学文网摘 要：提高薄膜晶体管液晶显示器阵列基板的光利用效率的主要方法是提高开口率和穿透率。文章制作了低温多晶硅阵列穿透区多层膜，考察膜层以及结构对穿透率的影响，研究阵列光线穿透率提升的方法。结果表明，层间介质层（ILD）完成后不同折射率膜层接口对穿透率影响较大，平坦层（PL）的厚度对穿透率没有明显影响，导电膜氧化铟锡（ITO）厚度增加，穿透率下降。通过在阵列穿透区减少膜层数量和改变膜层组分，减少折射率差异较大的界面，可增加穿透率7%左右。
关键词： 薄膜晶体管；阵列基板；穿透率；折射率
中***分类号：TN141.9文献标识码：A
Study on Array Transmittance Improvement of TFT-LCD
WANG Yong, SUN Ke, XIE Li, SUN Shi-xiang
(Faculty of Microelectric Engineering, Nanjing College of Information Technology, Nanjing Jiangsu 210046, China)
Abstract: Aperture ratio and transmittance increasement were the main methods to improve light efficiency of TFT-LCD array substrate. Multilayer thin films of low temperature poly-Si array transmission area was made, the effect of thin films and structure on transmittance was discussed, how to enhance light transmittance was studied in the paper. The results show that transmittance was greatly affected by different refractive index surface after inter layer dielectrics finished, the effect of planarization layer thickness on transmittance was not obvious, transmittance was decreased with ITO thickness increased. By decreasing the film numbers, changing the film component, the inter surface with great difference of refractive index was reduced and transmittance can be improved by 7% approximately.
Keywords: TFT; array substrate; transmittance; refractive index
引言
薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）具有大容量、高清晰度、低工作电压、微功耗、轻薄、无X射线辐射、易于实现全***像显示、易于平板化及可以与半导体集成电路直接相连等特点，使其在与其它显示的竞争中成为主流技术[1-3]。目前在TFT-LCD中，其寻址开关元件主要采用非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）和多晶硅薄膜晶体管（p-Si TFT），p-Si TFT载流子迁移率较a-Si TFT高1～2个数量级，可实现在同一衬底上集成显示阵列和驱动电路，解决了驱动电路与液晶屏的大量连接问题，提高了成品率和可靠性。另外具有抗光干扰能力强、P/N 型导电模式、自对准结构、开口率高、分辨率高等优点[4-7]。
目前，TFT-LCD存在光利用效率较低的问题，液晶显示器背光源通常达到10,000cd/m2 的亮度级别。当LCD光阀全部打开时，它只能传输大约为5%的光，所以液晶显示器全白亮度典型值为500cd/m2。这是由于光从显示器的背光源传到前表面要经过许多光学系统和介质层[8]，主要有背光模组光学元件、阵列及彩膜基板、偏光片、取向膜、液晶层等。在阵列基板部分，提升光利用率的方法主要有提高开口率和穿透率。提高开口率可以通过p-Si代替a-Si提高电子迁移率，优化TFT阵列结构设计，使阵列和存储电容微型化、汇线微细化，减少黑矩阵的面积，消除单元对准的离散[1]。阵列穿透率的提升则需从设计、阵列基板结构及制造工艺等方面进行改进，文中将重点论述。
1低温多晶硅阵列穿透率
制作低温多晶硅阵列样品，首先在玻璃基板上生长钝化层的SiNx和SiOx，然后生长多晶硅（Poly-Si）层作为电路，多晶硅层在穿透区域会被蚀刻去除，再生长一层栅绝缘层（GI）材料SiO2，作为栅极（G）与多晶硅层间的绝缘介质，栅绝缘层在穿透区域不移除。之后逐步生长栅极与源（S）漏（D）电极之间的层间介质层（ILD）SiNx和SiOx以及源漏电极，源漏电极在穿透区会被移除。源漏电极完成后，直接涂布平坦层（PL）材料，然后溅射沉积氧化铟锡（ITO）导电层，最后在导电层表面印刷聚酰亚胺（PI）取向层，制作的阵列样品结构如***1所示。
选取典型结构1、2作为研究对象，如***2所示。从层间介质层（ILD）开始逐层增加测量至各层穿透率，如表1所示。可看出在层间介质层（ILD）完成时两结构穿透率差异甚大，平坦层（PL）后结构1及结构2穿透率的变化明显不同。原因是至层间介质层（ILD）完成时最上层的接口不同，结构1为SiNx，结构2为SiOx，接口不同对穿透率影响明显。另外因膜层的厚度对穿透率的影响，结构1与结构2中间层穿透率相差较大，但全部膜层完成后穿透率十分接近。
2PL及ITO层厚度对穿透率的影响
为考察PL及ITO层厚度对穿透率的影响，对结构2层间介质层（ILD）完成后结构进一步研究，调整PL、ITO膜厚，测试不同厚度对穿透率的影响。PL及ITO厚度对穿透率和色度影响如表2所示，可发现PL的厚度对穿透率影响甚微，但PL厚度会影响色度，造成些微偏黄，因为PL材料在短波长会吸收，所以当厚度越厚时吸收越多，因此PL厚度越薄越好。ITO厚度对穿透率影响比较明显，ITO厚度增加，穿透率明显下降，ITO厚度亦会对色度造成影响，ITO厚度越厚时偏黄越多。
3穿透率提升研究
当光从折射率n1的介质正向入射至折射率n2的介质时，其在界面处会部分穿透，部分反射。根据光学基本定理菲涅耳方程（Fresnel's equation），其反射率R及穿透率T分别如下：
根据以上公式，若光从折射率n=2的介质进入n=1的介质时，界面反射损失为11%。若在两介质中加入一折射率n=1.5的材料，反射损失为6%。可发现加入一折射率介于两者间的材料，增加5%的穿透率。因此，增加穿透率必须减少折射率差异较大的界面。
减少折射率差异较大的界面，可由以下两种结构上的改变实现。***3中结构3的各层膜厚与结构1相同，但利用层间介质层通孔（ILD via hole）蚀刻时同时移除穿透区的SiO2及SiNx介质层，因结构1的SiNx层在层间介质层（ILD）的最上层，因此通孔蚀刻中穿透区SiNx将会被移除，而SiO2的蚀刻情况对穿透率影响不大，蚀刻过度可能将GI或钝化层的SiO2部分去除，未完全蚀刻剩余厚度会和栅绝缘层的SiO2形成整体，都不会存在折射率差异界面。经检测，结构3的穿透率由原来结构1的90.07%提升至94.11%。
为了减少结构3中钝化层SiO2与SiNx的折射率差异，进一步改变钝化层的SiNx组分，调整为折射率与SiO2接近的SiOxNy，SiOxNy厚度为100nm，钝化层SiO2厚度减少至100nm，钝化层总厚度不变，如***3中结构4所示，经检测，穿透率可提高至97.16%，达到穿透率有效提高的目的。
结构3及结构4穿透区微观结构如***4所示，由结构3的TEM***看出，层间介质层和栅绝缘层的SiNx及SiO2已全部被移除，只剩余钝化层54nm的SiNx和28nm的SiO2，减少了折射率差异界面，并且SiO2折射率较SiNx更接坦层（PL），因此穿透率可提高4%左右。结构4因为钝化层SiO2厚度调整为100nm，较结构3薄50nm，因此***4中可看出已蚀刻至SiOxNy层，SiOxNy层由原来的99.4nm减少至69.6nm。由于SiOxNy及平坦层（PL）的折射率相当接近，因此穿透区的穿透率由94.11%提升至97.16%，在结构1的基础上经过结构的改变，减少折射率差异较大的界面，达到穿透率提升7%的效果。
4结论
研究发现，层间介质层（ILD）完成后不同折射率膜层接口对穿透率影响较大，平坦层（PL）的厚度对穿透率几乎无影响，ITO厚度增加导致穿透率明显下降，平坦层及ITO厚度增加都会影响色度，造成微偏黄。增加穿透率必须减少折射率差异较大的界面，通过阵列基板层间介质层通孔蚀刻时同时移除穿透区的层间介质层，穿透率由90.07%提高到94.11%。将钝化层的SiNx换成折射率与玻璃基板接近的SiOxNy，并调整钝化层内部厚度，穿透率可进一步提高至97.16%。经过对穿透区微观结构分析发现，穿透区膜层折射率差异较大的界面明显减少，有效提高了阵列穿透区的光线穿透率。
参考文献
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作者简介：王永（1975-），男，江苏徐州人，硕士，讲师，工程师，南京信息职业技术学院教师，主要从事液晶显示材料及工艺的教学和科研工作，论文为江苏省科技厅科技支撑计划课题基金资助项目（NO.BE2009171）阶段成果，E-mail：。