大尺寸金属氧化物TFT面板设计分析

周 雷， 徐 苗，， 吴为敬， 夏兴衡，， 王 磊，， 彭俊彪

(1. 广州新视界光电科技有限公司， 广东 广州 510730；2. 华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室， 广东 广州 510641)

大尺寸金属氧化物TFT面板设计分析

周 雷1， 徐 苗1，2， 吴为敬2*， 夏兴衡1，2， 王 磊1，2， 彭俊彪2

(1. 广州新视界光电科技有限公司， 广东 广州 510730；2. 华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室， 广东 广州 510641)

根据最基本的2T1C像素电路，建立了TFT各参数与AMOLED面板限制因素的计算模型。详细分析了AMOLED显示尺寸与TFT迁移率、金属方块电阻、刷新频率以及器件结构的关系。在大尺寸高分辨率AMOLED面板设计中，信号线RC延迟是主要限制因素。TFT迁移率的提高在一定范围内对大尺寸显示面板设计有利，降低RC延迟是实现大尺寸、高分辨率、高刷新频率显示的关键技术。开发铜布线技术和低寄生电容TFT器件结构是未来大尺寸AMOLED显示的关键技术。

AMOLED； 大尺寸； 高分辨率； RC延迟

1 引 言

大尺寸化、超清化以及3D显示是未来电视发展的重要方向。4K2K大尺寸电视具有前所未有的视觉体验，目前主要电视厂商把4K2K作为一个重点开发目标。对于提高视频画面显示质量和3D显示，一般要求显示面板的刷新频率不低于120 Hz[1-2]。

被誉为梦幻显示器的“有源有机发光二极管”(AMOLED)显示具有高亮度、宽视角、低功耗以及响应速度快等优点，近年来受到了人们广泛的关注[3-5]。非晶硅(a-Si)薄膜晶体管(TFT)和多晶硅(p-Si)TFT是AMOLED目前的主流技术[6-7]。a-Si TFT在均匀性、低成本方面具有优势，然而其迁移率太低，且在长时间工作时，其阈值电压会发生漂移[8-9]。p-Si TFT迁移率高，但是在晶化过程中会产生晶界从而导致阈值电压和迁移率都不均匀，不适合大尺寸显示应用。近年来，金属氧化物TFT(MOTFT)技术发展迅速。金属氧化物材料的电子迁移率高(10～30 cm2/(V·s))，大面积成膜均匀性好，并且生产成本与a-Si技术相当，大大低于p-Si，使其在AMOLED显示应用中显示出巨大的优势，越来越受到人们的关注[10-14]。

目前，金属氧化物TFT主要有3种器件结构：背沟道刻蚀型(BCE)、刻蚀阻挡型(ES)、顶栅型(TG)。BCE结构TFT工艺简单，但是有源层半导体一般对SD金属刻蚀液较为敏感，如果暴露在刻蚀液中容易导致有源层受损。为解决这一问题，一般会在有源层上增加一层SiO2/Si3N4形成刻蚀保护层，即ES结构TFT，但是考虑到SD与ES之间的交叠，器件的沟道尺寸一般较大，且寄生电容较大。TG结构的TFT在栅极和源漏之间几乎没有交叠，寄生电容很小。

在大尺寸超高清(UHD 3 940×2 160)AMOLED显示面板中，信号线的RC延迟是限制其发展的重要因素。对于帧频为120 Hz的视频显示，像素充放电时间最多只有3.8 μs。一方面，传统Al布线由于其电阻率较高，已经不能满足大尺寸的发展需求，必须开发电阻率低的金属布线。目前Cu工艺在大尺寸AMOLED显示中已经初步显现出优势。另一方面，传统刻蚀阻挡结构(ESL)的TFT，虽然性能稳定，但是其寄生电容较大，在大尺寸中其自身的寄生电容是构成RC延迟的重要因素之一，开发具有低寄生电容的TFT是大尺寸AMOLED发展的另一趋势。

本文首先分析了大尺寸AMOLED其RC延迟和信号充放电的机理，建立了较为准确的计算模型。分析表明，TFT迁移率的提高虽然有利于AMOLED的高分辨率和大尺寸化，但是当TFT迁移率大于30 cm2/(V·s)后，显示尺寸随着迁移率的增加非常有限，导线方块电阻和寄生电容对大尺寸的影响才是主要因素。

2 计算模型建立

图1为背沟道刻蚀型(BCE)、刻蚀阻挡型(ES)、顶栅型(TG)3种金属氧化物TFT的结构示意图。

图1 金属氧化物TFT器件结构示意图。(a)背沟道刻蚀型(BCE)；(b)刻蚀阻挡型(ES)；(c)顶栅型(TG)。

Fig.1 Device structure of metal oxide TFT. (a) Back channel etching (BCE). (b) Etching stopper (ES). (c) Top gate (TG).

与显示规格相关性较大的参数有TFT迁移率、金属导线方块电阻、TFT寄生电容以及光刻的CD值。本文以2T1C AMOLED像素电路(图2)为依据，从像素版图中提取各种寄生参数。

图2 2T1C像素电路原理图

在大尺寸AMOLED面板中，RC延迟成了关键限制因素。RC延迟主要包括栅极扫描信号延迟和数据信号延迟，如果AMOLED面板采用传统的1G1D(单边行列驱动芯片)，则最严重的延迟发生在距离驱动芯片最远的位置，其信号延迟等于栅极信号延迟和数据信号延迟之和。

首先从单个像素提取寄生参数。扫描线信号延迟可表示为

(1)

其中，N为显示阵列行数，Rs和Cs分别是单个像素对应的扫描线寄生电阻和寄生电容，扫描线像素(包括3个子像素)对应寄生电阻Rs可表示为

(2)

其中，Lp和W1分别是像素尺寸和信号线宽，R□为金属方块电阻。扫描线像素(包括3个子像素)对应寄生电容可表示为

Cs=3(Asd×Cox/2+CTFT)=

(3)

其中，Asd为扫描线和数据线的交叠面积，Cox为单位面积电容，CTFT是TFT的寄生电容。数据线延迟Tdd可表示为：

(4)

其中，M为显示阵列列数，Rd和Cd分别是单个像素对应的数据线寄生电阻和寄生电容。数据线对应寄生电阻可表示为

(5)

假设VDD线宽是信号线的2倍，则数据线对应寄生电容为

3Wl2×Cox/2+Cgs，

(6)

其中，AVd为电源线和数据线的交叠面积，Cgs为TFT的栅源交叠电容。

每一帧数据更新的充放电时间Tc为

(7)

其中，Tsd为扫描线延迟，每一帧数据充放电需满足：

Ic×Tc=Cst×ΔVdmax，

(8)

其中，Ic是充电电流平均值，Cst是存储电容，ΔVdmax是数据电压变化的最大值。充电电流平均值为：

(9)

其中，μ是电子迁移率，WTFT和LTFT分别为T1管的沟道宽度和长度，Vth是T1管的阈值电压。

(10)

综合公式(7)、(8)、(9)得到：

(11)

基于公式(11)，我们可以计算出显示面板尺寸与迁移率和信号线方块电阻的关系，以及固定显示尺寸下迁移率和方块电阻的制约关系。

3 结果与讨论

3.1 迁移率与显示器尺寸

我们首先分析的是TFT器件的迁移率与显示器尺寸的关系。金属导线设定为厚度为500 nm的Cu薄膜，其方块电阻为0.035 Ω/□。开关管TFT宽长比设定为20/10，显示面板规格设定为4K2K。

计算结果如图3所示，当刷新频率小于120 Hz时，非晶硅可以满足几乎所有显示尺寸电视的要求。随着3D技术的发展，对刷新频率的要求越来越高。当刷新频率达到240 Hz后，充电时间缩短，需要使用更高迁移率的TFT为电容充电，要求TFT迁移率大于1。这时需要采用具有更高迁移率的MOTFT或p-Si TFT技术。目前p-Si TFT在大尺寸显示面板制作中较困难，MOTFT技术是制作高刷新频率大尺寸电视的最佳选择。

图3 4K2K面板的显示尺寸与TFT迁移率的关系

而当显示屏分辨率提高到8K4K时，TFT阵列寄生参数对产品制作的限制更加明显。如图4所示，仅当刷新频率为60 Hz时，才有可能制作出显示尺寸大于127 cm(50 in)的8K4K显示器。而当刷新频率达到120 Hz时，显示面板对TFT的迁移率要求大幅提升。如果想实现107 cm(42 in)的8K4K显示器，需要迁移率大于10 cm2/(V·s)。在TFT迁移率大于15 cm2/(V·s)以后，迁移率与显示面板尺寸的关系趋于饱和，迁移率持续增加并不能满足更大尺寸显示面板的要求。在现有的参数设定下，无法实现刷新频率为120 Hz的127 cm(50 in)以上的显示面板。同时，因为RC信号延迟远大于信号选通时间0.96 μs，所以我们无法获得刷新频率为240 Hz的8K4K显示屏。

从以上的分析可以发现，制作高规格的大尺寸显示屏对迁移率要求并不高，达到10 cm2/(V·s)左右即可，并且更高的迁移率对制作大尺寸显示屏并没有帮助。金属氧化物半导体具有合适的迁移率(10～30 cm2/(V·s))，是制作高刷新频率的大尺寸4K2K和8K4K电视的最佳材料。而如果想在8K4K中实现3D电视或是更高刷新频率，需要从降低RC限制的角度出发对器件设计再进行优化。

图4 8K4K面板的显示尺寸与TFT迁移率的关系

3.2 RC延迟与器件结构

一般来讲，降低显示阵列中的RC延迟可以从以下两个方面进行：

(1) 使用低阻值的材料作为金属导线。现阶段产业内广泛使用低阻值的Al或Cu用于金属布线。在常规工艺中，金属导线厚度不能无限制增加，较厚的金属薄膜由于自身应力问题，容易出现断裂的现象。同时，在较厚的金属导线上良好地覆盖上绝缘层也很困难。在平板显示工艺中，金属导线的厚度一般不超过500 nm。若使用500 nm的Cu作为信号导线，能获得的最低方阻为0.035 Ω/□。 如图5所示，如果采用300 nm的Mo作为金属导线，则无法满足刷新频率为120 Hz的140 cm(55 in)4K2K显示(ES器件结构)；但是如果换成同样厚度的Cu作为金属导线，则很容易满足刷新频率更高的140 cm(55 in)4K2K显示。

图5 140 cm(55 in)显示屏的刷新频率对方块电阻的要求

Fig.5 Sheet resistancevs. refresh rate of 140 cm(55 in) panel

(2) 降低TFT的寄生电容。目前，ES结构的TFT器件，栅极和源漏交叠面积大，所以其寄生电容较大。使用100 kHz的扫描频率对宽长比为20 μm/10 μm的TFT器件测试，其栅源电容Cgs测试结果约为65～85 fF，如图6所示。而BCE和TG结构的TFT，其寄生电容一般在40 fF以下。如图5所示，对于140 cm(55 in) 8K4K显示，采用500 nm厚的Cu导线，如果使用ES结构TFT器件则无法满足120 Hz的刷新频率，但是如果使用寄生电容较小的顶栅结构TFT则可以很容易地满足要求，后者甚至采用320 nm厚的Cu 导线也可以满足要求。可见降低TFT寄生电容能减少对导线方阻的要求，从而降低工艺难度。

图6 ES结构TFT的寄生电容

3.3 RC延迟与迁移率

RC延迟降低后可以大大降低对迁移率的要求。以4K2K的140 cm(55 in)电视面板为例，在240 Hz的刷新频率下，如图7所示，采用300 nm的Al金属导线，需要TFT的迁移率在35 cm2/(V·s)左右才能满足要求(ESL器件结构)；如果换成导电率更好的同样厚度的Cu作为金属导线，则TFT的迁移率在2.6 cm2/(V·s)左右即可满足要求。若采用300 nm的Al金属导线，TFT的器件结构采用寄生电容更小的顶栅结构，则其对迁移率的要求远低于传统的ES结构。从图7可以看到，通过改进TFT结构，减小寄生电容和导线方块电阻均能大幅降低器件对迁移率的要求。

图7 140 cm(55 in)4K2K面板的方块电阻和迁移率的制约关系

Fig.7 Sheet resistancevs. TFT mobility of 140 cm(55 in)4K2K panel

以上仅从面板设计角度对大尺寸面板的设计限制因素进行了分析，另外从驱动方式上也可以进行改进，从而解决大尺寸面板的RC延迟问题[15]。

4 结 论

基于传统2T1C结构的像素电路，建立了大尺寸AMOLED面板限制因素的计算模型。详细分析了AMOLED显示尺寸与TFT迁移率、金属方块电阻、刷新频率以及器件结构的关系。金属氧化物TFT的迁移率能够满足254 mm (100 in)以下所有尺寸和高刷新频率的4K2K显示面板，发展8K4K高刷新频率的3D显示面板则需要从降低RC限制的角度对器件设计进行再优化。在提高导线电导率方面，Cu金属布线是未来大尺寸显示技术发展主流；降低TFT寄生电容可以采用背沟道刻蚀型或顶栅自对准结构的器件。另外，大尺寸显示面板RC延迟的降低也可以降低对TFT迁移率的要求。总之，大尺寸显示面板中的各个因素是相互关联的，必须从迁移率、金属电导率、TFT寄生电容、新型驱动方法等各方面加以综合考虑。

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周雷(1987-)，男，湖北襄阳人，硕士，工程师，2013年于华南理工大学获得硕士学位，主要从事金属氧化物AMOLED面板设计的研究。

E-mail: zhoulei@newvision-cn.com

吴为敬(1979-)，男，福建福州人，博士，副教授，2008年于华南理工大学获得博士学位，主要从事金属氧化物TFT集成技术的研究。

E-mail: wuwj@scut.edu.cn

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《发光学报》编辑部

Design Analysis of Large Size Metal Oxide TFT Panel

ZHOU Lei1, XU Miao1，2, WU Wei-jing2*, Xia Xing-heng2, Wang Lei1，2, PENG Jun-biao2

(1.GuangzhouNewVisionOptoelectronicCo.,Ltd.,Guangzhou510730,China; 2.StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDevices,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:wuwj@scut.edu.cn.

According to the basic 2T1C pixel circuit, the calculation model of AMOLED panel and TFT parameters was established. The relationships of AMOLED display size with mobility of TFT, metal sheet resistance, refresh rate and TFT device structure were analyzed in detail. In the design of large size high resolution AMOLED panel, RC delay of signal line is the main limiting factor. The enhancement of TFT mobility is benefit for large size display panel within a certain range. Reducing the RC delay is the key technology to realize the large size, high resolution, high refresh rate display. Developing the copper wiring technology and TFT device structure with low parasitic capacitance is the key technology of large size AMOLED display in the future.

AMOLED; Large size; high resolution; RC delay

1000-7032(2015)05-0577-06

2015-02-24；

2015-03-19

国家自然科学基金(61204089)； 广东省自然科学基金 (S2012010008648) 资助项目

TN321+.5

A

10.3788/fgxb20153605.0577