2016年10月1日

超薄電視的未來(中)— LTPS、IGZO、OLED 技術

作者/曲建仲(臺灣大學電機工程學系博士,美商德州儀器公司市場行銷與資深應用工程師,負責嵌入式處理器與無線微控制器相關產品,應用在各種工業與消費性電子產品與物聯網。)

在本刊2016年6月號〈超薄電視的未來(上)〉,我們介紹了薄膜電晶體—液晶顯示器(TFT-LCD)的原理,那麼什麼又是低溫多晶矽(LTPS)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、有機發光二極體(OLED)呢?

什麼是多晶?
我們將固體材料的原子想像成一顆顆的彈珠,再將立體的原子(彈珠)排列簡化成平面的圓形來表示,如圖一所示,則固體材料的原子排列可以分為單晶(Single crystal)、多晶(Poly crystal)、非晶(Amorphous)三種。

材料的退火
先使固體材料的溫度升高,再「緩慢冷卻」會形成「單晶相」,稱為「退火(Anneal)」。當我們將固體材料的溫度升高,則原子與原子之間的距離增加,原子振動變大開始左右微小地移動,原子的排列會變得混亂,如果此時對其「緩慢冷卻」,則原子的溫度會緩慢地下降,不同固體材料的原子本來就有各自的單晶排列方式。問題就出在這裡!「理論上」原子在緩慢冷卻的過程中會恢復單晶的整齊排列,但是「實際上」使用緩慢冷卻的方式退火,原子不可能變回單晶的整齊排列,只能夠變成「原子排列比較整齊的多晶」而已。

至於固體材料的溫度要升到多高才足夠進行退火?這與固體材料的熔點有關,熔點愈高的固體材料原子愈不容易振動,所以需要愈高的溫度。一般而言,大約要將溫度上升到熔點(Melting point)的一半以上才夠,例如:矽的熔點大約1400˚C,則要使非晶矽變成單晶矽,至少要加熱到700˚C以上。加熱的溫度並不是愈高愈好,溫度太高固體材料會熔化,固體就變成液體。

 圖一:固體材料種類。

單晶(Single crystal)
整塊固體材料的原子都排列得很整齊稱為單晶。在科技產業的應用上,人工成長的矽晶圓、砷化鎵晶圓、藍寶石晶圓都屬於單晶,使用單晶來製作產品,主要是因為單晶固體原子排列得很整齊,因此電子流過單晶固體比較容易,亦即導電性較好,使得元件的運算速度較快,就好像操場上的學生們(原子)排列得很整齊,老師(電子)要由操場前面走到後面比較容易一樣。此外,單晶固體的硬度高、品質好,具有所有固體材料的優點,唯一的缺點就是製作不易,價格極高。

多晶(Poly crystal)
整塊固體材料的原子只有局部區域(大約數百奈米)排列得很整齊稱為多晶,由圖中可以看出整塊固體中只有局部區域的原子排列得很整齊,這些「局部區域」的大小約在數百奈米(nm)左右,大約和病毒尺寸差不多,而且不同的區域之間原子排列的方向不同,會形成「晶界(Grain boundary)」,但是整塊固體材料的原子排列看起來其實是有點混亂的。

在科技產業的應用上,多晶的半導體材料由於導電性較差,因此較少使用,除非是萬不得已,實在是做不出單晶或是使用單晶製作太昂貴時才會使用。例如在液晶顯示器上使用的「低溫多晶矽(LTPS:Low Temperature Poly Silicon)」,就是因為在玻璃上長不出單晶矽所以不得已才使用多晶矽;太陽能電池的矽原子由於需要大面積來吸收太陽光,使用單晶矽(矽晶圓)價格太高,所以可以使用多晶矽。

非晶(Amorphous)
整塊固體材料的原子都排列得很混亂稱為非晶,由於整塊固體中的原子都排列得很混亂,沒有任何規則,因此也沒有晶界存在。在科技產業的應用上,非晶材料由於導電性較差,因此較少使用,但是固體材料有許多是以非晶的形式存在,例如:玻璃、塑膠。不久前有公司開發出一種非晶的金屬材料稱為「液態金屬(Liquid metal)」或「金屬玻璃(Glassy metal)」就是屬於非晶材料。

薄膜電晶體─液晶顯示器(TFTLCD)
控制每一個畫素開關的薄膜電晶體(TFT)是直接製作在玻璃上,我們使用化學氣相沉積(CVD)在玻璃上方成長一層非晶矽,再將TFT製作在非晶矽上方,因為玻璃基板是「非晶」所以製作在上面的薄膜電晶體也是「非晶」,而非晶矽製作的TFT,導電性較差,工作速度較慢,而且面積較大,並不是很好的方式。......【更多內容請閱讀科學月刊第562期】

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