3.4 柔性LTPS TFT背板技术

LTPS TFT背板的迁移率高（约为100cm ² ·V ^-1 ·s ^-1 ）、具有良好的稳定性，已成为小尺寸、高分辨率显示，尤其是电流驱动显示的主流背板。LTPS TFT背板的截面结构示意图如图3-4（a）所示。LTPS TFT器件通常采用自对准栅的共平面结构（顶栅顶接触）。面向AMOLED显示的应用，由于LTPS薄膜的晶粒和晶界特性分布不均匀，TFT器件存在性能一致性差的问题，如果采用如图3-4（b）所示的简单的2T-1C像素电路，会引起严重的显示MURA现象。因此，在实际应用中需要采用复杂的像素电路设计和工作时序来补偿阈值电压差异带来的影响，如图3-4（c）所示。随着显示分辨率的提高，为了保持足够的发光开口率，在实际背板的设计中将电源线和数据线分在两层进行布线。为了解决高分辨率显示中阵列与外围栅极扫描驱动电路及源极数据驱动电路的连接问题，减小边框尺寸，栅极扫描驱动电路采用LTPS TFT集成到背板中（Gate driver On Array，GOA），而在源极数据驱动端，通过LTPS TFT集成了多路选择电路（MUX）。制造过程中较高的衬底温度（＞450℃），以及高密度、多膜层的集成结构，为实现有效的热应力和机械应力的管理带来了很大的技术挑战。

3.4.1 工艺过程中的热应力管理

在利用ELA工艺将预先沉积的a-Si薄膜结晶形成多晶硅薄膜的过程中，半导体薄膜局部的温度可达到1000℃。由于采用纳秒脉冲激光及a-Si薄膜对大部分能量的吸收，衬底的温度保持不高于450℃，从而可以在玻璃衬底上以“低温”形成高质量的多晶硅薄膜。为了在塑料衬底上制备类似性能的 LTPS TFT，如以上所讨论，可以通过开发耐高温、低CTE的聚合物衬底材料，以维持同样的工艺条件；或者通过降低工艺过程中衬底表面的温度，以降低对塑料衬底的要求。这两方面的工作总结如下。

（1）耐高温、低CTE的聚合物衬底材料。为了能够承受高温，PI成为柔性LTPS TFT背板的主流衬底材料，并且采用涂布-剥离的工艺方法。大量的PI衬底材料设计和开发工作被用于提高耐高温性和降低CTE。所报道的PI薄膜最高可承受500℃的温度；而PI的CTE可低至3ppm/K，接近玻璃的水平，所制备的LTPS TFT的迁移率超过120cm ² ·V ^-1 ·s ^-1 ，并用于2.8inch的顶发光全彩柔性AMOLED显示屏。另外，可以通过衬底的结构设计降低CTE。BOE报道了一种基于PI的三明治衬底结构，相对于单层PI结构具有更小的CTE，能够有效地减小工艺过程中产生的热应力。

（2）降低工艺过程中衬底表面的温度。为了降低衬底的表面温度，比较直接的一种方法是降低用于a-Si晶化的ELA能量，但这会影响多晶硅薄膜的成膜质量。另一种方法是在衬底上增加足够厚的缓冲层以降低到达衬底的温度。然而，太厚的缓冲层会导致ELA晶化过程中产生的热量在缓冲层/a-Si界面处积累，影响晶化效果，带来更多的界面缺陷态，最终导致器件的电学性能（如迁移率、亚阈值摆幅和偏置稳定性等）的恶化。通过对缓冲层结构进行优化设计，可以大大降低ELA晶化工艺过程中的衬底温度，所制备的LTPS TFT迁移率超过 95cm ² ·V ^-1 ·s ^-1 ，并实现了5inch的顶发光全彩柔性 AMOLED 显示屏。

3.4.2 柔性LTPS TFT显示剥离工艺

基于PI薄膜衬底的LTPS TFT背板和显示屏，在完成制造工艺后，需要从玻璃载板上剥离。PI 薄膜衬底与玻璃载板之间的黏附力及剥离过程中整个柔性屏弯曲形变所产生的应力都可能影响器件性能。目前，准分子激光剥离的方法由于作用时间短、剥离效率高的优势，被工业界广泛采用。然而，过高的激光能量可能会对显示器件的性能造成影响。为了解决这一问题，可以采用以下两种方法。

（1）采用低激光能量可破坏的剥离层。PI 在成膜后与玻璃表面形成比较强的黏合，通过吸收合适波长的激光能量可以破坏两者之间的黏合，实现高效的剥离。为了降低所需要的激光能量，一个有效的方法是在玻璃载板和PI薄膜之间添加一层可以用较低激光能量破坏的剥离层。LG 在 PI 薄膜与玻璃载板之间添加了可激光汽化的无机耐高温剥离层材料，该剥离层材料在较弱激光作用下被汽化，从而使PI薄膜从玻璃载板表面脱离，并且器件性能在剥离后不受影响。基于此方法，LG 制备了用于智能手机的5.98inch 柔性AMOLED显示屏。

（2）改进机械剥离的方法，降低剥离过程中的应力损伤。通过机械力学的方法直接将PI薄膜从玻璃载板上剥离，虽然可以不需要激光，降低设备的成本，避免采用激光对器件的损伤，但效率低，并且在剥离过程中会带来较大的机械应力，破坏器件的膜层。为解决这一问题，AUO开发了一种耐高温的纳米机械剥离层材料，该剥离层材料有效减小了PI薄膜和玻璃载板的界面黏附力，从而有效地降低了剥离过程中产生的机械应力，避免对器件性能的损伤。BOE开发了一种转移层压工艺，在玻璃载板上预先贴合超薄封装薄膜（Ultra-Thin Barrier Film，UTBF），并且在其表面涂布黏附剂，利用黏附力的差异将在另一块玻璃载板上制备完成的PI薄膜衬底的显示器件转移到UTBF上，实现了厚度为60μm的4.8inch 194PPI的顶发光柔性LTPS TFT AMOLED显示屏。

3.4.3 弯曲应力管理

面向柔性显示的实际应用，LTPS TFT 背板需要能够承受超过 10 万次的动态弯曲，并且保持各项性能稳定。为了提高LTPS TFT背板的弯曲稳定性，一方面需要优化背板结构，减小弯曲在背板关键膜层（包括半导体层、介电层和金属互连线层）产生的机械应力；另一方面需要通过工艺的调控优化膜层的力学特性和 TFT 的界面结构，以提高膜层和器件的耐应力应变性能。通过优化膜层的材料组分和工艺参数，可以提高 SiO _x 、SiN _x 及金属互连线等关键膜层的抗应力能力。对于LTPS TFT器件，其多晶硅薄膜晶粒间存在晶界，在机械应力作用下会降低晶粒间的连接强度，破坏晶界区的Si-H键和Si悬挂键状态，引起深能级与带尾能级的缺陷态密度的增加，进而影响LTPS TFT的偏置稳定性。而且缺陷态密度的增加会增强漏极区的热电子激发，导致漏电流增大。下面主要讨论如何通过中性面的结构设计减小 TFT膜层的弯曲应力，以及通过结构设计提高器件在机械应力下的稳定性。

1）中性面的结构设计减小TFT膜层的弯曲应力

根据前面的讨论，将关键的TFT膜层设计在整个显示屏结构的中性面上，将有效地降低弯曲带来的应力，以实现具有良好弯曲特性的柔性AMOLED显示屏。ITRI在气体阻挡层和OLED层间添加了应力缓冲层，在LTPS TFT上方的钝化层和像素定义层（Pixel Define Layer，PDL）间添加了有机软性材料，将 TFT 膜层最大限度地集中在中性面上，制备了在曲率半径为 7mm 的情况下，可承受10万次弯折的6inch柔性AMOLED显示屏。AUO设计了一种对称面板堆栈（Symmetrical Panel Stack，SPS）的结构，通过对各层板的厚度和材料进行优化和设计，将器件层定位在中性面，制备了曲率半径为 3mm、分辨率为 295PPI 的 5inch 的全彩 AMOLED 显示屏。昆山工研院建立了柔性AMOLED显示的机械应力引起失效的分析模型，通过4.6inch的、曲率半径为3mm 的 AMOLED 显示屏设计，验证了将器件区域加工在面板中性面对背板柔韧性的提升。2019年，ITRI报道了一种阻尼结构的柔性背板设计，将关键膜层集中在中性面，有效地减小了在弯折过程中关键膜层产生的应力，制备的7.1inch全彩柔性AMOLED显示屏，可以以3mm的曲率半径连续弯折超过20万次。天马微电子通过优化OCA黏结层的厚度和杨氏模量，将关键膜层定位在中性面，制备的5.99inch 537PPI的全彩柔性AMOLED显示屏，可以承受超过10万次的弯折（曲率半径为3mm）。

2）工艺与结构提高器件稳定性

在长时间循环动态弯曲所产生的应力作用下，LTPS TFT的性能会产生明显的变化，具体表现为迁移率的变化、阈值电压的漂移、亚阈值区域的驼峰现象、漏电流的增加及偏置稳定性的恶化等。仿真分析表明，在弯曲作用下，沟道两侧承受最大的应力，会导致相应区域的介电层界面产生大量的缺陷态，形成局部的载流子俘获。因此，优化介电层的制备工艺，减小由局部应力产生的界面缺陷态是实现可弯折柔性显示的一个关键。此外，可以通过有源层的形状结构设计来减小载流子输运沟道两侧的应力。如图3-5（a）所示，通过沿着垂直沟道的方向引入翼状结构，可以有效消除沟道两侧的应力尖峰，使器件在弯曲应力下的稳定性得到明显改善。Samsung设计了如图3-5（b）所示的曲线形状的有源层沟道，对比传统的直线形状的有源层沟道，所制备的LTPS器件能够更好地耐受弯曲带来的应力而保持性能的稳定，该设计被用于 Galaxy S8柔性AMOLED显示屏。

如图3-5（c）所示，ITRI在LTPS TFT器件两侧集成有机应力吸收层（Stress-Absorbing，SA）结构用于吸收弯曲引起的应力，能够有效地提高器件在弯曲应力下的稳定性。仿真分析表明，在该结构中，弯曲过程中产生的应力会经过有机应力吸收层结构直接传导到底层的缓冲层，避免了对器件区域介电层的破坏；所制备的器件在曲率半径为 2mm 的情况下弯折 10 万次后，其性能没有明显衰退。该有机应力吸收层与器件区域的距离需要优化设计，距离太小会导致沟道边缘区域所受弯曲应力增大，距离过大会导致应力吸收的效果减弱。

3.4.4 LTPS TFT柔性AMOLED显示的发展

图3-6总结了2010—2019年在国际信息显示学会（SID）举办的显示周上报道的基于LTPS TFT背板的柔性AMOLED显示。在过去20多年中，学术界的基础研究和工业界的关键技术开发，有力地推动了基于LTPS TFT背板的柔性AMOLED显示在智能手机终端和穿戴电子产品领域的大规模商业应用，产品形态也从固定成型的曲面屏、各种异形屏发展到可弯折、卷曲的屏。在此基础上，产业界开始探索可多向拉伸的AMOLED显示屏的实现方法。Samsung通过在PI衬底中设计微孔结构减小其杨氏模量，采用低温真空热成型工艺制备了基于LTPS TFT背板的、拉伸率为5%的9.1inch AMOLED显示屏。基于铰链岛屿结构设计的可拉伸LTPS TFT背板，可以承受超过1万次的循环拉伸（拉伸率为 5%），而器件性能没有明显退化，由此制备了 14.1inch 可拉伸AMOLED显示屏。

随着 OLED 发光效率的提高和高分辨率显示中像素尺寸的缩小，所需要的像素驱动电流大大下降（子像素所需要的最高驱动电流已低至 10 ^-8 A）。为提供如此微小的驱动电流，图3-4（b）中作为驱动管的LTPS TFT需要工作在近阈值或亚阈值区域，导致补偿效果变差，而且对较低灰度级的准确调控面临很大挑战。在动态的显示过程中，背板中存在的寄生电容或任何暂存的电荷都会对如此小的驱动电流形成很大的影响，导致多种短期存在的显示不良现象，影响显示的效果。PI衬底膜层中受诱导极化产生的电荷，也会导致柔性LTPS TFT AMOLED显示出现短期的残影现象。因此，面向柔性AMOLED显示向高分辨率、高帧频及低功耗发展的要求，像素内补偿的方法面临设计与制造难度大，以及无法充分补偿显示不良现象的挑战。产业界开始在外部加入各种软件的预处理功能，以外部补偿的方式来消除显示屏出现的各种不良现象。