用于柔性顯示的有機(jī)薄膜晶體管像素驅(qū)動(dòng)電路

周佳燚，任曉辰，胡文平

（1.天津大學(xué) 微電子學(xué)院，天津300200；2.天津大學(xué) 理學(xué)院，天津 300200）

0 引 言

顯示產(chǎn)業(yè)在當(dāng)今和未來(lái)電子產(chǎn)業(yè)占有越來(lái)越重要的比重。在諸多顯示技術(shù)中，基于有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）的 有 源 矩 陣（Active Matrix，AM）顯示技術(shù)因?yàn)槠鋬?yōu)異的顯示畫(huà)質(zhì)和低成本大面積制造、柔性等特點(diǎn)而受到廣泛的重視，被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。AMOLED顯示屏幕每個(gè)像素都由若干個(gè)薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）來(lái)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)镺LED為電流型器件，驅(qū)動(dòng)TFT的閾值電壓的微小改變會(huì)引起OLED電流的變化，導(dǎo)致屏幕顯示亮度不均勻、顯示質(zhì)量降低。因此必須對(duì)像素的TFT驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，采用數(shù)量更多的TFT元件構(gòu)成具有閾值電壓補(bǔ)償功能的電路。在2014年，華星光電公司采用5T1C，即每個(gè)像素包含5個(gè)TFT和1個(gè)電容器件的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)閾值電壓補(bǔ)償功能，屏幕亮度不均勻性小于12%。2016年，京東方公司采用6T1C的電路設(shè)計(jì)，屏幕亮度不均勻性進(jìn)一步減小到10%。目前商業(yè)化的AMOLED電路多采用無(wú)定型硅半導(dǎo)體TFT、低溫多晶硅TFT和金屬氧化物TFT器件，表1總結(jié)了近些年具有代表性的像素驅(qū)動(dòng)電路。這些器件因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)的光刻工藝，因而限制了屏幕整體在低成本工藝和柔性化方面的發(fā)展。

表1 AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路總結(jié)

采用與OLED類(lèi)似的工藝和材料的有機(jī)半導(dǎo)體TFT（OTFT）作為驅(qū)動(dòng)電路，一直是業(yè)界發(fā)展的重點(diǎn)，相關(guān)工作也有報(bào)道，但是目前大部分工作基于2T1C的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路，無(wú)法提供閾值電壓補(bǔ)償功能?；贠TFT器件特點(diǎn)的相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路研究工作包括器件建模、電路設(shè)計(jì)、電路分析和制造，還都處于初步發(fā)展階段。本文采用PSpice工具，針對(duì)OTFT器件特點(diǎn)進(jìn)行了建模，并基于OTFT設(shè)計(jì)了具有閾值電壓補(bǔ)償功能的7T1C像素驅(qū)動(dòng)電路；此外，還針對(duì)OTFT器件的特性和其對(duì)AMOLED屏幕顯示效果的影響進(jìn)行了分析。

1 有機(jī)薄膜晶體管的制備及表征

本文制備了采用氧化鋁介電層和DNTT有機(jī)小分子半導(dǎo)體的OTFT器件，制備方法見(jiàn)文獻(xiàn)[16?17]。器件采用底柵頂接觸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a）所示。在玻璃襯底上，蒸鍍鋁電極作為底柵，陽(yáng)極氧化形成氧化鋁薄膜作為介電層，熱蒸鍍DNTT小分子作為半導(dǎo)體活性層，頂電極由熱蒸鍍金構(gòu)成。器件的轉(zhuǎn)移和輸出?曲線如圖1b），圖1c）所示，器件的寬長(zhǎng)比（/）為20，閾值電壓為-0.4 V，開(kāi)關(guān)比約為10，關(guān)態(tài)電流在柵壓為0 V時(shí)約為10A，載流子遷移率為0.21 cm（/V·s）。以此器件的性能作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步利用PSpice軟件構(gòu)筑OTFT器件的模型，具體如圖1所示。

圖1 OTFT器件結(jié)構(gòu)模型及轉(zhuǎn)移和輸出曲線

2 OTFT像素電路模型

OTFT器件的溝道飽和電流公式如下：

式中：為場(chǎng)效應(yīng)遷移率；C為介電層的單位電容；/為溝道的寬長(zhǎng)比；為柵極電壓；為器件的閾值電壓。此公式僅可以描述柵壓大于閾值電壓部分的器件電流行為。為對(duì)器件進(jìn)行精確建模，本文利用PSpice軟件中的Model Editor工具，以MOSFET3模型為基礎(chǔ)，輸入由實(shí)驗(yàn)得到的部分參數(shù)，如表2所示。

表2 OTFT模型參數(shù)表

此模型考慮了器件的二級(jí)效應(yīng)，采用半經(jīng)驗(yàn)公式，參數(shù)選取項(xiàng)更依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)所獲得的曲線數(shù)據(jù)，對(duì)模擬AMOLED應(yīng)用具有較高的精度，使得計(jì)算結(jié)果誤差在可接受范圍。對(duì)于模型中各參數(shù)的處理可分為三部分：第一部分為表1中列舉的參數(shù)部分，可由實(shí)驗(yàn)條件和OTFT器件電學(xué)性能表征獲得，為已知部分；第二部分為模型中只適用于硅基MOSFET結(jié)構(gòu)和CMOS工藝獲得的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，不適用于OTFT，在此采用默認(rèn)值，包括MJ、PB、FC、RB、PHI等參數(shù)；第三部分為GAMMA、DELTA、ETA、THETA、KAPPA、XJ、VMAX這7個(gè)模型參數(shù)，默認(rèn)數(shù)值為0，保持不變。由模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)移?曲線如圖2所示，與實(shí)驗(yàn)得到的曲線基本吻合，證明了模型在OTFT器件仿真方面具有足夠的精度。

圖2 OTFT轉(zhuǎn)移特性曲線對(duì)比

3 OTFT像素電路的設(shè)計(jì)

基于上述的OTFT器件及其PSPICE模型，本節(jié)設(shè)計(jì)了7T1C結(jié)構(gòu)的AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路，此電路具有閾值電壓補(bǔ)償功能，利用仿真軟件對(duì)像素驅(qū)動(dòng)電路功能進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)屏幕亮度均勻性進(jìn)行了分析。

3.1 電路設(shè)計(jì)的基本原理

AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3a）所示。該電路由1個(gè)驅(qū)動(dòng)OTFT（T）、6個(gè)開(kāi) 關(guān)OTFT（T，T，T，T，T，T）和1個(gè)存儲(chǔ)電容（）組成。，，分別為電壓數(shù)據(jù)信號(hào)線、恒壓源線和接地線；，，，，，EM為控制信號(hào)線。用于控制節(jié)點(diǎn)的復(fù)位和檢測(cè)驅(qū)動(dòng)OTFT的閾值電壓。用于控制數(shù)據(jù)輸入。該像素驅(qū)動(dòng)電路工作過(guò)程可分為三個(gè)階段：初始階段、閾值電壓補(bǔ)償階段和驅(qū)動(dòng)發(fā)光階段。下面簡(jiǎn)要介紹該電路的工作原理和補(bǔ)償原理。

圖3 AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)時(shí)序圖

初始階段：在第一階段，，被設(shè)置為低電平，使T，T開(kāi)啟，給存儲(chǔ)電容充電，因此，節(jié)點(diǎn)電壓V=V=。閾值電壓補(bǔ)償階段：被設(shè)置為高電平以關(guān)閉T，和EM被設(shè)置為低電平以打開(kāi)T和T，節(jié)點(diǎn) 電 壓通過(guò)T，T和T放電，T接地，直到V=。補(bǔ)償階段：設(shè)為低電平，開(kāi)啟T，節(jié)點(diǎn)電壓V=。將設(shè)置為低電平開(kāi)啟T；然后點(diǎn)的電壓為V=||+，EM設(shè)置為高電平關(guān)閉T，將設(shè)置為低電平開(kāi)啟T，此時(shí)==||+。這時(shí)分析流過(guò)OLED的電流：

式中=（1 2）（W L）。從式（2）可以看出，發(fā)光期間的OLED電流與T的閾值電壓無(wú)關(guān)，即流經(jīng)OLED的電流只由決定，不受驅(qū)動(dòng)TFT閾值電壓變化影響。因此，電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)TFT閾值電壓隨機(jī)變化的補(bǔ)償。

3.2 電路仿真分析

采用本文第2節(jié)的OTFT模型為基礎(chǔ)進(jìn)行7T1C電路的仿真分析，電路中的電容設(shè)計(jì)為0.5 pF，的設(shè)計(jì)值為8 V，的電壓范圍為0~3 V。如圖4a）所示，7T1C像素電路在3 V的數(shù)據(jù)電壓下，在像素驅(qū)動(dòng)電路的初始階段，節(jié)點(diǎn)的電壓（V）與節(jié)點(diǎn)的電壓（V）被充電至8 V左右。在閾值電壓補(bǔ)償階段，節(jié)點(diǎn)電壓通過(guò)T，T和T放電，T接地，直到V=||時(shí)為止，此時(shí)點(diǎn)電壓大約為0.4 V。在發(fā)光階段，設(shè)為低電平，接通開(kāi)關(guān)T，節(jié)點(diǎn)電壓V=。將設(shè)置為低電平打開(kāi)T開(kāi)關(guān)，根據(jù)電容的自舉特性，點(diǎn)的電壓為V=||+，此時(shí)點(diǎn)的電壓為3.4 V左右。節(jié)點(diǎn)電壓的仿真結(jié)果和理論分析的結(jié)果基本一致，說(shuō)明7T1C像素電路的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是合理和正確的。以此電路為基礎(chǔ)，人為引入±0.3 V的閾值電壓漂移范圍，得到如圖4b）所示的電路輸出電流和對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果顯示在驅(qū)動(dòng)晶體管的閾值電壓改變的情況下，測(cè)得的OLED電流輸出曲線基本重合，幾乎不受OTFT閾值電壓漂移的影響。

圖4 節(jié)點(diǎn)電壓與瞬態(tài)電流曲線

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖5為本文像素驅(qū)動(dòng)電路的OLED電流的錯(cuò)誤率，以及具有相同電路參數(shù)的傳統(tǒng)2T1C像素電路的錯(cuò)誤率。電流的錯(cuò)誤率定義為：對(duì)于一個(gè)特定的輸入數(shù)據(jù)電壓，像素電路的輸出電流和改變驅(qū)動(dòng)晶體管閾值電壓后的輸出電流的差值與原始像素電路輸出電流的比值，即：

圖5 閾值電壓變化引起的OLED電流的錯(cuò)誤率

結(jié)果表明，與錯(cuò)誤率平均值為72.3%的2T1C像素電路相比，本文設(shè)計(jì)的像素電路的錯(cuò)誤率顯著降低（小于7%），平均值為3.8%。因此，所提出的像素結(jié)構(gòu)對(duì)OTFT特性的變化具有很高的補(bǔ)償能力。

3.4 OTFT遷移率影響

因?yàn)橄袼仳?qū)動(dòng)電路在工作時(shí)，受到屏幕本身發(fā)熱的影響，OTFT器件工作溫度會(huì)升高。此外，對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體，分子間相互作用力以范德華力為主，載流子以高度局域化的方式存在于分子間，載流子傳輸?shù)哪Ｊ揭蕴S（hopping）為主，是熱激發(fā)的過(guò)程，可用如下公式描述：

式中：是溫度無(wú)限大時(shí)的遷移率；為電荷傳輸?shù)幕罨?，?duì)DNTT器件普遍值約為0.05 eV；為玻爾茲曼常數(shù)；為絕對(duì)溫度。溫度升高有利于載流子的傳輸，因此對(duì)于OTFT，載流子遷移率隨溫度升高而升高。由式（1）可知，載流子遷移率增大，OTFT輸出電流增大。為考慮溫度對(duì)最終OLED輸出電流的影響，本文利用PSPICE軟件仿真OTFT遷移率的變化對(duì)屏幕亮度均勻的影響。首先，設(shè)定器件溫度變化范圍為20~60℃。圖6a）為根據(jù)式（4）計(jì)算得到的遷移率隨溫度變化關(guān)系，圖6b）為PSPICE模型計(jì)算得到的OTFT輸出電流隨溫度變化，在溫度等于60℃時(shí)電流改變不超過(guò)8%，與閾值電壓帶來(lái)的影響相當(dāng)。此計(jì)算說(shuō)明了對(duì)于驅(qū)動(dòng)OLED的應(yīng)用場(chǎng)合，使用OTFT器件不僅要考慮閾值電壓補(bǔ)償功能，而且要針對(duì)器件升溫的影響采用相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，以減小溫度對(duì)屏幕亮度均勻性帶來(lái)的影響。本文采用針對(duì)OTFT器件的模型指出了OTFT用于OLED驅(qū)動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生的溫度導(dǎo)致屏幕亮度不均勻的影響，為之后的電路設(shè)計(jì)工作提供了幫助。

圖6 溫度對(duì)遷移率和OTFT輸出電流的影響

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用陽(yáng)極氧化鋁作為柵極和介電層，采用真空蒸鍍DNTT有機(jī)小分子半導(dǎo)體和金電極構(gòu)筑了低功耗高性能的OTFT器件，并且進(jìn)行了電學(xué)性能表征。進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用PSpice軟件中的Model Editor工具來(lái)建立OTFT模型，此模型可用于有機(jī)電路的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。本文以AMOLED顯示背板像素驅(qū)動(dòng)電路為例，基于OTFT模型設(shè)計(jì)了符合OTFT性質(zhì)的具有閾值電壓補(bǔ)償功能的7T1C像素驅(qū)動(dòng)電路。仿真結(jié)果表明，所提7T1C像素電路的發(fā)光電流的非均勻性在較大閾值電壓漂移范圍內(nèi)仍然小于10%，電流誤差率的平均值為3.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2T1C像素電路。該像素電路可有效補(bǔ)償OTFT的閾值電壓漂移，使OLED顯示質(zhì)量更加均勻。