發(fā)光薄膜沉積技術(shù)中薄膜晶體管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱筱珂， 梁依倩， 劉琳琳*， 劉仰輝， 侯一曼

(1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2. 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

1 引 言

近年來，隨著人們對顯示設(shè)備的顯示效果和實(shí)用性的要求日益提高，在大屏幕、廣視角、曲面屏、超高分辨率、寬色域、裸眼3D和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等方面提出了更高的要求，涌現(xiàn)出更多綜合性、多功能、專業(yè)化的顯示技術(shù)及器件。通過科學(xué)家和實(shí)業(yè)家的共同努力，第三代顯示技術(shù)——有機(jī)發(fā)光二極管(Organic light emitting diode, OLED)和相應(yīng)顯示產(chǎn)品進(jìn)入了市場。與已經(jīng)退出市場的一代顯示技術(shù)陰極射線管(CRT)顯示技術(shù)和當(dāng)下最流行的二代顯示技術(shù)液晶顯示技術(shù)相比，OLED具有廣視角(175°以上)、廣色域、自發(fā)光、響應(yīng)速度快(1 μs)、驅(qū)動(dòng)電壓低、發(fā)光效率高、面板薄、質(zhì)量輕、工藝簡單、容易實(shí)現(xiàn)柔性顯示等諸多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代顯示技術(shù)的最新發(fā)展成果[1]，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

OLED顯示技術(shù)是利用有機(jī)半導(dǎo)體材料在電流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)光來實(shí)現(xiàn)顯示的技術(shù)[2]，按顯示方式可以分為無源矩陣驅(qū)動(dòng)OLED(Passive matrix OLED,PMOLED)和有源矩陣驅(qū)動(dòng)OLED(Active matrix OLED,AMOLED)[3-6]兩大類。PMOLED驅(qū)動(dòng)顯示方式是使用簡單的矩陣交叉屏結(jié)構(gòu)，其顯示需要很高的工作電壓和工作電流，這會(huì)造成功耗的增加以及發(fā)光效率的急劇下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致像素之間產(chǎn)生“交叉串?dāng)_效應(yīng)”，從而降低顯示屏的穩(wěn)定性和壽命，一般主要應(yīng)用在車載顯示器、PAD、MP3、儀器儀表等小尺寸顯示器中。而智能手機(jī)、平板電腦、電視等高分辨、大尺寸顯示器一般采用有源矩陣驅(qū)動(dòng)模式的AMOLED顯示。有源矩陣驅(qū)動(dòng)OLED采用薄膜晶體管(TFT)尋址方式，每個(gè)像素都配備有具有尋址功能的開關(guān)TFT、阻抗較小的驅(qū)動(dòng)TFT以及用來存儲(chǔ)電荷的電容。該驅(qū)動(dòng)方式可避免PMOLED中占空比的問題，更容易實(shí)現(xiàn)高亮度、高效率、低功耗、高分辨的顯示。因此，盡管AMOLED的TFT電路結(jié)構(gòu)和工藝制作比較復(fù)雜，技術(shù)門檻高，但其高度集成化和小型化以及優(yōu)越的顯示效果使其成為OLED顯示技術(shù)的主流技術(shù)。

現(xiàn)階段OLED顯示圖案化薄膜成膜技術(shù)主要有精細(xì)金屬掩膜蒸鍍[7]、噴墨打印技術(shù)[8]、激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移技術(shù)[9]、光刻技術(shù)[10]等，它們或多或少存在著設(shè)備復(fù)雜、材料利用率低、實(shí)現(xiàn)條件苛刻或圖案化精度較低等缺點(diǎn)，限制了大面積OLED顯示大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。電化學(xué)聚合技術(shù)[11-13]又稱電化學(xué)沉積技術(shù)，是電化學(xué)合成的一個(gè)重要分支，是共軛聚合物合成的重要方法，它利用電化學(xué)活性的前體分子在電極/溶液界面處發(fā)生氧化或還原偶聯(lián)反應(yīng)來制備功能性聚合物薄膜。電聚合技術(shù)的特點(diǎn)在于：其制備效率高，聚合物合成與定向沉積可一步完成；制備工藝簡單，可在常溫常壓下進(jìn)行；聚合薄膜的導(dǎo)電性、摻雜度、薄膜厚度、表面形貌等性質(zhì)可以通過調(diào)控電聚合參數(shù)來獲??；如果對電極進(jìn)行圖案化處理，通過對電聚合信號的控制以及更換紅綠藍(lán)三色染料的電解質(zhì)，便可以選擇性地在電極表面沉積圖案化彩色發(fā)光薄膜[14]。因此，電化學(xué)聚合可以發(fā)展成為大面積、低成本、高精度的彩色圖案化薄膜制備技術(shù)。

OLED-RGB彩色顯示技術(shù)具有效率高、視角寬、響應(yīng)快等特點(diǎn),但由于掩膜版尺寸(真空蒸鍍法)和像素打印均勻性(噴墨打印法)限制，目前大尺寸顯示終端上仍然無法使用。目前的大尺寸8k顯示終端依然是基于成熟的LED液晶顯示技術(shù)，使用白光光源配合濾色片，整個(gè)過程中色彩和能量損失較大，不容易制備高效高清晰度顯示終端，如4k、8k電視等。本課題組發(fā)展了一種全新的無掩膜低成本的彩色薄膜沉積技術(shù)——薄膜晶體管(Thin-film transistor,TFT)導(dǎo)向的薄膜沉積技術(shù)(TFT directed dye electrodeposition,TDDE)，將有源驅(qū)動(dòng)矩陣OLED顯示基板上的TFT驅(qū)動(dòng)電路作為電化學(xué)聚合的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)彩色發(fā)光薄膜的選擇性定向沉積[14]。這種方法用電化學(xué)定向沉積方法制備有機(jī)電致發(fā)光二極管，與AMOLED顯示中的TFT陣列驅(qū)動(dòng)技術(shù)相配合，取兩種技術(shù)之所長，從原理上適合制備高均勻性、大尺寸高清RGB顯示終端。

溝道寬長比是薄膜晶體管性能的重要指標(biāo)，溝道寬長比越大，載流子越容易漂移，閾值電壓就越小，漏電流(柵壓為零時(shí)源漏極間的電流)越大，開態(tài)電流(柵壓大于閾值電壓時(shí)源漏極間的電流)越大[15]。而不同功能的TFT有不同寬長比的選擇：作為開關(guān)管時(shí)，用于尋址，很小的寬長比就可以滿足開關(guān)的功能；作為驅(qū)動(dòng)管時(shí)，用于控制流過OLED的電流大小，從而調(diào)節(jié)OLED顯示的亮度和灰階，需要考慮開關(guān)比要足夠大，源漏極間的電流才能滿足像素的驅(qū)動(dòng)要求，然而寬長比太大，基板上像素空間受限，會(huì)影響OLED的開口率,導(dǎo)致發(fā)光效率的降低[16]。本文選用不同寬長比的AMOLED基板，對這些基板上的TFT性能以及不同柵壓條件下制備的薄膜性能進(jìn)行表征，以研究TFT柵壓和寬長比對電化學(xué)聚合行為的影響，對電聚合薄膜條件進(jìn)行優(yōu)化，提高電化學(xué)聚合技術(shù)應(yīng)用于AMOLED基板所制備薄膜的質(zhì)量。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及方法

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)由上海辰華公司CHI630E電化學(xué)工作站完成。AMOLED基板的TFT控制電化學(xué)聚合的等效電路圖如圖1(a)所示。電解池為三電極體系(包括工作電極、參比電極和對電極)，工作電極為AMOLED基板，通過軟帶將電聚合信號輸入，如圖1(b)；參比電極為Ag/Ag+(0.01 molL-1)，工作電極的電信號都是以參比電極的電勢做參照；對電極為金屬鈦板。整體電解池框架見圖1(c)。

TFT的特征曲線是在空氣中用Cascade RF1探針臺結(jié)合半導(dǎo)體分析儀(Keithley 2636B)測試獲得。樣品的熒光顯微鏡照片通過Leica公司型號為DM4000的熒光顯微鏡采集。AMOLED基板由廣州新視界光電有限公司制作。實(shí)驗(yàn)所用的TFT是基于銦鎵鋅氧化物(IGZO)作為有源層材料。因?yàn)樵谘趸锉∧ぞw管的制備過程中，半導(dǎo)體薄膜材料對酸比較敏感，所以在用濕法刻蝕法來刻蝕源漏金屬電極時(shí)，很容易破壞氧化物半導(dǎo)體層，因此通常采用增加一層刻蝕阻擋層(ESL)來保護(hù)氧化物半導(dǎo)體層，因而采用的是刻蝕阻擋層的底柵型TFT結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?；贗GZO為有源層的TFT具有適合大面積制作、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其遷移率相對于低溫多晶硅(Low temperature poly-silicon,LTPS)TFT等其他類型TFT較低，在與工作電極串聯(lián)使用時(shí)，其壓降可能對于電聚合結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 TFT控制電聚合實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(a)TFT控制電聚合的等效電路;(b)壓上軟帶后的AMOLED電聚合基板;(c)三電極體系的電解池。

Fig.1 Schematic diagram of TFT control electrical polymerization experimental device. (a)Equivalent circuit of TFT control electrical polymerization. (b)AMOLED electropolymerization substrate after pressing on the soft band. (c)Electrolytic cell with three-electrode system.

圖2 TFT結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 不同寬長比TFT控制電聚合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中工作電極均采用AMOLED基板上尺寸為200 μm×200 μm的ITO像素電極，TFT寬長比包括20 μm/10 μm、50 μm/10 μm、100 μm/10 μm 3種?；鍓荷宪泿Ш蠼?jīng)過蒸餾水、異丙醇超聲清洗、烘干，之后采用熱蒸鍍的方法將2 nm厚的金納米粒子(Au-NPs)薄層通過掩膜板蒸鍍在ITO電極表面，目的是修復(fù)ITO電極表面的缺陷，改善ITO電極的浸潤性、可逆性、提高電極的表面功函數(shù)，并且對OCBzC的聚合反應(yīng)有催化效應(yīng)[18-19]。發(fā)光材料采用OCBzC綠色染料單體，支持電解質(zhì)采用0.1 mol/L的六氟磷酸四丁基銨(TBAPF6)[20-22]，電解液是由二氯甲烷和乙腈組成的混合溶劑(體積比為3∶2)。配好溶液后，在電解池中采用三電極體系進(jìn)行電化學(xué)聚合,電聚合過程采取循環(huán)伏安法[23]掃描，掃描電位范圍為-0.5～0.83 V，掃描速度為50 mV/s，掃描圈數(shù)為10圈。聚合完成后經(jīng)二氯甲烷沖洗后再用乙腈沖洗，清洗后的基板用氮?dú)獯蹈伞?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 不同寬長比TFT的性能表征

AMOLED中最基本的TFT驅(qū)動(dòng)電路為由兩個(gè)TFT和一個(gè)存儲(chǔ)電容組成的2T1C電路，如圖3所示，T1管為開關(guān)管，T2管為驅(qū)動(dòng)管，通過恒壓電源給T1柵極一個(gè)電壓來控制T1的開關(guān)，當(dāng)所給電壓值Vdata大于T2的閾值電壓時(shí)，T2呈導(dǎo)通狀態(tài)，電聚合信號從Vdd輸入到ITO表面上，電容C用來存儲(chǔ)電荷，可以在整個(gè)幀周期保持輸入OLED的電信號。在實(shí)際應(yīng)用中，為了解決亮度的均勻性和灰度的精確性問題，人們提出了4T2C、5T2C、7T1C等甚至更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路對TFT的閾值電壓進(jìn)行補(bǔ)償。驅(qū)動(dòng)管的源漏極與電聚合基板串聯(lián)，對于電聚合的影響最大，這里我們主要討論驅(qū)動(dòng)管寬長比變化對于電聚合的影響。

圖3 2T1C控制AMOLED電路圖

在進(jìn)行電化學(xué)聚合前，首先要對不同寬長比TFT的性能進(jìn)行測試，來表征TFT性能的好壞以及探究其是否能用于控制電化學(xué)聚合。測試不同寬長比TFT所得到的轉(zhuǎn)移曲線和輸出曲線如圖4所示。從TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線來看，3種寬長比的TFT閾值電壓都在-1～0 V之間，在負(fù)柵壓下TFT處于關(guān)閉狀態(tài)，在正柵壓下處于工作狀態(tài)，體現(xiàn)出TFT的開關(guān)性能。在工作狀態(tài)中，隨著柵極電壓的增加，同一源漏電壓下的源漏電流也會(huì)相應(yīng)地增加,且TFT寬長比越大，同一源漏電壓下產(chǎn)生的源漏電流也更大。采用下列公式[24]計(jì)算TFT遷移率：

Ids=(W/2L)μCi(Vg-Vth)2，

(1)

其中W/L是TFT寬長比，Ids是飽和漏電流，μ是遷移率，Ci是柵極和源漏極間的單位面積電容，Vg是柵壓，Vth是閾值電壓。經(jīng)過計(jì)算得到TFT的遷移率約為20 cm2·V-1·s-1。

電聚合發(fā)光薄膜所給的電信號最大值一般在1 V左右，我們以1 V為例，從輸出特性曲線可以看出，1 V時(shí)TFT處于線性區(qū)，因此在給TFT一個(gè)正柵壓時(shí)，TFT可以等效為一個(gè)純電阻。20 μm/10 μm、50 μm/10 μm、100 μm/10 μm 3種寬長比TFT在10 V、20 V柵壓下的等效電阻如表1所示。

表1 不同寬長比TFT在Vds=1 V條件下的等效電阻

Tab.1 Equivalent resistance of TFT with different width-length ratios atVds=1 V

柵壓20 μm/10 μm50 μm/10 μm100 μm/10 μm10 V232 kΩ91 kΩ49 kΩ20 V90 kΩ36 kΩ19 kΩ

在10 V柵壓和1 V源漏電壓下，寬長比為20 μm/10 μm、50 μm/10 μm、100 μm/10 μm的TFT對應(yīng)的等效電阻值分別約為232,91,49 Ω，在20 V柵壓和1 V源漏電壓下，寬長比為20 μm/10 μm、50 μm/10 μm、100 μm/10 μm的TFT對應(yīng)的等效電阻值分別約為90，36，19 kΩ，而在小像素尺寸中的電聚合電流在10-9～10-7A之間，也就是說TFT產(chǎn)生的電壓壓降約為10-5～10-2V，這對1 V左右的電聚合掃描電壓有一定的影響，但影響不大。因此，在原理上，在AMOLED基板上TFT可以作為開關(guān)用于控制電聚合反應(yīng)的發(fā)生或禁阻。

圖4 不同寬長比TFT的轉(zhuǎn)移曲線和輸出曲線。(a)20 μm/10 μm的轉(zhuǎn)移特性曲線;(b)20 μm/10 μm的輸出特性曲線;(c)50 μm/10 μm的轉(zhuǎn)移特性曲線;(b)50 μm/10 μm的輸出特性曲線;(e)100 μm/10 μm的轉(zhuǎn)移特性曲線;(f)100 μm/10 μm的輸出特性曲線。

Fig.4 Transfer curve and output curve of TFT with different width-length ratio. (a)Transfer characteristic curve of 20 μm/10 μm. (b)Output characteristic curve of 20 μm/10 μm. (c)Transfer characteristic curve of 50 μm/10 μm. (d)Output characteristic curve of 50 μm/10 μm. (e)Transfer characteristic curve of 100 μm/10 μm. (f)Output characteristic curve of 100 μm/10 μm.

3.2 不同寬長比TFT控制電聚合曲線分析

為探究TFT寬長比和柵壓對電聚合過程的影響，我們設(shè)計(jì)了20 μm/10 μm、50 μm/10 μm、100 μm /10 μm 3個(gè)不同寬長比的TFT在10 V和20 V正柵壓控制下及無TFT條件下的電聚合OCBzC發(fā)光薄膜實(shí)驗(yàn)，電化學(xué)聚合曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，在同一寬長比下，給TFT的柵極電壓越高，其電聚合電流越大，這是由于柵壓越高，其在溝道中形成的導(dǎo)電粒子越多，在相同源漏電壓下流過的電流也相應(yīng)增大，因此，增大TFT柵壓有利于電聚合的發(fā)生。且通過對比不同寬長比下柵壓對電聚合的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在較低的寬長比中柵壓對電流影響較為明顯，而在較高的寬長比中，隨著柵壓的增加電流也有所上升，但上升幅度不高。在同一柵壓下，TFT寬長比越大，電聚合的電流越大，越接近于沒有TFT控制下的電聚合曲線，這是因?yàn)閷掗L比決定其導(dǎo)電溝道的面積，導(dǎo)電溝道越大，在同柵壓下產(chǎn)生的導(dǎo)電粒子越多，其源漏電流也越大，這些TFT特性可以通過TFT的輸出特性曲體現(xiàn)出來。

我們根據(jù)上述的電化學(xué)聚合曲線做出不同柵壓和TFT寬長比條件下的二聚咔唑的氧化峰電流值與聚合圈數(shù)的關(guān)系曲線，如圖6所示?？梢钥闯龆圻沁虻难趸咫娏髦蹬c聚合圈數(shù)接近線性關(guān)系，隨著聚合圈數(shù)增多，氧化峰電流值越大；且TFT寬長比越大，所加?xùn)艍涸礁撸圻沁虻难趸咫娏髦翟浇咏鼪]有TFT時(shí)的聚合情況，其中寬長比為50 μm/10 μm和100 μm/10 μm的TFT控制下的聚合電流增長情況非常接近。在AMOLED中，考慮到TFT的面積是影響OLED開口率的一大因素，因此，寬長比為50 μm/10 μm的TFT比寬長比100 μm/10 μm的TFT更適合做電聚合發(fā)光層的驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 不同條件下OCBzC薄膜的電化學(xué)聚合曲線。(a)TFT寬長比為20/10，Vg=10 V;(b)TFT寬長比為20/10，Vg=20 V;(c)TFT寬長比為50/10，Vg=10 V;(d)TFT寬長比為50/10，Vg=20 V;(e)TFT寬長比為100/10，Vg=10 V;(f)TFT寬長比為100/10，Vg=20 V;(g)無TFT條件下聚合。

Fig.5 Electrochemical polymerization curves of OCBzC films under different conditions. (a)20/10,Vg=10 V. (b)20/10,Vg=20 V. (c)50/10,Vg=10 V. (d)50/10,Vg=20 V. (e)100/10,Vg=10 V. (f)100/10,Vg=20 V. (g)Without TFT.

圖6 不同條件下的二聚咔唑的氧化峰電流值與聚合圈數(shù)的關(guān)系曲線。(a)TFT寬長比分別為20/10、50/10、100/10，Vg=10 V和無TFT條件下聚合;(b)TFT寬長比分別為20/10、50/10、100/10，Vg=20 V和無TFT條件下聚合。

Fig.6 Relation curves between oxidation peak current value and polymerization winding number of dipolyazole under different conditions. (a)Width-length ratios of TFT are 20/10, 50/10, 100/10,Vg=10 V and polymerization without TFT. (b)Width-length ratios of TFT are 20/10, 50/10 and 100/10, respectively.Vg=20 V and the polymerization is performed without TFT.

3.3 不同寬長比TFT控制電聚合薄膜表征

進(jìn)一步地，我們對電聚合形成的發(fā)光薄膜進(jìn)行表征，為使對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果更清晰，采用熒光顯微鏡觀察薄膜表面，在紫外光條件下對薄膜的形貌進(jìn)行初步表征，如圖7所示。

圖7中，OCBzC聚合薄膜在紫外光激發(fā)下呈現(xiàn)出黃綠色的發(fā)光效果，可以明顯觀察到薄膜的發(fā)光強(qiáng)弱不同，這是由于薄膜的厚度大小不同所致。在同一寬長比的TFT控制下，20 V柵壓下的聚合薄膜比10 V柵壓下的薄膜要厚一些，且在較低寬長比中不同柵壓下薄膜厚度差別較大；在同一柵壓控制下，寬長比越大，聚合薄膜越厚，且薄膜厚度越接近于無TFT控制下的薄膜厚度。進(jìn)一步驗(yàn)證了TFT的柵極電壓和寬長比對電聚合薄膜的影響，其中柵壓的影響在低寬長比中效果較為明顯，在較高寬長比中柵壓的影響不大，且寬長比越大，其電聚合現(xiàn)象越接近于無TFT控制的電聚合行為。

圖7 電聚合薄膜在紫外光激發(fā)下的顯微鏡圖片。(a)TFT寬長比為20/10，Vg=10 V;(b)TFT寬長比為20/10，Vg=20 V；(c)FT寬長比為50/10，Vg=10 V；(d)TFT寬長比為50/10，Vg=20 V;(e)TFT寬長比為100/10，Vg=10 V;(f)TFT寬長比為100/10，Vg=20 V;(g)無TFT條件下聚合。

Fig.7 Microscope images of electropolymerized thin films excited by ultraviolet light. (a)Width/length ratio of TFT is 20/10,Vg=10 V. (b)Width/length ratio of TFT is 20/10,Vg=20 V. (c)Width to length ratio of TFT is 50/10,Vg=10 V. (d)Width to length ratio of TFT is 50/10,Vg=20 V. (e)Width/length ratio of TFT is 100/10,Vg=10 V. (f)Width/length ratio of TFT is 100/10,Vg=20 V. (g)Polymerization without TFT.

4 結(jié) 論

本文探究了TFT寬長比和柵壓對電聚合行為和聚合薄膜質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)中采用像素尺寸大小為200 μm×200 μm的AMOLED基板，通過TFT來控制發(fā)光薄膜在ITO像素上的電化學(xué)聚合過程。在同一寬長比的TFT控制下，20 V柵壓下的電聚合電流比10 V柵壓下的電聚合電流大，薄膜厚度較大，發(fā)光亮度較高，柵壓對較低寬長比TFT控制電聚合過程的影響較大；在不同寬長比的TFT控制下，寬長比越大，同柵壓下電聚合電流越大，薄膜厚度越大，發(fā)光越明亮，且高的寬長比電聚合行為與無TFT控制下的電聚合行為越相近。電聚合反應(yīng)中氧化峰值電流與聚合圈數(shù)基本是線性關(guān)系，柵壓越大，不同寬長比TFT的電流增長情況越相近，在較大柵壓下，選擇寬長比為50 μm/10 μm的TFT最為適宜。研究結(jié)果為電化學(xué)聚合技術(shù)在AMOLED顯示中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。