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低溫多晶矽

低溫多晶矽（Low-temperature polycrystalline silicon，LTPS）是一種與傳統方法（900°C以上）相比，在相對較低的溫度（~650°C及更低）合成的多晶矽。LTPS對顯示行業很重要，因為大型玻璃面板暴露在高溫下易變形。更具體地說，薄膜電晶體（LTPS-TFT）中使用多晶矽具有大規模生產平板液晶顯示器或圖像感測器等電子裝置的巨大潛力。[1]

多晶矽的發展

多晶矽（p-Si）是由許多晶體或高有序晶格顆粒組成的純導電元素形式。1984年，研究表明，非晶矽（a-Si）是形成結構穩定、表面粗糙度低的p-Si薄膜的絕佳前體。[2]矽薄膜採用低壓化學氣相沉積（LPCVD）合成，以儘量減少表面粗糙度。首先，非晶矽沉積在560-640°C。然後在950-100°C進行熱退火（再結晶）。從無定形薄膜開始，而不是直接沉積晶體，生產出具有優越結構和所需光滑度的產品。[3][4]1988年，研究人員發現，退火期間進一步降低溫度，加上先進的等離子體增強化學氣相沉積（PECVD），可以促進更高的電導率。這些技術對微電子、太陽能光電和顯示增強行業產生了深遠的影響。

用於液晶顯示器

 
液晶顯示器示意圖。當電流施加到電晶體上時，液晶對齊，不再旋轉入射偏振光。這會導致無法通過第二個偏振器傳輸，從而產生暗像素。

非晶矽TFT由於可以組裝成複雜的大電流驅動電路，因此在液晶顯示器（LCD）平板上得到了廣泛應用。無定形Si-TFT電極驅動液晶顯示器中晶體的對齊。向LTPS-TFT的演變可以帶來許多好處，例如更高的裝置解像度、更低的合成溫度和降低基板的價格。[5]然而，LTPS-TFT也有幾個缺點。例如，傳統a-Si元件中TFT的面積較大，導致孔徑比較小（即不透明TFT阻斷的面積，從而允許光線）。不同孔徑比的不相容性阻止了基於LTPS的複雜電路和驅動器整合到a-Si材料中。[6]此外，由於電晶體打開時溫度升高，LTPS的質素隨着時間的推移而下降，電晶體通過打破材料中的Si-H鍵來降解薄膜。這將導致裝置出現漏水故障和電流泄漏，特別是在細小電晶體中，它們散熱不良。

激光退火處理

 
雖然非晶矽缺乏晶體結構，但多晶矽由各種晶體或晶粒組成，每個晶格都有組織晶格。

XeCl準分子-激光退火（ELA）是通過激光輻照熔化a-Si材料產生p-Si的第一個關鍵方法。與a-Si相對應的多晶矽，可以通過某些程式從非晶矽合成，與廣泛使用的a-Si TFT相比有幾個優勢：

  1. 高電子移動率；
  2. 高解像度和孔徑比；
  3. 適用於電路的高度整合度。[7]

XeCl-ELA成功地將a-Si（厚度在500-10000A之間）結晶為p-Si，而無需加熱基板。[8]多晶形式具有較大的晶粒，由於晶界的散射減少，TFT的流動性更好。這項技術成功地整合了液晶顯示器中的複雜電路。 [9]

LTPS-TFT裝置的發展

 
用於驅動OLED的LTPS-TFT示意圖

除了TFT本身的改進外，LTPS能否成功應用於圖形顯示，還取決於電路的創新。最近的一項技術涉及像素電路，其中電晶體的出電流與閾值電壓無關，從而產生均勻的亮度。[10][11] LTPS-TFT通常用於驅動有機發光二極體（OLED）顯示器，因為它具有高解像度和大型面板的適應性。然而，LTPS結構的變化會導致訊號閾值電壓不均勻，使用傳統電路的亮度不均勻。新的像素電路包括四個n型TFT，一個p型TFT，一個電容器和一個控制圖像解像度的控制元件。[11] 提高TFT的效能和微平版印刷對於推進LTPS主動矩陣OLED很重要。這些許多重要技術使晶體薄膜的遷移率達到13cm2/Vs，並有助於大規模生產解像度超過500ppi的LED和液晶顯示器。[8]

特性 無定形矽 多晶矽
遷移率 (cm^2 /(V*s)) 0.5 >500
沉積方法 PECVD ELA
沉積溫度 350 °C 600 °C
顯示驅動整合 僅部分 System-on-glass
解像度 低 >500 ppi
成本 低 相對較高

低溫多晶氧化物

低溫多晶氧化物（LTPO）是一種由蘋果公司最早開發的OLED顯示背板技術，將低溫多晶矽和氧化物的薄膜電晶體結合起來而成。在LTPO中，開關電路為低溫多晶矽，而驅動薄膜電晶體則使用氧化銦鎵鋅[12]。利用LTPO可以在螢幕上實現可變重新整理頻率，可以根據顯示的內容調整重新整理頻率。螢幕可以在顯示靜態圖片和文字時使用較低的重新整理頻率，在播放影片或遊戲時使用高重新整理頻率。因此，一些智能電話、手錶等電子產品使用LTPO技術，以延長電池的使用時間[13]。

參見


參考資料

  1. ^ Fonash, Stephen. "Low Temperature Crystallization and Patterning of Amorphous Silicon Film On Electrically Insulating Substrates." United States Patent (1994). Print.
  2. ^ Harbeke, G., L. Krausbauer, E.F. Steigmerier, and A.E. Widmer. "Growth and Physical Properties of LPCVD Polycrystalline Silicon Films." Journal of the Electrochemical Society (1984): 675. Print.
  3. ^ Hatalis, Miltiadis K., and David W. Greve. "Large Grain Polycrystalline Silicon By Low-Temperature Annealing Of Low-Pressure Chemical Vapor Deposited Amorphous Silicon Films." Applied Physics 63.07 (1988): 2266. Print.
  4. ^ Hatalis, M.K., and D.W. Greve. "High-Performance Thin-Film Transistors In Low-Temperature Crystallized LPCVD Amorphous Silicon Films." IEEE Electron Device Letters 08 (1987): 361–64. Print.
  5. ^ Zhiguo, Meng, Mingxiang Wang, and Man Wong. "High Performance Low Temperature Metal-Induced Unilaterally Crystallized Polycrystalline Silicon Thin Film Transistors for System-on-Panel Application." IEEE Transactions On Electron Devices 47.02 (2000). Print.
  6. ^ Inoue, Satoshi, Hiroyuki Ohshima, and Tatsuya Shimoda. "Analysis of Degradation Phenomenon Caused by Self-Heating in Low-Temperature-Processed Polycrystalline Silicon Thin Film Transistors." Japanese Journal of Applied Physics 41 (2002): 6313-319. IOP Sciences. Web. 2 Mar. 2015.
  7. ^ Kuo, Yue. "Thin Film Transistor Technology—Past, Present, and Future." The Electrochemical Society Interface (2013). Electrochemical Society Interface. Web. 1 Mar. 2015.
  8. ^ 8.0 8.1 Sameshima, T., S. Usui, and M. Sekiya. "XeClExcimer Laser Annealing Used in the Fabrication of Poly-Si TFT's." IEEE Electron Device Letters 07.05 (1986): 276-78. IEEE Xplore. Web. 2 Mar. 2015.
  9. ^ Uchikoga, Shuichi. "Low-Temperature Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistor Technologies for System-on-Glass Displays." MRS Bulletin (2002): 881-86. Google Scholar. MRS Bulletin. Web. 2 Mar. 2015.
  10. ^ Banger, K. K., Y. Yamashita, K. Mori, R. L. Peterson, T. Leedham, J. Rickard, and H. Sirringhaus. "Low-temperature, High-performance Solution-processed Metal Oxide Thin-film Transistors Formed by a 『sol–gel on Chip』 Process." Nature Materials (2010): 45–50. Nature Materials. Web. 2 Mar. 2015.
  11. ^ 11.0 11.1 Tai, Y.-H., B.-T. Chen, Y.-J. Kuo, C.-C. Tsai, K.-Y. Chiang, Y.-J. Wei, and H.-C. Cheng. "A New Pixel Circuit for Driving Organic Light-Emitting Diode With Low Temperature Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistors." Journal of Display Technology 01.01 (2015): 100-104. IEEE Xplore. Web. 2 Mar. 2015.
  12. ^ Mertens, Ron. LTPO backplane technology - introduction and news. OLED Info. 2019-02-10 [2023-02-24]. （原始內容存檔於2019-02-27）. 
  13. ^ Moore-Colyer, Roland. What is LTPO? How this tech delivers killer phone displays. Tom's Guide. 2021-04-02 [2023-02-24]. （原始內容存檔於2024-05-10） （英語）. 
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