CC BY
221Архитектура и технология LTPS AMOLED дисплеев
фирмы CMEL
Александр САмАрин
В настоящее время технология LTPS (Low Temperature Poly Silicon) является доминирующей для реализации концепции SOG (System-On-Glass) для TFT ЖКД и AMOLED дисплейных технологий. Технология LTPS низкотемпературного поликремния используется для формирования тонкопленочных транзисторов, как активной матрицы, так и периферийных схем управления строками и столбцами. Пока что возможности технологии LTPS ограничены и обеспечивают достаточный уровень рентабельности только для малоформатных дисплеев. Основной сектор назначения этих дисплеев — цифровые камеры и мобильные телефоны.
Тайваньская компания CMEL (Chi Mei EL (Electroluminescence)) является одним из самых крупных в мире производителей AMOLED-дисплеев. Фирма серийно выпускает самые большие дисплеи, после П-дюймовых AMOLED-дисплеев, используемых Sony в модели телевизора XEL-1. 7,6-дюймовые OLED-панели CMEL предназначены в основном для цифровых фоторамок фирмы Kodak. Фирма начала поставки своих дисплеев пятерке ведущих производителей мобильных телефонов с конца 2007 года. Сейчас CMEL ведет переговоры с несколькими потенциальными потребителями, включая Samsung Electronics Co и Nokia.
Компания CMEL в настоящее время производит линейку малоформатных AMOLED-панелей для сектора мобильных приложений. Ряд моделей представлен:
• 2-дюймовыми панелями QCIF+ формата;
• 2,4-дюймовыми панелями QVGA-формата;
• 2,8-дюймовыми панелями QVGA;
• 3,4-дюймовыми WQVGA;
• 4,3-дюймовыми WQVGA;
• 7,6-дюймовыми WVGA-панелями.
Две технологические линейки обеспечивают производительность около 800 000 панелей в месяц (в пересчете на 2,8-дюймовый эквивалент).
В конце 2008 года выход годных для AMOLED-панелей достиг уровня 85%. Получить такой высокий выход годных — непростая задача для AMOLED. Даже такой известный производитель в данном секторе, как Samsung SDI, только планирует довести выход годных до уровня 60-70%.
Этапы реализации концепции «Система на стекле»
Концепция «Система на стекле» отражает развитие определенного уровня интеграции элементов схемы управления ЖКД или OLED на стеклянной подложке. Подвижность основных носителей для поликремния выше, чем у аморфного кремния, но гораздо ниже,
чем у монокристаллического. Поэтому в структуре управления дисплеем сохраняется кристалл контроллера-драйвера, в котором реализована большая часть функций управления, которые требуют большего быстродействия, токов и уровня интеграции. По мере развития технологии поликристал-лического кремния будет осуществляться переход части функций из кристалла драйвера в поликристаллическую структуру на стекле.
На рис. 1а показана стандартная архитектура ТБТ ЖК-дисплеев на аморфном кремнии (NMOS). На стекле реализована только активная матрица пикселей. Для управления пикселями вполне достаточно технологии аморфного кремния: это самая дешевая и легко реализуемая в настоящее время технология. Все схемы управления строками и столбцами размещены на полиимидных носителях (СОБ). Использование поликремния для структуры активной матрицы позволяет получить плотность пикселей 200 на дюйм против 80-100 пикселей для аморфного кремния.
Компания CMEL (www.cmel.com.tw) была образована в октябре 2004 года в качестве самостоятельного подразделения материнской фирмой Chi Mei Optoelectronics, одним из мировых лидеров среди производителей TFT ЖК-дисплеев. В начале своей деятельности CMEL выпускала OLED-дисплеи с пассивной адресацией. В настоящее время в номенклатуре фирмы представлены в основном AMOLED-дисплеи по LTPS-технологии. Пока фирма выпускает малоформатные дисплеи, предназначенные для использования в мобильных устройствах и портативных медиапроигрывателях.
CMEL является одним из членов корпорации Chi Mei Group, созданной в 1959 году тайваньским предпринимателем Wen-lung Hsu. Название "Chi Mei" сохранилось от первого предприятия, созданного Wen-lung Hsu на Тайване, — сети магазинов модной одежды Chi Mei, что в переводе означает «Первая красавица». В дальнейшем сфера деятельности Chi Mei стала стремительно расширяться: производство пластиковых детских игрушек, предприятия нефтехимической промышленности, выпуск продуктов питания и, наконец, организация производства TFT ЖК-панелей.
И
0
' Технология л-МОП > Гибридная технология монтажа
» Технология р-МОП » Уменьшение внешних микросхем
КМОП-процесс Высокий уровень интеграции электроники и других компонентов
рис. 1. Тенденции развития концепции SOG-архитектуры: а) a-Si TFT; б) PMOS LTPS; в) CMOS LTPS
Сейчас используется технология PMOS LTPS, уровень которой позволяет реализовать на стекле не только активную матрицу адресации, но и схемы управления строками и мультиплексор данных. В процессе эволюции технологии LTPS появится возможность увеличить как быстродействие, так и рабочие токи базовых транзисторов, добиться равномерности и повторяемости характеристик транзисторов, достаточных для реализации на стекле таких интегральных модулей, как ЦАП гамма-коррекции, формирователей напряжений, схем быстродействующей логики, схемы входных интерфейсов и даже графической памяти. Для этого потребуется разработка технологии тонкопленочных CMOS-транзисторов.
Особенности архитектуры LTPS AMOLED дисплеев
Перенос части схем управления на стекло не является самоцелью, а одним из решений для упрощения технологии и уменьшения интегральной стоимости устройства. Дорогостоящей и трудоемкой операцией считается создание соединений между выводами драйвера-контроллера и активной матрицей. Уменьшение числа межсоединений между драйвером-контроллером на кремниевом чипе и остальной схемой на стеклянной подложке обеспечивают реализация схемы развертки по строкам и мультиплексирование шины данных управления столбцовыми шинами (рис. 2). Драйвер может находиться на COF-носителе или монтироваться на самом стекле (технология COG, Crystal-On-Glass).
На рис. 3 показана типовая структура управления AMOLED LTPS малоформатным дисплеем с форматом 240RGBx320. Активная матрица имеет 720 столбцовых шин и 320 строковых. Микросхема драйвера-контроллера обеспечивает формирование необходимых напряжений для питания LTPS компонентов управления, интерфейс с источником изображения и управляющие сигналы для LTPS.
Быстродействие и уровень интеграции не позволяют создавать на LTPS сложные схемотехнические элементы, которые используются в твердотельных микросхемах драйверов столбцов. Поэтому большая часть схемы управления столбцовыми шинами остается в кристалле драйвера.
Рис. 2. Сокращение числа межсоединений за счет интеграции части функций управления активной матрицей на стекле
Рис. 3. Структура управления LTPS AMOLED дисплеем
Мультиплексирование шины данных в LTPS AMOLED
Для сокращения числа межсоединений между выходами драйвера и столбцовыми шинами используется прием поочередной передачи сигналов шины управления столбцами через параллельную шину меньшей разрядности, то есть мультиплексирование во времени.
При этом каждый токовый выход столбцового драйвера используется для управления несколькими столбцовыми шинами. Для мультиплексирования во времени используются схемы выборки и хранения (current sample and hold). На рис. 4 показана структура тракта передачи между выходом драйвера и схемой управления пикселем.
Путь управляющего токового сигнала: выход драйвера - схема выборки и хранения демультиплексора - схема управления пикселем.
Вся видеоинформация, приходящая от хоста, всегда предварительно фиксируется в графическом ОЗУ. Для формирования токовых сигналов управления столбцами цифровые данные считываются из ОЗУ, проходят через ЦАП гамма-коррекции и преобразуются в аналоговую форму. Затем тройки аналоговых RGB-сигналов последовательно фиксиру-
ются в 720-разрядном аналоговом буферном регистре. На выходе регистра стоит преобразователь напряжение/ток. Для организации конвейерной передачи в тракте мультиплексор-демультиплексор используются два буфера. Пока идет заполнение текущего буфера, происходит трансляция за три цикла (3 x 240) данных из другого буфера в демультиплексор.
В демультиплексоре осуществляется обратное преобразование с разворачиванием аналоговых данных на 720 разрядов и также по конвейерной схеме. Схема выборки и хранения не требует высокого быстродействия и имеет структуру, аналогичную схеме управления OLED пикселем (ключи + память на емкости). Сигналы Si и Hj (рис. 5) осуществляют синхронизацию конвейерной структуры, поочередно открывая и закрывая ключи на входе и выходе схемы памяти.
За счет мультиплексирования удается сократить число ЦАП и других схем, необходимых для управления каждой столбцовой шиной, по сравнению с обычной последовательной архитектурой управления.
Такое решение стало активно использоваться в настоящее время во всех драйверах LTPS дисплеев, в том числе и для LTPS ЖК-дисплеев. Структура драйвера тайваньской компании Himax HX5116-A имеет всего 160 выходных сигнала для управления столбцами LTPS AMOLED. При мультиплексировании 3:1 драйвер обеспечивает управление 480 столбцами LTPS AMOLED.
В дисплее форматом QWGA 480RGBx272 типа P0760WVLB-T CMEL используется мультиплексирование по столбцовым шинам 9:1. В этом дисплее 480x3 = 1440 столбцовых шин. Применение схемы мультиплексирования 9:1 позволяет уменьшить число требуемых сигналов управления по столбцовой шине до 1440/9 = 160.
Линейка LTPS AMOLED дисплеев фирмы CMEL
Во всех дисплеях используется технология SOG (System-On-Glass). На стеклянной подложке, кроме активной матрицы OLED, по тех-
Рис. 4. Схема передачи токового сигнала от драйвера к схеме управления пикселем
Рис. 5. Структура демультиплексора 1:3 со схемами выборки и хранения (в\Н) и коммутационными ключами (тонкопленочная структура LTPS на стекле)
Таблица. Основные параметры LTPS OLED дисплеев CMEL
Модель Диагональ экрана, дюйм Разрешение Цвета Яркость, кд/м2 Размер дисплея, мм Интерфейсы Драйвер
C0200QILB-C 2,0 176RGBx220 262K 230 38x49 SPI, MPU (Í80/M68) S6E63D6
C0240QGLA-T 2,4 240RGBx320 262K 230 40,52x57,23 SPI, MPU (Í80/M68), RGB (8/9/16/18) S6E63D6
C0283QGLC-T 2,8 240RGBx320 262K 230 43,2x57,6 SPI, MPU (i80/M68), RGB (8/9/16/18) S6E63D6
P0340WQLA-T 3,4 480RGBx272 16M 200 82,8x54,3 8 бит serial RGB/ 24 parallel RGB HX5116
P0430WQLA-T 4,3 480RGBx272 16,7M 250 102,04x63 8 бит/24 бит RGB HX5116
P0760WVLB-T 7,6 800RGBx480 16,7M 230 173,6x115,26 LVDS 2 кристалла ASIC 3 (Himax) или HX5161-A
VCI-GND -к
RXCLK +/•
RX0+/- к
RX1+/- I >
RX2+/- ^
RX3+/-
NCS — SCL — SDA
Приемники
LVDS
Контроллер
развертки
-> RSDS_TX
Ко всем модулям
Модуль
интерфейса
SPI
SL
Режимные
регистры
Схема гамма-коррекции и EEPROM
О
ABC
OLED-
панель
Рис. 6. Структура OLED-дисплея P0760WVLB-T
ПРИ ҐУ ш 159 О
Рис. 7. 7,6-дюймовый AMOLED P0760WVLB-T в фоторамке Kodak
Рис. 8. 4,3-дюймовый AMOLED-дисплей CMEL в мониторе приборной панели гоночного автомобиля Formula2
нологии LTPS созданы схемы управления строками и часть схемы управления столбцами. На малоразмерных OLED-дисплеях с форматами до 480RGBx272 контроллер-драйвер дисплея размещается на стекле. Связь с хостом — через полиимидный гибкий шлейф.
Дисплей высокого разрешения P0760WVLB-T (таблица, рис. 6-8) имеет другую конструкцию и выполнен в виде модуля с размещением части схемы управления на несущей печатной плате. На этой плате находятся преобразователи напряжения и ПЛИС Spartan-3, обеспечивающая преобразование сигналов входного интерфейса LVDS в сигналы интерфейса драйверов строк, синтез сигналов управления и гамма-коррекцию управляющих сигналов данных. На стеклянной подложке находятся LTPS-структура (активная OLED-матрица, схемы управления строками, мультиплексор данных), а также два драйвера-контроллера, монтированных по технологии COG (Crystal-On-Glass).
На рис. 7, 8 показаны примеры использования AMOLED CMEL в фоторамке Kodak и в мониторе приборной панели автомобиля Formula2. На экране дисплея бортового компьютера отображаются диагностические данные, параметры системы охлаждения двигателя, давления в шинах, обороты двигателя и т. д. Яркость дисплея обеспечивает хорошую читаемость данных даже при ярком свете.
Особенности драйверов для LTPS AMOLED
В дисплеях CMEL применяются микросхемы контроллеров-драйверов двух производителей: тайваньской фирмы Himax Technologies [2] и корейской Samsung. Эти драйверы также используются в разработках и других производителей AMOLED-дисплеев. Во многом их архитектуры схожи. Микросхемы выпускаются только в исполнении COG для монтажа кристалла на стекло. Характерные элементы драйверов: используется мультиплексирование шины данных, внутренняя графическая память, программируемые режимные регистры, несколько альтернативных интерфейсов для загрузки изображения, преобразователи напряжений и умножители напряжений, а также преобразователи уровней КМОП-_рМОП. Драйвер S6E63D6 имеет ряд особенностей, которые обеспечивают ему несколько преимуществ. Рассмотрим структуру драйвера-контроллера S6E63D6.
Драйвер S6E63D6 для LTPS AMOLED
Драйвер S6E63D6 разработан Samsung для управления LTPS AMOLED форматом 240RGBx320. Драйвер предназначен для монтажа кристалла на стекле (COG). Размер кристалла — 15,58x1,33 мм, число выводов — 550.
Драйвер S6E63D6 (рис. 9) поддерживает разработанный Qualcomm высокоскоростной последовательный интерфейс нового поколения — MDDI (Mobile Display Digital Interface), тип I, с пакетной передачей данных (рис. 10),
VCI-
VGate Затвор часов
Исходные данные
I
|1|
>* о о
sil 15 ! •=1
S6E63D6
Gamma Adjusting | Драйвер Ст0лбц0в
со схемой гамма-коррекции
Gray Scale Voltage Generator I
Формирователь
напряжений
питания
Емкостной
повышающий
преобразователь
напряжений
Синхро-
генератор
DRIVER_CON (Logic)
Т CON
Г рафическое ОЗУ
POWER
CON
Интерфейс с хостом
CPUI/F RGBI/F SPI MDDI
Рис. 9. Структура драйвера AMOLED S6E63D6
-►Тест
320
VGH, VGL
240 Pixel X RGB
I Модуль демультиплексора J
SR
Драйвер
строк
Драйвер столбцов
Драйвер-контроллер
Схема формирования напряжений питания
Умножитель напряжения VINT ■
Схема сдвига уровней строками
VGH, VGL ■
~ï ï Î"
стемный RGB l/F VCI
Системный
интерфейс
SIN
CK SCK R_sw G_sw В sw
VINT
S_PB ч
ID МІВ
CSB
RS
RW_WRB
E_RDB Системный
DB интерфейс
(CSB)
RW_WRB/SCL
SDI
SDO ^
VSYNC N
HSYNC ENABLE DOTCLK RGB- интерфейс
(DB) у
/
Интерфейс
с процессором
\
У
Последовательный
интерфейс
\
/
RGB-интерфейс
\
18/16/9/8
18/16/6
Рис. 11. Структура связей драйвера S6E63D6 с AMOLED
Рис. 12. Двухступенчатая система формирования опорных уровней напряжения: а) грубая шкала; б) точная подстройка
Рис. 10. Интерфейс драйвера с хостом
который определен как клиентское устройство в стандарте Video Electronics Standards Association (VESA). Этот интерфейс позволяет передавать данные между хостом и несколькими дисплеями (основным и вспомогательным).
Площадь для движущейся картинки на экране определяется областью GRAM (функция видеоокна). Размеры окна задаются в режиме отображения. Управление окном видео не зависит от отображаемого статического изображения.
Размер внутреннего ОЗУ: 240x18x320 = 1 382 400 бит.
Интерфейс обеспечивает доступ со стороны хоста к дисплейному ОЗУ и файлу управляющих регистров (рис. 11).
Модуль гамма-коррекции в драйвере LTPS AMOLED
Как известно, OLED-структура имеет нелинейную характеристику ток/яркость. Следует принять во внимание и тот факт, что RGB OLED светодиоды имеют различные характеристики. Одним из ответственных элементов схемы управления является схема гамма-коррекции, которая конвертирует входные видеосигналы в токовые сигналы управления AMOLED. По сути, это трехканальный цифроаналоговый преобразователь с токовым выходом и нелинейной характеристикой. Для генерации шкалы серого с гамма-коррекцией ис-
пользуется двухступенчатая система формирования опорных уровней напряжения (рис. 12).
Чтобы сократить расходы на реализацию 3 каналов нелинейных ЦАП и в то же время сохранить высокую точность преобразования, используется двухступенчатая система преобразования.
Первая ступень осуществляет грубое приближение (slope adjustment) и представлена тремя отрезками кусочно-линейной аппроксимации. Таким образом, задается жесткий шаблон, который для каждого из цветов может только сдвигаться вверх-вниз. Наклоны отрезков заданы жестко и не могут варьироваться. На втором уровне (macro adjustment) используется более точная и нелинейная подстройка характеристики в каждом из трех фрагментов линейной функции. Нелинейное преобразование осуществляется на основе Look-Up Table табличных значений, загруженных в память драйвера и соответствующих характеристикам конкретных, используемых в дисплее RGB OLED светодиодов. «Зашивка» табличных данных производится по заказной спецификации на этапе производства микросхемы.
Интерфейс столбцового драйвера
На рис. 13 приведена структура тракта преобразования и передачи данных для столбцовых шин OLED-дисплея.
Данные, загружаемые по видеоинтерфейсу, буферизируются во внутреннем ОЗУ драйвера S6E63D6 (Graphic RAM). В соответствии
с временной диаграммой развертки дисплея эти данные затем последовательно считываются (18-разрядным словом, по 6 разрядов на каждый цвет) и преобразуются трехканальным нелинейным ЦАП в сигналы управления пикселями. Эти данные в аналоговой форме записываются в 240-разрядный выходной регистр. Этот регистр — двухкаскадная 240-канальная схема выборки и хранения. Процесс преобразования и транспортировки данных организован по конвейерной схеме. Передача данных проходит по 240-разрядной шине данных, связывающей выходы драйвера с входами демультиплесора (Demux), размещенного на стекле. Схемой демультиплексора данные «разворачиваются» и записываются в 720-разрядный аналоговый регистр (схемы выборки и хранения). Данные предназначены для загрузки в буферный регистр, размещенный на стекле и реализованный по LTPS-технологии. Регистр имеет входной демультиплексор 1:3.
Технология низкотемпературного поликремния LTPS
Для AMLCD уже давно и успешно используется технология на аморфном кремнии. К сожалению, для формирования схем управления пикселем OLED требуются большая подвижность носителей и большие токи, чем те, которые в настоящее время может обеспечить стандартная технология транзисторов на аморфном кремнии. Подходящей и сравнительно недорогой технологией для реализации токовой матрицы управления пикселями в OLED является технология низкотемпературного кремния.
Поликремний обеспечивает подвижность, достаточную не только для реализации ак-
тивной адресации матрице, но и для создания простых схемных модулей, обеспечивающих поддержку развертки по строкам и столбцам. Низкотемпературный поликремний получается за счет рекристаллизации аморфного кремния. То есть изначально на подложку наносится пленка аморфного кремния, которая может использоваться для реализации активно-матричной структуры AMLCD. Первоначально для кристаллизации структуры аморфного кремния использовался термический отжиг. Но это возможно, если подложка из кварцевого стекла. Обычное стекло при высокой температуре начинает плавиться и теряет форму. Кварцевые подложки пока еще очень дороги, и их цена не совместима с серийной технологией.
В дальнейшем для кристаллизации стала применяться технология локального отжига с использованием сканирующего лазерного луча. Локальный нагрев не вызывает перегрева стеклянной подложки и обеспечивает уровень энергии, достаточный для рекристаллизации аморфного кремния в зоне нагрева. Общее название метода — ELA (Excimer Laser Annealing), то есть отжиг эксимерным лазером. В установках используются газовые лазеры, работающие в ультрафиолетовом спектре. Для рекристаллизации аморфного кремния был разработан ряд методов: MIC, SLS, CGS, GGS, MICC, MILC.
Лазерный отжиг аморфного кремния
Перемещение головки относительно подложки может происходить непрерывно или дискретно. Эксимерный лазер — импульсный газовый аргон-фтор (ArF) лазер с ультрафиолетовым излучением 193 нм и энергией 90 Дж. Для поглощения УФ-излучения и преобразования его в тепло поверх слоя
аморфного кремния временно наносится металлическая пленка. Пленка нагревается УФ-излучением и отдает тепло в подложку. Отжиг производится в среде инертного газа азота. После завершения отжига пленка стравливается. Локальная температура в зоне прохождения луча — менее 400 °С.
Пространственная неоднородность характеристик TFT на LTPS может быть скомпенсирована схемами управления, что позволяет использовать этот процесс в массовом производстве дисплеев для мобильных телефонов. Однако использовать LTPS на подложках, больших, чем G4 (680x880 мм), сложно, главным образом, из-за высокой стоимости процесса и оборудования на базе эксимерного лазера.
При использовании 30-Вт лазера на одну условную точку требуется до 50-100 импульсов лазера, что дает 10 панелей формата G4 в час или 5-6 панелей размера G5. Недостаток метода — маленькая производительность и низкое качество пленки (неоднородность проводимости). Процесс характеризуется частичным оплавлением пленки: лазер работает как сеялка «зерен» поликристаллов. Кристаллизация происходит в вертикальном направлении пленки. Наблюдается большая неоднородность ее размеров и самой подвижности.
Отжиг твердотельными лазерами — dLTA
Для уменьшения стоимости лазерного оборудования и цены процесса был разработан метод отжига на основе более дешевых полупроводниковых лазеров (diode Laser Thermal Anneal, dLTA). При этом транзисторы отличаются однородностью характеристик и стабильным выходным током на большой площади.
Отдельные регистры управления гамма-коррекцией по RGB-каналам
R70h, R71h, R72h
CR5[6:0] CR0[3:0] I CR5[6:0] CR0[3:0] CR5[6:0] CR0[3:0]
Г рафическое ОЗУ
MSB LSB
I I I I I I I I I I I I I I I
R5 R4 R3 R2 R1 R0 G5 G4 G3 62 G1 G0 В5 В4 ВЗ В2 В1 ВО
Рис. 13. Структура управления столбцовыми электродами (данные)
Рис. 14. Установка dLTA
с несколькими лазерными головками
Установка для отжига пленки аморфного кремния излучением полупроводникового лазера состоит из нескольких лазерных головок и перемещаемой платформы (рис. 14). Для уменьшения времени производственного цикла количество лазерных головок может быть увеличено. Поскольку лазерная головка фиксирована, а перемещается подложкодержатель, отсутствуют ограничения на размер подложки.
Для получения поликристаллического кремния с характеристиками, достаточными для работы OLED, в лазерной головке используется полупроводниковый лазер мощностью более 1 Вт. Поскольку в настоящее время доступные по цене мощные полупроводниковые лазеры имеют длину волны около 800 нм, а аморфный кремний не поглощает излучения в этой области спектра, перед воздействием лазерного излучения на подложку наносится слой с высоким поглощением, например молибден. Он служит для преобразования излучения лазера в тепловую энергию и после проведения процесса кристаллизации стравливается.
Ширина лазерного луча регулируется в соответствии с шириной области канала TFT, и луч сканирует подложку со скоростью порядка 150 мм/с. Лазер имеет очень стабильную выходную мощность (< ±1%) и большой ресурс работы (более 10 000 часов), что обуславливает относительно низкую стоимость продукции.
Процесс SLS
Процесс SLS (Sequential Lateral Solidification) обеспечивает большую производительность, качество пленки, выход годных и меньшую стоимость процесса по сравнению с обычным ELA. Расплав и кристаллизация аморфного кремния происходит от кромки плавления в горизонтальной плоскости. Зерна крупнее, а подвижность носителей больше. Экспонирование поверхности производится через маску площадью 4x15 мм. Процесс в отличие от ELA, где лазерное пятно движется непрерывно, происходит дискретно: экспонирование - перемещение маски на новую позицию - экспонирование. Производительность процесса — 18 подложек G4/час или 10 подложек G5/час. Недостатки —
шаговый метод позиционирования происходит с некоторым перекрытием соседних зон, что дает неоднородность параметров на границах. Характерные «рубцы» на стыках очень заметны, даже визуально.
TDX — полосковая направленная кристаллизация узким лучом
Направленная кристаллизация тонким лучом (Thin-beam Directional ’Xtallization, TDX) представляет новый подход для LTPS-процесса (рис. 15). Этот метод обеспечивает комбинацию преимуществ: боковой рост кристаллов, высокую производительность и улучшенную однородность поликремния. По сравнению со стандартным ELA-методом процесс TDX дает увеличение производительности в три раза, при этом однородность пленки выше и нет характерных для процесса SLS рубцов, мешающих напылять поверх них качественные затворные пленки при создании транзисторных структур. Основное отличие метода — для лазерного луча используется дополнительная фокусирующая оптика, создающая щелевой узкий луч с высокой концентрацией энергии вдоль границы движения. Апертура луча — 5 мкм х 700 мм. Ширина зоны плавления (кристаллизации) — 5 мкм. Длина зоны кристаллизации соответствует длине меньшей стороны стеклянной подложки размера G4.
В процессе используется ультрафиолетовый (длина волны193 нм) ArF-лазер с мощностью 90 Вт. Для оплавления одной полоски используется всего три вспышки лазера, а не 50-100, как в ELA. Энергия одной вспышки лазера около 150 мДж. В процессе сканирования перемещается столик (платформа) со стеклянной подложкой. Перемещение луча лазера происходит в микрошаговом режиме с частотой 6 кГц, что дает линейную скорость перемещения 12 мм/с. Время экспонирования одной панели размером 730x920 мм составляет всего 75 с.
Фирма TSZ является венчурным предприятием двух известных компаний: Cymer (лазеры) и Carl Zeiss SMT (оптика и точная механика) (рис. 16). Фирма Cymer является крупнейшим производителем эксимерных лазеров для использования в полупроводниковой промышленности, в частности, лазеров для фотолитографического оборудования, работающего в ультрафиолетовом диапазоне. Установка содержит лазер с источником питания, компьютерную систему
управления, систему позиционирования столика, оптику, шкафы с фильтрами и системой откачки воздуха и подачи азота.
Термический метод кристаллизации аморфного кремния самый дешевый, но проблема в подложках. Раньше только дорогие кварцевые подложки обеспечивали возможность проведения термической обработки при температурах свыше 500 °С. В настоящее время лидер среди поставщиков материнских стекол для производителей ЖК и OLED дисплеев, фирма Corning разработала новые типы сравнительно недорогих стеклянных подложек, выдерживающих температуры до 600 °С. Были разработаны и запатентованы новые методы снижения порога температуры, при которой можно обеспечить эффективный процесс кристаллизации с получением качественной пленки поликремния. Например, с этой целью используются металлические пленки, которые играют роль катализаторов кристаллизации и позволяют понизить температурный порог. В частности, фирма CMEL в настоящее время использует технологию низкотемпературной термической безлазерной рекристаллизации для уменьшения себестоимости LTPS-структур.
Стратегия развития CMEL
Успех фирмы во многом достигнут за счет кооперации и активного сотрудничества специалистов нескольких фирм и научных центров по разработке микросхем и материалов, технологий и, наконец, благодаря оптимальной стратегии коммерческой реализации продукции. В разработках CMEL используется огромный научный и технологический потенциал ведущих университетов и центров разработки Кореи.
Коммерческий успех реализации в большей степени зависит от выбранной стратегии фирмы. CMEL выбрала стратегию активной кооперации, как с ведущими дистрибьюторами дисплейной продукции, так и с изготовителями готовых устройств, а также с другими производителями OLED-дисплеев. Крупнейшим дистрибьютором, представляющим OLED CMEL на рынке, является фирма Densitron. Эта компания разрабатывает оценочные наборы для всей линейки AMOLED-дисплеев CMEL и, соответственно, совместимых с ними изделий других произ-
В оборудовании фабрик, производящих ЖК и OLED-дисплеи, используются стандартные материнские стеклянные подложки определенных размеров. Соответственно, весь набор оборудования должен быть рассчитан на работу с данными размерами подложек. Под каждый последующий стандартный размер материнской подложки разрабатывается и новое поколение (Generation) оборудования.
Таблица. Размеры материнских стеклянных подложек для различных поколений оборудования
Поколение оборудования Размер материнской подложки, мм
G2.5 370x470
G3.5 600x720
G4 680x880
G5 1100x1300
G5.5 1300x1500
G6 1500x1850
G7 1870x2200
G7.5 1950x2250
G8 2160x2460
G9 2400x2800
G10 2880x3080
Выделенные в таблице серым цветом форматы используются в настоящее время для производства OLED и AMOLED. Планируется переход и на подложки большего размера. Ограничением является дороговизна оборудования, стоимость процесса и низкий выход годных. Если удастся решить эти проблемы, произойдет следующий скачок в технологии с переходом на новые размеры подложек, а также увеличатся размеры самих экранов, и произойдет уменьшение цены изделий до приемлемого уровня.
водителей (Powerchip, OSD). Таким образом, конкуренты стали союзниками и обеспечивают поддержку продаж дисплеев в своих секторах. Сама фирма производит как панели без схем управления, так и готовые дисплеи. Сборка дисплеев (панель +драйверы) и их реализация осуществляется также и другими производителями OLED, например, Powertip, OSD и Multi-Inno Technology Co., Ltd.
Партнеры CMEL
Свои разработки CMEL осуществляет с помощью своих партнеров — Kodak и DuPont. Новые технологические разработки этих фирм позволили осуществить очередной прорыв в освоении нового поколения AMOLED, которые выйдут на рынок в 2010 и 2011 годах. CMEL также планирует массовый выпуск 11- и 12-дюймовых панелей и подготавливает технологическую базу к серийному выпуску 32-дюймовой AMOLED-панели в течение 2010 года.
Базовые материалы для производства AMOLED-дисплеев фирмы CMEL обеспечивает другой партнер — фирма UDC, которая сама является производителем OLED-модулей. В марте 2009 года фирмы UDC и CMEL продлили свое соглашение о коммерческом сотрудничестве. UDC — исследовательская компания, один из пионеров освоения OLED-технологий. UDC является дер-
жателем многих ключевых патентов в сфере OLED-технологии, в частности, технологий Flexible (FOLED), Transparent (TOLED), Stacked (SOLED) и phosphorescent (PHOLED) дисплеев. UDC занимается лицензированием OLED-технологий, а также производит и поставляет химические материалы для базовых технологических процессов. В числе клиентов и партнеров UDC такие фирмы, как Samsung SDI, CMEL, Konica Minolta и Kyocera. UDC также работает со многими другими компаниями, включая LG, Sony, DuPont и Novaled.
Тесно сотрудничает CMEL с известным производителем в области синтеза органических материалов немецкой фирмой Merck KgaA. В частности, Merck KGaA разработала несколько новых OLED-материалов, включая голубой люминофор серии SEB, который обеспечит насыщенный голубой цвет. Квантовая эффективность нового материала — 5,6% (довольно высокая для данного цвета). Материал обеспечивает высокую стабильность и работу с высокими рабочими токами и высокой температурой. Он может быть использован и для дисплеев с пассивной адресацией, предназначенных как для мобильного, так и для автомобильного секторов. В дисплеях с активной адресацией новый материал позволит не только улучшить цветопередачу, но и снизить мощность потребления и увеличить срок жизни изделия.
Конкуренты
Несколько тайваньских фирм-производи-телей OLED в прошедшем году решили сократить свое присутствие на рынке, не выдержав конкуренции с TFT LCD технологией. Так, компании RiTdisplay и Univision Technology в 2006 году имели более 10% от всего мирового рынка OLED-панелей. В настоящее время обе фирмы несут ощутимые потери в данном секторе вследствие резкого падения спроса и вынуждены сокращать производство. В 2008 году состояние RiTdisplay несколько улучшилось.
Компания Opto Tech прекратила свой бизнес в области OLED в начале 2007 года, а несколько ранее, в 2006 году и фирма AU Optronics (AUO) также заявила о сокращении разработок OLED.
Компания Samsung Mobile Display (SMD) является лидером LTPS-технологии 4-го поколения AMOLED и использует в производстве половинки стеклянных подложек формата 4G (730x460 мм). SMD производит дисплеи малого и среднего форматов для мобильных телефонов, цифровых камер, персональных медиаустройств, а также для нетбуков с экранами до 5 дюймов. Производственные мощности SMD — 3 млн штук 2-дюймовых дисплеев в месяц. В 2010 году SMD планирует довести производительность до 5 млн штук в месяц.
Sony, LG Display также производят AMOLED-дисплеи, но их мощности огра-
ничены на уровне 100 000 штук/месяц в расчете на 2 дюймовые дисплеи. Эти компании намерены увеличить производительность в 2010 году. TMDisplay (Toshiba Mobile Display Co., Ltd.), AUO, TPO и Panasonic также планируют поднять объемы выпуска в течение ближайших 3 лет, как только будут решены проблемы с повышением выхода годных.
Перспективы развития LTPS OLED дисплеев
Перспективы выпуска OLED-дисплеев зависят от инвестиций ряда компаний в производство мониторов с большими размерами экранов, а также от их готовности использовать для производства OLED оборудование фабрик 6G и выше. Рынок дисплеев малого и среднего форматов будет расти примерно до $4 млрд к 2015 году. Рынок экранов большего формата будет зависеть от выбранных стратегий развития технологии фирм SMD (Samsung Mobile Display), CMEL, Sony, LG Display, Panasonic и AUO. AUO поставляет 2-дюймовые AMOLED-дисплеи для мобильных телефонов BenQ-Siemens (S88), однако выход годных еще достаточно мал.
Несомненно, в ближайшие два года AMOLED станет ключевым продуктом в секторе мобильных TV-приложений. Следует также признать, что потребуется еще много времени для совершенствования технологии AMOLED для достижения уровня, достаточного для конкуренции с TFT ЖК-дисплеями. В первую очередь, требуется разработка новых технологических процессов рекристаллизации аморфного кремния без использования лазерного отжига, чтобы обеспечить полную совместимость с технологией ЖК-дисплеев, уменьшить их стоимость и упростить весь процесс.
Пока выход годных для большеформатных AMOLED-панелей не высок, CMEL фокусирует свои усилия на производстве панелей размером менее 10 дюймов. Параллельно с этим компания уже готовит новую технологическую линейку (5G или 5.5G) для будущих разработок. CMEL уже объявила о своих планах освоения сегмента большеформатных панелей в 2010 году. Прототип 20-дюймового LTPS AMOLED был разработан CMEL еще в 2008 году. А на выставке Display Taiwan в том же году в качестве перспективной модели компания продемонстрировала 25-дюймовую AMOLED-панель. ■
Литература
1. Data Sheet S6E63D6. 240 RGB X 320 Dot 1-Chip Driver IC with LTPS Interface for 262,144 Color AMOLED Display Panel. SAMSUNG ELECTRONICS CO., LTD.
2. Data Sheet HX5051-A 176RGB x 220 dot, 262K Color, with internal RAM, AMOLED Mobile Single Chip Driver. Himax Technologies Inc. — http:// www.himax.com.tw
