1.1 TFT-LCD技术发展历史

液晶的发现可以追溯到1854年德国生理学家Virchow发现的溶致型液晶和1888—1889年奥地利植物学家埃尼采尔（Reinitzer）与德国物理学家雷曼（Lehmann）发现的热致型液晶，至今已经有100多年历史。埃尼采尔发现把胆甾醇苯酸酶加热到145.5℃时，晶体熔融成一片混浊的液体，继续加热到178.5℃时，混浊的液体又变得清澈透明，把液体冷却，又会有从紫色过渡到橙色、绿色等颜色变化的现象。埃尼采尔把观察到的现象告诉德国物理学家晶体光学研究的创始人雷曼，并把样品送给了他。在偏光显微镜下，雷曼发现，这种奇异的液体具有与晶体类似的双折射性质，基于液体的流动特性和晶体的光学各向异性，他称这种物质为Flussige Kristall（可流动的晶体），Flussige Kristall在英语中称Liquid Crystal，即液晶。20世纪20年代，很多液晶研究者们参与了液晶制作，用各种方法合成出300多种液晶。1922年法国科学家弗朗德尔（Freidel）提出了液晶的分类方法，由此产生了液晶的三种相即向列相、胆甾相和近晶相的划分。1933年，在法拉第学会召开的研讨会上，俄罗斯科学家弗里德里克斯（Freedericksz）报告了磁场对液晶分子排列的转变效应，也就是弗里德里克斯转变，这一现象被认为是使液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）开发成为可能的最重要的物理现象，通过这种物理现象可以在外加电场的作用下得到向列相液晶的形变和临界值。

尽管液晶的发现是在19世纪，但是直到20世纪60年代液晶研究者们合成出常温下具有液晶态的物质以后，液晶的商品化应用才成为可能。1962年RCA公司的威廉斯（Williams）在实验中发现，对夹在透明电极间的液晶上施加足够大的直流电压或低频电压时，入射光受到强烈的散射，并申请了动态散射模式液晶显示器（Dynamic Scattering Mode，DSM）专利。1968年RCA公司的Heilmeir基于动态散射模式研制出液晶显示屏，给全球的电子技术人员带来了巨大冲击。以此为契机，日本、英国及瑞士的显示器研究人员纷纷涉足液晶显示研究领域，可以说，从那时起，全球性LCD的应用开发拉开了帷幕。1973年，夏普公司采用DSM技术开始批量生产液晶显示计算器，但是实际应用时耗电量大，而且能驱动的扫描线行数非常少。Schadt和Helfrich于1971年提出的扭曲向列相（Twisted Nematic，TN）模式解决了DSM技术存在的问题，并广泛应用于计算器、手表、测试设备及车载显示等领域，在产业化方面取得了巨大成功。但是TN-LCD的透过率随电压变化非常缓慢，当扫描线行数超过60条时，显示图像发生变形。1984年，Scheffer和Nehring提出扭曲角为180°～270°的超扭曲向列相（Super TN，STN）模式。这种模式的LCD电光特性曲线非常陡锐，可以驱动100条以上的扫描线，而且比TN-LCD的视角宽，于是许多LCD厂家转向STN产品的开发和生产，20世纪80年代中后期市场上出现了大量STN-LCD产品，其中具有代表性的是1986年夏普开发的PC用高对比度的大尺寸STN-LCD。由于STN模式是采用双折射原理来工作的，因此显示背景略微带有颜色，不是理想的显示状态，虽然可以通过膜补偿（Film STN，FSTN）方法或者双盒（Double STN，DSTN）方法得到解决，但是采用这些方法时液晶显示器的对比度会有所下降。

人类对薄膜晶体管（ThinFilmTransistor，TFT）的研究也有相当长的历史，最早可以追溯到1925年。当时美国物理学家莱因菲德（Lienfeld）提出了场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）的概念，并于1930年以“Method and Apparatus for controlling electric current”的题目申请了薄膜晶体管专利，之后1935年Heil在英国申请了薄膜晶体管结构方面的专利，但是限于当时的工艺水平，很长一段时间没有制作出实用的器件。1960年贝尔实验室的Kahng和Atalla研制出以硅材料为衬底的金属-氧化物-半导体场效应晶体管，这也是历史上第一个FET器件。1961年Weimer等人发明了CdSeTFT，主要应用在感应器件及高压开关等产品。进入20世纪70年代以后人们开始尝试在显示器件中应用FET器件。1971年Lechner提出每个像素单独使用一个开关器件的有源矩阵驱动方式，按照这种驱动方式可以得到100︰1以上的对比度。1972年Brody等使用CdSeTFT最先开发出有源矩阵LCD，同年英国Dundee大学的Spear和LeComber采用辉光（Glow）放电方法制作出氢化非晶硅（a-Si︰H），并采用电场效应方法测量了薄膜的状态密度。与非晶硅相比，氢化非晶硅薄膜的缺陷密度至少降低105cm-3。以上述研究结果为基础，LeComber于1979年开发了氢化非晶硅TFT，并提出以a-Si︰H薄膜晶体管作有源矩阵LCD的开关器件。由于当时无源矩阵方式也可以驱动100条左右的扫描线，LeComber的研究并没有引起人们的足够重视。另一方面，由于多晶硅中掺杂磷或者砷时，多晶硅转变成电阻相对低的导电性物质，可替代MOSFET的Al栅极，因此20世纪70年代中期以后，多晶硅薄膜广泛应用于以硅材料为衬底的集成电路中。20世纪70年代末到80年代初，Geis和Reif报告了与多晶硅TFT技术相关的重要的研究结果，即Graphoepitaxy和Self-implantation方法。Graphoepitaxy方法是用氩激光照射淀积在石英基板上的非晶硅膜，使其转变成多晶硅薄膜的方法。虽然这种方法没有应用到实际生产中，但是为绝缘体上硅（Silicon on insulator，SOI）技术的发展奠定了基础。Self-implantation是一种增大多晶硅结晶颗粒的方法，通过这种方法可以在相对低的温度下制作多晶硅TFT。

20世纪80年代初日本几家半导体公司在动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）产业中积累的半导体工艺技术应用到TFT工艺，并结合LCD技术成功开发了非晶硅与多晶硅TFT-LCD。1982年日本三洋公司开发了非晶硅TFT-LCD，主要用于3～5英寸的小型电视。同年精工-爱普生采用准分子激光退火（ELA：Excimer Laser Annealing）方法，制作出多晶硅TFT，并成功开发了3英寸级多晶硅TFT-LCD产品。1985年松本提出用多晶硅TFT制作驱动IC的概念。多晶硅TFT技术分为高温多晶硅技术和低温多晶硅技术，两种技术的最大区别是成膜温度不同。制作高温多晶硅TFT时，成膜温度在600℃以上，因此使用熔点较高的石英基板，而制作低温多晶硅TFT时，成膜温度在450℃以下，可以在玻璃基板上成膜，制作出类似非晶硅TFT-LCD的显示器。

20世纪80年代中期后Si系列的TFT发展主要分为三个方向，即高温多晶硅、低温多晶硅和非晶硅。由于石英基板的尺寸较小，因此高温多晶硅TFT-LCD的尺寸受很大限制，大部分在2～3英寸，主要应用于小型且精度较高的投影仪或投影电视等产品。低温多晶硅TFT的电子迁移率远大于非晶硅TFT的电子迁移率，所以当初人们普遍认为低温多晶硅TFT-LCD将完全取代非晶硅TFT-LCD。但是随着非晶硅TFT-LCD工艺不断突破技术瓶颈，在制造工艺、基板尺寸、成本、品质及产品合格率等方面始终领先低温多晶硅TFT-LCD时，人们逐渐地意识到非晶硅TFT-LCD被取代的可能性非常小。尽管20世纪90年代后期提出玻璃基板上集成驱动IC的方案，但是由于产品的应用领域和未来发展方向不清晰，低温多晶硅TFT的产业化推进速度非常缓慢，甚至20世纪90年代末在低温多晶硅TFT-LCD上投资巨额的一些日本公司，在企业经营方面遇到困难，最终不得不与其他企业合并。直到21世纪初随着手机、PDA等各种便携式电子产品的需求增大，低温多晶硅技术才以其优良的TFT电学特性为基础，逐渐显露出在集成周边电路、高分辨率/高精细度以及高开口率等方面的优势，促成了低温多晶硅TFT-LCD市场的发展。最近几年低温多晶硅TFT技术比较引人注目的应用领域是有源矩阵式有机发光二极管（Active Matrix Organic Lighting Emitting Diode，AMOLED）。

尽管非晶硅TFT在产业化过程中也遇到了许多困难，但是非晶硅TFT以生产工艺简单、大尺寸基板上量产可行为特点，近20年来为LCD产业不断地开辟了新的应用领域。1986年非晶硅TFT技术开始应用于液晶电视产品，但是直到1990年产品只局限在3～5英寸的小型电视。1991年夏普公司正式启动玻璃尺寸为400mm×320mm的TFT-LCD生产线，从此拉开了液晶面板向大尺寸发展的帷幕，在这条生产线上每张玻璃基板可以切割出4片8.4英寸或2片10.4英寸的面板。随着玻璃基板的尺寸越来越大，TFT液晶面板的种类越来越多样化，应用范围也从小型电视逐渐扩大到笔记本电脑、台式计算机等电子产品，如表1.1.1所示。另一方面，玻璃基板的大型化也提高了液晶面板的生产效率，降低了生产成本，1998年，液晶显示器的实际售价跌破10万日元（约合7000元人民币），从此拉开了液晶显示器市场普及的大幕。

表1.1.1 TFT-LCD面板的多种类、多用途应用

由于有源式TFT-LCD的分辨率、响应速度、灰阶显示等诸多特性优于无源式LCD，所以20世纪90年代中期后，TFT-LCD厂商逐渐把目光转移到大尺寸电视领域。然而在大尺寸电视领域，TFT-LCD在视角、响应速度、对比度和色彩等方面要挑战传统的阴极射线管显示器（Cathode Ray Tube，CRT），同时在尺寸方面要与另一种新型平板显示器—等离子显示器（Plasma Display Panel，PDP）展开竞争。20世纪90年代中期PDP厂商开发出30～40英寸的面板，展现出欲制造壁挂式电视的意图。LCD厂商也不甘示弱，夏普采用拼接方式将两张29英寸TFT-LCD面板拼接成40英寸SVGA（Super Video Graphics Array）级的显示屏幕。但在当时无论是PDP面板还是TFT液晶面板，在显示性能方面都明显不如CRT，制造成本也过高，远远没有达到威胁CRT市场的程度。对于液晶显示技术来说，20世纪90年代后半期是具有划时代意义的时期，因为这段期间液晶显示技术在提高视角方面取得了重大突破。最早是由日立公司于1995年成功开发出共面电极开关（In Plain Switching，IPS）模式，这种模式使液晶的上/下、左/右视角均达到了140°。随后1996年现代公司开发出边缘场开关（Fringe Field Switching，FFS）模式，1997年富士通公司开发出多畴垂直配向（Multi-domain Vertical Alignment，MVA）模式，1998年三星公司开发出图案化的垂直配向（Patterned Vertical Alignment，PVA）模式。这些宽视角模式为液晶显示器将来在电视领域占主导地位奠定了基础。

进入21世纪后，TFT-LCD技术飞速发展，同时在尺寸方面与PDP的竞争越来越激烈。2001年日立制作所推出售价为60多万日元（约合42000元人民币）的32英寸PDP电视后不久，夏普公司和三星公司分别推出32英寸和40英寸液晶电视。但是PDP在分辨率与功耗方面，TFT-LCD在响应速度、对比度和色彩等显示特性方面与CRT存在很大的差距。2004～2006年期间，TFT-LCD和PDP厂商逐步解决了各自存在的问题，完全具备取代CRT成为电视市场的主流后，面板尺寸竞争也日趋白热化。2004年三星SDI接连开发出80英寸和102英寸FullHD级PDP，对此夏普、三星电子、LG及中国台湾地区的TFT-LCD厂商相继投入巨额资金建设7代或8代生产线，并成功开发出大尺寸液晶电视。如2004年夏普开发出65英寸面板，2005年三星开发出82英寸液晶面板，2006年LG开发出100英寸液晶面板，接近了三星SDI开发的102英寸PDP。TFT-LCD的高世代线建设扩大了电视面板的产量，降低了液晶面板的价格。经过激烈的竞争之后，PDP厂商开始陆续退出，到2008年只剩下3～4家公司。自此，TFT-LCD确立了电视领域的核心地位。液晶及LCD相关主要事件如表1.1.2所示。

表1.1.2 液晶及TFT-LCD相关主要事件

尽管液晶显示技术应用于电子产品只有短短三十几年的历史，但是通过技术的迅猛发展，液晶显示器的显示性能已有显著的提高，并以薄、轻、省电为特征，从手表、电子计算器、手机、导航仪、笔记本电脑、台式计算机到高清晰度电视（High Definition TV，HDTV）不断地开拓了新的应用领域。从产品的实际应用角度来说，液晶显示器的发展共经历了五个阶段。第一阶段是TN模式的LCD，应用于电子计算器、手表等简单的显示器件。第二阶段是1986年开发的高对比度的无源矩阵驱动方式的STN-LCD，这是LCD首次用做个人计算机的显示器。第三阶段是从1980年开始开发，经过多年努力发展起来的以硅系列TFT为开关器件的LCD。1991年10英寸级的TFT-LCD开始进入量产后，这种模式的应用发生质的飞跃，产品扩展到笔记本电脑、台式计算机、小型电视等领域。第四阶段是日本日立公司于1996年成功开发出IPS模式的宽视角显示技术后，液晶显示器开始进入了大尺寸电视领域。第五阶段则以HDTV为代表的高分辨率产品，实现了近于自然色的显示器。