“新一代显示器”发展的关键 详解IGZO技术

　　IGZO（indium gallium zinc oxide）为铟镓锌氧化物亦称金属氧化物。IGZO（indium gallium zinc oxide）为铟镓锌氧化物的缩写，非晶IGZO材料是用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料。IGZO材料由日本东京工业大学细野秀雄最先提出在 TFT行业中应用，目前该材料及技术专利主要由日本厂商拥有，IGZO-TFT技术最先在日本夏普公司实现量产。 IGZO是铟（Indium）、镓（Gallium）、锌（Zinc）、氧（Oxygen）四个单词的缩写，我们也可以称他为铟镓锌氧化物，所以可以说，IGZO只是一种材料。

　　IGZO的由来怎么发现的？

　　全球最早发现IGZO具有可在均一性极佳的非结晶状态下实现不逊于结晶状态的电子迁移率特性的是日本东京工业大学前沿技术研究中心&应用陶瓷研究所教授细野秀雄。

　　细野秀雄教授在一次专业研讨会上介绍了IGZO发现的过程：“我自1993年起开始研究透明氧化物半导体材料。最初研究的是结晶材料。同时，我对非结晶材料也怀有强烈兴趣。当时业界普遍认为，包括硅在内，“非结晶材料的电子迁移率比结晶材料要低3～4个数量级”。我觉得这种看法不对。我认为以硅为代表的共价键合性物虽然有这样的性质，但像素氧化物那样的离子结合性物质应该与此不同。”

　　但问题是，离子结合性的物质很难形成非结晶状态。“不过，我发现如果从气相材料开始制作的话，就比较容易形成非结晶状态。最初，只发现了1种令人感兴趣的材料。通过描绘这种材料的电子轨道，我发现很可能有大量的非结晶的透明氧化物”。

　　要想作为TFT（薄膜晶体管）来使用，则必须是可对载体进行控制的物质。迁移率多少牺牲一些不要紧，但可随意转换成导电体或者绝缘体这一点至关重要。有一种电子迁移率较高、且作为透明导电氧化物也十分出色的代表性材料，这就是IZO（In-Zn-O）。然而，这种材料很难制成绝缘体，无法直接应用于TFT。“于是我想出了一个方法，即：掺入Ga（镓）后将其制成IGZO。掺入了Ga之后，电子迁移率会降至IZO的1/3，即便如此，仍可保证250px2/Vs的迁移率。迁移率如果达到250px2/Vs，作为显示器驱动用已足够。”

　　2003年，J．F．Wager，R．L．Hoffman等人分别在Science，Applied PhysicsLetters等权威杂志上发表了以ZnO-TFT为代表的透明氧化物薄膜晶体管相关研究报告，并提出透明电子学（Transparent Electronics）概念。这类氧化物半导体器件具有制备温度低、载流子迁移率高以及在可见光波段全透明等优点，在一段时间内掀起了研究高潮，国内外很多研究机构都进行了相关研究，但ZnO、SnO等薄膜易形成多晶态，存在不可忽视的大量晶界和氧缺陷，并且器件稳定性差，特性随时间变化显著，这些都阻碍了其进一步发展。2004年，Nomura等人在Nature上发表了m（In）：m（Ga）：m（Zn）=1.1：1.1：0.9的混合型氧化物薄膜晶体管，即a-IGZO TFT，在很多方面显示出良好的性能。该文刊登后不久，国外很多研究机构也开始通过磁控溅射、激光脉冲沉积（PLD）或溶液旋涂（Solution-Processed）等手段制备出a-IGZOTFT、a-IZO TFT等器件。#p#

　　IGZO屏幕优势很多么？

　　相比于传统非晶硅a-Si材料，IGZO载流子迁移率更高，大约为10cm2/Vs。所以更少的材料就可以满足要求，使管子尺寸更小，减少像素面积，使设备更轻薄；全透明，对可见光不敏感，能够大大增加元件的开口率，提高亮度，降低功耗。另外，工艺温度比a-Si低，而且具有很好的弯曲性能，能够很好地配合柔性OLED。

　　相比于低温多晶硅LTPS材料，IGZO 没有屏幕尺寸的限制，小尺寸也可以做，大尺寸一样可行，而LTPS难以生产大尺寸高分辨率的面板。另外，在生产方面，原有的非晶硅面板生产线要改造为LTPS生产线，需要较为复杂的过程，需要的资金也很多，而改造成IGZO面板只是对现有的非晶硅面板生产线进行改良，要容易很多，且不限制生产线的世代数。

　　（1）由于漏电流小，画无更新时可以切断电流，可以进一步提高省电效果。（2）分辨率更高了，与使用a-Si的传统液晶屏幕相比，可在保证透过光量的同时提高单位面积的像素数，根本原因还是IGZO的迁移率率更高，可以缩小体积，这样分辨率就提升了。（3）使触摸屏更灵敏。可采用间歇驱动方式，降低液晶显示器驱动电路产生的噪声对触摸屏检测电路造成的影响，从而实现了更高的触摸灵敏度。

　　不同半导体材料特性对比

　　IGZO工作原理和结构模型都有哪些？

　　非晶金属氧化物IGZO由In2O3、Ga2O3和ZnO构成，禁带宽度在3.5eV左右，是一种N型半导体材料。In2O3中的In3+可以形成5S电子轨道，有力于载流子的高速传输，电子的迁移率在875px2/V·s；Ga2O3有很强的离子键，可以抑制O空位的产生；ZnO中的Zn2+可以形成稳定西面体结构，可以使金属氧化物IGZO形成稳定的非晶结构。因此，金属氧化物IGZO适用于制作高迁移率薄膜晶体管。材料特性总结为4点：高迁移率；易于低温溅射工艺；同质（没有晶界）；光学透明。

　　金属氧化物晶相与元素比例对于迁移率的影响

　　目前金属氧化物IGZO-TFT的结构主要有刻蚀阻挡型（Etch Stop Type）、背沟道刻蚀型（Back Channel Etch Type）和共面型（Coplanar Type）三种类型。按制作工艺可分为5Mask、6Mask、7Mask。下表简列了不同Mask数结构的比较。

　　常见IGZOTFT结构#p#

　　IGZO屏幕技术障碍、缺点及解决方案

　　IGZO存在着一些本质上的缺点。首先是新型材料普遍存在的长时间工作可靠度与稳定性问题，寿命短。另外，IGZO对水以及氧都相当敏感，所以必须在它表面镀上一层保护层，来隔离空气中的氧气和水蒸气。IGZO并不是完美的材料，但是目前来讲，它确实是屏幕的最佳的选择。IGZO TFT的工作特性对周围气氛很敏感，如氧气，湿气，氢的含量等。可以这样解释，在还原氛围中退火会形成氧缺陷，或者在包含H2的气氛中退火掺入的H，或者在低温下离子注入都很容易的增加半导体导电性。氧缺陷和H掺杂充当了浅施主，同时产生移动电子。这个问题可以解决，通过使用顶保护层（钝化层）包含SiOx，SiNx或者类似的东西，可以隔绝O-，H2O-，或者H-相关的分子的渗透和扩散。另一方面，对于还原气氛与氢的这种敏感可以被利用，来形成改善的源漏极接触。

　　另外a-IGZOTFT的光响应。亚带隙光响应源于VBM上的亚带隙缺陷态密度（DOS）。因此，亚带隙光响应可以通过移除深DOS来解决，它的存在可以在一定程度上通过选择合适的沉积条件来控制。

　　虽然金属氧化物相对于非晶硅和低温多晶硅具有很多优势，但是其也存在一些不足。图4为IGZOTFT在高温偏压稳定性测试过程中，其特性变化情况。可以看出在负偏压下IGZO TFT Vth变化幅度很大，最大达到10V。在显示过程中，TFT大部分时间是处于关闭的状态，所以Vth漂移是TFT不稳定的主要特征。TFT特性的长期稳定性，真正源头来自持续偏压下的所形成的受主型电子陷阱。另外也有指出不稳定性部分原因来源于O-，H2O-相关的分子的吸附和解吸，而合适的钝化层的使用可以改善稳定性。

　　IGZO TFT在偏压可靠性测试中转移特性曲线变化情况（a）Vgs=35V，温度60℃（b）Vgs=-35V，温度60℃， Vds=10V

　　除了栅极负向偏压会对TFT特性产生影响，光照是另外一个不可忽略因素。如下图所示为IGZOTFT在无光照以及光照条件下，TFT转移曲线变化情况，可以看出随着光强的增加，Vth表现为向负向移动。

　　沟道在光照下转移特性曲线变化情况

　　为什么oxide TFT适合大尺寸超高清显示面板

　　Oxide TFT是一种薄膜晶体管，比普通的非晶硅（a-Si）TFT电子迁移率（电子移动的速率）快几十倍，Oxide TFT可提高液晶面板像素的透过率，较易实现高精细化、高解析度和更大尺寸。

　　目前，大尺寸面板普遍采用a-SiTFT驱动。随着显示屏分辨率越高画面尺寸越大，Gate Line数目和Gate Line 长度会增加，Gate是将输入的信号依次驱动，因此会引发信号传达延误等问题，且a-Si TFT迁移率很低，导致像素点无法在有限的时间内充满电，从而无法正常显示。

　　一般来讲，实现55inch 4K规格以上的显示面板，一方面需采用铜制程降低RC延迟，另一方面需采用迁移率更高的Oxide TFT。

　　现在，大部分家庭都有42inch以上的液晶电视，但是如果你走近电视摸一摸它的屏幕，是不是感觉很热？发热是合理的，因为它采用a-Si TFT，TFT尺寸必须做大才能驱动。然而TFT尺寸大了就会影响像素透过率，要达到一定亮度，必须提高背光源的功率，所以电视机就会发热。但是如果采用Oxide TFT，功率会下降很多，发热也就不会那么严重了。#p#

　　IGZO技术是夏普独有么？

　　细野秀雄教授关于IGZO的主要研究成果早在2002年就已经通过论文进行了发表；2010年12月10日，在北京举办的“中国·北京2010年国际平板显示产业高峰论坛”上细野秀雄教授也对非结晶氧化物半导体发表主题演讲。由于该技术正好符合正在寻找以OLED为代表的“新一代显示器”驱动用元件的面板厂商的需求，因此许多企业对此表现出极大关注。

　　不只夏普，***企业友达、奇美和内资企业京东方等等都在对IGZO进行研究，其中友达已经成功试制出了10.1英寸IGZO及时液晶面板。

　　所以IGZO并不是夏普独有，但是夏普是第一个对IGZO技术液晶面板进行量产的企业，也是最早实际在产品上应用IGZO面板的企业之一，这就是老郭钟情的原因么？