基于a-IGZO TFT 的AMOLED 像素电路稳定性的仿真研究

贾田颖，詹润泽，董承远

(上海交通大学电子信息与电气工程学院 电子工程系，上海 200240)

1 引 言

有机发光二极管(OLED)具有自发光、亮度高、对比度高、超薄、低成本、低功耗、视角宽、工作温度范围广等优点，因而成为当前显示器研究的热点。OLED 显示器按照驱动方式可分为有源驱动和无源驱动，其中，有源矩阵有机发光显示(AMOLED)将成为OLED 的主流。在AMOLED 面板中，每个像素都有自己独立的TFT 驱动电路对像素进行控制和供电［1-2］。为了使OLED 显示器获得更高的分辨率、更大的尺寸以及更快的响应速度，更高性能的TFT 器件有待开发。传统的非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)的一些缺陷限制了它的进一步发展，因此人们将目光投向了新型半导体材料。其中，非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)因具有高迁移率、完全透明、均一性好、响应速度快等优点有望为AMOLED 提供性能更好的驱动功能［3-4］。

尽管a-IGZO TFT 非常适合构成AMOLED 的像素电路，但仍有许多技术难题亟待解决［5］。虽然a-IGZO TFT 的稳定特性优于a-Si TFT，但在偏置电压的长期作用下，a-IGZO TFT 的阈值电压仍会发生明显的漂移现象，从而影响OLED 器件的发光性能［6］。本文采用数值仿真的方法深入探讨了a-IGZO TFT 的阈值电压变化对2T1C 和3T1C 像素电路性能的影响，对上面两种电路进行了比较并讨论了进一步改善电路特性的技术方案。

2 实 验

2.1 a-IGZO TFT 的基本电学特性

本研究采用一种双层有源层结构的a-IGZO TFT 器件(器件结构见图1(a)，具体制备工艺见文献［7］)作为研究对象，通过探针台和半导体参数测试仪(Keithley 4200)测量了TFT 器件的基本电学特性。图1 是a-IGZO TFT 的转移(Ids-Vgs)和输出(Ids-Vds)特性曲线。根据实验数据提取了a-IGZO TFT 器件的性能参数(具体提取方法见文献［7］)，器件的场效应迁移率为4.7 cm2·V－1·s－1，亚阈值摆幅为0.69 V/dec，阈值电压为2.82 V，开关比达到106以上。结果表明，我们制备的a-IGZO TFT 具有良好的电学特性，能够满足AMOLED 像素电路对TFT 特性的基本要求［8-9］。

图1 a-IGZO TFT 的基本特性曲线。(a)转移曲线(Ids-Vgs);(b)输出曲线(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 的电学稳定性

图2 (a)在直流正向偏压应力(Vgs=20 V，Vds=0 V)测试下，a-IGZO TFT 随时间变化的转移特性曲线(Vds=10 V);(b)阈值电压随应力测试时间的变化曲线。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 器件阈值电压的稳定性是影响AMOLED像素电路稳定性的关键因素［10］。本研究采用直流栅极偏压应力(DC positive gate bias stress)测试方法研究了a-IGZO TFT 器件的稳定性，测量结果如图2(a)所示。结果表明，Ids-Vgs曲线向右漂移，器件的阈值电压增大，但场效应迁移率和亚阈值摆幅基本不变。参考文献［11］采用的方法，我们对阈值电压随测试时间变化的关系曲线进行了拟合，具体结果如图2(b)所示，实验中测得的阈值电压变化量ΔVth满足以下方程:

其中电压偏置时间t 采用s 为单位。

2.3 a-IGZO TFT 仿真模型的建立

目前在所有Spice 软件中都还没有a-IGZO TFT 的器件模型，所以在仿真研究中我们采用a-Si TFT 的RPI 模型加以替代。根据a-IGZO TFT 的转移和输出特性曲线，我们利用AIM-Extract 软件提取了器件参数。具体提取过程如下:将漏极电流(Ids)随漏极电压(Vds)变化的数据(Ids-Vds)、漏极电流随栅极电压(Vgs)的变化数据(Ids-Vgs)导入AIM-Extract，设定器件的物理尺寸、导带迁移率等参数，进行拟合得到了a-IGZO TFT 的各项参数，实际导出的SPICE 模型语句如下:

3 仿真及分析

3.1 2T1C 和3T1C 像素电路

本文对基于a-IGZO TFT 的2T1C 和3T1C 像素电路的稳定性进行了仿真研究，具体像素电路结构如图3 所示。在这两种电路中，T1是开关TFT，负责控制像素是否选通。当控制信号Vselect为ON 状态时，T1导通，数据电压Vdata为储存电容Cst充电，同时，2T1C 电路中的T2和3T1C 电路中的T3作为驱动TFT 使OLED 通电发光:当Vselect处于OFF 状态时，Cst维持驱动TFT 的栅极电压，保证OLED 能持续发光并且发光亮度不发生太大的变化。

本文所研究的3T1C 像素电路由Kim 和Kanicki在2002年提出［9］。在这个电路中，有源电阻(Active resistor)T2代表了电流补偿电路。它的栅极和漏极连接在一起，所以一直工作在饱和区。工作电流决定了有源电阻上的压降。当电路由于某种原因，比如驱动TFT 的阈值电压增大或者OLED 的启动电压增大时，若经过有源电阻的电流减小，那么它之上的压降也随之减小。这将允许一个高电流回流OLED 像素，从而对驱动TFT 和OLED 的变化进行一定程度的补偿。

图3 (a)2T1C 像素电路;(b)3T1C 像素电路。Fig.3 (a)2T1C pixel circuit.(b)3T1C pixel circuit.

3.2 像素电路稳定性的仿真研究

研究结果表明，当电压偏置时间增长时，a-IGZO TFT 的阈值电压会发生漂移。利用前面得到的a-IGZO TFT 参数，建立SPICE 模型并使用SmartSpice 软件对2T1C 和3T1C 像素电路进行仿真。通过修改TFT 模型中的VTO 参数，可以改变每个TFT 的阈值电压，从而可以模拟出电压偏置时间增长时电路的具体表现，并获得流过OLED的电流的变化结果。由于在一帧周期内的未选通期间，T1的漏电流会导致Cst储存的电荷逐渐减少，从而使得驱动TFT 的栅极电压降低，所以像素电流并不是恒定的，而是会随之慢慢降低。为了方便对电流大小进行讨论，采用均方根电流来表示一帧周期内的像素电流，记作Irms。

利用方程(1)，每隔30 min 取一个点，计算Vth值，时间范围为3 h。将这些Vth代入TFT 模型中进行仿真，得到在不同数据电压下OLED 均方根电流的变化情况，结果如图4 所示。图4(a)、(b)分别是在不同数据电压Vdata下2T1C 和3T1C像素电路中，电流Irms随电压偏置时间的变化曲线。可以发现，随着电压偏置时间的延长，各TFT的阈值电压发生变化导致Irms发生相应改变。从仿真结果可以看出Irms在逐渐减小，减小的幅度很明显。当通电时间达到3 h 时，2T1C 的Irms不及初始值的1/2(38%～42%)，3T1C 的Irms稍微稳定一些(39%～52%)。图4(c)选取了初始电流为4 μA 的两组Irms进行比较。从图中可以看出，3T1C 像素电路中的Irms变化幅度比2T1C 略小，这是由于有源电阻对阈值电压的漂移起到了一定补偿作用。

图4 (a)2T1C 像素电路的电流随时间的变化;(b)3T1C 像素电路的电流随时间的变化;(c)初始电流为4 μA 时，两个电路的稳定特性比较。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 像素电路稳定性的改善

实验结果说明，3T1C 的有源电阻确实对阈值电压的漂移能够起到部分的补偿作用，但效果仍不够好，OLED 电流的变化幅度仍较大。我们通过研究发现调整有源电阻T2的宽长比(W/L)，即改变它的阻值大小，可以增强它对阈值电压变化的补偿能力。

本文选取了5 组不同的宽长比:4 μm/24 μm，4 μm/12 μm，4 μm/4 μm，12 μm/4 μm，24 μm/4 μm，进行仿真实验，得到了电流变化量与T2宽长比的关系，如图5 所示。

图5 3T1C 像素电路在不同T2宽长比情况下的OLED 均方根电流随电压偏置时间的变化关系Fig.5 The dependence of stress on Irmsin 3T1C circuit with various T2W/L values

从图5 可以看出，当有源电阻T2的宽长比越小，即阻值越大时，OLED 均方根电流的衰减越小，对阈值电压漂移的补偿效果越好。但是T2的宽长比过小时，会出现窄沟道效应，从而使导致阈值电压增大。所以T2的宽长比不能无限制地缩小，因而这种改善方法在效果上存在一定极限。另一方面，从目前的实验和仿真结果来看，OLED均方根电流的衰减仍然较大，器件和电路的稳定特性仍有待进一步改进。

4 结 论

利用从实际制备的a-IGZO TFT 器件提取的参数建立了SPICE 模型，对2T1C 和3T1C 两种结构的OLED 像素电路的稳定性进行了仿真研究，得到了像素均方根电流随电压偏置时间的变化规律，并对两种电路的稳定性进行了比较。结果表明，3T1C 电路对阈值电压偏移确实存在一定的补偿效果。此外，还探讨了3T1C 像素电路对阈值电压的补偿效果的优化方法。

［1］Si Y J，Li C X，Liu S Y.Two-TFT pixel electrode circuit simulation research for active matrix OLED［J］.Chin.J.Lumin.(发光学报)，2002，23(5) ：518-522 (in Chinese).

［2］Yin S，Jiang B，Li X F.Driving module for 17.8 cm AMOLED［J］.Chin.J.Liq.Cryst.＆ Disp.(液晶与显示)，2012，(3) ：347-351 (in Chinese).

［3］Jeong J K，Jeong J H，Yang H W，et al.High performance thin film transistors with cosputtered amorphous indium gallium zinc oxide channel［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，91(11) ：113505-1-3.

［4］Hayashi R，Ofuji M，Kaji N，et al.Circuits using uniform TFTs based on amorphous In-Ga-Zn-O［J］.J.Soc.Inf.Disp.，2007，15(11) ：915-921.

［5］Jeong J K，Jeong J H，Yang H W，et al.12.1-in.WXGA AMOLED display driven by InGaZnO thin-film transistors［J］.J.Soc.Inf.Disp.，2009，17(2) ：95-100.

［6］Yin S，Chen J，Xia S C.Driving scheme for AMOLED based on FPGA［J］.Chin.J.Liq.Cryst.＆ Disp.(液晶与显示)，2011，26(2) ：188-193 (in Chinese).

［7］Li G Q，Zhang J W，Zhan Z W.Design of AMOLED drive circuit and linux driver［J］.Chin.J.Liq.Cryst.＆ Disp.(液晶与显示)，2011，26(4) ：527-531 (in Chinese).

［8］Chen C，Kanicki J，Abe K，et al.AM-OLED pixel circuits based on a-InGaZnO thin film transistors［C］// SID 2009 Digest，San Antonio USA：SID，2009：1128-1132.

［9］Kim J H，Kanicki J.Amorphous silicon thin-film transistors-based active-matrix organic light-emitting displays［C］// SID 2002 Digest，Boston，USA：SID，2002：614-617.

［10］Xu X L，Liu R，Guo X J，et al.Simulation and analysis of AMOLED pixel circuits［J］.Chin.J.Liq.Cryst.Disp.(液晶与显示)，2010，25(4) ：565-568 (in Chinese).

［11］Lee J M，Cho I T，Lee J H，et al.Bias-stress-induced stretched-exponential time dependence of threshold voltage shift in InGaZnO thin film transistor［J］.Appl.Phys.Lett.，2008，93(9) ：093504-1-3.