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苹果为何锁定IGZO？

日期： 来源：果壳收集编辑：付斌

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有哪些材料一直被使用，但却很少引人注意，那一定是IGZO。从八年前的iPad Pro，再到现在的Apple Watch、iPad、MacBook和显示器，都或多或少存在它的身影。

从去年开始到现在，力积电不遗余力地宣传其新技术已吸引到苹果、LG等厂商主动上门询问洽谈合作，其全球独家第四代氧化物半导体材料IGZO制程技术制造的显示驱动芯片可应用在AR/VR等产品上，可将分辨率从2000ppi提高至5000ppi[1]。IGZO究竟是什么材料，引得苹果如此注意？

本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第二十篇文章，关注IGZO国产替代。在本文中，你将了解到：IGZO是什么，有什么作用，国内外发展情况。

付斌 | 作者
李拓 | 编辑
果壳硬科技 | 策划

拼配出来的材料


IGZO的名字来自于四种元素的首字母，即Indium Gallium Zinc Oxide，中文名为铟镓锌氧化物或氧化铟镓锌，是由In2O3、Ga2O3和ZnO三种化合物按不同配比组成。

IGZO在行业中还有另一种称呼，即Oxide TFT（氧化物薄膜晶体管）。研究发现，一系列金属氧化物有类似性能，这些材料统称为Oxide TFT，不过，由于夏普长时间对IGZO的宣传，加之大部分Oxide TFT中半导体层采用的都是IGZO，行业仍以IGZO为主要称呼。[2]

IGZO具有能耗低、响应时间短、分辨率高、良好的柔性等优异性能，同时具有均匀性、稳定性、工艺成本低等优点。[3]

从材料性质上来讲，IGZO带隙较宽，可达到3.5eV，电子迁移率比非晶硅高1~2个数量级，最大特点是在非晶状态下仍然拥有较高电子迁移率。此外，IGZO为N型半导体材料，在理论和技术上几乎不可能实现P型。[4]

作为金属氧化物新材料，IGZO应用主要为显示驱动、传感应用、类脑系统三大类：
  • 显示面板：LCD显示驱动、OLED显示驱动、柔性显示；
  • 传感应用：光电探测器、压力传感器、pH传感器、气体传感器、柔性传感器；
  • 类脑系统：DRAM、RRAM等忆阻器的沟道材料。[5]

产业中，使用IGZO的关键是元素配比和含氧量，它们会影响到器件本身的特性和稳定性。通过调整IGZO的元素比和IGZO成膜过程中氧含量，以提升有源层特性，既可保证生产节拍，又能提升器件稳定性。[6]

打个比方来说，就相当于是一道菜中调料的配比，比例失衡就会搅乱整道菜的口感。


不同金属氧化物的作用，制表丨果壳硬科技

参考资料丨《化学工程与技术》[7]《功能材料与器件学报》[8]


具体来说，IGZO常见的配比为In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1或1:1:2，物相主要是In2Ga2ZnO7或InGaZnO4。[9]

不同氧浓度下a-IGZO TFT的电学性能[6]


IGZO制备方法非常多，但适用于现阶段大规模制造的制备方法主要包括磁控溅射法和原子层化学气相沉积（ALCVD）。

IGZO的制备方法及应用现状，制表丨果壳硬科技

资料来源丨《功能材料与器件学报》[8]


怎么用是大问题


TFT（Thin film transistor，薄膜晶体管）无疑是IGZO的贵人。在TFT中，a-IGZO（非晶铟镓锌氧化物）充当沟道材料，是传统材料的替代品，此外，这种替换也只是对现有生产线进行改良，改换也极为方便。

TFT是一种三端子控制器件，是显示液晶面板的关键集成元件，无论是LCD还是OLED，都需要由TFT控制每个像素点的点亮与熄灭。打个比方来说，可以将TFT的作用和机制理解为一个封闭水闸，栅极是开关式阀门，源极和漏极就如同水闸左右两端的沟道，载流子就像水流，水流流动地越快，制造出来的屏幕越好。[10]

随着下游产品不断迭代，市场开始对显示面板的尺寸、清晰度、柔性、能耗等参数提出要求，TFT中传统非晶硅材料已无法追赶显示面板发展速度。为了追求高速和低功耗两种特性，学界和业界将目光放在新型氧化物半导体TFT和新型有机半导体TFT两种器件上[11]，IGZO便是其中一种新型氧化物半导体TFT。

把氧化物半导体材料应用到TFT中的想法最早可追溯到1964年，当时这种TFT并没有引起人们的关注。1985年，IGZO晶体被制备出来，因缺乏应用形式，也没有掀起太大的浪花。直到2004年，日本学者细野秀雄发明了第一个a-IGZO TFT，才让IGZO的研究进入白热化。细野秀雄也首次证明了世界还存在其它能与低温多晶硅（LTPS）TFT性能相媲美的TFT。[12]

在同一路线中，IGZO也存在诸多竞争者，通过研究发现，在可用于TFT的候选新型材料中，IGZO脱颖而出。[13]

不同沟道材料的迁移率及禁带宽度[8]

以a-IGZO制造的TFT性能尤为出色，不仅具备高迁移率（＞8cm2/(V·s)）、低漏电流（＜10-12 A）、低亚阈摆幅（＜0.3V/dec）等优良硬参数[14][15]，还具备透射率高、制备工艺温度低、制造过程比非晶硅简单、均匀性好及化学稳定性高等特性。[7]

上述特性对成像质量起到关键的作用，能够提高显示面板分辨率，同时使得大屏幕OLED电视成为可能[16]。可以说，凭借着美丽的材料属性，IGZO成为推动TFT-LCD、TFT-OLED与TFT-Micro-LED未来发展的关键。[17]

更为重要的是，IGZO在TFT中的优势让它找到了更多应用：比如说，可将a-IGZO TFT被光照射后电学信号的变化作为敏感信号，使之应用于光电探测领域[18]；一些研究表明，IGZO的特性也可充当肖特基管[19]、忆阻器有源层[20]、太空穿戴设备[8]、X射线传感器、IGZO MEMS、IGZO半导体处理器[21]的材料。

虽说拥有诸多优势，但IGZO也不是万能的，甚至可以说，可能不是最优画质的选择。

实际上，a-Si（非晶硅）、IGZO、LTPS（低温多晶硅，Low Temperature Poly-Silicon）都是主流的TFT技术，LTPS明显在电子迁移率、高分辨率、窄边框化等参数上更强，而IGZO的优势更多体现在功耗、制造良品率、制造成本方面。

a-Si、LTPS、IGZO TFT技术性能与生产性能对比，制表丨果壳硬科技

参考资料丨《光电子技术》[21]


正因材料本身有长处也有短处，所以便各司其职，在应用中发挥自己最擅长的部分：a-Si用于对分辨率要求不高的普通大尺寸TFT-LCD面板中[22]；IGZO则用于在大尺寸OLED面板或高分辨率TFT-LCD，如110寸以上电视[23]；LTPS受限于成本、良率等问题，主要应用在高分辨率小尺寸面板中，如手机、平板，其在大尺寸OLED上的应用还有一定困难。[24]

此外，市场还有一种更为折中的方法，在驱动电路中混合使用具有高迁移率和低漏电流的LTPS TFT和IGZO TFT[17]，便是Apple Watch Series 5所使用的低温多晶氧化物（LTPO），看似无理取闹的组合，却兼顾了高显示效果和低功耗，一度成为苹果的制胜法宝。迄今为止，Apple Watch、iPad、MacBook依然使用LTPO技术。

总而言之，作为一种特性独特的材料，IGZO的价值远没有被榨干，现阶段仍被学界和业界所大力研究。

缥缈的商业前景


从市场角度来看，IGZO空间并没有想象中那样大。数据显示，2021年，全球IGZO市场规模为18亿美元，至2027年全球市场规模将成长至36.9亿美元，年复合增长率达到12.31%。[25]

目前，IGZO应用已覆盖到各类消费电子，从细分领域来看：
  • 显示驱动应用领域，IGZO TFT已实现量产，在大/中尺寸高分辨LCD和大尺寸刚性/柔性AMOLED显示中得到商业化应用[26]，基于IGZO TFT驱动的显示面板已被夏普、三星、LG等公司开发并投入市场，知名产品包括戴尔的Dell XPS 13笔记本电脑、Razer的Razer Blade 14游戏笔记本电脑以及苹果的iPad mini 2和iPad Air[27]，不过，现阶段产品仍存在诸如亮度均匀性、器件稳定性、成品率的问题，后续重点在于高像素点、大尺寸、窄边框、柔性显示屏、VR等方面；
  • 传感器应用领域，IGZO TFT依靠其制备工艺的兼容性，并对光、压力、pH、气味等物质敏感，可精确探测光的波长、压力大小、pH值大小等，具有很大应用潜力，已有小部分产品面世；
  • 神经形态电子器件领域，基于双电层耦合效应和电化学掺杂的神经形态器件的研究被大量报道，IGZO神经形态晶体管模拟了一些重要的突触及神经元功能，但新兴神经形态系统发展仍处于早期阶段，大规模三维集成、类脑动力学计算和系统感知仍需要不断深入探索。[5]

夏普是最寄望于IGZO技术的公司，也是几近垄断市场的存在。反观夏普的发展史，是一部漫长的IGZO迭代史。早在2002年，夏普就已开始研究IGZO技术。2012年，夏普正式量产采用IGZO技术的面板。2016年5月，鸿海集团收购日本夏普，当时郭台铭押宝的也是IGZO TFT[28]。为了将IGZO占为己有，夏普此前曾尝试注册IGZO商标（其它公司都称为Oxide TFT），但被日本专利厅驳回。

迄今为止，夏普已发展迭代五代IGZO技术。根据夏普的说法，其第五代IGZO面板不仅适用于大尺寸高刷新率面板（8K 120Hz），也适用于中小尺寸移动产品，因为第五代IGZO技术功耗降低了大约10%。更重要的是，第五代的IGZO技术不仅适用于LCD面板，还可以用于OLED面板。[29]

虽然夏普的梦想是美好的，但现实好像没那么好过。2018年，就有研究机构称夏普的IGZO面板受制于昂贵售价，出货束之高阁。[30]

在国内，中电熊猫无疑是最早行动的那个。2015年，中电熊猫就引进了夏普的IGZO TFT产线，是当时全球首条8.5代IGZO TFT液晶面板生产线[21]。但可惜的是，虽然彼时中电熊猫手握核心生产线，但受行业波峰波谷与内部资源配置协调等因素影响，8.5代线自量产以来经营效率持续较低。[31]

IGZO发展简要历史，制表丨果壳硬科技

一直以来，国产面板厂商对IGZO技术念念不忘，却很难做出实际动作。一方面，当面板尺寸越来越大，a-Si线路线径也随之拓宽，原本受限的电子迁移率问题便自然解除；另一方面，IGZO与a-Si线路加铜制程相比，制造成本上缺乏绝对的优势。[32]

时间来到现在，华星光电、京东方、天马微电子、华东科技、华映科技等国产厂商依然在不断挖掘IGZO的价值，不时地将它放在未来计划中。

需要理性看待的是，业界部分人士将IGZO误解读为第四代半导体材料，但目前没有任何证据表明，IGZO已被划入第四代半导体材料行列。此外，现阶段业界对于IGZO的宣传也更偏向于蹭概念，甚至在宣传中将显示驱动的概念放大至盖过面板本身。

作为新材料，IGZO是值得布局的新技术，但它并非六边形战士，在材料特性上更为偏重功耗、生产成本、良率，会是降低中高端面板成本和功耗的重要手段之一，也将是实现高性能VR、柔性屏幕、X线探测器等应用的重要材料。如何挖掘出更低的生产成本，并更好地被人所使用将是产业未来需要考虑的问题。

References：

[1] 集微网：元宇宙关键技术获得突破 或与苹果/LG达成合作.2022.12.26.https://m.laoyaoba.com/n/843178

[2] SIMIT战略研究室：基于金属氧化物的薄膜半导体及其在AMOLED上的应用.2018.7.24.https://mp.weixin.qq.com/s/RhAkSs8oty1w4gFBHkyT9A

[3] Iordanidou K, Persson C. Optoelectronic properties of coexisting InGaZnO4 structures[J]. Materials Science in Semiconductor Processing, 2021, 121: 105297.doi:10.1016/j.mssp.2020.105297 

[4] Li Y, Pei Y L, Hu R Q, et al. Effect of channel thickness on electrical performance of amorphous IGZO thin-film transistor with atomic layer deposited alumina oxide dielectric[J]. Current Applied Physics, 2014, 14(7): 941-945.doi:10.1016/j.cap.2014.04.011 

[5] Zhu Y, He Y, Jiang S, et al. Indium–gallium–zinc–oxide thin-film transistors: Materials, devices, and applications[J]. Journal of Semiconductors, 2021, 42(3): 031101.doi:10.1088/1674-4926/42/3/031101 

[6] 罗艳梅,储周硕,王尖,胡珂,孙博涛.双有源层a-IGZO TFT研究进展[J].光电子技术,2021,41(01):70-77.https://www.opticsjournal.net/Articles/OJcd320b4f00a62dfb/FullText#Ref_43

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[10] 孙源爽,杨卿煜,李治玥.n型薄膜晶体管(TFT)的研究进展[J].科技智囊,2020,(12):61-64.

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[22] 势银膜链：势银洞见丨国内面板厂IGZO工艺之“痛”.2020.6.5.https://mp.weixin.qq.com/s/VD7Xd-qcs-3eZOAr2eRdtg

[23] 中科院微电子研究院：https://mp.weixin.qq.com/s/66vpwGgWVRF-hvvA1ZomEA

[24] 《电子工程专辑》：三星全球收购技术专利，垄断OLED技术意图“昭然若揭”.2022.11.1.https://www.eet-china.com/news/202211011720.html

[25] GlobeNewsWire：https://www.globenewswire.com/news-release/2022/04/22/2427307/0/en/Indium-Gallium-Zinc-Oxide-Market-Growth-Trends-COVID-19-Impact-and-Forecasts-2022-2027.html

[26] Hara Y, Kikuchi T, Kitagawa H, et al. IGZO‐TFT technology for large‐screen 8K display[J]. Journal of the Society for Information Display, 2018, 26(3): 169-177.doi:10.1002/jsid.648 

[27] GIIResearch：Indium Gallium Zinc Oxide Market - Growth, Trends, Covid-19 Impact, and Forecasts (2023 - 2028).2023.1.23.https://www.giiresearch.com/report/moi1197244-indium-gallium-zinc-oxide-market-growth-trends.html

[28] SEL：https://www.sel.co.jp/images/news/igzo/caac.pdf

[29] 超能网：夏普宣布第五代IGZO技术，8K 120Hz，OLED面板亦可用.2019.4.25.https://www.expreview.com/68140.html

[30] Omdia：【行业热点】Sharp积极扩增IGZO 与OLED产能.2018.3.22.https://mp.weixin.qq.com/s/BXrHy8KSKe0AG9vSuw8HkQ

[31] 中国家电网：【有料公司】连年巨亏成“弃子”，中电熊猫为何沦落至此？.2020.7.7.https://mp.weixin.qq.com/s/bmur09CWU34VRxhnPj7sEA

[32] 潮电显示与触摸：徘徊在中国面板企业头上的IGZO幽灵.2020.6.1.https:m.weixin.qq.com/s/JUZppYwL2Z7TgeIXbbDLHQ



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