Introducción al sustrato TFT en LCD
Un panel de pantalla LCD TFT-LCD completo se divide según el proceso de producción y se puede dividir aproximadamente en tres segmentos de proceso, a saber: segmento de proceso de matriz, segmento de proceso de filtro de color CF y segmento de proceso en caja. La sección del proceso de matriz Array es lo que a menudo llamamos producción de sustrato de vidrio TFT.
El sustrato TFT es un componente central del panel LCD TFT-y realiza las importantes funciones de controlar los interruptores de píxeles y conducir las corrientes. Este artículo se centrará en la estructura y composición del sustrato TFT-LCD Array, las características de un-Si TFT y el impacto del sustrato TFT en el rendimiento del LCD.
1. Estructura y composición del sustrato TFT.
La unidad principal de control del TFT-LCD es una matriz de transistores de película delgada (TFT Array), y cada píxel está controlado por un interruptor TFT independiente. Para lograr esta función, el sustrato TFT adopta un diseño de estructura multi-capa, en el que cada capa de material y electrodos desempeñan funciones diferentes.
En general, los TFT se pueden dividir en dos categorías: estructura de puerta superior y estructura de puerta inferior. Actualmente, la solución principal para paneles LCD es la estructura de puerta inferior TFT, que tiene procesos maduros y alta estabilidad, y es adecuada para la producción en masa a gran-escala.
En un proceso típico de 6 máscaras, un sustrato TFT con estructura de puerta inferior contiene principalmente las siguientes partes:
1. Sustrato de vidrio
Como plataforma de soporte físico para todo el conjunto, proporciona una base plana y transparente.
Se requiere tener una dimensionalidad estable y un pequeño coeficiente de expansión térmica para garantizar la precisión de los procesos posteriores de fotolitografía y deposición de películas delgadas.
2. Electrodo de puerta (electrodo de puerta)
Normalmente, se utilizan materiales metálicos (tales como Mo, Al o aleaciones de los mismos).
Al controlar el voltaje aplicado a la puerta, se determina el estado encendido- o apagado del TFT, lo que equivale al "terminal de control del interruptor".
3. Aislador de puerta
Para cubrir la puerta, el material comúnmente utilizado es SiNx o SiO₂.
Su función es aislar eléctricamente, evitar que la puerta entre en contacto directamente con la capa semiconductora superior y, al mismo tiempo, garantizar que el campo eléctrico de la puerta pueda controlar eficazmente el movimiento electrónico de la región del canal semiconductor.
4. Capa activa (Capa activa)
Este es el núcleo del rendimiento TFT, que normalmente consta de una capa semiconductora y una capa de contacto óhmica:
La capa semiconductora es responsable de la transmisión de portadoras y es el cuerpo principal de la región del canal;
La capa de contacto óhmico se utiliza para reducir la resistencia de contacto entre los electrodos fuente y drenaje y el semiconductor.
En la industria actual de TFT-LCD, el-Si (silicio amorfo) es el material semiconductor más utilizado.
El proceso a-Si TFT está maduro y tiene un bajo costo. Se utiliza más comúnmente en paneles de visualización LCD TFT- de gama media- y baja-.
Aunque la movilidad electrónica del a-Si es relativamente baja, su alto rendimiento de proceso y su gran versatilidad en los equipos de producción lo convierten en la opción principal para TFT-LCD.
Diagrama de semiconductores de silicio amorfo a-si
Además del-Si, existen nuevos materiales como el poli-Si y los semiconductores de óxido, pero se utilizan más en paneles de visualización de alta-resolución o para fines-especiales.
5. Fuente y drenaje
Distribuido en ambos lados de la capa activa y consta de material metálico.
La fuente está conectada a la línea de datos y transmite el voltaje de la señal de entrada al área del canal;
El electrodo de drenaje está conectado al electrodo de píxel y transmite el voltaje de la señal a la unidad de píxel de cristal líquido.
6. Capa de aislamiento intermedia (Capa de pasivación, PVX)
Cubriendo por encima de la estructura TFT, desempeña un papel de protección y aislamiento.
Evite que la humedad, el oxígeno o el estrés mecánico causen daños al dispositivo TFT, evitando al mismo tiempo cortocircuitos desde la fuente y los electrodos de drenaje a los electrodos de píxeles superiores.
7. Electrodo de píxel (1er ITO)
Hecho de material conductor transparente (comúnmente ITO, óxido de indio y estaño).
Conectado al drenaje, aplica el voltaje de la señal de datos a la capa de cristal líquido y controla directamente el estado óptico del punto de píxel.
8. Electrodo común (segundo ITO, electrodo COM)
En oposición al electrodo de píxel, generalmente se encuentra en el sustrato de vidrio superior.
Se forma un campo eléctrico entre el electrodo común y el electrodo de píxel, y se aplica una fuerza de acción a las moléculas de cristal líquido para cambiar su disposición, logrando así la modulación de la luz.
Principio de visualización de TFT-LCD
En todo el sustrato TFT, millones de unidades TFT de este tipo están dispuestas en una matriz de filas-columnas. La línea de puerta en la dirección de la fila es responsable del escaneo progresivo y la línea de datos en la dirección de la columna es responsable de transmitir el voltaje de la señal. En la intersección de ambos se sitúa una TFT y su correspondiente píxel de cristal líquido. Cuando todos los voltajes de los píxeles se escriben y mantienen línea por línea, todo el panel LCD puede mostrar una imagen completa.
2. Principio de funcionamiento del sustrato TFT en LCD
1. La función de TFT como interruptor.
Cada píxel está equipado con una TFT, que equivale a un interruptor electrónico.
Cuando la señal de escaneo actúa sobre la puerta, el TFT se enciende y el voltaje en la fuente se transfiere al drenaje y luego se aplica al electrodo de píxel.
Cuando se elimina la señal de la puerta, el TFT se apaga y el voltaje en el electrodo de píxel se mantiene durante un período de tiempo, manteniendo así el estado de orientación de las moléculas de cristal líquido.
2. Cambios en la orientación de las moléculas de cristal líquido.
Los materiales de cristal líquido tienen un efecto electro-óptico y sus moléculas se reorganizarán bajo la acción de un campo eléctrico.
Diferentes voltajes corresponden a diferentes ángulos de inclinación molecular, lo que a su vez cambia la capacidad de modulación de la capa de cristal líquido hacia la luz.
3. Transmisión y control de la luz.
La capa de cristal líquido está intercalada entre los sustratos de vidrio superior e inferior, y también está dispuesto un polarizador en los lados superior e inferior.
Cuando cambia la orientación de las moléculas de cristal líquido, el estado de polarización de la luz cambia en consecuencia y la transmitancia también cambia después de pasar a través del polarizador.
De esta manera, el ajuste de luz y oscuridad del píxel se puede lograr controlando la magnitud del voltaje.
4. Combinación con retroiluminación y pantalla a color.
La pantalla LCD en sí no emite luz y la fuente de luz necesaria para la pantalla proviene del módulo de retroiluminación.
El sustrato TFT determina cuánta luz de fondo se transmite controlando la transmitancia del píxel de cristal líquido.
Al mismo tiempo, cada píxel está cubierto con filtros de color rojo, verde y azul (RGB). Al ajustar la transmitancia de luz de los tres sub-píxeles, se puede mezclar para generar una imagen-a todo color.
5. Método de conducción general
Las líneas de puerta se escanean progresivamente y las líneas de señal se cargan con voltajes columna por columna.
Al escanear una línea determinada, todos los TFT de esa línea se encienden al mismo tiempo y el voltaje de la línea de señal se escribe en el píxel correspondiente.
Una vez finalizada esta línea, la línea de exploración pasa a la siguiente línea hasta que se actualiza toda la pantalla.
Este proceso de ciclo de alta-velocidad puede formar una visualización de imagen dinámica continua.
3. La influencia del sustrato TFT en el rendimiento del LCD
Como capa impulsora central de los paneles LCD, el sustrato TFT es el material, la estructura y las características eléctricas que determinan directamente el rendimiento clave del dispositivo de visualización, como la resolución, el brillo, el contraste, el consumo de energía y la vida útil. A continuación se explica desde varios aspectos principales.
1. Resolución
Sustrato de vidrio: cuanto mayor sea la planitud de la superficie, mejor será la precisión de los gráficos de los electrodos de píxeles y las matrices TFT, lo que favorece la obtención de unidades de píxeles más pequeñas y, por tanto, la compatibilidad con una resolución más alta.
Capa activa (a-Si): la movilidad electrónica de a-Si es baja (0,3–1 cm²/V·s), lo que limita la capacidad de conducción del TFT. Cuando aumenta la densidad de píxeles, es difícil cargar a-Si rápidamente y la mejora de la resolución es restringida. Si se utiliza LTPS u Oxide TFT, la movilidad de la capa activa es mayor y se puede lograr la visualización de PPI más altos.
Trazas de metal (compuerta, fuente y electrodo de drenaje): el ancho de la traza y la resistividad afectan directamente la velocidad de apertura del píxel. El metal de alta resistencia obliga a que la traza se ensanche, ocupando así área de píxeles y reduciendo la resolución; El Cu de baja resistencia puede transmitir señales con un ancho de línea más pequeño y mejorar la utilización de píxeles.
2. Brillo y transmitancia
Electrodo de píxeles (ITO): la transmitancia de luz y la resistividad del ITO determinan la tasa de utilización de la luz de fondo. La alta transmitancia de luz puede aumentar la eficiencia de la luz que pasa a través de los píxeles, mientras que la alta conductividad garantiza la distribución uniforme de las señales en píxeles de área-grande.
Fuente y drenaje de rastros de metal: si el rastro es demasiado ancho, bloqueará el área del píxel, reducirá el área de transmisión de luz (tasa de apertura reducida) y reducirá el brillo. Se utiliza Cu en lugar de Al, lo que puede reducir el ancho de la pista al tiempo que reduce la resistencia, aumentando así la tasa de apertura.
Capa aislante (SiNx, SiO₂): La planitud de la superficie y las características de tensión de la capa aislante afectan la orientación de las moléculas de cristal líquido. Si la superficie es desigual, se producirá una disposición anormal de los cristales líquidos, reduciendo así la transmitancia óptica.
3. Rendimiento de contraste y escala de grises
Capa activa (a-Si): la relación de conmutación del TFT se ve afectada por el material. La relación de conmutación de a-Si es relativamente baja, lo que tiende a generar una gran corriente de fuga, lo que provoca que se filtre una pequeña cantidad de luz en el estado de campo negro, lo que reduce el contraste.
Capa aislante (SiNx, SiO₂): la capa aislante de alta-calidad puede reducir las rutas de fuga y mejorar la retención de voltaje de los píxeles, manteniendo así una visualización estable en escala de grises.
Electrodo de píxeles (ITO): la uniformidad de la resistencia de la capa de película de ITO afectará la consistencia del voltaje de los diferentes píxeles. Si el valor de resistencia es desigual, se producirán diferentes rendimientos de las escalas de grises locales, lo que reducirá la uniformidad de la visualización y el contraste general.
4. Efecto de la velocidad de respuesta
Capa activa (a-Si): la movilidad de un-Si es baja y la velocidad de movimiento de los electrones es lenta, lo que da como resultado un tiempo de carga y descarga prolongado para los píxeles y, generalmente, a un nivel de milisegundos, lo que no es adecuado para aplicaciones de alta frecuencia de actualización. La alta movilidad de LTPS u Oxide TFT puede acortar significativamente el tiempo de respuesta.
Rastros de metal: una resistencia de rastreo demasiado alta provocará un retraso en la transmisión de la señal y afectará la respuesta de los píxeles. El uso de materiales de baja-resistencia puede reducir el retraso de la señal y mejorar la velocidad de respuesta.
Condensadores parásitos (determinados por la disposición del metal y el aislamiento de la puerta): cuando el condensador parásito es demasiado grande, tarda más en cargar el píxel, lo que reduce la eficiencia de la respuesta en escala de grises. El diseño estructural razonable y la optimización del espesor de la capa de aislamiento ayudan a reducir la capacitancia parásita.
5. El impacto del consumo de energía.
Metal fuente y drenaje (Al, Mo, Cu): los materiales de baja resistencia pueden reducir las pérdidas de transmisión de señal e impulsar el consumo de energía. Debido a su baja resistividad, el Cu tiene ventajas obvias a la hora de reducir el consumo de energía.
Capa activa (a-Si): la corriente de fuga es grande, el voltaje del píxel se atenúa fácilmente y se requiere una frecuencia de actualización más alta para mantener una imagen estable, lo que aumenta el consumo general de energía.
Electrodo de píxel (ITO): los electrodos de alta transmitancia de luz pueden mejorar la eficiencia de utilización de la luz. Con los mismos requisitos de brillo, la potencia de la retroiluminación puede ser menor, reduciendo así el consumo de energía.
6. El impacto de la confiabilidad y la vida útil
Metal de la puerta (Al): los Hilllock (pequeñas protuberancias) se forman fácilmente a altas temperaturas, lo que provoca cortocircuitos o fallas en el circuito abierto, lo que afecta la estabilidad a largo plazo-.
Cu Metal: Aunque la resistencia es baja, tiene una fuerte difusión. Si no hay una capa de barrera, es fácil contaminar la capa semiconductora y provocar una degradación del rendimiento.
Capa aislante (SiNx): puede bloquear eficazmente la penetración de iones Na⁺, vapor de agua y oxígeno. Si la masa es insuficiente, el rendimiento del dispositivo disminuirá rápidamente.
Capa activa (a-Si): la variación del voltaje umbral se produce durante largas horas de trabajo, lo que resulta en una mayor demanda de voltaje de conducción, una disminución del brillo y el contraste de la pantalla y una vida útil más corta.
En el trabajo de LCD, el sustrato TFT no sólo determina el efecto de visualización de la imagen, sino que también afecta directamente la resolución, el brillo, el contraste, el consumo de energía y la confiabilidad. En general, los sustratos TFT no son sólo la base de la tecnología LCD, sino también la clave para mejorar el rendimiento del panel y la evolución del proceso.
