新一代FPD底板用TFT必須具備哪些性能？
[導(dǎo)讀]在2010年1月28～29日于姫路舉行的TFT國(guó)際會(huì)議“International Thin-Film Transistor Conference 2010（ITC'10）”上，筆者獲得了發(fā)表特邀論文（Invited Paper）的機(jī)會(huì)。所發(fā)表的內(nèi)容涉及新一代FPD底板用TFT需要具備的
在2010年1月28～29日于姫路舉行的TFT國(guó)際會(huì)議“International Thin-Film Transistor Conference 2010（ITC'10）”上，筆者獲得了發(fā)表特邀論文（Invited Paper）的機(jī)會(huì)。所發(fā)表的內(nèi)容涉及新一代FPD底板用TFT需要具備的性能。由于與會(huì)者反響熱烈，在得到ITC'10允許后，在此對(duì)其中一部分做一介紹。
ITC是TFT專業(yè)國(guó)際會(huì)議，首屆于2005年3月在首爾舉行。之后，依次在日本（北九州）、意大利、韓國(guó)及法國(guó)各舉行過一次，此次為第六屆。下屆預(yù)定在英國(guó)劍橋舉行。
此次共收集論文89篇，其中特邀論文為18篇，普通論文為71篇，在兩個(gè)會(huì)議上分別同時(shí)發(fā)表。一個(gè)會(huì)議與Si相關(guān)，另一個(gè)與氧化物和有機(jī)TFT相關(guān)。筆者雖然只參加了后者，但卻聽到了眾多令人頗感興趣的論文。另外，展板討論也盛況空間。最后的研討會(huì)以“Si類、氧化物、有機(jī)TFT，誰才是最被看好的新一代TFT”這一時(shí)令主題進(jìn)行了6項(xiàng)發(fā)表，筆者有幸做了基調(diào)演講。在同一周還舉行了與透明非結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體及其顯示器應(yīng)用有關(guān)的國(guó)際會(huì)議 “International Workshop on Transparent Amorphous Oxide Semiconductors（TAOS 2010）”，會(huì)場(chǎng)氣氛也十分熱烈，與會(huì)者絡(luò)驛不絕，值得關(guān)注的發(fā)表也很多，內(nèi)容也令人頗感興趣。但深感遺憾的是，會(huì)議只在分發(fā)的小冊(cè)子上列出了概要（Abstract），并未發(fā)表論文集（Proceedings）。
ITC '10讓人感到非常好的一點(diǎn)是，各位元器件專家展開了客觀討論，與會(huì)者可一邊讀著論文集一邊整理自己的思路。雖然TA0S 2010全面展示了各個(gè)企業(yè)在新一代FPD方面的戰(zhàn)略，但I(xiàn)TC'10還有多個(gè)報(bào)告介紹了相關(guān)論據(jù)以及比較參照示例。筆者認(rèn)為，這種腳踏實(shí)地的討論非常重要。
從設(shè)計(jì)工藝看TFT的開發(fā)戰(zhàn)略～LTPS如何生存
下面來介紹一下筆者發(fā)表的部分內(nèi)容。
圖1采用與MOS LSI比較的方式總結(jié)了TFT設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展趨勢(shì)。眾所周知，MOS LSI一直是依據(jù)摩爾法則不斷微細(xì)化，從而提高電路集成密度的。由此可以類推，液晶投影儀等使用的高溫工藝多結(jié)晶Si-TFT（高溫p-Si TFT、HTPS TFT）也將沿著同樣的趨勢(shì)向前發(fā)展，原因是其工藝要比MOS LSI落后數(shù)代。這種戰(zhàn)略只有投射型顯示器用面板才可能實(shí)現(xiàn)。
而非結(jié)晶Si-TFT（a-Si TFT）在未改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)格的情況下，一邊擴(kuò)大素玻璃底板的尺寸，一邊不斷提高生產(chǎn)率。這是因?yàn)?，直視型顯示器即使在保持像素?cái)?shù)的同時(shí)使面板小型化，也不能提高附加值，因此與MSO LSI相反，只能在保持屏幕尺寸的同時(shí)，通過提高生產(chǎn)率來降低成本。
那么，低溫多結(jié)晶Si-TFT（低溫p-Si TFT、LTPS TFT）的情況又如何呢？令人遺憾的是設(shè)計(jì)工藝并未改變，底板的大型化僅停留在第四代（680mm×880mm～730mm×920mm）的水平。也許 LTPS的各位專家會(huì)對(duì)圖中提出“模糊戰(zhàn)略（Vague Strategy）”的說法感到不快，但筆者要說的是，LTPS的發(fā)展戰(zhàn)略并不像a-Si TFT及高溫p-Si TFT那么清晰。
圖1：通過與MOS LSI比較總結(jié)TFT設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展趨勢(shì)在得到ITC'10允許后從發(fā)表資料轉(zhuǎn)載而來。(點(diǎn)擊放大)
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為“LTPS通過內(nèi)置電路便可提高附加值”，但情況果真如此嗎？筆者在預(yù)測(cè)到LTPS在柔性領(lǐng)域的應(yīng)用后，一直在使用“SOP（System on Panel）”，而非“SOG（System on Glass）”的說法，但SOP比外置LSI便宜的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。
比如10年前內(nèi)置幀存儲(chǔ)器的高功能驅(qū)動(dòng)LSI還高達(dá)10美元左右。如果當(dāng)時(shí)能夠通過TFT整個(gè)內(nèi)置該功能的話，即使成品率略有下降，SOP仍有可能更便宜一些。但現(xiàn)在該驅(qū)動(dòng)LSI不僅價(jià)格下降了一位數(shù)，而且在設(shè)計(jì)工藝上也與SOP逐年拉開距離。就物理角度而言，通過TFT實(shí)現(xiàn)同等性能指標(biāo)早已是不可能的事情。也就是說，SOP這一概念本身已失去存在的意義。
那么，LTPS如何才能生存下去呢？筆者認(rèn)為有兩個(gè)可行手段。一是內(nèi)置LSI無法實(shí)現(xiàn)的功能。比如市場(chǎng)對(duì)內(nèi)嵌式多點(diǎn)觸控屏幕的需求很大。如果在與不易受到液晶單元間隙變化影響的IPS液晶組合，保持高開口率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌化的話，便可形成有別于a-Si TFT的差異化技術(shù)。而且最好是在有源矩陣驅(qū)動(dòng)的有機(jī)EL機(jī)面板上實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌化。
另一個(gè)是在新一代TFT技術(shù)確立之前推進(jìn)底板的大型化。在氧化物TFT解決可靠性問題，從而實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)之前，將生產(chǎn)線最低推進(jìn)到第六代（1500mm×1800mm左右），可能的話最好推進(jìn)至第八代（2200mm×2500mm左右），這樣一來，不用說有源型有機(jī)EL面板，就是 “2K×4K（2000×4000像素左右）液晶面板支持3D”，也是有可能實(shí)現(xiàn)的。不過，如果一直墨守準(zhǔn)分子激光退火（ELA）技術(shù)的話，可能會(huì)很難實(shí)現(xiàn)底板大型化。
新一代FPD用TFT要求的性能～遷移率要達(dá)到10cm2/Vs
圖2是對(duì)新一代FPD要求的TFT遷移率進(jìn)行估計(jì)的示例。這些估計(jì)是在以下設(shè)想條件下做出的：50英寸面板，采用Cu布線，TFT為Non-S/A結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工藝為5μm，而且不使用特殊的元器件結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)條件也可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定寫入。這樣，要想控制驅(qū)動(dòng)LSI的成本，就必須采用單掃描方式。而且，打算應(yīng)用于3D顯示器時(shí)，還要支持240Hz驅(qū)動(dòng)。另外，圖中越向右走傾斜度越高，其原因在于，寄生容量增加使掃描波形變緩，實(shí)際選擇時(shí)間的縮短速度超過了掃描線數(shù)增加的比率。
圖2：對(duì)新一代FPD要求的TFT遷移率進(jìn)行估計(jì)的示例設(shè)想的條件是：50英寸面板，采用Cu布線，TFT為Non-S/A結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工藝為5μm。在得到 ITC'10允許后從發(fā)表資料轉(zhuǎn)載而來。(點(diǎn)擊放大)
圖3匯總了2K×4K面板（追加了70英寸的估計(jì)值）和超高清面板要求的遷移率。從中可以看出，要想使2K×4K的大尺寸面板用途覆蓋至3D，遷移率需要達(dá)到10cm2/Vs左右。
從以前公布的微結(jié)晶Si TFT及氧化物TFT的遷移率來看，氧化物TFT可用于2K×4K級(jí)的所有應(yīng)用。而微結(jié)晶Si雖然施以各種手段后也有望實(shí)現(xiàn)該級(jí)別的應(yīng)用，但還需要進(jìn)一步提高遷移率。另外，要想將覆蓋范圍擴(kuò)大至超高清的話，即使是氧化物TFT，特性也可能會(huì)出現(xiàn)不足，但業(yè)務(wù)用途的話，可以考慮采用雙掃描。實(shí)際上，氧化物 TFT的用途范圍還有望覆蓋數(shù)字電影等領(lǐng)域。
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圖3：對(duì)新一代FPD要求的TFT遷移率進(jìn)行的匯總 50英寸和70英寸面板的2K×4K面板以及50英寸超高清面板的示例。在得到ITC'10允許后從發(fā)表資料轉(zhuǎn)載而來。(點(diǎn)擊放大)
如上所述，如果從設(shè)計(jì)角度來考慮TFT特性要求的話，氧化物TFT無疑是新一代FPD領(lǐng)域的最佳選擇。雖然氧化物TFT在可靠性上還公認(rèn)存在課題，但電壓及電流的承受能力超過a-Si TFT的話，至少能夠足以用于液晶面板。而且光泄漏電流的問題估計(jì)也可通過改進(jìn)元器件結(jié)構(gòu)得以解決。只要確?？煽啃缘膶?shí)用性退火條件得以確立下來，也許立即就會(huì)多出一種選擇，也就是“使用大尺寸底板進(jìn)行量產(chǎn)”。
另外，在用于有源型有機(jī)EL面板時(shí)，閾值電壓（Vth）穩(wěn)定性的要求會(huì)更加嚴(yán)格。因此，當(dāng)只通過工藝條件無法解決時(shí)，可能還需要采取補(bǔ)償電路等對(duì)策。（特約撰稿人：松枝 洋二郎，松枝咨詢）
參考文獻(xiàn)
1）Matsueda, Y.,“Required Characteristics of TFTs for Next generation Flat Panel Display Backplanes,”The Proceedings of the 6th International Thin-Film Transistor Conference, pp.314-317, 2010.
ITC是TFT專業(yè)國(guó)際會(huì)議，首屆于2005年3月在首爾舉行。之后，依次在日本（北九州）、意大利、韓國(guó)及法國(guó)各舉行過一次，此次為第六屆。下屆預(yù)定在英國(guó)劍橋舉行。
此次共收集論文89篇，其中特邀論文為18篇，普通論文為71篇，在兩個(gè)會(huì)議上分別同時(shí)發(fā)表。一個(gè)會(huì)議與Si相關(guān)，另一個(gè)與氧化物和有機(jī)TFT相關(guān)。筆者雖然只參加了后者，但卻聽到了眾多令人頗感興趣的論文。另外，展板討論也盛況空間。最后的研討會(huì)以“Si類、氧化物、有機(jī)TFT，誰才是最被看好的新一代TFT”這一時(shí)令主題進(jìn)行了6項(xiàng)發(fā)表，筆者有幸做了基調(diào)演講。在同一周還舉行了與透明非結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體及其顯示器應(yīng)用有關(guān)的國(guó)際會(huì)議 “International Workshop on Transparent Amorphous Oxide Semiconductors（TAOS 2010）”，會(huì)場(chǎng)氣氛也十分熱烈，與會(huì)者絡(luò)驛不絕，值得關(guān)注的發(fā)表也很多，內(nèi)容也令人頗感興趣。但深感遺憾的是，會(huì)議只在分發(fā)的小冊(cè)子上列出了概要（Abstract），并未發(fā)表論文集（Proceedings）。
ITC '10讓人感到非常好的一點(diǎn)是，各位元器件專家展開了客觀討論，與會(huì)者可一邊讀著論文集一邊整理自己的思路。雖然TA0S 2010全面展示了各個(gè)企業(yè)在新一代FPD方面的戰(zhàn)略，但I(xiàn)TC'10還有多個(gè)報(bào)告介紹了相關(guān)論據(jù)以及比較參照示例。筆者認(rèn)為，這種腳踏實(shí)地的討論非常重要。
從設(shè)計(jì)工藝看TFT的開發(fā)戰(zhàn)略～LTPS如何生存
下面來介紹一下筆者發(fā)表的部分內(nèi)容。
圖1采用與MOS LSI比較的方式總結(jié)了TFT設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展趨勢(shì)。眾所周知，MOS LSI一直是依據(jù)摩爾法則不斷微細(xì)化，從而提高電路集成密度的。由此可以類推，液晶投影儀等使用的高溫工藝多結(jié)晶Si-TFT（高溫p-Si TFT、HTPS TFT）也將沿著同樣的趨勢(shì)向前發(fā)展，原因是其工藝要比MOS LSI落后數(shù)代。這種戰(zhàn)略只有投射型顯示器用面板才可能實(shí)現(xiàn)。
而非結(jié)晶Si-TFT（a-Si TFT）在未改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)格的情況下，一邊擴(kuò)大素玻璃底板的尺寸，一邊不斷提高生產(chǎn)率。這是因?yàn)?，直視型顯示器即使在保持像素?cái)?shù)的同時(shí)使面板小型化，也不能提高附加值，因此與MSO LSI相反，只能在保持屏幕尺寸的同時(shí)，通過提高生產(chǎn)率來降低成本。
那么，低溫多結(jié)晶Si-TFT（低溫p-Si TFT、LTPS TFT）的情況又如何呢？令人遺憾的是設(shè)計(jì)工藝并未改變，底板的大型化僅停留在第四代（680mm×880mm～730mm×920mm）的水平。也許 LTPS的各位專家會(huì)對(duì)圖中提出“模糊戰(zhàn)略（Vague Strategy）”的說法感到不快，但筆者要說的是，LTPS的發(fā)展戰(zhàn)略并不像a-Si TFT及高溫p-Si TFT那么清晰。
圖1：通過與MOS LSI比較總結(jié)TFT設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展趨勢(shì)在得到ITC'10允許后從發(fā)表資料轉(zhuǎn)載而來。(點(diǎn)擊放大)
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為“LTPS通過內(nèi)置電路便可提高附加值”，但情況果真如此嗎？筆者在預(yù)測(cè)到LTPS在柔性領(lǐng)域的應(yīng)用后，一直在使用“SOP（System on Panel）”，而非“SOG（System on Glass）”的說法，但SOP比外置LSI便宜的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。
比如10年前內(nèi)置幀存儲(chǔ)器的高功能驅(qū)動(dòng)LSI還高達(dá)10美元左右。如果當(dāng)時(shí)能夠通過TFT整個(gè)內(nèi)置該功能的話，即使成品率略有下降，SOP仍有可能更便宜一些。但現(xiàn)在該驅(qū)動(dòng)LSI不僅價(jià)格下降了一位數(shù)，而且在設(shè)計(jì)工藝上也與SOP逐年拉開距離。就物理角度而言，通過TFT實(shí)現(xiàn)同等性能指標(biāo)早已是不可能的事情。也就是說，SOP這一概念本身已失去存在的意義。
那么，LTPS如何才能生存下去呢？筆者認(rèn)為有兩個(gè)可行手段。一是內(nèi)置LSI無法實(shí)現(xiàn)的功能。比如市場(chǎng)對(duì)內(nèi)嵌式多點(diǎn)觸控屏幕的需求很大。如果在與不易受到液晶單元間隙變化影響的IPS液晶組合，保持高開口率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌化的話，便可形成有別于a-Si TFT的差異化技術(shù)。而且最好是在有源矩陣驅(qū)動(dòng)的有機(jī)EL機(jī)面板上實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌化。
另一個(gè)是在新一代TFT技術(shù)確立之前推進(jìn)底板的大型化。在氧化物TFT解決可靠性問題，從而實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)之前，將生產(chǎn)線最低推進(jìn)到第六代（1500mm×1800mm左右），可能的話最好推進(jìn)至第八代（2200mm×2500mm左右），這樣一來，不用說有源型有機(jī)EL面板，就是 “2K×4K（2000×4000像素左右）液晶面板支持3D”，也是有可能實(shí)現(xiàn)的。不過，如果一直墨守準(zhǔn)分子激光退火（ELA）技術(shù)的話，可能會(huì)很難實(shí)現(xiàn)底板大型化。
新一代FPD用TFT要求的性能～遷移率要達(dá)到10cm2/Vs
圖2是對(duì)新一代FPD要求的TFT遷移率進(jìn)行估計(jì)的示例。這些估計(jì)是在以下設(shè)想條件下做出的：50英寸面板，采用Cu布線，TFT為Non-S/A結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工藝為5μm，而且不使用特殊的元器件結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)條件也可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定寫入。這樣，要想控制驅(qū)動(dòng)LSI的成本，就必須采用單掃描方式。而且，打算應(yīng)用于3D顯示器時(shí)，還要支持240Hz驅(qū)動(dòng)。另外，圖中越向右走傾斜度越高，其原因在于，寄生容量增加使掃描波形變緩，實(shí)際選擇時(shí)間的縮短速度超過了掃描線數(shù)增加的比率。
圖2：對(duì)新一代FPD要求的TFT遷移率進(jìn)行估計(jì)的示例設(shè)想的條件是：50英寸面板，采用Cu布線，TFT為Non-S/A結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工藝為5μm。在得到 ITC'10允許后從發(fā)表資料轉(zhuǎn)載而來。(點(diǎn)擊放大)
圖3匯總了2K×4K面板（追加了70英寸的估計(jì)值）和超高清面板要求的遷移率。從中可以看出，要想使2K×4K的大尺寸面板用途覆蓋至3D，遷移率需要達(dá)到10cm2/Vs左右。
從以前公布的微結(jié)晶Si TFT及氧化物TFT的遷移率來看，氧化物TFT可用于2K×4K級(jí)的所有應(yīng)用。而微結(jié)晶Si雖然施以各種手段后也有望實(shí)現(xiàn)該級(jí)別的應(yīng)用，但還需要進(jìn)一步提高遷移率。另外，要想將覆蓋范圍擴(kuò)大至超高清的話，即使是氧化物TFT，特性也可能會(huì)出現(xiàn)不足，但業(yè)務(wù)用途的話，可以考慮采用雙掃描。實(shí)際上，氧化物 TFT的用途范圍還有望覆蓋數(shù)字電影等領(lǐng)域。
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圖3：對(duì)新一代FPD要求的TFT遷移率進(jìn)行的匯總 50英寸和70英寸面板的2K×4K面板以及50英寸超高清面板的示例。在得到ITC'10允許后從發(fā)表資料轉(zhuǎn)載而來。(點(diǎn)擊放大)
如上所述，如果從設(shè)計(jì)角度來考慮TFT特性要求的話，氧化物TFT無疑是新一代FPD領(lǐng)域的最佳選擇。雖然氧化物TFT在可靠性上還公認(rèn)存在課題，但電壓及電流的承受能力超過a-Si TFT的話，至少能夠足以用于液晶面板。而且光泄漏電流的問題估計(jì)也可通過改進(jìn)元器件結(jié)構(gòu)得以解決。只要確?？煽啃缘膶?shí)用性退火條件得以確立下來，也許立即就會(huì)多出一種選擇，也就是“使用大尺寸底板進(jìn)行量產(chǎn)”。
另外，在用于有源型有機(jī)EL面板時(shí)，閾值電壓（Vth）穩(wěn)定性的要求會(huì)更加嚴(yán)格。因此，當(dāng)只通過工藝條件無法解決時(shí)，可能還需要采取補(bǔ)償電路等對(duì)策。（特約撰稿人：松枝 洋二郎，松枝咨詢）
參考文獻(xiàn)
1）Matsueda, Y.,“Required Characteristics of TFTs for Next generation Flat Panel Display Backplanes,”The Proceedings of the 6th International Thin-Film Transistor Conference, pp.314-317, 2010.
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