薄膜晶体管液晶显示器 更新时间：2011-05-29 02:20

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薄膜晶体管液晶显示器——Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，简称TFT-LCD，是多数液晶显示器的一种，它使用薄膜晶体管技术改善影象品质。薄膜晶体管液晶显示器技术是一种微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的技术。 薄膜晶体管液晶显示器由显示屏、背光源及驱动电路三大核心部件组成。

薄膜晶体管液晶显示器的工作原理

• 在薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）中，TFT的功能就是一个层，在两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对置，利用施加于栅极的电压来控制源、漏电极间的电流。

  对于显示屏来说，每个从结构上可以看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶。更重要的是从电的角度可以把它看作。其等效电路为图1所示。要对j行i列的像素P（i,j）充电，就要把开关T（i,j）导通，对信号线D（i）施加目标电压。当像素电极被充分充电后，即使开关断开，电容中的电荷也得到保存，电极间的液晶分子继续有电场作用。数据（列）驱动器的作用是对信号线施加目标电压，而栅极（行）驱动器的作用是起开关的导通和断开。由于加在液晶层上的电压可存储使液晶层能稳定地工作。这个显示电压通过TFT也可在短时间内重新写入，因此，即使对高清晰度LCD，也能满足图像品质要求。

  显示图像的关键还在于液晶在电场作用下的分子取向。一般通过对基板内侧的取向处理，使液晶分子的排列产生希望的形变来实现不同的显示模式。在电场作用下，液晶分子产生取向变化，并通过与偏振片的配合，使入射光在通过液晶层后强度发生变化。从而实现图像显示。

  薄膜晶体管液晶显示器与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使之显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。而开关单元（即TFT）的特性，则要满足通态电阻低，闭态电阻非常大这一要求。

  薄膜晶体管液晶显示器彩色化则一般是通过加一层彩色滤光片，在显示器的前面板上实现。它要求在每个像素上制作红、绿、蓝三色和遮光用黑矩阵。

薄膜晶体管液晶显示器的主要优点

• 随着九十年代初TFT技术的成熟，彩色液晶平板显示器迅速发展，不到10年的时间，TFT-LCD迅速成长为主流显示器，这与它具有的优点是分不开的。主要特点是：

  （1）使用特性好

  低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高；平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间；低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右，节省了大量的能源；TFT-LCD产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样，使用方便灵活、维修、更新、升级容易，使用寿命长等许多特点。显示范围覆盖了从1英寸至40英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显示终端；显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度的各种规格型号的视频显示器；显示方式有直视型，投影型，透视式，也有反射式。

  （2）环保特性好

  无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别是TFT-LCD电子书刊的出现，将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学习、传播和记栽文明方式的革命。

  （3）适用范围宽

  从-20℃到+50℃的温度范围内都可以正常使用，经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到零下80℃。既可作为移动终端显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端。

  （4）制造技术的自动化程度高

  大规模工业化生产特性好。TFT-LCD产业技术成熟，大规模生产的成品率达到90%以上。

  （5）TFT-LCD易于集成化和更新换代

  是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很大。目前有非晶、多晶和单晶硅TFT-LCD，将来会有其它材料的TFT，既有玻璃基板的又有塑料基板。

薄膜晶体管液晶显示器制造工艺过程

• 薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）通常采用两个加工过程并行进行加工成成品，如图1所示。其基本工艺如下：

  ● 通过前玻璃基板/彩色滤光基板工艺过程形成精确排列的彩色滤光层。

  ● 薄膜基板工艺形成薄膜晶体管液晶（TFT）阵列及显示器像素控制所用其它电子元件。每个像素一般对应三个薄膜晶体管液晶（TFT），每个像素控制一个共同构成一个像素的“色点”。薄膜形成工艺采用与半导体制造技术相类似的CVD、Etch及PVD等工艺技术。此类工艺步骤应反复数次，连续膜层方可形成一个功能元件（图2）。

   

  ● 两块基板合二为一，中间注入液晶材料。

  ● 最后组装背光及驱动电子元件，制造出TFT-LCD 模块。

薄膜晶体管液晶显示器的工艺技术

• 薄膜晶体管液晶显示器的制造工艺有以下几部分：在TFT基板上形成TFT阵列；在彩色滤光片基板上形成彩色滤光图案及ITO导电层；用两块基板形成液晶盒；安装外围电路、组装背光源等的模块组装。

  1. 在TFT基板上形成TFT阵列的工艺

  现已实现产业化的TFT类型包括：非晶硅TFT（a-Si TFT）、多晶硅TFT（p-Si TFT）、单晶硅TFT(c-Si TFT)几种。目前使用最多的仍是a-Si TFT。

  a-Si TFT的制造工艺是先在硼硅玻璃基板上溅射栅极材料膜，经掩膜曝光、显影、干法蚀刻后形成栅极布线图案。一般掩膜曝光用步进曝光机。第二步是用PECVD法进行连续成膜，形成SiNx膜、非掺杂a-Si膜，掺磷n+a-Si膜。然后再进行掩膜曝光及干法蚀刻形成TFT部分的a-Si图案。第三步是用溅射成膜法形成透明电极（ITO膜），再经掩膜曝光及湿法蚀刻形成显示电极图案。第四步栅极端部绝缘膜的接触孔图案形成则是使用掩膜曝光及干法蚀刻法。第五步是将AL等进行溅射成膜，用掩膜曝光、蚀刻形成TFT的源极、漏极以及信号线图案。最后用PECVD法形成保护绝缘膜，再用掩膜曝光及干法蚀刻进行绝缘膜的蚀刻成形，(该保护膜用于对栅极以及信号线电极端部和显示电极的保护)。至此，整个工艺流程完成。

  TFT阵列工艺是TFT-LCD制造工艺的关键,也是设备投资最多的部分。整个工艺要求在很高的净化条件（例如10级）下进行。

  2. 在彩色滤光片（CF）基板上形成彩色滤光图案的工艺

  彩色滤光片着色部分的形成方法有染料法、颜料分散法、印刷法、电解沉积法、喷墨法。目前以颜料分散法为主。

  颜料分散法的第一步是将颗粒均匀的微细颜料（平均粒径小于0.1μm）(R、G、B三色)分散在透明感光树脂中。然后将它们依次用涂敷、曝光、显影工艺方法，依次形成R. G. B三色图案。在制造中使用光蚀刻技术，所用装置主要是涂敷、曝光、显影装置。

  为了防止漏光，在RGB三色交界处一般都要加黑矩阵（BM）。以往多用溅射法形成单层金属铬膜，现在也有改用金属铬和氧化铬复合型的BM膜或树脂混合碳的树脂型BM。

  此外，还需要在BM上制做一层保护膜及形成IT0电极,由于带有彩色滤光片的基板是作为液晶屏的前基板与带有TFT的后基板一起构成液晶盒。所以必须关注好定位问题，使彩色滤光片的各单元与TFT基板各像素相对应。

  3. 液晶盒的制备工艺

  首先是在上下基板表面分别涂敷聚酰亚胺膜并通过摩擦工艺，形成可诱导分子按要求排列的取向膜。之后在TFT阵列基板周边布好密封胶材料，并在基板上喷洒衬垫。同时在CF基板的透明电极末端涂布银浆。然后将两块基板对位粘接，使CF图案与TFT像素图案一一对正，再经热处理使密封材料固化。在印刷密封材料时，需留下注入口，以便抽真空灌注液晶。

  近年来,随着技术进步和基板尺寸的不断加大,在盒的制做工艺上也有很大的改进,比较有代表性的是灌晶方式的改变,从原来的成盒后灌注改为ODF法,即灌晶与成盒同步进行。另外.垫衬方式也不再采用传统的喷洒法,而是直接在阵列上用光刻法制作。

  4. 外围电路、组装背光源等的模块组装工艺

  在液晶盒制作工艺完成后，在面板上需要安装外围驱动电路，再在两块基板表面贴上偏振片。如果是透射型LCD.还要安装背光源。

薄膜晶体管液晶显示器的发展历程及前景

• 薄膜晶体管液晶显示器技术是由欧美国家率先提出的，但由于技术和制作过程不够成熟，直到上世纪80年代末期，日本厂商完全掌握了主要生产技术，并开始进行大规模的生产，形成了目前的巨大产业 年，1992年，随着笔记本电脑对液晶显示器件产品的需求，薄膜晶体管液晶显示器确立了作为液晶显示的主流地位，并随着技术的进一步发展，薄膜晶体管液晶显示器的生产成本大幅度下降，促使人们对显示器件的需求从笨重的阴极射线管转向轻薄的薄膜晶体管，且最终超过阴极射线管的市场份额，到2000年前后，开启了液晶电视新行业, 据中国电子报报道，目前薄膜晶体管液晶显示器制造技术已经发展到8 代线， 10代线、11 代线、12 代线的建设也已经在规划中, 我国薄膜晶体管液晶显示器在显示领域已经落后，但专家建议我们不能绕过薄膜晶体管液晶显示器，寻找别的突破口发展我国的平板显示产业，而应迅速开展TFC: LCD 生产线和相关技术创新能力的建设，提高我国薄膜晶体管液晶显示器件产业在国际上的竞争力。

  在当前迅速发展的液晶显示技术中，薄膜晶体管液晶显示器以其大容量、高清晰度和高品质全真彩色受到人们的广泛青睐。薄膜晶体管液晶显示器的显示质量和整体性能在很大程度上取决于薄膜晶体管性能，薄膜晶体管（787）是众多场效应晶体管（897）中的一种非晶硅用于制作薄膜晶体管液晶显示器技术的成熟，使非晶体薄膜晶体管液晶显示器在薄膜晶体管液晶显示器的市场中占据了主导地位，而非晶硅薄膜晶体管由于其低迁移率、电导率等性能，严重制约了薄膜晶体管液晶显示器的发展，寻找合适的替代品，追求高迁移率和高电导率一直是研究人员关注的焦点，在此基础上，多晶硅、微晶硅相继发展，虽然在一定程度上暂时解决了迁移率、电导率低的问题，但因多晶硅、微晶硅的价格昂贵、材料短缺，因而未能动摇非晶硅的主导地位。 随后的纳米硅薄膜晶体管液晶显示器依靠其本身具有高电导率、高迁移率的优越性以及当前纳米技术的进展而成为一个引人注目的新亮点。

薄膜晶体管液晶显示器的架构

• 寻常的液晶显示器好比计算器（calculator）的显示面版，其图像元素是由电压直接驱动；当控制一个单元时不会影响到其他单元。当像素数量增加到极大如以百万计时，这种方式就变得不实际，注意到每个像素的红、绿、蓝三色都要有个别的连接线。 为了避免这种困境，将像素排成行与列则可将连接线数量减至数以千计。如果一列中的所有像素都由一个正电位驱动，而一行中的所有像素都由一个负电位驱动，则行与列的交叉点像素会有最大的电压而被切换状态。然而此法仍有些问题，即是同一行或同一列的其他像素虽然受到的电压仅为部分值，但这种部份切换仍可使像素变暗（以不切换为亮的液晶显示器而言。）解决方法是每个像素都添加一个配属于它的晶体管开关，使得每个像素都可被独立控制。晶体管所拥有的低漏电流特征所代表的意义乃是当画面更新之前，施加在像素的电压不会任意丧失掉。每个像素是个小的电容器，前方有着透明的铟锡氧化物（ITO）层，后方也有透明层，并有绝缘性的液晶处在其中。 　　此种电路布置方式很类似于动态访问存储器，只不过整个架构不是建在硅晶圆上，而是建构在玻璃上。许多硅晶圆制程技术所需的温度会超过玻璃的熔点。寻常半导体的硅基质是利用液态硅长出很大的单晶，具有晶体管的良好特质。而薄膜晶体管液晶显示器所用到的硅层是利用硅化物气体制造出非晶硅层或多晶硅层，这种制造方法较不适合做出高等级的晶体管。