【導(dǎo)讀】IGZO是用于新一代薄膜晶體管技術(shù)中的溝道層材料，IGZO技術(shù)具有低耗電量、高屏幕精度、高觸摸性能等優(yōu)勢(shì)，據(jù)稱未來(lái)iPhone將采用IGZO顯示技術(shù)，那么IGZO究竟有什么樣的獨(dú)特之處呢？與市場(chǎng)上熱門的AMOLED技術(shù)相比，又有怎樣的優(yōu)勢(shì)和不足？本文都將詳細(xì)講述。
為什么叫IGZO？
IGZO是由四個(gè)單詞：銦(Indium)、鎵(Gallium)、鋅(Zinc)、氧(Oxygen)的首字母湊在一起而成，也可以稱之為銦鎵鋅氧化物。因此我們知道，IGZO是一種材料。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)。
圖1：IGZO金屬氧化物層
大家也都應(yīng)該知道，TFT一般是由非晶硅薄膜晶體管制成，隨著顯示器尺寸的不斷增大，非晶硅薄膜晶體管電子遷移率不足、均一性差、占用像素面積、導(dǎo)致透光率降低的缺陷逐漸顯現(xiàn)了出來(lái)。因此夏普在研究中將焦點(diǎn)投向了氧化物半導(dǎo)體材料上，其解決方案就是用由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)三種金屬元素組成的IGZO，來(lái)取代由非晶硅薄膜晶體管制成的傳統(tǒng)TFT。
這種IGZO解決了傳統(tǒng)TFT的缺陷：晶體尺寸更小，可以使設(shè)備更輕??；全透明，對(duì)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。此外，電子遷移率方面，IGZO大約為10cm2/Vs，臨界電壓飄移幾乎一致，比傳統(tǒng)材料提升了20~50倍，進(jìn)步非常明顯。因此在面板的主要性能參數(shù)上，IGZO面板比傳統(tǒng)TFT面板有了全面的提升。不過IGZO對(duì)液晶面板的NTSC色域、可視角度、顯示色彩數(shù)量沒有太多影響，這是由光源以及液晶分子排列特性決定的。
所以我們所說的IGZO面板只是一種新型薄膜晶體管的TFT-LCD面板。他既不是一種新的顯示技術(shù)，也與液晶分子排列1方式?jīng)]有什么關(guān)系(與IPS、MVA等不是一個(gè)概念范疇)。
IGZO首次被發(fā)現(xiàn)
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(huì)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(duì)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(jí)”。我覺得這種看法不對(duì)。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(lái)使用，則必須是可對(duì)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(wú)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(huì)降至IZO的1/3，即便如此，仍可保證 10cm2/Vs的遷移率。遷移率如果達(dá)到10cm2/Vs，作為顯示器驅(qū)動(dòng)用已足夠。”
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IGZO技術(shù)并非夏普獨(dú)有
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(guó)•北京2010年國(guó)際平板顯示產(chǎn)業(yè)高峰論壇上細(xì)野秀雄教授也對(duì)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(dòng)用元件的面板廠商的需求，因此許多企業(yè)對(duì)此表現(xiàn)出極大關(guān)注。
不只夏普，臺(tái)灣企業(yè)友達(dá)、奇美和內(nèi)資企業(yè)京東方等等都在對(duì)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(duì)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!
為什么IGZO的量產(chǎn)進(jìn)程卻如此緩慢?
這是因?yàn)镮GZO 在空氣中很不穩(wěn)定，特別是對(duì)氧氣和水蒸氣很敏感，使用壽命很短。必須在IGZO表面鍍上一層保護(hù)層，以隔離空氣中的氧氣和水蒸氣，但是這個(gè)保護(hù)層用什么材質(zhì)，用什么工藝以及對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而降低成本，這就成了IGZO量產(chǎn)的障礙。
無(wú)錫夏普電子元器件公司副董事長(zhǎng)筒井正治先生說：制造IGZO面板很難，我們克服了很多技術(shù)和工藝難關(guān)。而正是夏普在制造技術(shù)方面取得了重大的突破，才能第一個(gè)對(duì)IGZO面板進(jìn)行量產(chǎn)。
“夏普的金屬氧化物面板(IGZO)制程領(lǐng)先同業(yè)1至2年，IGZO技術(shù)的液晶面板須再提升良品率才能發(fā)揮成本效益，因此極短時(shí)間內(nèi)仍不易取代低溫多晶硅制程，成為中小尺寸面板主流。”臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院產(chǎn)業(yè)分析師劉美君如是說。
IGZO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
剛才我們介紹了IGZO材料的諸多特性，正是因?yàn)檫@些特性讓IGZO面板有了高精細(xì)度、高節(jié)能以及高靈敏度的觸屏體驗(yàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。下面我們來(lái)詳細(xì)解釋一下：
剛才我們講到了IGZO的電子遷移率是非晶硅的20-50倍。這意味著什么呢?其中最重要的一點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)相素高精細(xì)化。我們先解釋一下什么是電子遷移率：我們可以想象一場(chǎng)越野賽，傳統(tǒng)非晶硅就像是土路，電子在上面跑的速度很慢，但I(xiàn)GZO材料特性的關(guān)系，電子就好像跑在柏油路上，可以很輕易的流動(dòng)。這樣我們的路就不用造的很寬，也可以達(dá)到原本電子正常所需的流量。所以，使用IGZO材料，采用柵源極布線的細(xì)線化技術(shù)，TFT元件就可以做的更小了。
圖2：IGZO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
由上圖我們可以看到，不論是線路還是TFT元件，都是會(huì)遮擋背光通過的，亦是造成面板亮度下降的元兇。而左邊和右邊圖片比較，在相同面積下，原本只能裝入一顆sub pixel的區(qū)域，現(xiàn)在可以裝入4個(gè)。但由于線路和TFT元件都縮小，被遮光的面積卻沒有跟著變大，也就是我們常說的開口率提高了。這也就是這張圖片上所說的“同等透過率2倍高精細(xì)化”的原因。
這樣的特性，就實(shí)現(xiàn)了IGZO面板的高精度化，即可在很小的單位面積上實(shí)現(xiàn)很高的物理分辨率，甚至不需要增加背光的強(qiáng)度。
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IGZO為什么能夠省電？
圖3：IGZO技術(shù)的三大特長(zhǎng)
IGZO之所以省電，部分是因?yàn)門FT元件在Off時(shí)的漏電流很小，我們可以看到TFT在off時(shí)，IGZO的電流消耗比起非晶硅小了100倍，比起AMOLED使用的LTPS更小了1000倍!
圖4：IGZO為什么能夠省電？
此外，利用IGZO的Off高性能，再配合液晶驅(qū)動(dòng)方式的改變，也可以做到節(jié)電的目的。液晶在一般靜止畫面下，會(huì)維持相同的傾角，但如同彈簧一般，久了可能就會(huì)松掉了，故利用人眼視覺暫存的現(xiàn)象，我們驅(qū)動(dòng)液晶會(huì)在1/60 秒之內(nèi)做反轉(zhuǎn)來(lái)活化液晶，故TFT是持續(xù)在On Off的切換狀態(tài)中的。而IGZO的高Off性則可以造成所謂的“液晶怠速停止”，也就是說IGZO面板顯示靜止圖像等內(nèi)容的時(shí)候，畫面不更新的時(shí)候驅(qū)動(dòng)可以停止刷新，畫面卻依然顯示在屏幕上。
筒井正治做了一個(gè)很形象的比喻：“液晶怠速與汽車引擎有些詳細(xì)，汽車在停止的時(shí)候會(huì)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，從而降低整體的耗能。普通的液晶顯示器是以1秒60次(60Hz)的頻率刷新畫面，而IGZO液晶可以根據(jù)情況，把刷新速度降至1秒1次。這樣一來(lái)，就可以帶來(lái)更低的電量消耗，得到更出色的整體續(xù)航能力”。
圖5：與普通液晶顯示器耗電量對(duì)比
從圖中展示的耗電量可以看出IGZO的省電量驚人。以上我們所述，IGZO的省電性能是由兩方面特性造成的，一方面是off性能高不用頻繁刷新，另一方面是高的電子遷移率可以采用更小的TFT驅(qū)動(dòng)電路以增加開口率。
圖6：IGZO優(yōu)勢(shì)
IGZO的“液晶怠速停止”特性還可以對(duì)觸摸屏的性能有很大的改善。
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我們?cè)谑褂妹姘逵|控操作時(shí)，大部分的時(shí)候面板顯示是處在靜止畫面的。但是此時(shí)傳統(tǒng)TFT元件仍在對(duì)液晶分子進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，電流的通過會(huì)造成訊號(hào)干擾的問題。我們的觸摸屏大部分是電容型，這樣的訊號(hào)干擾就會(huì)對(duì)外界出入造成很大影響。而IGZO則不存在此類問題，因?yàn)殪o止畫面時(shí)不需要刷新，可使訊噪比大幅提高，降低觸控面板的誤檢出性，提高了觸摸精度。
筒井正治又做了一個(gè)很形象的比喻：“IGZO面板的手寫收入，就像在平靜的湖面投下一顆小石子。”所以IGZO的觸摸體驗(yàn)十分的好，靈敏度高且非常平滑。即使用帶著頭套的手也能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的觸摸操作。
另外，IGZO還有邊框極窄化、面板對(duì)比及亮度的提升、制程簡(jiǎn)單及對(duì)應(yīng)大型玻璃母基板等優(yōu)勢(shì)，這里我們就不再贅述了。
綜上所述，我們現(xiàn)在來(lái)總結(jié)一下IGZO面板的幾大優(yōu)勢(shì)，那就是高精細(xì)化、非常節(jié)能、觸摸體驗(yàn)升級(jí)。而這幾點(diǎn)恰恰是現(xiàn)在手機(jī)和平板電視等移動(dòng)終端設(shè)備最急需改善的問題。隨著IGZO技術(shù)的應(yīng)用，我們可以在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)1080P的高清體驗(yàn)，也不用天天擔(dān)心智能手機(jī)天天充電的問題，夏普采用IGZO面板的Aquos Phone Zeta SH-02E手機(jī)就可以在正常應(yīng)用下兩天不用充電。同時(shí)，在這樣寒冷的天氣下，我們也不用把手從手套中拿出來(lái)就可以操作手機(jī)或者PAD了。
對(duì)比IGZO與AMOLED顯示技術(shù)
AMOLED也是目前移動(dòng)終端面板上很火熱的技術(shù)，那么和IGZO對(duì)比兩者又有怎樣的優(yōu)劣呢？
1、制造性和成本上的優(yōu)勢(shì)：
現(xiàn)在全球最主要的顯示器生產(chǎn)線還是LCD工廠，IGZO只是制作工藝上的改變，投入新機(jī)的成本較少。但AMOLED等蒸鍍?cè)O(shè)備需要另外購(gòu)入生產(chǎn)線。且未來(lái)能否對(duì)應(yīng)7代線以上大型玻璃基板還是未知數(shù)，這么一來(lái)，整體的生產(chǎn)成本還是IGZO較有優(yōu)勢(shì)。
2、IGZO可以應(yīng)對(duì)大型面板：
雖然目前夏普的IGZO致力于發(fā)展小尺寸液晶面板事業(yè)，但是要生產(chǎn)IGZO的顯示器甚至大尺寸液晶電視面板在技術(shù)上不存在任何問題。但是AMOLED發(fā)光材料先天的壽命問題仍然無(wú)解，用在手機(jī)上或許因淘汰率快而無(wú)關(guān)痛癢，但是AMOLED做成電視卻會(huì)有使用年限的致命傷。
圖7：IGZO可以應(yīng)對(duì)大型面板
3、IGZO有高分辨率的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)：
因?yàn)镮GZO的高級(jí)細(xì)化，可以做到500 ppi，而AMOLED現(xiàn)階段無(wú)法做入300ppi，未來(lái)應(yīng)可以達(dá)到，但是劃素極小化后AMOLED發(fā)光材料的壽命也會(huì)惡化，發(fā)色也會(huì)受到影響。
4、IGZO耗電量和AMOLED不相上下：
剛才我們介紹了IGZO的節(jié)電性能，IGZOTFT-LCD的耗電量不再是致命傷，AMOLED陣營(yíng)很快就沒有辦法用耗電來(lái)打擊LCD陣營(yíng)了。
5、AMOLED在色彩上有一定優(yōu)勢(shì)：
IGZO的缺陷是并不能改善液晶的色彩，但是隨著IPS等技術(shù)提升、光配向等新工藝導(dǎo)入之后，液晶的色域覆蓋度已經(jīng)有了很大提成，加上夏普的四色技術(shù)，也許將來(lái)會(huì)出現(xiàn)IGZO四色面板。那時(shí)AMOLED的優(yōu)勢(shì)也就是是純黑的顯色及高對(duì)比而已了。
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半月談：IGBT應(yīng)用設(shè)計(jì)全面剖析
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基于UCC27531的電源開關(guān)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
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基于AZ1065的USB 3.0介面ESD防護(hù)設(shè)計(jì)
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