基于半導體技術的平板顯示器及其進展

吳祥晟　彭亮亮

摘要：綜述了近年來有源矩陣液晶顯示器、場發射顯示器和發光二極管顯示器的研究進展，重點介紹了它們的工作原理、結構和某些關鍵制備技術，并對它們的發展前景作了簡要的展望。

關鍵詞：信息顯示；液晶顯示器；場發射顯示器；發光二極管

近年來，平板顯示器的發展令人矚目，主要是因為這類顯示器與目前占統治地位的陰極射線管（CRT）相比具有薄的體積、輕的重量、低的功耗及堅固抗震的特點。專家們預言用平板顯示器代替CRT已成為下一代顯示技術的主流。在當今信息時代，信息顯示是信息科學技術的最重要環節之一，因此世界各國都投入了巨大的人力和物力對各種平板顯示器進行研究。特別是一些基于半導體技術的平板顯示器，由于使用了VLSI制造技術，已經取得了長足的進步并成為半導體產品發展的又一新領域。

1、有源矩陣液晶顯示器

1.1AMLCD的結構及原理

AMLCD主要由背景光、偏光片、薄膜晶體管陣列、像素尋址電極、液晶、彩色濾光片和玻璃基板組成。其核心是由像素電極夾住的扭曲向列效應（也稱為TN效應）液晶構成的液晶面板。當沒有電壓施加到電極時，電極之間的液晶對光是透明的；當電壓施加到電極板時，液晶產生TN效應，阻止偏振光的通過并使像素變暗。通過施加到電極上的電壓來改變顯示器的灰度，并且通過在公共電極板上形成紅色、綠色和藍色濾色器并采用標準的白色TN型液晶顯示模式來獲得彩色像素。在這種情況下，只要液晶材料、濾色器和液晶厚度被全面優化，就可以獲得非常好的彩色顯示。為了獲得高對比度，明亮的色彩和快速的響應速度，目前的AMLCD采用了以薄膜晶體管TFT作為驅動元件的液晶面板結構。在像素電極板上形成彼此絕緣的行電極和列電極之后，通過諸如薄膜沉積和光刻的半導體技術在其交叉點處準備TFT。TFT的柵極、源極和漏極中的每一個分別連接到行電極，列電極和顯示像素。該電壓依次施加到每個行電極，并且與TFT的輸出同步地將電壓信號施加到列電極，可以控制正在進行行掃描的每個像素的顏色和亮度。

1.2TFT制備技術的發展

在大面積玻璃基板上制備AMLCD像素驅動TFT陣列是一種工藝要求高的關鍵技術，其質量決定了顯示器的質量，成為半導體器件工作者的一個重要研究課題。傳統AMLCD中的TFT均由a-Si材料制成。隨著AMLCD屏幕的增加和分辨率的提高，a-SiTFT的載流子遷移率和微弱電流驅動能力受限，不能滿足高清大屏幕顯示器的要求，而且要擴大一些用于顯示矩陣的器件外部的高速單晶硅器件驅動電路。解決這一問題的理想方法是用p-SiTFT代替a-SiTFT，因為p-SiTFT有高的載流子遷移率，其電流驅動能力比a-Si高2個量級。這樣不但可以滿足高質量顯示的要求，而且可以把擴展的Si器件外設電路用p-SiTFT實現，并集成在顯示板內。在普通的玻璃基板上獲得p-Si膜的方法主要采用激光退火法。由于準分子激光的高能量密度和短的處理時間及Si對UV光的高吸收系數，對基板不會產生熱損傷，可以獲得高質量的p-Si膜。

2、場發射顯示器

2.1FED的原理與特點

盡管AMLCD占據了平板顯示器的大部分市場，但它有許多缺點。首先，因為液晶是偏振光，所以顯示視角較小；顯示器需要背景燈才能使功耗更高；液晶性能的限制使其工作溫度范圍變窄。其次，AMLCD的生產成本較高，用于大面積AMLCD的TFT基板制備工藝的性能不在VLSI下，因此產率低。基于真空微電子學的場發射平板顯示器（FED）理論上優于AMLCD顯示器。它由一個基礎基板、一個場發射陣列和一塊熒光粉涂覆的前面板組成。每個發射陣列單元又是微真空電子管，其發射陰極制成錐形，在尖端附近具有圓孔形柵格，并且陽極具有鍍熒光粉的前板。通常每個像素都由數千個發射錐組成，當柵極相對于襯底施加正向電壓時，由于在陰極錐形處產生的強電場，由陰極發射的電子束將飛向陽極。磷光發光。可以看出，FED的工作原理類似于CRT，不同之處在于FED的每個像素都有自己的電子束源，所以它可以制成只有幾毫米的平板結構。低工作電壓，重量輕，功耗低，同時克服了AMLCD對背景光，小視角和窄工作溫度范圍需求的缺點，已成為平板顯示家族的后起之秀。

2.2場發射陰極材料與制備

FED的核心過程是制備大面積均勻的場發射陣列和用作發射陰極的材料。難熔金屬Mo通常用作發射陰極材料。在玻璃襯底上制備陰極電極層之后形成SiO2絕緣層，柵極金屬層被沉積在SiO2的頂部，并且該孔被蝕刻并蝕刻以形成微腔。在放電方向上通過Ni的蒸發在柵電極上形成保護層，并且使用掠入射蒸發來防止M沉積到微腔中。然后以垂直入射方式將Mo沉積到微腔中，形成錐形的錐形發射陰極，直到通過Mo積累關閉微腔之上的孔。最后，去除Ni保護層上方的結構并形成發射陣列。場發射陣列的制造需要亞微米光刻技術，并且針對FED開發的激光全息光刻目前正被用于有效蝕刻出<0.5μm的孔陣列。由于每個像素對應于數千個發射抽頭，如果某些發射失敗不影響像素的顯示，這種自我冗余特性有助于提高產品良率。

3、發光二極管顯示器

發光二極管（LED）顯示器具有高亮度、低能耗、長壽命、響應快和無輻射的特點，幾乎占據了所有主要的大屏幕顯示市場，廣泛的用于機場、商店、車站、股票市場和大型廣告牌等許多方面。特別是最近幾年以GaN為基礎的III-V族半導體材料和器件方面取得了突破性進展，導致了GaN基藍光LED進入市場，并被用于全色大屏幕顯示器，使LED顯示器的發展進入了一個新階段。據報道日本已應用GaN藍光與市場售的紅、綠光LED開始了對角線50英寸全晶體化長壽命全色平板顯示器的研制。

除了無機半導體LED之外，近年來基于有機發光二極管（OLED）的平板顯示器也展現出吸引人的前景。由于OLED是一種高亮度、低成本、低激勵電壓、制備工藝簡單的新型發光器件。它通常由陰極（MgAg）、陽極（1TO）、空穴和電子傳輸層以及發光層組成。當ITO正向偏置并且MgAg被負偏置時，從兩個電極注入的空穴和電子在發光層中重新結合。空穴傳輸層和電子傳輸層的作用是增加注入到發光層中的空穴和電子的密度，從而提高發光效率。0LED的發光顏色可以通過選擇不同的本征發光層材料或通過在有機層中摻人不同的染料來實現。在有機平板顯示器的發展中，沿厚度方向垂直堆疊三色OLED薄膜結構的像素結構引起了極大興趣。由于這種像素結構可以獲得非常高的圖像分辨率。由于兩個OLED是獨立驅動的，通過改變它們的驅動電壓比（VR/VB），可以獲得紅光（655nm）和藍光（470nm）線性疊加輸出光譜。雖然沒有這種類型的產品可用，但由于其自身的優勢，它們將在未來的信息顯示中占有一席之地。

4、結語

綜上所述，基于半導體技術的平板顯示器已經取得了很大的成就。就上述幾種平板顯示器而言，AMLCD是相對發展較成熟的平板顯示器，今后的發展方向是大于12英寸的彩色顯示器，用途將更廣泛，但由于自身的一些缺點正在受到來自FED的嚴峻挑戰。FED僅實現了6英寸以下顯示器的制備，要超過AMLCD需付出艱苦的努力。對于OLED，由于其新穎的特性正在成為平板顯示器領域的一個新增長點。總之，隨著平板顯示器的成熟，將會引起信息顯示領域的深刻變革，并在未來的信息社會中大顯身手

（作者單位：南京中電熊貓平板顯示科技有限公司）