TFT技術(shù)及其發(fā)展

彭俊彪(華南理工大學(xué))

一、TFT簡(jiǎn)介
TFT是薄膜晶體管(Thin Film Transistor)英文首字母的簡(jiǎn)寫形式。它具有晶體管的“有源性(開關(guān)、放大)”和“薄膜”的“薄”的雙重特性，與平板顯示屏（例如LCD、OLED等）組合，構(gòu)成當(dāng)今的平板電視（TFT－LCD、TFT－OLED），TFT是其中關(guān)鍵核心部件之一。

通常TFT有源材料是硅薄膜，根據(jù)硅薄膜結(jié)構(gòu)不同，晶體管分為非晶硅TFT(a-Si TFT)、多晶硅(p-Si TFT)和單晶硅MOSFET(c-Si MOSFET)。此外采用有機(jī)材料制備的TFT，稱為有機(jī)TFT（或者OTFT）。

薄膜晶體管自上世紀(jì)60年代發(fā)明開始, 已經(jīng)得到了非常廣泛的推廣和應(yīng)用, 發(fā)展速度之快超乎想象。從非晶硅TFT 到多晶硅TFT, 從高溫多晶硅TFT 到低溫多晶硅TFT, 技術(shù)越來越成熟, 應(yīng)用的對(duì)象也從只是驅(qū)動(dòng)LCD 發(fā)展到既可以驅(qū)動(dòng)LCD 也可以驅(qū)動(dòng)OLED、甚至電子紙。隨著半導(dǎo)體工藝的水平的不斷提高，像素尺寸不斷減小, 顯示屏的分辨率也越來越高。

TFT尋址的液晶顯示器以其大容量、高清晰度和全彩色的視頻顯示成為液晶乃至整個(gè)平板顯示的主導(dǎo)技術(shù)，相關(guān)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)也成為目前的主要投資方向。TFT制造技術(shù)在以其尋址的液晶顯示器中處于關(guān)鍵地位，它的研發(fā)歷來是研究中的重點(diǎn)。

二、顯示器的驅(qū)動(dòng)方式

無論是液晶顯示還是OLED顯示都分為主動(dòng)顯示和被動(dòng)顯示兩大類。對(duì)于 LCD顯示，分成 無源（被動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示LCD，如：Color-STN-LCD顯示器，STN-LCD,TN-LCD等；有源（主動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示LCD，如：TFT－LCD。對(duì)于OLED顯示，分成 無源（被動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示OLED（PMOLED）和 有源（主動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示OLED（AMOLED）。

無源（被動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示OLED或LCD通常只能同時(shí)顯示200行以下，因此要顯示更多的行數(shù)以達(dá)到高清晰度，就要采用有源（主動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示方式，即TFT-LCD、AMOLED。有源（主動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示方式包含TFT制作技術(shù)。

三、TFT薄膜技術(shù)
1．非晶硅薄膜。非晶硅薄膜晶體管技術(shù)是70年代提出的。經(jīng)過各國(guó)科學(xué)家近30年的不懈努力， 如今第七代以上液晶顯示器（LCD）生產(chǎn)線已全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相當(dāng)成熟。已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今世界液晶顯示器的主流產(chǎn)品，未來發(fā)展的目標(biāo)是更大的屏幕尺寸和更低的生產(chǎn)成本。非晶硅TFT技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是制備工藝成熟，相對(duì)簡(jiǎn)單，成品率高，適合于大面積生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是TFT只有N型器件，遷移率只有0.5-1.0cm2/Vs。因此，采用非晶硅TFT工藝，很難制備高性能、全集成的超薄型結(jié)構(gòu)緊湊的顯示器模塊。非晶硅TFT技術(shù)不能用于高分辨率的有源驅(qū)動(dòng)OLED顯示屏。

2．多晶硅薄膜（poly-Si）。多晶硅薄膜工藝主要分為兩大類：
（1）高溫工藝，指整個(gè)加工過程中溫度高于900℃。高溫工藝只能以昂貴的石英為襯底，TFT性能好，高溫工藝只適用于中小尺寸的顯示屏或投影屏系列。

（2）低溫工藝，整個(gè)加工過程中溫度低于600℃。采用低溫工藝可在廉價(jià)玻璃襯底上制作較大的顯示屏。低溫多晶硅(LTPS)TFT由于其低功耗、輕便、薄型、提供大電流和系統(tǒng)集成性而被廣泛地應(yīng)用于有源（主動(dòng)）驅(qū)動(dòng)顯示TFT－LCD和AMOLED中。多晶硅TFT的工藝關(guān)鍵是如何低成本地、大面積制備優(yōu)良的多晶硅薄膜。目前，制備多晶硅材料的方法有快速退火(RTA)、準(zhǔn)分子激光晶化(ELC)、固相晶化(SPC)、連續(xù)橫向晶化(SLS)和金屬誘導(dǎo)低溫多晶硅 (MIC)技術(shù)等。

低溫多晶硅LTPS TFT技術(shù)可完全解決非晶硅TFT技術(shù)不能解決的問題。特別是2000 年以后，由于a-Si TFT產(chǎn)能過剩，日、韓、臺(tái)廠商積極投入LTPS TFT，才使LTPS TFT在未來數(shù)年內(nèi)有了更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。特別是最近中小尺寸面板市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，多晶硅TFT發(fā)展開始步入黃金時(shí)期。LTPS TFT很早就被視為下一代LCD必備的技術(shù)。

3．有機(jī)薄膜TFT。有機(jī)TFT的出現(xiàn)，將對(duì)現(xiàn)有非晶硅TFT形成有力的競(jìng)爭(zhēng)是不言而喻的。它將是新一代柔性顯示的核心技術(shù)，使用柔性顯示技術(shù)制造的顯示屏可以像畫布一樣卷曲，并可能像液晶顯示器一樣成為未來顯示器世界的重要一員。

由于使用有機(jī)材料，具有可彎曲顯示的特點(diǎn)，因此不但耐沖擊，而且重量輕、體積小。不僅改變了顯示器的外觀，應(yīng)用環(huán)境也因此大為擴(kuò)展且多樣化。采用類似于報(bào)紙印刷工藝的卷帶工藝將顯示器印刷在塑料薄膜片上，可極大地降低生產(chǎn)成本。
國(guó)際上開展OTFT研究已近20年，但如何設(shè)計(jì)與加工高性能的器件、如何降低加工成本、如何合成兼具高遷移率與環(huán)境穩(wěn)定性的有機(jī)半導(dǎo)體材料等，一直是研究和技術(shù)瓶頸，目前尚沒有取得實(shí)質(zhì)性突破。就整體而言，國(guó)際上在柔性電子領(lǐng)域的研究尚處在起步階段，擁有極大的技術(shù)突破和專利申請(qǐng)空間。

四、TFT顯示器的應(yīng)用（主要是下面的四大類）
1. 便攜式顯示：可視頻移動(dòng)電話、可視頻PDA、可視頻電子書等；
2. 車載顯示：GPS、安全駕駛顯示、多媒體顯示等；
3. 計(jì)算機(jī)顯示：筆記本電腦、監(jiān)視器等；
4．家電和辦公室顯示：電視、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端、電子報(bào)紙等。

總之，TFT技術(shù)在平板顯示產(chǎn)業(yè)中處于核心地位，具有資金密集、人才密集、技術(shù)密集的特點(diǎn)，面板產(chǎn)值高，產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)明顯。TFT技術(shù)雖然成熟，還在迅速發(fā)展中，通過改善薄膜材料和制備工藝還有不斷降低生產(chǎn)成本的空間，同時(shí)提高面板性能。