Oxide TFT將成為下世代顯示面板的基板技術(shù)首選。臺日韓面板廠在Oxide TFT技術(shù)的研發(fā)腳步愈來愈快，不僅已突破材料與薄膜制程等技術(shù)瓶頸，更成功展示Oxide TFT顯示器原型，為該技術(shù)商品化增添強勁動能，并有助其成為新一代顯示器基板的技術(shù)主流。
技術(shù)迭有進展Oxide TFT商用快馬加鞭

氧化物薄膜電晶體(Oxide TFT)接近低溫多晶矽(LTPS)TFT的電性水準(zhǔn)，并相容于非晶矽(a-Si)TFT生產(chǎn)線與低溫制程。至今，在各國研發(fā)單位的技術(shù)競爭下，Oxide TFT已有相當(dāng)驚人的研發(fā)成果，甚至已進入商品化。本文主要介紹Oxide TFT技術(shù)與發(fā)展趨勢，包含國內(nèi)外技術(shù)研發(fā)現(xiàn)況、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢等。此外，亦將說明Oxide TFT在軟性電子的應(yīng)用。

氧化銦錫(ITO)開啟透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜的時代，并已成為光電產(chǎn)業(yè)最重要的材料之一。另外，透明氧化物半導(dǎo)體(Transparent Oxide Semiconductor)的研究亦如火如荼地展開，以氧化鋅(ZnO)為研究的主流，GaZnO、InZnO、AlZnO亦逐漸嶄露頭角，但尚無穩(wěn)定的主流材料。

直至2003年，東京工業(yè)大學(xué)教授細野秀雄(Hideo Hosono)，在科學(xué)(Science)期刊發(fā)表單晶態(tài)(Crystalline Phase)的銦鎵鋅氧化物(InGaZnO)TFT。由于是單晶態(tài)，InGaZnO TFT制程溫度相當(dāng)高(1,400℃)，亦不適合應(yīng)用在玻璃或塑膠基板等，應(yīng)用上產(chǎn)生諸多瓶頸。

緊接著，2004年細野秀雄再于自然(Nature)期刊發(fā)表非晶態(tài)(Amorphous Phase)的InGaZnO TFT制作于塑膠基板上，由于低制程溫度(室溫)的優(yōu)勢，大幅提升其應(yīng)用性，不僅可制作在玻璃基板，亦可制作在塑膠基板上，因此未來朝向塑膠基板的軟性電子開發(fā)已不再是夢。

目前薄膜制程方式有兩種，以真空濺鍍(Sputtering)薄膜技術(shù)為主，其具備較高電子移動率(>5cm2/V-s)，電性表現(xiàn)已超過傳統(tǒng)有機半導(dǎo)體材料與a-Si薄膜(<1cm2/V-s)，甚至于與LTPS薄膜相當(dāng)(10～100 cm2/V-s)；而溶膠/凝膠(Sol-Gel)薄膜技術(shù)已從燒結(jié)溫度500℃降至200℃以下，因其特殊的制程方式，最終的目標(biāo)為取代真空制程系統(tǒng)，進而達到無光罩制程，節(jié)省材料與制程成本，相信不久的未來，Oxide TFT技術(shù)的世代即將來臨。

由國際技術(shù)研討會論文來看，Oxide TFT的研發(fā)腳步越來越快速，臺、日、韓面板廠不約而同采用InGaZnO TFT技術(shù)發(fā)表最新一代的顯示器產(chǎn)品。

本文將針對2012年在美國舉辦的國際顯示資訊研討會(SID)與在日本舉辦的國際顯示器研討會(IDW)做一介紹，并針對以玻璃基板為主的顯示器與以軟性基板為主的軟性顯示器深入剖析。

臺日韓面板廠加緊研發(fā)Oxide TFT顯示器傾巢出

表1為2012年友達光電與韓國樂金顯示(LGD)所發(fā)表的Oxide TFT技術(shù)的研發(fā)比較。友達展示以InGaZnO TFT驅(qū)動的32寸FHD(1,920×RGB×1,080)主動式矩陣有機發(fā)光二極體(AMOLED)，其OLED采用FMM(Fine Metal Mask)進行紅綠藍(RGB)的蒸鍍技術(shù)；另更發(fā)表世界最大65寸UHD主動式矩陣液晶顯示器(AMLCD)，采用CHP(Channel Protection)的元件結(jié)構(gòu)。而樂金顯示則發(fā)表55寸FHD主動式有機發(fā)光顯示器，采用BCE(Back Chanel Etch)InGaZnO TFT，其OLED采用白光OLED(WOLED)搭配彩色濾光片(Color Filter)；另亦發(fā)表55寸UHD AMLCD，采用CHP元件結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT，且搭配金屬導(dǎo)線使用銅制程。而全球顯示器龍頭韓國三星(Samsung)卻在此技術(shù)論壇缺席。

日本大廠的研發(fā)速度并不亞于韓國，在技術(shù)上的研發(fā)深度更是略勝韓國一籌(表2)。顯示器大廠夏普(Sharp)與日本半導(dǎo)體能源研究所(SEL)的研發(fā)團隊開發(fā)出CAAC(C-Axis Aligned Crystal)的結(jié)晶態(tài)InGaZnO TFT技術(shù)，因其特殊的結(jié)晶態(tài)，雖載子移動率僅7.7cm2/V-s，但其最大的優(yōu)勢在于極佳的元件穩(wěn)定度，克服InGaZnO TFT最讓人詬病的環(huán)境穩(wěn)定度與電氣可靠度。不過，其關(guān)鍵技術(shù)已被列入國家級機密，詳細的制程已無法得知。

夏普的研發(fā)團隊采用CAAC-InGaZnO TFT技術(shù)，展示13.5寸UHD AMOLED，另亦展示13.5寸qFHD(960×RGB×540)軟性AMOLED，其關(guān)鍵制程在于采用轉(zhuǎn)貼技術(shù)。首先在玻璃上完成面板制程，再將顯示陣列與玻璃中間的蝕刻犧牲層進行蝕刻，兩者分離后轉(zhuǎn)貼顯示陣列至塑膠基板。

電子大廠索尼(Sony)與友達的研發(fā)團隊合作，共同發(fā)表40寸主動式有機發(fā)光顯示器應(yīng)用，文中提到采用BCE結(jié)構(gòu)時，InGaZnO半導(dǎo)體層在后續(xù)的金屬制程中，極易受到金屬蝕刻液破壞，進而提出非晶態(tài)的InSnZnO(a-ITZO)與結(jié)晶態(tài)的InGaO(c-IGO)半導(dǎo)體材料，其制作出來的元件特性并不亞于現(xiàn)行的InGaZnO TFT(表3)。

如同a-Si TFT的BCE結(jié)構(gòu)，除可縮減光罩數(shù)之外，并對縮小元件設(shè)計準(zhǔn)則(Design Rule)有相當(dāng)大的幫助，因此制作BCE結(jié)構(gòu)的Oxide TFT已成為面板廠積極尋求解決之瓶頸。索尼同時也發(fā)表9.9寸qFHD軟性主動式有機發(fā)光顯示器，其采用CHP元件結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT與上發(fā)射型(Top-Emitting)的白色有機發(fā)光層搭配彩色濾光片，至于采用的彩色濾光片陣列(CFA)塑膠基板并未著墨太多。

日本放送協(xié)會NHK也投入軟性顯示器的開發(fā)，2011年發(fā)表5寸QVGA(320×RGB×240)有機發(fā)光顯示器，最高制程溫度僅150℃，所使用的塑膠基板為PEN(Poly-Ethylene Naphthalate)，而2012年更進一步發(fā)表8寸VGA(640×RGB×480)OLED，采用日本材料大廠ZEON的有機材料當(dāng)作閘極絕緣層，進行InGaZnO TFT的制作，最高退火溫度僅130℃，元件亦為CHP結(jié)構(gòu)。

日本家電大廠東芝(Toshiba)采用透明PI(Polyimide)塑膠基板進行CHP結(jié)構(gòu)InGaZnO TFT的開發(fā)，成功展示11.7寸FHD(960×RGB×540)軟性AMOLED，其中面板架構(gòu)為白色有機發(fā)光層，搭配整合彩色濾光片陣列(COA)的薄膜電晶體陣列。

韓國慶熙大學(xué)(Kyung Hee University)與科隆工業(yè)(KOLON Industries)采用黃褐色的PI塑膠基板，制作出單色的2.2寸軟性AMOLED，并分析元件的撓曲特性。歐洲的Holst Centre(TNO & IMEC)則展出96×96的軟性AMOLED，所使用的塑膠基板為PEN，元件為CHP結(jié)構(gòu)的InGaZnO TFT(表4)。 [!--empirenews.page--]

至于臺灣的工業(yè)技術(shù)研究院亦不缺席，發(fā)表兩篇前瞻的技術(shù)論文，其一采用自行開發(fā)的透明PI與不銹鋼板的復(fù)合式基板，進行卷對卷連續(xù)式(R2R)制程技術(shù)的先期研究，有別于業(yè)界普遍采用的下閘極(Bottom-Gate)元件結(jié)構(gòu)，其采用上閘極(Top-Gate)元件結(jié)構(gòu)，進行軟性InGaZnO TFT的試制，并利用其復(fù)合式基板制作軟性的雙穩(wěn)態(tài)電泳顯示器，此概念希望促成傳統(tǒng)枚葉式(Sheet-to-Sheet)制程，進入卷對卷連續(xù)式制程的新契機，最終目標(biāo)為降低生產(chǎn)成本，并使用承載軟性基板的最佳方式，進行軟性電子的開發(fā)。

其二則是采用日本材料大廠Kaneka的透明PI塑膠基板進行軟性InGaZnO TFT的試制，文中可看到PI材料的熱穩(wěn)定性相當(dāng)優(yōu)良，未來的研發(fā)方向?qū)⒊掷m(xù)改善基板的光學(xué)特性，以擴大顯示器應(yīng)用性。歐洲的Holst Centre(TNO & IMEC)、Katholieke Univ.與Evonik Industries AG合作，共同發(fā)表軟性氧化物薄膜電晶體的前瞻技術(shù)開發(fā)，其中半導(dǎo)體薄膜制程有別于業(yè)界常用的真空濺鍍法，而采用溶液制程再進行退火燒結(jié)，即為溶膠/凝膠(Sol-Gel)法，最高燒結(jié)溫度為160℃，使用以ZnO為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，塑膠基板為PEN，元件采用BCE結(jié)構(gòu)，電子移動率僅0.81cm2/V-s，詳細的元件電性參數(shù)比較(表5)。

在歐洲的研發(fā)團隊中，以德國Evonik Industries AG最為積極，其對于薄膜制程的技術(shù)發(fā)展藍圖(圖1)的目標(biāo)明確，起初欲將現(xiàn)行的真空制程系統(tǒng)(如CVD或PVD)取代為涂布(Coating)制程(如Spin-coating、Slit-coating)，最終采用印刷(Printing)制程(如Offset-printing、Inkjet-printing)，達到節(jié)省材料與設(shè)備成本，進而達成無光罩制程，其發(fā)表三篇相關(guān)的論文，采用In2O3為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，元件采同平面(Coplanar)結(jié)構(gòu)，即下閘極與底接觸(Bottom-Contact)的結(jié)構(gòu)，若最高燒結(jié)溫度350℃，電子移動率可達到10cm2/V-s的水準(zhǔn)，電氣特性十分優(yōu)良，但降低燒結(jié)溫度至160℃，則電子移動率降至2cm2/V-s，電性曲線也有漂移的現(xiàn)象，呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，但相信假以時日，持續(xù)調(diào)整材料特性，元件特性必能大幅改善(表6)。

圖1 Evonik Industries AG的技術(shù)發(fā)展藍圖

在2013年1月分的國際消費性電子展(CES)中，日本索尼成功展示世界最大56寸UHD主動式有機發(fā)光顯示器(圖2)，其中OLED采用白光OLED搭配彩色濾光片，并公開表示驅(qū)動背板采用與臺灣友達光電合作的InGaZnO TFT陣列。相較之下，友達已發(fā)表的65寸UHD顯示器，顯示臺灣研發(fā)團隊在Oxide TFT上的進度，已與國際大廠不分軒輊，相信在不久的將來，臺灣會有更多突破性的產(chǎn)品問世。

圖2 索尼與友達共同發(fā)表全球最大UHD解析度AMOLED電視

突破材料與生產(chǎn)技術(shù)桎梏Oxide TFT應(yīng)用版圖擴張

臺灣顯示器產(chǎn)業(yè)已臻成熟，其中薄膜電晶體技術(shù)日新月異。然Oxide TFT技術(shù)不但具有LTPS TFT技術(shù)之高載子移動率的電氣特性，同時又完全相容于a-Si TFT的生產(chǎn)線，因此其優(yōu)越的電氣特性與低溫制程，被譽為下世代的薄膜電晶體。 Oxide TFT的技術(shù)發(fā)展趨勢，主動層材料由早期的ZnO到GaZnO和InZnO，而目前最熱門的材料非InGaZnO莫屬，由細野秀雄教授主導(dǎo)開發(fā)。

以最接近量產(chǎn)的技術(shù)來看，采用真空濺鍍法來進行主動層的沈積，應(yīng)是未來的主流，其他如溶膠/凝膠法尚未成熟，若以降低成本考量，仍是必須繼續(xù)的研發(fā)方向。

以元件結(jié)構(gòu)來看，下閘極結(jié)構(gòu)與非晶矽薄膜電晶體相似，可最快導(dǎo)入量產(chǎn)，如何將目前較為成熟的CHP結(jié)構(gòu)更換成BCE結(jié)構(gòu)，達到光罩縮減與元件設(shè)計準(zhǔn)則縮小化的目的，亦是目前研發(fā)團隊研究的重點。

在軟性電子的領(lǐng)域，Oxide TFT備受關(guān)注，與矽基薄膜電晶體、有機薄膜電晶體共同競爭。由于Oxide TFT采用真空濺鍍法，已具備整合塑膠基板所需的低溫制程，主動層結(jié)構(gòu)為離子鍵非共價鍵，是否能增加耐撓度，亦是研究重點之一，若能有更多機械撓曲可靠度測試結(jié)果出爐，軟性電子的夢想已不遠矣。

自第一篇非晶態(tài)InGaZnO TFT學(xué)術(shù)論文發(fā)布，至今已有如此驚人的研發(fā)成果，臺灣研發(fā)的腳步必須更快，投入的能量必須更多，才能迎頭趕上，免受國際專利權(quán)的剝削，領(lǐng)先國際。

(本文作者為工研院電子與光電研究所軟性電子組研發(fā)副組長)