IGZO 是什麼技術?

夜汪2022-09-09 14:35:02

以下是我為“半導體那些事”知乎專欄寫的文章

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富士康收購夏普，無非為了這個技術 - 半導體那些事 - 知乎專欄

八月十二日，鴻海集團和夏普同時宣佈，已經通過了中國商務部的反壟斷審查，至此，持續多月的富士康35億美元收購夏普塵埃落定。在日本歷史上，第一次有一家大型電子公司被海外企業收購，這樣的訊息讓大家唏噓不已。夏普對於液晶面板市場的判斷失誤，導致了鉅額虧損。那麼富士康為何收購淨資產為負值的夏普？其主要原因在於夏普的顯示面板廠以及相關技術專利。其中最重要的一項技術便是IGZO。

1、什麼是IGZO，它能做什麼？

IGZO的全稱是indium gallium zinc oxide，中文名叫氧化銦鎵鋅。簡單來說，IGZO是一種新型半導體材料，有著比非晶矽（α-Si）更高的電子遷移率。IGZO用在新一代高效能薄膜電晶體（TFT）中作為溝道材料，從而提高顯示面板解析度，並使得大螢幕OLED電視成為可能。隨著科研活動的深入，人們發現一系列的金屬氧化物有著類似的效能，因此統稱為Oxide TFT。由於夏普長時間對IGZO的宣傳以及人們先入為主的認識，很多人還是喜歡叫IGZO。本文不區分IGZO和Oxide TFT的區別，並且用IGZO統一指代。目前市場上大家熟悉的4k， 5k高分辨顯示屏，還有ipad都使用了該技術。

為什麼顯示器上面需要薄膜電晶體？為什麼我們要更高的電子遷移率？事實上，市面上的平板顯示器，無論是LCD，OLED還是LED，其每一個畫素點的點亮以及熄滅都由薄膜電晶體來單獨控制。無論哪種技術，我們都希望電子的運輸越快越好。遷移率用一個形象的比喻來說就相當於火車的速度。如果火車速度慢，為了在規定的時間內運輸一定量的電子，我們要麼鋪設多條鐵軌，要麼增加車廂數量。同樣，如果電子遷移率高，每個電晶體就可以做小，從而把每個畫素做小，實現高分辨顯示。

2、IGZO發展歷史

IGZO的發明人是東京工業大學教授細野秀雄（Hideo Hosono）。作為材料學家他2004年在《自然》雜誌上首次報道了柔性透明IGZO薄膜電晶體，載流子遷移率在10 cm2 V-1 s-1左右，引起了轟動。為什麼如此呢？對於電子材料熟悉的朋友一定都知道單晶矽的載流子遷移率在500 cm2 V-1 s-1以上，然而一旦把材料生長溫度降低，非晶矽（α-Si）的場效應遷移率最多隻有1 cm2 V-1 s-1，有幾百倍的效能降低。之前科學家對於半導體的認識大多都是基於矽，認為低溫條件下生長的無定形金屬氧化物難以取得很好的效能。IGZO的發明打破了人們的偏見。

新的科學發現帶來新的商業價值。10 cm2 V-1 s-1的遷移率其實相比於單晶矽一點都不高，但是單晶矽上千度的生長和處理溫度限制了大尺寸的生長。目前商用晶圓的最大直徑也就400毫米。作為對比，目前商業化最大的面板尺寸Gen 10是3。1米×2。9米。

Applied Materials 2。2m X 2。4m Gen 8 PECVD system

顯然，單晶矽不適合顯示領域，人們被迫使用效能慘不忍睹的非晶矽長達三十多年。低於350°C的生長以及後處理溫度使得IGZO可以用磁控濺射的方法大規模生長在玻璃襯底上面。夏普和日本半導體能源研究所首先將IGZO商業化，LG、三星以及國內的京東方、華星光電等面板廠也跟進。高分辨顯示器對於提高視覺感受具有重要的意義。前幾年膝上型電腦以及顯示器上面解析度的止步不前就是由於非晶矽的瓶頸。隨著IGZO的商業化，這一兩年4k顯示屏才慢慢出現。相信不久的將來8k也不是夢。

這邊岔開一句，2004年的文章中，細野秀雄就展示了柔性襯底上的電晶體陣列。目前業界預測2018年才會有真正柔性的顯示屏上市。一項技術從研究成果到最終商業化，需要花費十幾年的時間。科研活動需要科學家和工程師的耐心以及遠見，然而一旦成功應用就能給社會帶來巨大的財富和貢獻。我後面會在別的文章中具體討論柔性顯示面板。

3、與現有技術相比優勢

目前市場上成熟的技術是非晶矽以及低溫多晶矽（Low-Temperature Poly Silicon，LTPS）。我們之前討論過，由於玻璃面板只能承受350°C左右的處理溫度，無法在上面生長單晶矽，甚至無法生長多晶矽（600~1000°C）。一個妥協的做法是先使用低溫等離子體增強化學汽相沉積（PECVD）生長非晶矽，然後採用鐳射退火的辦法，在很短的時間內提高薄膜溫度，重結晶得到多晶矽。這樣做出來的LTPS由於使用XeCl鐳射，成本很高，同時薄膜均一性不佳，只能用在小的面板上（Gen 6），進一步提高了成本。LTPS可以實現高達100 cm2 V-1 s-1的載流子遷移率，因此目前用於高DPI的手機螢幕上。

我們下面來看一下α-Si，IGZO以及LTPS TFT的轉移特性曲線，具體談談差別。從圖中我們可以看到，由於遷移率α-Si

三種技術的總結如下：α-Si由於成熟的工藝、低廉的價格，雖然效能孱弱依然是市面上的大頭，用在電視、電腦顯示器、還有低端平板電腦上面。LTPS效能強大、可靠性高，雖然價格昂貴但是依然主導高階手機螢幕。IGZO效能介於兩者中間，價格與α-Si接近，未來有希望完全取代α-Si並蠶食部分LTPS市場。

以上描述的是已經商用的IGZO。事實上IGZO的下一步研發還在繼續中。今年2016國際顯示學會SID顯示周（Display Week）上，夏普就釋出了載流子遷移率高達65 cm2 V-1 s-1的top-gate self-aligned結構的電晶體，這樣的效能已經接近LTPS，不僅可以用來控制畫素點，還能在玻璃上直接用IGZO製造周邊驅動電路。希望不久的將來，IGZO能擊敗LTPS，一統江湖！

4、高效能顯示屏

目前市面上銷售的IGZO產品，除了之前介紹的ipad， 4k 5k iMac之外，還有夏普32寸UltraHD 4k顯示器，戴爾的UltraSharp顯示器，熊貓55寸4k電視（夏普授權）以及所有的4k膝上型電腦。我來說說夏普在這次國際會議上展示的最先進技術吧，這部分直接看圖說話。當然，這裡展示的都是產品原型。最終是否上市還有待時日。

5、總結

透過以上介紹，希望大家能夠對IGZO技術有了初步的瞭解。也透過我的介紹，大家可以一窺夏普在顯示領域的優良資產。巨資收購夏普之後，富士康的母公司鴻海集團將擁有最雄厚的顯示面板技術。這不僅幫助鴻海穩固大客戶蘋果公司，也方便自己佈局物聯網、智慧硬體等產業。事實上，高效能的薄膜電晶體不僅可以用在顯示屏上，還可以取代傳統的基於單晶矽的電子晶片，用在那些不需要強大計算能力，成本控制嚴格的柔性電子、感測器、可穿戴裝置上來。這個部分我會在今後的文章中具體闡述。