薄膜制程技術(shù)關(guān)卡突破 Oxide TFT穩(wěn)居基板技術(shù)主流
[導(dǎo)讀]Oxide TFT將成為下世代顯示面板的基板技術(shù)首選。臺(tái)日韓面板廠在Oxide TFT技術(shù)的研發(fā)腳步愈來愈快，不僅已突破材料與薄膜制程等技術(shù)瓶頸，更成功展示Oxide TFT顯示器原型，為該技術(shù)商品化增添強(qiáng)勁動(dòng)能，并有助其成為新
Oxide TFT將成為下世代顯示面板的基板技術(shù)首選。臺(tái)日韓面板廠在Oxide TFT技術(shù)的研發(fā)腳步愈來愈快，不僅已突破材料與薄膜制程等技術(shù)瓶頸，更成功展示Oxide TFT顯示器原型，為該技術(shù)商品化增添強(qiáng)勁動(dòng)能，并有助其成為新一代顯示器基板的技術(shù)主流。
技術(shù)迭有進(jìn)展Oxide TFT商用快馬加鞭
氧化物薄膜電晶體(Oxide TFT)接近低溫多晶矽(LTPS)TFT的電性水準(zhǔn)，并相容于非晶矽(a-Si)TFT生產(chǎn)線與低溫制程。至今，在各國研發(fā)單位的技術(shù)競爭下，Oxide TFT已有相當(dāng)驚人的研發(fā)成果，甚至已進(jìn)入商品化。本文主要介紹Oxide TFT技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)，包含國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)現(xiàn)況、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢(shì)等。此外，亦將說明Oxide TFT在軟性電子的應(yīng)用。
氧化銦錫(ITO)開啟透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜的時(shí)代，并已成為光電產(chǎn)業(yè)最重要的材料之一。另外，透明氧化物半導(dǎo)體(Transparent Oxide Semiconductor)的研究亦如火如荼地展開，以氧化鋅(ZnO)為研究的主流，GaZnO、InZnO、AlZnO亦逐漸嶄露頭角，但尚無穩(wěn)定的主流材料。
直至2003年，東京工業(yè)大學(xué)教授細(xì)野秀雄(Hideo Hosono)，在科學(xué)(Science)期刊發(fā)表單晶態(tài)(Crystalline Phase)的銦鎵鋅氧化物(InGaZnO)TFT。由于是單晶態(tài)，InGaZnO TFT制程溫度相當(dāng)高(1,400℃)，亦不適合應(yīng)用在玻璃或塑膠基板等，應(yīng)用上產(chǎn)生諸多瓶頸。
緊接著，2004年細(xì)野秀雄再于自然(Nature)期刊發(fā)表非晶態(tài)(Amorphous Phase)的InGaZnO TFT制作于塑膠基板上，由于低制程溫度(室溫)的優(yōu)勢(shì)，大幅提升其應(yīng)用性，不僅可制作在玻璃基板，亦可制作在塑膠基板上，因此未來朝向塑膠基板的軟性電子開發(fā)已不再是夢(mèng)。
目前薄膜制程方式有兩種，以真空濺鍍(Sputtering)薄膜技術(shù)為主，其具備較高電子移動(dòng)率(>5cm2/V-s)，電性表現(xiàn)已超過傳統(tǒng)有機(jī)半導(dǎo)體材料與a-Si薄膜(<1cm2/V-s)，甚至于與LTPS薄膜相當(dāng)(10～100 cm2/V-s)；而溶膠/凝膠(Sol-Gel)薄膜技術(shù)已從燒結(jié)溫度500℃降至200℃以下，因其特殊的制程方式，最終的目標(biāo)為取代真空制程系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到無光罩制程，節(jié)省材料與制程成本，相信不久的未來，Oxide TFT技術(shù)的世代即將來臨。
由國際技術(shù)研討會(huì)論文來看，Oxide TFT的研發(fā)腳步越來越快速，臺(tái)、日、韓面板廠不約而同采用InGaZnO TFT技術(shù)發(fā)表最新一代的顯示器產(chǎn)品。
本文將針對(duì)2012年在美國舉辦的國際顯示資訊研討會(huì)(SID)與在日本舉辦的國際顯示器研討會(huì)(IDW)做一介紹，并針對(duì)以玻璃基板為主的顯示器與以軟性基板為主的軟性顯示器深入剖析。
臺(tái)日韓面板廠加緊研發(fā)Oxide TFT顯示器傾巢出
表1為2012年友達(dá)光電與韓國樂金顯示(LGD)所發(fā)表的Oxide TFT技術(shù)的研發(fā)比較。友達(dá)展示以InGaZnO TFT驅(qū)動(dòng)的32寸FHD(1,920×RGB×1,080)主動(dòng)式矩陣有機(jī)發(fā)光二極體(AMOLED)，其OLED采用FMM(Fine Metal Mask)進(jìn)行紅綠藍(lán)(RGB)的蒸鍍技術(shù)；另更發(fā)表世界最大65寸UHD主動(dòng)式矩陣液晶顯示器(AMLCD)，采用CHP(Channel Protection)的元件結(jié)構(gòu)。而樂金顯示則發(fā)表55寸FHD主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器，采用BCE(Back Chanel Etch)InGaZnO TFT，其OLED采用白光OLED(WOLED)搭配彩色濾光片(Color Filter)；另亦發(fā)表55寸UHD AMLCD，采用CHP元件結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT，且搭配金屬導(dǎo)線使用銅制程。而全球顯示器龍頭韓國三星(Samsung)卻在此技術(shù)論壇缺席。
日本大廠的研發(fā)速度并不亞于韓國，在技術(shù)上的研發(fā)深度更是略勝韓國一籌(表2)。顯示器大廠夏普(Sharp)與日本半導(dǎo)體能源研究所(SEL)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出CAAC(C-Axis Aligned Crystal)的結(jié)晶態(tài)InGaZnO TFT技術(shù)，因其特殊的結(jié)晶態(tài)，雖載子移動(dòng)率僅7.7cm2/V-s，但其最大的優(yōu)勢(shì)在于極佳的元件穩(wěn)定度，克服InGaZnO TFT最讓人詬病的環(huán)境穩(wěn)定度與電氣可靠度。不過，其關(guān)鍵技術(shù)已被列入國家級(jí)機(jī)密，詳細(xì)的制程已無法得知。
夏普的研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用CAAC-InGaZnO TFT技術(shù)，展示13.5寸UHD AMOLED，另亦展示13.5寸qFHD(960×RGB×540)軟性AMOLED，其關(guān)鍵制程在于采用轉(zhuǎn)貼技術(shù)。首先在玻璃上完成面板制程，再將顯示陣列與玻璃中間的蝕刻犧牲層進(jìn)行蝕刻，兩者分離后轉(zhuǎn)貼顯示陣列至塑膠基板。
電子大廠索尼(Sony)與友達(dá)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，共同發(fā)表40寸主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器應(yīng)用，文中提到采用BCE結(jié)構(gòu)時(shí)，InGaZnO半導(dǎo)體層在后續(xù)的金屬制程中，極易受到金屬蝕刻液破壞，進(jìn)而提出非晶態(tài)的InSnZnO(a-ITZO)與結(jié)晶態(tài)的InGaO(c-IGO)半導(dǎo)體材料，其制作出來的元件特性并不亞于現(xiàn)行的InGaZnO TFT(表3)。
如同a-Si TFT的BCE結(jié)構(gòu)，除可縮減光罩?jǐn)?shù)之外，并對(duì)縮小元件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(Design Rule)有相當(dāng)大的幫助，因此制作BCE結(jié)構(gòu)的Oxide TFT已成為面板廠積極尋求解決之瓶頸。索尼同時(shí)也發(fā)表9.9寸qFHD軟性主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器，其采用CHP元件結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT與上發(fā)射型(Top-Emitting)的白色有機(jī)發(fā)光層搭配彩色濾光片，至于采用的彩色濾光片陣列(CFA)塑膠基板并未著墨太多。
日本放送協(xié)會(huì)NHK也投入軟性顯示器的開發(fā)，2011年發(fā)表5寸QVGA(320×RGB×240)有機(jī)發(fā)光顯示器，最高制程溫度僅150℃，所使用的塑膠基板為PEN(Poly-Ethylene Naphthalate)，而2012年更進(jìn)一步發(fā)表8寸VGA(640×RGB×480)OLED，采用日本材料大廠ZEON的有機(jī)材料當(dāng)作閘極絕緣層，進(jìn)行InGaZnO TFT的制作，最高退火溫度僅130℃，元件亦為CHP結(jié)構(gòu)。
日本家電大廠東芝(Toshiba)采用透明PI(Polyimide)塑膠基板進(jìn)行CHP結(jié)構(gòu)InGaZnO TFT的開發(fā)，成功展示11.7寸FHD(960×RGB×540)軟性AMOLED，其中面板架構(gòu)為白色有機(jī)發(fā)光層，搭配整合彩色濾光片陣列(COA)的薄膜電晶體陣列。
韓國慶熙大學(xué)(Kyung Hee University)與科隆工業(yè)(KOLON Industries)采用黃褐色的PI塑膠基板，制作出單色的2.2寸軟性AMOLED，并分析元件的撓曲特性。歐洲的Holst Centre(TNO & IMEC)則展出96×96的軟性AMOLED，所使用的塑膠基板為PEN，元件為CHP結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT(表4)。 [!--empirenews.page--]
至于臺(tái)灣的工業(yè)技術(shù)研究院亦不缺席，發(fā)表兩篇前瞻的技術(shù)論文，其一采用自行開發(fā)的透明PI與不銹鋼板的復(fù)合式基板，進(jìn)行卷對(duì)卷連續(xù)式(R2R)制程技術(shù)的先期研究，有別于業(yè)界普遍采用的下閘極(Bottom-Gate)元件結(jié)構(gòu)，其采用上閘極(Top-Gate)元件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行軟性InGaZnO TFT的試制，并利用其復(fù)合式基板制作軟性的雙穩(wěn)態(tài)電泳顯示器，此概念希望促成傳統(tǒng)枚葉式(Sheet-to-Sheet)制程，進(jìn)入卷對(duì)卷連續(xù)式制程的新契機(jī)，最終目標(biāo)為降低生產(chǎn)成本，并使用承載軟性基板的最佳方式，進(jìn)行軟性電子的開發(fā)。
其二則是采用日本材料大廠Kaneka的透明PI塑膠基板進(jìn)行軟性InGaZnO TFT的試制，文中可看到PI材料的熱穩(wěn)定性相當(dāng)優(yōu)良，未來的研發(fā)方向?qū)⒊掷m(xù)改善基板的光學(xué)特性，以擴(kuò)大顯示器應(yīng)用性。歐洲的Holst Centre(TNO & IMEC)、Katholieke Univ.與Evonik Industries AG合作，共同發(fā)表軟性氧化物薄膜電晶體的前瞻技術(shù)開發(fā)，其中半導(dǎo)體薄膜制程有別于業(yè)界常用的真空濺鍍法，而采用溶液制程再進(jìn)行退火燒結(jié)，即為溶膠/凝膠(Sol-Gel)法，最高燒結(jié)溫度為160℃，使用以ZnO為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，塑膠基板為PEN，元件采用BCE結(jié)構(gòu)，電子移動(dòng)率僅0.81cm2/V-s，詳細(xì)的元件電性參數(shù)比較(表5)。
在歐洲的研發(fā)團(tuán)隊(duì)中，以德國Evonik Industries AG最為積極，其對(duì)于薄膜制程的技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(圖1)的目標(biāo)明確，起初欲將現(xiàn)行的真空制程系統(tǒng)(如CVD或PVD)取代為涂布(Coating)制程(如Spin-coating、Slit-coating)，最終采用印刷(Printing)制程(如Offset-printing、Inkjet-printing)，達(dá)到節(jié)省材料與設(shè)備成本，進(jìn)而達(dá)成無光罩制程，其發(fā)表三篇相關(guān)的論文，采用In2O3為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，元件采同平面(Coplanar)結(jié)構(gòu)，即下閘極與底接觸(Bottom-Contact)的結(jié)構(gòu)，若最高燒結(jié)溫度350℃，電子移動(dòng)率可達(dá)到10cm2/V-s的水準(zhǔn)，電氣特性十分優(yōu)良，但降低燒結(jié)溫度至160℃，則電子移動(dòng)率降至2cm2/V-s，電性曲線也有漂移的現(xiàn)象，呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，但相信假以時(shí)日，持續(xù)調(diào)整材料特性，元件特性必能大幅改善(表6)。
圖1 Evonik Industries AG的技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖
在2013年1月分的國際消費(fèi)性電子展(CES)中，日本索尼成功展示世界最大56寸UHD主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器(圖2)，其中OLED采用白光OLED搭配彩色濾光片，并公開表示驅(qū)動(dòng)背板采用與臺(tái)灣友達(dá)光電合作的InGaZnO TFT陣列。相較之下，友達(dá)已發(fā)表的65寸UHD顯示器，顯示臺(tái)灣研發(fā)團(tuán)隊(duì)在Oxide TFT上的進(jìn)度，已與國際大廠不分軒輊，相信在不久的將來，臺(tái)灣會(huì)有更多突破性的產(chǎn)品問世。
圖2 索尼與友達(dá)共同發(fā)表全球最大UHD解析度AMOLED電視
突破材料與生產(chǎn)技術(shù)桎梏Oxide TFT應(yīng)用版圖擴(kuò)張
臺(tái)灣顯示器產(chǎn)業(yè)已臻成熟，其中薄膜電晶體技術(shù)日新月異。然Oxide TFT技術(shù)不但具有LTPS TFT技術(shù)之高載子移動(dòng)率的電氣特性，同時(shí)又完全相容于a-Si TFT的生產(chǎn)線，因此其優(yōu)越的電氣特性與低溫制程，被譽(yù)為下世代的薄膜電晶體。 Oxide TFT的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，主動(dòng)層材料由早期的ZnO到GaZnO和InZnO，而目前最熱門的材料非InGaZnO莫屬，由細(xì)野秀雄教授主導(dǎo)開發(fā)。
以最接近量產(chǎn)的技術(shù)來看，采用真空濺鍍法來進(jìn)行主動(dòng)層的沈積，應(yīng)是未來的主流，其他如溶膠/凝膠法尚未成熟，若以降低成本考量，仍是必須繼續(xù)的研發(fā)方向。
以元件結(jié)構(gòu)來看，下閘極結(jié)構(gòu)與非晶矽薄膜電晶體相似，可最快導(dǎo)入量產(chǎn)，如何將目前較為成熟的CHP結(jié)構(gòu)更換成BCE結(jié)構(gòu)，達(dá)到光罩縮減與元件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則縮小化的目的，亦是目前研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)。
在軟性電子的領(lǐng)域，Oxide TFT備受關(guān)注，與矽基薄膜電晶體、有機(jī)薄膜電晶體共同競爭。由于Oxide TFT采用真空濺鍍法，已具備整合塑膠基板所需的低溫制程，主動(dòng)層結(jié)構(gòu)為離子鍵非共價(jià)鍵，是否能增加耐撓度，亦是研究重點(diǎn)之一，若能有更多機(jī)械撓曲可靠度測試結(jié)果出爐，軟性電子的夢(mèng)想已不遠(yuǎn)矣。
自第一篇非晶態(tài)InGaZnO TFT學(xué)術(shù)論文發(fā)布，至今已有如此驚人的研發(fā)成果，臺(tái)灣研發(fā)的腳步必須更快，投入的能量必須更多，才能迎頭趕上，免受國際專利權(quán)的剝削，領(lǐng)先國際。
(本文作者為工研院電子與光電研究所軟性電子組研發(fā)副組長)
技術(shù)迭有進(jìn)展Oxide TFT商用快馬加鞭
氧化物薄膜電晶體(Oxide TFT)接近低溫多晶矽(LTPS)TFT的電性水準(zhǔn)，并相容于非晶矽(a-Si)TFT生產(chǎn)線與低溫制程。至今，在各國研發(fā)單位的技術(shù)競爭下，Oxide TFT已有相當(dāng)驚人的研發(fā)成果，甚至已進(jìn)入商品化。本文主要介紹Oxide TFT技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)，包含國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)現(xiàn)況、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢(shì)等。此外，亦將說明Oxide TFT在軟性電子的應(yīng)用。
氧化銦錫(ITO)開啟透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜的時(shí)代，并已成為光電產(chǎn)業(yè)最重要的材料之一。另外，透明氧化物半導(dǎo)體(Transparent Oxide Semiconductor)的研究亦如火如荼地展開，以氧化鋅(ZnO)為研究的主流，GaZnO、InZnO、AlZnO亦逐漸嶄露頭角，但尚無穩(wěn)定的主流材料。
直至2003年，東京工業(yè)大學(xué)教授細(xì)野秀雄(Hideo Hosono)，在科學(xué)(Science)期刊發(fā)表單晶態(tài)(Crystalline Phase)的銦鎵鋅氧化物(InGaZnO)TFT。由于是單晶態(tài)，InGaZnO TFT制程溫度相當(dāng)高(1,400℃)，亦不適合應(yīng)用在玻璃或塑膠基板等，應(yīng)用上產(chǎn)生諸多瓶頸。
緊接著，2004年細(xì)野秀雄再于自然(Nature)期刊發(fā)表非晶態(tài)(Amorphous Phase)的InGaZnO TFT制作于塑膠基板上，由于低制程溫度(室溫)的優(yōu)勢(shì)，大幅提升其應(yīng)用性，不僅可制作在玻璃基板，亦可制作在塑膠基板上，因此未來朝向塑膠基板的軟性電子開發(fā)已不再是夢(mèng)。
目前薄膜制程方式有兩種，以真空濺鍍(Sputtering)薄膜技術(shù)為主，其具備較高電子移動(dòng)率(>5cm2/V-s)，電性表現(xiàn)已超過傳統(tǒng)有機(jī)半導(dǎo)體材料與a-Si薄膜(<1cm2/V-s)，甚至于與LTPS薄膜相當(dāng)(10～100 cm2/V-s)；而溶膠/凝膠(Sol-Gel)薄膜技術(shù)已從燒結(jié)溫度500℃降至200℃以下，因其特殊的制程方式，最終的目標(biāo)為取代真空制程系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到無光罩制程，節(jié)省材料與制程成本，相信不久的未來，Oxide TFT技術(shù)的世代即將來臨。
由國際技術(shù)研討會(huì)論文來看，Oxide TFT的研發(fā)腳步越來越快速，臺(tái)、日、韓面板廠不約而同采用InGaZnO TFT技術(shù)發(fā)表最新一代的顯示器產(chǎn)品。
本文將針對(duì)2012年在美國舉辦的國際顯示資訊研討會(huì)(SID)與在日本舉辦的國際顯示器研討會(huì)(IDW)做一介紹，并針對(duì)以玻璃基板為主的顯示器與以軟性基板為主的軟性顯示器深入剖析。
臺(tái)日韓面板廠加緊研發(fā)Oxide TFT顯示器傾巢出
表1為2012年友達(dá)光電與韓國樂金顯示(LGD)所發(fā)表的Oxide TFT技術(shù)的研發(fā)比較。友達(dá)展示以InGaZnO TFT驅(qū)動(dòng)的32寸FHD(1,920×RGB×1,080)主動(dòng)式矩陣有機(jī)發(fā)光二極體(AMOLED)，其OLED采用FMM(Fine Metal Mask)進(jìn)行紅綠藍(lán)(RGB)的蒸鍍技術(shù)；另更發(fā)表世界最大65寸UHD主動(dòng)式矩陣液晶顯示器(AMLCD)，采用CHP(Channel Protection)的元件結(jié)構(gòu)。而樂金顯示則發(fā)表55寸FHD主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器，采用BCE(Back Chanel Etch)InGaZnO TFT，其OLED采用白光OLED(WOLED)搭配彩色濾光片(Color Filter)；另亦發(fā)表55寸UHD AMLCD，采用CHP元件結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT，且搭配金屬導(dǎo)線使用銅制程。而全球顯示器龍頭韓國三星(Samsung)卻在此技術(shù)論壇缺席。
日本大廠的研發(fā)速度并不亞于韓國，在技術(shù)上的研發(fā)深度更是略勝韓國一籌(表2)。顯示器大廠夏普(Sharp)與日本半導(dǎo)體能源研究所(SEL)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出CAAC(C-Axis Aligned Crystal)的結(jié)晶態(tài)InGaZnO TFT技術(shù)，因其特殊的結(jié)晶態(tài)，雖載子移動(dòng)率僅7.7cm2/V-s，但其最大的優(yōu)勢(shì)在于極佳的元件穩(wěn)定度，克服InGaZnO TFT最讓人詬病的環(huán)境穩(wěn)定度與電氣可靠度。不過，其關(guān)鍵技術(shù)已被列入國家級(jí)機(jī)密，詳細(xì)的制程已無法得知。
夏普的研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用CAAC-InGaZnO TFT技術(shù)，展示13.5寸UHD AMOLED，另亦展示13.5寸qFHD(960×RGB×540)軟性AMOLED，其關(guān)鍵制程在于采用轉(zhuǎn)貼技術(shù)。首先在玻璃上完成面板制程，再將顯示陣列與玻璃中間的蝕刻犧牲層進(jìn)行蝕刻，兩者分離后轉(zhuǎn)貼顯示陣列至塑膠基板。
電子大廠索尼(Sony)與友達(dá)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，共同發(fā)表40寸主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器應(yīng)用，文中提到采用BCE結(jié)構(gòu)時(shí)，InGaZnO半導(dǎo)體層在后續(xù)的金屬制程中，極易受到金屬蝕刻液破壞，進(jìn)而提出非晶態(tài)的InSnZnO(a-ITZO)與結(jié)晶態(tài)的InGaO(c-IGO)半導(dǎo)體材料，其制作出來的元件特性并不亞于現(xiàn)行的InGaZnO TFT(表3)。
如同a-Si TFT的BCE結(jié)構(gòu)，除可縮減光罩?jǐn)?shù)之外，并對(duì)縮小元件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(Design Rule)有相當(dāng)大的幫助，因此制作BCE結(jié)構(gòu)的Oxide TFT已成為面板廠積極尋求解決之瓶頸。索尼同時(shí)也發(fā)表9.9寸qFHD軟性主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器，其采用CHP元件結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT與上發(fā)射型(Top-Emitting)的白色有機(jī)發(fā)光層搭配彩色濾光片，至于采用的彩色濾光片陣列(CFA)塑膠基板并未著墨太多。
日本放送協(xié)會(huì)NHK也投入軟性顯示器的開發(fā)，2011年發(fā)表5寸QVGA(320×RGB×240)有機(jī)發(fā)光顯示器，最高制程溫度僅150℃，所使用的塑膠基板為PEN(Poly-Ethylene Naphthalate)，而2012年更進(jìn)一步發(fā)表8寸VGA(640×RGB×480)OLED，采用日本材料大廠ZEON的有機(jī)材料當(dāng)作閘極絕緣層，進(jìn)行InGaZnO TFT的制作，最高退火溫度僅130℃，元件亦為CHP結(jié)構(gòu)。
日本家電大廠東芝(Toshiba)采用透明PI(Polyimide)塑膠基板進(jìn)行CHP結(jié)構(gòu)InGaZnO TFT的開發(fā)，成功展示11.7寸FHD(960×RGB×540)軟性AMOLED，其中面板架構(gòu)為白色有機(jī)發(fā)光層，搭配整合彩色濾光片陣列(COA)的薄膜電晶體陣列。
韓國慶熙大學(xué)(Kyung Hee University)與科隆工業(yè)(KOLON Industries)采用黃褐色的PI塑膠基板，制作出單色的2.2寸軟性AMOLED，并分析元件的撓曲特性。歐洲的Holst Centre(TNO & IMEC)則展出96×96的軟性AMOLED，所使用的塑膠基板為PEN，元件為CHP結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT(表4)。 [!--empirenews.page--]
至于臺(tái)灣的工業(yè)技術(shù)研究院亦不缺席，發(fā)表兩篇前瞻的技術(shù)論文，其一采用自行開發(fā)的透明PI與不銹鋼板的復(fù)合式基板，進(jìn)行卷對(duì)卷連續(xù)式(R2R)制程技術(shù)的先期研究，有別于業(yè)界普遍采用的下閘極(Bottom-Gate)元件結(jié)構(gòu)，其采用上閘極(Top-Gate)元件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行軟性InGaZnO TFT的試制，并利用其復(fù)合式基板制作軟性的雙穩(wěn)態(tài)電泳顯示器，此概念希望促成傳統(tǒng)枚葉式(Sheet-to-Sheet)制程，進(jìn)入卷對(duì)卷連續(xù)式制程的新契機(jī)，最終目標(biāo)為降低生產(chǎn)成本，并使用承載軟性基板的最佳方式，進(jìn)行軟性電子的開發(fā)。
其二則是采用日本材料大廠Kaneka的透明PI塑膠基板進(jìn)行軟性InGaZnO TFT的試制，文中可看到PI材料的熱穩(wěn)定性相當(dāng)優(yōu)良，未來的研發(fā)方向?qū)⒊掷m(xù)改善基板的光學(xué)特性，以擴(kuò)大顯示器應(yīng)用性。歐洲的Holst Centre(TNO & IMEC)、Katholieke Univ.與Evonik Industries AG合作，共同發(fā)表軟性氧化物薄膜電晶體的前瞻技術(shù)開發(fā)，其中半導(dǎo)體薄膜制程有別于業(yè)界常用的真空濺鍍法，而采用溶液制程再進(jìn)行退火燒結(jié)，即為溶膠/凝膠(Sol-Gel)法，最高燒結(jié)溫度為160℃，使用以ZnO為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，塑膠基板為PEN，元件采用BCE結(jié)構(gòu)，電子移動(dòng)率僅0.81cm2/V-s，詳細(xì)的元件電性參數(shù)比較(表5)。
在歐洲的研發(fā)團(tuán)隊(duì)中，以德國Evonik Industries AG最為積極，其對(duì)于薄膜制程的技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(圖1)的目標(biāo)明確，起初欲將現(xiàn)行的真空制程系統(tǒng)(如CVD或PVD)取代為涂布(Coating)制程(如Spin-coating、Slit-coating)，最終采用印刷(Printing)制程(如Offset-printing、Inkjet-printing)，達(dá)到節(jié)省材料與設(shè)備成本，進(jìn)而達(dá)成無光罩制程，其發(fā)表三篇相關(guān)的論文，采用In2O3為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，元件采同平面(Coplanar)結(jié)構(gòu)，即下閘極與底接觸(Bottom-Contact)的結(jié)構(gòu)，若最高燒結(jié)溫度350℃，電子移動(dòng)率可達(dá)到10cm2/V-s的水準(zhǔn)，電氣特性十分優(yōu)良，但降低燒結(jié)溫度至160℃，則電子移動(dòng)率降至2cm2/V-s，電性曲線也有漂移的現(xiàn)象，呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，但相信假以時(shí)日，持續(xù)調(diào)整材料特性，元件特性必能大幅改善(表6)。
圖1 Evonik Industries AG的技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖
在2013年1月分的國際消費(fèi)性電子展(CES)中，日本索尼成功展示世界最大56寸UHD主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器(圖2)，其中OLED采用白光OLED搭配彩色濾光片，并公開表示驅(qū)動(dòng)背板采用與臺(tái)灣友達(dá)光電合作的InGaZnO TFT陣列。相較之下，友達(dá)已發(fā)表的65寸UHD顯示器，顯示臺(tái)灣研發(fā)團(tuán)隊(duì)在Oxide TFT上的進(jìn)度，已與國際大廠不分軒輊，相信在不久的將來，臺(tái)灣會(huì)有更多突破性的產(chǎn)品問世。
圖2 索尼與友達(dá)共同發(fā)表全球最大UHD解析度AMOLED電視
突破材料與生產(chǎn)技術(shù)桎梏Oxide TFT應(yīng)用版圖擴(kuò)張
臺(tái)灣顯示器產(chǎn)業(yè)已臻成熟，其中薄膜電晶體技術(shù)日新月異。然Oxide TFT技術(shù)不但具有LTPS TFT技術(shù)之高載子移動(dòng)率的電氣特性，同時(shí)又完全相容于a-Si TFT的生產(chǎn)線，因此其優(yōu)越的電氣特性與低溫制程，被譽(yù)為下世代的薄膜電晶體。 Oxide TFT的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，主動(dòng)層材料由早期的ZnO到GaZnO和InZnO，而目前最熱門的材料非InGaZnO莫屬，由細(xì)野秀雄教授主導(dǎo)開發(fā)。
以最接近量產(chǎn)的技術(shù)來看，采用真空濺鍍法來進(jìn)行主動(dòng)層的沈積，應(yīng)是未來的主流，其他如溶膠/凝膠法尚未成熟，若以降低成本考量，仍是必須繼續(xù)的研發(fā)方向。
以元件結(jié)構(gòu)來看，下閘極結(jié)構(gòu)與非晶矽薄膜電晶體相似，可最快導(dǎo)入量產(chǎn)，如何將目前較為成熟的CHP結(jié)構(gòu)更換成BCE結(jié)構(gòu)，達(dá)到光罩縮減與元件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則縮小化的目的，亦是目前研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)。
在軟性電子的領(lǐng)域，Oxide TFT備受關(guān)注，與矽基薄膜電晶體、有機(jī)薄膜電晶體共同競爭。由于Oxide TFT采用真空濺鍍法，已具備整合塑膠基板所需的低溫制程，主動(dòng)層結(jié)構(gòu)為離子鍵非共價(jià)鍵，是否能增加耐撓度，亦是研究重點(diǎn)之一，若能有更多機(jī)械撓曲可靠度測試結(jié)果出爐，軟性電子的夢(mèng)想已不遠(yuǎn)矣。
自第一篇非晶態(tài)InGaZnO TFT學(xué)術(shù)論文發(fā)布，至今已有如此驚人的研發(fā)成果，臺(tái)灣研發(fā)的腳步必須更快，投入的能量必須更多，才能迎頭趕上，免受國際專利權(quán)的剝削，領(lǐng)先國際。
(本文作者為工研院電子與光電研究所軟性電子組研發(fā)副組長)
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