非晶硅TFT強光穩定性的研究及改善

張亞軍?葉發科?鄭宗程?Simon Han?Gilbert Seo

摘? 要：隨著顯示產業的迅猛發展，大尺寸、寬色域、高動態范圍（HDR）和高亮度給薄膜晶體管（TFT）面板帶來了更大的挑戰。經過測試，在40 000 nit高亮度背光照明下，經過500小時照明，面板的充電能力衰減幅度高達13%。其機理與TFT結構密切相關，如柵極的功函數和柵極絕緣層（GI）的光學帶隙（Eg）。經研究，通過將GI層光學帶隙從4.1 eV提升到4.7 eV，高亮度應力下衰減幅度從13%改善到了1%以下。

關鍵詞：LCD;a-Si TFT;PECVD;高亮度

中圖分類號：TN141? ? ? ? 文獻標識碼：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，因此顯示技術在信息時代承擔著越來越重要的角色。當前是4K、8K超高清視頻產業的快速發展期，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%。百兆光纖入戶率達到總用戶的90%，并且在千兆用戶持續增加和5G技術加持下8K時代有望提前到來[1]。作為主流的平板顯示技術，液晶顯示（LCD）面臨著來自OLED、Micro LED等新興顯示技術的激烈競爭，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展趨勢的各項優勢，并朝著深耕智能電視、車載顯示、電競顯示、醫療監視器等細分領域發展，并將推動上下游產業的發展[2]。

基于高動態范圍（HDR）標準的普及，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，尤其是商業顯示領域，已成為選擇顯示器的一個很重要的重要參數。與此同時，HDR的標準也在持續提高：HDR400標準的持續亮度大于320 nit，峰值亮度需要達到400 nit;HDR600標準的持續亮度不低于350 nit，峰值亮度需達到600 nit;HDR 1000標準的標準持續亮度大于600 nit，峰值亮度需要達到1 000 nit[2-4]。實際上目前量產部分高端電視的峰值亮度已經達到2 000 nit水準。

當前主流大尺寸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均由等離子體增強型化學氣相沉積法（PECVD）實現。TFT器件能力很大程度上決定了LCD面板的能力上限，是LCD生產過程中非常重要的一環。當前大尺寸LCD面板8K、高刷新率、Mini LED高亮背光等技術發展路線，對背板薄膜晶體管（TFT）的驅動能力及長期穩定性提出了更高的要求。

近年來顯示行業快速發展，顯示標準快速提高，雖然LCD發展多年，但是在11代LCD產線技術研究相對較少。作為電壓維持型器件，面對HDR標準普及和高分辨率、高刷新率的挑戰，充電率低的問題變得不可忽略，整體充電穩定性亟待提升。尤其是Mini LED等高亮度背光的普及導致多家面板生產商表現出面板壽命衰減顯示異常的問題，形勢相對比較嚴峻。量產線一般對于成膜制程主要研究成均一性、折射率等指標，對GI成膜品質定性定量的的研究相對較少。本文從GI膜質角度切入，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..等負面效果，成功在11代線制程條件下確認GI制程的優化方向和關鍵指標，并成功在不改變mask設計的前提下，以最小的變動成本，有效解決強光環境下充電衰減的問題，并得以導入量產應用，具有很高的現實意義。

1? 器件制備及強光穩定性的表征

1.1? 器件制備

樣品在11代大世代LCD產線進行制作。面板TFT采用底柵結構。Gate line與Date line 采取Cu制程。半導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進行化學氣相沉積，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，結構示意圖如圖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? 強光可靠性評估方法

強光條件下TFT穩定性可以從兩個方向進行評估。第一個方向是從TFT器件本身穩定性本身進行評估，可以通過I-V關系曲線中Ion、Vth shift等指標直接獲得評價。第二種方法是從LCD器件顯示本身出發，通過觀測LCD實際顯示表現進行評估。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，當亮度降低到原本60%時，確認此時的柵極電壓為Vgs’，定義Von margin=Vgh-Vgs’。此種方案在現實應用中有非常直觀的指導意義，并在實際生產中作為標準條件應用，本文將主要基于此評估方案進行產品評估。

1.3? 強光可靠性測試

強光測試背光亮度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行（因光照原因，實測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，持續測試500小時，確認Von margin的衰減程度。

經測試結果顯示，4K 60 Hz樣品在強光條件下均出現Von margin顯著衰減，詳細數據如圖3所示，從18 V水準降低到15.5 V，平均衰減幅度12.7%。此時可以觀察到受強光照射區域出現如圖4所示明顯的畫面黑化異常。主要原因為在限定充電時間內，由于開啟電流下降，由于120 Hz產品充電時間較60 Hz產品減少一半，僅有2.6 μs，此類異?，F象會更快體現在產品上。

2? 機理分析及改善

2.1? 造成Ion衰減的機理推測

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

由PECVD制備的非晶態的SiNx：H，由于原子大多不處于能量最低的晶格位置，并且含有較多的點缺陷，在禁帶中形成大量附加能級，結果表現為其導帶底和價帶頂會向禁帶內部延伸，實際禁帶寬度變窄，如圖5（b）所示。

Cu的功函數為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背光環境下，存在小量的柵極內電子被激發到4.6 eV以上。

為保證TFT Ion性能，TFT GI層主要分為兩個亞層，靠近柵極側Main GI，和靠近TFT前溝道側（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，減少膜內的懸空鍵等缺陷態，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，但無法進入前溝道GI導帶，會在Main GI與Top GI界面處被內部缺陷（如未被氫化的懸掛鍵等）捕獲富集，如圖5（d）所示，經過一定時間的stress，逐步累積形成一個從柵極指向前溝道的電場V0。此時當TFT開啟時，實際的Vgs會因為此內建反向電場而下降為Vgs'。

Vgs'=Vgs-V0

可以得出，由于V0的存在，TFT在總體會表現出Vth上升，Ion下降的現象，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設備對膜厚進行量測。所制得樣品使用安捷倫 Cary 5000紫外分光光度計，采用Tauc法對GI的光學帶隙Eg（Optical band gap）進行量測。

對于非晶態半導體材料，有以下關系[2]：

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

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

實際測試中我們選擇1 000～200 nm的波長范圍對樣品的透過率（T%）進行了測試，測試過程扣除玻璃背底本身吸收。測量結果顯示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的電子導電。所以，提高Main GI的Eg有機會改善強光下衰減的問題。

3? 強光問題的改善

3.1? AKT 100KX PECVD結構簡介

為了改善LCD在強光下衰減問題，需要了解GI的PECVD的工藝。本工作采用的是AKT 100KX PECVD——11代線等離子體增強型化學氣相沉積設備，主要由上電極（Backing Plate）、擴散板（Diffuser）、下電極（Susceptor）、射頻發生器（RF Generator）、氣體控制單元（MFC）、尾氣處理裝置、RPSC（NF3預解離）等部分構成，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不足主要是因為自身非晶屬性自身的缺陷，其中一個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間遷移到對應晶格位置導致，如圖8所示。從這個思路我們可以預測可以通過降低GI本身的沉積速度，使原子在膜表面有更長的移動時間，減少成膜缺陷態密度，提升SiNx：H的Eg水準。

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，由于設備仍然使用Al基材，高功率下Arcing現象高發，無法實現等比提高射頻功率。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行成膜速率控制并進行Eg的測試。測試過程逐步降低氣體流量至初始流量40%。當氣體流量減少時，成膜速率隨之下降，同時Eg顯著上升，如圖9所示。SiNx：H Eg與成膜速率呈現出負相關關系，并在20 A/s的成膜速率下獲得5.07 eV Eg的SiNx：H薄膜。實驗結果與理論預期相符合。

3.3? 強光改善驗證

理論需要GI Eg大于Cu的功函數4.65 eV即可有效改善強光Von margin衰減問題。固從驗證條件中選擇Eg=4.76 eV，略高于4.65的邊界條件作為GI層，重新制備open cell進行強光Von margin測試。測試結果如圖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為改善面板強光特性的關鍵，與理論推斷相符。

因為8K 120 Hz產品整體充電時間減為二分之一，所以整體的Von margin在初始狀態就存在一定程度降低。圖11結果表明，基于8K 120 Hz 產品強光Von margin測試，也獲得了很好的效果。

4? 結? 論

本文根據LCD顯示技術的發展趨勢，確認了強光條件下對LCD顯示器件的影響。通過理論分析討論了強光下Von margin衰減的發生機理：（1）GI層缺陷相對較多導致其Eg減小，并小于柵極材料Cu本身功函數4.65 eV;（2）在強光照射下，柵極中獲得能量的電子從柵極發出，進入Main GI導帶，產生從TFT前溝道到柵極的漏電流，并且在前溝道產生富集，使得Vth上升，Ion下降;（3）由于Ion衰減，LCD無法在有限的時間內充滿液晶電容CLC，在Vgs降低時面板灰階更快的降低到60%，Von margin減少，受光照區域表現出黑化異常。

基于此機制，論證了通過降低GI成膜速率提升Eg的可行性。并通過實驗調試在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強光stress下4K 60 Hz產品Von margin衰減幅度從13%降低至小于1%。同時在8K 120 Hz高階產品上實測也取得了令人滿意的效果。對未來產品品質的提升提供了實際方案和指導方向。

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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。