低温多晶硅技术(LTPS)在液晶显示中的应用 郑彬

低温多晶硅技术（LTPS）在液晶显示中的应用
河南信息工程学校郑彬
摘要本文介绍了薄膜晶体管（TFT）与TFT液晶显示屏的结构，低温多晶硅技术（LTPS）的特点以及其在液晶显示中应用的优势。

关键词薄膜晶体管低温多晶硅开口率集成窄框化
1897年，阴极射线管（CRT）问世，迅速成为显示器的主流技术，广泛应用于电视、电脑显示器等领域。

随着科技的进步，人们对作为人机界面的显示器要求越来越高，尤其是移动互联时代的到来，CRT显示器体积大、笨重等特点显得不合时宜，于是平板显示便应运而生了。

平板显示是指显示屏对角线的长度与整机厚度之比大于4﹕1的显示器件，主要包括液晶（LCD）、等离子体（PDP）、电致发光（ELD）、发光二极管（LED）等。

由于其具有清晰度高、图像色彩好、环保、省电、轻薄、便于携带等优点，自20世纪90年代开始迅速发展，并逐渐走向成熟。

其中，液晶显示是目前技术最成熟、应用最为广泛的平板显示技术。

液晶显示技术可分为扭曲向列型（TN-LCD）、超扭曲向列型（STN-LCD）和薄膜晶体管型（TFT-LCD）。

薄膜晶体管液晶显示器由于每个像素都可以实现独立驱动，更适合视频活动图像的显示，实现高画质、真彩色。

因此，TFT-LCD广泛应用于液晶电视、电脑显示器、平板电脑和手机显示屏等领域。

一、TFT液晶显示屏的结构与特点
1.TFT液晶显示屏的结构
TFT液晶显示屏结构如图1所示，两块玻璃衬底分别是下基板和上基板。

在下基板上制备有作为像素开关的TFT器件、透明像素电极、存储电容、控制TFT栅极的栅线(行)、控制TFT源端的信号线(列)等；在上基板上制备有RGB三色的彩色滤色膜和遮光用的黑矩阵，并在其上制备透明的公共电极。

两片玻璃之间灌注液晶材料，并通过封框胶黏接，同时起到密封的作用。

在上下两片玻璃基板的外侧分别贴有偏振片，其只允许沿某一特定方向振动的光波通过，而其他方向振动的光将被全部或部分地阻挡，这样自然光通过偏振片以后，便形成了偏振光。

图1 TFT液晶显示屏结构
薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)通常是指用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管。

TFT的漏端与液晶像素单元的一端相连，液晶像素单元的另一端接在一起形成公共电极。

通常在TFT的漏端接一存储电容，以起到图像信号的辅助存储作用，提高像素单元的存储能力。

TFT液晶显示屏配上提供扫描信号和数据信号的驱动集成电路以及组装有控制电路等PCB板的集成电路模块；加上背光源，共同组装成液晶显示模块LCM。

利用LCM再加工组装成各种液晶产品。

2.薄膜晶体管的种类
薄膜晶体管根据其使用的半导体材料可分为非晶硅、多晶硅和化合物半导体等。

其中利用非晶硅材料制成的非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)由于具有制备容易、基板玻璃成本低、能够满足有源矩阵液晶驱动的要求、开/关态电流比大、可靠性高及容易大面积化等一系列优点而成为早期TFT-LCD主要采用的技术。

非晶硅的电子迁移率低于1cm2/（V·s），其驱动能力很弱，为了获得足够的导通电流，必须采用较大的器件面积，从而降低了实际的显示面积，使得其开口率难以提高。

另一方面，由于非晶硅的迁移率很低，利用非晶硅TFT制备的逻辑电路速度无法满足视频显示的要求，因此只能将控制显示的TFT开关制备在玻璃衬底上，而无法将外围的驱动电路一起集成在同一衬底上。

多晶硅的迁移率（30~300cm2/（V·s））虽然比大规模集成电路中所用的单晶硅（600~700cm2/（V·s））要低，但比非晶硅要高将近两个数量级，基本上能够满足制备简单逻辑电路并满足视频显示的要求。

但是通常的多晶硅制备工艺的温度会高于600℃，不适合
于普通的玻璃衬底。

于是，一种新的低温多晶硅技术（LTPS）便逐渐产生了。

二、低温多晶硅技术（LTPS）的特点
多晶硅有在高温（大于600℃）制取的高温多晶硅（HTPS）和在低温（约600℃以下）制取的低温多晶硅（LTPS）之分。

按能承受上述温度的基板，HTPS采用石英玻璃，LTPS 采用无碱玻璃。

低温多晶硅技术不仅降低了对玻璃基板的温度要求，易于制取；同时还具有低功耗、低电磁干扰、高清晰度和高开口率；并且能将驱动电路集成于玻璃之上，系统集成度大幅提升，使面板同时具备有窄框化与高画质的特性，因此全面采用低温多晶硅作为显示载体是未来的趋势。

1.高清晰度和高开口率
开口率定义为一个像素中可透过光部分的面积与一个像素面积的比值。

由于每个像素上布置的开关阵列TFT、电极及电容器等都会遮蔽光的透过，其透光面积相对于整个像素的面积来说，仅占大约50%，即其开口率大约为50%。

开口率越高，显示的亮度、对比度越高。

LTPS的开口率较传统非晶硅高10％以上，且亮度增加1．8倍以上，因此可以用较低功率消耗达到相同的亮度。

2.周边驱动IC与像素驱动一体化
低温多晶硅由于其裁流子的平均自由程较大，迁移率也得到大大提高，使周边驱动电路与像素驱动一体化成为可能。

低温多晶硅技术具有在玻璃基板上同时制造开关阵列及周边驱动电路的潜力，可有效降低周边驱动集成电路的数目，可以达到三边无IC的面板模组。

如图2所示。

图2 （a）非晶硅显示器与（b）低温多晶硅显示器的机制通过优化低温多晶硅材料的制备工艺，不仅可以实现周边驱动电路在玻璃基板上的集成，而且可以进一步实现控制电路、CPU处理电路、音频电路等全功能系统在玻璃基板上
的集成，真正实现显示屏即是系统，系统即是显示屏的概念。

3.窄框化与高集成度
显示器边框是由显示器尺寸与可视区域之差来定义的。

为了达到窄框的效果，如何使用更小的设计准则与更具智慧的电路设计成为判断面板优劣的重点。

而具有内建电路的低温多晶硅不会受到面板外贴IC的限制，可减少将近八成的外接信号数目，并且降低了约40％的LCM使用零组件，使其具有窄框化的特点。

表1是低温多晶硅液晶显示器的窄框化程度。

表1 液晶显示器的窄框化程度
4.低电磁干扰
显示器边框的缩小使得周边印制电路板面积也随之缩减，造成信号引线与驱动IC的间距越来越近，印制电路板上电源匹配与驱动IC所造成的高速切换噪声也随之增加。

这些噪声对面板系统造成一定程度的干扰，称之为电磁干扰。

凭借低温多晶硅内建驱动电路的优点，使得外部信号接线减少，并将信号传输路径缩短，且减少信号线与印制电路板的使用数目，减少内引脚所造成的电容效应与电感效应，可以有效防止外贴驱动电路成为电磁干扰产生的主要来源。

三、结束语
1996年，SANYO率先量产小型低温多晶硅面板，低温多晶硅时代便由此开始。

到了1999年以低温多晶硅驱动的有源有机发光面板技术已有了重大突破，2000年显示屏内置存储器面板问世，2002年后以低温多晶硅为主体的集成系统面板已经有相当的架构雏形。

直至今日，低温多晶硅技术一直是国内外面板厂商热门的话题。

参考文献
[1] 陈志强. 低温多晶硅技术（LTPS）显示技术[M]. 科学出版社.
[2] 王大巍. 薄膜晶体管液晶显示器件的制造、测试与技术发展[M]. 机械工业出版社.。