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　　OFweek電子工程網(wǎng)訊 IGZO(indium gallium zinc oxide)為銦鎵鋅氧化物亦稱金屬氧化物。IGZO(indium gallium zinc oxide)為銦鎵鋅氧化物的縮寫，非晶IGZO材料是用于新一代薄膜晶體管技術(shù)中的溝道層材料。IGZO材料由日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄最先提出在 TFT行業(yè)中應(yīng)用，目前該材料及技術(shù)專利主要由日本廠商擁有，IGZO-TFT技術(shù)最先在日本夏普公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 IGZO是銦(Indium)、鎵(Gallium)、鋅(Zinc)、氧(Oxygen)四個(gè)單詞的縮寫，我們也可以稱他為銦鎵鋅氧化物，所以可以說，IGZO只是一種材料。

　　IGZO的由來怎么發(fā)現(xiàn)的?

　　全球最早發(fā)現(xiàn)IGZO具有可在均一性極佳的非結(jié)晶狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)不遜于結(jié)晶狀態(tài)的電子遷移率特性的是日本東京工業(yè)大學(xué)前沿技術(shù)研究中心&應(yīng)用陶瓷研究所教授細(xì)野秀雄。

　　細(xì)野秀雄教授在一次專業(yè)研討會上介紹了IGZO發(fā)現(xiàn)的過程：“我自1993年起開始研究透明氧化物半導(dǎo)體材料。最初研究的是結(jié)晶材料。同時(shí)，我對非結(jié)晶材料也懷有強(qiáng)烈興趣。當(dāng)時(shí)業(yè)界普遍認(rèn)為，包括硅在內(nèi)，“非結(jié)晶材料的電子遷移率比結(jié)晶材料要低3～4個(gè)數(shù)量級”。我覺得這種看法不對。我認(rèn)為以硅為代表的共價(jià)鍵合性物雖然有這樣的性質(zhì)，但像素氧化物那樣的離子結(jié)合性物質(zhì)應(yīng)該與此不同。”

　　但問題是，離子結(jié)合性的物質(zhì)很難形成非結(jié)晶狀態(tài)。“不過，我發(fā)現(xiàn)如果從氣相材料開始制作的話，就比較容易形成非結(jié)晶狀態(tài)。最初，只發(fā)現(xiàn)了1種令人感興趣的材料。通過描繪這種材料的電子軌道，我發(fā)現(xiàn)很可能有大量的非結(jié)晶的透明氧化物”。

　　要想作為TFT(薄膜晶體管)來使用，則必須是可對載體進(jìn)行控制的物質(zhì)。遷移率多少犧牲一些不要緊，但可隨意轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電體或者絕緣體這一點(diǎn)至關(guān)重要。有一種電子遷移率較高、且作為透明導(dǎo)電氧化物也十分出色的代表性材料，這就是IZO(In-Zn-O)。然而，這種材料很難制成絕緣體，無法直接應(yīng)用于TFT。“于是我想出了一個(gè)方法，即：摻入Ga(鎵)后將其制成IGZO。摻入了Ga之后，電子遷移率會降至IZO的1/3，即便如此，仍可保證250px2/Vs的遷移率。遷移率如果達(dá)到250px2/Vs，作為顯示器驅(qū)動用已足夠。”

　　2003年，J.F.Wager，R.L.Hoffman等人分別在Science，Applied PhysicsLetters等權(quán)威雜志上發(fā)表了以ZnO-TFT為代表的透明氧化物薄膜晶體管相關(guān)研究報(bào)告，并提出透明電子學(xué)(Transparent Electronics)概念。這類氧化物半導(dǎo)體器件具有制備溫度低、載流子遷移率高以及在可見光波段全透明等優(yōu)點(diǎn)，在一段時(shí)間內(nèi)掀起了研究高潮，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了相關(guān)研究，但ZnO、SnO等薄膜易形成多晶態(tài)，存在不可忽視的大量晶界和氧缺陷，并且器件穩(wěn)定性差，特性隨時(shí)間變化顯著，這些都阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。2004年，Nomura等人在Nature上發(fā)表了m(In)：m(Ga)：m(Zn)=1.1：1.1：0.9的混合型氧化物薄膜晶體管，即a-IGZO TFT，在很多方面顯示出良好的性能。該文刊登后不久，國外很多研究機(jī)構(gòu)也開始通過磁控濺射、激光脈沖沉積(PLD)或溶液旋涂(Solution-Processed)等手段制備出a-IGZOTFT、a-IZO TFT等器件。

　　IGZO屏幕優(yōu)勢很多么?

　　相比于傳統(tǒng)非晶硅a-Si材料，IGZO載流子遷移率更高，大約為10cm2/Vs。所以更少的材料就可以滿足要求，使管子尺寸更小，減少像素面積，使設(shè)備更輕薄;全透明，對可見光不敏感，能夠大大增加元件的開口率，提高亮度，降低功耗。另外，工藝溫度比a-Si低，而且具有很好的彎曲性能，能夠很好地配合柔性O(shè)LED。

　　相比于低溫多晶硅LTPS材料，IGZO 沒有屏幕尺寸的限制，小尺寸也可以做，大尺寸一樣可行，而LTPS難以生產(chǎn)大尺寸高分辨率的面板。另外，在生產(chǎn)方面，原有的非晶硅面板生產(chǎn)線要改造為LTPS生產(chǎn)線，需要較為復(fù)雜的過程，需要的資金也很多，而改造成IGZO面板只是對現(xiàn)有的非晶硅面板生產(chǎn)線進(jìn)行改良，要容易很多，且不限制生產(chǎn)線的世代數(shù)。

　　(1)由于漏電流小，畫無更新時(shí)可以切斷電流，可以進(jìn)一步提高省電效果。(2)分辨率更高了，與使用a-Si的傳統(tǒng)液晶屏幕相比，可在保證透過光量的同時(shí)提高單位面積的像素?cái)?shù)，根本原因還是IGZO的遷移率率更高，可以縮小體積，這樣分辨率就提升了。(3)使觸摸屏更靈敏?？刹捎瞄g歇驅(qū)動方式，降低液晶顯示器驅(qū)動電路產(chǎn)生的噪聲對觸摸屏檢測電路造成的影響，從而實(shí)現(xiàn)了更高的觸摸靈敏度。

不同半導(dǎo)體材料特性對比

　　IGZO工作原理和結(jié)構(gòu)模型都有哪些?

　　非晶金屬氧化物IGZO由In2O3、Ga2O3和ZnO構(gòu)成，禁帶寬度在3.5eV左右，是一種N型半導(dǎo)體材料。In2O3中的In3+可以形成5S電子軌道，有力于載流子的高速傳輸，電子的遷移率在875px2/V·s;Ga2O3有很強(qiáng)的離子鍵，可以抑制O空位的產(chǎn)生;ZnO中的Zn2+可以形成穩(wěn)定西面體結(jié)構(gòu)，可以使金屬氧化物IGZO形成穩(wěn)定的非晶結(jié)構(gòu)。因此，金屬氧化物IGZO適用于制作高遷移率薄膜晶體管。材料特性總結(jié)為4點(diǎn)：高遷移率;易于低溫濺射工藝;同質(zhì)(沒有晶界);光學(xué)透明。

金屬氧化物晶相與元素比例對于遷移率的影響

　　目前金屬氧化物IGZO-TFT的結(jié)構(gòu)主要有刻蝕阻擋型(Etch Stop Type)、背溝道刻蝕型(Back Channel Etch Type)和共面型(Coplanar Type)三種類型。按制作工藝可分為5Mask、6Mask、7Mask。下表簡列了不同Mask數(shù)結(jié)構(gòu)的比較。

常見IGZOTFT結(jié)構(gòu)

　　IGZO屏幕技術(shù)障礙、缺點(diǎn)及解決方案

　　IGZO存在著一些本質(zhì)上的缺點(diǎn)。首先是新型材料普遍存在的長時(shí)間工作可靠度與穩(wěn)定性問題，壽命短。另外，IGZO對水以及氧都相當(dāng)敏感，所以必須在它表面鍍上一層保護(hù)層，來隔離空氣中的氧氣和水蒸氣。IGZO并不是完美的材料，但是目前來講，它確實(shí)是屏幕的最佳的選擇。IGZO TFT的工作特性對周圍氣氛很敏感，如氧氣，濕氣，氫的含量等?？梢赃@樣解釋，在還原氛圍中退火會形成氧缺陷，或者在包含H2的氣氛中退火摻入的H，或者在低溫下離子注入都很容易的增加半導(dǎo)體導(dǎo)電性。氧缺陷和H摻雜充當(dāng)了淺施主，同時(shí)產(chǎn)生移動電子。這個(gè)問題可以解決，通過使用頂保護(hù)層(鈍化層)包含SiOx，SiNx或者類似的東西，可以隔絕O-，H2O-，或者H-相關(guān)的分子的滲透和擴(kuò)散。另一方面，對于還原氣氛與氫的這種敏感可以被利用，來形成改善的源漏極接觸。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　另外a-IGZOTFT的光響應(yīng)。亞帶隙光響應(yīng)源于VBM上的亞帶隙缺陷態(tài)密度(DOS)。因此，亞帶隙光響應(yīng)可以通過移除深DOS來解決，它的存在可以在一定程度上通過選擇合適的沉積條件來控制。

　　雖然金屬氧化物相對于非晶硅和低溫多晶硅具有很多優(yōu)勢，但是其也存在一些不足。圖4為IGZOTFT在高溫偏壓穩(wěn)定性測試過程中，其特性變化情況?？梢钥闯鲈谪?fù)偏壓下IGZO TFT Vth變化幅度很大，最大達(dá)到10V。在顯示過程中，TFT大部分時(shí)間是處于關(guān)閉的狀態(tài)，所以Vth漂移是TFT不穩(wěn)定的主要特征。TFT特性的長期穩(wěn)定性，真正源頭來自持續(xù)偏壓下的所形成的受主型電子陷阱。另外也有指出不穩(wěn)定性部分原因來源于O-，H2O-相關(guān)的分子的吸附和解吸，而合適的鈍化層的使用可以改善穩(wěn)定性。

　　IGZO TFT在偏壓可靠性測試中轉(zhuǎn)移特性曲線變化情況(a)Vgs=35V，溫度60℃(b)Vgs=-35V，溫度60℃， Vds=10V

　　除了柵極負(fù)向偏壓會對TFT特性產(chǎn)生影響，光照是另外一個(gè)不可忽略因素。如下圖所示為IGZOTFT在無光照以及光照條件下，TFT轉(zhuǎn)移曲線變化情況，可以看出隨著光強(qiáng)的增加，Vth表現(xiàn)為向負(fù)向移動。

溝道在光照下轉(zhuǎn)移特性曲線變化情況

　　為什么oxide TFT適合大尺寸超高清顯示面板

　　Oxide TFT是一種薄膜晶體管，比普通的非晶硅(a-Si)TFT電子遷移率(電子移動的速率)快幾十倍，Oxide TFT可提高液晶面板像素的透過率，較易實(shí)現(xiàn)高精細(xì)化、高解析度和更大尺寸。

　　目前，大尺寸面板普遍采用a-SiTFT驅(qū)動。隨著顯示屏分辨率越高畫面尺寸越大，Gate Line數(shù)目和Gate Line 長度會增加，Gate是將輸入的信號依次驅(qū)動，因此會引發(fā)信號傳達(dá)延誤等問題，且a-Si TFT遷移率很低，導(dǎo)致像素點(diǎn)無法在有限的時(shí)間內(nèi)充滿電，從而無法正常顯示。

　　一般來講，實(shí)現(xiàn)55inch 4K規(guī)格以上的顯示面板，一方面需采用銅制程降低RC延遲，另一方面需采用遷移率更高的Oxide TFT。

　　現(xiàn)在，大部分家庭都有42inch以上的液晶電視，但是如果你走近電視摸一摸它的屏幕，是不是感覺很熱?發(fā)熱是合理的，因?yàn)樗捎胊-Si TFT，TFT尺寸必須做大才能驅(qū)動。然而TFT尺寸大了就會影響像素透過率，要達(dá)到一定亮度，必須提高背光源的功率，所以電視機(jī)就會發(fā)熱。但是如果采用Oxide TFT，功率會下降很多，發(fā)熱也就不會那么嚴(yán)重了。

　　IGZO技術(shù)是夏普獨(dú)有么?

　　細(xì)野秀雄教授關(guān)于IGZO的主要研究成果早在2002年就已經(jīng)通過論文進(jìn)行了發(fā)表;2010年12月10日，在北京舉辦的“中國·北京2010年國際平板顯示產(chǎn)業(yè)高峰論壇”上細(xì)野秀雄教授也對非結(jié)晶氧化物半導(dǎo)體發(fā)表主題演講。由于該技術(shù)正好符合正在尋找以O(shè)LED為代表的“新一代顯示器”驅(qū)動用元件的面板廠商的需求，因此許多企業(yè)對此表現(xiàn)出極大關(guān)注。

　　不只夏普，臺灣企業(yè)友達(dá)、奇美和內(nèi)資企業(yè)京東方等等都在對IGZO進(jìn)行研究，其中友達(dá)已經(jīng)成功試制出了10.1英寸IGZO及時(shí)液晶面板。

　　所以IGZO并不是夏普獨(dú)有，但是夏普是第一個(gè)對IGZO技術(shù)液晶面板進(jìn)行量產(chǎn)的企業(yè)，也是最早實(shí)際在產(chǎn)品上應(yīng)用IGZO面板的企業(yè)之一，這就是老郭鐘情的原因么?

　　TFT-LCD制造工藝(同IGZO)

　　IGZO除了半導(dǎo)體層，其余金屬層成膜與其它技術(shù)無異，請參考BOE提供的視頻資料。