新一代FPD底板用TFT必须具备哪些性能？
时间：2010-11-28 12:30:00
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[导读]在2010年1月28～29日于姫路举行的TFT国际会议“International Thin-Film Transistor Conference 2010（ITC'10）”上，笔者获得了发表特邀论文（Invited Paper）的机会。所发表的内容涉及新一代FPD底板用TFT需要具备的
在2010年1月28～29日于姫路举行的TFT国际会议“International Thin-Film Transistor Conference 2010（ITC'10）”上，笔者获得了发表特邀论文（Invited Paper）的机会。所发表的内容涉及新一代FPD底板用TFT需要具备的性能。由于与会者反响热烈，在得到ITC'10允许后，在此对其中一部分做一介绍。
ITC是TFT专业国际会议，首届于2005年3月在首尔举行。之后，依次在日本（北九州）、意大利、韩国及法国各举行过一次，此次为第六届。下届预定在英国剑桥举行。
此次共收集论文89篇，其中特邀论文为18篇，普通论文为71篇，在两个会议上分别同时发表。一个会议与Si相关，另一个与氧化物和有机TFT相关。笔者虽然只参加了后者，但却听到了众多令人颇感兴趣的论文。另外，展板讨论也盛况空间。最后的研讨会以“Si类、氧化物、有机TFT，谁才是最被看好的新一代TFT”这一时令主题进行了6项发表，笔者有幸做了基调演讲。在同一周还举行了与透明非结晶氧化物半导体及其显示器应用有关的国际会议 “International Workshop on Transparent Amorphous Oxide Semiconductors（TAOS 2010）”，会场气氛也十分热烈，与会者络驿不绝，值得关注的发表也很多，内容也令人颇感兴趣。但深感遗憾的是，会议只在分发的小册子上列出了概要（Abstract），并未发表论文集（Proceedings）。
ITC '10让人感到非常好的一点是，各位元器件专家展开了客观讨论，与会者可一边读着论文集一边整理自己的思路。虽然TA0S 2010全面展示了各个企业在新一代FPD方面的战略，但ITC'10还有多个报告介绍了相关论据以及比较参照示例。笔者认为，这种脚踏实地的讨论非常重要。
从设计工艺看TFT的开发战略～LTPS如何生存
下面来介绍一下笔者发表的部分内容。
图1采用与MOS LSI比较的方式总结了TFT设计工艺的发展趋势。众所周知，MOS LSI一直是依据摩尔法则不断微细化，从而提高电路集成密度的。由此可以类推，液晶投影仪等使用的高温工艺多结晶Si-TFT（高温p-Si TFT、HTPS TFT）也将沿着同样的趋势向前发展，原因是其工艺要比MOS LSI落后数代。这种战略只有投射型显示器用面板才可能实现。
而非结晶Si-TFT（a-Si TFT）在未改变设计规格的情况下，一边扩大素玻璃底板的尺寸，一边不断提高生产率。这是因为，直视型显示器即使在保持像素数的同时使面板小型化，也不能提高附加值，因此与MSO LSI相反，只能在保持屏幕尺寸的同时，通过提高生产率来降低成本。
那么，低温多结晶Si-TFT（低温p-Si TFT、LTPS TFT）的情况又如何呢？令人遗憾的是设计工艺并未改变，底板的大型化仅停留在第四代（680mm×880mm～730mm×920mm）的水平。也许 LTPS的各位专家会对图中提出“模糊战略（Vague Strategy）”的说法感到不快，但笔者要说的是，LTPS的发展战略并不像a-Si TFT及高温p-Si TFT那么清晰。
图1：通过与MOS LSI比较总结TFT设计工艺的发展趋势在得到ITC'10允许后从发表资料转载而来。(点击放大)
业内普遍认为“LTPS通过内置电路便可提高附加值”，但情况果真如此吗？笔者在预测到LTPS在柔性领域的应用后，一直在使用“SOP（System on Panel）”，而非“SOG（System on Glass）”的说法，但SOP比外置LSI便宜的时代已经结束。
比如10年前内置帧存储器的高功能驱动LSI还高达10美元左右。如果当时能够通过TFT整个内置该功能的话，即使成品率略有下降，SOP仍有可能更便宜一些。但现在该驱动LSI不仅价格下降了一位数，而且在设计工艺上也与SOP逐年拉开距离。就物理角度而言，通过TFT实现同等性能指标早已是不可能的事情。也就是说，SOP这一概念本身已失去存在的意义。
那么，LTPS如何才能生存下去呢？笔者认为有两个可行手段。一是内置LSI无法实现的功能。比如市场对内嵌式多点触控屏幕的需求很大。如果在与不易受到液晶单元间隙变化影响的IPS液晶组合，保持高开口率的同时实现内嵌化的话，便可形成有别于a-Si TFT的差异化技术。而且最好是在有源矩阵驱动的有机EL机面板上实现内嵌化。
另一个是在新一代TFT技术确立之前推进底板的大型化。在氧化物TFT解决可靠性问题，从而实现量产之前，将生产线最低推进到第六代（1500mm×1800mm左右），可能的话最好推进至第八代（2200mm×2500mm左右），这样一来，不用说有源型有机EL面板，就是 “2K×4K（2000×4000像素左右）液晶面板支持3D”，也是有可能实现的。不过，如果一直墨守准分子激光退火（ELA）技术的话，可能会很难实现底板大型化。
新一代FPD用TFT要求的性能～迁移率要达到10cm2/Vs
图2是对新一代FPD要求的TFT迁移率进行估计的示例。这些估计是在以下设想条件下做出的：50英寸面板，采用Cu布线，TFT为Non-S/A结构，设计工艺为5μm，而且不使用特殊的元器件结构及驱动条件也可确保数据稳定写入。这样，要想控制驱动LSI的成本，就必须采用单扫描方式。而且，打算应用于3D显示器时，还要支持240Hz驱动。另外，图中越向右走倾斜度越高，其原因在于，寄生容量增加使扫描波形变缓，实际选择时间的缩短速度超过了扫描线数增加的比率。
图2：对新一代FPD要求的TFT迁移率进行估计的示例设想的条件是：50英寸面板，采用Cu布线，TFT为Non-S/A结构，设计工艺为5μm。在得到 ITC'10允许后从发表资料转载而来。(点击放大)
图3汇总了2K×4K面板（追加了70英寸的估计值）和超高清面板要求的迁移率。从中可以看出，要想使2K×4K的大尺寸面板用途覆盖至3D，迁移率需要达到10cm2/Vs左右。
从以前公布的微结晶Si TFT及氧化物TFT的迁移率来看，氧化物TFT可用于2K×4K级的所有应用。而微结晶Si虽然施以各种手段后也有望实现该级别的应用，但还需要进一步提高迁移率。另外，要想将覆盖范围扩大至超高清的话，即使是氧化物TFT，特性也可能会出现不足，但业务用途的话，可以考虑采用双扫描。实际上，氧化物 TFT的用途范围还有望覆盖数字电影等领域。
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图3：对新一代FPD要求的TFT迁移率进行的汇总 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允许后从发表资料转载而来。(点击放大)
如上所述，如果从设计角度来考虑TFT特性要求的话，氧化物TFT无疑是新一代FPD领域的最佳选择。虽然氧化物TFT在可靠性上还公认存在课题，但电压及电流的承受能力超过a-Si TFT的话，至少能够足以用于液晶面板。而且光泄漏电流的问题估计也可通过改进元器件结构得以解决。只要确保可靠性的实用性退火条件得以确立下来，也许立即就会多出一种选择，也就是“使用大尺寸底板进行量产”。
另外，在用于有源型有机EL面板时，阈值电压（Vth）稳定性的要求会更加严格。因此，当只通过工艺条件无法解决时，可能还需要采取补偿电路等对策。（特约撰稿人：松枝 洋二郎，松枝咨询）
参考文献
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专业国际会议，首届于2005年3月在首尔举行。之后，依次在日本（北九州）、意大利、韩国及法国各举行过一次，此次为第六届。下届预定在英国剑桥举行。
此次共收集论文89篇，其中特邀论文为18篇，普通论文为71篇，在两个会议上分别同时发表。一个会议与Si相关，另一个与氧化物和有机TFT相关。笔者虽然只参加了后者，但却听到了众多令人颇感兴趣的论文。另外，展板讨论也盛况空间。最后的研讨会以“Si类、氧化物、有机TFT，谁才是最被看好的新一代TFT”这一时令主题进行了6项发表，笔者有幸做了基调演讲。在同一周还举行了与透明非结晶氧化物半导体及其显示器应用有关的国际会议 “International Workshop on Transparent Amorphous Oxide Semiconductors（TAOS 2010）”，会场气氛也十分热烈，与会者络驿不绝，值得关注的发表也很多，内容也令人颇感兴趣。但深感遗憾的是，会议只在分发的小册子上列出了概要（Abstract），并未发表论文集（Proceedings）。
ITC '10让人感到非常好的一点是，各位元器件专家展开了客观讨论，与会者可一边读着论文集一边整理自己的思路。虽然TA0S 2010全面展示了各个企业在新一代FPD方面的战略，但ITC'10还有多个报告介绍了相关论据以及比较参照示例。笔者认为，这种脚踏实地的讨论非常重要。
从设计工艺看TFT的开发战略～LTPS如何生存
下面来介绍一下笔者发表的部分内容。
图1采用与MOS LSI比较的方式总结了TFT设计工艺的发展趋势。众所周知，MOS LSI一直是依据摩尔法则不断微细化，从而提高电路集成密度的。由此可以类推，液晶投影仪等使用的高温工艺多结晶Si-TFT（高温p-Si TFT、HTPS TFT）也将沿着同样的趋势向前发展，原因是其工艺要比MOS LSI落后数代。这种战略只有投射型显示器用面板才可能实现。
而非结晶Si-TFT（a-Si TFT）在未改变设计规格的情况下，一边扩大素玻璃底板的尺寸，一边不断提高生产率。这是因为，直视型显示器即使在保持像素数的同时使面板小型化，也不能提高附加值，因此与MSO LSI相反，只能在保持屏幕尺寸的同时，通过提高生产率来降低成本。
那么，低温多结晶Si-TFT（低温p-Si TFT、LTPS TFT）的情况又如何呢？令人遗憾的是设计工艺并未改变，底板的大型化仅停留在第四代（680mm×880mm～730mm×920mm）的水平。也许 LTPS的各位专家会对图中提出“模糊战略（Vague Strategy）”的说法感到不快，但笔者要说的是，LTPS的发展战略并不像a-Si TFT及高温p-Si TFT那么清晰。
图1：通过与MOS LSI比较总结TFT设计工艺的发展趋势在得到ITC'10允许后从发表资料转载而来。(点击放大)
业内普遍认为“LTPS通过内置电路便可提高附加值”，但情况果真如此吗？笔者在预测到LTPS在柔性领域的应用后，一直在使用“SOP（System on Panel）”，而非“SOG（System on Glass）”的说法，但SOP比外置LSI便宜的时代已经结束。
比如10年前内置帧存储器的高功能驱动LSI还高达10美元左右。如果当时能够通过TFT整个内置该功能的话，即使成品率略有下降，SOP仍有可能更便宜一些。但现在该驱动LSI不仅价格下降了一位数，而且在设计工艺上也与SOP逐年拉开距离。就物理角度而言，通过TFT实现同等性能指标早已是不可能的事情。也就是说，SOP这一概念本身已失去存在的意义。
那么，LTPS如何才能生存下去呢？笔者认为有两个可行手段。一是内置LSI无法实现的功能。比如市场对内嵌式多点触控屏幕的需求很大。如果在与不易受到液晶单元间隙变化影响的IPS液晶组合，保持高开口率的同时实现内嵌化的话，便可形成有别于a-Si TFT的差异化技术。而且最好是在有源矩阵驱动的有机EL机面板上实现内嵌化。
另一个是在新一代TFT技术确立之前推进底板的大型化。在氧化物TFT解决可靠性问题，从而实现量产之前，将生产线最低推进到第六代（1500mm×1800mm左右），可能的话最好推进至第八代（2200mm×2500mm左右），这样一来，不用说有源型有机EL面板，就是 “2K×4K（2000×4000像素左右）液晶面板支持3D”，也是有可能实现的。不过，如果一直墨守准分子激光退火（ELA）技术的话，可能会很难实现底板大型化。
新一代FPD用TFT要求的性能～迁移率要达到10cm2/Vs
图2是对新一代FPD要求的TFT迁移率进行估计的示例。这些估计是在以下设想条件下做出的：50英寸面板，采用Cu布线，TFT为Non-S/A结构，设计工艺为5μm，而且不使用特殊的元器件结构及驱动条件也可确保数据稳定写入。这样，要想控制驱动LSI的成本，就必须采用单扫描方式。而且，打算应用于3D显示器时，还要支持240Hz驱动。另外，图中越向右走倾斜度越高，其原因在于，寄生容量增加使扫描波形变缓，实际选择时间的缩短速度超过了扫描线数增加的比率。
图2：对新一代FPD要求的TFT迁移率进行估计的示例设想的条件是：50英寸面板，采用Cu布线，TFT为Non-S/A结构，设计工艺为5μm。在得到 ITC'10允许后从发表资料转载而来。(点击放大)
图3汇总了2K×4K面板（追加了70英寸的估计值）和超高清面板要求的迁移率。从中可以看出，要想使2K×4K的大尺寸面板用途覆盖至3D，迁移率需要达到10cm2/Vs左右。
从以前公布的微结晶Si TFT及氧化物TFT的迁移率来看，氧化物TFT可用于2K×4K级的所有应用。而微结晶Si虽然施以各种手段后也有望实现该级别的应用，但还需要进一步提高迁移率。另外，要想将覆盖范围扩大至超高清的话，即使是氧化物TFT，特性也可能会出现不足，但业务用途的话，可以考虑采用双扫描。实际上，氧化物 TFT的用途范围还有望覆盖数字电影等领域。
[!--empirenews.page--]
图3：对新一代FPD要求的TFT迁移率进行的汇总 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允许后从发表资料转载而来。(点击放大)
如上所述，如果从设计角度来考虑TFT特性要求的话，氧化物TFT无疑是新一代FPD领域的最佳选择。虽然氧化物TFT在可靠性上还公认存在课题，但电压及电流的承受能力超过a-Si TFT的话，至少能够足以用于液晶面板。而且光泄漏电流的问题估计也可通过改进元器件结构得以解决。只要确保可靠性的实用性退火条件得以确立下来，也许立即就会多出一种选择，也就是“使用大尺寸底板进行量产”。
另外，在用于有源型有机EL面板时，阈值电压（Vth）稳定性的要求会更加严格。因此，当只通过工艺条件无法解决时，可能还需要采取补偿电路等对策。（特约撰稿人：松枝 洋二郎，松枝咨询）
参考文献
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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