Inleiding tot TFT-substraat in LCD
Een compleet TFT-LCD LCD-displaypaneel is verdeeld op basis van het productieproces en kan grofweg worden onderverdeeld in drie processegmenten, namelijk: Array-arrayprocessegment, CF-kleurenfilterprocessegment en boxed processegment. Het Array-array-procesgedeelte is wat we vaak de productie van TFT-glassubstraten noemen.
Het TFT-substraat is een kerncomponent van het TFT-LCD-paneel en vervult de belangrijke functies van het besturen van pixelschakelaars en het aansturen van stromen. Dit artikel zal zich richten op de structuur en samenstelling van het TFT-LCD Array-substraat, de kenmerken van een-Si TFT en de impact van het TFT-substraat op de LCD-prestaties.
1. Structuur en samenstelling van TFT-substraat
De belangrijkste aandrijfeenheid van het TFT-LCD-scherm is een dunne filmtransistorarray (TFT Array) en elke pixel wordt bestuurd door een onafhankelijke TFT-schakelaar. Om deze functie te bereiken heeft het TFT-substraat een structuurontwerp met meerdere- lagen, waarbij elke laag materiaal en elektroden een andere rol speelt.
Over het algemeen kunnen TFT's worden onderverdeeld in twee categorieën: de bovenste poortstructuur en de onderste poortstructuur. Momenteel is de mainstream-oplossing voor LCD-panelen TFT met een onderste poortstructuur, die volwassen processen en hoge stabiliteit heeft, en geschikt is voor massaproductie op grote- schaal.
In een typisch 6-maskerproces bevat een TFT-substraat met een onderste poortstructuur hoofdzakelijk de volgende onderdelen:
1. Glazen substraat
Als fysiek ondersteuningsplatform voor de gehele array biedt het een vlakke en transparante basis.
Het is vereist om een stabiele dimensionaliteit en een kleine thermische uitzettingscoëfficiënt te hebben om de nauwkeurigheid van daaropvolgende dunne-filmdepositie- en fotolithografische processen te garanderen.
2. Poortelektrode (poortelektrode)
Meestal worden metalen materialen (zoals Mo, Al of legeringen daarvan) gebruikt.
Door de spanning te regelen die op de poort wordt toegepast, wordt de aan- of uit-status van de TFT bepaald, wat equivalent is aan de "besturingsterminal van de schakelaar".
3. Poortisolator
Het meest gebruikte materiaal voor de poort is SiNx of SiO₂.
Zijn functie is elektrisch isoleren, voorkomen dat de poort rechtstreeks in contact komt met de halfgeleiderlaag erboven, en tegelijkertijd ervoor zorgen dat het elektrische veld van de poort de elektronische beweging van het halfgeleiderkanaalgebied effectief kan controleren.
4. Actieve laag (Actieve laag)
Dit is de kern van TFT-prestaties, meestal bestaande uit een halfgeleiderlaag en een ohmse contactlaag:
De halfgeleiderlaag is verantwoordelijk voor de draaggolftransmissie en vormt het hoofdgedeelte van het kanaalgebied;
De ohmse contactlaag wordt gebruikt om de contactweerstand tussen de source- en drain-elektroden en de halfgeleider te verminderen.
In de huidige TFT-LCD-industrie is a-Si (amorf silicium) het meest gebruikte halfgeleidermateriaal.
Het a-Si TFT-proces is volwassen en heeft lage kosten. Het wordt het meest gebruikt in mid- en low-TFT-LCD-schermen.
Hoewel de elektronenmobiliteit van een-Si relatief laag is, zorgen het hoge procesrendement en de grote veelzijdigheid in productieapparatuur ervoor dat het nog steeds de reguliere keuze is voor TFT-LCD.
Amorf silicium a-si halfgeleiderdiagram
Naast een-Si zijn er nieuwe materialen zoals poly-Si en oxidehalfgeleiders, maar deze worden vaker gebruikt in weergavepanelen met hoge-resolutie of voor speciale- doeleinden.
5. Bron en afvoer
Verdeeld over beide zijden van de actieve laag en bestaat uit metaalmateriaal.
De bron is verbonden met de datalijn en verzendt de ingangssignaalspanning naar het kanaalgebied;
De afvoerelektrode is verbonden met de pixelelektrode en zendt de signaalspanning naar de vloeibaar-kristalpixeleenheid.
6. Tussenisolatielaag (passiveringslaag, PVX)
Het bedekt de TFT-structuur en speelt een rol bij bescherming en isolatie.
Voorkom dat vocht, zuurstof of mechanische spanning schade aan het TFT-apparaat veroorzaken, en voorkom kortsluiting van de source- en drain-elektroden naar de bovenste pixelelektroden.
7. Pixelelektrode (1e ITO)
Gemaakt van transparant geleidend materiaal (meestal ITO, indiumtinoxide).
Verbonden met de afvoer, pas de datasignaalspanning toe op de vloeibaar-kristallaag en regelt rechtstreeks de optische toestand van het pixelpunt.
8. Gemeenschappelijke elektrode (2e ITO, COM-elektrode)
Tegenover de pixelelektrode bevindt deze zich meestal op het bovenste glassubstraat.
Er wordt een elektrisch veld gevormd tussen de gemeenschappelijke elektrode en de pixelelektrode, en er wordt een actiekracht uitgeoefend op de vloeibaar-kristalmoleculen om hun opstelling te veranderen, waardoor modulatie van licht wordt bereikt.
Weergaveprincipe van TFT-LCD
In het gehele TFT-substraat zijn miljoenen van dergelijke TFT-eenheden gerangschikt in een rij-kolommatrix. De poortlijn in de rijrichting is verantwoordelijk voor progressief scannen, en de datalijn in de kolomrichting is verantwoordelijk voor het verzenden van signaalspanning. Op het snijpunt van de twee bevinden zich een TFT en de bijbehorende vloeibaar-kristalpixel. Wanneer alle pixelspanningen regel voor regel worden geschreven en bijgehouden, kan het gehele LCD-paneel een compleet beeld weergeven.
2. Werkingsprincipe van TFT-substraat in LCD
1. De functie van TFT als schakelaar
Elke pixel is uitgerust met een TFT, wat overeenkomt met een elektronische schakelaar.
Wanneer het scansignaal op de poort inwerkt, wordt de TFT ingeschakeld en wordt de spanning bij de bron overgebracht naar de afvoer en vervolgens toegepast op de pixelelektrode.
Wanneer het poortsignaal wordt verwijderd, wordt de TFT uitgeschakeld en wordt de spanning op de pixelelektrode gedurende een bepaalde tijdsperiode gehandhaafd, waardoor de oriëntatietoestand van de vloeibaar-kristalmoleculen behouden blijft.
2. Veranderingen in de oriëntatie van vloeibare kristalmoleculen
Vloeibaar-kristalmaterialen hebben een elektro-optisch effect, en hun moleculen zullen worden herschikt onder invloed van een elektrisch veld.
Verschillende spanningen komen overeen met verschillende moleculaire hellingshoeken, wat op zijn beurt het modulatievermogen van de vloeibaar-kristallaag op licht verandert.
3. Transmissie en controle van licht
De vloeibaar-kristallaag is ingeklemd tussen de bovenste en onderste glassubstraten, en aan de boven- en onderkant is ook een polarisator aangebracht.
Wanneer de oriëntatie van de vloeibare kristalmoleculen verandert, verandert de polarisatietoestand van het licht dienovereenkomstig, en verandert de transmissie ook nadat het door de polarisator is gegaan.
Op deze manier kan de lichte en donkere aanpassing van de pixel worden bereikt door de spanningsgrootte te regelen.
4. Combinatie met achtergrondverlichting en kleurendisplay
Het LCD-scherm zelf straalt geen licht uit en de lichtbron die nodig is voor het display komt uit de achtergrondverlichtingsmodule.
Het TFT-substraat bepaalt hoeveel achtergrondlicht wordt doorgelaten door de doorlaatbaarheid van de vloeibaar-kristalpixel te regelen.
Tegelijkertijd wordt elke pixel bedekt met rode, groene en blauwe (RGB) kleurfilters. Door de lichttransmissie van de drie sub{1}}pixels aan te passen, kan deze worden gemengd om een volledig-kleurenbeeld te genereren.
5. Algemene aandrijfmethode
De poortlijnen worden progressief gescand en de signaallijnen worden kolom voor kolom geladen met spanningen.
Bij het scannen naar een bepaalde lijn worden alle TFT's in die lijn tegelijkertijd ingeschakeld en wordt de spanning van de signaallijn naar de overeenkomstige pixel geschreven.
Nadat deze regel is voltooid, gaat de scanregel naar de volgende regel totdat het hele scherm is vernieuwd.
Dit proces van hoge-snelheid kan een continue dynamische beeldweergave vormen.
3. De invloed van TFT-substraat op LCD-prestaties
Als de belangrijkste aandrijflaag van LCD-panelen bestaat het TFT-substraat uit het materiaal, de structuur en de elektrische kenmerken die rechtstreeks de belangrijkste prestaties van het weergaveapparaat bepalen, zoals resolutie, helderheid, contrast, energieverbruik en levensduur. Het volgende legt het uit vanuit verschillende hoofdaspecten.
1. Resolutie
Glassubstraat: Hoe hoger de vlakheid van het oppervlak, hoe beter de grafische nauwkeurigheid van de pixelelektroden en TFT-arrays, wat bevorderlijk is voor het bereiken van kleinere pixeleenheden en dus voor het ondersteunen van een hogere resolutie.
Actieve laag (a-Si): De elektronenmobiliteit van a-Si is laag (0,3–1 cm²/V·s), waardoor de aandrijfcapaciteit van de TFT wordt beperkt. Wanneer de pixeldichtheid toeneemt, is een-Si moeilijk snel op te laden en is de resolutieverbetering beperkt. Als LTPS of Oxide TFT wordt gebruikt, is de mobiliteit van de actieve laag hoger en kan de weergave van hogere PPI worden bereikt.
Metaalsporen (gate-, source- en drain-elektrode): De spoorbreedte en weerstand hebben rechtstreeks invloed op de pixelopeningssnelheid. Metaal met hoge weerstand dwingt het spoor om breder te worden, waardoor het pixelgebied in beslag wordt genomen en de resolutie wordt verminderd; lage weerstand Cu kan signalen met een kleinere lijnbreedte verzenden en het pixelgebruik verbeteren.
2. Helderheid en transmissie
Pixelelektrode (ITO): De lichttransmissie en weerstand van de ITO bepalen de benuttingsgraad van de achtergrondverlichting. Een hoge lichttransmissie kan de efficiëntie vergroten van het licht dat door pixels gaat, terwijl een hoge geleidbaarheid zorgt voor een uniforme verdeling van signalen over pixels met een groot-oppervlak.
Bron- en afvoermetaalsporen: als het spoor te breed is, blokkeert het het pixelgebied, verkleint het lichttransmissiegebied (verminderde openingssnelheid) en vermindert de helderheid. Cu wordt gebruikt in plaats van Al, wat de spoorbreedte kan verkleinen en tegelijkertijd de weerstand kan verminderen, waardoor de openingssnelheid toeneemt.
Isolatielaag (SiNx, SiO₂): De vlakheid van het oppervlak en de spanningseigenschappen van de isolatielaag beïnvloeden de oriëntatie van vloeibare kristalmoleculen. Als het oppervlak oneffen is, zal dit leiden tot een abnormale opstelling van vloeibare kristallen, waardoor de optische transmissie wordt verminderd.
3. Contrast- en grijswaardenprestaties
Actieve laag (a-Si): De schakelverhouding van de TFT wordt beïnvloed door het materiaal. De schakelverhouding van een-Si is relatief laag, wat de neiging heeft een grote lekstroom te genereren, waardoor een kleine hoeveelheid licht in de zwarte veldtoestand lekt, waardoor het contrast afneemt.
Isolatielaag (SiNx, SiO₂): de hoogwaardige isolatielaag- kan lekkagepaden verminderen en het behoud van pixelspanning verbeteren, waardoor een stabiele grijswaardenweergave behouden blijft.
Pixelelektrode (ITO): De uniformiteit van de weerstand van de ITO-filmlaag zal de spanningsconsistentie van verschillende pixels beïnvloeden. Als de weerstandswaarde ongelijkmatig is, zal dit leiden tot verschillende prestaties van lokale grijswaarden, waardoor de weergave-uniformiteit en het algehele contrast afnemen.
4. Effect van reactiesnelheid
Actieve laag (a-Si): De mobiliteit van a-Si is laag en de bewegingssnelheid van de elektronen is laag, wat resulteert in een lange oplaad- en ontlaadtijd voor pixels en in het algemeen op millisecondenniveau, wat niet geschikt is voor toepassingen met een hoge verversingssnelheid. De hoge mobiliteit van LTPS of Oxide TFT kan de responstijd aanzienlijk verkorten.
Metaalsporen: Een te hoge spoorweerstand veroorzaakt vertraging in de signaaloverdracht en beïnvloedt de pixelrespons. Het gebruik van materialen met lage- weerstand kan de signaalvertraging verminderen en de reactiesnelheid verbeteren.
Parasitaire condensatoren (bepaald door de metalen lay-out en poortisolatie): Wanneer de parasitaire condensator te groot is, duurt het langer om de pixel op te laden, waardoor de grijswaardenresponsefficiëntie afneemt. Een redelijk structureel ontwerp en optimalisatie van de dikte van de isolatielaag helpen de parasitaire capaciteit te verminderen.
5. De impact van stroomverbruik
Bron- en afvoermetaal (Al, Mo, Cu): Materialen met een lage weerstand kunnen signaaloverdrachtsverliezen verminderen en het stroomverbruik verhogen. Vanwege de lage soortelijke weerstand heeft Cu duidelijke voordelen bij het verminderen van het energieverbruik.
Actieve laag (a-Si): De lekstroom is groot, de pixelspanning wordt gemakkelijk verzwakt en een hogere verversingsfrequentie is vereist om een stabiel beeld te behouden, waardoor het totale stroomverbruik toeneemt.
Pixelelektrode (ITO): Elektroden met hoge lichttransmissie kunnen de efficiëntie van het lichtgebruik verbeteren. Bij dezelfde helderheidseisen kan het vermogen van de achtergrondverlichting lager zijn, waardoor het energieverbruik wordt verminderd.
6. De impact van betrouwbaarheid en levensduur
Poortmetaal (Al): Hilllock (kleine uitsteeksels) worden gemakkelijk gevormd bij hoge temperaturen, wat resulteert in kortsluiting of open circuitstoringen, waardoor de stabiliteit op de lange- termijn wordt aangetast.
Cu-metaal: Hoewel de weerstand laag is, heeft het een sterke diffusie. Als er geen barrièrelaag is, is het gemakkelijk om de halfgeleiderlaag te vervuilen en tot prestatieverlies te leiden.
Isolatielaag (SiNx): kan de penetratie van Na⁺-ionen, waterdamp en zuurstof effectief blokkeren. Als de massa onvoldoende is, zullen de prestaties van het apparaat snel afnemen.
Actieve laag (a-Si): Drempelspanningsdrift treedt op tijdens lange werkuren, wat resulteert in een verhoogde vraag naar stuurspanning, verminderde helderheid en contrast van het scherm en een kortere levensduur.
In het werk van LCD bepaalt het TFT-substraat niet alleen het weergave-effect van het beeld, maar heeft het ook rechtstreeks invloed op de resolutie, helderheid, contrast, energieverbruik en betrouwbaarheid. Over het geheel genomen vormen TFT-substraten niet alleen de basis van de LCD-technologie, maar ook de sleutel tot verbetering van de paneelprestaties en procesevolutie.
