巨資收購夏普之后，富士康的母公司鴻海集團(tuán)將擁有最雄厚的顯示面板技術(shù)。這不僅幫助鴻海穩(wěn)固大客戶蘋果公司，也方便自己布局物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件等產(chǎn)業(yè)。事實上，高性能的薄膜晶體管不僅可以用在顯示屏上，還可以取代傳統(tǒng)的基于單晶硅的電子芯片，用在那些不需要強大計算能力，成本控制嚴(yán)格的柔性電子、傳感器、可穿戴設(shè)備上來。
鴻海集團(tuán)和夏普同時宣布，已經(jīng)通過了中國商務(wù)部的反壟斷審查，至此，持續(xù)多月的富士康35億美元收購夏普塵埃落定。在日本歷史上，第一次有一家大型電子公司被海外企業(yè)收購，這樣的消息讓大家唏噓不已。夏普對于液晶面板市場的判斷失誤，導(dǎo)致了巨額虧損。那么富士康為何收購凈資產(chǎn)為負(fù)值的夏普?其主要原因在于夏普的顯示面板廠以及相關(guān)技術(shù)專利。其中最重要的一項技術(shù)便是IGZO。
1、什么是IGZO，它能做什么?
IGZO的全稱是indium gallium zinc oxide，中文名叫氧化銦鎵鋅。簡單來說，IGZO是一種新型半導(dǎo)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，從而提高顯示面板分辨率，并使得大屏幕OLED電視成為可能。隨著科研活動的深入，人們發(fā)現(xiàn)一系列的金屬氧化物有著類似的性能，因此統(tǒng)稱為Oxide TFT。由于夏普長時間對IGZO的宣傳以及人們先入為主的認(rèn)識，很多人還是喜歡叫IGZO。本文不區(qū)分IGZO和Oxide TFT的區(qū)別，并且用IGZO統(tǒng)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(shù)。
為什么顯示器上面需要薄膜晶體管?為什么我們要更高的電子遷移率?事實上，市面上的平板顯示器，無論是LCD，OLED還是LED，其每一個像素點的點亮以及熄滅都由薄膜晶體管來單獨控制。無論哪種技術(shù)，我們都希望電子的運輸越快越好。遷移率用一個形象的比喻來說就相當(dāng)于火車的速度。如果火車速度慢，為了在規(guī)定的時間內(nèi)運輸一定量的電子，我們要么鋪設(shè)多條鐵軌，要么增加車廂數(shù)量。同樣，如果電子遷移率高，每個晶體管就可以做小，從而把每個像素做小，實現(xiàn)高分辨顯示。
2、IGZO發(fā)展歷史
IGZO的發(fā)明人是東京工業(yè)大學(xué)教授細(xì)野秀雄(Hideo Hosono)。作為材料學(xué)家他2004年在《自然》雜志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 V-1 s-1左右，引起了轟動。為什么如此呢?對于電子材料熟悉的朋友一定都知道單晶硅的載流子遷移率在500 cm2 V-1 s-1以上，然而一旦把材料生長溫度降低，非晶硅(α-Si)的場效應(yīng)遷移率最多只有1 cm2 V-1 s-1，有幾百倍的性能降低。之前科學(xué)家對于半導(dǎo)體的認(rèn)識大多都是基于硅，認(rèn)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(fā)明打破了人們的偏見。
新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來新的商業(yè)價值。10 cm2 V-1 s-1的遷移率其實相比于單晶硅一點都不高，但是單晶硅上千度的生長和處理溫度限制了大尺寸的生長。目前商用晶圓的最大直徑也就400毫米。作為對比，目前商業(yè)化最大的面板尺寸Gen 10是3.1米×2.9米。
Applied Materials 2.2m X 2.4m Gen 8 PECVD system
顯然，單晶硅不適合顯示領(lǐng)域，人們被迫使用性能慘不忍睹的非晶硅長達(dá)三十多年。低于350°C的生長以及后處理溫度使得IGZO可以用磁控濺射的方法大規(guī)模生長在玻璃襯底上面。夏普和日本半導(dǎo)體能源研究所首先將IGZO商業(yè)化，LG、三星以及國內(nèi)的京東方、華星光電等面板廠也跟進(jìn)。高分辨顯示器對于提高視覺感受具有重要的意義。前幾年筆記本電腦以及顯示器上面分辨率的止步不前就是由于非晶硅的瓶頸。隨著IGZO的商業(yè)化，這一兩年4k顯示屏才慢慢出現(xiàn)。相信不久的將來8k也不是夢。
這邊岔開一句，2004年的文章中，細(xì)野秀雄就展示了柔性襯底上的晶體管陣列。目前業(yè)界預(yù)測2018年才會有真正柔性的顯示屏上市。一項技術(shù)從研究成果到最終商業(yè)化，需要花費十幾年的時間?？蒲谢顒有枰茖W(xué)家和工程師的耐心以及遠(yuǎn)見，然而一旦成功應(yīng)用就能給社會帶來巨大的財富和貢獻(xiàn)。我后面會在別的文章中具體討論柔性顯示面板。
3、與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)勢
目前市場上成熟的技術(shù)是非晶硅以及低溫多晶硅(Low-Temperature Poly Silicon，LTPS)。我們之前討論過，由于玻璃面板只能承受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(xié)的做法是先使用低溫等離子體增強化學(xué)汽相沉積(PECVD)生長非晶硅，然后采用激光退火的辦法，在很短的時間內(nèi)提高薄膜溫度，重結(jié)晶得到多晶硅。這樣做出來的LTPS由于使用XeCl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(jìn)一步提高了成本。LTPS可以實現(xiàn)高達(dá)100 cm2 V-1 s-1的載流子遷移率，因此目前用于高DPI的手機屏幕上。
我們下面來看一下α-Si，IGZO以及LTPS TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線，具體談?wù)劜顒e。
三種技術(shù)的總結(jié)如下：α-Si由于成熟的工藝、低廉的價格，雖然性能孱弱依然是市面上的大頭，用在電視、電腦顯示器、還有低端平板電腦上面。LTPS性能強大、可靠性高，雖然價格昂貴但是依然主導(dǎo)高端手機屏幕。IGZO性能介于兩者中間，價格與α-Si接近，未來有希望完全取代α-Si并蠶食部分LTPS市場。
以上描述的是已經(jīng)商用的IGZO。事實上IGZO的下一步研發(fā)還在繼續(xù)中。今年2016國際顯示學(xué)會SID顯示周(Display Week)上，夏普就發(fā)布了載流子遷移率高達(dá)65 cm2 V-1 s-1的top-gate self-aligned結(jié)構(gòu)的晶體管，這樣的性能已經(jīng)接近LTPS，不僅可以用來控制像素點，還能在玻璃上直接用IGZO制造周邊驅(qū)動電路。希望不久的將來，IGZO能擊敗LTPS，一統(tǒng)江湖!
4、高性能顯示屏
目前市面上銷售的IGZO產(chǎn)品，除了之前介紹的ipad， 4k 5k iMac之外，還有夏普32寸UltraHD 4k顯示器，戴爾的UltraSharp顯示器，熊貓55寸4k電視(夏普授權(quán))以及所有的4k筆記本電腦。我來說說夏普在這次國際會議上展示的最先進(jìn)技術(shù)吧，這部分直接看圖說話。當(dāng)然，這里展示的都是產(chǎn)品原型。最終是否上市還有待時日。
下載文檔
