TFT-技术的进步
自人类社会进入信息时代以来，信息显示技术在人们社会活动和日常生活中的作用日益剧增。例如，信息处理、接受及发送等操作均借助于信息系统终端设备与人之间的界面——显示来完成。另一方面，60年代以后，半导体集成电路技术的飞速发展和广泛应用，使信息系统设备向小型化、轻量化、节能化、高密度化发展。液晶显示具有低电压、微功耗、易彩色化等特点，恰好符合技术发展趋势和信息时代的需求，促使了技术的发展。
70年代初英国Gray等人［1］合成了联苯氰基类正性向列液晶材料，并很快形成了TN-产业。利用TN-LCD特点，开发了电子数字手表、计算器、数字化仪器仪表、游戏器等产品，充分展示了液晶显示的优点。为了增加LCD的信息容量，Scheffer等人［2］提出了STN-LCD方案，其电光阈值特性好，简单点阵显示中占空比可达到1/480，实现了VGA笔记本电脑显示。STN-LCD器件结构类同于TN- LCD器件，在TN-LCD生产技术基础上，80年代末形成了STN-LCD产业。然而，由于STN点阵显示的响应速度、占空比、对比度、灰度级等的有限性，加快了TFT LCD技术的发展。Brody等人［3］70年代提出了TFT LCD方案。当时用CdSe TFT阵列，但CdSe材料的半导体工艺不成熟，发展缓慢，仅有加拿大Litten公司小批量生产xx产品。Si半导体工艺成熟，a-Si TFT技术发展快，90年代初形成a-Si TFT LCD产业。初期的TFT LCD产品，在视角特性、亮度、对比度、彩色等显示品质方面不如CRT，而且因制作工艺复杂、工艺流程过长、合格率低、产量不高、产品价格昂贵等不足，难以开拓市场。经过5～6年努力和技术进步，TFT LCD品质不断完善，开拓市场，市场占有率逐步上升。据1998年美国斯坦福资源公司报道，TFT LCD占居LCD市场份额的75%、平板显示市场的66%［4］。这些数据充分说明了TFT LCD在平板显示中的重要性。
TFT LCD技术是半导体微电子技术和液晶显示技术巧妙结合的高新技术。TFT阵列是将液晶显示大尺寸玻璃板工艺和微电子精细加工技术相结合。第4代TFT LCD生产线可生产玻璃板尺寸1m×1m以上，加工精细5μm，近107个TFT平面阵列，完整性一般要求106个 TFT中不合格的TFT小于3个。尽管要求苛刻，工艺流程长、复杂，但现已实现了整个阵列生产线全部自动化。简化阵列工艺流程，生产技术逐步走上成熟，一般合格率达95%以上。本文叙述了TFT LCD工业生产以来，技术进步、显示品质的改善、今后技术发展趋势及应用目标。
TFT LCD结构和工作原理
平板显示一般采用行、列电极交叉构成的点阵显示方式。如n个行电极和m个列电极交叉构成n×m个像元，以n+m个电极控制n×m个像元得到任意文字、图形、图像。用时间分割多路驱动时，选通电压必须高于液晶电光特性阈值电压，在非选通像元上分布电压要求低于阈值电压，才能保证显示对比度。实际上，逐行扫描寻址时，有时同一行大部分像元同时被选通，引起交叉干扰，使非选通像元电压超过阈值电压，产生交叉效应。为了克服交叉效应，可采用平均偏压法，使在所有非选通像元上均匀施加低于阈值的电压，保证均匀底色和对比度。由于TN和STN模式没有存贮性能，因此用窄脉冲多次驱动的平均电压法，可以利用液晶积累效应实现显示。
要获得大信息容量、高对比度显示，应采用有源矩阵显示方式，每像元附加开关元件或非线性元件，如二端式元件：二极管、MIM(金属-绝缘-金属)、非线性电阻等，其中MIM有源矩阵有小批量生产。三端式元件中TFT(薄膜晶体管)是主要代表，也是有源矩阵显示中主导元件。
TFT工作原理：TFT器件和MOS器件的工作原理一致，{wy}的区别为MOS器件的半导体材料是单晶，TFT的半导体材料是薄膜材料。图2为n沟道增强型MOS器件的截面图。栅压Vg=0时(图2(a))，未形成反型层，两边n+区作成源、漏极，栅极和半导体本体之间有栅极绝缘层。当栅极正向电压VG＞Vth时，形成如图2(b)所示的源、漏电极连通的反型层(n型沟道)，使源、漏极导通。当VG=0或负电压时，反型层xx，源、漏极断开。漏电极与ITO像元电极连结，源电极与源线(列电极)相连结，栅极与栅线(行电极)相连结。
模块由彩色TFT LCD屏、背照明单元及周边驱动电路构成。彩色TFT LCD屏是由TFT阵列玻璃板和彩色滤光膜玻璃板之间夹心液晶材料组成的。为了控制液晶层厚度，在液晶层内分散分布玻璃(或塑料)微球，两个玻璃板表面涂布取向层，控制液晶分子定向排列。上下基板对位精度要求彩膜板的黑矩阵正好对准ITO像元电极的边缘。背照明单元由侧面冷阴极灯(灯直径1.5～2mm) 和导光板组成，导光板背面和侧面贴反射膜，导光板正面贴塑料透镜膜和漫射膜，使照明更均匀。用TAB(tape automated bonding：自动焊接柔性线路板带)方式以ACF(anisotropic conductive film：各向异性导电胶膜)将屏和TCP(tape carrier package：装载驱动IC的柔性引线带)连结，TCP另侧与装载控制电路线路板焊接。
TFT LCD像元有存贮特性，存贮时间长短取决于TFT关态电阻和液晶像元电容、存贮电容的RC常数。因此，TFT LCD驱动方式不同于TN-STN。驱动脉冲电压如图4所示。开通TFT，并在短时间内充电，要求TFT开态电阻ron要小，但放电时间大于帧周期17ms(60Hz)。对VGA显示，扫描行数480线，行寻址时间(或脉宽TW)为35μs，行回扭时间为行周期的16%。当像元电容C=1pF时，ron＜5.6×106Ω。在TFT关态内存贮信号遗漏5%时，roff＞3.3×1011Ω。这说明应要求TFT开关比在105以上。然而，TFT性能受温度影响，在实际应用中，开关比应达到106以上。为了保证液晶材料寿命，用交流电压脉冲驱动液晶屏应每帧反转电压极性。
TFT LCD技术的发展
TFT LCD产品从投放市场到现在仅7～8年的时间，但其技术发展速度和规模扩大速度可以与微电子技术发展相比，从1969年4位微处理机到奔腾Ⅱ微处理机是xx尔定律发展的，每隔18～24个月，芯片上晶体管数目增加2倍。TFT LCD由1991年{dy}代生产线到现在3.5代生产线，其分辨率己由CGA(320×200)提高到UXGA(1600×1200)，其发展速度超出摩尔定律的速度。
以1991年VGA(640×480)，26.4cm(10.4英寸)TFT LCD产品为例说明技术发展和显示品质的提高。a)功率：1991年26.4cm(10.4英寸)TFT LCD功率为10W，现在降到约1W。主要改进了背照明，由原来2只灯改为1只灯，灯管直径4mm改为1mm。在笔记本电脑液晶显示中灯功耗占主要比例。同时由于驱动电路LSI的改进，电源电压由5V降到3.5V；b)重量：1991年26.4cm(10.4英寸)TFT LCD重量约1000g，现在140g。由于玻璃板厚度由1.1mm改成0.7mm，模块边框架铁质换成铝合金，器件厚度由12mm减薄到3.5mm。
笔记本电脑画面增大，由26.4cm(10.4英寸)发展到28.7cm(11.3英寸)，30.7cm(12.1英寸)，33.8cm(13.3英寸)，35.8cm(14.1英寸)等，监视器屏尺寸38.1～50.8cm(15～20英寸)。日本夏普公司今年开始推售50.8cm(20英寸)TFT液晶彩色电视，年底将销售76.2cm(30英寸)TFT液晶彩色电视，声称到2005年日本将CRT电视改成TFT LCD电视。表1列出近几年的TFT LCD屏尺寸和分辨率(dpi：dots per inch)，dpi表示每英寸像元数。表1中QXGA 26.4cm(10.4英寸)TFT LCD时，dpi为307，像元尺寸约83μm。
1)开口率：开口率指TFT LCD屏光透过部分和不透过部分面积之比。透光部分是ITO像元占有面积，其余部分是不透光部分，即彩色滤光膜中黑矩阵占有面积。开口率越大，亮度越高。
开口率与栅和源总线宽度、TFT尺寸、上下基板对盒精度、存贮电容尺寸及黑矩阵尺寸等有关。
a)为避免对盒精度引起开口率的降低，提出了黑矩阵做在TFT阵列板上［6，7］及彩膜也做在TFT阵列板上［8］的方法，此方法不仅避免了对盒精度引起开口率下降，而且解决了液晶层厚度引起的视差问题。黑矩阵框做得很窄，提高了开口率，但TFT阵列和彩膜工序集中到一块基板上，成品率会降低。
b)栅、源总线微加工基本上借用集成电路微加工技术。图5表示集成电路和TFT阵列微加工技术发展趋势。70年代集成电路微加工为10μm，现在发展到0.2μm。90年代初TFT阵列微加工约10μm，开口率为35%，微加工5μm时，开口率提高到80%［9］。
c)自对准光刻技术：栅极和源、漏极重叠形成寄生电容，此寄生电容(Cp)起因于图4所示的馈入电压ΔVp
ΔVp=Vg×Cp/(Cp+Cs+CLC)(5)
其中Vg为栅极电压，Cs为存贮电容，CLC为液晶电容。由于馈入电压ΔVp使正向和反向电压不对称，产生直流电压，影响液晶寿命和闪烁等。为了xxCp，用自对准光刻技术，栅电极作为掩膜版，光刻n+a-Si和源、漏电极，由于基板玻璃厚度引起视差，栅、源电极之间仍有些重叠。图6(a)、(b)分别为常规方式和自对准方式光刻。图7为xx自对准TFT结构，沟道和源、漏极之间与离子注入的n+a-Si连结，xx了Cp，同时提高了开口率，与常用TFT结构相比，开口率增加约5～6%，其结果如图8所示。图8表明，像元间距为0.24mm，a-Si迁移率为0.9cm2/V．s时，常规式和自对准式对开口率影响的差别更大。
d)栅、源线材料：为了增加开口率，应尽量将总线宽度取小，但要考虑总线电阻过大，输入信号延迟，驱动不充分，降低对比度的问题。通常采用以Cr或MoTa金属包Al方法，这样既可得到低电阻的总线，又能防止高温工艺过程中铝球形成。
e)像元遮蔽(FSP：field shield pixel)技术：FSP结构见图9，将低介电常数感光胶涂在TFT和像元上，然后制作如图9所示的ITO像元电极，这样ITO像元电极做到TFT上面，开口率增加了5%，最终开口率可达到80%。
2)宽视角技术：液晶分子的各向异性决定了液晶分子空间分布不同，不同立体角光透过率不同而造成显示对比度不均匀。因此，扩大视角是液晶显示技术的主要课题。下面介绍几种扩大视角技术：
a)补偿膜技术：在上贴光漫射膜和光补偿膜，使通过液晶屏的光均匀漫射与某些角度光强补偿；同时贴上准直膜，准直膜由几种透镜膜组成，使光平行照射到液晶屏。应用于液晶屏上各种光学补偿膜的结构如图10所示，通过这些补偿膜扩大视角和提高显示亮度。
b)多畴技术：在像元内划分两个以上不同液晶分子定向排列的区域，形成多畴液晶分子取向，使视角扩大。多畴技术分平行排列多畴和垂直排列多畴。平行排列多畴技术：用光刻胶保护法，{dy}次摩擦形成右倾斜平行排列，然后由光刻胶保护右侧部分，第二次摩擦方向与{dy}次摩擦方向相反，得到左倾斜的平行排列。图11(a)、(b)分别表示双畴工艺和双畴像元的等对比度曲线。在水平方向上对比度对称性好，明显改善了视角特性。
此外，TFT LCD制造工艺中曝光分辨率由4μm提高到2μm，刻蚀精度由1μm提高到0.5μm，成膜均匀性由±10%提高到±5%，对盒精度由2μm提高到1μm，显示亮度达到1600cd/m2，甚至在太阳光下能看清楚显示图像，显示品质不断完善和改进。
技术发展的要求
尽管TFT LCD品质与CRT显示品质相媲美，并得到广泛应用，但仍没有充分发挥LCD的特点，若在反射式彩色显示技术、低温p-Si生长技术等方面有突破性进展，才能实现用太阳能电池作为LCD电源。现有笔记本电脑发展成纸张式网络电脑，将周边驱动电路，甚至信息处理系统(CPU、ROM、RAM等)集成在TFT LCD屏上，如图14所示的信息处理系统集成在屏上。人们随时随地交流信息，将改善人们生活质量，提高工作效率。
1)反射式彩色液晶显示技术：无背照明系统的反射式彩色LCD有几种方案，本文介绍Itoh等人［12］提出的微反射结构(MRS)TFT LCD。其显示器结构和性能分别表示于图15与表2。反射彩色得到26万种颜色，功耗为同样尺寸背照明显示器的1/7～1/10，又轻又薄。反射式彩色LCD技术尚未完善，还存在反射率低、色度随视角变化等问题。
2)低温p-Si生长技术：由于a-Si迁移率(0.3～1cm2/V．s) 低，a-Si TFT不能用于周边驱动电路，也不适合于高开口率、高分辨率显示。p-Si迁移率比a-Si迁移率大2个数量级以上，适合用于周边驱动电路，甚至用于 CPU、ROM、RAM等器件。用p-Si TFT做周边驱动电路、信息处理系统并集成到TFT 屏上，关键技术是在玻璃板或塑料板上生长p-Si。这几年发展低温p-Si技术，如有低压CVD技术、金属诱导生长p-Si技术以及准分子激光退火技术。其中激光退火技术开始应用于工业化生产［13］。此外，需要发展离子注入技术、反铁电液晶“V”字形电光效应、高精细加工技术等。
