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2016-10-01超薄電視的未來（中）─ LTPS、IGZO、OLED技術
562 期
Author 作者
曲建仲／臺臺灣大學電機工程學系博士，美商德州儀器公司市場行銷與資深應用工程師，負責嵌入式處理器與無線微控制器相關產品，應用在各種工業與消費性電子產品與物聯網。
在本刊2016年6月號〈超薄電視的未來（上）〉，我們介紹了薄膜電晶體—液晶顯示器（TFT-LCD）的原理，那麼什麼又是低溫多晶矽（LTPS）、氧化銦鎵鋅（IGZO）、有機發光二極體（OLED）呢？
什麼是多晶？
我們將固體材料的原子想像成一顆顆的彈珠，再將立體的原子（彈珠）排列簡化成平面的圓形來表示，如圖一所示，則固體材料的原子排列可以分為單晶（Single crystal）、多晶（Poly crystal）、非晶（Amorphous）三種。
材料的退火
先使固體材料的溫度升高，再「緩慢冷卻」會形成「單晶相」，稱為「退火（Anneal）」。當我們將固體材料的溫度升高，則原子與原子之間的距離增加，原子振動變大開始左右微小地移動，原子的排列會變得混亂，如果此時對其「緩慢冷卻」，則原子的溫度會緩慢地下降，不同固體材料的原子本來就有各自的單晶排列方式。問題就出在這裡！「理論上」原子在緩慢冷卻的過程中會恢復單晶的整齊排列，但是「實際上」使用緩慢冷卻的方式退火，原子不可能變回單晶的整齊排列，只能夠變成「原子排列比較整齊的多晶」而已。
至於固體材料的溫度要升到多高才足夠進行退火？這與固體材料的熔點有關，熔點愈高的固體材料原子愈不容易振動，所以需要愈高的溫度。一般而言，大約要將溫度上升到熔點（Melting point）的一半以上才夠，例如：矽的熔點大約1400˚C，則要使非晶矽變成單晶矽，至少要加熱到700˚C以上。加熱的溫度並不是愈高愈好，溫度太高固體材料會熔化，固體就變成液體。
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圖一：固體材料種類。單晶（Single crystal）
整塊固體材料的原子都排列得很整齊稱為單晶。在科技產業的應用上，人工成長的矽晶圓、砷化鎵晶圓、藍寶石晶圓都屬於單晶，使用單晶來製作產品，主要是因為單晶固體原子排列得很整齊，因此電子流過單晶固體比較容易，亦即導電性較好，使得元件的運算速度較快，就好像操場上的學生們（原子）排列得很整齊，老師（電子）要由操場前面走到後面比較容易一樣。此外，單晶固體的硬度高、品質好，具有所有固體材料的優點，唯一的缺點就是製作不易，價格極高。
多晶（Poly crystal）
整塊固體材料的原子只有局部區域（大約數百奈米）排列得很整齊稱為多晶，由圖中可以看出整塊固體中只有局部區域的原子排列得很整齊，這些「局部區域」的大小約在數百奈米（nm）左右，大約和病毒尺寸差不多，而且不同的區域之間原子排列的方向不同，會形成「晶界（Grain boundary）」，但是整塊固體材料的原子排列看起來其實是有點混亂的。
在科技產業的應用上，多晶的半導體材料由於導電性較差，因此較少使用，除非是萬不得已，實在是做不出單晶或是使用單晶製作太昂貴時才會使用。例如在液晶顯示器上使用的「低溫多晶矽（LTPS：Low Temperature Poly Silicon）」，就是因為在玻璃上長不出單晶矽所以不得已才使用多晶矽；太陽能電池的矽原子由於需要大面積來吸收太陽光，使用單晶矽（矽晶圓）價格太高，所以可以使用多晶矽。
非晶（Amorphous）
整塊固體材料的原子都排列得很混亂稱為非晶，由於整塊固體中的原子都排列得很混亂，沒有任何規則，因此也沒有晶界存在。在科技產業的應用上，非晶材料由於導電性較差，因此較少使用，但是固體材料有許多是以非晶的形式存在，例如：玻璃、塑膠。不久前有公司開發出一種非晶的金屬材料稱為「液態金屬（Liquid metal）」或「金屬玻璃（Glassy metal）」就是屬於非晶材料。
薄膜電晶體─液晶顯示器（TFTLCD）
控制每一個畫素開關的薄膜電晶體（TFT）是直接製作在玻璃上，我們使用化學氣相沉積（CVD）在玻璃上方成長一層非晶矽，再將TFT製作在非晶矽上方，因為玻璃基板是「非晶」所以製作在上面的薄膜電晶體也是「非晶」，而非晶矽製作的TFT，導電性較差，工作速度較慢，而且面積較大，並不是很好的方式。......【更多內容請閱讀科學月刊第562期】