非晶硅TFT强光稳定性的研究及改善

张亚军 叶发科 郑宗程 Simon Han Gilbert Seo

摘  要：随着显示产业的迅猛发展，大尺寸、宽色域、高动态范围（HDR）和高亮度给薄膜晶体管（TFT）面板带来了更大的挑战。经过测试，在40 000 nit高亮度背光照明下，经过500小时照明，面板的充电能力衰减幅度高达13%。其机理与TFT结构密切相关，如栅极的功函数和栅极绝缘层（GI）的光学带隙（Eg）。经研究，通过将GI层光学带隙从4.1 eV提升到4.7 eV，高亮度应力下衰减幅度从13%改善到了1%以下。

关键词：LCD;a-Si TFT;PECVD;高亮度

中图分类号：TN141        文献标识码：A文章编号：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

视觉是人类获取信息最主要的媒介，因此显示技术在信息时代承担着越来越重要的角色。当前是4K、8K超高清视频产业的快速发展期，分辨率4K以上的电视渗透率超过70%，尺寸超过43寸的显示器渗透率接近100%。百兆光纤入户率达到总用户的90%，并且在千兆用户持续增加和5G技术加持下8K时代有望提前到来[1]。作为主流的平板显示技术，液晶显示（LCD）面临着来自OLED、Micro LED等新兴显示技术的激烈竞争，自身具备向着更大尺寸、更高分辨率、更高刷新率、更广色域、更高亮度和对比度的下一代显示屏发展趋势的各项优势，并朝着深耕智能电视、车载显示、电竞显示、医疗监视器等细分领域发展，并将推动上下游产业的发展[2]。

基于高动态范围（HDR）标准的普及，对显示亮度和峰值亮度提出了明确的要求。是否满足HDR也成为市场端，尤其是商业显示领域，已成为选择显示器的一个很重要的重要参数。与此同时，HDR的标准也在持续提高：HDR400標准的持续亮度大于320 nit，峰值亮度需要达到400 nit;HDR600标准的持续亮度不低于350 nit，峰值亮度需达到600 nit;HDR 1000标准的标准持续亮度大于600 nit，峰值亮度需要达到1 000 nit[2-4]。实际上目前量产部分高端电视的峰值亮度已经达到2 000 nit水准。

当前主流大尺寸LCD面板薄膜晶体管（TFT）为α-Si TFT。其中绝缘层、有源层和钝化层的生产均由等离子体增强型化学气相沉积法（PECVD）实现。TFT器件能力很大程度上决定了LCD面板的能力上限，是LCD生产过程中非常重要的一环。当前大尺寸LCD面板8K、高刷新率、Mini LED高亮背光等技术发展路线，对背板薄膜晶体管（TFT）的驱动能力及长期稳定性提出了更高的要求。

近年来显示行业快速发展，显示标准快速提高，虽然LCD发展多年，但是在11代LCD产线技术研究相对较少。作为电压维持型器件，面对HDR标准普及和高分辨率、高刷新率的挑战，充电率低的问题变得不可忽略，整体充电稳定性亟待提升。尤其是Mini LED等高亮度背光的普及导致多家面板生产商表现出面板寿命衰减显示异常的问题，形势相对比较严峻。量产线一般对于成膜制程主要研究成均一性、折射率等指标，对GI成膜品质定性定量的的研究相对较少。本文从GI膜质角度切入，克服11代线体积增加带来的无法提高RF 射频功率、低电极间距容易静电击穿、均一性控制难度高、电极工艺不成熟..等负面效果，成功在11代线制程条件下确认GI制程的优化方向和关键指标，并成功在不改变mask设计的前提下，以最小的变动成本，有效解决强光环境下充电衰减的问题，并得以导入量产应用，具有很高的现实意义。

1  器件制备及强光稳定性的表征

1.1  器件制备

样品在11代大世代LCD产线进行制作。面板TFT采用底栅结构。Gate line与Date line 采取Cu制程。半导体层级栅极绝缘层材料分别为α-Si：H与SiNx： H，使用AKT 100KX 型号PECVD进行化学气相沉积，沉积温度360 ℃。TFT背沟道采用back channel etch （BCE）工艺。曝光所采用的制程为4 mask工艺，结构示意图如图1所示。器件总体为Color Filter on Array（COA）制程。最终成品为已完成前后偏光板贴合后完整Open Cell。

1.2  强光可靠性评估方法

强光条件下TFT稳定性可以从两个方向进行评估。第一个方向是从TFT器件本身稳定性本身进行评估，可以通过I-V关系曲线中Ion、Vth shift等指标直接获得评价。第二种方法是从LCD器件显示本身出发，通过观测LCD实际显示表现进行评估。这里主要说明第二种评估方法。

第二种评估方式主要引入一个参考量：Von margin。此参考量的定义如下，基于成品面板（Open cell），Vgh为面板TFT正常开启时的工作电压，一般为30 V。在L64灰阶下，Vgs从Vgh开始降低Vgs，并测试灰阶的变化，当亮度降低到原本60%时，确认此时的栅极电压为Vgs’，定义Von margin=Vgh-Vgs’。此种方案在现实应用中有非常直观的指导意义，并在实际生产中作为标准条件应用，本文将主要基于此评估方案进行产品评估。

1.3  强光可靠性测试

强光测试背光亮度40 000 nit，模拟5%透过率，2 000 nit峰值亮度使用场景。测试所用发光光源为LED光源，光照从栅极方向入射，如图2所示。测试全程在室温下进行（因光照原因，实测open cell表面温度40 ℃）。测试过程中分别从投入起，每100 h测试一次Von margin，持续测试500小时，确认Von margin的衰减程度。

经测试结果显示，4K 60 Hz样品在强光条件下均出现Von margin显著衰减，详细数据如图3所示，从18 V水准降低到15.5 V，平均衰减幅度12.7%。此时可以观察到受强光照射区域出现如图4所示明显的画面黑化异常。主要原因为在限定充电时间内，由于开启电流下降，由于120 Hz产品充电时间较60 Hz产品减少一半，仅有2.6 μs，此类异常现象会更快体现在产品上。

2  机理分析及改善

2.1  造成Ion衰减的机理推测

强光照作用下，栅极中电子吸收光子能量超过栅极材料Cu的功函数，且获得能量超过GI禁带宽度（Eg）时，可以跃迁进入SiNx：H导带。在TFT Vgs的作用下，出现从栅极到TFT前沟道的漏电流。

由PECVD制备的非晶态的SiNx：H，由于原子大多不处于能量最低的晶格位置，并且含有较多的点缺陷，在禁带中形成大量附加能级，结果表现为其导带底和价带顶会向禁带内部延伸，实际禁带宽度变窄，如图5（b）所示。

Cu的功函数为4.6 eV，Si3N4的禁带宽度为5.2 eV[5，6]。LED背光在260 nm以下波長范围存在少量的分布（约4.6 eV）[7]。在LED背光环境下，存在小量的栅极内电子被激发到4.6 eV以上。

为保证TFT Ion性能，TFT GI层主要分为两个亚层，靠近栅极侧Main GI，和靠近TFT前沟道侧（α-Si与GI的交界面）较薄的Top GI，其中Top GI会采用低速率成膜，并通过H2 Plasma处理钝化，减少膜内的悬空键等缺陷态，防止电子被缺陷捕获而造成Ion下降。

如图5（c）所示，被从栅极推离的电子可以通过Main GI，但无法进入前沟道GI导带，会在Main GI与Top GI界面处被内部缺陷（如未被氢化的悬挂键等）捕获富集，如图5（d）所示，经过一定时间的stress，逐步累积形成一个从栅极指向前沟道的电场V0。此时当TFT开启时，实际的Vgs会因为此内建反向电场而下降为Vgs'。

Vgs'=Vgs-V0

可以得出，由于V0的存在，TFT在总体会表现出Vth上升，Ion下降的现象，降低Von margin。

2.2  GI Eg 测试

为了直接测量所制备膜层带隙，在玻璃衬底上单独沉积GI所用SiNx：H膜层，膜层厚度控制在2 000 A附近，并使用NAN设备对膜厚进行量测。所制得样品使用安捷伦 Cary 5000紫外分光光度计，采用Tauc法对GI的光学带隙Eg（Optical band gap）进行量测。

对于非晶态半导体材料，有以下关系[2]：

其中α为吸收系数，h为普朗克常数，ω为光子频率，K为与光子能量无关的常量，T为透过率，d为材料膜厚。

结合公式①②，我们只需要获得T和hω的关系，（αhω）1/2和hω作图，取得x轴的截距即为Eg。

实际测试中我们选择1 000～200 nm的波长范围对样品的透过率（T%）进行了测试，测试过程扣除玻璃背底本身吸收。测量结果显示11代PECVD所沉积Eg为4.1 eV，如图6所示，相对较小。MainGI对能量大于4.1 eV的电子导电。所以，提高Main GI的Eg有机会改善强光下衰减的问题。

3  强光问题的改善

3.1  AKT 100KX PECVD结构简介

为了改善LCD在强光下衰减问题，需要了解GI的PECVD的工艺。本工作采用的是AKT 100KX PECVD——11代线等离子体增强型化学气相沉积设备，主要由上电极（Backing Plate）、扩散板（Diffuser）、下电极（Susceptor）、射频发生器（RF Generator）、气体控制单元（MFC）、尾气处理装置、RPSC（NF3预解离）等部分构成，如图7所示。MFC控制通入NH3、N2、SiH4制程气体，由RF Generator 13 MHz频率电场作用下解离形成plasma，在玻璃表面进行薄膜沉积。

3.2  基于100KX PECVD GI Eg的提升

GI SiNx：H Eg不足主要是因为自身非晶属性自身的缺陷，其中一个主要因子推断主要是原子在沉积形成薄膜过程中，在上层原子沉积之前，底层原子没有足够时间迁移到对应晶格位置导致，如图8所示。从这个思路我们可以预测可以通过降低GI本身的沉积速度，使原子在膜表面有更长的移动时间，减少成膜缺陷态密度，提升SiNx：H的Eg水准。

PECVD成膜的速率很大程度上决定于气体的流量与功率。G11 PECVD基板面积较G8.5提高1.8倍的情况下，由于设备仍然使用Al基材，高功率下Arcing现象高发，无法实现等比提高射频功率。所以在维持气体配比和射频功率不变的情况下，通过气体流量控制进行成膜速率控制并进行Eg的测试。测试过程逐步降低气体流量至初始流量40%。当气体流量减少时，成膜速率随之下降，同时Eg显著上升，如图9所示。SiNx：H Eg与成膜速率呈现出负相关关系，并在20 A/s的成膜速率下获得5.07 eV Eg的SiNx：H薄膜。实验结果与理论预期相符合。

3.3  强光改善验证

理论需要GI Eg大于Cu的功函数4.65 eV即可有效改善强光Von margin衰减问题。固从验证条件中选择Eg=4.76 eV，略高于4.65的边界条件作为GI层，重新制备open cell进行强光Von margin测试。测试结果如图10所示，Von margin 衰减量降低到1%以下，整体改善幅度显著，确定GI层Eg为改善面板强光特性的关键，与理论推断相符。

因为8K 120 Hz产品整体充电时间减为二分之一，所以整体的Von margin在初始状态就存在一定程度降低。图11结果表明，基于8K 120 Hz 产品强光Von margin测试，也获得了很好的效果。

4  结  论

本文根据LCD显示技术的发展趋势，确认了强光条件下对LCD显示器件的影响。通过理论分析讨论了强光下Von margin衰减的发生机理：（1）GI层缺陷相对较多导致其Eg减小，并小于栅极材料Cu本身功函数4.65 eV;（2）在强光照射下，栅极中获得能量的电子从栅极发出，进入Main GI导带，产生从TFT前沟道到栅极的漏电流，并且在前沟道产生富集，使得Vth上升，Ion下降;（3）由于Ion衰减，LCD无法在有限的时间内充满液晶电容CLC，在Vgs降低时面板灰阶更快的降低到60%，Von margin减少，受光照区域表现出黑化异常。

基于此机制，论证了通过降低GI成膜速率提升Eg的可行性。并通过实验调试在23 A/s的成膜速度下获得4.76 eV的SiNx： H薄膜。并且成功以此为Main GI条件将40 000 nit 500 h强光stress下4K 60 Hz产品Von margin衰减幅度从13%降低至小于1%。同时在8K 120 Hz高阶产品上实测也取得了令人满意的效果。对未来产品品质的提升提供了实际方案和指导方向。

参考文献：

[1] 中国电子信息产业发展研究院，中国超高清视频产业联盟政策工作组，等.超高清视频产业发展白皮书 [R].中国电子信息产业发展研究院，2021.

[2] 吴蔚华，阮卫泓，孙三，等.HDR显示性能测量研究 [J].电视技术，2017，41（Z2）：170-174.

[3] 曾少云.LCD显示屏HDR显示技术研究 [D].广州：华南理工大学，2019.

[4] 惠慧，朱颖瑛，朱林林，等.HDR技术及标准发展情况 [J].电视技术，2016，40（3）：75-78.

[5] 季洪雷，周青超，潘俊，等.量子点液晶显示背光技术 [J].中国光学，2017，10（5）：666-680.

[6] 解挺，吴玉程，张立德.单晶氮化硅（α-Si3N4）纳米线的制备及其光学性能 [C]//第五届中国功能材料及其应用学术会议.秦皇岛：国家仪表功能材料工程技术研究中心，中国仪器仪表学会仪表材料学会，重庆仪表材料研究所，《功能材料》编辑部，2004：891-893.

[7] 王志浩.单晶氮化硅纳米线的合成制备、可控掺杂与光致发光性能 [D].武汉：武汉理工大学，2014.

[8] ZHANG Y P，LUO L，CHEN G T，et al. Green and red phosphor for LED backlight in wide color gamut LCD [J].Journal of Rare Earths，2020，38（1）：1-12.

[9] 王念茂.大尺寸8K屏驅动技术研究 [D].广州：华南理工大学，2020.

[10] 陆利新.PECVD非晶硅薄膜制程工艺仿真建模 [D].上海：上海大学，2010.

[11] 何红宇，郑学仁.基于陷落电荷效应的非晶硅TFT的开态电流模型 [J].微电子学，2012，42（4）：551-555.

[12] 刘莎，王丹，杨照坤，等.TFT-LCD技术发展趋势浅析 [J].液晶与显示，2018，33（6）：457-463.

作者简介：张亚军（1990—），男，汉族，甘肃兰州人，工程师，硕士研究生在读，主要研究方向：G11 PECVD制程工艺及器件特性改善。