总览AMOLED的TFT背板技术特点

薄膜晶体管（Thin-Film Transistors，TFTs）是半导体工业中最基础、最重要的三端电子元器件，已在平板显示、射频标签等消费类产品中广泛应用。

薄膜晶体管（Thin- Film transistors,TFT）是场效应晶体管的一种，其制作方法是在衬底基板上沉积各种功能薄膜叠加而成，如绝缘层、半导体有源层及金属电极层。

TFT也是目前AM-LCD及AM-OLED显示技术中最重要也是最基础的驱动器件。

AMOLED的显示驱动技术中，2T1C（ two tansistors and one capacitor）的像素结构是实现OLED驱动显示的最基本的组成部分。

这两个TFT分别称为开关管（Swiching TFT）和驱动管（Driving TFT）：

• 开关管用于寻址作用；

• 驱动管用于控制亮度与灰阶；

从实际发挥的功能来看，

• 开关管必须要求有较大电流开关比，才能快速实现开关的作用和功能；
  

• 驱动管必须要求能提供足够大的电流，才能有效地使OLED的显示发光达到可实际应用的亮度。

当前的产业研究中，TFT背板技术大致可为三大类：

传统硅基TFT、有机材料TFT和氧化物TFT。

下面我们将概述各类TFT背板技术的特点。

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硅基TFT背板技术

半导体硅材料的出现，引发了电子器件的技术革命。

它被普遍认为是最主要的一种元素半导体材料，其中包括多晶硅、多晶硅、微晶硅、单晶硅、硅片及硅外延片等，它们均可直接或间接用于制备半导体器件，例如电子晶体管器件以及薄膜晶体管器件。

我们着重讨论工艺发展相对成熟的非晶硅TFT、多晶硅TFT及微晶硅TFT背板技术的特点。

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非晶硅TFT背板技术

非晶硅材料具有连续无规的网络结构，其中最近邻原子配位数和结晶硅一致，为共价键的键合形式，具有短程有序的特点。

由于非晶硅材料具有独立的价带和导带，因而决定了其具有典型的半导体特性。

由于氢化非晶硅具有非晶态、无晶界、均匀性好的特点，且制备成本较低，人们普遍认为较适合于驱动LCD显示屏。

然而，氢化非晶硅材料的迁移率较低则阻碍了其进一步的可能发展，因为OLED一般都需要较大电流驱动。

此外，氢化非晶硅TFT器件的稳定性较差，这些均决定了氢化非晶硅TFT难以在OLED显示屏中得到更为广泛的应用.

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多晶硅TFT背板技术

寻找高迁移率的有源层材料，从而代替低迁移率较的非晶硅材料，是硅基技术发展的需要，也是必经阶段之一。

在多晶硅技术应用于显示面板的初期，为了将玻璃基板中的非晶硅结构转变成多晶硅结构，须采用激光退火、高温氧化的工艺来实现皛体结构转变，由于此工艺中的温度达到1000℃以上，超出了普通玻璃的熔融转变温度，使得普通玻璃基板无法满足需求。

因此，可否实现低温多晶硅TFT技术成为当时研究工作的技术瓶颈。 

Toshiba公司Oana等人在1984年率先报道了在玻璃衬底上制备的LTPS-TFTS，但关态电流高达100pA。

随着制备技术的不断成熟化，金属诱导晶化快速退火晶化以及激光晶化等低温晶化技术也不断涌现。

为满足低的基板温度和液晶显示器的窄边框，以及髙响应速度、高分辨率、高开口率、高电子迁移率的性能要求，低温多晶硅技术（LTPS）开始逐步进入市场。

低温多晶硅制备工艺主要是通过准分子激光技术对玻璃基板表面沉积的非皛硅进行结晶化处理，进而使其形成多晶硅结构在实现高迁移率的过程中会有结晶化阶段和晶格修复的阶段2次高温制程。

在激光晶化的过程中，由于制程温度高，使得晶粒收缩形成凸起，此会造成像素点的亮点和暗点等缺陷。

另外，为了使多晶硅具有半导体开关特性，需要进行离子注入由于高能粒子的注入会破坏晶格，因此需要通过高温退火来修复晶格。

一般采用的退火温度为450℃~600℃，退火制程被认为是低温多晶硅技术的关键制程，

即使经历退火制程也不能完全消除玻璃基板內部的残余应力，因此，受残余应力分布不均的影响，玻璃基板会产生微小的形变，对成盒对组精度造成影响。

LTPS技术不仅突破了传统技术的温度限制，将非晶硅薄膜变为多晶硅，从而将电子迁移率从0.5cm²/V·s提高到80cm²/V·s以上，具备更优异的性能。

该技术最初是应用于高像素密度LCD的TFT制造，在OLED领域，经过多年的生产运营和改进，以及相关设备的改善和产业链的完善，在中小尺寸显示屏领域的生产技术和应用技术已经完全成熟。

低温多晶硅技术在中小尺寸OLED领域占据绝对优势，日前世界上大规模量产手机用 AMOLED显示屏的生产线全部采用低温多晶硅技术。

但这种晶化方式均难以摆脱多晶硅TFT背板技术的工艺制造成本高的困境。

而多晶硅TFT背板的均匀性较差，这是由于多晶硅材料自身存在较多的晶界，晶粒形状及晶粒大小的分布也不均匀，生产工艺比较复杂，受激光晶化工艺限制，大尺寸化生产较困难。

这些因素无疑限制了多晶硅TFT背板技术的进一步应用。

目前该技术只能应用在6代及以下的OLED面板生产线，但是在应用于8.5代OLED面板生产线方面的研发进展一直比较滞后，未来能否实现量产尚不明朗中。

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微晶硅TFT背板技术

微晶硅（ Microcrystalline silicon，μ-Si）曾被认为是综合非晶硅与多晶硅材料特性的种硅基技术。

微晶硅TT器件的迁移率一般为1-10cm²V^-1s^-1，这满足了驱动OLED发光的需要。

但器件显示效果相对较差，工艺重复性欠缺，目前选择微晶硅技术作为硏究方向的面板商仍然较少列。

而通过对以上几种硅基TFT技术比较，我们可以看出LTPS技术主要的优点是器件迁移率高，目前的良品率较好，生产成熟度高，缺点是工艺成本高，大面积均匀性较差。

微晶硅和非晶硅TFT技术则相对简单，且能兼容LCD生产线的工艺制程，易于实现大面积的均匀性，然而TFT器件的迁移率低，无法提供OLED驱动模式所需要的大电流，难以获得高规格显示的OLED显示屏，而一般只适用于LCD显示领域。

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有机材料TFT背板技术

如前所述，传统硅基材料作为经典的无机材料，人们对它的认识最为广泛也最为全面。

而有机材料TFT（ Organic TFT,oTFT）背板技术的出现，改变了人们对有源层薄膜材料的认识。

随着越来越多高性能有机半导体材料的合成，人们对OTFT的硏究更加深入，也获得了很多实质性的进展。

Tsumura等人在1986年首先报道了OTFT的研究进展，以聚噻吩作为有机物半导体有源层材料的器件迁移率仅有10^-15cm²/V·s，开关电流比较小，性能上自然无法与无机材料TFT相比，但是它为后续OTFT的研究提供了非常重要的参考意义。

Garnier等人在1994年更是利用油墨打印的方法成功制备了全聚合物结构的OTFT，器件空穴迁移率达到了0.06cm²/V·s。

因而，OTFT的产业化发展将是一种尝试。

Haddon等人在1995年则报道了用C₆₀作为半导体材料的n沟道OTFT，器件电子迁移率为0.08cm²/V·s，开关电流比达到10⁶，这丰富了有机半导体的材料体系。

然而实用型的有机TFT在迁移率、稳定性方面依然较差，目前对它的研究还不成熟，而进行的基础性研究工作还处于初级阶段，产业化发展的道路相对漫长。

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金属氧化物TFT背板技术

ZnO是最初开始发展的一种氧化物半导体，但由于ZnO本身具有氧空位和锌间隙的特点，导致其载流子浓度较高（>10¹⁷cm^-3），同时以ZnO作为有源层沟道材料的TFT器件其阈值电压也难于控制。

况且室温条件下生长的ZnO薄膜一般呈现多晶结构，薄膜大面积均匀性不太理想，这直接导致过去的氧化物半导体发展较为缓慢。

然而，近年来金属氧化物TFT的发展则相当迅速。

Nomura等人在2003年为人们展示了单晶的IGZO-TFTs（ Indium gallium Zinc oxide,IGZO），研究发现该TFT具有常关的特性（ normally-off），这说明了在以氧化物作为沟道材料的TFT器件可以有效地控制沟道内的载流子浓度。

紧接着2004年， nomura等人则报导了第一个非晶IGZO-TFTs，而a-GZO-TFTs以其大面积均匀性好、迁移率较高及成本低等优点，为人们展示了良好的应用前景。

2008年以来，关于金属氧化物TFT的研究更是进入了前所未有的阶段，很多科研工作者均开始致力于金属氧化物TFT的研究，而取得的成果则非常显著。

2011年，不少面板商和硏发机枃陆续推出基于氧化物薄膜晶体管背板技术的展示产品或商用产品。太平洋横滨会展中心举行的' FPD International2011”上，韩国LG公司展示了其采用IGZO-TFTs背板驱动技术的43英寸高精细液晶面板S，台湾友达光电也展出了基于氧化物半导体 IGZO-TFTS驱动有机EL面板32英寸电视开发产品。

目前IGZO金属氧化物TFT的电子迁移率可以到10~50cm2/v·s，虽然比低温多晶硅略低，但这个迁移率指标完全可以满足OLED的电流驱动需求。

金属氧化物技术TFT基板在加工过程中，可采用生产LCD常见的、成熟的大面积的溅镀成膜的方式，非常适合大尺寸显示面板线的生产。

金属氧化物技术的主要优点是制造工艺相对简单，可以与非晶硅TFI工艺、设备兼容；容易制备大面积均匀TFT阵列，适用于高世代线，能够有效驱动OLED。

其主要缺点是电学、光学性能的稳定性不高。

金属氧化物半导体THT的技术路线已被 LG Display公司成功应用于85代OLED面板生产线的量产。

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总结

从以上分析可知，非晶硅TFT器件迁移率较低，多晶硅TFT均匀性较差及成本高，而微晶硅TFT目前仍存在较大的工艺重复性问题，以上这些缺点都较大程度上限制了其在OLED中的实际应用。

有机TFT在器件迁移率及稳定性方面都较差，当前研究也不太成熟，而从它的有机物特性来看，它依然具有一定的潜力，目前依然需要投入大量的基础性研究工作。

金属氧化物TFT作为一种新型的背板技术，在近几年取得了突破性的研发成果，被视为硅基TFT背板技术的有力替代者。

金属氧化物薄膜晶体管低成本及高规格显示器中有明显的优势，促使众多面板商和研发人员加快氧化物TFT背板技术的研究进程。

对于可用于 AMOLED驱动的氧化物薄膜晶体管而言，当前TFT技术研究主要集中于：开发新型的半导体材料及提高薄膜晶体管器件材料及工艺制程的可靠性。

在金属氧化薄膜晶体管的硏究内容中，我们可以看到，目前大部分的工作正集中于探索金属氧化物薄膜晶体管器件工作稳定性的问题。

而器件稳定性无疑是评价TFT是否能应用到实际显示领域中重要衡量的指标和参数。

综观当前各面板商和科研机构的硏究工作和研究成果，不难发现非晶态氧化物半导体薄膜晶体管（AOS-TFIs）的不稳定性主要包括电学，光学和热学稳定性，

而不稳定性主要体现在当器件在复杂的环境下长时间持续工作时，TFT器件的阈值电压（ threshold voltage）漂移情况；

另外，更为关键的是造成器件不稳定性的影响因素往往是两个或多个条件共同作用的结果。

当前，各种解释阈值电压漂移的物理机制和物理模型已经被提出，主要工作也致力于解决氧化物薄膜晶体管的稳定性问题，从而希望获取高稳定性且可商用的氧化物薄膜晶体。