具有渐进式和陡峭式亚阈值特性的非对称双栅（ADG）氧化物TFT，适用于移动AMOLED显示屏

《Displays》：Asymmetric double-gate (ADG) oxide TFTs with both gradual and steep subthreshold characteristics for mobile AMOLED displays

ADG TFT技术通过双栅结构实现陡与渐变亚阈值摆幅，解决全氧化AMOLED背板数据电压范围不足和低灰度不均匀性问题，提升阈值电压补偿精度并扩展驱动范围，验证了其在AMOLED显示中的可行性。

　　

张宇涵|卢畅|杨欢|雷璐|廖从伟|张胜东

北京大学深圳研究生院电子与计算机工程学院，中国深圳518055

摘要

非对称双栅（ADG）薄膜晶体管（TFT）技术被提出作为全氧化物TFT驱动的AMOLED显示器的有前景的背板解决方案，因为它能够为氧化物TFT提供渐进式和陡峭的亚阈值摆幅（SS）特性。本研究对ADG氧化物TFT进行了全面研究，以深入理解其器件特性和在AMOLED显示器中的潜在应用性。展示了两种代表性的ADG堆叠配置。详细分析了栅电容比对亚阈值行为、沟道长度可扩展性和阈值电压（V_TH）调制的影响。此外，通过制造具有不同迁移率水平的TFT来研究迁移率对SS特性的影响。为了说明ADG技术的优势，设计了一个基于全氧化物ADG TFT的AMOLED像素电路。结果表明，ADG TFT不仅可以大幅扩展数据电压范围，还可以提高V_TH变化的补偿精度。此外，高迁移率的ADG TFT进一步减少了像素电流误差，尤其是在低灰度级别。这些发现证实了ADG TFT是全氧化物TFT基AMOLED显示器的一种非常可行的技术。

引言

在过去十年中，主动矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示器发展迅速，并因其高对比度、低功耗、轻量化和灵活性等优势而被广泛认为是下一代显示技术的主流[1]、[2]、[3]。

最初，移动AMOLED显示器主要依赖于低温多晶硅（LTPS）薄膜晶体管（TFT）背板，因为它们具有高的载流子迁移率和优异的电稳定性[4]、[5]。然而，LTPS TFT通常存在高漏电流问题，这使得它们不适合常开显示（AOD）操作，并不可避免地增加了动态功耗[6]。为了解决这个问题，引入了混合低温多晶硅和氧化物（LTPO）TFT背板技术[7]、[8]。通过用氧化物STFT替换LTPS开关TFT（STFT），LTPO技术实现了低刷新率操作，受益于氧化物TFT极低的漏电流[9]。尽管如此，LTPO TFT复杂的制造工艺导致生产成本较高，尤其是在先进的高世代生产线中[8]。相比之下，全氧化物TFT背板技术具有显著更低的成本、更低的功耗和更好的均匀性，使其成为移动AMOLED显示器的更具吸引力的背板解决方案[10]。

同时，随着OLED发光效率的不断提高和像素密度的增加，AMOLED显示器中每个像素所需的发射电流已显著降低，范围在10^?11 A到10^?7 A之间[11]、[12]、[13]。在如此低的电流水平下，驱动TFT（DTFT）主要在亚阈值区域工作，其中漏电流随栅源电压呈指数变化。众所周知，由于导带附近尾态的密度低，氧化物TFT表现出陡峭的亚阈值摆幅（SS）[14]、[15]。这对DTFT的操作构成了重大挑战，因为它导致数据电压范围极其狭窄，超出了数据驱动器的精确控制能力[16]、[17]。此外，人类视觉系统对低灰度级别的亮度变化更敏感，使得不均匀性更加明显[18]。而且，DTFT中过小的SS会放大由于阈值电压（V_TH）变化和工艺波动引起的电流误差，进一步降低图像质量[19]、[20]。因此，氧化物DTFT的陡峭SS严重限制了数据电压范围并影响了低灰度级别的图像质量，成为全氧化物TFT基AMOLED显示器发展的关键障碍[11]。

另一方面，虽然陡峭的SS对像素中的DTFT不利，但它对背板中的其他TFT（尤其是STFT和外围TFT）有益，因为它可以在像素电路和外围电路中实现更快的切换操作。此外，STFT较小的SS还有助于减少补偿期间的不必要的信号损失。因此，对于能够同时提供陡峭和渐进式SS特性的氧化物TFT有很强的需求。

已经提出了几种方法来解决陡峭SS的问题。一种方法是在氧化物通道表面添加金属覆盖层来调节界面载流子浓度，从而增加SS值[11]、[21]。然而，引入这样的覆盖层不可避免地会增加器件尺寸，并对大规模生产兼容性带来挑战。另一种方法是通过调节等离子体增强原子层沉积（PEALD）序列来定制氧化物活性层的组成[16]、[22]。然而，这种方法需要分别为STFT和DTFT的活性层进行沉积过程，从而增加了制造复杂性。

在我们之前的工作中，我们提出了一种非对称双栅（ADG）氧化物TFT技术，并提供了概念验证演示[23]。在这种配置中，两个栅电容被设计为显著不同，使得在同一技术平台上集成具有渐进式SS的DTFT和具有陡峭SS的STFT成为可能。在这项工作中，我们对ADG TFT进行了全面研究。具体来说，展示了两种代表性的ADG堆叠配置。分析了亚阈值行为对栅电容比的依赖性，以及ADG TFT的沟道长度可扩展性和V_TH调制，为AMOLED像素设计建立了器件级基础。制造了具有不同迁移率水平的晶体管，以评估ADG结构与双SS操作和高迁移率的兼容性。最后，设计了一个具有V_TH补偿的像素电路，以展示ADG TFT的实际优势，特别是在数据电压范围和补偿精度方面。

部分摘录

器件结构和制造

ADG TFT的关键特征是两个独立偏置的栅电极，它们的栅电容显著不同。这种非对称栅电容可以通过两种方式实现。一种方法是使用具有相同厚度但介电常数显著不同的顶栅绝缘体（TGI）和底栅绝缘体（BGI）。另一种方法是使用介电常数相同但厚度明显不同的TGI和BGI。在这项工作中，采用了后一种方法

结果与讨论

对于ADG TFT，有三种工作模式：TG、BG和DG。在TG或BG模式下，栅电压施加到相应的TG或BG电极上，而另一个栅电极连接到源极。在DG模式下，TG和BG电极连接在一起，两者都作为工作栅极。场效应迁移率（μ_FE）是根据跨导（g_m）计算得出的。V_TH在I_DS?=?W/L?×?10^?9 A时定义，SS值是dV_GS/dlog(I_DS)的最小值

结论

在这项工作中，系统地研究了ADG氧化物TFT作为全氧化物AMOLED背板的技术级解决方案。栅电容比在调整SS值方面起着关键作用，其中增加的电容不对称性在弱栅模式下扩大了SS，同时在强栅模式下保持了陡峭的SS。像素级仿真进一步表明，ADG配置不仅有效地扩展了数据电压范围，还提高了V_TH的补偿精度。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。