TFT-LCD设计及制作―TFT原理

TFT-LCD设计及制作（2）■TFT工作原理■TFT基本结构■各种TFT技术2TFT-LCD设计及制作■TFT工作原理■TFT基本结构■各种TFT技术3TFT-LCD设计及制作MOSFET绝缘栅型场效应管（InsulatedGateFieldEffectTransistor，缩写为IGFET）的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用Si02绝缘层隔离，因此而得名。在IGFET中，目前应用最为广泛的是MOS场效应管（即金属-氧化物-半导体场效应管:Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,缩写为MOSFET）4TFT-LCD设计及制作MOS结构是MIS（Metal-Insulator-Semiconductor）结构中的一种，当绝缘膜采用氧化膜时就是MOS结构，在硅器件中，氧化膜是通过硅衬底的热氧化形成的。它的栅-源间电阻比结型场效应管大得多，可达1010Ω以上。它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，是微处理器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主流器件，也是一种重要的功率器件。5TFT-LCD设计及制作根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时漏极电流也为零，管子是呈截止状态；加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。因而增强型MOSFET就是指必须施加栅压才能开启的一类MOFET。6TFT-LCD设计及制作耗尽型则是指：当VGS=0时漏极电流不为零，即形成沟道；加上正确VGS的时，能使多数载流子流出沟道，从而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。因而耗尽型MOSFET是指必须施加栅压才能关闭的一类MOSFET。7TFT-LCD设计及制作TFT与MOSFET之比较分析TFT与MOSFET的工作原理比较TFT与MOSFET的工作原理相似,当栅极施加正电压时,在栅极和半导体层间会产生一个电场,在这个电场的作用下,形成了电子沟道,使源极与漏极之间形成导通状态,在栅极所加的电压越大,吸引的电子也愈多,所以导通电流也越大;而当栅极施加负电压时,使得源极与漏极之间形成关闭状态。8TFT-LCD设计及制作在实际LCD生产中，主要利用a-Si：HTFT的开态（大于开启电压）对像素电容快速充电，利用关态来保持像素电容的电压，从而实现快速响应和良好存储的统一。9TFT-LCD设计及制作TFT与MOSFET的结构非常的相似。TFT与MOSFET相似也为一三端子元件,在LCD的应用上可将其视为一开关。10TFT-LCD设计及制作TFT与MOSFET不同之处1、沟道与源、漏极MOSFET的载流子沟道所形成的界面,与源、漏极处于同一边,因此,载流子沟道形成后,会直接连接至源、漏极,TFT的电子沟道是形成于半导体层下方的界面,而源ö漏极却是在半导体层上方的界面,因此,TFT的电子沟道要连接到源、漏极,必须再经过半导体层厚度,载流子的流动需要经过这个低导电性的区域,因而影响TFT的导电特性。11TFT-LCD设计及制作2、栅极与源、漏极的重叠MOSFET的源、漏极掺杂,是利用栅极本身作为掩模,利用离子注入来形成,具有自动对准的效果,栅极与源、漏极之间并不会重叠。而TFT的源、漏极,是另外用掩模来定义的,TFT的导通特性包括了半导体层厚度本身造成的电阻,如果栅极与源、漏极之间没有重叠,会造成一段不会形成沟道的距离,形成很大的阻值使其充电能力大幅降低。因此,必须在栅极与源、漏极之间故意地形成重叠,来避免这样的情况。12TFT-LCD设计及制作3、栅极绝缘层的材料MOSFET的栅极绝缘层是在高温下形成的氧化硅,其本身和与硅半导体界面的品质都是极佳的。而TFT的栅极绝缘层,由于基板耐温的限制而无法在高温下成长,而仅能以等离子体沉积的方式形成。13TFT-LCD设计及制作TFT等效电路1.右图为TFT一个像素的等效电路图，扫描线连接同一列所有TFT栅极电极，而信号线连接同一行所有TFT源极电极。2.当ON时信号线的数据写入液晶电容，此时，TFT组件成低阻抗(RON)，当OFF时TFT组件成高阻抗(R)，可防止信号线数据的泄漏。3.一般RON与ROFF电阻比至少约为105以上。扫描线信号线RONROFF液晶存储电容GDS14TFT-LCD设计及制作14G1G2G3GmGm-2Gm-1S1S2S3Sn-2Sn-1SnArray面板示意圖15TFT-LCD设计及制作非晶硅TFT源漏电流与栅极电压的关系没有光照的情况下，TFT开态电流与关态电流之比在7个数量级的水平，管子开关特性很好。但在2000lx白光的照射下，如图中虚线所示，相同条件下关态电流迅速增大，使开态电流和关态电流之比减小到5个数量级，导致管子工作不稳定。这是采用窄禁带光敏半导体硅材料的固有缺陷。16TFT-LCD设计及制作TFT与对比度在TFT-LCD中，TFT的电学特性是确定显示器对比度的关键。一般要求TFT开态电流与关态电流之比要达到107以上。如果TFT栅极电阻太大，使栅极脉冲延迟时间延长，则导致数据信号写入不足，会降低显示器的对比度17TFT-LCD设计及制作TFT的寄生电容与交叉串扰一般认为，TFT矩阵驱动的图像不会产生类似无源驱动的交叉串扰的问题，但是，实际上由于在数据信号线和公用电极之间，数据信号线与像素电极之间都可能存在寄生电容，它们会影响数据信号波形和幅度，因此，在TFT-LCD显示中也会产生交叉串扰(crosstalk)。18TFT-LCD设计及制作所谓串扰就是信号波形畸变导致的灰度错乱，例如在白色背景中显示黑色横条时，横条的左右两边的颜色比正常颜色浅一些;或者在白色背景中显示黑色竖条时，竖条的上下两边的颜色比正常颜色浅一些，当然从设计的角度寻找消除或抵消寄生电容的途径也不是不可能的，考虑到开口率等多种原因，一般还是在驱动电路上做些设计比较合适。19TFT-LCD设计及制作TFT与开口率影响像素元开口率的主要因素：TFT电极;栅极信号bus-line;数据bus-line;存储电容电极，黑矩阵材料。这些部分的面积总和决定了一个像素的开口率。TFT做得越小，布线越细，开口率越高。20TFT-LCD设计及制作21TFT-LCD设计及制作遗憾的是，在实际的设计和制造工艺上是很难两者兼顾的。为了防止数据线和像素ITO之间的空隙漏光以及显示屏表面反射光，彩膜基板上的黑矩阵的面积总是做得大于间隙面积的。在制屏工艺中，如果彩膜基板和阵列(array)基极的对准定位发生偏移，则也会造成开口率的下降。22TFT-LCD设计及制作如果把黑矩阵做到阵列基板上，则可以消除由对准定位偏离造成的开口率下降。另一方面，黑矩阵做在阵列基板上可以非常精确地和数据线、像素ITO衔接，从而进一步提高开口率。23TFT-LCD设计及制作24TFT-LCD设计及制作在独立存储电容Cs的设计中，如果用ITO制作存储电容电极则可以有效地提高像素的开口率。采用ITO膜制作存储电容Cs电极可以改善像素的开口率。传统的存储电容Cs的电极是不透明的金属，背光源的光会被金属电极反射回来;采用ITO膜做的存储电容Cs的电极，背光源的光直接透过电极，对提高像素的亮度做出了贡献。25TFT-LCD设计及制作26TFT-LCD设计及制作TFT与亮度为什么TFT-LCD光能利用率只有10%左右，还能有比较高的亮度，就是因为TFT寻址解决了无源驱动扫描占空比的问题。采用TFT有源寻址，可以使像素元上的电压保持到下一个扫描信号的到达，从而保持了像素元的亮度。因此TFT是平板显示实现高亮度的核心。27TFT-LCD设计及制作TFT与闪烁TFT性能不良，例如TFT设计不合理，或者工艺条件不合适，造成开态电流太小，导致信号写入畸变，或者由于存储电容电压保持特性不合适，都会引起画面闪烁(flicker)28TFT-LCD设计及制作TFT与响应速度响应速度是评价液晶显示器最主要的技术指标之一。确定液晶显示器的响应速度的主要因素是液晶材料的特性。TIT的驱动特性对液晶显示器的响应速度也有一定的影响，因为TFT沟道的长宽比直接与像素电容的充电时间有关。29TFT-LCD设计及制作TFT与闪烁TFT性能不良，例如TFT设计不合理，或者工艺条件不合适，造成开态电流太小，导致信号写入畸变，或者由于存储电容电压保持特性不合适，都会引起画面闪烁(flicker)30TFT-LCD设计及制作■TFT工作原理■TFT基本结构■各种TFT技术31TFT-LCD设计及制作TFT结构的分类结构：金属栅极、栅极绝缘层、非晶硅层、n+非晶硅层、源极/漏极和保护层32TFT-LCD设计及制作目前大部分采用底栅型结构。为什么呢？因为底栅型结构的金属栅极和绝缘层同事可以作为半导体层的光学保护层，以防止因背光源发出的光照射到非晶硅层产生的光速载流子而破坏半导体层的电学特性。33TFT-LCD设计及制作那么顶栅型的TFT用在什么地方呢？反射式的液晶显示器中（投影机）多晶硅TFT基本上都采用顶栅型结构34TFT-LCD设计及制作顶栅型结构的优点：制造工艺简单，需要光刻次数少通过改进光刻技术，可以大幅度降低成本但是必须要为半导体层设置一层保护膜，防止因背光源的光刺激有源层产生的光生载流子而破坏有源层的电学特性。35TFT-LCD设计及制作底栅型TFT的分类背沟道刻蚀型（BackChannelEtched,BCE)刻蚀阻挡型（EtchStopper,ES)36TFT-LCD设计及制作底栅型结构顶栅型结构背沟道刻蚀型沟道保护型非晶硅层a-Si层厚（200－300nm）a-Si层薄（30－50nm）通过大幅度改进光刻技术，可以大大降低成本。工艺刻蚀n+a-Si层时，a-Si层也被刻蚀，因为腐蚀选择比较小，所以a-Si层相应要厚，工艺难度大刻蚀n+a-Si层时，SiNx层也被刻蚀，因为腐蚀选择比较大，所以a-Si层可以做得薄一些，工艺简单PECVD工艺特性a-Si层相应要厚，工艺难度大a-Si层薄一些，工艺简单37TFT-LCD设计及制作现在大部分LCD制造公司，基本都采用BCE型工艺，因为与ES型工艺相比，它的工艺流程要简单一些。BCE结构的TFT至少节省了一次光刻工艺步骤。但是它需要相当厚的本征a-Si层（约200nm）,才能保证在刻蚀n+a-Si层时有足够的刻蚀余量，n+a-Si层必须过刻蚀才能保证完全去除掉。而在ES工艺中，背沟道被SiNx层覆盖并保护，n+a-Si层的刻蚀相当容易，当然它的制造过程要复杂一些，现在已经渐渐被BCE型所取代了。ES型TFT的优点是因为光照产生的漏电流更小，串联电阻更小。38TFT-LCD设计及制作我们不仅要设计一个性能优越的TFT，还要给每个像素设计一个可以在一个帧频周期维持像素信号电压的像素电容Cs。大面积的像素电容不仅可以改善像素电压保持率，还能改善图像的闪烁和对比度。最简单的办法是在像素上设计一个独立的电容，但是同时会降低像素的开口率。39TFT-LCD设计及制作独立存储电容的TFT40TFT-LCD设计及制作独立存储电容的剖面示意图41TFT-LCD设计及制作共栅极存储电容42TFT-LCD设计及制作■TFT工作原理■TFT基本结构■各种TFT技术43TFT-LCD设计及制作TFT技术分类硅基非硅基非晶硅多晶硅微晶硅金属氧化物有机TFT纳米TFT单晶硅载流子迁移率增大44TFT-LCD设计及制作非晶硅TFT选用a-Si的理由今天大家熟知的TFT，其发展历史实际始于1962年RCA实验室的P.K.Weimer的研究工作。近五十年来，TFT技术已经发生了巨大的变革、发展和改进。从最初的CdS和CdSe后来被a-Si所代替并成为应用最广泛的TFT有源层材料，在组成TFT有源层的所有材料中，没有哪种材料能与a-Si材料这么吸引投资。45TFT-L