非晶硅TFT強(qiáng)光穩(wěn)定性的研究及改善

張亞軍?葉發(fā)科?鄭宗程?Simon Han?Gilbert Seo

摘? 要：隨著顯示產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，大尺寸、寬色域、高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）和高亮度給薄膜晶體管（TFT）面板帶來了更大的挑戰(zhàn)。經(jīng)過測試，在40 000 nit高亮度背光照明下，經(jīng)過500小時(shí)照明，面板的充電能力衰減幅度高達(dá)13%。其機(jī)理與TFT結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如柵極的功函數(shù)和柵極絕緣層（GI）的光學(xué)帶隙（Eg）。經(jīng)研究，通過將GI層光學(xué)帶隙從4.1 eV提升到4.7 eV，高亮度應(yīng)力下衰減幅度從13%改善到了1%以下。

關(guān)鍵詞：LCD;a-Si TFT;PECVD;高亮度

中圖分類號：TN141? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0043-05

Abstract： Along with the rapid development of display industry， large size， wide color gamut， high dynamic range （HDR）， and high light bring greater challenges to the thin-film transistor （TFT） backplane. After testing， under the illumination of back light with a high brightness of 40 000 nits， the range of decay of the backplane charging ability is up to 13% after? illumination 500 hours. The mechanism is highly related with the architectures of TFT， such as the work function of gate electrode and optical band gap（Eg） of gate insulation （GI）. After the study， by enlarging the optical band gap of GI from 4.1 eV to 4.7 eV， the range of decay has ameliorated from 13% to less than 1% under high-brightness stress.

Keywords： LCD; a-Si TFT; PECVD; high-brightness

0? 引? 言

視覺是人類獲取信息最主要的媒介，因此顯示技術(shù)在信息時(shí)代承擔(dān)著越來越重要的角色。當(dāng)前是4K、8K超高清視頻產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展期，分辨率4K以上的電視滲透率超過70%，尺寸超過43寸的顯示器滲透率接近100%。百兆光纖入戶率達(dá)到總用戶的90%，并且在千兆用戶持續(xù)增加和5G技術(shù)加持下8K時(shí)代有望提前到來[1]。作為主流的平板顯示技術(shù)，液晶顯示（LCD）面臨著來自O(shè)LED、Micro LED等新興顯示技術(shù)的激烈競爭，自身具備向著更大尺寸、更高分辨率、更高刷新率、更廣色域、更高亮度和對比度的下一代顯示屏發(fā)展趨勢的各項(xiàng)優(yōu)勢，并朝著深耕智能電視、車載顯示、電競顯示、醫(yī)療監(jiān)視器等細(xì)分領(lǐng)域發(fā)展，并將推動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

基于高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）標(biāo)準(zhǔn)的普及，對顯示亮度和峰值亮度提出了明確的要求。是否滿足HDR也成為市場端，尤其是商業(yè)顯示領(lǐng)域，已成為選擇顯示器的一個(gè)很重要的重要參數(shù)。與此同時(shí)，HDR的標(biāo)準(zhǔn)也在持續(xù)提高：HDR400標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)亮度大于320 nit，峰值亮度需要達(dá)到400 nit;HDR600標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)亮度不低于350 nit，峰值亮度需達(dá)到600 nit;HDR 1000標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)亮度大于600 nit，峰值亮度需要達(dá)到1 000 nit[2-4]。實(shí)際上目前量產(chǎn)部分高端電視的峰值亮度已經(jīng)達(dá)到2 000 nit水準(zhǔn)。

當(dāng)前主流大尺寸LCD面板薄膜晶體管（TFT）為α-Si TFT。其中絕緣層、有源層和鈍化層的生產(chǎn)均由等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法（PECVD）實(shí)現(xiàn)。TFT器件能力很大程度上決定了LCD面板的能力上限，是LCD生產(chǎn)過程中非常重要的一環(huán)。當(dāng)前大尺寸LCD面板8K、高刷新率、Mini LED高亮背光等技術(shù)發(fā)展路線，對背板薄膜晶體管（TFT）的驅(qū)動(dòng)能力及長期穩(wěn)定性提出了更高的要求。

近年來顯示行業(yè)快速發(fā)展，顯示標(biāo)準(zhǔn)快速提高，雖然LCD發(fā)展多年，但是在11代LCD產(chǎn)線技術(shù)研究相對較少。作為電壓維持型器件，面對HDR標(biāo)準(zhǔn)普及和高分辨率、高刷新率的挑戰(zhàn)，充電率低的問題變得不可忽略，整體充電穩(wěn)定性亟待提升。尤其是Mini LED等高亮度背光的普及導(dǎo)致多家面板生產(chǎn)商表現(xiàn)出面板壽命衰減顯示異常的問題，形勢相對比較嚴(yán)峻。量產(chǎn)線一般對于成膜制程主要研究成均一性、折射率等指標(biāo)，對GI成膜品質(zhì)定性定量的的研究相對較少。本文從GI膜質(zhì)角度切入，克服11代線體積增加帶來的無法提高RF 射頻功率、低電極間距容易靜電擊穿、均一性控制難度高、電極工藝不成熟..等負(fù)面效果，成功在11代線制程條件下確認(rèn)GI制程的優(yōu)化方向和關(guān)鍵指標(biāo)，并成功在不改變mask設(shè)計(jì)的前提下，以最小的變動(dòng)成本，有效解決強(qiáng)光環(huán)境下充電衰減的問題，并得以導(dǎo)入量產(chǎn)應(yīng)用，具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 器件制備及強(qiáng)光穩(wěn)定性的表征

1.1? 器件制備

樣品在11代大世代LCD產(chǎn)線進(jìn)行制作。面板TFT采用底柵結(jié)構(gòu)。Gate line與Date line 采取Cu制程。半導(dǎo)體層級柵極絕緣層材料分別為α-Si：H與SiNx： H，使用AKT 100KX 型號PECVD進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，沉積溫度360 ℃。TFT背溝道采用back channel etch （BCE）工藝。曝光所采用的制程為4 mask工藝，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。器件總體為Color Filter on Array（COA）制程。最終成品為已完成前后偏光板貼合后完整Open Cell。

1.2? 強(qiáng)光可靠性評估方法

強(qiáng)光條件下TFT穩(wěn)定性可以從兩個(gè)方向進(jìn)行評估。第一個(gè)方向是從TFT器件本身穩(wěn)定性本身進(jìn)行評估，可以通過I-V關(guān)系曲線中Ion、Vth shift等指標(biāo)直接獲得評價(jià)。第二種方法是從LCD器件顯示本身出發(fā)，通過觀測LCD實(shí)際顯示表現(xiàn)進(jìn)行評估。這里主要說明第二種評估方法。

第二種評估方式主要引入一個(gè)參考量：Von margin。此參考量的定義如下，基于成品面板（Open cell），Vgh為面板TFT正常開啟時(shí)的工作電壓，一般為30 V。在L64灰階下，Vgs從Vgh開始降低Vgs，并測試灰階的變化，當(dāng)亮度降低到原本60%時(shí)，確認(rèn)此時(shí)的柵極電壓為Vgs’，定義Von margin=Vgh-Vgs’。此種方案在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中有非常直觀的指導(dǎo)意義，并在實(shí)際生產(chǎn)中作為標(biāo)準(zhǔn)條件應(yīng)用，本文將主要基于此評估方案進(jìn)行產(chǎn)品評估。

1.3? 強(qiáng)光可靠性測試

強(qiáng)光測試背光亮度40 000 nit，模擬5%透過率，2 000 nit峰值亮度使用場景。測試所用發(fā)光光源為LED光源，光照從柵極方向入射，如圖2所示。測試全程在室溫下進(jìn)行（因光照原因，實(shí)測open cell表面溫度40 ℃）。測試過程中分別從投入起，每100 h測試一次Von margin，持續(xù)測試500小時(shí)，確認(rèn)Von margin的衰減程度。

經(jīng)測試結(jié)果顯示，4K 60 Hz樣品在強(qiáng)光條件下均出現(xiàn)Von margin顯著衰減，詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖3所示，從18 V水準(zhǔn)降低到15.5 V，平均衰減幅度12.7%。此時(shí)可以觀察到受強(qiáng)光照射區(qū)域出現(xiàn)如圖4所示明顯的畫面黑化異常。主要原因?yàn)樵谙薅ǔ潆姇r(shí)間內(nèi)，由于開啟電流下降，由于120 Hz產(chǎn)品充電時(shí)間較60 Hz產(chǎn)品減少一半，僅有2.6 μs，此類異?，F(xiàn)象會更快體現(xiàn)在產(chǎn)品上。

2? 機(jī)理分析及改善

2.1? 造成Ion衰減的機(jī)理推測

強(qiáng)光照作用下，柵極中電子吸收光子能量超過柵極材料Cu的功函數(shù)，且獲得能量超過GI禁帶寬度（Eg）時(shí)，可以躍遷進(jìn)入SiNx：H導(dǎo)帶。在TFT Vgs的作用下，出現(xiàn)從柵極到TFT前溝道的漏電流。

由PECVD制備的非晶態(tài)的SiNx：H，由于原子大多不處于能量最低的晶格位置，并且含有較多的點(diǎn)缺陷，在禁帶中形成大量附加能級，結(jié)果表現(xiàn)為其導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂會向禁帶內(nèi)部延伸，實(shí)際禁帶寬度變窄，如圖5（b）所示。

Cu的功函數(shù)為4.6 eV，Si3N4的禁帶寬度為5.2 eV[5，6]。LED背光在260 nm以下波長范圍存在少量的分布（約4.6 eV）[7]。在LED背光環(huán)境下，存在小量的柵極內(nèi)電子被激發(fā)到4.6 eV以上。

為保證TFT Ion性能，TFT GI層主要分為兩個(gè)亞層，靠近柵極側(cè)Main GI，和靠近TFT前溝道側(cè)（α-Si與GI的交界面）較薄的Top GI，其中Top GI會采用低速率成膜，并通過H2 Plasma處理鈍化，減少膜內(nèi)的懸空鍵等缺陷態(tài)，防止電子被缺陷捕獲而造成Ion下降。

如圖5（c）所示，被從柵極推離的電子可以通過Main GI，但無法進(jìn)入前溝道GI導(dǎo)帶，會在Main GI與Top GI界面處被內(nèi)部缺陷（如未被氫化的懸掛鍵等）捕獲富集，如圖5（d）所示，經(jīng)過一定時(shí)間的stress，逐步累積形成一個(gè)從柵極指向前溝道的電場V0。此時(shí)當(dāng)TFT開啟時(shí)，實(shí)際的Vgs會因?yàn)榇藘?nèi)建反向電場而下降為Vgs'。

Vgs'=Vgs-V0

可以得出，由于V0的存在，TFT在總體會表現(xiàn)出Vth上升，Ion下降的現(xiàn)象，降低Von margin。

2.2? GI Eg 測試

為了直接測量所制備膜層帶隙，在玻璃襯底上單獨(dú)沉積GI所用SiNx：H膜層，膜層厚度控制在2 000 A附近，并使用NAN設(shè)備對膜厚進(jìn)行量測。所制得樣品使用安捷倫 Cary 5000紫外分光光度計(jì)，采用Tauc法對GI的光學(xué)帶隙Eg（Optical band gap）進(jìn)行量測。

對于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，有以下關(guān)系[2]：

其中α為吸收系數(shù)，h為普朗克常數(shù)，ω為光子頻率，K為與光子能量無關(guān)的常量，T為透過率，d為材料膜厚。

結(jié)合公式①②，我們只需要獲得T和hω的關(guān)系，（αhω）1/2和hω作圖，取得x軸的截距即為Eg。

實(shí)際測試中我們選擇1 000～200 nm的波長范圍對樣品的透過率（T%）進(jìn)行了測試，測試過程扣除玻璃背底本身吸收。測量結(jié)果顯示11代PECVD所沉積Eg為4.1 eV，如圖6所示，相對較小。MainGI對能量大于4.1 eV的電子導(dǎo)電。所以，提高M(jìn)ain GI的Eg有機(jī)會改善強(qiáng)光下衰減的問題。

3? 強(qiáng)光問題的改善

3.1? AKT 100KX PECVD結(jié)構(gòu)簡介

為了改善LCD在強(qiáng)光下衰減問題，需要了解GI的PECVD的工藝。本工作采用的是AKT 100KX PECVD——11代線等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積設(shè)備，主要由上電極（Backing Plate）、擴(kuò)散板（Diffuser）、下電極（Susceptor）、射頻發(fā)生器（RF Generator）、氣體控制單元（MFC）、尾氣處理裝置、RPSC（NF3預(yù)解離）等部分構(gòu)成，如圖7所示。MFC控制通入NH3、N2、SiH4制程氣體，由RF Generator 13 MHz頻率電場作用下解離形成plasma，在玻璃表面進(jìn)行薄膜沉積。

3.2? 基于100KX PECVD GI Eg的提升

GI SiNx：H Eg不足主要是因?yàn)樽陨矸蔷傩宰陨淼娜毕?，其中一個(gè)主要因子推斷主要是原子在沉積形成薄膜過程中，在上層原子沉積之前，底層原子沒有足夠時(shí)間遷移到對應(yīng)晶格位置導(dǎo)致，如圖8所示。從這個(gè)思路我們可以預(yù)測可以通過降低GI本身的沉積速度，使原子在膜表面有更長的移動(dòng)時(shí)間，減少成膜缺陷態(tài)密度，提升SiNx：H的Eg水準(zhǔn)。

PECVD成膜的速率很大程度上決定于氣體的流量與功率。G11 PECVD基板面積較G8.5提高1.8倍的情況下，由于設(shè)備仍然使用Al基材，高功率下Arcing現(xiàn)象高發(fā)，無法實(shí)現(xiàn)等比提高射頻功率。所以在維持氣體配比和射頻功率不變的情況下，通過氣體流量控制進(jìn)行成膜速率控制并進(jìn)行Eg的測試。測試過程逐步降低氣體流量至初始流量40%。當(dāng)氣體流量減少時(shí)，成膜速率隨之下降，同時(shí)Eg顯著上升，如圖9所示。SiNx：H Eg與成膜速率呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，并在20 A/s的成膜速率下獲得5.07 eV Eg的SiNx：H薄膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期相符合。

3.3? 強(qiáng)光改善驗(yàn)證

理論需要GI Eg大于Cu的功函數(shù)4.65 eV即可有效改善強(qiáng)光Von margin衰減問題。固從驗(yàn)證條件中選擇Eg=4.76 eV，略高于4.65的邊界條件作為GI層，重新制備open cell進(jìn)行強(qiáng)光Von margin測試。測試結(jié)果如圖10所示，Von margin 衰減量降低到1%以下，整體改善幅度顯著，確定GI層Eg為改善面板強(qiáng)光特性的關(guān)鍵，與理論推斷相符。

因?yàn)?K 120 Hz產(chǎn)品整體充電時(shí)間減為二分之一，所以整體的Von margin在初始狀態(tài)就存在一定程度降低。圖11結(jié)果表明，基于8K 120 Hz 產(chǎn)品強(qiáng)光Von margin測試，也獲得了很好的效果。

4? 結(jié)? 論

本文根據(jù)LCD顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢，確認(rèn)了強(qiáng)光條件下對LCD顯示器件的影響。通過理論分析討論了強(qiáng)光下Von margin衰減的發(fā)生機(jī)理：（1）GI層缺陷相對較多導(dǎo)致其Eg減小，并小于柵極材料Cu本身功函數(shù)4.65 eV;（2）在強(qiáng)光照射下，柵極中獲得能量的電子從柵極發(fā)出，進(jìn)入Main GI導(dǎo)帶，產(chǎn)生從TFT前溝道到柵極的漏電流，并且在前溝道產(chǎn)生富集，使得Vth上升，Ion下降;（3）由于Ion衰減，LCD無法在有限的時(shí)間內(nèi)充滿液晶電容CLC，在Vgs降低時(shí)面板灰階更快的降低到60%，Von margin減少，受光照區(qū)域表現(xiàn)出黑化異常。

基于此機(jī)制，論證了通過降低GI成膜速率提升Eg的可行性。并通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試在23 A/s的成膜速度下獲得4.76 eV的SiNx： H薄膜。并且成功以此為Main GI條件將40 000 nit 500 h強(qiáng)光stress下4K 60 Hz產(chǎn)品Von margin衰減幅度從13%降低至小于1%。同時(shí)在8K 120 Hz高階產(chǎn)品上實(shí)測也取得了令人滿意的效果。對未來產(chǎn)品品質(zhì)的提升提供了實(shí)際方案和指導(dǎo)方向。

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作者簡介：張亞軍（1990—），男，漢族，甘肅蘭州人，工程師，碩士研究生在讀，主要研究方向：G11 PECVD制程工藝及器件特性改善。