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Poly-Silizium

LTPS AMLCD mit direkt-abgeschiedenen Kontaktbereichen

LTPS AMLCD mit direkt-abgeschiedenen Kontaktbereichen

P-kanal AMOLED Backplane

P-Kanal AMOLED Backplane

Polykristallines Silizium

Kornstruktur von Poly-Silzium (AFM Aufnahme)

Kornstruktur von Poly-Silizium (AFM Aufnahme)

Beim Großteil der heute üblichen Aktiv-Matrix Flüssigkristallbildschirme (AMLCDs) wird amorphes Silizium als Halbleitermaterial für die Dünnschichttransistoren (TFTs) verwendet. Polykristallines Silizium besitzt im Vergleich mit amorphem Silizium eine deutlich höhere Ladungsträgerbeweglichkeit und ermöglicht daher kleinere Transistoren und schnellere Schaltungen. Bei LC-Displays werden Niedertemperatur Poly-Silizium Prozesse daher vor allem für kleinere, hochauflösende Anzeigen verwendet, etwa bei Digitalkameras und Mobiltelefonen. TFTs aus polykristallinem Silizium besitzen im Vergleich mit solchen aus amorphem Silizium zudem eine bessere Stabilität bei Langzeitbelastung mit Gleichspannungen, was ein zentraler Punkt beim Einsatz in Bildschirmen auf Basis organischer Leuchtdioden (OLEDs) ist. Die im Vergleich mit amorphem Silizium höhere Ladungsträgerbeweglichkeit und die Tatsache, dass auf Basis von Poly-Silizium nicht nur n-Kanal sondern auch p-Kanal Transistoren gebaut werden können, erleichtert zudem die Realisierung von Anzeigen mit zusätzlichen integrierten Schaltungskomponenten wie etwa integrierten Ansteuerschaltungen.

Herstellung und Charakterisierung von Schichten aus polykristallinem Silizium

Poly-Silizium Schichten, die bei verschiedenen Laserenergien kristallisiert wurden

Poly-Silizium Schichten, die bei verschiedenen Laserenergien kristallisiert wurden

Das Institut für Großflächige Mikroelektronik (IGM) beschäftigt sich mit verschiedenen Prozessen zur Erzeugung von Schichten aus polykristallinem Silizium auf Substratmaterialien, die für die Fertigung von Flachbildschirmen geeignet sind. Eine Schlüsseltechnologie stellt hierbei die Rekristallisation von amorphem Silizium mit Hilfe eines leistungsfähigen Lasers da. Durch den Einsatz eines Lasers mit kurzer Pulsdauer kann die dünne Silizium-Schicht aufgeschmolzen und rekristallisiert werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Erwärmung des Trägersubstrates kommt. Laserkristallisationsprozesse sind daher mit den üblichen in der Display-Industrie eingesetzten Glassubstraten kompatibel und sogar für verschiedene Kunststofffolien geeignet. Für die Laserprozesse steht am IGM ein XeCl Excimer vom Typ Sopra VEL-15 (jetzt EXCICO) zur Verfügung, der bei einer Pulsdauer von 210 ns eine Fläche von jeweils 27mm x 68mm mit bis zu 15 Joule Laserenergie bestrahlen kann. Auf Grund seines rechteckigen Strahlquerschnittes eignet sich der am IGM verwendete Flächenlaser besonders für die Erzeugung von Poly-Silizium Schichten mit columnarem Kristallwachstum nach dem ELC-Prinzip. Daneben wird am IGM aber auch noch anderen Verfahren zur Erzeugung von Schichten aus Poly-Silizium geforscht.

Entwicklung von Dünnschicht-Transistor (TFT) Prozessen auf Poly-Silizium Basis

TFT-Kennlinien n-Kanal und p-Kanal

TFT-Kennlinien n-Kanal und p-Kanal

Neben der eigentlichen Erzeugung von Schichten aus polykristallinem Silizium stellt am IGM insbesondere auch die Entwicklung der spezifischen Herstellungsprozesse für Dünnschichttransistoren (TFTs) auf Basis von Poly-Silizium ein wichtiges Forschungsgebiet dar. Ein zentraler Punkt ist dabei die Vereinfachung der Fertigungsprozesse um die im Vergleich mit amorphem Silizium aufwendigeren TFT-Prozesse für Poly-Silizium konkurrenzfähig zu machen. So entstand im Rahmen der Forschungsarbeiten am IGM ein NMOS-Prozess, der durch die direkte Abscheidung dotierter Schichten eine aufwendige nachträgliche Dotierung durch Ionen-Implantation überflüssig macht, und ein am IGM patentierter CMOS-Prozess, der nur fünf Lithographieschritte benötigt. Am IGM stehen damit Poly-Silizium Prozesse für NMOS, PMOS und CMOS-Anwendungen zur Verfügung. Daneben wird am IGM auch an der Entwicklung von TFT-Prozessen für alternative Substratmaterialien geforscht, beispielsweise Stahlfolien.

Entwurf und Aufbau integrierter Schaltungen mit Poly-Silizium TFTs

AMOLED auf Stahlfolie

AMOLED auf Stahlfolie

Die hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten und die Möglichkeit von CMOS-Prozessen macht Poly-Silizium TFTs auch für Anwendungen interessant, die über den reinen Einsatz in den Bildpunkten einer Aktiv-Matrix Anzeige hinausgehen. Am IGM wird insbesondere an Ansätzen geforscht, Teile der externen Ansteuerung direkt auf das Display-Panel zu integrieren. Durch den Wegfall von externen Zeilen- und Spaltentreibern besitzen vollintegrierte Displays das Potential die Herstellungsprozesse für Flachbildschirme zu vereinfachen und Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit durch Wegfall externer Bondverbindungen zu erhöhen. Das IGM beschäftigt sich dabei sowohl mit der theoretischen Entwicklung und Computersimulation von Schaltungskonzepten als auch mit der konkreten Umsetzung in Schaltungsdesigns und der Herstellung und messtechnischen Charakterisierung von Testschaltungen.

Aufbau von Aktiv-Matrix Bildschirmen mit Poly-Silizium TFTs

N-Kanal AMOLED Backplane mit integriertem Zeilentreiber

N-Kanal AMOLED Backplane mit integriertem Zeilentreiber

Um die Anwendbarkeit der entwickelten TFT-Prozesse und Schaltungskomponenten an Hand von konkreten Aktiv-Matrix Anzeigen demonstrieren zu können, besitzt das Institut für Großflächige Mikroelektronik die nötige Ausstattung um vollständige Anzeigesysteme aufzubauen. Von Werkzeugen zur Layoutentwicklung und der Möglichkeit, Photolithographiemasken im Hause zu Erzeugen über die kompletten Anlagen für die Fertigung von AMOLED und AMLCD Anzeigen bis hin zur Kontaktierung und Ansteuerung der fertigen Matrizen steht am IGM die komplette Infrastruktur zur Herstellung von Anzeigesystemen zur Verfügung. Im Bereich der Poly-Silizium Technologie werden dabei am IGM bevorzugt 4 Zoll Anzeigen mit qVGA Auflösung (320x240) Pixel zur Demonstration von Komplettsystemen genutzt. Für die Demonstration neuer technologischer Konzepte wird darüber hinaus häufig ein 1 Zoll Demonstrator mit 64x64 Bildpunkten verwendet.