基于a-IGZO TFT 的AMOLED 像素電路穩(wěn)定性的仿真研究

賈田穎，詹潤澤，董承遠(yuǎn)

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 電子工程系，上海 200240)

1 引 言

有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)具有自發(fā)光、亮度高、對比度高、超薄、低成本、低功耗、視角寬、工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)前顯示器研究的熱點(diǎn)。OLED 顯示器按照驅(qū)動(dòng)方式可分為有源驅(qū)動(dòng)和無源驅(qū)動(dòng)，其中，有源矩陣有機(jī)發(fā)光顯示(AMOLED)將成為OLED 的主流。在AMOLED 面板中，每個(gè)像素都有自己獨(dú)立的TFT 驅(qū)動(dòng)電路對像素進(jìn)行控制和供電［1-2］。為了使OLED 顯示器獲得更高的分辨率、更大的尺寸以及更快的響應(yīng)速度，更高性能的TFT 器件有待開發(fā)。傳統(tǒng)的非晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)的一些缺陷限制了它的進(jìn)一步發(fā)展，因此人們將目光投向了新型半導(dǎo)體材料。其中，非晶銦鎵鋅氧化物(a-IGZO)因具有高遷移率、完全透明、均一性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)有望為AMOLED 提供性能更好的驅(qū)動(dòng)功能［3-4］。

盡管a-IGZO TFT 非常適合構(gòu)成AMOLED 的像素電路，但仍有許多技術(shù)難題亟待解決［5］。雖然a-IGZO TFT 的穩(wěn)定特性優(yōu)于a-Si TFT，但在偏置電壓的長期作用下，a-IGZO TFT 的閾值電壓仍會(huì)發(fā)生明顯的漂移現(xiàn)象，從而影響OLED 器件的發(fā)光性能［6］。本文采用數(shù)值仿真的方法深入探討了a-IGZO TFT 的閾值電壓變化對2T1C 和3T1C 像素電路性能的影響，對上面兩種電路進(jìn)行了比較并討論了進(jìn)一步改善電路特性的技術(shù)方案。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 a-IGZO TFT 的基本電學(xué)特性

本研究采用一種雙層有源層結(jié)構(gòu)的a-IGZO TFT 器件(器件結(jié)構(gòu)見圖1(a)，具體制備工藝見文獻(xiàn)［7］)作為研究對象，通過探針臺(tái)和半導(dǎo)體參數(shù)測試儀(Keithley 4200)測量了TFT 器件的基本電學(xué)特性。圖1 是a-IGZO TFT 的轉(zhuǎn)移(Ids-Vgs)和輸出(Ids-Vds)特性曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取了a-IGZO TFT 器件的性能參數(shù)(具體提取方法見文獻(xiàn)［7］)，器件的場效應(yīng)遷移率為4.7 cm2·V－1·s－1，亞閾值擺幅為0.69 V/dec，閾值電壓為2.82 V，開關(guān)比達(dá)到106以上。結(jié)果表明，我們制備的a-IGZO TFT 具有良好的電學(xué)特性，能夠滿足AMOLED 像素電路對TFT 特性的基本要求［8-9］。

圖1 a-IGZO TFT 的基本特性曲線。(a)轉(zhuǎn)移曲線(Ids-Vgs);(b)輸出曲線(Ids-Vds)。Fig.1 Electrical characteristics of a-IGZO TFT.(a)transfer curve (Ids-Vgs).(b)output curve (Ids-Vds).

2.2 a-IGZO TFT 的電學(xué)穩(wěn)定性

圖2 (a)在直流正向偏壓應(yīng)力(Vgs=20 V，Vds=0 V)測試下，a-IGZO TFT 隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)移特性曲線(Vds=10 V);(b)閾值電壓隨應(yīng)力測試時(shí)間的變化曲線。Fig.2 (a)Transfer curves at Vds=10 V for a-IGZO TFT as a function of duration time during positive bias stress (Vgs=20 V，Vds=0 V).(b)Threshold voltage (Vth)shifts as a function of stress time.

TFT 器件閾值電壓的穩(wěn)定性是影響AMOLED像素電路穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素［10］。本研究采用直流柵極偏壓應(yīng)力(DC positive gate bias stress)測試方法研究了a-IGZO TFT 器件的穩(wěn)定性，測量結(jié)果如圖2(a)所示。結(jié)果表明，Ids-Vgs曲線向右漂移，器件的閾值電壓增大，但場效應(yīng)遷移率和亞閾值擺幅基本不變。參考文獻(xiàn)［11］采用的方法，我們對閾值電壓隨測試時(shí)間變化的關(guān)系曲線進(jìn)行了擬合，具體結(jié)果如圖2(b)所示，實(shí)驗(yàn)中測得的閾值電壓變化量ΔVth滿足以下方程:

其中電壓偏置時(shí)間t 采用s 為單位。

2.3 a-IGZO TFT 仿真模型的建立

目前在所有Spice 軟件中都還沒有a-IGZO TFT 的器件模型，所以在仿真研究中我們采用a-Si TFT 的RPI 模型加以替代。根據(jù)a-IGZO TFT 的轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線，我們利用AIM-Extract 軟件提取了器件參數(shù)。具體提取過程如下:將漏極電流(Ids)隨漏極電壓(Vds)變化的數(shù)據(jù)(Ids-Vds)、漏極電流隨柵極電壓(Vgs)的變化數(shù)據(jù)(Ids-Vgs)導(dǎo)入AIM-Extract，設(shè)定器件的物理尺寸、導(dǎo)帶遷移率等參數(shù)，進(jìn)行擬合得到了a-IGZO TFT 的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)際導(dǎo)出的SPICE 模型語句如下:

3 仿真及分析

3.1 2T1C 和3T1C 像素電路

本文對基于a-IGZO TFT 的2T1C 和3T1C 像素電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究，具體像素電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在這兩種電路中，T1是開關(guān)TFT，負(fù)責(zé)控制像素是否選通。當(dāng)控制信號(hào)Vselect為ON 狀態(tài)時(shí)，T1導(dǎo)通，數(shù)據(jù)電壓Vdata為儲(chǔ)存電容Cst充電，同時(shí)，2T1C 電路中的T2和3T1C 電路中的T3作為驅(qū)動(dòng)TFT 使OLED 通電發(fā)光:當(dāng)Vselect處于OFF 狀態(tài)時(shí)，Cst維持驅(qū)動(dòng)TFT 的柵極電壓，保證OLED 能持續(xù)發(fā)光并且發(fā)光亮度不發(fā)生太大的變化。

本文所研究的3T1C 像素電路由Kim 和Kanicki在2002年提出［9］。在這個(gè)電路中，有源電阻(Active resistor)T2代表了電流補(bǔ)償電路。它的柵極和漏極連接在一起，所以一直工作在飽和區(qū)。工作電流決定了有源電阻上的壓降。當(dāng)電路由于某種原因，比如驅(qū)動(dòng)TFT 的閾值電壓增大或者OLED 的啟動(dòng)電壓增大時(shí)，若經(jīng)過有源電阻的電流減小，那么它之上的壓降也隨之減小。這將允許一個(gè)高電流回流OLED 像素，從而對驅(qū)動(dòng)TFT 和OLED 的變化進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。

圖3 (a)2T1C 像素電路;(b)3T1C 像素電路。Fig.3 (a)2T1C pixel circuit.(b)3T1C pixel circuit.

3.2 像素電路穩(wěn)定性的仿真研究

研究結(jié)果表明，當(dāng)電壓偏置時(shí)間增長時(shí)，a-IGZO TFT 的閾值電壓會(huì)發(fā)生漂移。利用前面得到的a-IGZO TFT 參數(shù)，建立SPICE 模型并使用SmartSpice 軟件對2T1C 和3T1C 像素電路進(jìn)行仿真。通過修改TFT 模型中的VTO 參數(shù)，可以改變每個(gè)TFT 的閾值電壓，從而可以模擬出電壓偏置時(shí)間增長時(shí)電路的具體表現(xiàn)，并獲得流過OLED的電流的變化結(jié)果。由于在一幀周期內(nèi)的未選通期間，T1的漏電流會(huì)導(dǎo)致Cst儲(chǔ)存的電荷逐漸減少，從而使得驅(qū)動(dòng)TFT 的柵極電壓降低，所以像素電流并不是恒定的，而是會(huì)隨之慢慢降低。為了方便對電流大小進(jìn)行討論，采用均方根電流來表示一幀周期內(nèi)的像素電流，記作Irms。

利用方程(1)，每隔30 min 取一個(gè)點(diǎn)，計(jì)算Vth值，時(shí)間范圍為3 h。將這些Vth代入TFT 模型中進(jìn)行仿真，得到在不同數(shù)據(jù)電壓下OLED 均方根電流的變化情況，結(jié)果如圖4 所示。圖4(a)、(b)分別是在不同數(shù)據(jù)電壓Vdata下2T1C 和3T1C像素電路中，電流Irms隨電壓偏置時(shí)間的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著電壓偏置時(shí)間的延長，各TFT的閾值電壓發(fā)生變化導(dǎo)致Irms發(fā)生相應(yīng)改變。從仿真結(jié)果可以看出Irms在逐漸減小，減小的幅度很明顯。當(dāng)通電時(shí)間達(dá)到3 h 時(shí)，2T1C 的Irms不及初始值的1/2(38%～42%)，3T1C 的Irms稍微穩(wěn)定一些(39%～52%)。圖4(c)選取了初始電流為4 μA 的兩組Irms進(jìn)行比較。從圖中可以看出，3T1C 像素電路中的Irms變化幅度比2T1C 略小，這是由于有源電阻對閾值電壓的漂移起到了一定補(bǔ)償作用。

圖4 (a)2T1C 像素電路的電流隨時(shí)間的變化;(b)3T1C 像素電路的電流隨時(shí)間的變化;(c)初始電流為4 μA 時(shí)，兩個(gè)電路的穩(wěn)定特性比較。Fig.4 (a)Irmsvs.t of 2T1C.(b)Irmsvs.t of 3T1C.(c)comparison of the two circuits when the original current was 4 μA.

3.3 3T1C 像素電路穩(wěn)定性的改善

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，3T1C 的有源電阻確實(shí)對閾值電壓的漂移能夠起到部分的補(bǔ)償作用，但效果仍不夠好，OLED 電流的變化幅度仍較大。我們通過研究發(fā)現(xiàn)調(diào)整有源電阻T2的寬長比(W/L)，即改變它的阻值大小，可以增強(qiáng)它對閾值電壓變化的補(bǔ)償能力。

本文選取了5 組不同的寬長比:4 μm/24 μm，4 μm/12 μm，4 μm/4 μm，12 μm/4 μm，24 μm/4 μm，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了電流變化量與T2寬長比的關(guān)系，如圖5 所示。

圖5 3T1C 像素電路在不同T2寬長比情況下的OLED 均方根電流隨電壓偏置時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 The dependence of stress on Irmsin 3T1C circuit with various T2W/L values

從圖5 可以看出，當(dāng)有源電阻T2的寬長比越小，即阻值越大時(shí)，OLED 均方根電流的衰減越小，對閾值電壓漂移的補(bǔ)償效果越好。但是T2的寬長比過小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)窄溝道效應(yīng)，從而使導(dǎo)致閾值電壓增大。所以T2的寬長比不能無限制地縮小，因而這種改善方法在效果上存在一定極限。另一方面，從目前的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果來看，OLED均方根電流的衰減仍然較大，器件和電路的穩(wěn)定特性仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié) 論

利用從實(shí)際制備的a-IGZO TFT 器件提取的參數(shù)建立了SPICE 模型，對2T1C 和3T1C 兩種結(jié)構(gòu)的OLED 像素電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究，得到了像素均方根電流隨電壓偏置時(shí)間的變化規(guī)律，并對兩種電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，3T1C 電路對閾值電壓偏移確實(shí)存在一定的補(bǔ)償效果。此外，還探討了3T1C 像素電路對閾值電壓的補(bǔ)償效果的優(yōu)化方法。

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