综述:低温多晶硅技术
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摘 要:低温多晶硅技术是有源矩阵LCD领域的一项关键技术,它的未来会怎样,而目前它是否又得到了充分应用呢?此文章将解答这些问题。
关键词: 非晶硅;多晶硅;低温多晶硅
中图分类号:TN141.9 文献标识码:B
Overview: Low-Temperature Polysilicon
Jenny Donelan
(Information Display Magazine)
Abstract: Low-temperature-polysilicon(LTPS) technology is an important part of the active- matrix-LCD manufacturing environment. Will its role expand or has it found its niche?
Keywords: amorphous silicon(a-Si); polysilicon;low temperature polysilicon(LTPS)
引 言
低温多晶硅作为LCD显示领域新一代的技术,从开发至今已有十年的历史,利用该技术的LCD具有更快的响应速度和更高的分辨率。虽然LTPS技术产生至今,并未完全取代技术方面的宿敌――非晶硅(amorphous-silicon,a-Si)技术,但它迅速发展,已在整个LCD领域中占有举足轻重的市场份额。本文将为您介绍LTPS的工作原理以及该技术目前的发展状况,并分析现在和将来它如何应对LCD显示领域所面临的各种挑战。
1前途光明的LTPS技术
基于LTPS技术的有源矩阵LCD比基于a-Si技术的显示器更快,这里的“快”是形容寻址速度,这里包含了这么几个问题:显示系统能在多短的时间内寻找到某个特定的像素点并驱动它,而后,同样的动作又能在多短的时间内传递到下一个发光点?所有这些在平板显示设计中的细节都会影响到最终器件的帧频、分辨率以及驱动的复杂度。相比而言,LTPS技术具有以下特殊优势:集成性好、更小的晶体管规模、更低的驱动功率、更加耐用。需要着重指出的是,上述优势无论在微型还是大型化显示的发展中都会表现得尤为突出:基于LTPS,我们可以开发像素点尺寸更小的元件,或者开发响应速度更快的设备,再或者开发功耗更低的器件,而上述三种设计思路可以是相互独立的。
LTPS技术之所以如此强势,是由于相比a-Si而言,它具有更高的电子迁移率,这与多晶硅更加优化的晶格结构有关。对于非晶硅而言,其晶格结构是无序的,晶格在随机方向延伸,这种无序结构阻碍了电子的顺利输运。而在多晶硅内部,电子可以在有序的晶格体系中更为高效的传导。而且,利用LTPS技术,驱动系统可以直接集成在玻璃基板上,而不需要在基板底部额外附加驱动模块,这是a-Si无法做到的。
LTPS技术具有良好集成性的关键在于,基于该技术,驱动电路与显示器件可以整合为一体。由于较低的电子迁移率,基于a-Si的显示器件需要扩展一个额外的制备在传统硅基上的驱动单元。虽然少数情况下驱动芯片可以不需要分立的PC板而直接制备在玻璃基板上,但这种驱动方式还是需要设计出外部的连接点。因此,设计者将不得不围绕平板显示器的边沿设计一圈印刷电路(printed circuit boards,PCBs),用以安放独立的逻辑驱动芯片,这种设计使得显示器显得笨重,且成本增加。采用LTPS技术则会使平板显示具有更小的体积和精细高效的布局。如图1所示,LTPS显示器具有更纤细的外部轮廓。
LTPS技术可以使晶体管设计得更小型化,LTPS的高载流子迁移率可以使每个亚像素晶体管单元都可能做得更小。高的迁移率使得在寻址时间给定的条件下晶体管尺寸可以更小,这个特性也可用于增加亚像素点的亮度孔径,例如提高显示屏上亚像素点区域内透明部分所占的面积比。这样就可以获得更高的透光率,从而使得显示器亮度更大,分辨率更高,同时功耗也更低。
LTPS另一个显著的优势在于,基于它的器件可以做到性能更可靠且耐用。因为驱动单元可以被直接集成在玻璃基板表面,传统显示技术中那些大量潜在的接触不良点就会有所减少,从而使得LCD屏的抗震抗冲击能力大大提高。
值得注意的是,当作为显示器背板使用时,LTPS技术可以很好地应用于AMOLED显示。Display-Search下属的显示技术研究中心主任Jennifer Colegrove 说,“有机发光二极管(OLED)是一种电流驱动型显示技术,器件工作需要优化的电流注入”,而这种技术的要求正好与LTPS的高电子迁移率不谋而合。
2 高温多晶硅与低温多晶硅
显示技术开发者将多晶硅应用于面板制作的初期,典型的做法是:先在石英基板上沉积一层硅,然后将之加热(在超过1000℃的条件下退火),当硅在高温下融化后,再使其冷却,这时硅便形成均匀有序的晶格结构,从而制备出性能高于非晶硅的石英半导体。这种制备多晶硅方法的缺点之一在于,只能制备8in大小的石英基样品,而且不能使用普通玻璃作为基板。不过,高温多晶硅(HTPS)仍有其使用价值,一些制造企业,如爱普生(Epson)等,就在利用这种技术开发高性能的显示面板。
上世纪九十年代后期,面板制造企业开始尝试采用较低温度的激光退火法来取代上述的高温热退火,对多晶硅技术加以改进。采用激光退火技术,可生产出更大面积的面板,同时也继承了多晶硅电子迁移率高的优势。而且,低温退火技术增加了显示基板的选择余地,玻璃乃至塑料都可以用作基底(玻璃基显示面板可承受500℃的温度,塑料基显示面板可承受200℃以下的温度)。
自1998年基于LTPS技术的产品问世以来,该类产品大多为各种手持设备。1999年,东芝公司了世界第一款4in、分辨率达到VGA级别的低温多晶硅LCD。现今,世界三大LTPS面板制造商分别为Vinita Jakhanwal、Principal Analyst以及Small/ Medium Displays,而世界三大LTPS显示市场研发型企业为夏普(Sharp)、Toshiba Mobile Display(TMD)以及TPO Displays。
3 LTPS的发展现状
Jakhanwal注意到,据有关调研部门报告显示,LTPS技术现已占有10in以下有源矩阵显示产品32%的市场份额,如图2所示。
虽然各种基于LTPS技术的大屏幕TFT显示产品已经推出,但这项技术真正发展还是在手持便携设备领域,这其中不仅包括笔记本电脑产品,也包括手机、数码照相机/摄像机等等(如图3所示)。Jakhanwal指出,在整个2009年,65%的移动通讯产品采用了LTPS显示技术。她继续指出,LTPS另一个主要的应用是各类数码照相机/摄像机(约占21%的市场份额)以及手持多媒体播放器(约占11%的市场份额)。
LTPS显示在手机产品中的广泛应用是情理之中的事,因为消费者希望手机能显示更多的信息量。“市场对手机显示性能的要求正在成为高分辨率显示技术的巨大挑战”,Toshiba America Electronic Components, Inc.的LCD项目开发部主任Steven Vrablik如是说。前文曾提到,LTPS非常适合于制备高分辨率显示器。Varblik指出,在2008年,基于TMD生产的3in WVGA级显示屏的手机只在日本市场可以见到,但现如今,此类高分辨率产品正变得随处可见,“这便说明了一切”。然而,并非所有LTPS显示屏都是小型化的,在2004年,TMD曾推出一款32in的面板,而目前最受关注的大尺寸产品是用于笔记本电脑的15.4in显示面板。
4 LTPS技术的缺陷及挑战
虽然LTPS是一项很有价值的技术,但它并不足以取代采用a-Si技术的TFT。其中一个原因用Colegrove的话说就是“相对而言,它还是太贵了”。退火工艺是增加LTPS产品成本的一个原因,激光设备本身造价就很昂贵,而且退火过程还需要耗费额外的时间成本。总的来看,无论是生产过程也罢,生产线的维修维护也罢,还是现有生产线的升级换代也罢,都不是轻而易举就能实现的。而生产规模大小带来的问题也会凸显――原则上一个企业的生产规模越大,因规模扩大所引起的成本下降也就越明显,然而,要做到大规模生产投入,首先得对这项技术的长远生命力具有足够的信心。
东芝公司的Vrablik说,TMD已经能够通过某些方面的成本控制弥补LTPS项目造成的损失。TMD 2002年在新加坡创立了AFPD,它承载着当时全球最大的LTPS TFT-LCD生产计划。2006年,该企业又宣布斥资约2.7亿美元建设一条新的生产线,用以支持旗下Ishikawa Works生产LTPS LCD面板。
5 LTPS的发展前景
如前文所述,LTPS另一个有前景的重要应用是作AMOLED产品的背板。借用Colegrove的话“如今,所有的AMOLED产品都采用LTPS背板”。三星公司是AMOLED领域的重要企业,2007年SDI Samsung 推出了一款31in基于LTPS背板的OLED平板显示器;2008年,三星又在FPD International上展示了一款40in的样机;2009年,三星更是推出了一款21in的OLED电视机,对比度可达1,000,000:1。
LTPS产业在今后几年的前景如何呢?Jakhanwal着重关注的是其现有的市场份额:“LTPS产业发展得非常健康”,她接着说,“它一定会获得巨大的发展”。LTPS最终会不会在市场上淘汰a-Si产品呢?或许不会,Colegrove认为:“我们可以预见它会极大的发展,但总归会有个极限,目前在整个TFT市场上,LTPS的占有率仅仅是a-Si产品的3%,今后几年也不会增加太多”。而将来在某些方面可以替代a-Si的技术,“除了LTPS之外,我还关注其它一些技术,如oxide-TFT等”,Colegrove最后说道。
作者简介:Jenny Donelan,《Information Display》杂志社主编,E-mail:。
(北京交通大学 张晓晋
译自《Information Display》 12/09)