夏普IGZO有何魔力讓富士康斥資35億“下聘”？

巨資收購(gòu)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(shí)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(qiáng)大計(jì)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(lái)。

鴻海集團(tuán)和夏普同時(shí)宣布，已經(jīng)通過了中國(guó)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(gòu)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(gòu)，這樣的消息讓大家唏噓不已。夏普對(duì)于液晶面板市場(chǎng)的判斷失誤，導(dǎo)致了巨額虧損。那么富士康為何收購(gòu)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(xiàng)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(jiǎn)單來(lái)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(dòng)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(zhǎng)時(shí)間對(duì)IGZO的宣傳以及人們先入為主的認(rèn)識(shí)，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(chǎng)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(shí)上，市面上的平板顯示器，無(wú)論是LCD，OLED還是LED，其每一個(gè)像素點(diǎn)的點(diǎn)亮以及熄滅都由薄膜晶體管來(lái)單獨(dú)控制。無(wú)論哪種技術(shù)，我們都希望電子的運(yùn)輸越快越好。遷移率用一個(gè)形象的比喻來(lái)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(shí)間內(nèi)運(yùn)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(gè)晶體管就可以做小，從而把每個(gè)像素做小，實(shí)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(bào)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(dòng)。為什么如此呢?對(duì)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(zhǎng)溫度降低，非晶硅(α-Si)的場(chǎng)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(duì)于半導(dǎo)體的認(rèn)識(shí)大多都是基于硅，認(rèn)為低溫條件下生長(zhǎng)的無(wú)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(lái)新的商業(yè)價(jià)值。10 cm2 V-1 s-1的遷移率其實(shí)相比于單晶硅一點(diǎn)都不高，但是單晶硅上千度的生長(zhǎng)和處理溫度限制了大尺寸的生長(zhǎng)。目前商用晶圓的最大直徑也就400毫米。作為對(duì)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(zhǎng)達(dá)三十多年。低于350°C的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(duì)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(lái)8k也不是夢(mèng)。

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(cè)2018年才會(huì)有真正柔性的顯示屏上市。一項(xiàng)技術(shù)從研究成果到最終商業(yè)化，需要花費(fèi)十幾年的時(shí)間?？蒲谢顒?dòng)需要科學(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(huì)帶來(lái)巨大的財(cái)富和貢獻(xiàn)。我后面會(huì)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(shì)

目前市場(chǎng)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(wú)法在上面生長(zhǎng)單晶硅，甚至無(wú)法生長(zhǎng)多晶硅(600~1000°C)。一個(gè)妥協(xié)的做法是先使用低溫等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)生長(zhǎng)非晶硅，然后采用激光退火的辦法，在很短的時(shí)間內(nèi)提高薄膜溫度，重結(jié)晶得到多晶硅。這樣做出來(lái)的LTPS由于使用XeCl激光，成本很高，同時(shí)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(shí)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(jī)屏幕上。

我們下面來(lái)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(jià)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(qiáng)大、可靠性高，雖然價(jià)格昂貴但是依然主導(dǎo)高端手機(jī)屏幕。IGZO性能介于兩者中間，價(jià)格與α-Si接近，未來(lái)有希望完全取代α-Si并蠶食部分LTPS市場(chǎng)。

以上描述的是已經(jīng)商用的IGZO。事實(shí)上IGZO的下一步研發(fā)還在繼續(xù)中。今年2016國(guó)際顯示學(xué)會(huì)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(lái)控制像素點(diǎn)，還能在玻璃上直接用IGZO制造周邊驅(qū)動(dòng)電路。希望不久的將來(lái)，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(lái)說說夏普在這次國(guó)際會(huì)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(shí)日。