基於金屬氧化物的薄膜半導體及其在AMOLED上的應用
| 出自：戰略研究室
中國科學院上海微系統與信息技術研究所
一、AMOLED與薄膜晶體管
隨著智能手機的發展日新月異，消費者對於智能手機屏幕的要求越來越高，希望手機輕薄、可以彎曲顯示、功耗更低，於是AMOLED技術應運而生。目前國內外基於AMOLED技術的2大AMOLED屏生產商分別是國內的京東方和韓國的三星電子。2017年10月，京東方成都宣布第6代柔性AMOLED生產線實現量產，而第一條實現量產的生產線則來自面板大戶三星。下圖左為京東方的第六代柔性AMOLED屏，下圖右為三星S系列的曲面屏。
圖1：京東方柔性屏 (左) 和 三星電子S系列的曲面屏
AMOLED （Active-matrix organic light emitting diode）中文全稱是有源矩陣有機發光二極體或主動矩陣有機發光二極體，被稱為下一代顯示技術。AMOLED並沒有條狀的陽極和陰極，而是整層的陽極和陰極。它的特殊之處在於，在陽極和陰極中間多了一層薄膜晶體管陣列TFTA (Thin Fillm Transistor Array), 這一層TFT陣列的作用是控制上方像素的亮與暗，每一個像素的電流大小由TFT控制。下圖為AMOLED的標準結構。
圖2： AMOLED的標準結構
二、薄膜晶體管的組成
AMOLED中的薄膜晶體管陣列TFTA是控制像素髮光與變暗的關鍵電路。薄膜晶體管顧名思義，晶體管是由好幾層薄膜組成的。這裡舉氧化鋅薄膜晶體管的例子（圖3），介紹典型的薄膜晶體管的構成。
圖3：底層柵極的薄膜晶體管TFT的構成
薄膜晶體管的最下方是高度摻雜的硅襯底，導電率高，作為柵極。綠色的是二氧化硅，作為絕緣層。灰色的是半導體氧化鋅層，氧化鋅材料本身是N型半導體，當滿足一定的外加電壓條件會在半導體層與絕緣層的交界處形成從源極流向漏極的電流。薄膜晶體管的最上層是由金屬構成的源極和漏極。
上述闡述了TFT其實就是一個控制像素亮與暗的開關，從原理上來說TFT導通電流的大小取決了像素的亮與暗，而導通電流的大小又是由柵極電壓決定。下圖分析了導通電流與柵極電壓的關係。橫坐標是柵極電壓，縱坐標是流過源極漏極間的電流。當柵極電壓大於0V時，電流開始增大，直到大概2V時達到10mA（晶體管開）；當柵電壓0V時，電流只有1pA（晶體管關）。我們希望導通電流越大越好，比如100mA，1A；同時我們希望關閉電流越小越好，比如0.01pA，0.001pA。除此之外從關到開的斜率越大開關器件的敏感度越高。
圖4：薄膜晶體管中導通電流與柵極電壓間的關係
三、組成薄膜晶體管的主要金屬氧化物材料及特徵
文中第二部分介紹了組成AMOLED屏的薄膜晶體管TFT的構成，在TFT的結構中半導體層的材料選擇至關重要，直接關係到整個顯示屏的質量。目前市場化的半導體層材料多選用IGZO。IGZO的全稱是Indium Gallium Zinc Oxide, 中文名叫氧化銦鎵鋅。IGZO是一種新型半導體材料，有著比非晶硅(α-Si)更高的電子遷移率。IGZO用在新一代高性能薄膜晶體管TFT中作為溝道材料，能提高顯示面板解析度，並使得大屏幕OLED電視成為可能。隨著科研活動的深入，人們發現一系列的金屬氧化物有著類似的性能，因此統稱為Oxide TFT。由於夏普長時間對IGZO的宣傳以及人們先入為主的知識，很多人還是喜歡叫IGZO。本文不區分IGZO與Oxide TFT的區別，並且用IGZO統一指代。目前市場上大家熟悉的4k,5k高分辨顯示屏，還有Ipad都使用了該技術。
IGZO的發明人是東京工業大學教授細野秀雄（Hideo Hosono）。作為材料學家他2004年在《自然》雜誌上首次報道了柔性透明IGZO薄膜晶體管，載流子遷移率在10 cm2/Vs左右，引起了轟動。單晶硅的載流子遷移率在500 cm2/Vs以上，然而一旦把材料生長溫度降低，非晶硅(α-Si)的場效應遷移率最多只有1 cm2/Vs，有幾百倍的性能降低。之前科學家對於半導體的認識大多都是基於硅，認為低溫條件下生長的無定形金屬氧化物難以取得很好的性能，IGZO的發明打破了人們的偏見。
目前市場上成熟的技術是非晶硅以及低溫多晶硅（Low-Temperature Poly Silicon, LTPS）。由於玻璃面板只能承受350°C左右的處理溫度，無法在上面生長單晶硅，甚至無法生長多晶硅（600 ~ 1000°C）。一個妥協的做法是先使用低溫等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）生長非晶硅，然後採用激光退火的辦法，在很短的時間內提高薄膜溫度，重結晶得到多晶硅。這樣做出來的LTPS由於使用了激光，成本很高，同時薄膜均一性不佳，只能用在小的面板上（Gen 6）,進一步提高了成本。LTPS可以實現高達 100 cm2/Vs的載流子遷移率，因此目前用於高DPI的手機屏幕上。
圖5：α-Si, IGZO和LTPS TFT的轉移特性曲線
上圖是α-Si, IGZO和LTPS TFT的轉移特性曲線對比圖。從圖中我們可以看到，由於遷移率α-Si
表1：α-Si, LTPS和IGZO TFT綜合性能對比
上述是α-Si, LTPS和IGZO TFT綜合性能對比，IGZO的下一步研發還在繼續中。2016年國際顯示學會SID顯示周（Display Week）上，夏普發布了載流子遷移率高達65cm2/Vs的top-gate self-aligned結構的晶體管，這樣的性能已經接近LTPS，不僅可以用來控制像素點，還能在玻璃上直接用IGZO製造周邊驅動電路。不久的將來，或許IGZO能擊敗LTPS，一統江湖！
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