根据韩国网站 The Elec 报告，苹果将在 2021 年 iPhone 13 Pro 和 iPhone 13 Pro Max 上采用低功耗 LTPO 屏幕技术。
目前LG Display正在规划扩大其有机发光二极管(OLED)面板厂专供苹果的生产线的生产速度。LG Display计划在明年之前，将每月可增加2.5万片基板的低温多晶硅(LTPO)薄膜晶体管(TFT)设备投入生产线。
目前，低温多晶硅(LTPS) TFT技术，由于其高迁移率和良好的稳定性，已经取代非晶硅(a-Si) TFT，成为小尺寸高分辨率显示的主流背板技术。
然而，在关态偏压下，漏极区会形成较高的电场，LTPS薄膜晶界缺陷态的存在会辅助隧穿效应的增强，导致较大的反偏漏电流。
相比LTPS TFT，IGZO TFT的迁移率和稳定性还有不少的差距，面向小尺寸高分辨显示尤其是AMOLED显示，虽然已表现出一定潜力，但还难以达到LTPS TFT的性能水平。
然而，另一方面，由于IGZO较大的禁带宽度、带隙间较低的缺陷态密度和对空穴输运的抑制，IGZO TFT具有亚阈值摆幅陡峭、漏电流低(＜10-20 A/μm)的优势。
利用IGZO TFT的这一特点，苹果公司提出了IGZO和LTPS两者集成的像素电路结构(LTPO)，实现了低至1 Hz帧率的低功耗AMOLED显示屏。
所以，LTPO是Low temperature polysilicon and oxide的简称，翻译全称：低温多晶硅氧化物。
“LTP”是指低温多晶硅材料，“O”是指IGZO材料，在结构上将二者进行了结合，因此在驱动电路中既有LTPS TFT，也有IGZO TFT，因此其器件结构和工艺复杂程度均有所增加。
既然LTPS TFT和IGZO TFT被分别成功地独立用于驱动显示面板，为什么要开发出结构和工艺都更加复杂，因而成本也会增加的LTPO技术呢？
如下图为采用a-Si，IGZO和LTPS背板技术的TFT的转移特性曲线，可见低温多晶硅材料具有载流子迁移率大的特点，但是其缺点是漏电流较大，一般为10E-10~-12A/μm的数量级。
而IGZO的迁移率要低于LTPS，但其漏电流却比LTPS TFT要低几个数量级，一般为10E-13A/μm的数量级。
低漏电流的IGZO TFT可以使显示屏在低帧率下保持良好的显示效果，降低屏幕的功耗；
而LTPS TFT高迁移率、良好稳定性以及可实现n/p型互补集成的优势，有利于实现小面积、高性能的GOA电路，应用于高分辨率、窄边框显示；另外高的载流子迁移率也可以降低驱动电压，并实现高刷新频率。
换句话说，LTPS TFT和IGZO TFT该有的优点LTPO都具有，但是其缺点却能够被规避，总结如下：
功耗降低
集成栅极驱动实现窄边框
高分辨率
更好的均匀性
对于手表显示时间这样的低动态显示功能，往往并不需要很高的刷新频率，降低刷新频率可以做到Always-On的显示功能，这无疑是这一类产品的一大卖点。
近期，韩国三星公司宣布已实现了可支持1~120 Hz帧率的LTPO AMOLED并将其应用于量产的手机屏幕。
因为LTPS TFT通常采用共平面结构(顶栅顶接触)，而IGZO TFT则可以采用反向堆叠型结构或共平面结构，所以LTPO的集成可采用如图所示的两种方式。
基于不同结构IGZO TFT的LTPO集成方式
由于LTPS的工艺温度高于IGZO，因此在两种集成方式中，IGZO的工艺都是在LTPS之后进行。
图4(a)采用了反向堆叠型结构的IGZO TFT，可以与LTPS TFT共用栅电极层，从而减少工艺步骤和掩模版的数目，但需要考虑对两个器件性能优化的互相影响。
图4(b)的方式采用共平面结构的IGZO TFT器件，两个器件无共用的膜层，相对独立，便于各自性能的优化，但需要更多的工艺步骤，并且会增加制造的复杂性和成本。
在所报道的LTPO显示面板技术中，JDI的AMLCD面板和夏普的AMOLED面板采用的是共平面结构，而友达光电的AMLCD面板采用的是反向堆叠型结构。
不少研究工作也探索了基于LTPO结构实现n/p型互补集成的逻辑电路。
由于IGZO能带结构中价带附近的高缺陷态密度分布，难以获得性能较好的p型材料。
所以，IGZO TFT的电路设计与实现主要采用全n型器件的单极型电路的形式。
对比单极型电路，采用n型MO TFT和p型LTPS TFT所实现的LTPO互补型电路，可具有噪声容限高、增益高、静态功耗低等优点。
关于面板厂的LTPO工艺的细节不便于公开，这里采用Duk Young Jeong等人文章中的共面顶栅结构来作说明。
在这篇文章中采用六道Mask来完成LTPO TFT的制作，但实际工厂的LTPO背板要考虑到良率和工艺调整的灵活性，会比这个文章中的流程要复杂。
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- MASK-1：
对于LTPS层进行图形化，这一步的膜层结构应该和常规的LTPS产品一致，一般采用SiNx/SiO2/a-Si的叠层结构。
最上层的a-Si在激光退火过程中转化为多晶硅。
然后对多晶硅膜层进行图形化形成LTPS TFT的有源区。
这一步后沉积GI层，即LTPS TFT的栅极绝缘膜。
- MASK-2：
在栅极绝缘膜上面沉积IGZO薄膜，然后对IGZO膜层进行图形化，形成IGZO TFT的有源层。
然后在沉积GI膜，因此IGZO TFT的栅极绝缘层为一次沉积，而LTPS TFT的栅极绝缘膜为二次沉积，二者共用其中一次沉积的薄膜。
因此在优化工艺的时候，LTPS和IGZO TFT的性能需要综合考虑，二者会相互影响。
- MASK-3：
沉积栅极金属层，然后对栅极金属进行图形化。
栅极金属图形化分成两步，第一步用于N型沟道TFT掺杂，因此P型TFT此时未刻出栅极，其金属层对半导体层进行保护。
IGZO TFT为n型TFT，因此mask3刻蚀出IGZO TFT的栅极。
然后对IGZO的源漏区进行掺杂，便于后续形成金属半导体的欧姆接触。
- Mask-4：
刻蚀出P型TFT的栅极，然后进行掺杂。
P型TFT为LTPS TFT。
- MASK-5：
沉积间隔层，这一层的作用是将源漏极金属与栅极金属分开。
沉积完成后，对通孔进行图形化，这些通孔的作用是后续的源漏极金属与TFT的源漏极进行接触。
- MASK-6：
最后一道mask将源漏极刻出，这样具有功能的LTPS TFT和IGZO TFT都制作完成。
从该文献看出，六道mask只是完成了TFT的制作，但是在实际的LCD或OLED的制造过程中，还需要对TFT进行保护，并且有像素区电极制作等工序，因此实际可能有更多的mask数目。
LTPO集成需要考虑两种器件工艺的互相影响。
对于LTPS，为了实现高性能和良好偏置稳定性的器件，需用通过掺氢(H)来钝化多晶硅晶粒内部、晶界之间以及多晶硅与栅极绝缘层界面处的缺陷。
然而，IGZO TFT的性能对H非常敏感。
(a) 基于第一性原理计算的所掺杂H在不同位置下的态密度情况
如图 5(a)所示，通过对IGZO的态密度的第一性原理计算表明:
当H位于各成键的位置或间歇位置，都会导致费米能级(EF)超过导带底(Conduction band minimum, CBM)，从而引入自由电子；
而额外的氧(O)可以和H结合形成O—H或H—O—H键，EF能够保持在深能级。
在LTPO工艺过程中，LTPS层中的H扩散到IGZO层，会与其中的氧悬挂键结合，或打破氧-金属共价键而形成氢氧化物。
当H的量很少时，由于缺陷态密度的降低，一定程度上会提高器件的迁移率、减弱回滞现象；
然而，当有更多的H时，氧空位和金属-氧键的平衡会被打破，导致器件阈值电压的漂移和稳定性的恶化。
在低帧率的显示驱动下，IGZO TFT开关管受较长时间的反向偏压应力，会引起一定的阈值电压负向漂移。
如果负向漂移过大，会导致该TFT处于常开状态，造成显示屏对应位置的亮点缺陷。
即使TFT还能够关断，一定的负向漂移也会引起TFT关断带来的反冲(Kickback)电压的变化，对于AMOLED显示，会进一步影响驱动TFT的电流和该像素的发光亮度，尤其在低亮度情况下，导致显示发光的非均一性。
(b)不同H浓度工艺条件下制备的IGZO TFT在反向偏压温度应力测试下的阈值电压漂移情况
因此，LTPO的最大工艺挑战是在对H浓度的调控，平衡两种器件的性能。
如图 5(b)所示，通过采用优化的低H工艺，所制备的IGZO TFT在反向偏压温度应力测试(Negative bias-temperature stress, NBTS)下阈值电压的漂移显著低于采用高H浓度的工艺。
虽然现阶段基于IGZO的TFT已经量产，但其迁移率和稳定性还有很大的提升空间。
对比LTPS，IGZO的一个重要优势是可以通过调整材料中不同的组分及其比例来提高或优化器件性能。
所以，结合IGZO材料组分的设计与后退火处理工艺，有望降低IGZO TFT性能对H的敏感性，为高性能的LTPO集成提供更宽的工艺窗口。
下篇再针对电路工作原理详细说明。
参考文献：
[1] Duk Young Jeong, Yeoungjin Chang, Won Gyeong Yoon, Youngbin Do, and Jin Jang，Adv. Eng. Mater. 2020, 22, 1901497.
[2] 邓立昂, 陈世林, 黄博天, 等. 基于低温多晶硅-氧化物半导体混合集成的薄膜晶体管显示背板技术[J]. 液晶与显示, 2021, 36(3):420-431. DOI：10.37188/CJLCD.2020-0268
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文章来源：屏芯视界
