IGZO-TFT技术-未来大尺寸平板显示应用发展的助推器-王莉红

18集成电路应用NEWTECHNOLOGY新技术聚焦线，同期昆山、龙腾、上海广电的3条5代线开工建设，这个阶段直到2005年，期间我国完成了5代线建设。第二阶段为2005~2009年，是产业技术吸收学习阶段。第三阶段是2009年以后，平板显示产业得到快速发展阶段，国内企业开始在生产线上加大投资，政府也相继出台了很多政策。2009年我国开始建设国内第一条6代生产线，年底投产建设8.5代线，时隔一年这些生产线相继建成投产。2010年我国工程实验室建成投入使用，6代线、8代线相继完成建设，2011年基本进入生产。截止到2015年，中国大陆已建和拟建的液晶面板生产线将达到近20条。在平板显示应用领域里，产业关键技术将会有怎样的发展趋势呢？友达光电智权长副总经理指出，平板显示产品有以下发展趋势：高解析度(4K×2K)；高像素密度(ppi)；窄边框；更轻薄；3D显示；触控化；氧化TFT(IGZO铟镓锌氧化物)技术；AMOLED；低功耗；透明化显示。为了满足这些发展趋势，相对成熟的TFT-LCD技术也在不断创新，比如氧化物TFT这种革命性新技术将要进入量产，同时其他的显示技术也在快速发展如OLED。针对平板显示产品的发展趋势，特别是高解析度、高像素密度、3D显示、触控化、低功耗等要求，将有多种新制程技术包括低温多晶硅(LTPS)、金属氧化物TFT(用于AMOLED背板)、COA、GOA和铜制程等技术被导入，以加强产品性能或拓展应用。在这些新技术中，以IGZO(In-Ga-Zn-O)TFT为代表的金属氧化物TFT背板驱动技术以其明显的优势将在TFT-LCD和OLED显示技术这两个应用领域产生深远的影响。下面我们针对IGZO-TFT背板技术予以分析介绍。IGZO-TFT背板技术在正式介绍IGZO-TFT技术之前，先讲一个关于这一技术的产业故事。夏普在2011年遭遇了巨亏，全年亏损了2,900亿日元(约合38亿美元)，此时夏普搬出了其最新的王牌技术——IGZO-TFT背板驱动IGZO-TFT技术：未来大尺寸平板显示应用发展的助推器相对于目前主流的硅基TFT技术，IGZO-TFT拥有高电子迁移率、高电流开关比、对可见光不敏感、可制作柔性显示产品和生产成本低等技术优势，具有巨大的应用价值。在过去20多年产业发展历程中，经过笔记本电脑、显示器(监视器)和电视三次应用浪潮的驱动，平面显示产业已走过了快速成长期而进入成熟期。未来几年消费类应用需求将是继续推动平板显示产业进一步成长的主要动力。消费类需求具体诉求在两个方面：使用产品获得愉悦体验感和满足人们对新生活方式的新奇感。从产品形态来看，主要表现在三个方面：一是智能，人与机器间可以互动交流，比如智能电视、语音识别、手势识别等等；二是真实感和生动感，如中小尺寸500ppi移动产品、大尺寸UHD级产品、裸眼3D以及透明显示等；三是柔性，实现柔性显示使产品更轻更薄可弯曲甚至可卷曲等等。在新的消费类应用推动下，上述产品形态需求将推动平板显示技术和产业发展到新的水平。中国大陆从2003年开始进入平板显示领域，共经历了三个阶段。首先是进入阶段。以京东方收购韩国现代作为标志性事件，国内企业开始进入平板显示产业，同时把该项技术转移到国内建设5代生产■王莉红中电熊猫液晶显示科技有限公司覃正才上海贝岭股份有限公司集成电路应用19NEWTECHNOLOGY新技术聚焦它是由于In3+可以形成5S电子轨道，有利于载流子高速传输，因此晶型(多晶或非晶)对迁移率的影响不大。由于IGZO-TFT除了具有高电子迁移率，还具有极低的关断电流，这一特性有利于减少显示刷新频率，从而降低系统的功耗。相对于硅基TFT，IGZO材料实现的TFT对可见光敏感度低，这有利于降低制造成本和延长产品的使用寿命。在超大尺寸、4K×2K分辨率、300ppi、高色阶、低功耗等新应用要求下，a-SiTFT-LCD技术存在电子迁移率不足、均一性差、开口率低、透光率低等缺陷，因此应用面临越来越大的局限性。基于IGZO-TFT技术具有以下特性：晶体尺寸更小，可以使设备更轻薄；全透明，对可见光不敏感，能够增加开口率，提高亮度，降低功耗；相对高的电子迁移率(约为10cm2/Vs)可以实现更高响应速度的液晶面板。因此IGZO面板比传统TFT面板在主要性能参数上都有全面的提升。另外可弯曲的特性使得柔性显示成为可能，使得AMOLED显示技术可以更快速发展。在实际应用中，它表现出三大优势：高精度、低功耗与高触控性能。高精度。由于IGZO的电子迁移率大约是a-SiTFT的20~50倍，可提高背光利用率，因此分辨率可以是普通TFT屏幕的2倍以上；因为采用栅源极布线细线化技术，驱动晶体管的面积可以降低到原来的1/4，并保持原有的透光率。低功耗。IGZO-TFT与a-SiTFT、LTPSTFT相比漏电流只有不到1pA，驱动频率由原来的30~50Hz减少到了2~5Hz，虽然减少了TFT的驱动次数，还是可以维持液晶分子的配向不影响画面，所材料中掺杂Ga形成IGZO材料。这种材料的电子迁移率虽然下降了1/3，达到10cm2/Vs，但在显示器驱动应用中已足够。IGZO材料实现的TFT器件结构如图1所示。它将传统实现TFT的a-Si半导体材料用a-IGZO材料代替。利用IGZO材料高电子迁移率的特性，提高了像素控制TFT的响应速度和电流电压转换比例。目前比较流行的IGZO-TFT基板结构为刻蚀阻挡型，其结构如图2所示，该结构也是三星SDI采用的结构。刻蚀阻挡型IGZO-TFT的原理是在金属氧化物IGZO上加工一层刻蚀阻挡层，可以在制备源漏电极时保护IGZO层不被破坏，从而提高TFT基板的性能。用来制作刻蚀阻挡层的材料一般是SiNx或者SiOx。为什么IGZO材料实现的TFT具有远高于a-SiTFT的迁移率呢？这是由半导体材料的物理结构所决定的。在传统的共价键结构Si基TFT中，半导体具有SP杂化轨道，结构的无序对迁移率有很大影响，非晶硅、微晶硅、多晶硅TFT之间的迁移率可以相差两个数量级。由于非晶硅结构的无序性最强，导致电子迁移率最低。单晶硅结构的分子排列最有规律，因而具有最高的电子迁移率。过去通过提高晶化率来提高电子迁移率，但这会使得工艺更加复杂，而且单晶硅由于成本高昂而难以被大量采用。在IGZO材料中，影响电子迁移率的因素与硅基材料不同，技术进行产品调整，终于获得很好的收益，同时这一技术也吸引了高通、英特尔、苹果和鸿海集团对夏普的投资。2012年12月4日，高通与夏普达成投资1.2亿美元参股约5%的投资协议，在与高通的产业合作中，夏普的IGZO-TFT液晶面板技术成为吸引对方的重要因素。在目前以a-SiTFT-LCD为绝对主流的产业阶段，为何IGZO-TFT背板技术能成为夏普华丽转身的王牌技术，并对众多产业巨擘有如此大的吸引力呢？首先我们看看何谓IGZO-TFT技术。IGZO-TFT背板技术就是用IGZO这种半导体材料来制成平板显示中控制像素的TFT技术。IGZO是铟/镓/锌/氧的首字母凑在一起的缩写，通常称为铟镓锌氧化物，它是一种半导体材料。IGZO-TFT技术是日本东京工业大学前沿技术研究中心与应用陶瓷研究所教授细野秀雄发明的。他最早发现了IGZO材料在均一性极佳的非结晶状态下可实现不逊于结晶状态电子迁移率这一重要特性。细野秀雄教授关于IGZO的主要研究成果早在2002年就已经通过论文进行了发表，然后他针对平板显示的应用要求研究改进了IZOTFT技术，在电子迁移率和TFT的载体可控性间进行了折中，通过在IZO图1：用IGZO材料实现的TFT器件结构。IGZO金属氧化物层Glassa-IGZO(80nm)SDSIO2(200nm)Gate20集成电路应用NEWTECHNOLOGY新技术聚焦的8.5代面板生产线，目前该公司在氧化物半导体、AMOLED领域的相关专利已超过2,000余项，居全球前列。与此同时，南京熊猫液晶显示科技有限公司、华星光电、彩虹(佛山)平板显示有限公司、广州新视界光电科技有限公司以及天马微电子等企业都在开发IGZO-TFT技术，为新显示产品开发进行技术准备。虽然IGZO-TFT技术因其固有的优点在大尺寸液晶显示和OLED面板显示产品中有巨大的应用前景，但要达到大规模产业化还存在一些技术改进，主要包含以下方面：改善IGZO-TFT的结构、优化薄膜质量、改善绝缘层与IGZO的界面以及退火条件、持续提升IGZO-TFT的性能，以及开发避免IGZO-TFT对空气中氧气和水气敏感的保护层。结束语在平板显示产业发展进程中，基于真空管技术的CRT显示技术已经完全被基于半导体技术的TFT-LCD显示技术所取代，技术的革新是应用要求不断升级推动的结果。基于硅材料的TFT-LCD由于本身技术局限性也无法完全满足日新月异的应用要求，跟踪技术发展趋势，选择具有更大成长空间的显示关键技术是产业持续发展的重要基础。IGZO-TFT技术在目前作为主流的TFT-LCD显示技术和被誉下一代显示技术的OLED技术中都有巨大的应用价值，尤其是在大尺寸、超高清(UHD)、高像素密度和低功耗等领域都特别有优势，因此需要我们对IGZO-TFT技术给予更加深入的研究和关注，以缩短中国大陆与其他产业中心的差距。■申请量大幅增长。三星电子采用IGZO-TFT技术开发了70英寸液晶显示屏，驱动频率达到240Hz，解析度可以达到4K×2K水平，并支持专用眼镜的3D显示。从2012年开始，友达光电和奇美电子都将生产线改造为氧化物TFT，并投入IGZO金属氧化物的研发，其中友达表现得更加积极，按照计划将在2013年陆续导入10.1英寸和65英寸IGZO高解析度平板电脑面板与电视面板生产，借此提高产品的附加价值。友达已经发布65英寸4K×2KIGZO超高解析液晶电视屏，其6代线和8代线都已经具备生产IGZO的能力，再加上大尺寸IGZO面板技术已臻成熟，未来友达将积极开发各类型IGZO面板。在2013年CES展上，大量采用IGZO-TFT技术的显示产品也被推出。其中包括三星85英寸4K×2K超大液晶电视、夏普85英寸8K分辨率液晶电视、友达光电65英寸4K×2K电视。在中国大陆地区，IGZO-TFT技术也被广泛关注。2012年3月，京东方研发成功了首块a-IGZOTFT液晶屏，这是一块达到高清(HD)分辨率的18.5英寸液晶显示屏。同年10月，该公司成功研发出基于IGZO技术的17英寸AMOLED彩色显示屏，在第十四届高交会上，他们又展出了大陆第一款65英寸4K×2KIGZO-TFT液晶显示屏。2013年，京东方将在重庆建设基于IGZO-TFT技术以可以达到原来液晶面板1/5~1/10耗电量(不包括背光组件)。提高触摸性能。IGZO-TFT与电容型触摸面板组合时，还可提高触摸检测灵敏度。这是由于在TFT驱动休止时仍然会检测触摸，此时抑制了TFT驱动产生的噪声影响，提高了触摸精度。最为重要的是IGZO-TFT制作工艺简单，为这一技术推广应用奠定了坚实的基础。在平板显示中的应用现状目前IGZO-TFT材料及技术专利主要由日本厂商拥有，据估计夏普公司的IGZO-TFT技术领先同行业1~2年，并最先实现量产。夏普首款使用IGZO屏幕的32英寸显示器PN-K321在2012年CES上亮相，这款显示器采用4K分辨率。根据市场需求和技术发展现状分析，IGZO-TFT有望在三年内成为主流产品，同时这一技术也是目前最适合发展AMOLED基板的技术。从这一趋势看，IGZO-TFT技术在平板显示中的应用将会迅速推进。现在全球面板巨头都在加速布局Oxied技术，三星、LGD、友达等液晶面板制造厂商都积极介入氧化物TFT技术的研发，专利GlasssubstrateMoIGZO(50nm)ESSiOXMo图2：IGZO-TFT的典型结构——刻蚀阻挡型，材料一般是SiNx或者SiOx。