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TFT技术及其发展

导读: 一、TFT简介 TFT是薄膜晶体管(Thin Film Transistor)英文首字母的简写形式。它具有晶体管的“有源性(开关、放大)”和“薄膜”的“薄”的双重特性,与平板显示屏(例如LCD、OLED等)组合,构成当今的平板电视(TFT-LCD、TFT-OLED),TFT是其中关键核心部件之一。

                                                      彭俊彪(华南理工大学)

一、TFT简介
TFT是薄膜晶体管(Thin Film Transistor)英文首字母的简写形式。它具有晶体管的“有源性(开关、放大)”和“薄膜”的“薄”的双重特性,与平板显示屏(例如LCDOLED等)组合,构成当今的平板电视(TFT-LCD、TFT-OLED),TFT是其中关键核心部件之一。
   
通常TFT有源材料是硅薄膜,根据硅薄膜结构不同,晶体管分为非晶硅TFT(a-Si TFT)、多晶硅(p-Si TFT)和单晶硅MOSFET(c-Si MOSFET)。此外采用有机材料制备的TFT,称为有机TFT(或者OTFT)。

薄膜晶体管自上世纪60年代发明开始, 已经得到了非常广泛的推广和应用, 发展速度之快超乎想象。从非晶硅TFT 到多晶硅TFT, 从高温多晶硅TFT 到低温多晶硅TFT, 技术越来越成熟, 应用的对象也从只是驱动LCD 发展到既可以驱动LCD 也可以驱动OLED、甚至电子纸。随着半导体工艺的水平的不断提高,像素尺寸不断减小, 显示屏的分辨率也越来越高。
   
TFT寻址的液晶显示器以其大容量、高清晰度和全彩色的视频显示成为液晶乃至整个平板显示的主导技术,相关的高技术产业也成为目前的主要投资方向。TFT制造技术在以其寻址的液晶显示器中处于关键地位,它的研发历来是研究中的重点。

二、显示器的驱动方式
  
无论是液晶显示还是OLED显示都分为主动显示和被动显示两大类。对于   LCD显示,分成 无源(被动)驱动显示LCD,如:Color-STN-LCD显示器,STN-LCD,TN-LCD等;有源(主动)驱动显示LCD,如:TFT-LCD。对于OLED显示,分成 无源(被动)驱动显示OLED(PMOLED)和 有源(主动)驱动显示OLED(AMOLED)。
   
无源(被动)驱动显示OLED或LCD通常只能同时显示200行以下,因此要显示更多的行数以达到高清晰度,就要采用有源(主动)驱动显示方式,即TFT-LCD、AMOLED。有源(主动)驱动显示方式包含TFT制作技术。

三、TFT薄膜技术
1.非晶硅薄膜。
非晶硅薄膜晶体管技术是70年代提出的。经过各国科学家近30年的不懈努力, 如今第七代以上液晶显示器(LCD)生产线已全部实现自动化,工业生产技术相当成熟。已经发展成为当今世界液晶显示器的主流产品,未来发展的目标是更大的屏幕尺寸和更低的生产成本。非晶硅TFT技术,其优点是制备工艺成熟,相对简单,成品率高,适合于大面积生产。其缺点是TFT只有N型器件,迁移率只有0.5-1.0cm2/Vs。因此,采用非晶硅TFT工艺,很难制备高性能、全集成的超薄型结构紧凑的显示器模块。非晶硅TFT技术不能用于高分辨率的有源驱动OLED显示屏

2.多晶硅薄膜(poly-Si)。多晶硅薄膜工艺主要分为两大类:
(1)高温工艺,指整个加工过程中温度高于900℃。高温工艺只能以昂贵的石英为衬底,TFT性能好,高温工艺只适用于中小尺寸的显示屏或投影屏系列。

(2)低温工艺,整个加工过程中温度低于600℃。采用低温工艺可在廉价玻璃衬底上制作较大的显示屏。低温多晶硅(LTPS)TFT由于其低功耗、轻便、薄型、提供大电流和系统集成性而被广泛地应用于有源(主动)驱动显示TFT-LCD和AMOLED中。多晶硅TFT的工艺关键是如何低成本地、大面积制备优良的多晶硅薄膜。目前,制备多晶硅材料的方法有快速退火(RTA)、准分子激光晶化(ELC)、固相晶化(SPC)、连续横向晶化(SLS)和金属诱导低温多晶硅 (MIC)技术等。

低温多晶硅LTPS TFT技术可完全解决非晶硅TFT技术不能解决的问题。特别是2000 年以后,由于a-Si TFT产能过剩,日、韩、台厂商积极投入LTPS TFT,才使LTPS TFT在未来数年内有了更多的发展机会。特别是最近中小尺寸面板市场的快速增长,多晶硅TFT发展开始步入黄金时期。LTPS TFT很早就被视为下一代LCD必备的技术。
    
3.有机薄膜TFT。有机TFT的出现,将对现有非晶硅TFT形成有力的竞争是不言而喻的。它将是新一代柔性显示的核心技术,使用柔性显示技术制造的显示屏可以像画布一样卷曲,并可能像液晶显示器一样成为未来显示器世界的重要一员。
    
由于使用有机材料,具有可弯曲显示的特点,因此不但耐冲击,而且重量轻、体积小。不仅改变了显示器的外观,应用环境也因此大为扩展且多样化。采用类似于报纸印刷工艺的卷带工艺将显示器印刷在塑料薄膜片上,可极大地降低生产成本。
国际上开展OTFT研究已近20年,但如何设计与加工高性能的器件、如何降低加工成本、如何合成兼具高迁移率与环境稳定性的有机半导体材料等,一直是研究和技术瓶颈,目前尚没有取得实质性突破。就整体而言,国际上在柔性电子领域的研究尚处在起步阶段,拥有极大的技术突破和专利申请空间。

四、TFT显示器的应用(主要是下面的四大类)
1.  便携式显示:可视频移动电话、可视频PDA、可视频电子书等;
2. 车载显示:GPS、安全驾驶显示、多媒体显示等;
3. 计算机显示:笔记本电脑、监视器等;
4.家电和办公室显示:电视、互联网络终端、电子报纸等。

总之,TFT技术在平板显示产业中处于核心地位,具有资金密集、人才密集、技术密集的特点,面板产值高,产业集聚效应明显。TFT技术虽然成熟,还在迅速发展中,通过改善薄膜材料和制备工艺还有不断降低生产成本的空间,同时提高面板性能。

 

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