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半导体

王磊:透明氧化物半导体TFT及其在AMOLED中的应用


 广州新视界光电科技有限公司副总经理 王磊


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(Organic Light-Emitting Diode)显示具有节能低耗、响应速度快、视角宽、温度适应性强、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,被公认为是继LCD、PDP之后的最理想和最具发展前景的新一代显示技术。


自从先锋公司1997年推出第一款OLED产品,并将其用在汽车音响上开始,OLED产品在MP3、MP4、手机等小尺寸显示领域得到迅猛发展。特别是2007年,索尼公司推出世界上第一款商品化的11寸OLED电视,标志着OLED产品开始向中大尺寸市场迈进。OLED产品以其绚丽的色彩表现能力,带给人们完全不同的视觉感受,正在逐渐走进我们的生活。作为一种新型显示技术,OLED产业目前正在由大规模产业化的初期向中期迈进,从现在到2014年将是AMOLED实现跨越式发展的阶段。


OLED是电流驱动型器件,由TFT(Thin Film Transistor)驱动的OLED称为AMOLED(Active Matrix OLED),其结构如图1所示。TFT基板驱动OLED面板发光,每个OLED像素由对应的TFT控制,在配合外围驱动电路,实现图像显示。在这里,TFT是控制发光的开关,是实现AMOLED大尺寸化的关键,因此,TFT基板技术非常重要,直接关系AMOLED产业的发展方向。



 图1. AMOLED基本结构


为了实现大面积AMOLED(Active Matrix OLED)显示,需要TFT的迁移率至少在1 cm2/V·s以上,迁移率越高,TFT器件就可以做得越小,显示屏的分辨率就可以做的越大,显示效果越好。金属氧化物TFT的迁移率相对较高,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,对制备3D和高分辨率显示屏有市场前景,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。


1. 透明金属氧化物及其TFT基板


特点


透明金属氧化物半导体的导带是由金属离子的S轨道交叠而成,晶型(多晶还是非晶)对迁移率的影响不大,即使非晶也能达到高的迁移率(1-10cm2/ V·s)。共价键结构的Si基TFT,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的迁移率可以相差2个数量级。因而人们用大力气提高晶化率,这使的工艺更加复杂。这些都说明氧化物TFT具有极强的竞争力,甚至有可能取代当前的主流技术硅基TFT技术。使得一直困扰着由于使用低温多晶硅TFT而使成本居高不下的AM-OLED得到了发展的转机。使它不仅在性能上优于LCD而且在成本上也可以低于LCD。从而进入发展的主流。


一般制备TFT驱动基板的透明金属氧化物材料为IGZO,由In2O3、Ga2O3和ZnO构成,禁带宽度在3.5 eV左右,是一种N型半导体材料。In2O3中的In3+可以形成(4d)10(5S)0电子轨道,有利于电子的高速输运;Ga2O3有很强的离子键,可以抑制氧缺位的产生;ZnO中的Zn2+可以形成稳定的四面体结构,可以使金属氧化物IGZO形成稳定的非晶结构。因此,金属氧化物IGZO适用于制备高迁移率的TFT基板。利用IGZO制备的TFT基板在可见光下具有较好的稳定性。当被波长大于420nm的光照射时,TFT基板的IV特性非常稳定,用于OLED主动驱动上,可以解决开口率问题。但是当被波长低于420nm的紫外光照射时,TFT基板的IV特性曲线开始大幅度漂移,变得很不稳定,主要是由于紫外光的能量高于IGZO的禁带宽度所致。


IGZO制备的TFT基板在空气中稳定性较差,对氧气和水蒸气比较敏感。主要是因为氧气和水蒸气可以透过IGZO上面的保护层,使非晶金属氧化物IGZO性能恶化,因此,需要在IGZO上制备高质量的保护膜,以提高TFT基板的稳定性。


另外,IGZO TFT具有较好的弯曲性能,并且工艺温度低,可以用来制作柔性基板,同时具有良好的电学性能和稳定性,在未来的柔性显示市场具有良好的发展前景。


结构和工艺


目前,比较流行的IGZO TFT基板的结构为刻蚀阻挡型(Etch Stopper Type),其结构如图2所示,该结构为三星SDI采用的结构。



 图2. IGZO TFT的典型结构


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。但是,该结构需要增加一次光刻工艺,导致工艺变得相对复杂。用来制作刻蚀阻挡层的材料一般是SiNx或者SiOx。2008年,三星公布了一款采用刻蚀阻挡层开发的12.1英寸WXGA AMOLED显示屏,如图3,表现了良好的显示性能。



 图3. 基于 IGZO TFT基板的12.1″ WXGA AMOLED显示屏(三星SDI,SID2008)


制备IGZO TFT基板的所有成膜工艺,均可采用磁控溅射的方法来制备,这种工艺稳定性好,同时也可以与目前制备LCD面板的溅射设备兼容,因此有利于产业的升级或者转移。IGZO膜非常容易采用湿法刻蚀工艺来进行图案化,图案质量较好。根据IGZO薄膜的结构以及源漏电极材料,可以选择不同的刻蚀液。


TFT基板的性能直接决定AMOLED显示的质量,提高IGZO TFT基板性能的方法主要有:优化TFT结构设计、改善IGZO成膜条件和界面处理方式、改善栅绝缘层、对IGZO膜进行保护以及对TFT基板进行退火处理等。一般来说,栅极绝缘层表面粗糙度越低、表面态越少、成膜质量越高,则TFT性能越好。IGZO保护等可以有效阻挡外界氧气和水分子对IGZO膜的影响,从而提高TFT性能。当然,最关键的还是提高IGZO薄膜本身的质量,可以通过在沉积过程中通入氧气的方式来制备高质量的IGZO薄膜。


2. 广州新视界光电科技有限公司金属氧化物TFT基板技术研发进展


广州新视界光电科技有限公司是深圳创维集团与华南理工大学成立的合资公司,开发基于IGZO的TFT基板技术,取得了一些进展,已经建成8英寸(边长200mm×200mm)TFT基板中试试验线,拥有较好的设备条件,目前,试验线已经打通了金属氧化物TFT基板的工艺流程,设计制备了1英寸、2.2英寸、以及7英寸3个系列的TFT基板,实现了AMOLED的视频显示。


广州新视界光电科技有限公司开发的金属氧化物TFT基板,技术指标可以与其他公司报道的技术指标相当,具有一定的生产潜力。


在过去的几年中,人们通过不断改善IGZO TFT的结构、优化薄膜的质量、改善绝缘层与IGZO的界面以及退火条件等,持续提升了IGZO TFT的性能。随着2010年底, AUO和三星SDI分别推出65英寸和70英寸的IGZO-TFT面板,并成功用于驱动液晶显示,基于金属氧化物材料的大尺寸IGZO-TFT背板技术获得重大突破。该大尺寸氧化物TFT背板采用第7代生产线试制成功,标志着高世代金属氧化物TFT背板具有广阔的产业前景。



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