a—Si：H—TFT阈值电压漂移机理及其在驱动OLED显示中的补偿设计

a—Si：H—TFT阈值电压漂移机理及其在驱动OLED显示中的补偿设计 a—Si:H—TFT阈值电压漂移机理及其在驱 动OLED显示中的补偿设计 第21卷第5期 2006年lO月 液晶与显示 ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays V01.21.NO.5 0ct..2006 文章编号:1007—2780(2006)05—049卜O6 a—Si:H—TFT阈值电压漂移机理及其在 驱动OLED显示中的补偿设计 刘金娥一,廖燕平,荆海.,张志伟,付国柱,邵喜斌h. (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所北方液晶工程研究开发中心,吉林长春130033,E—mail:liujine—O@163.c0m; 2.中国科学院研究生院,北京100039}3.吉林北方彩晶数码电子有限公司,吉林长春130033) 摘要:分析了a—si:H—TFT阈值电压漂移的机理,即分析了栅偏应力下电荷注入到SiN: H栅绝缘层和a—si:H中亚稳态的产生对TFT阈值电压漂移的影响.根据非晶硅中亚稳态 产生的特点,并针对驱动OLED的两管a—si:H—TFT像素电路,提出了一种通过对数据信号 时序的重新设计来补偿周值电压漂移的方法,即在数据信号间加插一个与数据信号极性相 反的补偿信号.通过这种正负交替的信号,使驱动管TFT中由亚稳态造成的阈值电压漂移 始终保持在一个动态平衡的过程,来实现驱动OLED电流稳定的目的. 关键词:OLED;a—si:H—TFT;阈值电压漂移;电荷注入;亚稳态;补偿方法 中图分类号:TN873.3;TN321.5文献标识码:A 1引言 有机电致发光器件(OLED)作为新一代的显 示器件,因其具有自发光,快速响应,宽视角和可 制作在柔性衬底上等独特特点nq引起了人们广 泛的兴趣.预计在今后几年内,OLED将在手机, 个人数字助理器(PDA),数码相机,车载显示和 笔记本电脑上得到广泛应用,对目前以LCD为主 流的几乎所有平板显示将构成严峻挑战. OLED为电流驱动主动发光型器件,按驱动 方式可分为无源矩阵有机电致发光器件(PM一 0LED)和有源矩阵有机电致发光器件(AM一 0LED)两种.采用无源驱动时,随着屏幕的增 大,显示密度的提高,OLED中电极本身的电压降 就必须考虑L4j,且要在分配的时间内完成发射,必 须及时地施加较大的电流到各个像素上,这将大 大地损耗发光材料的使用寿命.另外,无源驱动 需要的瞬间高电流也导致功耗大,效率低.AM— OLED能很容易克服上述PM—OLED显示的缺 点,实现高分辨率,大尺寸和低功耗显示. 在AM—OLED显示中,通过应用由低温多晶 硅(LT—P—Si)技术制备的LT—P—Si—TFT具有较高 收稿日期:2005—12-18;修订日期:2006—01-28 基金项目:国家”863”资助项目(No.2OO4AA3O356o) 的电子迁移率,已广泛地应用在AM—OLED显示 中.但由于多晶硅自身的特点即存在晶粒间 界和大量的间界缺陷态密度,造成各个TFT的 阈值电压不一致,导致OLED发光亮度不均匀, 造成各像素灰度偏差,从而影响画面显示质量. 通过设计4个TFT的像素驱动电路来替代两个 TFT的像素驱动电路能补偿这种阈值电压的不 一 致性,但同时不可避免地要增加工艺的复杂 性[7].非晶硅薄膜晶体管(a—si:H—TFT)作为一 种重要的电子器件在液晶显示,矩阵图像传感器 等方面已经得到广泛的应用.用具有液晶显示产 业化基础的a—Si”H—TFT来驱动OLED显示无疑 具有重大的意义.但a—Si:H—TFT一个最重要的 不稳定性就是在长时间栅偏压下阈值电压会发生 漂移.正因为a—si:H—TFT的迁移率低和阈值电 压漂移的原因使其在能否用于驱动OLED问题 上经历了从”不能”[8到”能”[9再到大尺寸全 彩色样机的出现过程.但由于a—Si:H—TFT在长 时间施加直流栅偏压下导致晶体管阈值电压漂 移,造成OLED的发光亮度下降,影响使用寿命, 因此必须采取特殊的设计来补偿或消除阈值电压 的漂移.文献[13]中列举和分析了多种OLED 492液晶与显示第21卷 有源驱动电路的像素结构,他们通过在像素中应 用多个TFT(3个以上),来达到补偿阈值电压的 漂移或不一致;2005年的SID会议资料显示, Yeh—JiunTung等人L1成功地推出了两管a—Si: H—TFT驱动的OLED显示样机. 本文经过对两管a—Si:H—TFT驱动OLED的 像素电路,并根据阈值电压漂移的原因设计了一 种新的数据信号时序,来补偿a—Si:H—TFT中由 a—Si:H在直流栅偏压下亚稳态导致的阈值电压 漂移. 2阈值电压形成的能带理论] 对TFT阈值电压产生的能带理论可以用理 想的MOS管来说明.MOS管的工作状态根据 栅极电压的不同可以分为(1)载流子积累,(2)载 流子耗尽和(3)载流子反型3个阶段.当栅极电 压为负值或为小的正值时,MOS管工作在前两个 阶段.随着e的增大,表面处每单位体积电子 密度也逐渐增大,直到等于体内空穴密度时(如图 1),便达到了强反型的条件,即此时的表面势为: i一2qgf(1) 式中qgf定义为半导体内E.一Ef的值.阈值电 压定义为形成强反型时所需要的栅电压,即表 面势为一2q的金属栅电极上所加的电压. 便为此MOS管的阈值电压 . Et 图1MOS管达到强反型时的能带图 Fig.1EnergygapofMOStransistorunderstrong inversion 3a—Si:HTFT阈值电压漂移的 理论模型 M.J.Powell等人在早期报道了a—Si:H/ SiN:H—TFT在一定栅偏压下温度和时间对阈 值电压的影响.开始他们发现阈值电压的漂移是 由于电荷注入到SiN:H造成的,而且认为与温 度的关系是由于热激活电子跳跃进入SiN:H. 后来,又提出一个解释的模型口,即在a—Si:H中 还产生着亚稳态.通过对双极型TFT的实验证 实了亚稳态的存在.他们还能区分在TFT中是 由于产生的亚稳态还是电荷注入到SiN:H中造 成的阈值电压漂移,以至于找到了阈值电压漂移 的真正原因:SiN:H的电荷注入和a—Si:H中亚 稳态的产生. 3.1电荷注入到SiN:H对阈值电压的影响 a—Si:HTFT存在阈值电压漂移的主要原因 之一是a—Si:H与SiN:H之间存在电荷注入. 电荷注入主要有几种形式,如图2所示.注入的 电荷可以从半导体界面直接隧穿到栅绝缘层的陷 阱中,如图2过程5,并在界面处逐渐添满m],隧 穿电流按指数关系与隧穿深度相关,而且与能被 填充的态密度成比例增加.再者,电荷能通过 Fowler—Nordheim隧穿进入SiN:H的导带,如 过程2,接着被深陷入到离半导体不太远的界面 处L1..此时的注入电流按指数关系与注入场 相关,而且由于先前被陷阱捕获的电荷产生的场 所屏蔽而导致下降L2.如果被SiN:H陷阱捕 获的电子因传导而发生电荷再分布,温度依赖效 应就会发生~22,23]. 图2电荷注人到SiN:H中的过程 Fig.2ProcessesforthechargebeingtrappedtOSiN:H 3.2a-Si:H亚稳态的产生对阈值电压的影响 多篇文献通过不同实验已报道了在非 晶硅中血稳态的产生是由于在偏应力下弱si—si 键的断裂和H分散性的散射.Jackson和Moyerc. 把TFT中亚稳态的产生与其他观测结果相比较 第5期刘金娥,等:a—si:H—TFT阈值电压漂移机理及其在驱动 OLED显示中的补偿设计493 得出了上述模型.对一个要发生断裂的弱Si—Si 键通过H的运动达到稳定,弱键就必须被一个电 子占据且一个H原子也必须扩散到那个位置. M.J.Powell_2讨论了a—Si:H中亚稳态的产 生和恢复的物理变化过程,讨论是基于这个模型, 即缺陷态都是由弱Si—Si键断裂产生的Si悬挂键 组成引.它包含了H的散射运动[2],弱键被 转化成带正电荷或带负电荷的悬挂键,带电的极 性由空穴积累或电子积累所决定,如式(a),式(b) 所示. Si4.+e…Si3一(a) Si4.+h…Si3(b) 这些S一和Si.态分别是带负电荷和正电 荷的Si悬挂键态,为了便于描述,分别用D和 D表示.不同极性的悬挂键是个动态的化学平 衡过程,因此能产生各个态,如D,D和D.(中性 悬挂键)态,而且无论费米能级在何位置,D和 D态密度都比D.态大,既使a—Si:H未掺杂也存 在大量的悬挂键态密度.图3表示的是弱键 (WB)和悬挂键(DB)相互转换的能量结构示意 图.图中(p表示缺陷形成势垒,E表示形成能, A9和AE分别表示D态和D态之间的势垒差 和形成能之差.图中曲线代表的是在栅偏应力下 电子积累时形成的D和D缺陷态位置示意图, 比如费米能级朝导带方向提高.D态的势能和 形成能比D态的更高,则发生过程(a).反之,如 果D态的势能和形成能比D低,则发生过程 (b).阈值电压漂移方向随偏应力极性的不同而 不同.图4所示是不同极性的栅偏压对阈值电压漂 移的影响.最后,MJ.Powell出当用SiN:H , I,|\ D }t|. . ,f? WBDB 图3弱键和悬挂键相互转化的能量结构示意图 Fig.3Energygapdiagramoftranslationbetweenweak bondsanddanglingbonds 作栅介质层的TFT,正偏应力主要引起a—si:H 中D态密度增加,而负偏应力主要引起D态密 度的减少;用SiO作栅介质层的TFT,阈值电压 的漂移是在正偏压下a—Si:H中D态的产生和在 负偏压下D态的产生造成;对SiN:H/SiO复 合栅介质层则是在正偏压下a—Si:H中D态增加 同时D态减少和负偏压下D态减少同时D态 增加造成. ,=lO0oS 7l-25? D~,--0.4m? 0 O O — nnOOO 0一, o o . o o o 一 100-50050lO0 Vcs/V 图4”沟道SiN:TFT中栅偏压应力与阈值电压漂移的 关系 Fig.4Gatebiasstressdependenceofthethresholdvol— tageshiftforan”一channelnitridetransistor 4用于驱动0LED的a-Si:H—TFT 的设计 由于a—Si:H—TFT低迁移率和阈值电压漂移 的关系,要实现稳定驱动OLED显示还需要进行 大量的实验研究.本文根据上述第3部分中对 TFT阈值电压漂移的分析,提出了一种通过改变 数据信号时序来补偿TFT阈值电压漂移的设计 方法. 根据M.J.Powell_3..对a—Si:H—TFT在偏应 力下亚稳态的分析,尤其根据其实验结果(如图 4)和文献[-14]可以看出,通过运用不同极性的栅 偏压可以使阈值电压漂移单调增加或减小.对两 管a—Si:H—TFT驱动OLED的像素结构(如图 5),如果数据信号时序不做时序上的新设计,如图 6(a)所示,则数据通过开关管TFT传输到驱动管 TFT时,驱动管TFT的栅电压就始终保持一种 极性(正偏应力).这种方式导致a—Si:H中态的 产生朝单一方向发展,结果造成TFT阈值电压 494液晶与显示第21卷 漂移的单一变化(增加).在驱动OLED显示过 程中,必然造成OLED显示的发光亮度下降.采 用新设计的数据信号时序,如图6(b)所示,在数 据信号传输之间增加一极性相反的信号(补偿信 号),数据信号和该补偿信号可以通过隔帧或隔行 的形式传输.通过这种方式使驱动管TFT的栅 偏应力时正时负,根据M.J.Powell对a—Si:H亚 稳态的分析,这种方式就能使a-Si:H中态的产生 是个动态平衡过程,即正偏应力下主要引起a—Si: H/SiNTFT的有源层非晶硅中的D态密度增 加,D态密度减少,而负偏应力主要引起D态密 度的减少和D态密度的增加.因此这种时序设 1)D 扫描线 _l- TT动TF1 开关_I-OLElr 图5两管a—si:HTFT像素电路示意图 Fig.5Pixeldiagramoftwoa—Si:HTFT 参考文献: (a1 (b) 传统数据信号时序 改进的数据信号时序 +V OV +V OV — V 图6传统的和改进的数据信号时序示意图 Fig.6Timediagramofconventionalandimproved datasignal 计使阈值电压的漂移保持了一个动态平衡来实现 输出电流的稳定. 结语 用a-Si:HTFT驱动的有源驱动OLED要实 现高品质显示还有待解决众多课题,如如何提高 a-Si:H的迁移率,如何避免电荷注入到栅绝缘层 和a-Si:H中亚稳态的影响.本文仅从a-Si:H在 单一极性栅偏压下产生亚稳态造成的阈值电压漂 移进行了较详细的分析并提出了一种通过重新设 计数据信号时序来补偿阈值电压漂移的方法,对 其有效性还有待于实验进一步证实. 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ChineseAcademyofScience,Changchun130033,China,E-mail;liujine一 0@163.tom; 2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China; 3.JilinNorthCaiJingDigitalElectronLimitedCorporation,Changchun130033,China) Abstract Themechanismsfora-Si:H—TFTthresholdvoltageshiftwereanalyzed.ThatiS,the1nfluenceof chargesinjectingintoSiN:Hgateinsulatorandthecreationofmeta-stablestat esina-Si;Hto一si; H—TFTthresholdvoltageshiftundergatebiasstresswereanalyzed.Accordingtothecharacteristics ofthemeta—stablestatesina-Si:H,andtwoa—Si:HTFTpixelcircuitdriving OLEDdisplay.anew datasignaltiminginordertocompensatethethresholdvoltageshiftwasdesigned.Thatis,onecorn— pensativesignal,whosepolaritywasinversetodatasignal,wasinsertedbetweendatasignals.Bythis kindofsignalswithalternativepolarity,positiveandnegativerespectively,thethresholdvoltageshift fordrivingTFT,resultingfromthemeta-stablestatesina—Si;H,wouldbekep tinadynamicequilib— riumprocess,thustorealizeOLEDlightingstability. Keywords:OLED;a—Si:H—TFT;thresholdvoltageshift;chargeinjection;meta-stablestates;corn— pensationmethods 作者简介:刘金娥(1981一),女,安徽淮北人,硕士研究生,主要从事 TFT设计及其有源层生长技术研究. „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 用阿拉伯数字表示的数值的书写规则 1.4位和4位以上的数字用三位分节法.例如:2613.3,3.1415926,间隙 大小为1/4,1/2个汉字. 2.纯小数小数点前的”0”不能省略. 3.多位数不能断开转行.例如:将一个小数从小数点处断开,小数点留在行末,小数点后的数字移 下行行首.;将一个百分数在”9,6”前断开,将”9/6”移到下一行等. 4.阿拉伯数字不能与除万,亿及SI词头中文字符号外的汉字数词连用.例如:”十二亿一千五百 万”可以写成”121500万”或”12.15亿”但不能写成”12亿1千5百万”. 当百,千,兆等为法定单位词头时,可以与阿拉伯数字连用.例如:”5000米”可以写成”5千米”,但 “5000天”不能写成”5千天”,天不允许加词头. 5.数值的有效位数应全部写出.