適用於手持裝置的LTPS顯示器架構剖析

隨著客戶要求更高的螢幕解析度，更豐富的色彩，更快的刷新速度，以獲得更好的視訊視覺效果，行動顯示器的組裝設計人員必須不斷提高自己的技術層次，以便在提供所需功能性的同時，將成本降至最低。

不可否認，目前業界的發展趨勢是顯示器玻璃正變得更具智慧性。低溫多晶矽(LTPS)薄膜電晶體(TFT)顯示器正在超越標準非晶矽(amorphous-silicon)電晶體顯示器。據市調公司DisplaySearch統計，主動矩陣非晶矽TFT顯示器的市場佔有率雖然仍有50%，但事實上，該市場去年已下滑了12%。造成下滑的主因是LTPS TFT顯示器出貨量成長了30%，目前已佔可攜式顯示器出貨量的三分之一。

去年9月份，三星(Samsung)推出一款整合了驅動器和時序控制器功能的顯示器。儘管該技術已被7英吋和 5英吋顯示器所採用，但對行動掌上型應用設備而言仍嫌過大。不過，該技術顯示了一種趨勢，即更多電子元件將被整合在顯示器玻璃基板上。

三星最近還宣佈將旗下一座非晶矽TFT生產廠轉型為LTPS。三星位於忠清南道天安市(Cheonan)的工廠已於上季開始加工LTPS基板。而NEC則在去年11月發表了一款解析度超過300dpi 的3.5英吋LTPS 960 x 540 (QHD)顯示器。

隨著該產業的持續發展，專門針對特定顯示器進行客製化設計的驅動器IC將越來越多。W52T手機中採用的東芝480 x 800 (WVGA)顯示器即為一例。該顯示器支援18位元全真彩(262k 色)，3英吋寬的螢幕解析度高達266dpi。據稱該手機顯示器出自東芝松下顯示技術公司(TMD)。

2006年，TMD的市場佔有率成長幅度超過 20%，在與三星及市場龍頭老大夏普的競爭中，鞏固了其市場地位。TMD已完成了一項完全最佳化的設計，在東芝T6K84 驅動器 IC和顯示器之間具備精細平衡的電路。

要開發具有這種影像品質水準的手機單晶片顯示驅動器，仍有一些艱鉅的挑戰必須解決。首先，設計人員如何把2,240輸出驅動器整合在單晶片上？目前這仍是不切實際的。從最近自三菱 800iDS手機中移除之瑞薩科技BD663471R TFT源極驅動器的交錯式排列輸出來看，在目前所見的顯示驅動器IC上，最小的焊盤間距(pad pitch)在50mm左右。但即使在這種間距條件下，要在單驅動器晶片中容納所有非多工的閘極和源極驅動器輸出，IC周長也必需達45mm。

除了輸出以外，顯示控制器還需要I/O，這將導致裸晶面積遠遠超出當今市場上任何一款驅動器IC。裸晶面積過大不利於降低系統成本。因此，對顯示器的輸出必須是多工的。這種配置將要求顯示器具備一些主動開關元件，以隨時控制被存取的行和列。

LTPS的優勢在於可將主動元件直接放置在玻璃上。非晶矽電晶體的電子遷移率很小，低於1cm2/Vs，但LTPS電晶體的電子遷移率在400cm2/Vs以上 (傳統CMOS 電晶體則大於600cm2/Vs)。

利用LTPS技術，TMD不僅依照行和列的形式整合驅動器元件，還整合了可協助對顯示驅動器輸出進行解多工(Demux)的開關元件。包含驅動器本身在內，在畫素陣列週邊切換in/out閘極驅動訊號的主動電路僅佔用玻璃基板2毫米的長度。這種玻璃基板非常適合放置在手機滑蓋式顯示器元件的基座下方。其他週邊電路在玻璃基板其餘邊緣部份所佔面積小於1毫米。

LTPS電晶體雖然優於傳統的非晶矽電晶體，但與標準CMOS相比仍有一段差距。整合在顯示器中的電晶體歷來都僅限於驅動器。這類電晶體體積大，性能穩健，速度不需要很快。但目前，如同TMD、三星、夏普及其他公司所展示的產品，開關與時序控制電路已開始被整合於其中。

下一個待整合的邏輯電晶體元件是顯示記憶體。把儲存所有影像的SRAM 整合在驅動器晶片上已變得越來越困難。手機製造商不斷嘗試將足夠容量的記憶體整合在顯示驅動器IC上，以實現完整的全解析度、全真彩顯示器。在貼裝於顯示器玻璃基板上的驅動器IC中儲存完整的影像，有助於節省電池能量，因為如此一來，刷新資訊就無需透過鉸鏈或滑蓋部件(這些部件通常位於手機機身)從顯示控制器發射。這種方案還適用於QVGA解析度。而在WVGA 解析度下，則需要480 x 800 x 18位元，或6.6Mb的SRAM。

如同驅動器輸出數目不斷增多，這種要求使驅動器裸晶面積增大。目前顯示驅動器IC尚未邁入90奈米製程節點，部分原因是在此一製程幾何尺寸上，驅動器的輸出電壓和電流仍受到很大限制。若它正好位於拐角處，並採用傳統的6T SRAM單元，則在90奈米製程技術的WVGA驅動器中整合該顯示記憶體，將需要約15平方毫米的面積。

我們認為，減小桌面和待機影像的色深(或是解析度)是一個折衷辦法。據Semiconductor Insights統計，在W52T手機中，驅動器IC上的SRAM位元單元有992,340個。單元尺寸大約在3.8平方微米左右，這顯示微影節點在0.15到 0.18微米範圍內。這種記憶體距6.6Mb的目標甚遠，可能只適合低功率工作模式。

在FPD International 2006展覽會上，三洋愛普生(SEID，現已更名為Epson Imaging Devices，EID)展出了具有畫素SRAM位元單元的LTPS顯示器。把SRAM整合到顯示器中的一大優勢是可節省大量空間。不過，這項技術也有其侷限性，三洋愛普生的顯示器中，每個子畫素只採用了一個記憶體位元單元，記憶體單元被置於畫素中，因此只能為每一個子畫素儲存一個簡單的開/關狀態，結果是僅有8種色彩。

將顯示記憶體整合到顯示器玻璃基板中的挑戰之一，是運用記憶體儲存數位色彩資訊，但畫素電晶體需要類比電壓。要將記憶體單元置於玻璃基板上，首先必須在玻璃基板上累加二進位加權(binary weighted)參考電壓，然後再將總電壓發送給畫素閘。

目前，每行具備三個源極驅動器、每列具備一個閘極驅動器、並具備每畫素18位元色資訊記憶體的顯示器驅動器將逐漸消失。未來，在驅動器和玻璃基板間進行精細設計劃分，將可根據顯示器次組件的特殊需求，對多工輸出、顯示器記憶體和驅動電路進行最佳化。

圖1：東芝的W52T行動電話顯示器，驅動器以行/列形式分佈在玻璃基板上，解析度為266dpi。