一種兼具閾值電壓與遷移率補償功能的IGZO AM-OLED 像素電路*

李 鼎，王春燕，張 超，黃曉東*

(1.東南大學(xué)MEMS 教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.河北軌道運輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，河北 石家莊 050801)

平板顯示作為一種人機交互的界面，被廣泛應(yīng)用在各類電子系統(tǒng)中。有源矩陣有機發(fā)光二極管顯示技術(shù)(Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AM-OLED)具有視角寬、對比度高、工作溫度范圍寬(-40 ℃到80 ℃)及易于實現(xiàn)柔性顯示等優(yōu)點，因此，被視為是下一代顯示的發(fā)展方向之一[1-3]。AM-OLED 需要采用像素電路驅(qū)動，傳統(tǒng)的AM-OLED像素電路包括:兩個薄膜晶體管(2T，T 表示Transistor)、一個電容器(1C，C 表示Capacitor)和一個有機發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diode，OLED)，相應(yīng)的像素電路也被稱為2T1C 像素電路。其中，薄膜晶體管(Thin-Film Transistor，TFT)在像素電路中起著開關(guān)(用于控制信號的寫入，相應(yīng)的TFT稱為開關(guān)管)與驅(qū)動(用于為OLED 提供驅(qū)動電流，相應(yīng)的TFT 稱為驅(qū)動管)的功能，因此，是發(fā)展像素電路的基礎(chǔ)與核心器件。根據(jù)薄膜晶體管的溝道材料，現(xiàn)有薄膜晶體管主要分為非晶硅、多晶硅及銦鎵鋅氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO)等類型，較之前兩類晶體管，IGZO 型薄膜晶體管因其高遷移率、高可見光透光率和大面積制備均勻性好等一系列優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注[4]。

在實際應(yīng)用中，長時間施加在薄膜晶體管上的電應(yīng)力以及光照等會引起薄膜晶體管的閾值電壓和遷移率發(fā)生漂移[5-6]。閾值電壓和遷移率漂移導(dǎo)致驅(qū)動管的輸出電流發(fā)生變化，這使得像素電路不能給OLED 提供穩(wěn)定的恒流驅(qū)動，從而影響顯示畫面的穩(wěn)定性與均勻性。傳統(tǒng)的2T1C 像素電路不具有晶體管閾值電壓漂移的補償功能，因此，無法滿足高品質(zhì)顯示的需求。為此，各種具有補償驅(qū)動管閾值電壓漂移的像素電路相繼被提出來，它們通常呈現(xiàn)4T2C 或6T1C 等結(jié)構(gòu)[7-8]。不過現(xiàn)有的像素電路通常僅能實現(xiàn)對TFT 閾值電壓漂移的補償，而不具備對TFT 遷移率漂移進行補償?shù)墓δ?，這制約了顯示畫面的穩(wěn)定性[9]。此外，現(xiàn)有的具有閾值電壓補償功能的像素電路還存在尺寸偏大、開口率偏低的缺點，這限制了顯示產(chǎn)品朝大尺寸方向發(fā)展的趨勢[10]。為此，本文提出一種新型的基于IGZO TFT的AM-OLED 像素電路，它同時具備對驅(qū)動管閾值電壓漂移與遷移率漂移進行補償?shù)墓δ?，從而確保了驅(qū)動管輸出電流的穩(wěn)定性，有助于改善顯示品質(zhì)。此外，通過創(chuàng)新電路的驅(qū)動方法，還簡化了像素電路的信號線數(shù)目，從而提高了像素電路的開口率。

1 像素電路結(jié)構(gòu)和工作原理

本文提出的像素電路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，包括:4 個開關(guān)管(T1、T2、T3和T4)、1 個驅(qū)動管T5、2個電容器(Cc和Cs)和1 個OLED，呈5T2C 結(jié)構(gòu)。開關(guān)管T1的漏極連接數(shù)據(jù)信號線VDATA，柵極接掃描控制線VS1，源極連接電容器Cc的A 端，T1用于控制VDATA的信號寫入電容器Cc的A 端。開關(guān)管T2的漏極連接電容器Cc的G 端，柵極連接掃描控制線VS2，源極連接驅(qū)動管T5的漏級，T2用于控制電容器Cs與地線VSS間的通斷。開關(guān)管T3的漏極連接電源線VDD，柵極連接自身的漏極，源極連接驅(qū)動管T5的漏極，T3用于控制電源信號的加載。開關(guān)管T4的漏極連接電源線VDD，柵極連接掃描控制線VS1，源極連接OLED 的陽極，T4用于為OLED 提供負向偏置，這可以緩解OLED 退化速度以及防止其誤發(fā)光[11]。驅(qū)動管T5的漏極連接開關(guān)管T3的源極，柵極連接開關(guān)管T2的漏極，源極連接OLED的陽極，驅(qū)動管T5用于為OLED 提供驅(qū)動電流。

該像素電路對應(yīng)的驅(qū)動信號時序如圖1(b)所示，掃描控制線VS1和VS2的電平分為高電平和低電平，分別用于控制開關(guān)管T1、T2和T4的通斷。電源線VDD為分時復(fù)用線，其低電平為VDD_L，高電平為VDD_H，前者為基準(zhǔn)電壓，后者為電源電壓。數(shù)據(jù)信號線VDATA也為分時復(fù)用線，其低電平為基準(zhǔn)電壓VDATA_L，高電平為數(shù)據(jù)信號VDATA_H。通過復(fù)用，有效減少了像素電路的信號線數(shù)目，從而縮小像素電路尺寸并提高了開口率。

圖1 本文提出的像素電路結(jié)構(gòu)與驅(qū)動信號時序

該像素電路的工作過程分為以下三個階段:

(1)補償階段。如圖1(b)中的Comp 階段所示，掃描控制線VS1和掃描控制線VS2均為高電平，電源線VDD的電壓在補償階段為基準(zhǔn)電壓VDD_L，此時數(shù)據(jù)線VDATA為基準(zhǔn)電壓VDATA_L。在該階段，開關(guān)管T1開啟，電容器Cc的A 端電壓偏置為VDATA_L。開關(guān)管T2和開關(guān)管T4開啟，電容器Cs的S 端電壓被基準(zhǔn)電壓VDD_L拉低。因為在上一幀的發(fā)光階段(圖1(b)的第一個Emit 階段)結(jié)束后，驅(qū)動管T5柵極處于高電平，且驅(qū)動管T5的源極電壓被拉低，所以驅(qū)動管T5導(dǎo)通，兩個電容器均通過開關(guān)管T2和驅(qū)動管T5放電。當(dāng)驅(qū)動管T5的柵源電壓等于其閾值電壓時，放電截止。此時驅(qū)動管T5的柵極電壓VG由式(1)所示:

式中，VTH為驅(qū)動管T5的閾值電壓。該階段主要實現(xiàn)對驅(qū)動管T5的閾值電壓的提取并將其存儲于電容器Cs中。

(2)數(shù)據(jù)寫入階段。如圖1(b)中的Data 階段所示，掃描控制線VS1和掃描控制線VS2均為高電平，電源線VDD電壓在數(shù)據(jù)寫入階段為基準(zhǔn)電壓VDD_L，數(shù)據(jù)信號線VDATA上為數(shù)據(jù)信號VDATA_H。數(shù)據(jù)信號VDATA_H寫入后，電容器Cc的A 端電壓由VDATA_L上升到VDATA_H，由于電容器Cc和電容器Cs的分壓作用，G 點電壓由式(1)變?yōu)槭?2):

因為開關(guān)管T2在該階段初期是開啟的，且因數(shù)據(jù)信號VDATA_H耦合，所以驅(qū)動管T5的柵源電壓大于其閾值電壓，這導(dǎo)致電容器Cs通過驅(qū)動管T5放電。相應(yīng)的放電時間表示為t1。放電開始時驅(qū)動管T5的柵極電壓VG由上述式(2)所示，整個放電過程的驅(qū)動管T5柵極電壓VG變化可由式(3)描述[12]:

式(3)表示兩個電容器的放電電流之和等于驅(qū)動管T5的電流，且由于開關(guān)管T2開啟，驅(qū)動管T5柵漏短接，流過驅(qū)動管T5的電流為飽和電流。其中，μ、Cox和W/L分別表示驅(qū)動管T5的遷移率、柵介質(zhì)層電容密度和寬長比。

對式(3)左右兩邊積分并求解，過程如式(4)所示:

式中，VG(t＝0)已知，如式(2)所示，VG(t＝t1)為電容器Cs放電結(jié)束時的驅(qū)動管T5的柵極電壓，記作VG1，求解式(4)可得到VG1，如式(5)所示:

該階段除了實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的寫入外，也實現(xiàn)了對驅(qū)動管T5遷移率漂移的補償。Vμ表示一個與驅(qū)動管T5遷移率相關(guān)的電壓變量，其表達式如式(6)所示:

由上可知，Vμ是一個關(guān)于μ的負相關(guān)的變量。若驅(qū)動管T5的遷移率μ增加，相應(yīng)的VG1的值減小，從而抑制流經(jīng)OLED 的電流的增加。相反地，若驅(qū)動管T5的μ減小，VG1的值則會增加，進而抑制流過OLED 電流的減小。以上過程有效實現(xiàn)了驅(qū)動管T5的遷移率漂移的補償。

(3)發(fā)光階段。如圖1(b)中的Emit 階段所示，掃描控制線VS1和掃描控制線VS2均為低電平，電源線電壓在該階段為VDD_H。此時開關(guān)管T3和驅(qū)動管T5開啟，T5的輸出電流驅(qū)動OLED 發(fā)光。流過OLED 的電流如式(7)所示

由式(7)可以看出，發(fā)光階段流過OLED 的電流與驅(qū)動管T5閾值電壓無關(guān)。

2 結(jié)果與討論

擬采用計算機技術(shù)輔助設(shè)計工具(Technology Computer Aided Design，TCAD)對上述像素電路進行建模與仿真，以驗證其在驅(qū)動管閾值電壓補償與遷移率補償方面的有效性。如前所述，TFT 是像素電路的基礎(chǔ)與核心器件，因此，精確的TFT 模型是像素電路高精度建模與仿真的前提。本文采用的IGZO TFT(見圖2)呈底柵頂接觸型，自下而上包括:底柵、柵介質(zhì)層、溝道層及源/漏電極。其中，柵介質(zhì)層為36 nm的HfLaO 高介電常數(shù)介質(zhì)，溝道層為60 nm 的IGZO，詳細的TFT 參數(shù)、制備工藝流程及電學(xué)性能見參考文獻[13]。基于態(tài)密度模型建立TFT 模型并進行仿真，建模與仿真涉及的主要IGZO 材料參數(shù)如表1 所示。圖3 為IGZO TFT 的I-V(電流-電壓)傳輸特性曲線，仿真曲線與實際測試曲線重合，證明了模型的精確性。通過I-V曲線提取的TFT 閾值電壓為3.6 V，亞閾值斜率為181 mV/(°)，遷移率為8.8 cm2/(V·s)，TFT 表現(xiàn)出良好的電學(xué)性能。

圖2 本文像素電路中使用的IGZO TFT 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 實驗制備IGZO TFT 和TCAD 仿真TFT 的I-V 曲線比較

表1 IGZO 材料的主要參數(shù)

在建立IGZO TFT 模型之后，接下來采用TCAD對像素電路進行建模與仿真，其中，OLED 模型采用二極管連接的TFT 器件并聯(lián)電容器來實現(xiàn)[14]。其他主要的電路模型參數(shù)如表2 所示。

表2 像素電路建模與仿真參數(shù)

該像素電路的關(guān)鍵節(jié)點電壓和OLED 電流的瞬態(tài)響應(yīng)如圖4 所示。由圖可知，在補償階段(≤50 μs)，驅(qū)動管T5的源極電壓VS被拉低到基準(zhǔn)電壓VDD_L(VDD_L＝-2 V)，柵極電壓VG因電容器Cs放電而逐漸降低，該放電過程直到驅(qū)動管T5關(guān)斷時停止。待補償階段結(jié)束時，電容器Cs兩端電壓(VG-VS)為3.6 V，該值等于驅(qū)動管T5的閾值電壓。以上過程通過驅(qū)動管給預(yù)充電的電容放電的方式實現(xiàn)了閾值電壓的提取。

圖4 像素電路關(guān)鍵節(jié)點電壓與OLED 電流的瞬態(tài)響應(yīng)

接著進入數(shù)據(jù)寫入階段。為便于分析，設(shè)定數(shù)據(jù)信號VDATA_H＝8 V。根據(jù)式(2)，理想情況下該數(shù)據(jù)信號經(jīng)兩個電容器分壓后，最終將使驅(qū)動管T5的柵極電壓抬升5 V。從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動管T5的柵極電壓VG由1.6 V 上升到6.3 V，上升幅度為4.7 V，接近理想情況。以上表明:該階段成功實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號的寫入。此外，由圖4 中的放大圖可以看到，在數(shù)據(jù)寫入階段之初，驅(qū)動管T5的柵極電壓VG隨時間下降，這是由電容器Cs放電造成的，該過程主要用于實現(xiàn)遷移率補償。根據(jù)式(5)，當(dāng)驅(qū)動管T5的遷移率上升時，驅(qū)動管的輸出電流增加；另一方面，電容器Cs放電程度也增加并造成VG下降幅度增大，進而導(dǎo)致了驅(qū)動管的輸出電流降低。類似地，當(dāng)驅(qū)動管T5的遷移率下降時，該過程同樣可實現(xiàn)遷移率補償，達到穩(wěn)定輸出電流的效果。

最后進入發(fā)光階段，此時驅(qū)動管T5導(dǎo)通，工作在飽和狀態(tài)，為OLED 提供穩(wěn)定的驅(qū)動電流。

圖5(a)為當(dāng)驅(qū)動管閾值電壓VTH變化時，驅(qū)動電流IOLED隨數(shù)據(jù)電壓VDATA_H的變化情況。由圖可知，VDATA_H增大，IOLED增大。以上趨勢與式(7)相符合。當(dāng)VTH變化(ΔVTH) ±2 V 時，IOLED變化約為15.1%。這表明:該像素電路能有效補償驅(qū)動管的閾值電壓漂移。圖5(b)為當(dāng)遷移率變化時，驅(qū)動電流IOLED隨數(shù)據(jù)信號VDATA_H的變化情況。當(dāng)驅(qū)動管的遷移率變化±30%時，驅(qū)動電流變化約為9.6%。這表明:本電路能補償驅(qū)動管的遷移率漂移。

圖5 驅(qū)動管的驅(qū)動電流隨數(shù)據(jù)電壓變化

3 結(jié)論

本文提出了一種基于IGZO TFT 的5T2C 像素電路及驅(qū)動方法。理論分析與仿真結(jié)果均表明:該像素電路對驅(qū)動管的閾值電壓漂移與遷移率漂移均具有很好的補償作用，因此，可有效改善驅(qū)動電流的穩(wěn)定性。此外，通過分時復(fù)用還減少像素電路的控制信號線數(shù)目，從而提高了像素電路的開口率。