用于AMOLED电视的氧化物TFT

近年来随着信息技术的不断进步，各种新型的显示技术和器件获得了飞速发展。OLED具有自发光、低功耗、响应速度快、视角宽、分辨力高、宽温度特性、高亮度、高对比度、并且抗弯曲能力强，可制成柔性显示等优点，具备了信息显示和器件制造所要求的许多优异特征，OLED显示技术是比液晶显示技术更为先进的新一代平板显示技术，其被业界公认为是继LCD、PDP之后最理想和最具发展前景的第三代显示技术。

目前， a-Si TFT和 p-Si TFT是 AMOLED的主流技术。a-Si TFT在均匀性、低成本方面有优势，然而其迁移率太低，且长时间工作时，阈值电压会有漂移。 p-Si 迁移率高，但其在晶化过程中会产生晶界，从而导致阈值电压和迁移率都不均匀，不适合大尺寸显示应用。近年来金属氧化物TFT技术发展迅速，其迁移率相对较高，同时制作工艺简单(4-6次光刻)、均一性好，可以满足大尺寸AMOLED显示的需求，特别是金属氧化物TFT的制造设备与现有的a-Si TFT设备兼容性高，备受业界关注，成为近年来的研究热点，三星、LG等公司都在大力发展金属氧化物TFT技术。

自从2004年报道了柔性和透明的非晶In-Ga-ZnO（铟镓锌氧化物或IGZO）薄膜晶体管（TFT）之后，非晶态半导体氧化物薄膜晶体管引起了人们的关注，关于作为TFT背板的非晶氧化物半导体器件已经取得了巨大进展。这些器件支持高性能平板显示器（FPD），包括有源矩阵有机发光二极管显示器（AMOLED）。许多FPD制造商如三星，LG，夏普和友达已经在2012年宣布大规模投资基于氧化物半导体器件的大尺寸AMOLED面板生产。尽管用于使用低温多晶硅（LTPS）TFT的手机的小尺寸AMOLED已经在三星的大规模生产，但是行业内有重要的消息，听说大尺寸AMOLED的背板将采用氧化物半导体作为薄膜晶体管的有源层。

几十年来，包括ZnO，Al掺杂的ZnO，Ga掺杂的ZnO，SnO 2，In 2 O 3，InZnO和InSnO等宽带隙氧化物材料已经被人们广泛研究，以用于传感器，光电子，光伏和透明电极应用，它们的高透明度：> 80％，在可见光范围和载体浓度为

1018/cm3。有趣的是，已经报道这些材料在一系列沉积参数，掺杂元素和后退火处理下具有良好的半导体行为。氧化物半导体中的非晶结构对于避免由多晶结构引起的载流子捕获和低迁移率的问题也是重要的。能够形成无定形结构的关键性质是“crystal frustration” 。 即三种材料（In，Sn和Zn）都倾向于自己形成不同的晶体结构，因此一起将不允许形成多晶结构。基于许多论文和报道，结合In，Sn和/或Zn元素的非晶氧化物半导体TFT通常表现出合理的场效应迁移率（μFE，大于10cm 2/ V-sec），高漏极电流的开/关比，以及非常低的漏电流（小于10fA）。因此，非晶氧化物半导体可以被认为是以低成本制造大型AMOLED电视面板的最终解决方案。

许多研究人员和工程师仍然关心氧化物半导体器件的某些关键器件问题，比如需要进一步改善迁移率，稳定性，像素设计和电极等。

高迁移率的必要性

LTPS TFT中的高迁移率（大于100cm 2/ V-sec）对于小尺寸AMOLED面板是非常重要的，因为像素驱动TFT和嵌入式电路需要在较小像素尺寸内以相对高速的和高的电流进行操作。

对于大尺寸AMOLED TV，由于OLED像素需要高电流以便通过电流注入来发光，因此通常预测迁移率需求通常超过30cm 2 / V-sec，这取决于显示分辨率和像素电路设计。许多研究人员报道了可以实现高迁移率TFT的各种氧化物半导体材料和结构。有趣的是，当我们了解氧化物半导体的电子性质时，我们发现迁移率可以在1-30cm 2 / V-sec范围内可控，只要器件不稳定性不是问题。

稳定的氧化物TFT

不稳定性可能是阻碍氧化物TFT实际应用于AMOLED显示器的最重要的问题。最近的努力集中在理解器件不稳定性和改善长期稳定性。为了研究氧化物TFT的稳定性，许多研究人员已经考虑了四种实际应力条件：负/正偏压，温度，照明和环境（湿度）。在施加四个应力时，氧化物TFT通常仅表现出Vth漂移而没有迁移率的变化，如图1（a）所示。这种情况由沟道/栅极 - 绝缘体界面处的电荷捕获或电荷注入到栅极 - 介电体块中引起。已经观察到，器件在没有任何热退火的弛豫时间后自发地恢复其初始状态。

通过同时施加两个应力条件来加速Vth漂移也是关键的。虽然几个组报告了诸如氧空位，空穴捕获和电子注入的可能性，但是降解机制的起源仍在研究中。

为了提高氧化物TFT的稳定性，研究人员已经采取步骤，包括优化的结构，合适的栅极绝缘体材料，不可渗透的钝化层，稳定的半导体材料和后退火处理。通过将底栅TFT与背沟道蚀刻（BCE）或蚀刻阻挡层（ES）结构进行比较[Fig. 1 (b)]，研究人员表明，ES型器件的稳定性优于BCE型器件的稳定性，这可能是由于缺陷界面层的形成。对于栅极绝缘体，由于相对大的价带偏移和更少的氢含量，SiOx或AlOx栅极器件的优越的稳定性可归因于抑制空穴注入或栅极电介质中的捕获。此外，低渗透性钝化如AlOx和SiONx在应力条件下在器件中表现出更好的稳定性。

在氧化物半导体中，稳定的氧化物TFT在沉积工艺和后处理期间在有源层中具有更高的氧含量。通常，就材料和结构而言，稳定的氧化物TFT具有较少的氢和较高的氧组成以在四个实际应力条件下抑制Vth偏移。

基于大尺寸大规模生产设备，选择合适的材料来设计氧化物-TFT结构是非常困难的。因此，也许不可能通过使用常规工艺，结构和设备制造完美和稳定的氧化物TFT，因为氧化物半导体中的电子传导机理取决于控制诸如氧空位和氢结合以及阳离子组成的缺陷系统。 TFT结构非常适合于现有的a-Si TFT生产线，但是仍然需要仔细考虑各种工艺因素。制造在最终应用中表现良好的稳定氧化物TFT需要对工艺，材料和设备进行非常严格的控制。

氧化物TFT的像素电路设计

除了迁移率和稳定性问题之外，还有另一个问题要解决以实现大尺寸AMOLED面板：像素电路设计。众所周知，使用氧化物TFT可产生具有最简单的像素电路的AMOLED面板，如图1所示。 1（c），因为材料的无定形性质和所得到的高度均匀的电性能。如果TFT是均匀的（远距离和短距离）和稳定的（偏置应力），则仅需要简单的电路结构。如果TFT是不均匀和不稳定的，则由于每个像素上的开关TFT的不同参数，可能发生非均匀的OLED亮度。这些问题可以通过使用诸如补偿电路（5T + 2C等）的电路设计技术来固定。晶粒边界和器件不稳定性是考虑非均匀性的重要因素。当展示基于氧化物TFT的AMOLED时，氧化物TFT应在延长的操作期间不出现Vth和μFE的显著变化。

Fig. 1: (a) Gate-voltage vs. drain-current chart represents theevolution of a transfer curve as a function of bias-temperature-illuminationstress. (b) The schematics of etch-stopper (ES) and back-channel-etch(BCE) structures are illustrated. (c) This conventional pixel design foran AMOLED panel uses two transistors and one capacitor.

不幸的是，如上所述，氧化物TFT的退化在应力条件下是不可避免的。尽管在AMOLED开关晶体管中μFE和Vth的变化不太重要，但是应当认真考虑AMOLED驱动晶体管的电流感应阈值电压偏移。已经报道，驱动晶体管的Vth偏移0.1V导致OLED像素的所得亮度的变化约20％，这反映了每个像素的亮度强烈依赖于漏极电流的事实。因此，OLED显示器应当采用具有四个或更多个TFT的复合补偿电路，例如4T2C，5T2C和6T2C电路，其中4T2C意味着该电路包括四个晶体管和两个电容器。此外，氧化物半导体表现出类似n型的性质，表明沟道中的主要载流子是电子。在平均OLED像素电路中，可以使用如图1所示的补偿电路。应当采用图2所示的结构，以便利用n型氧化物TFT，这与p型LTPS TFT的情况不同，其中这不是必需的。

Fig. 2: This circuit diagram of a pixel (AMOLED panel based on a-IGZOTFTs) shows examples from (a) Samsung Display and (b) Sharp and SemiconductorEnergy Laboratory (SEL).

低电阻电极

关于大尺寸AMOLED面板，必须选择适当材料电极材料用于栅极，源极和漏极。大尺寸，高分辨率和快速帧率面板需要具有低电阻率的电极，例如Al和Cu。然而，Al具有差的粘附性并且在AMOLED工艺期间容易氧化。如已知的，Cu元素通过热退火和电迁移容易地扩散并结合到氧化物半导体和栅极绝缘体中，同时显示出诸如迁移率和稳定性的电性能的劣化。最近，友达将Ti / Al / Ti电极应用于37英寸。 AMLCD和三星电子使用基于Cu的总线线路为15英寸。 AMLCD.17,18此外，LG Display在其55英寸中采用了Cu基电极。 AMOLED-TV产品。

AMOLED电视的氧化TFT前景

从市场的角度来看，显示器行业的一些观察者对基于氧化物TFT的AMOLED电视的竞争力有深刻的关注。如表1所示，氧化物半导体具有很好的发展潜力。今天，许多公司正加紧研发、布局、量产氧化物TFT的AMOLED电视，以便不仅与基于LTPS TFT的AMOLED电视面板，而且与基于a-Si的高质量有源矩阵液晶显示（AMLCD）电视面板竞争。

Table 1: Shown is a comparison of AMOLED panel designs based onpolysilicon, amorphous silicon, and oxide TFTs.

为了最小化有源矩阵背板的制造成本，重要的是减少光刻掩模的数量。 a-Si：H LCD采用4-5个掩模，使用灰色掩模（也称为半色调掩模）在单个掩模步骤中图案化源/漏电极和沟道。三星显示最近展示了基于氧化物TFT的AMOLED显示器，采用七个具有ES结构的掩模。

如上所述，ES型器件不仅具有优异的稳定性，而且具有优异的电性能均匀性，因为ES层可以防止在随后的干法或湿法蚀刻工艺期间有源层的退化。氧化物TFT中的ES工艺在制造成本和产量方面是矛盾的因素。 Sharp和LG Display已经展示了具有ES型结构的批量生产的AMLCD和AMOLED背板，以保证具有均匀器件性能的面板的质量。 然而，这些公司已经集中开发具有较少掩模步骤（例如，BCE型结构）的工艺，导致高选择性湿蚀刻剂和自钝化层。 为了平衡大尺寸AMOLED显示器中的制造成本和产量，BCE型器件可能是不可避免的选择。 虽然高质量栅极绝缘体工艺可能通过损坏有源层来劣化器件的均匀性和性能，但是顶栅器件配置可以是减少用于大尺寸AMOLED的掩模和寄生电容的数量的可能的解决方案。

氧化物TFT：等待解决方案的解决方案

由于小尺寸AMOLED显示器在显示器市场上已经成功，毫无疑问，AMOLED显示器具有成为TV的优异显示技术的潜力。然而，就背板技术而言，尚不清楚哪种技术适合于大尺寸AMOLED。自55寸 AMOLED电视面板在2012年首次展示以来，许多制造商和研究人员努力实现解决以下问题的解决方案：迁移率，稳定性和产量。

最近，一些研究组已经报道了c轴对准的IGZO作为有源层，大尺寸（大于Gen 8）溅射靶和高迁移率氧化物材料例如InZnSnO。虽然在氧化物TFT中已经研究了器件退化和电子传导机理，但是从理论计算到器件工程的跨学科研究近来已经显着增加。随着我们对氧化物半导体和工艺的深入理解，它们无疑将成为在市场上实现大尺寸AMOLED电视的解决方案。

资料来源：http://informationdisplay.org/IDArchive/2013/MarchApril/FrontlineTechnologyOxideTFTs.aspx

作者：Jin-Seong Park

整理+翻译：Myb