TFT-LCD白點(diǎn)不良機(jī)理研究及改善

劉 信， 高玉杰， 郭 坤， 楊 志， 程 石， 林鴻濤， 毛大龍，盛子沫， 趙 劍， 吳 偉， 郭會(huì)斌， 江 鵬

(1. 武漢京東方光電科技有限公司，湖北 武漢 430040；2. 北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著生活水平提升，人們對(duì)顯示器的品質(zhì)需求越來越高，高分辨率、高刷新頻率、高對(duì)比度、高亮度等高端產(chǎn)品逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)。高端產(chǎn)品開發(fā)必然帶來成本和周期的上升，進(jìn)而影響企業(yè)收益，因此各企業(yè)不斷采取各項(xiàng)措施來降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本[1-2]。四道掩膜版工藝是各工廠為降低生產(chǎn)成本而普遍采用的一種曝光工藝，相比于五道掩膜版工藝，減少了一道光刻工藝，即有源層和數(shù)據(jù)線采用一道掩膜版完成，用半曝光替代全曝光，減少工藝流程，提升工廠產(chǎn)能，增加產(chǎn)品收益。但四道掩膜版工藝會(huì)使數(shù)據(jù)線下方存在有源層，在顯示器使用時(shí)，光照會(huì)使有源層導(dǎo)電，等效于數(shù)據(jù)線寬度增加[3-4]。高端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在考慮工藝波動(dòng)的情況下，其走線寬度和間距均處于極端值，四道掩膜版工藝帶來的實(shí)際數(shù)據(jù)線寬度增加加重了液晶顯示器的負(fù)載，影響產(chǎn)品畫質(zhì)及良率，本文研究的白點(diǎn)不良就是其中的一例。

對(duì)于任何一種高端顯示器的開發(fā)，產(chǎn)品性能和良率一樣重要。本文主要研究了四道掩膜版工藝導(dǎo)致白點(diǎn)不良的原因，通過光照和高溫實(shí)驗(yàn)，明確了不良發(fā)生的機(jī)理。同時(shí)研究了柵極和源極的耦合電容及子像素存儲(chǔ)電容對(duì)白點(diǎn)不良的影響，通過工藝調(diào)整相應(yīng)的幾何尺寸和膜厚，解決白點(diǎn)不良，為后續(xù)高端產(chǎn)品的四道掩膜版設(shè)計(jì)及工藝提供了可行性方案。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇尺寸和分辨率相同的模組，將其分為4組，用于光照實(shí)驗(yàn)。選用不同工藝模組產(chǎn)品A、B、C、D研究柵/源極電容與白點(diǎn)的關(guān)系；模組產(chǎn)品B、E用于研究子像素存儲(chǔ)電容與白點(diǎn)的關(guān)系。

2.1 直流實(shí)驗(yàn)

TFT-LCD正常顯示時(shí)，柵極和數(shù)據(jù)信號(hào)均為交流電。對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)，本實(shí)驗(yàn)將柔性電路板除掉，酒精清洗各向異性導(dǎo)電膠，在焊盤(Bonding Pad)涂上銀漿，外接直流電源，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)為直流電。該樣品采用柵極驅(qū)動(dòng)功能集成在陣列基板上的GOA(Gate Driver on Array)設(shè)計(jì)[5-6]，將GOA所有信號(hào)CLK/STV/VDDO/ VDDE/VGL等設(shè)置為高電壓，可實(shí)現(xiàn)柵級(jí)直流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察并記錄白點(diǎn)現(xiàn)象等級(jí)。

2.2 光照實(shí)驗(yàn)

第1組(1-1#～1-3#)為參考組，TFT朝下放置(正常放置)，被背光源照射；第2組(2-1#～2-3#)彩膜朝下放置(翻轉(zhuǎn)放置)，被背光源照射；第3組(3-1#～3-3#)在正常放置情況下，將白點(diǎn)區(qū)域下方用黑色墊片遮擋，樣品背光源光照；第4組(4-1#～4-3#)在正常放置情況下，將白點(diǎn)以外其他區(qū)域下方用黑色墊片遮擋，樣品背光源光照。以上實(shí)驗(yàn)每隔24 h進(jìn)行觀察，以上分別記錄白點(diǎn)現(xiàn)象等級(jí)。

2.3 高溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)

將完成光照實(shí)驗(yàn)的第1組樣品(1-1#～1-3#)放入高溫爐中，溫度為150 ℃，每隔2 h，進(jìn)行現(xiàn)象觀察，記錄白點(diǎn)現(xiàn)象等級(jí)。

3 結(jié)果與討論

3.1 電信號(hào)對(duì)白點(diǎn)的影響

為研究掃描/數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)白點(diǎn)不良的影響，本文設(shè)計(jì)了不同組合的信號(hào)加載到顯示屏上，觀察白點(diǎn)現(xiàn)象，其結(jié)果如表1所示。

表1 掃描/數(shù)據(jù)信號(hào)與白點(diǎn)現(xiàn)象的關(guān)系Tab.1 White dot phenomenon vs. gate/data signal

從表1可以看出，施加直流掃描信號(hào)時(shí)，白點(diǎn)消失。相比于交流，直流無電壓跳變，可以消除數(shù)據(jù)線與掃描線的電容對(duì)像素電壓的影響，即反沖電壓(ΔVp)[7-8]的影響。施加直流數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，白點(diǎn)消失，此時(shí)掃描信號(hào)仍為交流，ΔVp的存在會(huì)影響像素電壓，但數(shù)據(jù)信號(hào)處于直流，即使掃描信號(hào)處于關(guān)閉狀態(tài)，由于漏電流的存在，像素仍處于一定的充電狀態(tài)，可以抵消大部分由于ΔVp不同導(dǎo)致的像素電壓差異。另外，同時(shí)給掃描/數(shù)據(jù)線施加直流信號(hào)，白點(diǎn)依然消失。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，白點(diǎn)不良是由于存在ΔVp，導(dǎo)致白點(diǎn)與其他區(qū)域的像素電壓不同，使其最佳公共電壓不一致，從而出現(xiàn)黑白的差異，導(dǎo)致白點(diǎn)，以下做詳細(xì)說明。

如圖1所示，公共電壓的電位是依據(jù)屏內(nèi)多數(shù)像素閃爍程度確定的，可以認(rèn)為對(duì)于多數(shù)像素，公共電壓的電位是在綜合考慮了ΔVp和漏電流的基礎(chǔ)上，保證了像素的正負(fù)幀電壓的對(duì)稱(大小設(shè)為a)。但對(duì)于白點(diǎn)區(qū)域，由于該區(qū)域的ΔVp與其它區(qū)域存在差異，因此白點(diǎn)區(qū)域與其他區(qū)域的最佳公共電壓存在差異(設(shè)為c，可正可負(fù))。

圖1 像素與公共電極間的電壓示意圖Fig.1 Schematic illustration of the voltage between the pixel and the common electrode

本樣品為常黑模式，像素電極與公共電壓之間的有效電壓越大，像素的亮度越高。因此，對(duì)于正常區(qū)域和白點(diǎn)區(qū)域，像素亮度可以分別用式(1)和式(2)定性地表示。

正常區(qū)域亮度：

a2+a2=2a2

(1)

白點(diǎn)區(qū)域亮度：

(a+c)2+(a-c)2=2(a2+c2)

(2)

顯然，白點(diǎn)區(qū)域亮度高于正常區(qū)域亮度，因此該區(qū)域發(fā)白。

3.2 光照/溫度對(duì)白點(diǎn)的影響

我們研究了照射不良樣品的不同區(qū)域，白點(diǎn)的變化情況，并對(duì)其中部分樣品進(jìn)行了高溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2和表3。

表2 光照條件與白點(diǎn)現(xiàn)象的關(guān)系Tab.2 White dot phenomenon vs. light conditions

續(xù) 表

表3 高溫老化與白點(diǎn)現(xiàn)象的關(guān)系Tab.3 White dot phenomenon vs. high temperature aging

從表2、3可以看到，TFT朝下放置狀態(tài)下被背光源照射，白點(diǎn)不良逐漸減輕；彩膜朝下放置狀態(tài)下被背光源照射，白點(diǎn)不良無變化。同時(shí)，背光源照射白點(diǎn)外區(qū)域，白點(diǎn)現(xiàn)象無變化；照射白點(diǎn)區(qū)域，白點(diǎn)現(xiàn)象消失。從中不難看出，不良受彩膜基板黑矩陣下TFT基板上有源層光照導(dǎo)電性能的影響。將白點(diǎn)消失樣品進(jìn)行高溫存儲(chǔ)，白點(diǎn)均復(fù)現(xiàn)。從該實(shí)驗(yàn)可以看出，白點(diǎn)區(qū)域有源層受Staebler-Wronski效應(yīng)影響，改變有源層的導(dǎo)電性，ΔVp發(fā)生變化又得到了還原，使白點(diǎn)在光照下消失，在高溫下復(fù)現(xiàn)。

Staebler-Wronski效應(yīng)現(xiàn)象為a-Si∶H在可見光持續(xù)照射下，暗電導(dǎo)率和光電導(dǎo)率會(huì)隨時(shí)間的增加而下降，在150 ℃以上的溫度下退火可恢復(fù)。采用電子自旋共振進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在光照情況下，a-Si∶H中的懸掛鍵(Dangling Bond，DB)信號(hào)強(qiáng)度增加。針對(duì)非摻雜的a-Si∶H，導(dǎo)帶的電子遷移率比空穴電子遷移率大得多，電流主要通過電子傳輸形成。隨著光照的進(jìn)行，DB密度逐漸增加，靠近費(fèi)米能級(jí)的深能級(jí)和其態(tài)密度均增加，導(dǎo)帶內(nèi)躍遷電子的壽命減少，導(dǎo)致光導(dǎo)率減小。在a-Si∶H中，光的電導(dǎo)率與遷移率和載流子壽命的乘積成正比，光的照射對(duì)遷移率的影響非常小，因此載流子壽命的減少是光電導(dǎo)率降低的主要原因。另外，在光照射下，躍遷的帶間距內(nèi)態(tài)密度增加。在光照射前，躍遷帶間距中央靠近導(dǎo)帶側(cè)的費(fèi)米能級(jí)向價(jià)帶方向移動(dòng)，所需的活化能增加，因此暗電導(dǎo)率也減少。

對(duì)于Staebler-Wronski效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外主要有3種解釋模型。一是弱鍵斷裂模型(圖2)，其機(jī)理為Si—Si弱鍵中的Si原子存在一個(gè)Si—H鍵，當(dāng)兩個(gè)載流子在弱Si—Si鍵附近復(fù)合時(shí)，其中部分能量以聲子的非輻射方式釋放出來，使膜中的Si—Si弱鍵斷裂，形成兩個(gè)臨時(shí)懸掛鍵，為了達(dá)到更穩(wěn)定的亞穩(wěn)狀態(tài)，鄰近原子會(huì)在小范圍內(nèi)發(fā)生重構(gòu)，其中一個(gè)Si原子的Si—H轉(zhuǎn)向懸掛處，從而增加了懸掛鍵缺陷態(tài)密度[8]。二是“氫玻璃”模型(圖3)，在光照下，H從Si—H鍵中脫離出來并在a-Si∶H中移動(dòng)，這種移動(dòng)的H造成了弱Si—Si的熱力學(xué)斷裂，從而形成兩個(gè)懸掛鍵缺陷，增加了懸掛鍵缺陷態(tài)密度[9-10]。三是氫碰撞模型(圖4)，光照射下，誘導(dǎo)Si—H鍵斷開，形成1個(gè)懸掛鍵和1個(gè)可移動(dòng)的H原子，當(dāng)兩個(gè)可自由移動(dòng)的H原子在運(yùn)動(dòng)過程中在弱Si—Si鍵附近發(fā)生碰撞時(shí)，弱的Si—Si鍵斷裂，形成了亞穩(wěn)的不可移動(dòng)的化合物(Si—H)2，增加了2個(gè)懸掛鍵，因此造成了H的聚集和懸掛鍵的增多，導(dǎo)致懸掛鍵缺陷態(tài)密度增加[11]。

圖2 弱鍵斷裂模型中 Staebler-Wronski效應(yīng)微觀機(jī)理Fig.2 Microscopic mechanism of the SW effect in SJT model

圖3 “H 玻璃”模型中懸掛鍵形成示意圖Fig.3 Schematic illustration of dangling bond formation corresponding to H-glass model

圖4 氫碰撞模型示意圖Fig.4 Schematic illustration of hydrogen collision model

3.3 柵/源極電容和存儲(chǔ)電容對(duì)白點(diǎn)不良的影響

通過實(shí)驗(yàn)研究，白點(diǎn)是由于該區(qū)域的ΔVp與鄰近區(qū)域差異導(dǎo)致，結(jié)合ΔVp的計(jì)算公式：

(3)

對(duì)于掃描信號(hào)確定的產(chǎn)品，ΔVp主要受到TFT基板各耦合電容、液晶電容及存儲(chǔ)電容的影響，其中柵/源極耦合電容的影響較大。本文主要研究了柵/源極電容和存儲(chǔ)電容對(duì)白點(diǎn)不良的影響。

3.3.1 柵/源極電容對(duì)白點(diǎn)不良的影響

柵/源極電容為TFT開關(guān)舌頭處源極與柵極的耦合產(chǎn)生，對(duì)于四道和五道掩膜版，如圖5所示，主要區(qū)別為數(shù)據(jù)線下方是否存在有源層，結(jié)合平行板電容公式：

(4)

圖5 信號(hào)線下有無半導(dǎo)體截面圖Fig.5 Sectional view of the data line with/without amorphous silicon layer

其大小主要受到源極寬度和柵絕緣層厚度影響，源極寬度體現(xiàn)為數(shù)據(jù)線側(cè)邊保留的有源層，即硅邊。本文主要研究了不同的硅邊寬度對(duì)白點(diǎn)的影響，其結(jié)果如表4所示。

表4 硅邊寬度與白點(diǎn)現(xiàn)象的關(guān)系Tab.4 White dot phenomenon vs. active tail width

從表4可以看出，隨著硅邊的減小，由于數(shù)據(jù)線與掃描線的交疊面積減小，使柵極和源極耦合電容減小，白點(diǎn)逐漸減輕，如果有源層和數(shù)據(jù)層采用兩道掩膜版，即無硅邊，可以完全消除白點(diǎn)不良，但采用兩道掩膜版，將增加開發(fā)成本，減少工廠產(chǎn)能。因此，兼顧經(jīng)濟(jì)效益，選擇方案為有源層和數(shù)據(jù)線采用一道掩膜版，降低硅邊寬度，硅邊寬度受限于工藝，會(huì)存在一個(gè)極限值。在本實(shí)驗(yàn)中，硅邊為1.2 μm時(shí)，白點(diǎn)基本不可見，品質(zhì)可接受。

3.3.2 存儲(chǔ)電容對(duì)白點(diǎn)的影響

像素存儲(chǔ)電容受像素和公共電極的交疊面積、兩者之間距離的影響，本文探究了不同鈍化層厚度對(duì)白點(diǎn)不良的影響。

從表5可得，隨著鈍化層厚度降低，像素和公共電極距離減小，存儲(chǔ)電容逐漸增大，ΔVp減小，白點(diǎn)不良程度逐漸減輕，但無法解決白點(diǎn)不良，存儲(chǔ)電容提升會(huì)增加充電相關(guān)的問題，對(duì)于高端產(chǎn)品不太建議采用。因此，對(duì)于白點(diǎn)不良，建議仍然采用鈍化層 600 nm。

表5 鈍化層膜厚與白點(diǎn)現(xiàn)象的關(guān)系Tab.5 White dot phenomenon vs. PVX thickness

4 結(jié) 論

白點(diǎn)不良的產(chǎn)生，與有源層膜質(zhì)和ΔVp存在直接關(guān)聯(lián)性。白點(diǎn)區(qū)域有源層膜質(zhì)與其他區(qū)域存在導(dǎo)電差異(這種差異性是由設(shè)備原因?qū)е?，目前還無法從設(shè)備方面消除)，導(dǎo)致ΔVp有差異。通過持續(xù)光照白點(diǎn)消失實(shí)驗(yàn)和高溫老化白點(diǎn)復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，直接證明了白點(diǎn)的消失是由于有源層在背光源照射下發(fā)生了Staebler-Wronski效應(yīng)，電導(dǎo)率降低，減小了導(dǎo)電差異性，從而證明了白點(diǎn)產(chǎn)生的原因是有源層不同區(qū)域膜質(zhì)與ΔVp的差異性。工藝上通過調(diào)整硅邊寬度和鈍化層厚度，來減小ΔVp值，改善白點(diǎn)不良。硅邊寬度由2.0降低到1.2 μm可以解決白點(diǎn)不良。本研究成果對(duì)產(chǎn)品的效益提升及Staebler-Wronski效應(yīng)的現(xiàn)象提供了重要的指導(dǎo)作用。