Introduction au substrat TFT dans l'écran LCD
Un panneau d'affichage LCD TFT-LCD complet est divisé en fonction du processus de production et peut être grossièrement divisé en trois segments de processus, à savoir : le segment de processus de matrice, le segment de processus de filtre couleur CF et le segment de processus en boîte. La section de processus Array array est ce que nous appelons souvent la production de substrats en verre TFT.
Le substrat TFT est un composant essentiel du panneau LCD TFT- et assume les fonctions importantes de contrôle des commutateurs de pixels et des courants de commande. Cet article se concentrera sur la structure et la composition du substrat TFT-LCD Array, les caractéristiques d'un -Si TFT et l'impact du substrat TFT sur les performances LCD.
1. Structure et composition du substrat TFT
L'unité de pilotage principale de l'écran LCD TFT-est un réseau de transistors à couches minces (TFT Array), et chaque pixel est contrôlé par un commutateur TFT indépendant. Pour réaliser cette fonction, le substrat TFT adopte une conception de structure multi-couche, chaque couche de matériau et d'électrodes jouant des rôles différents.
Globalement, les TFT peuvent être divisés en deux catégories : la structure de porte supérieure et la structure de porte inférieure. Actuellement, la solution principale pour les panneaux LCD est la structure de grille inférieure TFT, qui présente des processus matures et une grande stabilité, et convient à une production de masse à grande échelle.
Dans un processus typique à 6 masques, un substrat TFT à structure de grille inférieure contient principalement les éléments suivants :
1. Substrat en verre
En tant que plate-forme de support physique pour l’ensemble de la baie, elle constitue une base plate et transparente.
Il est nécessaire d'avoir une dimensionnalité stable et un faible coefficient de dilatation thermique pour garantir la précision des processus ultérieurs de dépôt de couches minces et de photolithographie.
2. Électrode de porte (électrode de porte)
Généralement, des matériaux métalliques (tels que Mo, Al ou leurs alliages) sont utilisés.
En contrôlant la tension appliquée à la grille, l'état activé- ou désactivé du TFT est déterminé, ce qui équivaut à la « borne de commande du commutateur ».
3. Isolateur de porte
Pour recouvrir la grille, le matériau couramment utilisé est SiNx ou SiO₂.
Sa fonction est d'isoler électriquement, d'empêcher la grille d'entrer en contact directement avec la couche semi-conductrice située au-dessus et en même temps de garantir que le champ électrique de la grille puisse contrôler efficacement le mouvement électronique de la région du canal semi-conducteur.
4. Couche active (Couche active)
Il s'agit du cœur des performances du TFT, généralement constitué d'une couche semi-conductrice et d'une couche de contact ohmique :
La couche semi-conductrice est responsable de la transmission des porteurs et constitue le corps principal de la région du canal ;
La couche de contact ohmique est utilisée pour réduire la résistance de contact entre les électrodes source et drain et le semi-conducteur.
Dans l'industrie actuelle des écrans LCD-TFT, le-Si (silicium amorphe) est le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé.
Le processus a-Si TFT est mature et peu coûteux. Il est le plus couramment utilisé dans les panneaux d'affichage LCD TFT-de milieu- et bas de gamme-.
Bien que la mobilité électronique du -Si soit relativement faible, son rendement de traitement élevé et sa grande polyvalence dans les équipements de production en font toujours le choix courant pour les écrans LCD TFT-.
Schéma du semi-conducteur a-si en silicium amorphe
En plus du-Si, il existe de nouveaux matériaux tels que le poly-Si et les semi-conducteurs à base d'oxyde, mais ils sont davantage utilisés dans les panneaux d'affichage à haute-résolution ou à-usage spécial.
5. Source et vidange
Distribué des deux côtés de la couche active et constitué d'un matériau métallique.
La source est connectée à la ligne de données et transmet la tension du signal d'entrée à la zone du canal ;
L'électrode de drain est connectée à l'électrode de pixel et transmet la tension du signal à l'unité de pixel à cristaux liquides.
6. Couche d'isolation intermédiaire (couche de passivation, PVX)
Couvrant au-dessus de la structure TFT, il joue un rôle de protection et d'isolation.
Empêchez l'humidité, l'oxygène ou les contraintes mécaniques d'endommager le dispositif TFT, tout en évitant les courts-circuits entre les électrodes de source et de drain vers les électrodes de pixels supérieures.
7. Électrode pixel (1er ITO)
Fabriqué en matériau conducteur transparent (généralement ITO, oxyde d'étain et d'indium).
Connecté au drain, applique la tension du signal de données à la couche de cristaux liquides et contrôle directement l'état optique du point de pixel.
8. Électrode commune (2ème ITO, électrode COM)
À l’opposé de l’électrode de pixel, elle est généralement située sur le substrat supérieur en verre.
Un champ électrique est formé entre l'électrode commune et l'électrode de pixel, et une force d'action est appliquée aux molécules de cristaux liquides pour modifier leur disposition, obtenant ainsi une modulation de la lumière.
Principe d'affichage du TFT-LCD
Dans l'ensemble du substrat TFT, des millions de ces unités TFT sont disposées dans une matrice de lignes -colonnes. La ligne de grille dans le sens des lignes est responsable du balayage progressif et la ligne de données dans le sens des colonnes est responsable de la transmission de la tension du signal. A l'intersection des deux se trouvent un TFT et son pixel à cristaux liquides correspondant. Lorsque toutes les tensions de pixels sont écrites et maintenues ligne par ligne, l'ensemble du panneau LCD peut afficher une image complète.
2. Principe de fonctionnement du substrat TFT dans l'écran LCD
1. La fonction du TFT comme commutateur
Chaque pixel est équipé d'un TFT, qui équivaut à un interrupteur électronique.
Lorsque le signal de balayage agit sur la grille, le TFT est activé et la tension à la source est transférée au drain, puis appliquée à l'électrode de pixel.
Lorsque le signal de porte est supprimé, le TFT est éteint et la tension sur l'électrode de pixel est maintenue pendant un certain temps, maintenant ainsi l'état d'orientation des molécules de cristaux liquides.
2. Changements dans l'orientation des molécules de cristaux liquides
Les matériaux à cristaux liquides ont un effet électro-optique et leurs molécules seront réorganisées sous l'action d'un champ électrique.
Différentes tensions correspondent à différents angles d’inclinaison moléculaire, ce qui modifie à son tour la capacité de modulation de la couche de cristaux liquides en lumière.
3. Transmission et contrôle de la lumière
La couche de cristaux liquides est prise en sandwich entre les substrats de verre supérieur et inférieur, et un polariseur est également disposé sur les côtés supérieur et inférieur.
Lorsque l'orientation des molécules de cristaux liquides change, l'état de polarisation de la lumière change en conséquence et la transmission change également après avoir traversé le polariseur.
De cette manière, l'ajustement de la lumière et de l'obscurité du pixel peut être obtenu en contrôlant l'amplitude de la tension.
4. Combinaison avec rétroéclairage et écran couleur
L'écran LCD lui-même n'émet pas de lumière et la source de lumière nécessaire à l'affichage provient du module de rétroéclairage.
Le substrat TFT détermine la quantité de rétroéclairage transmise en contrôlant la transmission du pixel à cristaux liquides.
Dans le même temps, chaque pixel est recouvert de filtres de couleur rouge, vert et bleu (RVB). En ajustant la transmission de la lumière des trois sous--pixels, elle peut être mélangée pour générer une image en couleur-.
5. Méthode globale de conduite
Les lignes de grille sont balayées progressivement et les lignes de signaux sont chargées de tensions colonne par colonne.
Lors du balayage vers une certaine ligne, tous les TFT de cette ligne sont allumés en même temps et la tension de la ligne de signal est écrite sur le pixel correspondant.
Une fois cette ligne terminée, la ligne de numérisation passe à la ligne suivante jusqu'à ce que tout l'écran soit actualisé.
Ce processus de cycle-à grande vitesse peut former un affichage d'image dynamique continu.
3. L'influence du substrat TFT sur les performances de l'écran LCD
En tant que couche de pilotage centrale des panneaux LCD, le substrat TFT est le matériau, la structure et les caractéristiques électriques qui déterminent directement les performances clés du dispositif d'affichage telles que la résolution, la luminosité, le contraste, la consommation d'énergie et la durée de vie. Ce qui suit l’explique sous plusieurs aspects principaux.
1. Résolution
Substrat en verre : plus la planéité de la surface est élevée, meilleure est la précision graphique des électrodes de pixels et des matrices TFT, ce qui permet d'obtenir des unités de pixels plus petites et donc de prendre en charge une résolution plus élevée.
Couche active (a-Si) : la mobilité électronique de a-Si est faible (0,3 à 1 cm²/V·s), limitant la capacité de pilotage du TFT. Lorsque la densité de pixels augmente, un-Si est difficile à charger rapidement et l'amélioration de la résolution est limitée. Si LTPS ou Oxide TFT est utilisé, la mobilité de la couche active est plus élevée et l'affichage d'un PPI plus élevé peut être obtenu.
Traces métalliques (électrode de grille, de source et de drain) : la largeur de la trace et la résistivité affectent directement le taux d'ouverture des pixels. Le métal à haute résistance force la trace à s'élargir, occupant ainsi la zone des pixels et réduisant la résolution ; Le Cu à faible résistance peut transmettre des signaux avec une largeur de ligne plus petite et améliorer l'utilisation des pixels.
2. Luminosité et transmission
Électrode de pixel (ITO) : La transmission de la lumière et la résistivité de l'ITO déterminent le taux d'utilisation du rétroéclairage. Une transmission lumineuse élevée peut augmenter l'efficacité de la lumière traversant les pixels, tandis qu'une conductivité élevée garantit la distribution uniforme des signaux sur de grandes-pixels.
Traces métalliques de source et de drain : Si la trace est trop large, elle bloquera la zone des pixels, réduira la zone de transmission de la lumière (taux d'ouverture réduit) et réduira la luminosité. Cu est utilisé à la place de Al, ce qui peut réduire la largeur de trace tout en réduisant la résistance, augmentant ainsi le taux d'ouverture.
Couche isolante (SiNx, SiO₂) : La planéité de la surface et les caractéristiques de contrainte de la couche isolante affectent l'orientation des molécules de cristaux liquides. Si la surface est inégale, cela entraînera une disposition anormale des cristaux liquides, réduisant ainsi la transmission optique.
3. Performances de contraste et d'échelle de gris
Couche active (a-Si) : le rapport de commutation du TFT est affecté par le matériau. Le rapport de commutation de a-Si est relativement faible, ce qui est susceptible de générer un courant de fuite important, provoquant une fuite d'une petite quantité de lumière dans l'état de champ noir, réduisant ainsi le contraste.
Couche isolante (SiNx, SiO₂) : la couche isolante de haute-qualité peut réduire les chemins de fuite et améliorer la rétention de tension des pixels, maintenant ainsi un affichage en niveaux de gris stable.
Électrode de pixel (ITO) : L'uniformité de la résistance de la couche de film ITO affectera la cohérence de la tension des différents pixels. Si la valeur de résistance est inégale, cela entraînera des performances différentes des niveaux de gris locaux, réduisant ainsi l'uniformité de l'affichage et le contraste global.
4. Effet de la vitesse de réponse
Couche active (a-Si) : la mobilité d'un-Si est faible et la vitesse de déplacement des électrons est lente, ce qui entraîne un long temps de charge et de décharge pour les pixels et généralement au niveau de la milliseconde, ce qui ne convient pas aux applications à taux de rafraîchissement élevé. La grande mobilité du LTPS ou de l'Oxide TFT peut réduire considérablement le temps de réponse.
Traces métalliques : une résistance de trace trop élevée entraînera un retard de transmission du signal et affectera la réponse des pixels. L'utilisation de matériaux à faible-résistance peut réduire le retard du signal et améliorer la vitesse de réponse.
Condensateurs parasites (déterminés par la disposition métallique et l'isolation de la grille) : lorsque le condensateur parasite est trop grand, le chargement du pixel prend plus de temps, ce qui réduit l'efficacité de la réponse en niveaux de gris. Une conception structurelle raisonnable et une optimisation de l’épaisseur de la couche d’isolation contribuent à réduire la capacité parasite.
5. L'impact de la consommation électrique
Métal source et drain (Al, Mo, Cu) : les matériaux à faible résistance peuvent réduire les pertes de transmission du signal et la consommation d’énergie du lecteur. En raison de sa faible résistivité, le Cu présente des avantages évidents en termes de réduction de la consommation électrique.
Couche active (a-Si) : le courant de fuite est important, la tension des pixels est facilement atténuée et une fréquence de rafraîchissement plus élevée est nécessaire pour maintenir une image stable, augmentant ainsi la consommation d'énergie globale.
Électrode pixel (ITO) : les électrodes à transmission lumineuse élevée peuvent améliorer l’efficacité de l’utilisation de la lumière. Sous les mêmes exigences de luminosité, la puissance du rétroéclairage peut être inférieure, réduisant ainsi la consommation d'énergie.
6. L'impact de la fiabilité et de la durée de vie
Métal de grille (Al) : les Hilllocks (petites saillies) se forment facilement à des températures élevées, entraînant des courts-circuits ou des pannes de circuit ouvert, affectant la stabilité à long terme.
Cu Métal : Bien que la résistance soit faible, il a une forte diffusion. S’il n’y a pas de couche barrière, il est facile de contaminer la couche semi-conductrice et d’entraîner une dégradation des performances.
Couche isolante (SiNx) : peut bloquer efficacement la pénétration des ions Na⁺, de la vapeur d'eau et de l'oxygène. Si la masse est insuffisante, les performances de l'appareil diminueront rapidement.
Couche active (a-Si) : une dérive de tension de seuil se produit pendant de longues heures de travail, ce qui entraîne une augmentation de la demande de tension de commande, une diminution de la luminosité et du contraste de l'écran et une durée de vie raccourcie.
Dans le fonctionnement de l'écran LCD, le substrat TFT détermine non seulement l'effet d'affichage de l'image, mais affecte également directement la résolution, la luminosité, le contraste, la consommation d'énergie et la fiabilité. Dans l'ensemble, les substrats TFT ne constituent pas seulement la base de la technologie LCD, mais également la clé de l'amélioration des performances des panneaux et de l'évolution des processus.
