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OLED: 顯示器的下一個大事件

作者 Kerry Cunningham

在多年的希望和期盼下,電視、筆記 型電腦和桌上型的電腦螢幕終於開始 採用大尺寸 OLED 顯示器。歸功於下 一代製造業大幅地降低其生產成本, 使得具備傳統和新穎外形的較大尺寸 OLED 顯示器,正逐漸成為傳統 LCD 技術選擇以外另一種價格適中的選擇。

新穎材料工程的策略、背板和製造方式提高了大 型尺寸面板的良率,使得有機發光二極體 (OLED) 顯 示器的價格吸引越來越多的消費者,並且具備了更 薄、更輕、更具彎曲度、可撓度、易折疊和捲曲等特 性。這些新穎的顯示器不但提供了消費者喜愛的高畫 質,並且更提供了遊戲和虛擬實境應用所需用的高性 能(即刷新率至少為 240 Hz)。

OLED 薄膜電晶體 (TFT) 技術與液晶顯示器 (LCD) 相比,其主要優勢是 OLED TFT 像素具有自發光功能, 而 LCD 像素必須由其背後的背光模組 (BLU) 中的發光 二極體照亮。OLED 架構更加簡單,可使面板更薄更 具可撓性,並具有更好的色域和視角、更少的動態模 糊、更明亮的像素、更高的對比度、更低的運行溫度 以及更低的耗能(圖 1)。


圖 1. OLED 技術實現了具備更高圖像品質且更可撓、可折疊 和可捲曲的顯示器。(資料來源:應用材料公司)

OLED 產量和成本考量

這些特性使小型 OLED 顯示器成為高級智慧手機 的首選技術,然而當談到大型面板方面時,LCD 技術 相較於OLED 仍然具有較低生產成本的主要優勢。


圖 2. 這些圖表顯示了未來十年中, 在智慧手機、IT 和 汽車產品以及電視機中 OLED 顯示器的預計使用情況。 (資料來源:2020 年第 3 季度的 DSCC 季度 OLED 出貨報告)

兩者成本之所以會產生差異,雖然 OLED 架構更 簡單,但生產 OLED 所需的材料工程和製造技術相 較 LCD 更加複雜。智慧手機的價格點為製造商使用 OLED 顯示器提供了足夠的利潤空間,但迄今為止, 該技術在大尺寸顯示器中的成功率較低。但是,根據 一些預測(圖2)顯示,OLED 技術在大型應用中的前 景逐漸被看好。

預計 8K 解析度將是未來促進電視需求的主要動力。 但是 8K 的優點不僅限於更高的解析度;8K 還提供了 其他功能,例如「捕獲和顯示」功能,讓使用者可以 在整個圖像中重新構造(即突出顯示)感興趣的區域, 或者平移和掃描 2K 或 4K 解析度的寬屏圖像。8K 還 允許抓取靜止圖像的視訊畫面。

儘管 8K 可使用 OLED 和 LCD 技術,但由於價格是 消費者購買習慣的主要驅動因素,因此,只有當相同尺 寸的螢幕價格類似時,消費者才會選擇 OLED 顯示器而 不是 LCD 顯示器。到目前為止,實現這種價格持平一 直是個挑戰:由於當一個電視螢幕專用的玻璃基板部分 的尺寸變大,只要有一個「致命的缺陷」就可以使昂貴 的大部分基板變得無用(圖 3)。因此,對於面板製造 商而言,更高的良率是一項重要且更有價值的挑戰。


圖 3. 隨著電視螢幕尺寸的增大,需要更嚴格的流程控制和顯 著減少的顆粒以降低「致命的缺陷」的數量,進而實現 8K 解析度。(資料來源:應用材料公司)

另外,由於 8K Gen10+ 電視螢幕的像素超過 3300 萬,因此降低實現這種解析度的像素亮度所需的電量至 關重要。在平板顯示器 (FPD) 的每個「單位晶格」中, TFT、儲存電容器電極、訊號匯流排和黑色矩陣材料會 構成不透明區域。光可以通過的開放區域稱為開口。

因此,重要的設計考慮是使開口率最大化,使盡可 能多的光通過每個單位晶格,進而顯示亮度必須使用的 電量較少。與上一代電視螢幕相比,這需要更嚴格的流 程規範,例如超高清 (UHD)(圖 4)。


圖 4. 對於解析度為 8K 的 FPD,至關重要的是提高像素開口 率或相對於像素 TFT 面積的開口尺寸(光可以通過的開放區 域)。該圖示意性地顯示了相關要求。(資料來源:應用材料 公司)

MOx 背板

大幅降低大型 OLED 顯示器成本的一種方法是 對顯示器背板採用金屬氧化物 (MOx) 技術。與傳統 的低溫多晶矽 (LTPS) 技術相比,製造以 MOx 為主 的 TFT 所需的製程步驟大大減少。這不但可能可以 降低成本,同時仍然能夠維持足夠高的電子遷移率, 以滿足圖像品質性能和刷新率的要求。

稱為氧化銦鎵鋅 (IGZO) 的 MOx 材料使背板具有 更高的開口率、較低的洩漏電流、高開/ 關比(低功耗) 和較佳元件效能穩定性。這些背板逐漸成為大尺寸 8K OLED 電視的最有效解決方案(圖 5)。

應用材料公司的積體材料解決方案

TFT 縮放比例是在更大面板尺寸上成功使用 MOx 背板的關鍵考慮因素,而電漿增強化學氣相沉積 (PECVD) 製程是使其縮放更具成本效益的關鍵因素(圖 6)。最重要的縮放要求是能夠實現高度均勻的 SiO 和 SiN 薄膜,而透過單室製程是實現此要求的最有效方式。高度溫控和均勻性,以及用於大功率製程的電漿圍束,是生產高品質、用於大尺寸的 TFT 必須具備的特性。

但是,IGZO 面臨重大的製造挑戰,因為這在元 件製造過程中會與周圍環境發生作用。IGZO 的性 能可能會發生改變,進而影響元件效能。因此,在 所有元件製造/ 積體製程步驟中都必須格外小心: 包括 CVD、PVD、乾式刻蝕和退火製程。


圖 5. 該圖顯示了在不同顯示器尺寸情況下 MOx TFT 遷移率 與性能之間的關係。(資料來源:應用材料公司)


圖 6.PECVD 製程可實現具有成本效益的 MOx 背板縮放。該 圖顯示了在不同面板尺寸情況下使用 PECVD 的歷史。(資料 來源:應用材料公司)

氧和氫的平衡對於長出 IGNO 膜的製程步驟當中是 相當重要的。生產均勻、穩定的 IGZO TFT 元件的關 鍵是在每個製造步驟中嚴格控制氧含量/ 空缺和氫含 量(圖 7)。嚴格的控制可改善 OLED 技術中使用上閘 極 (TG) TFT 的絕緣體,而高品質的 SiOx 沉積可減少 介面態陷阱並最小化 CVD 層中的氫含量,進而實現可 靠的元件效能。


圖 7. 上閘極 (TG) MOx 的元件整合提高了 MOx 元件效能。(資 料來源:應用材料公司)

此外,與更傳統的下閘極方法相比,在 MOx TFT 中 使用自我對準 TG 架構對於 OLED 顯示器來說具有關鍵 優勢:此架構縮短了 TFT 通道的長度,有助於設計更 大尺寸、更高解析度的螢幕並提高驅動頻率(圖 8)。

應用材料公司顯示器柔性技術部門提供一種單室 積體材料解決方案,可將應用材料公司經過驗證的 CVD 和 PVD 技術與最知名方式 (BKM) 結合用於生成 MOx 膜,進而將這兩種技術整合在一個均勻的薄膜中, 即使這些具有不同的薄膜特性。

透過以上技術能夠讓使用者達到高品質緻密閘極 絕緣體的氫擴散控制所需的元件效能,以及製造高品 質 IGZO 膜所需的氧含量控制和氧空缺。


圖 8. IGZO 和 CVD 層相互作用中的最佳氧/ 氫平衡可改善上 閘極 (TG) MOx 的元件效能。(資料來源:應用材料公司)


圖 9. 身為 2019 年全球領先的顯示器設備供應商,應用材料 公司的顯示器和柔性製造工具是 G10+ 電視和移動 OLED 領 域的主要推動力量。(資料來源:DSCC)

未來趨勢

OLED 顯示器可提供優於其他技術的圖像品 質, 儘管製造難度更大, 但目前有些新工具可 以簡化製造流程。生產最高為 Gen 10+ 的工具 套件( 例如, 應用材料公司的工具套件( 圖 9)) 可幫助供應商降低 成本,使他們能夠 提供價格更優惠、 圖像品質顯著提高 的電腦顯示器和電 視。例如,在 2019 年,8K 電視以高於 3,500 美元的價格 進入市場,但此後 價格一直在下降。

OLED 革命已經 到來!

Kerry Cunningham 是應用材料公司顯示及柔性技術事業群 (DFT) 產品行銷經理。如需更多資訊,請傳送電子郵件到 kerry_cunningham@amat.com 與他聯絡