周 雷， 徐 苗，， 吳為敬， 夏興衡，， 王 磊，， 彭俊彪

(1. 廣州新視界光電科技有限公司， 廣東 廣州 510730；2. 華南理工大學 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室， 廣東 廣州 510641)

大尺寸金屬氧化物TFT面板設計分析

周 雷1， 徐 苗1，2， 吳為敬2*， 夏興衡1，2， 王 磊1，2， 彭俊彪2

(1. 廣州新視界光電科技有限公司， 廣東 廣州 510730；2. 華南理工大學 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室， 廣東 廣州 510641)

根據最基本的2T1C像素電路，建立了TFT各參數與AMOLED面板限制因素的計算模型。詳細分析了AMOLED顯示尺寸與TFT遷移率、金屬方塊電阻、刷新頻率以及器件結構的關系。在大尺寸高分辨率AMOLED面板設計中，信號線RC延遲是主要限制因素。TFT遷移率的提高在一定范圍內對大尺寸顯示面板設計有利，降低RC延遲是實現大尺寸、高分辨率、高刷新頻率顯示的關鍵技術。開發(fā)銅布線技術和低寄生電容TFT器件結構是未來大尺寸AMOLED顯示的關鍵技術。

AMOLED； 大尺寸； 高分辨率； RC延遲

1 引 言

大尺寸化、超清化以及3D顯示是未來電視發(fā)展的重要方向。4K2K大尺寸電視具有前所未有的視覺體驗，目前主要電視廠商把4K2K作為一個重點開發(fā)目標。對于提高視頻畫面顯示質量和3D顯示，一般要求顯示面板的刷新頻率不低于120 Hz[1-2]。

被譽為夢幻顯示器的“有源有機發(fā)光二極管”(AMOLED)顯示具有高亮度、寬視角、低功耗以及響應速度快等優(yōu)點，近年來受到了人們廣泛的關注[3-5]。非晶硅(a-Si)薄膜晶體管(TFT)和多晶硅(p-Si)TFT是AMOLED目前的主流技術[6-7]。a-Si TFT在均勻性、低成本方面具有優(yōu)勢，然而其遷移率太低，且在長時間工作時，其閾值電壓會發(fā)生漂移[8-9]。p-Si TFT遷移率高，但是在晶化過程中會產生晶界從而導致閾值電壓和遷移率都不均勻，不適合大尺寸顯示應用。近年來，金屬氧化物TFT(MOTFT)技術發(fā)展迅速。金屬氧化物材料的電子遷移率高(10～30 cm2/(V·s))，大面積成膜均勻性好，并且生產成本與a-Si技術相當，大大低于p-Si，使其在AMOLED顯示應用中顯示出巨大的優(yōu)勢，越來越受到人們的關注[10-14]。

目前，金屬氧化物TFT主要有3種器件結構：背溝道刻蝕型(BCE)、刻蝕阻擋型(ES)、頂柵型(TG)。BCE結構TFT工藝簡單，但是有源層半導體一般對SD金屬刻蝕液較為敏感，如果暴露在刻蝕液中容易導致有源層受損。為解決這一問題，一般會在有源層上增加一層SiO2/Si3N4形成刻蝕保護層，即ES結構TFT，但是考慮到SD與ES之間的交疊，器件的溝道尺寸一般較大，且寄生電容較大。TG結構的TFT在柵極和源漏之間幾乎沒有交疊，寄生電容很小。

在大尺寸超高清(UHD 3 940×2 160)AMOLED顯示面板中，信號線的RC延遲是限制其發(fā)展的重要因素。對于幀頻為120 Hz的視頻顯示，像素充放電時間最多只有3.8 μs。一方面，傳統Al布線由于其電阻率較高，已經不能滿足大尺寸的發(fā)展需求，必須開發(fā)電阻率低的金屬布線。目前Cu工藝在大尺寸AMOLED顯示中已經初步顯現出優(yōu)勢。另一方面，傳統刻蝕阻擋結構(ESL)的TFT，雖然性能穩(wěn)定，但是其寄生電容較大，在大尺寸中其自身的寄生電容是構成RC延遲的重要因素之一，開發(fā)具有低寄生電容的TFT是大尺寸AMOLED發(fā)展的另一趨勢。

本文首先分析了大尺寸AMOLED其RC延遲和信號充放電的機理，建立了較為準確的計算模型。分析表明，TFT遷移率的提高雖然有利于AMOLED的高分辨率和大尺寸化，但是當TFT遷移率大于30 cm2/(V·s)后，顯示尺寸隨著遷移率的增加非常有限，導線方塊電阻和寄生電容對大尺寸的影響才是主要因素。

2 計算模型建立

圖1為背溝道刻蝕型(BCE)、刻蝕阻擋型(ES)、頂柵型(TG)3種金屬氧化物TFT的結構示意圖。

圖1 金屬氧化物TFT器件結構示意圖。(a)背溝道刻蝕型(BCE)；(b)刻蝕阻擋型(ES)；(c)頂柵型(TG)。

Fig.1 Device structure of metal oxide TFT. (a) Back channel etching (BCE). (b) Etching stopper (ES). (c) Top gate (TG).

與顯示規(guī)格相關性較大的參數有TFT遷移率、金屬導線方塊電阻、TFT寄生電容以及光刻的CD值。本文以2T1C AMOLED像素電路(圖2)為依據，從像素版圖中提取各種寄生參數。

圖2 2T1C像素電路原理圖

在大尺寸AMOLED面板中，RC延遲成了關鍵限制因素。RC延遲主要包括柵極掃描信號延遲和數據信號延遲，如果AMOLED面板采用傳統的1G1D(單邊行列驅動芯片)，則最嚴重的延遲發(fā)生在距離驅動芯片最遠的位置，其信號延遲等于柵極信號延遲和數據信號延遲之和。

首先從單個像素提取寄生參數。掃描線信號延遲可表示為

(1)

其中，N為顯示陣列行數，Rs和Cs分別是單個像素對應的掃描線寄生電阻和寄生電容，掃描線像素(包括3個子像素)對應寄生電阻Rs可表示為

(2)

其中，Lp和W1分別是像素尺寸和信號線寬，R□為金屬方塊電阻。掃描線像素(包括3個子像素)對應寄生電容可表示為

Cs=3(Asd×Cox/2+CTFT)=

(3)

其中，Asd為掃描線和數據線的交疊面積，Cox為單位面積電容，CTFT是TFT的寄生電容。數據線延遲Tdd可表示為：

(4)

其中，M為顯示陣列列數，Rd和Cd分別是單個像素對應的數據線寄生電阻和寄生電容。數據線對應寄生電阻可表示為

(5)

假設VDD線寬是信號線的2倍，則數據線對應寄生電容為

3Wl2×Cox/2+Cgs，

(6)

其中，AVd為電源線和數據線的交疊面積，Cgs為TFT的柵源交疊電容。

每一幀數據更新的充放電時間Tc為

(7)

其中，Tsd為掃描線延遲，每一幀數據充放電需滿足：

Ic×Tc=Cst×ΔVdmax，

(8)

其中，Ic是充電電流平均值，Cst是存儲電容，ΔVdmax是數據電壓變化的最大值。充電電流平均值為：

(9)

其中，μ是電子遷移率，WTFT和LTFT分別為T1管的溝道寬度和長度，Vth是T1管的閾值電壓。

(10)

綜合公式(7)、(8)、(9)得到：

(11)

基于公式(11)，我們可以計算出顯示面板尺寸與遷移率和信號線方塊電阻的關系，以及固定顯示尺寸下遷移率和方塊電阻的制約關系。

3 結果與討論

3.1 遷移率與顯示器尺寸

我們首先分析的是TFT器件的遷移率與顯示器尺寸的關系。金屬導線設定為厚度為500 nm的Cu薄膜，其方塊電阻為0.035 Ω/□。開關管TFT寬長比設定為20/10，顯示面板規(guī)格設定為4K2K。

計算結果如圖3所示，當刷新頻率小于120 Hz時，非晶硅可以滿足幾乎所有顯示尺寸電視的要求。隨著3D技術的發(fā)展，對刷新頻率的要求越來越高。當刷新頻率達到240 Hz后，充電時間縮短，需要使用更高遷移率的TFT為電容充電，要求TFT遷移率大于1。這時需要采用具有更高遷移率的MOTFT或p-Si TFT技術。目前p-Si TFT在大尺寸顯示面板制作中較困難，MOTFT技術是制作高刷新頻率大尺寸電視的最佳選擇。

圖3 4K2K面板的顯示尺寸與TFT遷移率的關系

而當顯示屏分辨率提高到8K4K時，TFT陣列寄生參數對產品制作的限制更加明顯。如圖4所示，僅當刷新頻率為60 Hz時，才有可能制作出顯示尺寸大于127 cm(50 in)的8K4K顯示器。而當刷新頻率達到120 Hz時，顯示面板對TFT的遷移率要求大幅提升。如果想實現107 cm(42 in)的8K4K顯示器，需要遷移率大于10 cm2/(V·s)。在TFT遷移率大于15 cm2/(V·s)以后，遷移率與顯示面板尺寸的關系趨于飽和，遷移率持續(xù)增加并不能滿足更大尺寸顯示面板的要求。在現有的參數設定下，無法實現刷新頻率為120 Hz的127 cm(50 in)以上的顯示面板。同時，因為RC信號延遲遠大于信號選通時間0.96 μs，所以我們無法獲得刷新頻率為240 Hz的8K4K顯示屏。

從以上的分析可以發(fā)現，制作高規(guī)格的大尺寸顯示屏對遷移率要求并不高，達到10 cm2/(V·s)左右即可，并且更高的遷移率對制作大尺寸顯示屏并沒有幫助。金屬氧化物半導體具有合適的遷移率(10～30 cm2/(V·s))，是制作高刷新頻率的大尺寸4K2K和8K4K電視的最佳材料。而如果想在8K4K中實現3D電視或是更高刷新頻率，需要從降低RC限制的角度出發(fā)對器件設計再進行優(yōu)化。

圖4 8K4K面板的顯示尺寸與TFT遷移率的關系

3.2 RC延遲與器件結構

一般來講，降低顯示陣列中的RC延遲可以從以下兩個方面進行：

(1) 使用低阻值的材料作為金屬導線。現階段產業(yè)內廣泛使用低阻值的Al或Cu用于金屬布線。在常規(guī)工藝中，金屬導線厚度不能無限制增加，較厚的金屬薄膜由于自身應力問題，容易出現斷裂的現象。同時，在較厚的金屬導線上良好地覆蓋上絕緣層也很困難。在平板顯示工藝中，金屬導線的厚度一般不超過500 nm。若使用500 nm的Cu作為信號導線，能獲得的最低方阻為0.035 Ω/□。 如圖5所示，如果采用300 nm的Mo作為金屬導線，則無法滿足刷新頻率為120 Hz的140 cm(55 in)4K2K顯示(ES器件結構)；但是如果換成同樣厚度的Cu作為金屬導線，則很容易滿足刷新頻率更高的140 cm(55 in)4K2K顯示。

圖5 140 cm(55 in)顯示屏的刷新頻率對方塊電阻的要求

Fig.5 Sheet resistancevs. refresh rate of 140 cm(55 in) panel

(2) 降低TFT的寄生電容。目前，ES結構的TFT器件，柵極和源漏交疊面積大，所以其寄生電容較大。使用100 kHz的掃描頻率對寬長比為20 μm/10 μm的TFT器件測試，其柵源電容Cgs測試結果約為65～85 fF，如圖6所示。而BCE和TG結構的TFT，其寄生電容一般在40 fF以下。如圖5所示，對于140 cm(55 in) 8K4K顯示，采用500 nm厚的Cu導線，如果使用ES結構TFT器件則無法滿足120 Hz的刷新頻率，但是如果使用寄生電容較小的頂柵結構TFT則可以很容易地滿足要求，后者甚至采用320 nm厚的Cu 導線也可以滿足要求?？梢娊档蚑FT寄生電容能減少對導線方阻的要求，從而降低工藝難度。

圖6 ES結構TFT的寄生電容

3.3 RC延遲與遷移率

RC延遲降低后可以大大降低對遷移率的要求。以4K2K的140 cm(55 in)電視面板為例，在240 Hz的刷新頻率下，如圖7所示，采用300 nm的Al金屬導線，需要TFT的遷移率在35 cm2/(V·s)左右才能滿足要求(ESL器件結構)；如果換成導電率更好的同樣厚度的Cu作為金屬導線，則TFT的遷移率在2.6 cm2/(V·s)左右即可滿足要求。若采用300 nm的Al金屬導線，TFT的器件結構采用寄生電容更小的頂柵結構，則其對遷移率的要求遠低于傳統的ES結構。從圖7可以看到，通過改進TFT結構，減小寄生電容和導線方塊電阻均能大幅降低器件對遷移率的要求。

圖7 140 cm(55 in)4K2K面板的方塊電阻和遷移率的制約關系

Fig.7 Sheet resistancevs. TFT mobility of 140 cm(55 in)4K2K panel

以上僅從面板設計角度對大尺寸面板的設計限制因素進行了分析，另外從驅動方式上也可以進行改進，從而解決大尺寸面板的RC延遲問題[15]。

4 結 論

基于傳統2T1C結構的像素電路，建立了大尺寸AMOLED面板限制因素的計算模型。詳細分析了AMOLED顯示尺寸與TFT遷移率、金屬方塊電阻、刷新頻率以及器件結構的關系。金屬氧化物TFT的遷移率能夠滿足254 mm (100 in)以下所有尺寸和高刷新頻率的4K2K顯示面板，發(fā)展8K4K高刷新頻率的3D顯示面板則需要從降低RC限制的角度對器件設計進行再優(yōu)化。在提高導線電導率方面，Cu金屬布線是未來大尺寸顯示技術發(fā)展主流；降低TFT寄生電容可以采用背溝道刻蝕型或頂柵自對準結構的器件。另外，大尺寸顯示面板RC延遲的降低也可以降低對TFT遷移率的要求?？傊?，大尺寸顯示面板中的各個因素是相互關聯的，必須從遷移率、金屬電導率、TFT寄生電容、新型驅動方法等各方面加以綜合考慮。

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周雷(1987-)，男，湖北襄陽人，碩士，工程師，2013年于華南理工大學獲得碩士學位，主要從事金屬氧化物AMOLED面板設計的研究。

E-mail: zhoulei@newvision-cn.com

吳為敬(1979-)，男，福建福州人，博士，副教授，2008年于華南理工大學獲得博士學位，主要從事金屬氧化物TFT集成技術的研究。

E-mail: wuwj@scut.edu.cn

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《發(fā)光學報》編輯部

Design Analysis of Large Size Metal Oxide TFT Panel

ZHOU Lei1, XU Miao1，2, WU Wei-jing2*, Xia Xing-heng2, Wang Lei1，2, PENG Jun-biao2

(1.GuangzhouNewVisionOptoelectronicCo.,Ltd.,Guangzhou510730,China; 2.StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDevices,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:wuwj@scut.edu.cn.

According to the basic 2T1C pixel circuit, the calculation model of AMOLED panel and TFT parameters was established. The relationships of AMOLED display size with mobility of TFT, metal sheet resistance, refresh rate and TFT device structure were analyzed in detail. In the design of large size high resolution AMOLED panel, RC delay of signal line is the main limiting factor. The enhancement of TFT mobility is benefit for large size display panel within a certain range. Reducing the RC delay is the key technology to realize the large size, high resolution, high refresh rate display. Developing the copper wiring technology and TFT device structure with low parasitic capacitance is the key technology of large size AMOLED display in the future.

AMOLED; Large size; high resolution; RC delay

1000-7032(2015)05-0577-06

2015-02-24；

2015-03-19

國家自然科學基金(61204089)； 廣東省自然科學基金 (S2012010008648) 資助項目

TN321+.5

A

10.3788/fgxb20153605.0577