基于半导体技术的平板显示器及其进展

吴祥晟　彭亮亮

摘要：综述了近年来有源矩阵液晶显示器、场发射显示器和发光二极管显示器的研究进展，重点介绍了它们的工作原理、结构和某些关键制备技术，并对它们的发展前景作了简要的展望。

关键词：信息显示；液晶显示器；场发射显示器；发光二极管

近年来，平板显示器的发展令人瞩目，主要是因为这类显示器与目前占统治地位的阴极射线管（CRT）相比具有薄的体积、轻的重量、低的功耗及坚固抗震的特点。专家们预言用平板显示器代替CRT已成为下一代显示技术的主流。在当今信息时代，信息显示是信息科学技术的最重要环节之一，因此世界各国都投入了巨大的人力和物力对各种平板显示器进行研究。特别是一些基于半导体技术的平板显示器，由于使用了VLSI制造技术，已经取得了长足的进步并成为半导体产品发展的又一新领域。

1、有源矩阵液晶显示器

1.1AMLCD的结构及原理

AMLCD主要由背景光、偏光片、薄膜晶体管阵列、像素寻址电极、液晶、彩色滤光片和玻璃基板组成。其核心是由像素电极夹住的扭曲向列效应（也称为TN效应）液晶构成的液晶面板。当没有电压施加到电极时，电极之间的液晶对光是透明的；当电压施加到电极板时，液晶产生TN效应，阻止偏振光的通过并使像素变暗。通过施加到电极上的电压来改变显示器的灰度，并且通过在公共电极板上形成红色、绿色和蓝色滤色器并采用标准的白色TN型液晶显示模式来获得彩色像素。在这种情况下，只要液晶材料、滤色器和液晶厚度被全面优化，就可以获得非常好的彩色显示。为了获得高对比度，明亮的色彩和快速的响应速度，目前的AMLCD采用了以薄膜晶体管TFT作为驱动元件的液晶面板结构。在像素电极板上形成彼此绝缘的行电极和列电极之后，通过诸如薄膜沉积和光刻的半导体技术在其交叉点处准备TFT。TFT的栅极、源极和漏极中的每一个分别连接到行电极，列电极和显示像素。该电压依次施加到每个行电极，并且与TFT的输出同步地将电压信号施加到列电极，可以控制正在进行行扫描的每个像素的颜色和亮度。

1.2TFT制备技术的发展

在大面积玻璃基板上制备AMLCD像素驱动TFT阵列是一种工艺要求高的关键技术，其质量决定了显示器的质量，成为半导体器件工作者的一个重要研究课题。传统AMLCD中的TFT均由a-Si材料制成。随着AMLCD屏幕的增加和分辨率的提高，a-SiTFT的载流子迁移率和微弱电流驱动能力受限，不能满足高清大屏幕显示器的要求，而且要扩大一些用于显示矩阵的器件外部的高速单晶硅器件驱动电路。解决这一问题的理想方法是用p-SiTFT代替a-SiTFT，因为p-SiTFT有高的载流子迁移率，其电流驱动能力比a-Si高2个量级。这样不但可以满足高质量显示的要求，而且可以把扩展的Si器件外设电路用p-SiTFT实现，并集成在显示板内。在普通的玻璃基板上获得p-Si膜的方法主要采用激光退火法。由于准分子激光的高能量密度和短的处理时间及Si对UV光的高吸收系数，对基板不会产生热损伤，可以获得高质量的p-Si膜。

2、场发射显示器

2.1FED的原理與特点

尽管AMLCD占据了平板显示器的大部分市场，但它有许多缺点。首先，因为液晶是偏振光，所以显示视角较小；显示器需要背景灯才能使功耗更高；液晶性能的限制使其工作温度范围变窄。其次，AMLCD的生产成本较高，用于大面积AMLCD的TFT基板制备工艺的性能不在VLSI下，因此产率低。基于真空微电子学的场发射平板显示器（FED）理论上优于AMLCD显示器。它由一个基础基板、一个场发射阵列和一块荧光粉涂覆的前面板组成。每个发射阵列单元又是微真空电子管，其发射阴极制成锥形，在尖端附近具有圆孔形栅格，并且阳极具有镀荧光粉的前板。通常每个像素都由数千个发射锥组成，当栅极相对于衬底施加正向电压时，由于在阴极锥形处产生的强电场，由阴极发射的电子束将飞向阳极。磷光发光。可以看出，FED的工作原理类似于CRT，不同之处在于FED的每个像素都有自己的电子束源，所以它可以制成只有几毫米的平板结构。低工作电压，重量轻，功耗低，同时克服了AMLCD对背景光，小视角和窄工作温度范围需求的缺点，已成为平板显示家族的后起之秀。

2.2场发射阴极材料与制备

FED的核心过程是制备大面积均匀的场发射阵列和用作发射阴极的材料。难熔金属Mo通常用作发射阴极材料。在玻璃衬底上制备阴极电极层之后形成SiO2绝缘层，栅极金属层被沉积在SiO2的顶部，并且该孔被蚀刻并蚀刻以形成微腔。在放电方向上通过Ni的蒸发在栅电极上形成保护层，并且使用掠入射蒸发来防止M沉积到微腔中。然后以垂直入射方式将Mo沉积到微腔中，形成锥形的锥形发射阴极，直到通过Mo积累关闭微腔之上的孔。最后，去除Ni保护层上方的结构并形成发射阵列。场发射阵列的制造需要亚微米光刻技术，并且针对FED开发的激光全息光刻目前正被用于有效蚀刻出<0.5μm的孔阵列。由于每个像素对应于数千个发射抽头，如果某些发射失败不影响像素的显示，这种自我冗余特性有助于提高产品良率。

3、发光二极管显示器

发光二极管（LED）显示器具有高亮度、低能耗、长寿命、响应快和无辐射的特点，几乎占据了所有主要的大屏幕显示市场，广泛的用于机场、商店、车站、股票市场和大型广告牌等许多方面。特别是最近几年以GaN为基础的III-V族半导体材料和器件方面取得了突破性进展，导致了GaN基蓝光LED进入市场，并被用于全色大屏幕显示器，使LED显示器的发展进入了一个新阶段。据报道日本已应用GaN蓝光与市场售的红、绿光LED开始了对角线50英寸全晶体化长寿命全色平板显示器的研制。

除了无机半导体LED之外，近年来基于有机发光二极管（OLED）的平板显示器也展现出吸引人的前景。由于OLED是一种高亮度、低成本、低激励电压、制备工艺简单的新型发光器件。它通常由阴极（MgAg）、阳极（1TO）、空穴和电子传输层以及发光层组成。当ITO正向偏置并且MgAg被负偏置时，从两个电极注入的空穴和电子在发光层中重新结合。空穴传输层和电子传输层的作用是增加注入到发光层中的空穴和电子的密度，从而提高发光效率。0LED的发光颜色可以通过选择不同的本征发光层材料或通过在有机层中掺人不同的染料来实现。在有机平板显示器的发展中，沿厚度方向垂直堆叠三色OLED薄膜结构的像素结构引起了极大兴趣。由于这种像素结构可以获得非常高的图像分辨率。由于两个OLED是独立驱动的，通过改变它们的驱动电压比（VR/VB），可以获得红光（655nm）和蓝光（470nm）线性叠加输出光谱。虽然没有这种类型的产品可用，但由于其自身的优势，它们将在未来的信息显示中占有一席之地。

4、结语

综上所述，基于半导体技术的平板显示器已经取得了很大的成就。就上述几种平板显示器而言，AMLCD是相对发展较成熟的平板显示器，今后的发展方向是大于12英寸的彩色显示器，用途将更广泛，但由于自身的一些缺点正在受到来自FED的严峻挑战。FED仅实现了6英寸以下显示器的制备，要超过AMLCD需付出艰苦的努力。对于OLED，由于其新颖的特性正在成为平板显示器领域的一个新增长点。总之，随着平板显示器的成熟，将会引起信息显示领域的深刻变革，并在未来的信息社会中大显身手

（作者单位：南京中电熊猫平板显示科技有限公司）