TFT与IGZO及其它AMOLED背板技术解析

显示器可以分为平板显示器（FPD）和阴极射线管（CRT）。CRT为我们所熟知，具有大大的屁股，价格便宜，色彩丰富，有良好的可视角度。但是由于它体积庞大，图像畸变等致命缺陷，其市场渐渐被FPD取代。平板显示器顾名思义，就是厚度很薄的显示器。可以分为液晶显示器LCD，等离子体显示器（PDP），有机发光二极管显示（OLED），场发射显示器（FED）等。

液晶显示器可以分为有源矩阵LCD（AMLCD）和无源矩阵LCD（PMLCD）。而现代显示技术一般采用AMLCD技术。因为无源矩阵LCD的电光特性很难满足高画质图像，特别是视频图像显示。有源矩阵指的是每个像素点都连着一个有源器件（提供电压或电流）。

说了这么多废话，怎么还没到IGZO啊？别急，我们先来说说TFT-LCD，TFT学名为薄膜场效应晶体管，它就是作为驱动液晶显示器的三端有源器件，所有高档液晶显示器都用的是它，牛吧？

我们来看看这个电路图，这里我们不讨论显示器的各种驱动控制方式，什么静态驱动、动态驱动，什么行扫描、列寻址，统统不管。我们只关心三个字母，看到没有，那个有三个端口的元件的就是TFT。上图就是TFT的结构图。IGZO 出场了，TFT为三端器件，分别为源极（S），栅极（Gate）和漏极（D）。通过控制栅极的高低电平，可以控制源、漏极间的导通与关断。IGZO的角色就是充当连接源、漏极的导电沟道，受栅极控制。

IGZO相比传统TFT有什么优点？

IGZO中文名为氧化铟镓锌，就是用氧化锌与铟、镓按一定比例混合。

传统的TFT是将IGZO换成了a-Si(非晶硅)，什么是非晶？理想晶体原子的排列是长程有序，而非晶态材料原子的排列不具有周期性，但是在短程上是有序的。而多晶则介于两者之间。

随着液晶显示器尺寸的不断增大，驱动频率也不断提高，传统非晶硅薄膜晶体管的电子迁移率（迁移率为单位电场下电子的平均漂移速度，可以理解为导电能力）很难满足需求，而且均一性差。所以找到了一种金属氧化物，即所谓的氧化铟镓锌（IGZO）。它迁移率高，制备工艺简单，均一性好而且是透明的。

这里的IGZO同样是采用非晶，为什么要用非晶呢，而不是单晶或多晶？单晶与多晶的导电性都强于非晶。因为单晶的制备非常的昂贵，而多晶的导电性很不均匀，很容易像素点之间亮度不一致。非晶胜在导电性均匀又便宜，性质不好，但在目前工业应用上是足够的。

半导体的能带结构分为导带，禁带和价带。在常态下金属的导带中就含有电子，所以金属是导体，而半导体在不加外界偏压下，导带中无电子，所以没有导电能力。当加上外界偏压，价带中的电子被激发到导带中，在价带中就出现电子空洞，称为空穴，导带中就出现电子，就能导电了。传统TFT采用非晶硅材料，非晶硅不透明，而且禁带宽度（导带、价带间不含电子的能带称为禁带）较IGZO窄，容易在可见光下很容易将价带电子激发到导带上，这在TFT控制中是不想要的，必须用黑矩阵遮挡光线。所以在每个像素点中，非晶硅TFT都会占用像素的一定面积，使透光面积减少。而IGZO-TFT则是透明的，而且对可见光不敏感，所以大大增加了器件开口率，从而提高了亮度，降低功耗。

IGZO缺点

IGZO既然那么好，为什么还没有量产呢？寿命是关键因素。非晶金属氧化物IGZO TFT空气中很不稳定，特别是对氧气和水蒸气很敏感，使用寿命很短。所以必须在IGZO表面镀上一层保护层，所以怎么镀，镀什么保护层使使用寿命比得上传统TFT成了现在的量产障碍。而且还需要优化工艺，使制造成本下降。

夏普的IGZO液晶显示器能够量产，说明以上提到的问题在技术上有了大突破。

IGZO TFT 的AMOLED应用

既然IGZO作为TFT的优势那么明显，而且现在OLED柔性显示器这么火热，那IGZO能不能应用在OLED中呢？答案是肯定的。而且IGZO有其他材料无法比拟的优点，如高电子迁移率、透明，还有一个优点，就是IGZO具有很好的弯曲性能，能够很好的配合柔性OLED。

但是LCD的TFT结构无法用于OLED，LCD采用电压驱动，而OLED却是依赖电流驱动，其亮度与电流大小成正比AMOLED(Active Matrix/Organic Light Emitting Diode)是有源矩阵有机发光二极体面板。相比传统的液晶面板，AMOLED具有反应速度较快、对比度更高、视角较广等特点。

因为AMOLED不管在画质、效能及成本上，先天表现都较TFT LCD优势很多。这也是许多国际大厂尽管良率难以突破，依然不放弃开发AMOLED的原因。目前还持续投入开发AMOLED的厂商，除了已经宣布产品上市时间的Sony，投资东芝松下Display(TMD)的东芝，以及另外又单独进行产品开发的松下，还有宣称不看好的夏普。2008年8月发布的NOKIA N85，以及2009年第一季度上市的NOKIA N86都采用了AMOLED。

在显示效能方面，AMOLED反应速度较快、对比度更高、视角也较广，这些是AMOLED天生就胜过TFT LCD的地方;另外AMOLED具自发光的特色，不需使用背光板，因此比TFT更能够做得轻薄，而且更省电;还有一个更重要的特点，不需使用背光板的AMOLED可以省下占TFT LCD 3~4成比重的背光模块成本。

AMOLED的确是很有魅力的产品，许多国际大厂都很喜欢，甚至是手机市场最热门的产品iPhone，都对AMOLED有兴趣，相信在良率提升之后，iPhone也会考虑采用AMOLED，尤其AMOLED在省电方面的特色，很适合手机，目前AMOLED面板耗电量大约仅有TFT LCD的6成，未来技术还有再下降的空间。

当然AMOLED最大的问题还是在良率，以目前的良率，AMOLED面板的价格足足高出TFT LCD 50%，这对客户大量采用的意愿，绝对是一个门槛，而对奇晶而言，现阶段也还在调良率的练兵期，不敢轻易大量接单。

(1)金属氧化物技术(Metal oxide TFT)

这种生产技术目前被很多厂家及专业调查公司看好，并认为是将来大尺寸AMOLED技术路线的首选，各个公司也有相应的大尺寸样品展出。

该技术TFT基板在加工过程中，可采取液晶行业中常见的、成熟的大面积的溅镀成膜的方式，氧化物为InGaO3(ZNO)5，尽管这种器件的电子迁移率较LTPS技术生产出来的产品要低，基本为10 cm2/V-sec，但这个迁移率参数为非晶硅技术器件的10倍以上，该器件电子迁移率完全能够满足AMOLED的电流驱动要求，因此可以应用于OLED的驱动。

目前金属氧化物技术还处于实验室验证阶段，世界上没有真正进行过量产的经验，主要的因素是其再现性及长期工作稳定性还需要进一步改善和确认。

(2)低温多晶硅技术(LTPS TFT)

该技术是目前世界上唯一经过商业化量产验证、在G4.5代以下生产线相当成熟的AMOLED生产技术。

该技术和非晶硅技术主要的区别是利用激光晶化的方式，将非晶硅薄膜变为多晶硅，从而将电子迁移率从0.5提高到50-100 cm2/V-s，以满足OLED电流驱动的要求。

该技术经过多年的商业化量产，产品性能优越，工作稳定性好，同时在这几年的量产中，其良品率已得到很大的提高，达到90%左右，极大的降低了产品成本。

从以上LTPS的工艺流程可以看出，其和非晶硅技术的主要区别是增加了激光晶化过程和离子注入过程，其它的加工工艺基本相同，设备也和非晶硅生产有相通之处。

另外，晶化的技术也有很多种，目前小尺寸最常用的是ELA，其它的晶化技术还有：SLS、YLA等，有的公司也在利用其它的技术研发AMOLED的TFT基板，例如金属诱导晶化技术，也有相应的样品展出，但这一技术的主要问题是金属会导致膜层间的电压击穿，漏电流大，器件稳定性无法保证(由于AMOLED器件是特别薄的，各层间加工时保证层面干净度，防止电压击穿是重要的一项课题)。

LTPS技术的主要缺陷有如下几点：

●生产工艺比较复杂，使用的Mask数量为6—9道，初期设备投入成本高。

●受激光晶化工艺的限制，大尺寸化比较困难，目前最大的生产线为G4.5代。

●激光晶化造成Mura严重，使用在TV面板上，会造成视觉上的缺陷。

(3)非晶硅技术(a-Si TFT)

非晶硅技术最成功的应用是在液晶生产工艺中，目前的LCD 厂家，除少数使用LTPS技术外，绝大部分使用的是a-Si技术。

a-Si技术在液晶领域成熟度高，其器件结构简单，一般都为1T1C(1个TFT薄膜晶体管电路，1个存储电容)，生产制造使用的Mask数量为4—5，目前也有厂家在研究3Mask工艺。

另外，采用a-Si技术进行AMOLED的生产，设备完全可以使用目前液晶TFT加工的原有设备，初期投入成本低。

再者，非晶硅技术大尺寸化已完全实现，目前在LCD领域已做到100寸以上。

虽然在LCD领域，a-Si技术为主流，但OLED器件是电流驱动方式，a-Si器件很低的电子迁移率无法满足这一要求，虽然也有公司(例如加拿大的IGNIS)在IC的设计上进行了一些改善，但目前还无法从根本上解决问题。

LTPS技术主要技术瓶颈在晶化的过程，而a-Si技术虽然制造过程没有技术难题，但匹配的IC的设计难度要高得很，而且目前IC厂商都是以LTPS为主流，对a-Si用IC的开发投入少，因此如果采用a-Si技术进行生产，则IC的来源是一个严重的瓶颈和掣肘，另外器件的性能将会大打折扣。

(4)微晶硅技术(Microcrystalline Silicon TFT)

微晶硅技术在材料使用和膜层结构上，和LCD常见的非晶硅技术基本上是相同的。

微晶硅技术器件的电子迁移率可达到1—10 cm2/V-s，是目前索尼选择的技术。

这种技术虽然也能达到驱动OLED的目的，但由于其电子迁移率低，器件显示效果差，目前选择作为研究方向的厂家较少。

通过对各种TFT技术比较，我们可以看出，LTPS技术主要的优点是电子迁移率极高，完全满足OLED的驱动要求，而且经过几年的商业化生产，良品率已达到90%左右，生产成熟度高。主要的问题是初期设备投入成本高，大尺寸化比较困难。

金属氧化物技术电子迁移率虽然没有LTPS高，但能够满足OLED的驱动要求，并且其大尺寸化比较容易。主要的问题是稳定性差，没有成熟的生产工艺。

微晶硅和非晶硅技术虽然相对简单，容易实现大尺寸化，并且在目前LCD生产线上可以制造，初期的投入成本较低，但其主要的问题是电子迁移率低的问题，适合LCD的电压驱动，而不适用OLED的电流驱动模式，并且在OLED没有成熟的生产经验，器件稳定性和工艺成熟性无法保证。

结合目前世界上所有AMOLED生产厂家的实际情况，以及我们上面对几种技术的比较和分析，我们认为当前在TFT基板技术上应采用低温多晶硅技术（LTPS）技术，采用激光晶化方式。同时鼓励金属诱导方式的发展，如果能够在金属诱导方面取得突破，也可以作为一个技术方向。

（5）有机膜蒸镀技术路线选择

有机层形成方式，可分为传统方式和新型方式。传统方式是以气相沉积技术为基础的，而新兴方式是以转印和印刷技术为基础的。

新兴方式中转印技术由三星和3M联合开发和研制；印刷技术主要由爱普生开发和研制。这两种方法最大的优点是提高材料使用率和简化生产制程，但其技术和材料具有一定的垄断性，目前还不具备量产的能力。

传统的气相沉积方法也就是我们通常所讲的CVD，对于有机材料的蒸发，按照蒸发源的不同和蒸发方式的不同又分为点源式、线源式及OVPD（有机气相沉积）。

OVPD是由德国爱思强公司研发，该工艺设计改进了可生产性，相对于蒸镀技术可以降低制造成 本。具有优越的重复性和工艺稳定性以及显着的膜层均匀性和掺杂的精确控制，为高良率批量生产奠定了基础，同时减少了维护和清洁要求，从而降级了材料消耗，具有提高材料利用率的巨大潜力。

OVPD方式具有较好的优越性，由非OLED生产商研制，面向广大的OLED生产商，是业界较为看好的生产技术和设备。但是该设备目前存在两个问题：

1）目前成熟的设备仅可以制作370×470的尺寸，还无法满足大尺寸生产的要求。

2）该设备目前对单色器件有较好的可靠性，但全彩的稳定性还不够理想。

鉴于以上的分析，我们只能采用点源或线源的蒸镀方式。目前来看，点源技术日本TOKKI公司较为优秀，线源技术日本ULVAC公司较为优秀。宏威公司也可以在这方面加以努力。

（6）光射出方式技术路线选择

目前OLED器件有两种光出射方式：底发光和顶发光，下表是这两种方式的对比：

底发光技术工艺成熟，选择风险小，甚至没有风险。顶发光制作工艺有两个难点，一是阴极制作，另一个就是封装方式。尽管顶部发光困难尚存，但已是趋势所在（最少在背板材料没有新的突破下）。但从长远看，如果背板材料有了新的突破，如迁移率和均匀性得到质的改善，那么底发光就有更低成本的优势。总体而言，采用a-Si背板，顶发光是较好的选择；P-Si背板就可以考虑底发光方式。