26.12.11

Дисплеи IGZO: новое лицо техники Apple

Грядущий 2012 год полон сенсаций. И если не считать предсказанного древней цивилизацией майя конца света, то главной из них, по крайней мере для мира информационных технологий, является выход на рынок новых линеек ключевых устройств компании из Купертино. Разработке обновленных вариантов «яблочных» девайсов инженеры Apple посвятили немало времени, изрядно заставив поволноваться и потребителей, ожидавших пятый iPhone в нынешнем году, и конкурентов, и представителей  IT-прессы. Сегодня совокупность слухов о технических характеристиках iPhone 5, iPad 3, обновленных вариантах MacBook и даже таинственном iTV превысила критическую массу, и постоянная утечка информации порой приводит к локальным сенсациям.

Наиболее громкая из них касается новых экранов «яблочной» техники, обладающих неимоверным разрешением, яркостью, контрастностью и способных одним махом забросить айУстройства далеко вперед, обогнав незадачливых конкурентов. Шутка ли, предполагаемое разрешение 9,7’’ экрана нового iPad будет составлять 2048х1536 пикселей, что аж вчетверо больше разрешения экранов нынешнего поколения планшетов Apple. Аналогичные слухи витают и относительно 13-дюймовых экранов новой линейки MacBook, которые порадуют пользователей фантастическим для такой диагонали разрешением 2880х1800 пикселей. Четырехдюймовый экран iPhone 5, впрочем, по слухам, останется с разрешением нынешних айфонов, однако, как экраны в iPad и MacBook, будет производиться по новой, улучшенной технологии. Какой?

Фактическая монополия компании Samsung на технологию AMOLED, а также нескончаемые патентные препирательства Apple с корейским гигантом потребительской электроники отметают мысль об AMOLED-будущем дисплеев в «яблочных» устройствах. Более того, замечательные характеристики нынешнего экрана Retina в iPhone 4/4S позволяют сделать вывод, что Apple крепко оседлала TFT-конька и не собирается в ближайшее время соскакивать с него. К тому же Apple, кажется, нашла поставщика технологии, способной открыть TFT-экранам новое дыхание в суровой дисплейной битве за потребителя.

Имя поставщика — компания Sharp, а название новой TFT-технологии — IGZO.

TFT LCD. Немного теории

О технологии IGZO IT-пресса (особенно ее «яблочное» крыло) рассуждает как о революции, удивительном прорыве и почти волшебстве. На эмоциональном уровне этой «информации» будущим покупателям айДевайсов, конечно, достаточно. Но все-таки хотелось бы понять, как в новых экранах IGZO достигаются заявленные уникальные характеристики, как минимум удвоенное в сравнении с нынешним TFT-фаворитом — технологией IPS — разрешение и значительное снижение энергопотребления при увеличенной яркости и контрастности.

Чтобы это понять, необходимо выяснить, а что, собственно говоря, представляет собой технология TFT LCD, например, в тех же самых IPS-матрицах? Тут стоит напомнить, что TFT — это тонкопленочный транзистор, составной элемент каждого субпикселя TFT LCD. Он выполняет функцию переключателя напряжения, подаваемого на слой жидких кристаллов, находящихся в этом субпикселе. Таким «индивидуальным подходом» TFT-экраны и отличаются от своих LCD-собратьев, в которых напряжение подавалось на целые группы пикселей. Кроме транзистора TFT, субпиксель содержит фильтр красного, синего или зеленого цвета. Ну а три цветных субпикселя образуют TFT-пиксель.
Таким образом, возникает вопрос — как сделать экран TFT ярче, контрастнее, а его разрешение больше? Ответ прост: улучшив величину, которая называется апертурный коэффициент. Этот коэффициент равен отношению полезной площади субпикселя к его полной площади, которая складывается из площади, занимаемой светофильтром (полезной площади), и площади, занимаемой TFT-транзистором.

Чем больше площадь светофильтра, тем больше света пропускает субпиксель. И еще: чем меньше TFT-транзистор, тем меньше по площади можно сделать субпиксель, а значит, тем больше субпикселей уместится в единицу площади экрана, то есть разрешение последнего будет выше. Вот такая простая арифметика.

Но на пути реализации этой идеи стоит, казалось бы, неразрешимая проблема. Нынешние микроминиатюрные полупроводниковые элементы делаются по технологии КМОП, где «К» в этой аббревиатуре означает «кремний». Технология эта отлично отработана для… кремниевых же подложек — основы современных интегральных схем. Ну а TFT-транзисторы LCD-экранов должны быть прикреплены к их основе — стеклу.

И тут в противоречие вступает молекулярная структура стеклянной подложки и кремниевых транзисторов. Еще со школьной скамьи нам известен факт: стекло — вещество аморфное. Это означает, что его молекулы не образуют какую-либо упорядоченную структуру, а располагаются хаотически, что и придает стеклу пластичность. Второй важный факт: температура плавления стекла примерно 600-650 градусов Цельсия.

Ну а те, кто интересовался технологическим процессом производства интегральных микросхем, знают, что выращивают их на круглой кремниевой подложке, которая является не чем иным, как монокристаллом кремния. Все потому, что кремний — вещество с кристаллической структурой. Причем характеристики этой структуры, отличающиеся от характеристик кристаллической решетки металлов, и определяют полупроводниковые свойства кремния.

Вот тут и вступает в игру пытливый ум химиков. Понимая, что стекло — неплодородная почва для выращивания кремниевых элементов, они попытались найти способ нанести кремний на стеклянную поверхность. И у них получилось. Только не с кристаллической формой кремния, а с его аморфным вариантом (оказалось, есть и такой). Получается аморфный кремний (a-Si) путем прокаливания смеси песка и магния. Благодаря аморфности его тончайшая пленка отлично сцепляется с нагретой стеклянной подложкой, на которую ее наносят путем осаждения в вакууме кремнийсодержащей газовой смеси.Итак, для производства TFT-дисплеев, образно говоря, разработчикам необходимо в одну телегу впрягать «коня и трепетную лань» — пытаться вырастить на аморфно-стеклянной подложке кристаллические TFT-элементы.

Ну что же, решение для производства TFT-транзисторов было найдено. И потребители это быстро ощутили. Дешевеющие плоскопанельные экраны практически в одночасье заменили на полках магазинов громоздкие ЭЛТ-мониторы. Правда, у электроники на основе аморфного кремния есть одно неприятное «но».

Чтобы его понять, придется потерпеть еще немного теории. Одной из характеристик токопроводящих веществ является подвижность электронов (electron mobility), единица измерения которой — площадь  вещества, деленная на вольты, умноженная на секунды. Физический смысл подвижности электронов прост: структура вещества может способствовать, а может препятствовать свободному «бегу» электронов между точками приложения напряжения.

Так вот, структура аморфного кремния — сплошь непроходимые барьеры, существенно снижающие значение electron mobility. И каждый из вас это наблюдал в TFT-дисплеях. Низкая подвижность электронов в транзисторах TFT приводит к увеличению времени переключения субпикселя, что, в свою очередь, сказывается на такой характеристике экрана, как время отклика. Динамичные сцены в фильмах, где в короткий промежуток времени меняется много элементов, требуют минимального времени отклика, на что аморфные TFT-транзисторы просто не способны. Даже самые «продвинутые» на данный момент IPS-матрицы, обладая неплохими углами обзора и практически идеальной цветопередачей, имеют достаточно высокое значение времени отклика. И в этом смысле TFT LCD-экранам, включая те же дисплеи Retina, в которых путем невероятных ухищрений размер аморфно-кремниевого TFT-транзистора, а значит, и субпикселя сильно уменьшен, трудно тягаться с другими технологиями-шустриками — например, органическими светодиодами, являющимися основой AMOLED-дисплеев.

Конечно, экспериментальным путем нашлись такие компромиссные решения, как насыщение аморфного кремния водородом (a-Si:H), молекулы которого добавляют недостающие связи к «висячим» кремниевым молекулам, что повышает подвижность электронов. Не намного.

TAOS и IGZO. И пусть кремний отдохнетНо химики — не из тех, кто быстро сдается. Неустанно экспериментируя, они все-таки нашли выход из, казалось бы, безвыходной проблемы TFT LCD.

Прорыв в этой области, о котором так любит говорить IT-пресса, осуществила компания Sharp. Правда, революцией тут и не пахло. Японский электронный гигант трудился над проблемой долго и упорно. Стоит отметить, что Sharp является одной из немногих на сегодняшний день компаний, которые можно назвать лидерами в области технологий производства LCD-экранов. Шутка ли, более двадцати процентов всех патентов, связанных с производством TFT LCD, принадлежат Sharp. А завод компании Kameyama Plant является самым крупным предприятием в мире по производству LCD-матриц, применяемых в продуктах самых видных игроков рынка потребительской электроники.
Правда, честь первооткрывателя новой технологии принадлежит не инженерам Sharp (их упорству обязана ее промышленная реализация), а профессору Токийского института технологий (Tokio Institute of Technology) Хидео Хосоно (Hideo Hosono).

Именно он решил в производстве TFT отказаться от аморфного кремния и приглядеться к другим существующим в природе аморфным полупроводникам. Результатом исследований профессора Хосоно стала технология TAOS-TFT, где аббревиатура TAOS означает Transparent Amorphous Oxide Semiconductors — прозрачные аморфные оксидные полупроводники.

Именно с оксидами металлов, имеющих полупроводниковые свойства, и экспериментировал Хидео Хосоно. Обладая аморфной структурой, оксидные полупроводники при этом имеют более подходящие для производства TFT-транзисторов свойства, чем насыщенный водородом аморфный кремний.

Хосоно экспериментальным путем нашел наиболее удачную смесь оксидов для создания TAOS-TFT. В ее состав вошли окислы индия, галлия и цинка (InGaZnO), сокращенно — IGZO.

Значение подвижности электронов внутри аморфной структуры IGZO в 20-50 раз превышает таковое в аморфном кремнии, что позволяет транзисторам на базе аморфных IGZO (a-IGZO) быстрее переключаться. Это, в свою очередь, существенно снижает время отклика TFT-экрана. Кроме того, апертурный коэффициент IGZO-субпикселей оказался значительно выше, чем у ячеек на основе a-Si:H. А это — прямая дорога к высокому разрешению экранов.

Немаловажным фактором является и технологический процесс нанесения IGZO-слоя на стеклянную подложку. Окисел все же не чистое вещество (каковым является аморфный кремний). Поэтому IGZO-транзистор может создаваться массой самых разнообразных способов и при весьма низких температурах. Например, с использованием напыления и последующего удаления пластиковых пленок, разделяющих компоненты транзистора. В настоящее время разработан даже способ струйной печати IGZO-транзисторов на стеклянные и пластиковые подложки.
Впечатленная продемонстрированной технологией, Apple стала крупнейшим ее инвестором, вложив в дело IGZO TAOS-TFT целый миллиард долларов. Именно на эти деньги Sharp и отстроила Kameyama Plant № 2 — второй завод Kameyama, на котором будут производиться дисплеи IGZO.Именно технологию IGZO и взяли за основу инженеры Sharp. И не просто взяли, а разработали производственный процесс создания IGZO TFT-панелей. Который и продемонстрировали компании Apple, находящейся в поиске «революционного» экрана для своих будущих гаджетов.

LTPS. Возвращение блудного кристалла    

Однако у технологии IGZO есть весьма сильный конкурент, который уже наступает ей на пятки. Кто же он? Вы не поверите, все тот же… кремний.

Удивительные люди, эти ученые. Казалось бы, найдено практически идеальное оксидное решение, обеспечивающее многократный прирост эффективности TFT-технологии.  Нет же, они все продолжают свои «мичуринские» эксперименты со стеклом и кремнием. Причем не его аморфной формой, а кристаллами, образующимися при температуре в два раза превышающей температуру плавления стекла.

Но, только поставив перед собой неразрешимую проблему, можно добиться прогресса. И в области кристаллических кремниевых TFT-транзисторов он был достигнут. Свет увидела технология LTPS.

LTPS (Low Temperature Poly Silicon) — это низкотемпературный поликристаллический кремний. Вещество во всех отношениях уникальное.

Его поликристаллическая структура, обладая ярко выраженными характеристиками монокристаллического кремния, успешно притворяется кремнием аморфным. Потому что поликристаллический кремний — это множество мельчайших хаотически расположенных кристалликов кремния. А значит, поликристаллический кремний не нужно выращивать, а можно осаждать на стеклянную подложку — как аморфный.

Однако до недавнего времени существовала только одна технология такого осаждения — LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), химическое осаждение при низком давлении из газообразной фазы с последующим отжигом при температуре около тысячи градусов Цельсия. А плавление стекла, напомним, происходит при 650 градусах.

Технология LTPS решает именно эту проблему. Недаром в ее аббревиатуре есть LT — низкотемпературный. Применив эксимерный лазер для отжига аморфного кремния, ученые добились его перехода в поликристаллическую форму при температурах ниже точки плавления стекла. TFT-транзисторы, созданные по технологии LTPS, на порядок надежнее своих a-Si:H-собратьев и к тому же имеют значительно меньший размер, что увеличивает апертурный коэффициент субпикселя.

Но главное — это значение подвижности электронов, которым обладает поликристаллический транзистор. Оно в сотни раз превосходит значение electron mobility аморфного кремния и значительно превышает таковое у технологий, подобных IGZO TAOS.

Фактически тонкопленочные транзисторы, созданные по LTPS-технологии, сопоставимы по характеристикам со своими монокристаллическими коллегами в традиционной КМОП-технологии. И этот факт открывает совершенно уникальные возможности микроэлектроники.

Одна из них — системы SoG. Так же, как SoC (System on Chip) являются целыми компьютерами, «упакованными» на кремниевом кристалле, SoG (System on Glass) обеспечивают то же самое, но на стеклянной подложке.

Экспериментируя с гранулированным поликристаллическим кремнием, компании Sharp удалось разработать на стеклянной подложке микропроцессор Zilog Z80 и установить его в персональный компьютер. Это означает, что на TFT-экран можно нанести не только сами транзисторы-затворы субпикселей, но и всю управляющую экраном логику. Да что там — даже целую вычислительную систему, для которой этот экран предназначен!

Видели когда-нибудь футуристические концепты компьютеров и смартфонов, состоящих из одного прозрачного экрана? С LTPS эти концепты могут стать реальностью. Пытливость человека позволяет реализовать то, что десяток лет назад казалось фантастикой.

И технология IGZO, которой нас поразит в следующем году Apple, и будущие экраны, и даже компьютеры, созданные по технологии LTPS, — важные шаги вперед, доказывающие простую истину: в мире технологий нет ничего невозможного. Стоит только приглядеться, подумать и поэкспериментировать.