鄧立昂, 陳世林, 黃博天, 郭小軍*

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海200240；2.江蘇省知識(shí)產(chǎn)權(quán)局, 江蘇 南京210036)

1 引 言

基于有源矩陣驅(qū)動(dòng)的液晶顯示(Active matrix liquid crystal display, LCD)和有機(jī)發(fā)光二極管(Active matrix organic light emitting diode, AMOLED)顯示是目前信息終端采用的主要顯示技術(shù)。AMLCD結(jié)合液晶層的光學(xué)調(diào)控和發(fā)光二極管(Light emitting diode, LED)背光系統(tǒng)，可以分別優(yōu)化兩者的性能，已經(jīng)形成了成熟的規(guī)?；圃旃に嚺c產(chǎn)業(yè)鏈體系，在移動(dòng)終端產(chǎn)品的應(yīng)用中占有一定的優(yōu)勢(shì)地位。近年來(lái)，AMOLED顯示將發(fā)光源與像素控制單元融合，具有全固態(tài)、輕薄、柔性的特點(diǎn)，為移動(dòng)終端產(chǎn)品形態(tài)和功能集成的創(chuàng)新提供了更廣闊的空間。因此，隨著其量產(chǎn)技術(shù)水平的提高，AMOLED顯示在智能手機(jī)和可穿戴電子等移動(dòng)終端產(chǎn)品中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

隨著移動(dòng)終端顯示屏分辨率的不斷提升，以及顯示面積的增大，顯示屏的功耗已成為整個(gè)系統(tǒng)功耗的重要組成部分。兩種顯示技術(shù)中的功耗都可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩部分。靜態(tài)功耗主要取決于顯示的面積、發(fā)光亮度和發(fā)光器件(LED背光或OLED)的效率。在AMLCD中，通過(guò)采用局部調(diào)光，能夠顯著降低LED背光系統(tǒng)的靜態(tài)功耗[1]。而在AMOLED顯示中，隨著OLED材料和器件性能的提升，直流功耗也可以得到降低或控制[2]。顯示屏分辨率和幀率的提升，不會(huì)影響直流功耗，但會(huì)顯著增加對(duì)各像素充放電所消耗的動(dòng)態(tài)功耗。因此，降低動(dòng)態(tài)功耗成為移動(dòng)終端顯示發(fā)展需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題?？紤]到在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下，顯示的內(nèi)容會(huì)保持一段時(shí)間，因而，根據(jù)顯示內(nèi)容自適應(yīng)地調(diào)整幀頻率，能夠有效降低動(dòng)態(tài)功耗[3]。為此，用于顯示驅(qū)動(dòng)和控制的薄膜晶體管(Thin-film transistor, TFT)像素電路需要具有足夠低的漏電，以能夠在低幀率下保持住存儲(chǔ)的信息。

目前，低溫多晶硅(Low temperature polycrystalline silicon, LTPS) TFT技術(shù)，由于其高遷移率和良好的穩(wěn)定性，已經(jīng)取代非晶硅(a-Si) TFT，成為小尺寸高分辨率顯示的主流背板技術(shù)。然而，在關(guān)態(tài)偏壓下，漏極區(qū)會(huì)形成較高的電場(chǎng)，LTPS薄膜晶界缺陷態(tài)的存在會(huì)輔助隧穿效應(yīng)的增強(qiáng)，導(dǎo)致較大的反偏漏電流[4]。因此，雖然LTPS TFT具有較高的遷移率，有助于實(shí)現(xiàn)高分辨率、高幀率顯示，但其較高的漏電流給實(shí)現(xiàn)低幀率顯示驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

自2004年日本東京工業(yè)大學(xué)Hosono課題組發(fā)表基于非晶銦鎵鋅氧(In-Ga-Zn-O, IGZO)溝道層的TFT器件以來(lái)，非晶氧化物半導(dǎo)體(Metal oxide semiconductor, MO) TFT因其較高的遷移率 (～10 cm2·V-1·s-1)，以及適合大尺寸、低成本制造的優(yōu)勢(shì)獲得了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[5-7]。在大量工藝技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，IGZO TFT已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大尺寸的量產(chǎn)(G8線)，在大/中尺寸高分辨AMLCD和大尺寸剛性/柔性AMOLED顯示中得到商業(yè)化應(yīng)用[8]。相比LTPS TFT，MO TFT的遷移率和穩(wěn)定性還有不少的差距，面向小尺寸高分辨顯示尤其是AMOLED顯示，雖然已表現(xiàn)出一定潛力，但還難以達(dá)到LTPS TFT的性能水平。然而，另一方面，由于MO較大的禁帶寬度、帶隙間較低的缺陷態(tài)密度和對(duì)空穴輸運(yùn)的抑制，MO TFT具有亞閾值擺幅陡峭、漏電流低(<10-20A/μm)的優(yōu)勢(shì)[9]。利用MO TFT的這一特點(diǎn)，蘋果公司提出了MO和LTPS兩者集成的像素電路結(jié)構(gòu)(Low temperature polysilicon and oxide，LTPO)，實(shí)現(xiàn)了低至1 Hz幀率的低功耗AMOLED顯示屏[10]。近期，韓國(guó)三星公司宣布已實(shí)現(xiàn)了可支持1～120 Hz幀率的LTPO AMOLED并將其應(yīng)用于量產(chǎn)的手機(jī)屏幕。

LTPO的集成概念融合了LTPS和MO兩者的優(yōu)勢(shì)，其他多個(gè)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也圍繞LTPO的集成工藝和不同的顯示應(yīng)用開展了相關(guān)研究。本文將系統(tǒng)地總結(jié)和分析相關(guān)LTPO技術(shù)的研究進(jìn)展和挑戰(zhàn)。首先，將介紹分別應(yīng)用于AMLCD和AMOLED顯示的LTPO集成方式；進(jìn)一步討論實(shí)現(xiàn)LTPO集成的器件結(jié)構(gòu)和工藝挑戰(zhàn)；最后，針對(duì)LTPO AMOLED像素電路，分析和討論MO TFT穩(wěn)定性對(duì)其性能的影響，以及相應(yīng)的補(bǔ)償電路和驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)。

2 LTPO顯示背板的結(jié)構(gòu)

表1為a-Si、LTPS、MO三種TFT的性能對(duì)比。隨著顯示分辨率的提升，柵極驅(qū)動(dòng)電路也和像素陣列一起通過(guò)TFT集成到同一襯底上，稱為GOA(Gate driver on array)[11]。GOA可以解決高分辨率顯示外圍引腳數(shù)目多、密度高、難以進(jìn)行外圍可靠貼合的問(wèn)題，同時(shí)也有利于降低驅(qū)動(dòng)芯片的成本、縮小顯示的邊框尺寸。以下將分別討論基于LTPO的AMLCD和AMOLED顯示背板的像素電路、陣列和GOA電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 3種薄膜晶體管各類特性的對(duì)比Tab.1 Comparison of various characteristics of three thin film transistors

2.1 AMLCD顯示面板

圖1為采用LTPO技術(shù)的AMLCD顯示面板整體結(jié)構(gòu)示意圖。顯示陣列中每個(gè)像素電路采用MO TFT作為開關(guān)，而外圍GOA電路采用LTPS TFT。低漏電流的MO TFT可以使顯示屏在低幀率下保持良好的顯示效果；而LTPS TFT高遷移率、良好穩(wěn)定性以及可實(shí)現(xiàn)n/p型互補(bǔ)集成的優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)小面積、高性能的GOA電路，應(yīng)用于高分辨率、窄邊框顯示。2017年，友達(dá)光電公司基于LTPO背板技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于手表的圓形AMLCD顯示屏，其像素電路采用底柵結(jié)構(gòu)的IGZO TFT，而GOA采用了全n型LTPS TFT的電路設(shè)計(jì)[12]。2018年，JDI公司也報(bào)導(dǎo)了基于LTPO背板技術(shù)的AMLCD顯示，但在GOA中采用了n/p型LTPS TFT互補(bǔ)集成的電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更小的面積和更好的魯棒性?；谠摲桨福瑢?shí)現(xiàn)了分辨率為1 440×2 560的13.9 cm(5.46 in)AMLCD顯示，能夠支持15～60 Hz的幀率驅(qū)動(dòng)[13]。2019年JDI公司又實(shí)現(xiàn)了分辨率為1 080×2 244的16.67 cm(6.53 in)AMLCD顯示，其可以在更低的5 Hz的幀頻下工作；測(cè)試結(jié)果表明，在顯示同樣畫面的情況下，相比標(biāo)準(zhǔn)60 Hz模式，低幀率模式下的功耗可下降62%～65%。

圖1 采用LTPO技術(shù)的AMLCD顯示面板整體結(jié)構(gòu)示意圖 (陣列像素中采用MO TFT，集成的GOA電路采用LTPS TFT)Fig.1 Overall structure of AMLCD display panel using LTPO technology (MO TFT is used in the array pixels, and LTPS TFT is used in the integrated GOA)

然而，液晶一般需要采用極性反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式，以避免在長(zhǎng)時(shí)間同一電場(chǎng)的電壓驅(qū)動(dòng)下引起的殘影問(wèn)題[14]。采取低漏電的MO TFT作為開關(guān)管，可以在低幀率驅(qū)動(dòng)的情況下保持住數(shù)據(jù)電壓，但液晶單元會(huì)經(jīng)受較長(zhǎng)時(shí)間的同一電場(chǎng)方向下的電壓驅(qū)動(dòng)。因此，如何避免這一問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)低幀率AMLCD的一大挑戰(zhàn)。對(duì)此，韓國(guó)Kyung Hee大學(xué)Lee研究組提出了一種基于LTPO結(jié)構(gòu)的用于低幀率驅(qū)動(dòng)的LCD像素電路，如圖2(a)所示[15]。該像素電路由4個(gè)TFT和2個(gè)電容構(gòu)成，T1和T2采用LTPS TFT，而T3和T4采用MO TFT 。通過(guò)采用VSCAN信號(hào)控制T3和T4的開關(guān)，將數(shù)據(jù)電壓VDATA1和VDATA2分別存入T1和T2的柵極節(jié)點(diǎn)，結(jié)合VW和VB信號(hào)，決定像素電壓(VPXL)和顯示灰度的VDATA信號(hào)電壓可被長(zhǎng)時(shí)間保存，而通過(guò)對(duì)VW和VB的控制，可實(shí)現(xiàn)在較長(zhǎng)的幀周期內(nèi)對(duì)液晶實(shí)現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)模式?；谠撓袼仉娐返脑O(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)1/60 Hz的極低幀率的驅(qū)動(dòng)，顯示靜態(tài)畫面時(shí)的動(dòng)態(tài)功耗僅為1.22 mW，而以60 Hz幀率驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)功耗則達(dá)到0.38 W。然而，該像素電路需要多個(gè)TFT與電容以及復(fù)雜的控制信號(hào)，因此會(huì)大幅降低像素的開口率，增加驅(qū)動(dòng)控制的難度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高分辨率、高幀率的顯示存在一定挑戰(zhàn)。

圖2 面向低幀率驅(qū)動(dòng)AMLCD的LTPO像素電路設(shè)計(jì)[12]。(a)電路原理圖； (b)工作時(shí)序圖。Fig.2 LTPO pixel circuit design for low refresh rate AMLCD [12]. (a) Circuit schematic diagram； (b) Working timing diagram.

2.2 基于LTPO的AMOLED顯示面板

因?yàn)镺LED是電流驅(qū)動(dòng)型發(fā)光器件，所以AMOLED像素電路除了需要作為開關(guān)的TFT器件以外，還需要驅(qū)動(dòng)TFT為OLED發(fā)光提供穩(wěn)定的電流[16]。針對(duì)用于移動(dòng)終端的小尺寸AMOLED顯示，為實(shí)現(xiàn)高分辨率和窄邊框，具有高遷移率和良好偏置穩(wěn)定性的LTPS TFT成為主流的背板技術(shù)。而為了補(bǔ)償由于激光晶化工藝所引起的器件性能擾動(dòng)以及面板上壓降(IR-drop)帶來(lái)的影響，需要更為復(fù)雜的內(nèi)部補(bǔ)償像素電路[17]。與此同時(shí)，由于LTPS TFT較高的漏電流[18]，導(dǎo)致其難以實(shí)現(xiàn)低幀率驅(qū)動(dòng)的AMOLED顯示。針對(duì)此問(wèn)題，蘋果公司提出了針對(duì)AMOLED顯示的LTPO設(shè)計(jì)，如圖3(a)所示，在由7個(gè)TFT與1個(gè)電容(7T-1C)組成的內(nèi)部補(bǔ)償像素電路中，用來(lái)控制信號(hào)電壓輸入的開關(guān)TFT采用MO TFT，而像素電路的其他TFT以及GOA電路中的TFT都采用n型LTPS TFT；利用MO TFT的低漏電特性，可實(shí)現(xiàn)1 Hz低幀率驅(qū)動(dòng)[10]。該技術(shù)最早被應(yīng)用于Apple Watch Series 4，可在屏幕常亮的情況下持續(xù)續(xù)航長(zhǎng)達(dá)18 h。夏普公司也提出了一種應(yīng)用于AMOLED顯示、能夠支持1～120 Hz幀率驅(qū)動(dòng)的LTPO背板設(shè)計(jì)[19]。如圖3(b)所示，所設(shè)計(jì)的7T-1C內(nèi)部補(bǔ)償像素電路中的3個(gè)開關(guān)TFT均采用MO TFT，其他TFT采用p型的LTPS TFT器件。GOA電路采用了由n型LTPS TFT和p型LTPS TFT組成的互補(bǔ)式電路設(shè)計(jì)，與單極性的GOA電路設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)可以降低靜態(tài)功耗、提高噪聲容限以及減小電路的尺寸，同時(shí)因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)的負(fù)載更小，能夠在保持同樣工作頻率下降低動(dòng)態(tài)功耗，或在相同功耗水平下支持更高的工作頻率。

圖3 采用LTPO技術(shù)的AMOLED顯示面板整體結(jié)構(gòu)示意圖及其典型像素電路設(shè)計(jì)。(a)基于n型 MO TFT和n型 LTPS TFT的像素電路和n型 LTPS GOA[10]； (b)基于n型 MO TFT和p型 LTPS TFT的像素電路和互補(bǔ)型 LTPS GOA[18]。Fig.3 Diagram of the overall structure of an AMOLED display panel using LTPO technology and its typical pixel circuit design. (a) Pixel circuit based on n-type MO TFT and n-type LTPS TFT and n-type LTPS GOA[10]; (b) Pixel circuit based on n-type MO TFT and p-type LTPS TFT and complementary LTPS GOA[18].

3 LTPO的集成結(jié)構(gòu)與工藝

3.1 LTPO的集成結(jié)構(gòu)

因?yàn)長(zhǎng)TPS TFT通常采用共平面結(jié)構(gòu)(頂柵頂接觸)，而MO TFT則可以采用反向堆疊型結(jié)構(gòu)或共平面結(jié)構(gòu)，所以LTPO的集成可采用如圖4所示的兩種方式。由于LTPS的工藝溫度高于MO，因此在兩種集成方式中，MO的工藝都是在LTPS之后進(jìn)行。圖4(a)采用了反向堆疊型結(jié)構(gòu)的MO TFT，可以與LTPS TFT共用柵電極層，從而減少工藝步驟和掩模版的數(shù)目，但需要考慮對(duì)兩個(gè)器件性能優(yōu)化的互相影響。圖4(b)的方式采用共平面結(jié)構(gòu)的MO TFT器件，兩個(gè)器件無(wú)共用的膜層，相對(duì)獨(dú)立，便于各自性能的優(yōu)化，但需要更多的工藝步驟，并且會(huì)增加制造的復(fù)雜性和成本。在所報(bào)道的LTPO顯示面板技術(shù)中，JDI公司的AMLCD面板和夏普公司的AMOLED面板采用的是共平面結(jié)構(gòu)MO TFT[13,19]，而友達(dá)公司光電的AMLCD面板采用的是反向堆疊型結(jié)構(gòu)MO TFT[12]。

圖4 基于不同結(jié)構(gòu)MO TFT的LTPO集成方式。(a) 反向堆疊型結(jié)構(gòu)MO TFT；(b)共平面結(jié)構(gòu)MO TFT。Fig.4 LTPO integration methods based on MO TFTs of different structures. (a) MO TFT with inverted staggered structure; (b) MO TFT with coplanar structure.

目前，蘋果公司針對(duì)有源驅(qū)動(dòng)顯示中的LTPO技術(shù)布局了許多專利，包括LTPO工藝的實(shí)現(xiàn)方式以及針對(duì)器件性能漂移設(shè)計(jì)的補(bǔ)償方案[20-21]。華星光電公司針對(duì)TFT陣列基板與屏下指紋傳感這兩個(gè)應(yīng)用布局了LTPO技術(shù)的專利，主要解決了屏下指紋傳感時(shí)光照對(duì)MO TFT器件特性產(chǎn)生影響的問(wèn)題，有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低顯示器件功耗以及屏下指紋識(shí)別[22-23]。京東方公司針對(duì)LTPO有源驅(qū)動(dòng)顯示基板的結(jié)構(gòu)與制備工藝布局了一些專利，主要解決了LTPS TFT工藝過(guò)程中引入的大量氫對(duì)MO TFT產(chǎn)生的影響以及多晶硅浮體效應(yīng)造成的漏電流較大的問(wèn)題，有望實(shí)現(xiàn)高良率的LTPO基板以及均勻灰階的顯示面板[24-26]。天馬公司針對(duì)LTPO集成結(jié)構(gòu)中膜層較復(fù)雜而帶來(lái)的應(yīng)力問(wèn)題，開發(fā)了將MO TFT制作在凹槽結(jié)構(gòu)緩沖層上的技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)可彎折的顯示面板[27]。維信諾公司針對(duì)現(xiàn)有LTPO技術(shù)中復(fù)雜的堆疊結(jié)構(gòu)和工藝流程，開發(fā)了可以在同層利用一次掩膜工藝制作兩種有源層的技術(shù)[28]，有望實(shí)現(xiàn)節(jié)省掩膜、降低工藝難度以及降低成本。

不少研究工作也探索了基于LTPO結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)n/p型互補(bǔ)集成的邏輯電路[15,29-33]。由于MO能帶結(jié)構(gòu)中價(jià)帶附近的高缺陷態(tài)密度分布，難以獲得性能較好的p型材料。所以，MO TFT的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要采用全n型器件的單極型電路的形式[34]。對(duì)比單極型電路，采用n型MO TFT和p型LTPS TFT所實(shí)現(xiàn)的LTPO互補(bǔ)型電路，可具有噪聲容限高、增益高、靜態(tài)功耗低等優(yōu)點(diǎn)。如表2所示，各研究機(jī)構(gòu)采用不同結(jié)構(gòu)MO TFT所制備的LTPO反相器電路的噪聲容限能夠接近VDD/2(VDD為供電電壓)，并具有較高的電壓增益(最高可達(dá)到264 V/V[31])。

表2 所報(bào)道的基于LTPO的反相器總結(jié)與對(duì)比Tab.2 Summary and comparison of reported LTPO inverters

韓國(guó)Kyung Hee大學(xué)Rahaman等基于LTPO集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)型的電平轉(zhuǎn)換電路，可以將2～10 V的輸入電壓提升到10～30 V的輸出[35],與現(xiàn)有的單極性MO TFT電路相比，該LTPO電平轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和接受更小的輸入電壓；與現(xiàn)有的互補(bǔ)型LTPS TFT電平轉(zhuǎn)換電路相比，LTPO電平轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出電壓擺幅。這些邏輯電路和電平轉(zhuǎn)換電路的研究初步驗(yàn)證了LTPO應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗GOA電路的可能性。此外，利用LTPS TFT和MO TFT的關(guān)態(tài)漏電流對(duì)溫度變化不同的敏感特性，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于LTPO的集成式溫度傳感陣列，以應(yīng)用于高電流密度的顯示面板(如Micro-LED)中溫度的監(jiān)控[36]。

3.2 LTPO面臨的工藝問(wèn)題

LTPO集成需要考慮兩種器件工藝的互相影響。對(duì)于LTPS，為了實(shí)現(xiàn)高性能和良好偏置穩(wěn)定性的器件，需用通過(guò)摻氫(H)來(lái)鈍化多晶硅晶粒內(nèi)部、晶界之間以及多晶硅與柵極絕緣層界面處的缺陷。然而，MO TFT的性能對(duì)H非常敏感。如圖5(a)所示，通過(guò)對(duì)MO的態(tài)密度的第一性原理計(jì)算表明，當(dāng)H位于各成鍵的位置或間歇位置，都會(huì)導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)(EF)超過(guò)導(dǎo)帶底(Conduction band minimum, CBM)，從而引入自由電子；而額外的氧(O)可以和H結(jié)合形成O—H或H—O—H鍵，EF能夠保持在深能級(jí)[37]。在LTPO工藝過(guò)程中，LTPS層中的H擴(kuò)散到MO層，會(huì)與其中的氧懸掛鍵結(jié)合，或打破氧-金屬共價(jià)鍵而形成氫氧化物。當(dāng)H的量很少時(shí)，由于缺陷態(tài)密度的降低，一定程度上會(huì)提高器件的遷移率、減弱回滯現(xiàn)象；然而，當(dāng)有更多的H時(shí)，氧空位和金屬-氧鍵的平衡會(huì)被打破，導(dǎo)致器件閾值電壓的漂移和穩(wěn)定性的惡化[38]。在低幀率的顯示驅(qū)動(dòng)下，MO TFT開關(guān)管受較長(zhǎng)時(shí)間的反向偏壓應(yīng)力，會(huì)引起一定的閾值電壓負(fù)向漂移。如果負(fù)向漂移過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致該TFT處于常開狀態(tài)，造成顯示屏對(duì)應(yīng)位置的亮點(diǎn)缺陷。即使TFT還能夠關(guān)斷，一定的負(fù)向漂移也會(huì)引起TFT關(guān)斷帶來(lái)的反沖(Kickback)電壓的變化，對(duì)于AMOLED顯示，會(huì)進(jìn)一步影響驅(qū)動(dòng)TFT的電流和該像素的發(fā)光亮度，尤其在低亮度情況下，導(dǎo)致顯示發(fā)光的非均一性[10]。

圖5 (a)基于第一性原理計(jì)算的所摻雜H在不同位置下的態(tài)密度情況[37];(b)不同H濃度工藝條件下制備的MO TFT在反向偏壓溫度應(yīng)力測(cè)試下的閾值電壓漂移情況[10]。Fig.5 (a) Total state density under different H doping conditions calculated based on the first principles[37]; (b) Threshold voltage drift of MO TFT after NBTS under different process conditions[10].

因此， LTPO的最大工藝挑戰(zhàn)是在對(duì)H濃度的調(diào)控，平衡兩種器件的性能。如圖5(b)所示，通過(guò)采用優(yōu)化的低H工藝，所制備的MO TFT在反向偏壓溫度應(yīng)力測(cè)試(Negative bias-temperature stress, NBTS)下閾值電壓的漂移顯著低于采用高H濃度的工藝[10]。雖然現(xiàn)階段基于IGZO的MO TFT已經(jīng)量產(chǎn)，但其遷移率和穩(wěn)定性還有很大的提升空間。對(duì)比LTPS，MO的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)調(diào)整材料中不同的組分及其比例來(lái)提高或優(yōu)化器件性能[39]。所以，結(jié)合MO材料組分的設(shè)計(jì)與后退火處理工藝，有望降低MO TFT性能對(duì)H的敏感性，為高性能的LTPO集成提供更寬的工藝窗口。

4 基于LTPO的 AMOLED像素電路設(shè)計(jì)

最早的LTPO概念被應(yīng)用于AMOLED像素電路，利用MO TFT低漏電的特性，取代像素電路中作為開關(guān)的LTPS TFT，以實(shí)現(xiàn)低幀率的顯示驅(qū)動(dòng)。在小尺寸AMOLED顯示面板中，為了減小LTPS TFT器件非均一性以及驅(qū)動(dòng)電壓壓降(IR-drop)的存在對(duì)顯示效果的影響，一般需要采用復(fù)雜的內(nèi)部補(bǔ)償像素電路設(shè)計(jì)[40]。

4.1 兼容低幀率和高幀率驅(qū)動(dòng)的LTPO像素電路

在AMOLED像素電路中，驅(qū)動(dòng)TFT的柵極節(jié)點(diǎn)對(duì)電壓信號(hào)的保持能力是實(shí)現(xiàn)低幀率驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵。如圖6(a)所示，傳統(tǒng)的基于LTPS TFT的像素電路設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)電壓信號(hào)的保持能力，需要通過(guò)雙TFT串聯(lián)的結(jié)構(gòu)降低漏電流，并設(shè)計(jì)較大的存儲(chǔ)電容CS。然而，較大的存儲(chǔ)電容CS會(huì)影響所能實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)幀率。另外，每一幀開始階段，需要對(duì)OLED陽(yáng)極電壓進(jìn)行初始化，以清除上一幀周期的亮度信息，而初始化的速度也是影響實(shí)現(xiàn)高幀率驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵。如圖6(a)所示，由全p型LTPS TFT組成的像素電路中，用于初始化控制的復(fù)位TFT(T7)的柵源電壓是控制線VEM[n]與OLED陽(yáng)極之間的電壓差，在初始化的過(guò)程中會(huì)逐漸減小，導(dǎo)致TFT放電能力的減弱，從而在有限的時(shí)間內(nèi)，難以完成對(duì)OLED陽(yáng)極電位的初始化，造成顯示的不良現(xiàn)象。

夏普公司提出的LTPO像素電路設(shè)計(jì)將圖6(a)中的3個(gè)開關(guān)(T1、T2、T7)用MO TFT代替，如圖6(b)所示[18]。利用MO TFT超低漏電的特性，可以不依賴于提高存儲(chǔ)電容CS的設(shè)計(jì)就獲得足夠強(qiáng)的數(shù)據(jù)電壓信號(hào)保持能力，在滿足低幀率驅(qū)動(dòng)需求的同時(shí)，也有利于實(shí)現(xiàn)高幀率。通過(guò)將圖6(a)中的T7由p型LTPS TFT換為n型MO TFT，并將其柵極和控制線VEM[n]連接，T7的源漏電壓恒定為VINI與VEM[n]之間的電勢(shì)差，也可以提高OLED陽(yáng)極初始化的速度，有助于高幀率驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。該像素電路的工作時(shí)序，如圖6(b)所示，可分為如下3個(gè)階段：

圖6 (a)傳統(tǒng)的有內(nèi)部補(bǔ)償功能的LTPS TFT像素電路原理圖； (b)夏普公司提出的有內(nèi)部補(bǔ)償功能、寬幀率范圍的LTPO像素電路原理圖； (c)工作時(shí)序。Fig.6 (a)Schematic of traditional LTPS TFT pixel circuit with internal compensation function; (b)Schematic of LTPO pixel circuit diagram with internal compensation function and wide frame rate range proposed by Sharp; (c)Timing of proposed circuit.

(1)初始化階段(Initialization):VpSCAN[n]和VEM[n]被置為高電平，VpSCAN[n]被先置為低電平，然后變換為高電平，而VpSCAN[n-2]被先置為高電平，然后變換為低電平，T7和T1逐次導(dǎo)通，OLED陽(yáng)極被充電至VINI實(shí)現(xiàn)初始化。

(2)數(shù)據(jù)寫入階段(Programing)：T2和T3導(dǎo)通，T4的工作在臨界飽和區(qū)，其柵極N1電壓被置為VDATA+VTH。

(3) 發(fā)光階段(Emission)：T5和T6導(dǎo)通，T4的源極N4被置為VDD，此時(shí)驅(qū)動(dòng)TFT(T4)產(chǎn)生的OLED驅(qū)動(dòng)電流為：

(1)

因此，理論上OLED的驅(qū)動(dòng)電流不受驅(qū)動(dòng)TFT (T4)閾值電壓(VTH)的影響，可以實(shí)現(xiàn)有效的補(bǔ)償。

在實(shí)際使用時(shí)，不同的顯示模式可以采用不同的控制信號(hào)時(shí)序，比如在追求低功耗的低幀率驅(qū)動(dòng)模式下，因?yàn)槊恳粠臅r(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)快速初始化的需求并不強(qiáng)烈，可以每隔幾幀進(jìn)行一次初始化以降低不必要的功耗。而在高幀率模式下，為了保證顯示質(zhì)量，初始化需要在每一幀進(jìn)行。

4.2 TFT不穩(wěn)定性對(duì)低幀率驅(qū)動(dòng)的影響及補(bǔ)償方法

在低幀率驅(qū)動(dòng)下，雖然采用MO TFT有助于提高信號(hào)電壓的保存能力，但由于MO TFT的穩(wěn)定性問(wèn)題，在長(zhǎng)時(shí)間負(fù)柵壓偏置下，會(huì)導(dǎo)致其閾值電壓的負(fù)向漂移，引起關(guān)斷時(shí)反沖電壓的變化，進(jìn)一步影響驅(qū)動(dòng)TFT的電流，最終導(dǎo)致像素發(fā)光亮度的差異，尤其在低亮度的情況下，會(huì)造成顯示的非均一性。另外，雖然LTPS TFT具有較好的穩(wěn)定性，但由于OLED電流對(duì)驅(qū)動(dòng)TFT的特性變化非常敏感，在長(zhǎng)時(shí)間偏置的情況下，LTPS TFT產(chǎn)生一定的閾值電壓漂移，也會(huì)影響像素電路的補(bǔ)償效果。

因此，基于LTPO TFT的AMOLED像素電路設(shè)計(jì)除了需要補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)TFT性能的非均一性問(wèn)題，還要考慮低幀率驅(qū)動(dòng)下MO TFT負(fù)柵壓偏置不穩(wěn)定性所造成的影響。圖7(a)是蘋果公司設(shè)計(jì)的支持常亮低功耗顯示應(yīng)用的LTPO內(nèi)部補(bǔ)償AMOLED像素電路，其中開關(guān)TFT(T3)采用的是MO TFT，而其他TFT均為L(zhǎng)TPS TFT[10]。該電路的控制信號(hào)(VEM1、VEM2、VSCAN1和VSCAN2)的時(shí)序如圖7(b)所示，整個(gè)工作過(guò)程可分為3個(gè)階段：

圖7 蘋果公司的6T1C像素電路。(a)電路原理圖； (b)電路的工作時(shí)序； (c)加入了電偏置階段的用于低幀率顯示的像素電路工作時(shí)序[27]。Fig.7 6T1C pixel circuit proposed by Apple Co., Ltd.. (a) Circuit schematic diagram; (b) Circuit working timing diagram; (c)Timing of pixel circuit for low frame rate display with added voltage bias phase[27].

(1) 初始化階段(Initialization)：VSCAN1和VEM2被置為高電平，T3、T6和T4導(dǎo)通，N1和N2節(jié)點(diǎn)的電位分別被充電至VINI和VDD。

(2) 數(shù)據(jù)寫入和閾值電壓采樣(Programing and Threshold Voltage Sampling)：VEM2被置為低電平，VSCAN1和VSCAN2被置為高電位， T4關(guān)斷，T1和T3導(dǎo)通，數(shù)據(jù)信號(hào)VDATA通過(guò)T2將N2節(jié)點(diǎn)的電位充至VDATA+VTH(VTH為T2的閾值電壓)，而N1節(jié)點(diǎn)的電位仍然是VTH，所以電容CST上的電壓為VDATA+VTH-VINI。

(3) 發(fā)光階段(Emission)：VSCAN1和VSCAN2被置為低電平，VEM1和VEM2被置為高電平， T2、T4與T5導(dǎo)通，其余TFT均關(guān)斷，形成VDD到VSS的電流通路，OLED受電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光。此時(shí)N1和N2節(jié)點(diǎn)的電位分別為VDATA+VTH和VINI，故T2提供給OLED的驅(qū)動(dòng)電流可近似為:

(2)

因此，基于該電路，驅(qū)動(dòng)TFT(T2)的閾值電壓(VTH)理論上對(duì)OLED電流沒(méi)有影響，從而其擾動(dòng)對(duì)顯示一致性的影響可以得到有效補(bǔ)償。但在低幀率驅(qū)動(dòng)的情況下，由于T3管存在一定的漏電，N2節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生變化，影響OLED電流和發(fā)光亮度?；贚TPO技術(shù)，T3采用低漏電流的MO TFT，可以較長(zhǎng)時(shí)間地維持N2節(jié)點(diǎn)的電壓，滿足低幀率驅(qū)動(dòng)的要求。然而，由于MO TFT較長(zhǎng)時(shí)間處于關(guān)態(tài)，反向偏置所引起的閾值電壓會(huì)產(chǎn)生漂移，造成其關(guān)態(tài)特性的變化，這也會(huì)導(dǎo)致顯示亮度的偏移。針對(duì)此問(wèn)題，蘋果公司提出了通過(guò)設(shè)計(jì)外圍監(jiān)測(cè)電路，對(duì)像素OLED電流進(jìn)行檢測(cè)，如其偏離預(yù)期值，則可通過(guò)改變開關(guān)MO TFT的掃描控制信號(hào) (VSCAN1)的高電壓電平，以補(bǔ)償其閾值電壓漂移帶來(lái)的影響[26]。

在低幀率驅(qū)動(dòng)下，由于每一幀的時(shí)間變長(zhǎng)，相鄰兩幀的閾值電壓漂移情況可能會(huì)有不同，數(shù)據(jù)寫入和閾值電壓采樣階段是基于前一幀驅(qū)動(dòng)完成后的T2的閾值電壓，而轉(zhuǎn)入發(fā)光階段后，由于在新一幀數(shù)據(jù)電壓的長(zhǎng)時(shí)間偏置下，LTPS TFT的閾值電壓也會(huì)產(chǎn)生一定的漂移(尤其當(dāng)相鄰兩幀的灰度級(jí)相差很大時(shí))，從而導(dǎo)致閾值電壓補(bǔ)償?shù)氖В绊戯@示效果。針對(duì)此問(wèn)題，一個(gè)可行的方法是在數(shù)據(jù)寫入和閾值電壓采樣階段之前增加一個(gè)電偏置過(guò)程，將驅(qū)動(dòng)T2提前偏置在新一幀的數(shù)據(jù)電壓下，獲得相應(yīng)的閾值電壓，如圖7(c)所示[27]。然而，這樣會(huì)對(duì)實(shí)現(xiàn)高幀率驅(qū)動(dòng)造成影響。

5 總 結(jié)

LTPO利用MO TFT超低漏電的特性，能夠彌補(bǔ)LTPS TFT的不足，有利于實(shí)現(xiàn)低幀率驅(qū)動(dòng)，降低顯示的動(dòng)態(tài)功耗。對(duì)于AMLCD，為了實(shí)現(xiàn)低幀率，需要通過(guò)像素電路的設(shè)計(jì)，避免在長(zhǎng)時(shí)間同一方向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下引起的殘影問(wèn)題。而針對(duì)AMOLED顯示，采用n型低漏電的MO TFT，不但有助于實(shí)現(xiàn)低幀率，還可以減小對(duì)存儲(chǔ)電容的要求以及加快像素電路的初始化速度，從而有利于實(shí)現(xiàn)高幀率驅(qū)動(dòng)。然而面向超低幀率、常亮顯示的應(yīng)用，需要解決長(zhǎng)期偏置下MO TFT開關(guān)和LTPS TFT驅(qū)動(dòng)管閾值電壓漂移帶來(lái)的影響。此外，基于LTPO技術(shù)，充分發(fā)揮兩者的特性，還可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一些新型的功能性的電路系統(tǒng)。雖然LTPO技術(shù)有以上優(yōu)勢(shì)，但增加了集成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，而且在工藝上，由于MO TFT和LTPS TFT對(duì)工藝過(guò)程中H濃度的不同要求，需要很嚴(yán)格的H濃度調(diào)控，平衡兩種器件的性能。這些工藝上的挑戰(zhàn)導(dǎo)致LTPO背板技術(shù)存在成本高、良率低的問(wèn)題。因此，發(fā)展對(duì)H不敏感的MO TFT技術(shù)對(duì)提高LTPO集成的性能可靠性非常重要[41]。進(jìn)一步，MO TFT如能獲得和LTPS TFT類似的開態(tài)電流和穩(wěn)定性，而同時(shí)保持低漏電流、無(wú)kink效應(yīng)以及低溫度系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，將有望實(shí)現(xiàn)全MO TFT的顯示背板，支持低幀率到高幀率的顯示驅(qū)動(dòng)[42]。

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