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低温多晶硅

低温多晶硅的全称是"Low Temperature Poly-Silicon(LTPS,多晶硅又简称为p-Si,下同)",它是多晶硅技术的一个分支。对LCD显示器来说,采用多晶硅液晶材料有许多优点,如薄膜电路可以做得更薄更小、功耗更低等等。

在多晶硅技术发展的初期,为了将玻璃基板从非晶硅结构(a-Si)转变为多晶硅结构,就必须借助一道激光退火(Laser Anneal)的高温氧化工序,此时玻璃基板的温度将超过摄氏1000度。众所周知,普通玻璃在此高温下就会软化熔融,根本无法正常使用,而只有石英玻璃才能够经受这样的高温处理。而石英玻璃不仅价格昂贵且尺寸都较小,无法作为显示器的面板,厂商很自然选择了廉价的非晶硅材料(a-Si),这也是我们今天所见到的情形。不过,业界并没有因此放弃努力,发展低温多晶硅技术成为共识,在经过多年的努力之后,低温多晶硅终于逐步走入现实。与传统的高温多晶硅相比,低温多晶硅虽然也需要激光照射工序,但它采用的是准分子激光作为热源,激光经过透射系统后,会产生能量均匀分布的激光束并被投射于非晶硅结构的玻璃基板上,当非晶硅结构的玻璃基板吸收准分子激光的能量后,就会转变成为多晶硅结构。由于整个处理过程是在摄氏500-600度以下完成,普通的玻璃基板也可承受,这就大大降低了制造成本,将多晶硅技术引入LCD显示器领域也就完全可行。而除了制造成本降低外,低温多晶硅技术的优点还体现在以下几个方面。

电子迁移速率更快

电子迁移率以"cm2/V-sec"为单位,指的是每秒钟每伏特电压下电子的运动范围大小。传统的a-Si非晶硅材料LCD,电子迁移率指标多数都在0.5cm2/V-sec以内,而P-Si多晶硅面板的电子迁移率可达到200cm2/V-sec,整整是非晶硅材料的400倍之多。由于在该项指标上多晶硅材料占据绝对优势,使得多晶硅LCD的反应速度极快,体现在显示器产品中便是响应时间可以做到更短,更好满足大屏幕LCD的实用需求。

薄膜电路面积更小

我们知道,液晶材料通过控制光的通断来显示不同的画面,这样,每个液晶像素都必须有一个专门的TFT薄膜电路。这个薄膜电路与液晶像素一一对应,且成为像素的一部分,由于电路本身并不透光,来自背光源的光线便会被它遮挡。薄膜电路占据的面积越大,能透过的光能就越少,体现在最终显示上就是液晶像素较暗。而如果薄膜电路占据的面积较小,透过的光线就较多,在背光源不变的情况下,液晶像素也可以拥有较高的输出亮度。LCD业界引入"开口率(Aperture Ratio)"指标来描述此种情况,开口率是指每个像素可透光的区域与像素总面积的比例。显然,薄膜电路占据的面积越小,可透光区域就越大,开口率越高,整体画面就越亮。

传统a-Si非晶硅材料在开口率方面的表现难如人意,原因就在于对应的薄膜电路体积较大,虽然许多厂商想尽办法提升该项指标,但收效甚微。而p-Si多晶硅材料在这方面具有绝对的优势,用该技术制造的LCD面板,薄膜电路可以做得更小、更薄,电路本身的功耗也较低。更重要的是,较小的薄膜电路让多晶硅LCD拥有更高的开口率,在背光模块不变的情况下可拥有更出色的亮度及色彩输出。换个角度考虑,采用多晶硅材料也可以在确保亮度不变的前提下,有效降低背光源的功率,整机的功耗将因此大大降低,这对于笔记本LCD屏来说具有相当积极的意义。

更高的分辨率

越来越多的液晶厂商开始重视p-Si多晶硅技术。如前所述,p-Si多晶硅面板的薄膜电路尺寸极小,开口率比传统非晶硅面板高得多,对应的LCD面板要做到高分辨率不仅相对容易,且可以拥有更为出色的显示效果。不妨举个例子,对于12英寸的笔记本LCD屏,如果改用低温多晶硅技术,显示屏就可以在实现1024×768高分辨率的同时,将开口率指标保持在与常规桌面型LCD显示器相当的水准,由此大幅度改善屏幕的亮度输出、对比度和色彩效果,"12英寸无好屏"的说法自然也就成为历史。事实上,多晶硅技术所能达到的分辨率远超乎人们的想象,如在三片式LCD投影机中,高温多晶硅(High Temperature Poly-Silicon)技术被广泛使用,而它可以在面板尺寸仅有1.3英寸时,就实现1024×768的超高分辨率,如果换作是普通的非晶硅技术则远远无法达到这一指标。

结构简单、稳定性更高

对于传统的非晶硅LCD显示器,驱动IC与玻璃基板是不可集成的分离式设计,因此,在驱动IC与玻璃基板之间需要大量的连接器。一般来说,一块非晶硅LCD面板,需要的连接器数量在4000个左右,这不可避免导致结构变得复杂,模块制造成本居高不下,且面板的稳定性较差,故障率会比较高。再者,驱动IC与玻璃基板的分离式设计也让LCD难以实现进一步轻薄化,这对轻薄型笔记本电脑和平板PC而言都是个不小的打击。相比之下,低温多晶硅技术同样没有这个问题。驱动IC可以同玻璃基板直接集成,所需的连接器数量锐减到200个以下,显示器的元器件总数比传统的a-Si非晶硅技术整整少了40%。这也使得面板的结构变得很简单、稳定性更强,理论上说,多晶硅LCD面板的制造成本也将低于传统技术。与此同时,集成式结构让驱动IC不必占据额外的空间,LCD显示屏可以做得更轻更薄,这一点无疑可以得到市场的广泛欢迎。

高纯多晶硅是电子工业和太阳能光伏产业的基础原料,在未来的50年里,还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子和光伏产业主要原材料。

随着信息技术和太阳能产业的飞速发展,全球对多晶硅的需求增长迅猛,市场供不应求。世界多晶硅的产量2005年为28750吨,其中半导体级为20250吨,太阳能级为8500吨。半导体级需求量约为19000吨,略有过剩;太阳能级的需求量为15600吨,供不应求。近年来,全球太阳能电池产量快速增加,直接拉动了多晶硅需求的迅猛增长。全球多晶硅由供过于求转向供不应求。受此影响,作为太阳能电池主要原料的多晶硅价格快速上涨。

中国多晶硅工业起步于20世纪50年代,60年代中期实现了产业化,到70年代,生产厂家曾经发展到20多家。但由于工艺技术落后,环境污染严重,消耗大,成本高等原因,绝大部分企业亏损而相继停产或转产。到目前为止,国内有多晶硅生产条件的单位有洛阳中硅高科技有限公司、峨嵋半导体材料厂(所)、四川新光硅业科技有限责任公司3家企业。

中国集成电路和太阳能电池对多晶硅的需求快速增长,2005年集成电路产业需要电子级多晶硅约1000吨,太阳能电池需要多晶硅约1400吨;到2010年,中国电子级多晶硅年需求量将达到约2000吨,光伏级多晶硅年需求量将达到约4200吨。而中国多晶硅的自主供货存在着严重的缺口,95%以上多晶硅材料需要进口,供应长期受制于人,再加上价格的暴涨,已经危及到多晶硅下游众多企业的发展,成为制约中国信息产业和光伏产业产业发展的瓶颈问题。

由于多晶硅需求量继续加大,在市场缺口加大、价格不断上扬的刺激下,国内涌现出一股搭上多晶硅项目的热潮。多晶硅项目的投资热潮,可以说是太阳能电池市场迅猛发展的必然结果,但中国硅材料产业一定要慎重发展,不能一哄而上;关键是要掌握核心技术,否则将难以摆脱受制于人的局面。

作为高科技产业,利用硅矿开发多晶硅,产业耗能大,电力需求高。目前电价已成为中国大多数硅矿企业亟待突破的瓶颈之一。因此中国大力发展多晶硅产业,亟需在条件成熟的地方制定电价优惠政策,降低成本。

由于需求增加快速,但供给成长有限,预估多晶硅料源的供应2007年将是最严重缺乏的一年,预计到2009年,全世界多晶硅的年需求量将达到6.5万吨。在未来的3至5年间,也就是在中国的"十一五"期间,将是中国多晶硅产业快速发展的黄金时期。

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