OLED 亮度電路漏電流補(bǔ)償技術(shù)分析

賀 軼

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作廣東中心光電部，廣東 廣州 510555）

0 引言

有機(jī)電致發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）顯示技術(shù)是近些年來(lái)興起的顯示技術(shù)，它被廣泛地應(yīng)用在顯示屏中，相比于傳統(tǒng)的LED液晶顯示器，OLED顯示屏具有以下優(yōu)點(diǎn)：顯示可視角度大，顯著節(jié)省電能，而且能夠應(yīng)用在柔性顯示技術(shù)中［1］。目前，在手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)等顯示領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始逐步取代傳統(tǒng)的LCD顯示屏。與TFT-LCD利用穩(wěn)定的電壓控制亮度不同，AMOLED屬于電流驅(qū)動(dòng)，需要穩(wěn)定的電流來(lái)控制發(fā)光。對(duì)于大型有源矩陣有機(jī)發(fā)光顯示裝置，包括位于掃描線和數(shù)據(jù)線的交叉區(qū)域的多個(gè)像素。每個(gè)像素包括有機(jī)發(fā)光二極管和用于驅(qū)動(dòng)所述有機(jī)發(fā)光二極管的像素電路。像素電路通常包括開(kāi)關(guān)晶體管、驅(qū)動(dòng)晶體管和存儲(chǔ)電容器。有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管的像素特性受到驅(qū)動(dòng)晶體管之間的差異和開(kāi)關(guān)晶體管漏電流的不利因素的影響，因此，通過(guò)這樣的多個(gè)像素顯示的圖像質(zhì)量均勻性和一致性較差［2］。為此，國(guó)內(nèi)外許多公司都先后提出了許多解決漏電流補(bǔ)償?shù)南袼亟Y(jié)構(gòu)，本研究利用專利數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)國(guó)內(nèi)外提出的漏電流補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了檢索，并介紹了其中幾種典型的漏電流補(bǔ)償技術(shù)。

1 傳統(tǒng)的像素電路結(jié)構(gòu)

在這種傳統(tǒng)的有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示裝置中，理想狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管被截止時(shí)，從開(kāi)關(guān)晶體管的源極（Source）流向漏極（Drain）的電流應(yīng)該為零；但是，實(shí)際狀態(tài)下卻會(huì)存在很微小的電流，這種電流被稱為漏電流，這些漏電流會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)電容器存儲(chǔ)的電壓發(fā)生變化。存儲(chǔ)電容器兩端電壓的變化會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)晶體管柵極電壓發(fā)生改變，驅(qū)動(dòng)晶體管柵極電壓的改變會(huì)影響流過(guò)OLED兩端的電流大小，從而導(dǎo)致像素亮度產(chǎn)生預(yù)料之外的變化，這種像素亮度的變化會(huì)對(duì)OLED顯示器的圖像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，漏電流越小，對(duì)像素電流的發(fā)光性能就影響最小。因此，為了使整個(gè)圖像的亮度顯示均勻，提高OLED顯示器的顯示質(zhì)量，需要對(duì)開(kāi)關(guān)晶體管截止時(shí)產(chǎn)生的漏電流進(jìn)行補(bǔ)償。

2 幾種典型漏電流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

2.1 從像素電路結(jié)構(gòu)層面去補(bǔ)償開(kāi)關(guān)晶體管漏電流的相關(guān)技術(shù)

圖1是昆山工研院新型平板顯示技術(shù)中心有限公司在專利申請(qǐng)CN102346999A中公開(kāi)的一種像素結(jié)構(gòu)［3］。

圖1 CN102346999A中的像素電路

在圖1像素電路中，由于第四晶體管T4和第八晶體管T8連接到驅(qū)動(dòng)晶體管T3的柵極節(jié)點(diǎn)N2，在發(fā)光階段，當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管T4、T8截止時(shí)，會(huì)有漏電流流入驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極節(jié)點(diǎn)N2，第二節(jié)點(diǎn)N2電壓在每一幀的發(fā)光時(shí)間段期間電壓發(fā)生改變，具體地講，第一電源ELVDD的電流經(jīng)過(guò)第四晶體管T4和第八晶體管T8，流入第二節(jié)點(diǎn)N2，使得第一電容器C1存儲(chǔ)的電壓升高，從而導(dǎo)致流過(guò)有機(jī)發(fā)光二極管OLED的電流發(fā)生改變。像素101亮度的穩(wěn)定性會(huì)變差，圖像閃爍嚴(yán)重。

該專利申請(qǐng)人采取的技術(shù)手段是：設(shè)置專門的漏電流補(bǔ)償晶體管，也即是圖1中與第四晶體管T4和第八晶體管T8對(duì)稱的第一晶體管T1和第七晶體管T7，以及第三電壓源ELVL，以用于在每一幀的發(fā)光時(shí)間段期間補(bǔ)償?shù)谒木w管T4和第八晶體管T8的漏電流，避免像素101亮度的穩(wěn)定性變差，圖像閃爍嚴(yán)重。

其具體補(bǔ)償原理為：由于T4、T8的漏電流導(dǎo)致柵極節(jié)點(diǎn)N2的電位升高，因此設(shè)置另一個(gè)漏電流路徑，節(jié)點(diǎn)N2經(jīng)過(guò)T1、T7到第三電源ELVL的電流路徑，用于將節(jié)點(diǎn)N2的電位降低。該方案中，將晶體管T1、T7、T4、T8的結(jié)構(gòu)設(shè)置為完全一致，這樣其在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的漏電流是一樣的；第一晶體管T1和第七晶體管T7可以減小經(jīng)過(guò)第一電源ELVDD、第四晶體管T4和第八晶體管T8流入的漏電流導(dǎo)致的第一電容器存儲(chǔ)電壓的升高，且同時(shí)設(shè)置第三電源ELVL的電壓低于第二節(jié)點(diǎn)N2的電壓，電壓差值為VD1；第一電源ELVDD的電壓高于第二節(jié)點(diǎn)N2的電壓，電壓差值為VD2；VD1等于VD2，從而使得通過(guò)第一電源ELVDD、第四晶體管T4和第八晶體管T8流入第二節(jié)點(diǎn)N2的漏電流等于通過(guò)第三電源ELVL、第一晶體管T1和第七晶體管T7流出第二節(jié)點(diǎn)N2的漏電流，這樣能夠恰好抵消晶體管T4、T8關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的漏電流，使得驅(qū)動(dòng)晶體管的T3的柵極節(jié)點(diǎn)電壓保持穩(wěn)定。

由于每個(gè)像素都設(shè)置有漏電流補(bǔ)償晶體管T4、T8，且漏電流補(bǔ)償晶體管用于在像素的發(fā)光階段T3補(bǔ)償由于閾值電壓補(bǔ)償晶體管（如第四晶體管T4和第八晶體管T8）的漏電流造成的驅(qū)動(dòng)晶體管（如第三晶體管T3）的柵極電壓的變化，從而可改善像素的閃爍特性，使得圖像顯示均勻，顯示具有低閃爍圖像質(zhì)量的圖像。

圖2是京東方科技集團(tuán)在專利申請(qǐng)WO201816 1463A1公開(kāi)的一種像素結(jié)構(gòu)［4］。其公開(kāi)了另一種從電路結(jié)構(gòu)層面上去補(bǔ)償開(kāi)關(guān)晶體管的漏電流的技術(shù)。

圖2 WO2018161463A1中的像素電路

該篇專利認(rèn)為補(bǔ)償晶體管T2被關(guān)斷時(shí)流過(guò)補(bǔ)償晶體管T2的漏電流會(huì)引起驅(qū)動(dòng)晶體管T1的柵極電壓Vg的變化。這可能導(dǎo)致在發(fā)光階段期間驅(qū)動(dòng)電流IOLED的變化，從而影響顯示質(zhì)量。

該專利申請(qǐng)中采取的補(bǔ)償漏電流的方法是：首先將補(bǔ)償晶體管T2設(shè)置為雙柵晶體管，雙柵晶體管包括經(jīng)由公共端子串聯(lián)連接的兩個(gè)子晶體管，雙柵晶體管用作補(bǔ)償晶體管是有利的，因?yàn)殡p柵晶體管相比普通的單柵晶體管具有更小的漏電流。然而，雙柵晶體管的公共端子通常被懸浮，使得像素電路的操作易受外部擾動(dòng)的影響。例如，由于外部擾動(dòng)而引起的雙柵晶體管的不期望開(kāi)啟可以導(dǎo)致不正確的數(shù)據(jù)電壓的寫入。又例如，在發(fā)光階段，雙柵晶體管增大的漏電流可以被引起，使得流過(guò)OLED的驅(qū)動(dòng)電流IOLED的量值被改變。因此，該篇專利在將補(bǔ)償晶體管設(shè)置為雙柵晶體管的基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了漏電流抑制部分：電容器Css和肖特基二極管SD，以進(jìn)一步補(bǔ)償漏電流。

其具體補(bǔ)償原理為：由于電容器Css的存在，漏電流引起的電流IOLED的變化可以被補(bǔ)償。這是一個(gè)負(fù)反饋過(guò)程。參照?qǐng)D2，當(dāng)漏電流經(jīng)過(guò)雙柵晶體管T2從第一節(jié)點(diǎn)N1流向第二節(jié)點(diǎn)N2（并且因此IOLED增大）時(shí)，第二節(jié)點(diǎn)N2的電位增大，并且雙柵晶體管的公共端子DD的電位也相應(yīng)地增大。由于電容器Css的自舉效應(yīng)，公共端子DD的電位增大導(dǎo)致第一節(jié)點(diǎn)N1的電位VN1增大。根據(jù)等式Is＝K（Vgs-Vth）2＝K（Vsg+Vth）2（其中Vg＝VN1），當(dāng)Vg增大時(shí)，飽和電流Is減小，從而補(bǔ)償由于漏電流導(dǎo)致的電流IOLED的增大。在實(shí)踐中，這種負(fù)反饋會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，從而得到穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流IOLED。因此，由流過(guò)雙柵晶體管T2的漏電流引起的OLED的驅(qū)動(dòng)電流的變化可以被電容器Css抑制。

肖特基二極管SD被布置成反向截止以在發(fā)光階段P3期間抑制漏電流流過(guò)雙柵晶體管T2。具體地，在圖2的示例電路中，肖特基二極管SD耦合在第一節(jié)點(diǎn)N1和雙柵晶體管T2之間，其中正極連接到雙柵晶體管T2并且負(fù)極連接到第一節(jié)點(diǎn)N1。由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕瑥牡谝还?jié)點(diǎn)N1流向第二節(jié)點(diǎn)N2的漏電流被抑制。因此，由流過(guò)雙柵晶體管T2的漏電流引起的OLED的驅(qū)動(dòng)電流的變化可以被肖特基二極管SD抑制。

通過(guò)采用漏電流抑制結(jié)構(gòu)，可以抑制由流過(guò)雙柵晶體管的漏電流引起的OLED的驅(qū)動(dòng)電流的變化，進(jìn)而提高顯示質(zhì)量。

2.2 從開(kāi)關(guān)晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)去改善開(kāi)關(guān)晶體管的漏電流相關(guān)技術(shù)

涉及四川虹視顯示技術(shù)有限公司在專利申請(qǐng)CN102082181A中公開(kāi)的相關(guān)技術(shù)［5］。

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中開(kāi)關(guān)晶體管的面板的制造方法和結(jié)構(gòu)，在基板上形成緩沖層，然后利用常規(guī)方法，通過(guò)在緩沖層上相繼形成活性層1、柵絕緣層2和柵電極層3和絕緣層7，然后在活性層1兩端的上層中開(kāi)孔，孔內(nèi)分別為和活性層1兩端相接觸的源電極4和漏電極5，從而形成像素電路的開(kāi)關(guān)晶體管T1，為了增加接觸處的導(dǎo)電效果，還在源電極4和漏電極5上設(shè)置了連接金屬薄膜6。由于開(kāi)關(guān)晶體管的上方只有一個(gè)金屬薄膜帶與活性層的交叉點(diǎn)，因此存在漏電流。

圖3 現(xiàn)有技術(shù)中開(kāi)關(guān)晶體管的面板的制造方法和結(jié)構(gòu)

為此該篇專利采取的是增加金屬薄膜帶與活性層的交叉點(diǎn)的方法，來(lái)抑制開(kāi)關(guān)晶體管的漏電流，具體見(jiàn)圖4。參見(jiàn)圖4，一種有機(jī)發(fā)光器件像素電路的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，包括位于最下層的活性層1，位于活性層1之上的柵絕緣層（圖中未示出）和位于柵絕緣層之上的柵電極層3，活性層1的左右兩端分別和源電極4和漏電極5連接，活性層1呈“己”字形，活性層1之上的柵電極層3由雙“十”字形的金屬薄膜帶組成，所述金屬薄膜帶分別通過(guò)活性層1的“己”字形的每一邊并與活性層1形成五個(gè)交叉處，本實(shí)施例可以在相同的活性層長(zhǎng)度上增加金屬薄膜帶與活性層1的交叉點(diǎn)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中開(kāi)關(guān)晶體管T1的上方只有一個(gè)金屬薄膜帶與活性層的交叉點(diǎn)，增加了金屬薄膜帶與活性層的交叉點(diǎn)后，使得開(kāi)關(guān)晶體管T1的開(kāi)關(guān)效果更好，可以更好地抑制漏電流的產(chǎn)生。

圖4 CN102082181A中的開(kāi)關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

從上述幾種漏電流補(bǔ)償技術(shù)可以看出，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)開(kāi)關(guān)晶體管的漏電流的補(bǔ)償大體可分為兩類，一類是從開(kāi)關(guān)晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，從自身減少漏電流，另一類是通過(guò)設(shè)計(jì)一定的電路結(jié)構(gòu)補(bǔ)償開(kāi)關(guān)晶體管的漏電流，或是通過(guò)漏電流抑制結(jié)構(gòu)反向補(bǔ)償漏電流，或是截?cái)嗦╇娏鞯男孤┞窂?。OLED像素電路技術(shù)作為日趨成熟的顯示技術(shù)，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)像素電路時(shí)，不僅要考慮如何補(bǔ)償漏電流的問(wèn)題，還需要綜合考慮像素開(kāi)口率，例如若開(kāi)關(guān)晶體管中增加了金屬薄膜帶與活性層的交叉點(diǎn)后，勢(shì)必要增加開(kāi)關(guān)晶體管的面積，或者電路結(jié)構(gòu)中增加了漏電流抑制模塊，雖然改善了漏電流，但是開(kāi)關(guān)晶體管面積增大，或者增加的漏電流抑制電路都會(huì)影響電路開(kāi)口率，進(jìn)而影響顯示質(zhì)量，同時(shí)還需要考量電路復(fù)雜程度、充電時(shí)間、設(shè)計(jì)成本等多種問(wèn)題。因此，如何綜合考量各方面的顯示不利因素，最終得到一個(gè)理想的像素電路結(jié)構(gòu)，以滿足各方面的設(shè)計(jì)考量，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量顯示是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要付出努力進(jìn)行克服和解決的問(wèn)題。