八月十二日,鸿海集团和夏普同时宣布,已经通过了中国商务部的反垄断审查,至此,持续多月的富士康 35 亿美元收购夏普尘埃落定。在日本历史上,第一次有一家大型电子公司被海外企业收购,这样的消息让大家唏嘘不已。夏普对于液晶面板市场的判断失误,导致了巨额亏损。那么富士康为何收购净资产为负值的夏普?其主要原因在于夏普的显示面板厂以及相关技术专利。其中最重要的一项技术便是 IGZO

 

1、什么是 IGZO,它能做什么?

IGZO 的全称是 indium gallium zinc oxide,中文名叫氧化铟镓锌。简单来说,IGZO 是一种新型半导体材料,有着比非晶硅(α-Si)更高的电子迁移率。IGZO 用在新一代高性能薄膜晶体管(TFT)中作为沟道材料,从而提高显示面板分辨率,并使得大屏幕 OLED 电视成为可能。随着科研活动的深入,人们发现一系列的金属氧化物有着类似的性能,因此统称为 Oxide TFT。由于夏普长时间对 IGZO 的宣传以及人们先入为主的认识,很多人还是喜欢叫 IGZO。本文不区分 IGZO 和 Oxide TFT 的区别,并且用 IGZO 统一指代。目前市场上大家熟悉的 4k, 5k 高分辨显示屏,还有 ipad 都使用了该技术。

 



为什么显示器上面需要薄膜晶体管?为什么我们要更高的电子迁移率?事实上,市面上的平板显示器,无论是 LCD,OLED 还是 LED,其每一个像素点的点亮以及熄灭都由薄膜晶体管来单独控制。无论哪种技术,我们都希望电子的运输越快越好。迁移率用一个形象的比喻来说就相当于火车的速度。如果火车速度慢,为了在规定的时间内运输一定量的电子,我们要么铺设多条铁轨,要么增加车厢数量。同样,如果电子迁移率高,每个晶体管就可以做小,从而把每个像素做小,实现高分辨显示。

 

 

2、IGZO 发展历史

IGZO 的发明人是东京工业大学教授细野秀雄(Hideo Hosono)。作为材料学家他 2004 年在《自然》杂志上首次报道了柔性透明 IGZO 薄膜晶体管,载流子迁移率在 10 cm2 V-1 s-1 左右,引起了轰动。为什么如此呢?对于电子材料熟悉的朋友一定都知道单晶硅的载流子迁移率在 500 cm2 V-1 s-1 以上,然而一旦把材料生长温度降低,非晶硅(α-Si)的场效应迁移率最多只有 1 cm2 V-1 s-1,有几百倍的性能降低。之前科学家对于半导体的认识大多都是基于硅,认为低温条件下生长的无定形金属氧化物难以取得很好的性能。IGZO 的发明打破了人们的偏见。

 

 

新的科学发现带来新的商业价值。10 cm2 V-1 s-1 的迁移率其实相比于单晶硅一点都不高,但是单晶硅上千度的生长和处理温度限制了大尺寸的生长。目前商用晶圆的最大直径也就 400 毫米。作为对比,目前商业化最大的面板尺寸 Gen 10 是 3.1 米×2.9 米。

 

Applied Materials 2.2m X 2.4m Gen 8 PECVD system

 

显然,单晶硅不适合显示领域,人们被迫使用性能惨不忍睹的非晶硅长达三十多年。低于 350°C 的生长以及后处理温度使得 IGZO 可以用磁控溅射的方法大规模生长在玻璃衬底上面。夏普和日本半导体能源研究所首先将 IGZO 商业化,LG、三星以及国内的京东方、华星光电等面板厂也跟进。高分辨显示器对于提高视觉感受具有重要的意义。前几年笔记本电脑以及显示器上面分辨率的止步不前就是由于非晶硅的瓶颈。随着 IGZO 的商业化,这一两年 4k 显示屏才慢慢出现。相信不久的将来 8k 也不是梦。

 

这边岔开一句,2004 年的文章中,细野秀雄就展示了柔性衬底上的晶体管阵列。目前业界预测 2018 年才会有真正柔性的显示屏上市。一项技术从研究成果到最终商业化,需要花费十几年的时间。科研活动需要科学家和工程师的耐心以及远见,然而一旦成功应用就能给社会带来巨大的财富和贡献。我后面会在别的文章中具体讨论柔性显示面板。

 

3、与现有技术相比优势

目前市场上成熟的技术是非晶硅以及低温多晶硅(Low-Temperature Poly Silicon,LTPS)。我们之前讨论过,由于玻璃面板只能承受 350°C 左右的处理温度,无法在上面生长单晶硅,甚至无法生长多晶硅(600~1000°C)。一个妥协的做法是先使用低温等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)生长非晶硅,然后采用激光退火的办法,在很短的时间内提高薄膜温度,重结晶得到多晶硅。这样做出来的 LTPS 由于使用 XeCl 激光,成本很高,同时薄膜均一性不佳,只能用在小的面板上(Gen 6),进一步提高了成本。LTPS 可以实现高达 100 cm2 V-1 s-1 的载流子迁移率,因此目前用于高 DPI 的手机屏幕上。

 

我们下面来看一下α-Si,IGZO 以及 LTPS TFT 的转移特性曲线,具体谈谈差别。从图中我们可以看到,由于迁移率α-Si<IGZO<LTPS,他们的电流密度依次增加。同时,IGZO 有着最大的开关比和最小的漏电流,这使得像素点不工作的时候功耗降低。这对于移动设备至关重要。

 

 

三种技术的总结如下:α-Si 由于成熟的工艺、低廉的价格,虽然性能孱弱依然是市面上的大头,用在电视、电脑显示器、还有低端平板电脑上面。LTPS 性能强大、可靠性高,虽然价格昂贵但是依然主导高端手机屏幕。IGZO 性能介于两者中间,价格与α-Si 接近,未来有希望完全取代α-Si 并蚕食部分 LTPS 市场。

 

 

以上描述的是已经商用的 IGZO。事实上 IGZO 的下一步研发还在继续中。今年 2016 国际显示学会 SID 显示周(Display Week)上,夏普就发布了载流子迁移率高达 65 cm2 V-1 s-1 的 top-gate self-aligned 结构的晶体管,这样的性能已经接近 LTPS,不仅可以用来控制像素点,还能在玻璃上直接用 IGZO 制造周边驱动电路。希望不久的将来,IGZO 能击败 LTPS,一统江湖!

 

 

4、高性能显示屏

目前市面上销售的 IGZO 产品,除了之前介绍的 ipad, 4k 5k iMac 之外,还有夏普 32 寸 UltraHD 4k 显示器,戴尔的 UltraSharp 显示器,熊猫 55 寸 4k 电视(夏普授权)以及所有的 4k 笔记本电脑。我来说说夏普在这次国际会议上展示的最先进技术吧,这部分直接看图说话。当然,这里展示的都是产品原型。最终是否上市还有待时日。

 



5、总结

通过以上介绍,希望大家能够对 IGZO 技术有了初步的了解。也通过我的介绍,大家可以一窥夏普在显示领域的优良资产。巨资收购夏普之后,富士康的母公司鸿海集团将拥有最雄厚的显示面板技术。这不仅帮助鸿海稳固大客户苹果公司,也方便自己布局物联网、智能硬件等产业。事实上,高性能的薄膜晶体管不仅可以用在显示屏上,还可以取代传统的基于单晶硅的电子芯片,用在那些不需要强大计算能力,成本控制严格的柔性电子、传感器、可穿戴设备上来。这个部分我会在今后的文章中具体阐述。

 

作者简介:陈华骏,从事薄膜晶体管、印制电子、柔性电子以及生物传感器相关研究,现为 UCLA 博士生,复旦校友。