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半导体

王刚:重点研发AMOLED驱动背板技术


 京东方未来显示技术研发总监王刚


近年来“OLED显示”越来越频繁地出现在人们视野中,从最初MP3上不足1英寸的单色笔画字符,到现在三星、联想等推出的覆盖高中端市场的AMOLED显示屏手机,从专业的科技报道里耀眼的白色发光方块,到反应市场风向的消费电子展会上,厚度只有几个毫米的OLED电视,神奇地卷起来显示画面。OLED显示技术越来越被接纳作为新一代平板显示,其突出的显示视觉效果,让人叹为观止,并被称为“梦幻显示”。


OLED显示,利用了有机功能材料的电致发光特性,即向器件施加适当的直流电压,往有机发光材料薄膜中注入电子和空穴,然后复合发光。OLED显示与液晶显示相比,具有器件结构简单;自发光显示,对比度高;功耗低;色域宽;轻、薄、无视角限制;响应速度快,动态画面质量极高;使用温度范围广;抗震能力强等优点。并且由于其全固态的结构,以及有机材料的机械特性,使得OLED在柔性显示方面更具有得天独厚的优势。


OLED显示依据驱动方式不同,分为无源驱动OLED(PMOLED)和有源驱动OLED(AMOLED)两类。与PMOLED相比,AMOLED具有更多的优势,表1对它们进行了比较。从表1中可以看出,AMOLED能完全发挥OLED显示的优势,具有更大的应用领域。近年的市场调查反应出,虽然OLED显示的市场的快速增长,而PMOLED的市场却在缩小。



与TFT-LCD的原理近似,AMOLED显示是利用对应每一个像素的薄膜晶体管(TFT)电路来控制作为像素的OLED单元发光,不同的是,AMOLED是通过控制流过OLED单元的电流,因而对驱动像素的背板有着不同要求。对于AMOLED显示来说,其驱动背板首先要求其上的TFT电路具有较大的电流通过能力,反映到TFT上,即要求TFT的沟道具有较高的载流子迁移率,通常认为需要达到5cm2/Vs以上,而且为保证对显示效果的控制还要求在背板上不同区域内像素的TFT的特性具有相当的一致性和稳定性。此外从生产制造,成本等方面对TFT背板的制程工艺有着不同的要求。也正因为这些原因,使得AMOLED的驱动背板技术成为OLED器件技术外另一大难点,其难度远超过TFT-LCD的非晶硅TFT背板技术,AMOLED驱动背板技术的研发是当前AMOLED技术研发中最重要的方向。


可满足AMOLED显示的TFT背板技术包括硅基TFT和非硅基的新TFT技术,其中硅基TFT中的低温多晶硅(LTPS)技术是目前最为成熟的,唯一用于量产的AMOLED用TFT背板技术。表2列出了一些可用于AMOLED的TFT背板技术。


 


在硅基背板技术中,非晶硅背板技术已经成熟地用于液晶显示中,其制造工艺相对简单,通过化学气相沉积可在10世代的玻璃基板上制造,但是非晶硅TFT的沟道载流子迁移率较低,通常低于1cm2/Vs,并且TFT的稳定性较差,表现为TFT的阈值电压Vth有较大的漂移,尤其是驱动OLED单元,工作在较大的沟道电流时。虽然通过TFT的制造工艺改善,以及驱动背板、像素结构和TFT驱动电路的设计,可以提高稳定性,但是仍不能完全满足AMOLED显示的需求。


为提高TFT的沟道载流子迁移率,对于硅基TFT来说,就需要提高沟道层硅材料的结晶程度。晶体硅具有很高的载流子迁移率,但是生长条件要求高,不适用于大规模和大尺寸的平板显示应用。而多晶硅具有较高的载流子迁移率,同时TFT的Vth漂移程度相对非晶硅也大大减小,也较为容易制造,因为更适合用于作为AMOLED显示的驱动背板。此外,迁移率高还可以减小TFT器件的尺寸同时保证一定的开态电流,提高像素的开口率,并且可以形成迁移率好的n型和p型沟道TFT,实现CMOS电路集成。


通常可以通过先生长非晶硅然后再晶化的方法得到晶粒尺寸较大的多晶硅膜其沟道载流子迁移率通常可达到150 cm2/Vs以上,完全满足驱动OLED单元的需求。最直接的结晶工艺就是热熔结晶,但是通常需要将非晶硅膜加热至700℃以上,采用这种方法的称为高温多晶硅技术,而通常的平板显示器件从成本考虑是做在玻璃基板上的,因而不能承受如此高的工艺温度,高温多晶硅技术用于制造TFT背板时,通常使用石英等耐高温基板,制造投影芯片等小尺寸高分辨率的显示。为了能使用大尺寸的低廉的玻璃基板,同时让基板上的硅膜能有较高的结晶程度,其它的一些结晶技术被开发出来,称为低温多晶硅技术。


低温多晶硅技术显著的特点是其结晶化工艺的温度低于600℃,按照引发硅结晶的方法或设备,主要分为固相晶化,激光晶化,和金属诱导晶化三类技术,此外,还有热等离子喷射晶化等一些更实验室化的,以及混合采用上述三种技术的多晶硅TFT技术。


固相晶化技术(SPC),在直接加热晶化的基础上,采用缩短加热时间,增加温度变化梯度,以及一些辅助外场手段,使得在较低的温度(600℃左右)下得到晶粒较大的多晶硅膜,通常的TFT沟道载流子迁移率在50cm2/Vs以上。典型的技术是LG Display开发的A-SPC技术,其技术特点是,使用快速热退火结晶的同时给硅膜施加一个磁场。SPC技术不需要增加昂贵和复杂的设备,对基板尺寸没有限制,并且随着平板显示用玻璃基板基础的发展,尤其是针对OLED显示器用的玻璃基板的耐高温程度得到很大的提高,SPC技术越来越被看好作为大尺寸AMOLED显示用的驱动背板技术方案之一。


激光晶化技术(LA),实是利用激光能量集中的特点,将激光照射到很小范围内的非晶硅快速熔融再结晶,从而使得基板无需承受太高的温度。最初使用的是在硅吸收率较高波段的准分子激光(Excimer),如XeCl激光,因此称为ELA技术,激光束通过光学系统扩至0.4mm宽的能量密度分布均匀长条型,在非晶硅膜上依次照射晶化。最终得到的多晶硅膜的TFT沟道迁移率可达到100cm2/Vs。目前的AMOLED产品基本上都是采用ELA技术。ELA技术需要昂贵的激光器、复杂的光学、机械系统,因此大大增加了制造成本,由于非晶硅膜是按区域(激光束尺寸有限)顺序晶化,不可避免地在两个晶化区域之间会有一个晶化程度不同的“接缝”,表现为载流子迁移率不同,TFT特性的不一致(不均匀)。并且这种不均匀性随着驱动背板的尺寸增加而放大,因此制造大尺寸背板时,难度较大。因此激光晶化技术难以用于5.5代以上的生产线,即使在5.5代以下的生产线,改善不均匀性仍旧是很大的难题。针对ELA的不足,从设备和工艺的不同角度开发出了不同的技术,如通过改善光学系统扩展激光束的TCZ技术,使用较为便宜的连续波二极管泵浦的固态激光器(CW-DPSS技术),以及采用多路二极管激光器的dLTA技术,也可用掩膜限制激光束的尺寸,保证激光束的能量密度空间均匀性,并配合基板移动来晶化非晶硅膜的方法,称为SLS (Sequential Lateral Solidification),大大提高了载流子迁移率,并配合背板及电路设计,改善了TFT不均匀性。


另外一种成熟的低温多晶硅技术,是金属诱导结晶法(MIC),即通过在非晶硅膜中因为某些金属原子,如Ni、Al, 形成晶核,然后非晶硅在较低的温度下围绕晶核形成较大颗粒的多晶硅膜,通常可达到30~50 cm2/Vs的迁移率。金属诱导技术无需昂贵的设备投入,基本上也不收基板尺寸的限制,并且可以通过控制结晶的方向实现更高的迁移率(如Super Grain Silicon技术)。但是金属诱导法在非晶硅中引入金属原子,虽然晶化后通过溶解,萃取等方法去除,仍有相当的浓度的残留,使得TFT沟道的关态电流较高,显示性能较差。而且由于金属原子导入以及扩散的方向不同,也可能会造成某些区域的迁移率和关态电流显著不同,带来整个背板上的TFT性能均匀性问题,当然通过TFT器件结构设计,可以进行改善。目前MIC技术是除了ELA技术外,用于量产的技术。


硅作为使用最广泛的半导体材料,已经成功地应用在AMOLED显示中,但是从上述介绍中可以看到即使是成功量产的LTPS背板技术仍有其局限,如大尺寸化困难,设备成本,产率,材料成本等,因此产业界在学术界研究的基础上积极开发性能更好的非硅基的TFT背板技术。


学术界对金属氧化物半导体开展了广泛的研究,以其硅半导体材料的廉价替代。目前在多元金属氧化物上取得较大进展,典型的材料体系为ZnO和In2O3系,其中基于n型的In-Ga-Zn-O (IGZO)半导体的TFT逐渐成熟应用于液晶和AMOLED显示。IGZO膜在非晶态也具有较高的迁移率, 10cm2/Vs, 易于采用通常的物理沉积方法生长,并且不收基板尺寸限制,在大面积上具有良好的TFT特性均匀性。同时透明及非晶态沟道,可以使其应用于一定程度的柔性和透明显示。但是由于其载流子为氧空位,因此在制造过程和工作状态下,易受影响,TFT特性稳定性存在一定问题,目前几乎所有一线平板显示制造企业针对这个问题的工艺和产品设计开发正在加紧进行中,这也是成为量产技术的最后一个难题。与此同时,在相同体系内的其它半导体材料也在开发中,一个方向是减少贵金属的使用,降低材料成本,另一个方向是采用更为便宜的制造工艺,如喷印技术。


随着OLED发展,有机半导体的研究也得到促进,使用有机半导体作为TFT沟道材料的开发也越来越收到关注,尤其是有机半导体与OLED,或者EPD结合,可以实现全固态的柔性化显示,给显示和制造技术带来翻天覆地的变化。目前用于TFT器件的有机半导体材料,载流子迁移率不到0.5 cm2/Vs,其中聚合物的迁移率更低一些。此外,用有机半导体做TFT的工艺与通常的TFT基本不同,因此在工艺开发以及器件设计上的工作也需大力开展。


AMOLED技术还在发展中,背板技术目前主要的发展方向就是解决大尺寸化,以及降低成本,同时向新显示技术的扩展也是重要的方向。表3中对目前可用于AMOLED驱动背板的技术进行了比较。



  AMOLED显示产品越来越多,占平板显示的市场越来越大(图1),据DisplaySearch的调查与预计,OLED显示占整个平板显示产品市场的比重在09年后将有一个加速增长。其中最主要的部分来自于AMOLED的增长。韩国,台湾的一线平板显示制造企业纷纷投入新线或者改造旧线进行AMOLED显示器的制造,国内企业也有类似的计划。但是从目前市场份额和技术开发程度来看,韩国企业一枝独秀,除了占据绝大部分AMOLED产品市场外,在成熟技术(ELA,MIC)的使用,以及新技术(IGZO)的研发上也大大领先于其它企业。但是AMOLED技术,尤其是TV技术,还在上升阶段的初期,国内企业与之的差距不过数年,如果此时追赶,抓住重点,加大投入力度,应很快缩小差距,在政府相关部门扶持及核心企业的努力下,从单一技术突破,以点带面并带动产业和产业链的发展也是极有可能成功的。



  京东方作为国内自主掌握TFT-LCD核心技术的显示领域领军企业,依靠自主创新、自主技术,不仅填补了中国大陆液晶显示产业的空白,而且利用京东方在TFT方面的技术积累和产业化优势,整合资源,通过公司技术研发中心及国家工程实验室2.5代LTPS(低温多晶硅)实验线设立相关研发项目组,开展了多个技术方向的AM-OLED背板关键技术研发课题。同时,京东方与电子科技大学联手,在成都合作共建了OLED联合实验室,着力打造OLED新型显示技术创新平台。该联合实验室也是目前国内惟一配备有机无机复合薄膜封装设备的OLED实验室,硬件设施在国内同类研发机构中处于一流水平,具备OLED及柔性显示等前沿技术的研发能力,该实验室将成为京东方着力打造OLED显示技术研发和人才培养的又一平台。目前,依托成都TFT-LCD4.5代线,京东方已开始AM-OLED的产品生产与市场布局,积极推进AM-OLED高世代线的规划,努力推动国内OLED等新型显示关键技术的自主研发能力和产业化建设。



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