LTPS 全称为低温多晶硅 (Low Temperature Polycrystalline Silicon)为中小尺寸高分辨率的 TFT-LCD和 AMOLED显示屏的关键工艺。
与传统A-Si技术相比 , LTPS虽然工艺复杂 , 但是因为 LTPS上载流子传输速度有大幅的提高 , 则驱动电路和模组体积可以更小并最终达到减少器件的作用。
LTPS最终的目标是实现 System On Glass(SOG)效果 , 即通过 LTPS工艺直接在玻璃基板上制作所有的系统电路。
低温多晶硅（LTPS）是适用于智能手机应用的高分辨率TFT液晶显示器背板技术。例如，已经将LTPS技术应用于30Hz帧速率驱动的8英寸2K 4K TFT LCD显示器和120Hz帧速率驱动的17.3英寸8K 4K TFT LCD。两种显示器具有通道宽度的收缩以及较薄的绝缘体当做存储电容，在垂直方面提供高显示质量(降低串扰和闪烁)。其中,1.5微米级的精密制造工艺可以实现通道宽度收缩和降低关态电流。
LTPS的高迁移率为TFT-LCD带来许多好处。由于LTPS中的TFT器件的尺寸较小，因此可以获得更高的开口率和更窄的边界尺寸。高开口率可降低背光功耗。因为寄生电容变小，较小的TFT尺寸降低了驱动功耗。LTPS-TFT比a-Si- TFT具有更高的像素密度。因为LTPS-TFT可以在玻璃基板上集成栅极驱动器来克服互连间距限制。更重要的是，因为它具有较低的缺陷密度，因此具有氧化硅栅极绝缘体的LTPS被证明是性能可靠的。
当智能手机的分辨率变得几乎达到400ppi或以上时，在这一领域LTPS也已经成为合适的背板技术。现在，平板电脑正在采用相同的趋势，采用高中端的高像素密度LTPS LCD。此外，在某些情况下，满足人眼分辨率的LTPS还不够高。例如，出现的虚拟现实（VR）显示器需要比智能显示器高很多的分辨率，即超过500ppi.
因为有潜力更高的光学性能和比LCD更薄的机械结构，有源矩阵有机发光二极管（OLED）显示器成为下一代显示技术。OLED材料通过电流点亮。因此，OLED显示器需要背板技术其具有足够高的载流子迁移率。目前，LTPS是唯一可以充分实现稳定驱动OLED所需的背板技术。
本文介绍了现有的LTPS技术。我们已经优化了工艺技术，将LTPS技术应用于超过500ppi高分辨率显示,同时且具有低延迟和更低的功耗的特点。
晶体管特性：a-Si具有约0.3cm2 / Vs的电子迁移率，仅用于NMOS。LTPS具有大约100cm2/ Vs的迁移率，适用于使用互补p型和n型晶体管进行电路设计的CMOS架构。
据报道，用在TFT-LCD上的IGZO-TFT迁移率大约为10cm2/ Vs的，其迁移率高于a-Si，工艺温度和复杂度都低于LTPS，但迁移率其低于LTPS。
Figure 1 Carrier mobility and architecture types of display backplanetechnologies
面板配置：具有RBGW技术和in-cell触摸屏技术的显示屏的框图如图所示。使用LTPS技术，在玻璃基板上形成CMOS多路复用器，栅极驱动器和Tx电路。从主机接口输入RGB信号，源驱动器通过面板中的多路复用器和信号线向像素提供模拟RGBW信号。Tx电路用于in-cell触摸功能，在祯间空档期以驱动COM电极。
Figure 2 Block diagram of the panel with in-cell touch function
高像素密度特性是显示背板技术选择的关键。即使在普通的智能手机上，超过400ppi的分辨率也是必要的，且高性能显示器的分辨率需要像素密度超过500ppi。此外，由于低延迟特点引起的出色的图像质量，120Hz帧速率驱动的需求正在扩大。对于移动应用，由于低功耗的需求，可以预期30Hz的帧速驱动显示器的会有较好发展。
为了开发这两种显示器，用于低延迟的高帧速率大尺寸显示器和用于低功耗的低帧率移动显示，保持高开口率和窄边框，LTPS将是最好的背板技术，但其过程应该进行优化，以解决串扰和闪烁问题。
垂直串扰：在每个像素中，像素TFT和具有存储电容的像素电极被嵌在信号线，栅极线和VCOM电极中。其中存储电容在像素电极和VCOM电极之间形成。 如图3所示，550ppi的像素面积仅为46.2um×15.4×3（46.2×46.2um），几乎是400ppi像素面积的一半，存储电容的面积变小，导致电容值不足。因此，如果将相同的像素TFT尺寸应用于550ppi，与400ppi LCD相比，由TFT引起的漏电流和开关噪声相对较大。
Figure 3 Comparison with sub-pixel size between 400ppi and 550ppi
垂直串扰由像素TFT的漏电流和像素电极的电压波动两者引起，其中电压波动由像素电极和信号线之间的电容耦合引起，如图4（a）和（b）所示。像素电极的电压变化可以用等式表示
其中Cp是像素电极和信号线之间的电容，CLC是液晶电容，Cgs是栅电极和源电极之间的电容;TH是保持周期，IOFF是像素TFT的漏电流。 ΔVs是信号线的电压变化。由于ΔVs和IOFF都根据显示图像而变化，所以它们可能是串扰的原因。因此，Cs值的增加和降低IOFF对于降低垂直串扰很重要，特别是在较低的帧速率驱动模式情况下。
(a) An equivalent pixel circuit
(b) Timing chart for the pixel circuit
Figure 4 An equivalent pixel circuit and timing chart forthe pixel circuit
闪烁：当栅极线关断时，TFT的开关噪声或场通电压被认为是闪烁的原因之一。可以用等式表示。
其中Vgh为高电平时的栅极电压，Vgl为低电平时的栅极电压。此外，液晶的挠曲电效应可能几乎同时发生。
在保持期间，像素TFT的漏电流和液晶材料（LCM）的漏电流引起像素的电压变化，从而引起像素亮度的改变。可用如下面的等式所示。
其中ILC是通过LCM的漏电流。因此，特别是在较低的帧速率驱动模式下，Cs值的增加和IOFF值的降低对减少闪烁很重要。
这些方程式表明，如果我们只减小像素存储电容大小而不减小IOFF，则ΔVP1ΔVP2和ΔVP3变大。
然而，如上所述，在550ppi像素中，存储电容的面积趋于变小，并导致垂直串扰或闪烁。为了克服这些问题，我们开发了一种窄通道宽度的TFT，用于减少IOFF和Cgs值。为了提高Cs值，可以采用较薄的绝缘体。
基于图5所示的TFT-LCD 的array工艺和Cell工艺。利用常规方法在玻璃基板上对非晶硅进行准分子激光退火来制成多晶硅。为了把沟道宽度减小到接近一半，在多晶硅加工过程中采用I线（365nm）光刻，并且干法刻蚀的条件要仔细调节。图6是经刻蚀处理的多晶硅在扫描电子显微镜下的横切面图。锥形角依赖于蚀刻中CF4与O2的气体流量比,过程如图7所示。我们发现在CF4：O2 =1：1的气体流量的情况下，可以获得良好的锥角，以确保TFT制造过程中以下层的阶跃覆盖。还证实，通道宽度分布为1.47μm±0.34μm（n =54）。另外，几乎一半薄的绝缘体形成存储电容以提高CS值的大小。
在图7中的cell工艺过程中，对IPS模式的负型LC材料进行优化，以提高面板的透光率，并降低挠曲电效应和闪烁。
Figure 5 Fabrication process of prototype
Figure 6 Cross-sectional view of SEM of a poly-Si afterthe etching process
Figure 7 Taper angle dependency on gas ratio of CF4:O2
8英寸4K2K550ppi像素密度和30HZ帧速率驱动
显示面板中LTPS电路的驱动电压为15V。除了正常的60HZ帧率驱动模式外，30HZ帧率驱动模式也是可用的。正如图9所示的那样，30HZ驱动与60HZ驱动相比，LCD功率消耗减小了32%。我们也能观察到垂直串扰足够小，这或许归因于更小的像素TFT。
通过亮度测量来检查闪烁特性，见图10。在我们的实验中，0.02左右是可接受闪烁的上限。尽管闪烁在30HZ驱动模式下要比在60HZ驱动模式下大，不过，也是在接受的范围内。
显示模式 |
LTPS TFT，IPS模式 |
屏幕大小（对角线） |
8英寸（20.3cm） |
分辨率格式 |
2160（W）×3840（H） |
像素密度 |
550ppi |
NTSC比率 |
95% |
对比度 |
2000：1 |
触屏功能 |
1mm手写笔 |
帧率 |
30/60Hz |
Figure 8 550ppi2K4K LTPS TFT LCD which is driven by 30Hz frame rate
Figure 9 Relative volume of power consumption for driving
Figure 10 Flicker dependency onframe rate
表2展示的亮度值为500cd/m2,对比度为2000：1。这些结果表明，即使在很短的写入周期内，像素写入也可以充分完成。另外，对显示的均匀性做了评价。
Table 2 Specifications of the Prototype
Figure 11 17.3inch 510ppi 8K4KLTPS TFT LCD
图12 是在面板上透过率的9点测量。它们的变化很小，这归因于栅极线宽的优化和the feed-through voltage 差的减小。图13显示了串扰的测量结果。使用灰色（L127）光栅中心的白色（L255）窗口或黑色（L0）窗口的图案进行测量。背景窗口的大小是50％。任何测量点的垂直串扰比和水平串扰比都远低于2.0％。
Figure 12 Normalized transmittance measureed results at 9points in LCD
Figure 13 Measurement resultsof Crosstalk ratio
这样的结果是因为像素TFT沟道宽减小到了1.5um且薄膜绝缘层的使用致使像素存储容量的增加。120Hz帧率的8K4K LTPS TFT LCD 是通过栅极线宽的优化和 TFT 处理过程的改善而实现的。
在其他显示领域，比如VR显示，500ppi的像素密度或更大是非常必要的。在这样的VR显示和汽车显示器上，用于其低延迟使用要求120Hz而不是60Hz的高帧速率。利用CMOS LTPS的特点，另一个发展是内存像素（MIP）技术，嵌入了静态随机存取存储器（SRAM）电路进入到每个子像素。
由于图像数据存储在每个子像素中的SRAM中，MIP LCD可以以超低功耗的静态图像进行操作。
柔性显示发展在显示行业内已受到关注。对于高质量柔性显示，OLED较LCD是一种更合适的显示技术，因为与LCD相比，OLED显示有更简单的结构。正如之前的讨论，由于LTPS有高的载流子迁移率和稳定性，目前几乎所有为移动设备生产的玻璃基刚性OLED显示器利用其作为背板。对于柔性OLED显示，LTPS在TFT性能上同样有优势。
由于低功耗技术，如高开口率和 RGBW显示，窄边框和in-cell触摸屏技术，LTPS背板技术已经充分应用到高分辨率的显示器上。
人们发现LTPS技术适用于高分辨率显示和低帧率显示以降低驱动功耗。2K4K 550 ppi LTPS TFT LCD已经开发了较低的帧率驱动模式，其中可以改变垂直帧间空挡的长度。在多晶硅TFT的制造工艺中，使用i线光刻法形成窄沟道宽度，并调节干蚀刻气体比以获得多晶硅的良好锥角。然后，我们证实了，对于54个样品，多晶硅TFT的沟道宽度分布为1.47μm±0.34μm。采用较薄的绝缘体做储存电容以及在制备工艺中优化了LC材料。我们认为窄沟道宽度可实现像素TFT的较小漏电流和较小的Cgs值，较薄的绝缘体允许较大的Cs值。基于这些技术，即使在30 Hz驱动模式下，也证实了在垂直串扰和闪烁方面的高的显示质量。
我们开发了120Hz帧速驱动的510ppi8K4K LTPS TFT LCD。TFT的高迁移率可以实现简单的面板配置。通道宽度的收缩和薄型绝缘体的存储电容器的使用可实现包括透光率的高均匀性和低串扰比等优秀的显示性能。
来源作者：Toshiki Kanekoa, Takashi Nakamuraa and Hiroyuki Kimuraa
Research & Development Center, Japan Display Inc.,Chiba ,Japan
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