89、柔性显示器TFT技术：基板选择与TFT处理策略

柔性显示器TFT技术：基板选择与TFT处理策略

1. 引言

在柔性显示器的制造中，TFT（薄膜晶体管）技术起着关键作用。不同类型的TFT技术各有优劣，适用于不同的基板材料和应用场景。本文将介绍几种常见的TFT技术，包括a - Si TFT、ULTPS TFT、OTFT和OSC - TFT，并探讨用于制造柔性TFT背板的处理策略。

2. 常见TFT技术介绍

2.1 a - Si TFT

非晶硅TFT目前是成熟的AM LCD技术的主力军。如果能将其应用于柔性显示器制造，它将具有现有工艺和基础设施的优势。然而，在应用于OLED显示介质时，a - Si TFT存在一些问题：
- 低迁移率 ：场效应迁移率约为1 cm²/V·s，这使得无法在背板上集成行和列驱动器。
- 电路类型限制 ：a - Si中只有NMOS TFT，限制了像素电路设计的选择。
- TFT稳定性 ：相对于栅极偏置的稳定性不理想，在AM OLED显示操作中，驱动TFT通常在整个帧时间内承受正栅极电压偏置，这使得稳定性问题更加严重。

传统的a - Si TFT制造工艺温度通常为300°C，无法用于工艺温度限制低于200°C的塑料基板。近年来，在降低工艺温度方面取得了显著进展，已成功在低于200°C的温度下制造出a - Si TFT，其在迁移率、阈值电压和漏电流方面的性能与300°C工艺相当。但在栅极偏置应力下的器件稳定性，特别是低温处理的a - Si TFT，仍有待提高。

2.2 ULTPS TFT

多晶硅TFT具有提供高迁移率和CMOS选项的优势，可用于在柔性显示器中集成行和列驱动器。超低温（<200°C）多晶硅（ULTPS）TFT工艺适用于直接制造柔性背板和显示器。然而，要实现ULTPS TFT的潜力，仍需解决一些挑战，如获得能产生低漏电流和稳定阈值电压的良好低温栅极电介质。

2.3 OTFT

目前，使用有机半导体制造的TFT在有机电子领域受到广泛关注。OTFT具有极低的工艺温度（<150°C），可以直接在现有的塑料基板上制造。此外，它们可以使用低成本的溶液处理方法（如旋涂和喷墨印刷），而不是更昂贵的基于真空的薄膜沉积方法。

到目前为止，使用真空沉积并五苯作为有机半导体制造的OTFT表现出最佳性能，场效应迁移率超过3 cm²/V·s，阈值电压接近零，“开 - 关”电流比超过10⁸。然而，基于溶液可加工有机半导体的OTFT迁移率较低（<0.5 cm²/V·s）。OTFT背板已用于展示LCD、EPD和OLED柔性显示器。

2.4 OSC - TFT

透明氧化物半导体如氧化锌（ZnO）正被积极研究用于显示器的低温TFT背板。ZnO是一种宽带隙（在300 K时约为3.3 eV）半导体，即使在室温下也能直接沉积成多晶相，因此与目前可用的柔性塑料基板兼容。Hirao等人实现了ZnO TFT的场效应迁移率为50.3 cm²/V·s，阈值电压为1.1 V，并展示了AM LCD显示器。

最近，非晶InGaZnO沟道材料的开发取得了很大进展，因其具有较高的迁移率（如LTPS）和优越的区域均匀性，以及大面积制造能力（如a - Si TFT）。OSC - TFT的结构与流行的a - Si TFT相似，如倒置交错底栅结构。OSC - TFT方法已用于使用不锈钢和塑料基板以及各种显示介质（包括LCD、EPD和OLED）制造和展示柔性背板和显示器。

以下是几种TFT技术的对比表格：
|技术选项|工艺温度（°C）|电路类型|迁移率（cm²/V·s）|关态电流|均匀性|稳定性|成本|成熟度|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|Device layer transfer (DLT)|约450|CMOS|约100|优秀|良好|优秀|高|低|
|LTPS|约450|CMOS|约100|OK|有问题|OK|中等|高|
|ULTPS|<200|CMOS|约100|有问题|有问题|OK|中等|低|
|Conven. a - Si|约300|NMOS|约1|优秀|良好|有问题|低|高|
|Low - temperature a - Si|<200|NMOS|约1|优秀|良好|有问题！|低|低|
|OTFT|<150|PMOS|约1|OK|OK|有问题！！|非常低？|低|
|OSC - TFT|<200|NMOS|约10 - 50|OK|OK|OK?|低|低|

3. 用于柔性背板的TFT处理策略

3.1 直接处理策略

直接在柔性基板上处理TFT背板是一种直接的方法。由于塑料基板的工艺温度限制，以及柔性基板材料与TFT材料之间的CTE（热膨胀系数）不匹配导致的应力问题，这种方法通常需要低温TFT（<200°C）处理。不锈钢基板允许较高的工艺温度，但热应力问题（由于CTE不匹配）限制了TFT工艺的最高温度。

以下是直接处理策略的流程：
1. 选择合适的基板 ：根据需求选择柔性塑料基板（如PEN）或不锈钢基板。
2. 基板预处理 ：对于塑料基板，可能需要进行预稳定化处理和涂覆防潮层；对于不锈钢基板，可能需要进行表面抛光等处理。
3. TFT背板制造 ：在预处理后的基板上进行TFT背板的制造，包括薄膜沉积、光刻、蚀刻等工艺。
4. 集成显示介质 ：将制造好的背板与显示介质（如OLED）集成，完成柔性显示器的制造。

以下是直接处理策略的mermaid流程图：

graph LR
    A[选择基板] --> B[基板预处理]
    B --> C[TFT背板制造]
    C --> D[集成显示介质]

3.2 不同基板上的直接处理案例

3.2.1 a - Si TFT在PEN塑料基板上的直接制造

在柔性PEN基板上直接制造a - Si TFT时，基板收缩、吸湿/解吸和TCE不匹配引起的尺寸稳定性问题是成功制造的主要考虑因素。Sarma等人采用了预稳定化工艺，将PEN塑料基板在真空中160°C退火4小时，以提高其抗收缩的尺寸稳定性。同时，为了消除或极大地减少在TFT处理过程中与吸湿/解吸相关的尺寸变化，在基板预稳定化后且在TFT阵列制造之前，在PEN基板的上下表面涂覆3000 Å厚的等离子体化学气相沉积（CVD）SiNx防潮层。

Sarma等人开发并实施了150°C的a - Si TFT工艺，使用经过预稳定化和涂覆SiNx阻挡层的PEN塑料基板制造背板。通过优化TFT薄膜沉积的工艺配方和掩模及工艺设计细节，考虑了塑料基板在TFT工艺中的预期收缩水平和CTE不匹配引起的薄膜应力。最终实现了可接受的尺寸稳定性和层间对准精度，制造出了功能背板和显示器。

3.2.2 ULTPS在塑料基板上的直接制造

多晶硅TFT在柔性显示中具有高迁移率和CMOS选项的优势，但在塑料基板上直接制造ULTPS TFT仍面临挑战，如获得良好的低温栅极电介质以实现低漏电流和稳定的阈值电压。因此，正在寻求替代处理策略。

3.2.3 O - TFT在塑料基板上的直接制造

O - TFT可以在低温下（通常<150°C）制造，因此可以直接在现有的柔性塑料基板上处理。目前，除了用于有源矩阵显示器的背板外，O - TFT在其他各种应用中也受到广泛关注。最近，已经成功在低温柔性塑料基板上直接制造了O - TFT背板，用于展示柔性AM LCD、AM EPD和AM OLED显示器。

例如，Suzuki等人展示了一个5.8英寸对角线的柔性磷光彩色AM OLED，使用在柔性PEN塑料基板上制造的O - TFT背板。索尼也展示了令人印象深刻的柔性和可卷曲的AM OLED和AM EPD显示器，由OTFT驱动。

3.2.4 不锈钢基板上的直接制造

由于不锈钢基板与高温处理兼容，传统的高温工艺（如热氧化物生长、热掺杂激活和硅化物生长）可用于实现优异的器件性能。不锈钢箔基板正在被积极研究用于制造传统的a - Si TFT、LTPS TFT和OSC - TFT背板，用于柔性EPD和OLED显示器。

例如，Kattamis等人展示了在125 mm厚、5×5 cm²的不锈钢箔基板上直接制造a - Si TFT背板的可行性，并使用这些背板展示了顶部发射AM OLED显示器。Chuang等人报道了在100 mm厚的304型不锈钢基板上制造LTPS TFT背板。

3.3 临时基板键合 - 去键合策略

临时基板键合 - 去键合策略是为了克服直接处理策略中与工艺温度限制和柔性基板机械处理相关的问题。该策略的具体操作步骤如下：
1. 选择临时刚性基板 ：挑选适合后续工艺且具有一定刚性的基板。
2. 柔性基板与临时基板键合 ：使用临时粘合剂将柔性基板牢固地键合到临时刚性基板上。
3. TFT背板制造 ：在键合后的基板上进行TFT背板的制造，可采用相对较高温度的工艺。
4. 去键合操作 ：在完成TFT背板制造后，将带有TFT背板的柔性基板从临时刚性基板上去键合。

以下是临时基板键合 - 去键合策略的mermaid流程图：

graph LR
    A[选择临时刚性基板] --> B[柔性基板与临时基板键合]
    B --> C[TFT背板制造]
    C --> D[去键合操作]

这种策略的优势在于能够利用较高温度的工艺来制造TFT背板，提高器件性能。然而，键合和去键合过程需要精确控制，以避免对TFT背板造成损伤。同时，临时粘合剂的选择也至关重要，需要具备良好的键合强度和易于去除的特性。

3.4 器件层转移（DLT）策略

器件层转移（DLT）策略涉及将TFT器件层转移到柔性基板上。其操作步骤如下：
1. TFT器件层制备 ：在合适的衬底上制备高质量的TFT器件层。
2. 器件层与柔性基板连接 ：通过特定的工艺将TFT器件层与柔性基板连接在一起。
3. 原衬底去除 ：去除TFT器件层原来的衬底，使器件层完全转移到柔性基板上。

以下是器件层转移（DLT）策略的mermaid流程图：

graph LR
    A[TFT器件层制备] --> B[器件层与柔性基板连接]
    B --> C[原衬底去除]

该策略的优点是可以在高质量的衬底上制备TFT器件层，保证器件性能，然后将其转移到柔性基板上，实现柔性显示的需求。但此策略的技术难度较高，需要精确的转移工艺和界面控制，以确保器件层的完整性和性能不受影响。

3.5 原位塑料涂层策略

原位塑料涂层策略包括在临时刚性基板上进行原位塑料薄膜涂层，然后进行TFT背板处理，最后从刚性临时基板上释放带有TFT背板的涂层柔性薄膜/基板。具体步骤如下：
1. 临时刚性基板准备 ：对临时刚性基板进行清洁和预处理，确保表面适合涂层。
2. 原位塑料薄膜涂层 ：在临时刚性基板上进行原位塑料薄膜涂层操作。
3. TFT背板制造 ：在涂层后的基板上进行TFT背板的制造。
4. 柔性薄膜/基板释放 ：将带有TFT背板的涂层柔性薄膜/基板从刚性临时基板上释放出来。

以下是原位塑料涂层策略的mermaid流程图：

graph LR
    A[临时刚性基板准备] --> B[原位塑料薄膜涂层]
    B --> C[TFT背板制造]
    C --> D[柔性薄膜/基板释放]

这种策略可以在刚性基板上进行TFT背板的制造，利用刚性基板的稳定性提高制造精度。同时，原位塑料涂层可以提供良好的柔性和保护性能。但涂层工艺和释放过程需要严格控制，以避免出现涂层不均匀或释放困难等问题。

4. 总结与展望

不同的TFT技术和处理策略各有优缺点，适用于不同的应用场景和需求。a - Si TFT具有成熟的工艺和基础设施，但在迁移率和稳定性方面存在不足；ULTPS TFT具有高迁移率和CMOS选项的潜力，但需要解决低温栅极电介质等问题；OTFT具有低温制造和低成本溶液处理的优势，但迁移率和稳定性有待提高；OSC - TFT具有较高的迁移率和区域均匀性，适用于多种基板和显示介质。

在处理策略方面，直接处理策略简单直接，但受限于工艺温度和CTE不匹配问题；临时基板键合 - 去键合、器件层转移和原位塑料涂层策略可以克服这些限制，但技术难度较高。未来，随着技术的不断发展，预计将在以下几个方面取得进展：
- TFT技术改进 ：进一步提高TFT的迁移率、稳定性和均匀性，降低漏电流，以满足更高性能的柔性显示需求。
- 处理策略优化 ：简化处理流程，提高工艺的可靠性和重复性，降低成本，实现大规模生产。
- 新材料开发 ：探索和开发新型半导体材料和基板材料，以提高柔性显示器的性能和柔韧性。
- 应用拓展 ：将柔性显示器应用于更多领域，如可穿戴设备、智能医疗、汽车显示等。

总之，柔性显示器TFT技术在基板选择和处理策略方面具有广阔的发展前景，通过不断的创新和改进，有望实现高性能、低成本、大规模的柔性显示产品。