié)緣物理，面向國家所需

判天地之美，析萬物之理。從小，蘭林鋒就在數(shù)學(xué)、物理方面展現(xiàn)出極大的天賦。高中時期，蘭林鋒就曾參加全國物理競賽，并獲得了福建省第十名的好成績。高中畢業(yè)后，他順利考入華南理工大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光電信息與應(yīng)用專業(yè)，并在此開始了自己的科研逐夢之旅。

21世紀(jì)初，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速。因此，本科階段的蘭林鋒除卻在光電信息與應(yīng)用專業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，還另外輔修了計(jì)算機(jī)專業(yè)。通過對當(dāng)時的社會環(huán)境進(jìn)行剖析及對相關(guān)學(xué)術(shù)資料進(jìn)行查詢，蘭林鋒了解到：材料是國民工業(yè)的核心需求，掌握材料就是掌握未來。因此，在本科畢業(yè)后保送研究生時，他毅然決然選擇了材料物理與化學(xué)專業(yè)進(jìn)行攻讀。

“來這里不單是學(xué)習(xí)，更要干出一番成果來?！睍r至今日，研究生導(dǎo)師彭俊彪教授的諄諄囑咐仍不時在蘭林鋒的腦海中回響。當(dāng)時，他聽了這些話，便意識到自己不能停留在過去僅限“理解課本知識”的狀態(tài)，而是要進(jìn)一步理論結(jié)合實(shí)踐，做出有實(shí)際應(yīng)用價值的創(chuàng)新成果來。從本科到博士，蘭林鋒在華南理工大學(xué)度過了自己科研生涯的關(guān)鍵成長時期，并最終于2010年7月獲得材料物理與化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。畢業(yè)后，他由于在AMOLED顯示方面的突出成績獲得留校資格，之后任職于華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在這里繼續(xù)自己的科研創(chuàng)新征程。

探索創(chuàng)新，

成功制備柔性氧化物材料

近些年來，隨著顯示屏幕往更大尺寸、更高解析度、更低能耗等方向不斷發(fā)展，對TFT的電流驅(qū)動能力的要求也越來越高。氧化物半導(dǎo)體材料因其載流子遷移率高、制備溫度低、電學(xué)均勻性好、對可見光透明和成本低等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最適合驅(qū)動有機(jī)發(fā)光二極管的TFT有源材料之一，在顯示驅(qū)動、三維集成電路、存儲器、大功率器件、柔性電子、陣列傳感器等方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。其中，TFT在顯示中的應(yīng)用最廣泛。

事實(shí)上，早在2008年，博士時期的蘭林鋒就開始進(jìn)行氧化物（基于ZnO）TFT的研究。當(dāng)時國內(nèi)很少人研究氧化物TFT，所以沒有公司提供摻雜氧化物的靶材，在做靶材方面需要費(fèi)盡周折。但蘭林鋒還是和研究團(tuán)隊(duì)突破重重困難，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了稀土離子與氧空位電子的溫度互補(bǔ)償效應(yīng)，據(jù)此發(fā)明了稀土摻雜的氧化物半導(dǎo)體材料體系Ln-IZO，解決了氧化物TFT在光熱及偏壓下面臨的閾值電壓嚴(yán)重漂移問題，打通了TFT陣列制備工藝，制備出國內(nèi)首塊氧化物TFT陣列基板。在此之后，他又繼續(xù)相關(guān)研究并參與籌建廣州新視界光電科技有限公司，開始在科研與市場中向更深處邁進(jìn)。

長期以來，TFT的絕緣層介電材料（如SiO2、SiNx等）通常采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）制備，用干法刻蝕圖形化。PECVD是傳統(tǒng)的非晶硅（a-Si：H）TFT產(chǎn)線中最昂貴的真空設(shè)備之一，而且要用到易燃、易爆、有毒特種氣體，管控復(fù)雜。此外，PECVD制備介電層時需要較高的溫度，與大多透明塑料襯底的低耐溫性不兼容。另外，由于氧化物半導(dǎo)體屬于離子化合物，而SiO2和SiNx屬于共價化合物，它們之間的界面接觸較差，影響器件性能。

為了攻克這一問題，蘭林鋒和研究團(tuán)隊(duì)通過一系列探索，成功發(fā)展了一種可彎曲的高k介電薄膜（AlOx：Nd）及其室溫電化學(xué)制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低成本和高性能的全濺射制備的柔性氧化物TFT，無需PECVD和干法刻蝕，具有巨大成本優(yōu)勢。在此之后，他們又成功研制出了氧自由基輔助的新型低溫氧化物電子墨水，并提出了一種氧化物TFT通用的“溶劑印刷”技術(shù)，解決了氧化物TFT疊層、跨線、跨不同表面印刷時墨滴流變行為差異問題，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了全印刷的氧化物TFT陣列，并首次實(shí)現(xiàn)了基于印刷氧化物TFT的AMQLED字符顯示。而印刷氧化物TFT的穩(wěn)定性則意味著其朝平板顯示實(shí)際應(yīng)用邁出了重要一步。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，將研究造福社會

學(xué)以致用，研以致遠(yuǎn)?！澳馨牙碚撗芯砍晒罱K付諸應(yīng)用，是我終生奮斗的目標(biāo)?！碧m林鋒說。但他深知：實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)出來的科研成果，和產(chǎn)線上所生產(chǎn)的東西是截然不同的。在這樣一個知識爆炸，各學(xué)科之間聯(lián)系愈加緊密的時代，生產(chǎn)線上發(fā)生任何微小的改變，都會牽一發(fā)而動全身?！八晕覀円恢敝铝τ谧尣牧闲阅軡M足相關(guān)要求的同時，讓產(chǎn)線的改動變得越來越少?！碧m林鋒說。

自2005年，蘭林鋒開始從事半導(dǎo)體材料與器件、柔性電子領(lǐng)域的研究。至今，他已和研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域前行十幾載。從零開始進(jìn)行科研攻關(guān)，最開始擺在蘭林鋒及其科研團(tuán)隊(duì)面前的是近百個科研問題，而越到后邊他們所面臨的問題也會愈加艱難。十幾年來，他們突破重重阻礙，一直在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作?！皩⒀芯砍晒晒?yīng)用到三維集成電路領(lǐng)域，使中國在相關(guān)技術(shù)方面不再受制于人”便是支撐他們砥礪前行的最大信念。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。在研究中，蘭林鋒和團(tuán)隊(duì)研究成功發(fā)現(xiàn)了四價稀土離子在氧化物半導(dǎo)體中的電荷轉(zhuǎn)移躍遷效應(yīng)及其對光熱穩(wěn)定性的改善作用，并據(jù)此開發(fā)出高遷移率、高穩(wěn)定性的Pr4+/Tb4+摻雜的氧化物半導(dǎo)體材料（Ln-Oxide）。根據(jù)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，Ln-Oxide成功實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動AMOLED顯示、透明顯示和柔性顯示。在科研成果的支撐下，近期TCL華星光電還成功推出了基于Ln-Oxide的14“FHD?Notebook”，而這也是其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的全新突破。除此之外，Ln-Oxide還在三維DRAM存儲器也展現(xiàn)出了極大應(yīng)用前景。

伴隨著中國大陸顯示產(chǎn)業(yè)的崛起，全球顯示產(chǎn)業(yè)競爭格局正在發(fā)生改變。目前，中國已經(jīng)躍升成為全球最大的液晶面板生產(chǎn)地，并持續(xù)跟進(jìn)OLED、Micro?LED、激光顯示等新型顯示技術(shù)。

在這一背景下，蘭林鋒及其科研團(tuán)隊(duì)深感使命在肩。在國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目的支撐下，現(xiàn)如今他和研究團(tuán)隊(duì)正在步履不停，開展用于可拉伸顯示的可拉伸TFT關(guān)鍵材料和器件研究，從TFT的結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，利用前期的工作基礎(chǔ)，分別研發(fā)柔性可拉伸電極、半導(dǎo)體和絕緣層材料，結(jié)合印刷制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可以驅(qū)動有機(jī)發(fā)光二極管顯示（OLED）的可拉伸印刷TFT陣列，為可拉伸顯示的驅(qū)動技術(shù)探索出一條有效路徑。

科技的發(fā)展瞬息萬變，但始終不變的是蘭林鋒心中的科研藍(lán)圖?！拔磥恚覀兊慕K極目標(biāo)就是做成像衣服一樣，不受任何表面限制、不受任何應(yīng)力拉伸限制的可穿戴材料，并將其在產(chǎn)業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用。”蘭林鋒說。以夢為馬，他和研究團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)扎根在我國顯示產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，披荊斬棘、創(chuàng)新前行。

（責(zé)編：張聞）