劉 剛，劉 波，彭 繼，施祖?zhèn)?，方旭東，李星宇

(1.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002； 2.安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002；3.國家特種顯示工程技術(shù)研究中心，安徽 蕪湖 241002；4.特種顯示國家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002； 5.合肥京東方顯示光源有限公司，安徽 合肥 230012；6.安徽省背光源工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230012；7.遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

引言

有機(jī)電致發(fā)光器件(Organic Light-Emitting Devices, OLEDs)是一種基于有機(jī)電致發(fā)光材料的半導(dǎo)體發(fā)光器件[1]，它具有薄型化、輕便化、高效率、低驅(qū)動(dòng)電壓、快速響應(yīng)、色彩豐富、較寬可視角等諸多優(yōu)點(diǎn)，在顯示和照明領(lǐng)域凸顯出十分優(yōu)越的應(yīng)用前景，掀起全球范圍內(nèi)的研究熱潮[2-3]。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是OLED顯示和照明系統(tǒng)極其重要的組成部分，高性能的驅(qū)動(dòng)控制電路在高精密OLED顯示照明系統(tǒng)中舉足輕重[4]。依據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否直接作用于有機(jī)電致發(fā)光像素的雙電極，將OLED發(fā)光的驅(qū)動(dòng)方式分為無源矩陣OLED驅(qū)動(dòng)(Passive Matrix OLED Driving，PM OLED Driving)和有源矩陣OLED驅(qū)動(dòng)(Active Matrix OLED Driving，AM OLED Driving)。受制于驅(qū)動(dòng)方式，PM OLED可實(shí)現(xiàn)的尺寸較小，主要應(yīng)用在便攜式設(shè)備如MP3播放器、手機(jī)副屏和車載屏幕等顯示設(shè)備中。相對(duì)于PM OLED驅(qū)動(dòng)，AM OLED具有全彩、高分辨、大尺寸等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用于Mobile phone、Notebook、Monitor、TV等主流顯示設(shè)備并越來越大程度地占領(lǐng)OLED顯示的市場[5]，如圖1所示。顯然，作為照明領(lǐng)域的應(yīng)用，中大尺寸白光OLED主要使用AM OLED的驅(qū)動(dòng)方式。

圖1 PM OLED(左側(cè))和AM OLED(右側(cè))的應(yīng)用產(chǎn)品Fig.1 Application products of PM OLEDs and AM OLEDs

1 OLED器件的結(jié)構(gòu)及其發(fā)光原理

OLED屬載流子注入型發(fā)光器件，通常具有多層結(jié)構(gòu)，圖2即為目前OLED大多采用的“三明治”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由多個(gè)作用不同的功能層組成，分別是透明金屬氧化物的陽極層(Anode，通常為氧化銦錫ITO)、空穴傳輸層(Hole Transport Layer， HTL)、發(fā)光層(Emissive Layer，EML)、電子傳輸層(Electron Transport Layer，ETL)和金屬陰極層(Cathode，通常為低功函數(shù)金屬Li，Ca，Al，Mg，Ag等)構(gòu)成。陰陽兩極之間夾雜著有機(jī)層，輻射光由側(cè)面的透明導(dǎo)電基板射出[6]。

圖2 OLEDs的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the structure of OLEDs

有機(jī)電致發(fā)光現(xiàn)象是指有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料在電場作用下受激發(fā)并輻射出光的現(xiàn)象[7]。圖3A所示為OLEDs發(fā)光過程示意圖[8]，在正向電壓驅(qū)動(dòng)下，其發(fā)光過程先后經(jīng)歷載流子由電極注入(Injection)、載流子的傳輸(Transport)、載流子的復(fù)合(Recombination)、激子的形成(Exciton formation)和激子的擴(kuò)散、復(fù)合并發(fā)光(Photon liberation)等五個(gè)過程。不同的發(fā)光像素在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下，可實(shí)現(xiàn)各種字符和圖像的顯示(信號(hào)有別)或單色顯示(信號(hào)一致)，后者再通過多色層混合的方式實(shí)現(xiàn)白光顯示(圖3B)，當(dāng)其發(fā)光效率大于100lm/W時(shí)即可作為照明使用[6]。

圖3 有機(jī)電致發(fā)光過程(A)及照明用混合白光實(shí)現(xiàn)(B)示意圖Fig.3 Schematic of organic electroluminescence (A) and white light mixture for illumination (B)

2 OLED的恒流驅(qū)動(dòng)方式

OLED為環(huán)境特性敏感的半導(dǎo)體器件，需要提供持續(xù)穩(wěn)定的工作環(huán)境并進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)，因此需要使用驅(qū)動(dòng)技術(shù)。OLED器件采用恒流驅(qū)動(dòng)的方式，其原因分析如下。

首先，通過器件的伏安特性曲線(I-V curve)進(jìn)行說明。通過與無機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光器件LED對(duì)比。圖4分別給出了一款LED(A)和一款OLED(B)的I-V特性曲線。從LED陡峭的I-V曲線可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓Vf發(fā)生很小變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流If變化很大。如Vf從2.75V增加到3.0V時(shí)，If從10mA猛增至約50mA，即0.25V的電壓變化會(huì)引起電流提升5倍，因此LED需要穩(wěn)定電壓，選擇恒壓驅(qū)動(dòng)。與之不同的是，示例OLED的Vf從0V提升至約0.34V時(shí)，If從186mA提升至372mA，即0.34V的壓升引起驅(qū)動(dòng)電流提升1倍。OLED的這種伏安特性意味著其對(duì)電流的敏感度較弱。

其次，由OLED器件的亮度隨電壓/電流的變化曲線(L-U/I curve)進(jìn)行分析，如圖5所示。通過對(duì)比OLED發(fā)光亮度隨驅(qū)動(dòng)電壓(A)和驅(qū)動(dòng)電流(B)的關(guān)系可知，OLED的發(fā)光強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電壓呈非線性關(guān)系[9]，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于8V時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電壓的增加陡升。若采用電壓驅(qū)動(dòng)的方式來區(qū)分亮度級(jí)別，必須要求極高的驅(qū)動(dòng)電壓精度，實(shí)現(xiàn)較為困難。而OLED的發(fā)光亮度與驅(qū)動(dòng)電流具有較好的線性關(guān)系，通過簡單的電路設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)亮度的高效區(qū)分，恒流驅(qū)動(dòng)成為更好的選擇。

再次，OLED的發(fā)光原理決定了其必須采用恒流驅(qū)動(dòng)方式：陽極空穴和陰極電子在大于閾值的正向外壓下發(fā)生相向移動(dòng)，在陰陽兩極之間的有機(jī)薄膜發(fā)光層中復(fù)合并產(chǎn)生激子，經(jīng)過系列過程釋放光子實(shí)現(xiàn)發(fā)光過程。OLED每個(gè)像素的發(fā)光強(qiáng)度與電子/空穴移動(dòng)時(shí)所形成的“電流”大小成正比，屬于電流型控制發(fā)光器件[10]。

圖4 LED (A)和OLED (B)的代表性I-V特性曲線，LED型號(hào)為LGIT的LEWWS36T26E200(3806)，OLED型號(hào)為OSRAM的OSP1G10WW2031C1000-32-4Q9X，V0=3.4V，I0=186mAFig.4 Typical I-V curves of LED (A) and OLED (B) (type of LED: LEWWS36T26E200 (3806)，LGIT；type of OLED: OSP1G10WW2031C1000-32-4Q9X, OSRAM,V0=3.4V, I0=186mA)

圖5 OLED器件發(fā)光亮度隨驅(qū)動(dòng)電壓(A)和電流密度(B)的變化關(guān)系Fig.5 Typical L-U(A) and L-I(B) curves of OLED

綜合以上三點(diǎn)， OLED發(fā)光采用恒流驅(qū)動(dòng)的方式。恒流驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡單經(jīng)濟(jì)，易于實(shí)現(xiàn)和控制，同時(shí)能夠更好地保證顯示亮度的均勻性。在OLED的恒流驅(qū)動(dòng)中，精確控制電流的大小尤為重要。目前業(yè)內(nèi)采用較多的一種驅(qū)動(dòng)方式為，驅(qū)動(dòng)電路提供電壓信號(hào)，再通過TFT管的V/I轉(zhuǎn)換將驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)。

3 OLED的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

驅(qū)動(dòng)控制是顯示照明系統(tǒng)極其重要的組成部分，高性能的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在OLED顯示與照明中舉足輕重。可依據(jù)像素電路中是否采用薄膜晶體管(Thin-Film Transistor，TFT)控制將OLED的驅(qū)動(dòng)技術(shù)分為無源驅(qū)動(dòng)和有源驅(qū)動(dòng)，如圖6所示。

無源驅(qū)動(dòng)指驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接施加在OLED像素的雙電極上，使用行列同時(shí)掃描的方式來驅(qū)動(dòng)像素發(fā)光，具有制作簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，而分辨率低、能耗較高、器件壽命短和顯示效果不理想等不足都無法滿足現(xiàn)代顯示和照明的苛刻要求，市場份額微小[11]，主要應(yīng)用在小尺寸(< 4 inch)低端照明模組的方案設(shè)計(jì)中。無源驅(qū)動(dòng)作為OLED驅(qū)動(dòng)發(fā)展歷程中的重要節(jié)點(diǎn)，本文也將給予介紹。

相比而言，有源驅(qū)動(dòng)更加適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展。在有源驅(qū)動(dòng)中，每個(gè)像素均配備有獨(dú)立的TFT電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用TFT的導(dǎo)通、關(guān)閉和電荷存儲(chǔ)器件進(jìn)行像素驅(qū)動(dòng)，在輸入占空比小的脈沖信號(hào)或無電流信號(hào)時(shí)，仍能通過儲(chǔ)能元件在一定時(shí)間內(nèi)保持正常的點(diǎn)亮狀態(tài)[12]。AM OLED發(fā)光器件具有低電流、高亮度、高分辨率和較高壽命的特性。隨著人們對(duì)照明感官度要求的不斷提升，越來越多的中大尺寸OLED照明產(chǎn)品采用AM OLED驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。有源驅(qū)動(dòng)照明模組的重量輕、厚度薄、壽命長、白光效果好，越來越受到人們的青睞，已成為顯示照明技術(shù)發(fā)展的主流，更多的研究和開發(fā)力量聚焦于此。

圖6 無源(A)和有源(B)矩陣驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural representation of PM OLED (A) and AM OLED (B) driving

3.1 OLED的無源驅(qū)動(dòng)技術(shù)

PM OLED發(fā)光中，獨(dú)立的OLED像素按照行列電極順序形成像素矩陣，如圖6A所示。每個(gè)像素平行的陽極和陰極引線相互交叉，交叉點(diǎn)即為發(fā)光像素。依據(jù)共電極連接方式的不同，PM OLED又分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

3.1.1 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)

靜態(tài)驅(qū)動(dòng)OLED中的各個(gè)像素，通常共用陰極而將陽極線獨(dú)立開來。當(dāng)電極施加于像素上的電壓超過閾值電壓后，該像素即可在恒流源驅(qū)動(dòng)下持續(xù)發(fā)光。當(dāng)陽極受到負(fù)向電壓時(shí)，像素發(fā)光停止。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)容易因電壓升降的協(xié)調(diào)性不一致產(chǎn)生“半電壓區(qū)”，產(chǎn)生交叉效應(yīng)。顯然，當(dāng)有機(jī)電致發(fā)光器件朝著大尺寸、高分辨的方向發(fā)展時(shí)，需要更多電極引線，制作成本高昂。因此，人們提出了電路更為優(yōu)化的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)[13]。

3.1.2 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)

動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)中，發(fā)光像素的陽極和陰極排列為整齊的矩陣結(jié)構(gòu)，每一行像素共用一個(gè)極性，每一列像素共用另一極性。當(dāng)使用常規(guī)按行掃描的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，由屏幕一端依次給每個(gè)行電極施加驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)應(yīng)的列電極作為數(shù)據(jù)電極接收，實(shí)現(xiàn)該行的有效發(fā)光。

動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的弊端在于，相同幀周期下，當(dāng)掃描行數(shù)增多時(shí)，每行像素的有效顯示時(shí)間縮短，顯示的亮度和質(zhì)量大幅度下降。若需保證畫面亮度，則需施加很大的瞬間驅(qū)動(dòng)電壓，引起器件功耗的增大和有機(jī)發(fā)光材料壽命的縮短。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，或者說無源驅(qū)動(dòng)的局限性限制了其在大尺寸、高分辨OLED顯示器件上的應(yīng)用，目前多應(yīng)用在4英寸以下的OLED顯示與照明中[14]。

3.1.3 預(yù)充電技術(shù)

為提升響應(yīng)速度，OLED發(fā)光單元(像素)在驅(qū)動(dòng)電路中使用預(yù)充電技術(shù)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)周期由放電過程(discharge)、預(yù)充電過程(precharge)和發(fā)光過程(lighting)組成，其電路原理如圖7所示。

如圖7A所示，實(shí)際應(yīng)用的掃描周期先后動(dòng)作為放電(discharge)、預(yù)充電(precharge)和點(diǎn)亮發(fā)光(lighting)。在預(yù)充電動(dòng)作之前增加放電動(dòng)作，原因是：受制于現(xiàn)有的制造工藝，鄰近的行列電極會(huì)發(fā)生漏電現(xiàn)象。在進(jìn)行下一個(gè)掃描周期時(shí)，像素電容上存在的電荷加上充電電壓會(huì)使像素兩端的電壓超過閾值電壓，且每次均不相同，這就使得電流源無法準(zhǔn)確控制像素的精確發(fā)光。當(dāng)在充電動(dòng)作前增加放電動(dòng)作后，就能準(zhǔn)確控制像素上的充電電壓為閾值電壓之下，電流源精確控制像素的發(fā)光亮度就顯得更加容易[9]。

掃描開始時(shí)，首先進(jìn)行如圖7B的放電過程，該過程中行列驅(qū)動(dòng)電路均接地，將電容兩端的電壓釋放為零。放電結(jié)束，采用圖7C的電路進(jìn)行預(yù)充電，行驅(qū)動(dòng)電路保持接地不動(dòng)，列驅(qū)動(dòng)電路接充電電壓Vpre(該值略低于OLED閾值電壓)。隨后為如圖7C的發(fā)光過程，此時(shí)行驅(qū)動(dòng)電路接地，列驅(qū)動(dòng)電路接恒流源，像素發(fā)光。經(jīng)歷這一系列過程，在很大程度上減少了電流源對(duì)電容的充電時(shí)間并可控制精確發(fā)光[9]。

圖7 預(yù)充電技術(shù)的掃描周期(A)及各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的電路圖(B,C,D)[14](B,C,D圖中的虛線為變化部分)Fig.7 Scanning cycle of precharge technology (A) and the corresponding circuit diagrams (B,C,D)[9]

3.1.4 無源驅(qū)動(dòng)中的交叉效應(yīng)及其解決方法

無源驅(qū)動(dòng)中產(chǎn)生由于相鄰像素串?dāng)_而非點(diǎn)亮像素微弱發(fā)光的現(xiàn)象稱為交叉效應(yīng)，其產(chǎn)生原因有二，一是由于共用行/列電極所引起的電流串入。二是OLED中的功能薄膜橫向絕緣性和膜厚均勻性較差，易產(chǎn)生電荷積累引起發(fā)光。

反向截止法可有效解決交叉效應(yīng)。圖8為OLED的內(nèi)部等效電路。當(dāng)賦予列、行電極高電壓(接高)和低電壓(接地)時(shí)，所選像素正向電流導(dǎo)通發(fā)光。對(duì)于非選像素，對(duì)其列、行電極反置，則非選像素在反向電壓的抑制下不發(fā)光，從而可以有效解決OLED驅(qū)動(dòng)過程中的交叉效應(yīng)[9]。

圖8 OLED的內(nèi)部等效電路Fig.8 Internal equivalent circuit of OLED

3.1.5 無源驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著AM OLED優(yōu)勢的日漸顯現(xiàn)，人們對(duì)PM OLED技術(shù)及基于該驅(qū)動(dòng)技術(shù)OLED的研究逐漸降溫。較新的研究有，桂太龍等人采用交流驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)出一個(gè)OLED無源驅(qū)動(dòng)電路，通過模擬驗(yàn)證出電路可行性并得到適合OLED發(fā)光的時(shí)序信號(hào)和控制信號(hào)仿真結(jié)果[15]；類似地，傅勇等人針對(duì)奇晶公司生產(chǎn)的OLED顯示模塊特性，以單片機(jī)為主控制器進(jìn)行硬件接口設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了240×320的全彩圖片靜態(tài)顯示[16]。梁棟等設(shè)計(jì)了一種利用單片機(jī)構(gòu)成OLED顯示系統(tǒng)的方法，仿真出一款交流驅(qū)動(dòng)的OLED無源驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)交流驅(qū)動(dòng)的同時(shí)有效抑制交叉效應(yīng)[17]；蔣明明等設(shè)計(jì)了一種用于PM OLED驅(qū)動(dòng)芯片的電路，通過對(duì)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊、對(duì)比度調(diào)制模塊、恒流基準(zhǔn)產(chǎn)生及鏡像控制模塊、預(yù)充電模塊等關(guān)鍵功能模塊的劃分，在保證顯示效果的前提下，實(shí)現(xiàn)了OLED的快速點(diǎn)亮[18]。

無源驅(qū)動(dòng)具備電路簡單的優(yōu)勢，因此很多分析研究均建立在PM OLED基礎(chǔ)之上。近期，Uttwani等以一塊PM OLED顯示屏，利用陰極射線示波器上的電子探針和可視化波形分析研究了OLED上的制造缺陷[19]。Yang等人使用滯環(huán)控制(hysteresis control)在一塊2×10的PM OLED上實(shí)現(xiàn)了像素壽命和發(fā)光均勻度的提升[20]。YCLo等人應(yīng)用納米壓印技術(shù)和聚合物模板犧牲法設(shè)計(jì)出一種非破壞性的圖案成像方法，在PM OLED顯示上得以應(yīng)用[21]。

3.2 OLED的有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)

有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用TFT像素電路對(duì)每個(gè)OLED發(fā)光單元進(jìn)行獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)像素陣列的持續(xù)發(fā)光，如圖6B所示。通常，同一像素中至少有兩個(gè)TFT，一個(gè)TFT用作地址選擇，另一個(gè)控制亮度和灰階。在OLED的有源驅(qū)動(dòng)中，TFT可以實(shí)現(xiàn)兩大功能，其一為在尋址過程中采集并存儲(chǔ)信號(hào)線上的數(shù)據(jù)信號(hào)，其二為非尋址過程中為OLED像素提供持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流使其發(fā)光。TFT是OLED有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)的核心結(jié)構(gòu)，下面將從TFT制備這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

3.2.1 TFT制備技術(shù)

目前出現(xiàn)的TFT技術(shù)有非晶硅TFT(α-Si TFT)技術(shù)[22]、低溫多晶硅TFT(LTP-Si TFT)技術(shù)[23]、微晶硅TFT(μc-Si TFT)技術(shù)[24]、氧化物TFT(Oxide TFT)技術(shù)[25]和有機(jī)TFT(Organic TFT，OTFT)技術(shù)[26]等，其技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢及不足如表1所示。

表1 TFT工藝技術(shù)分類及其特點(diǎn)Table 1 Technical classification of thin film transisitor and their characteristics

3.2.1.1 非晶硅TFT(α-Si TFT)技術(shù)

α-Si TFT為采用非晶硅作為有源層材料的TFT。非晶硅不存在相界面，均勻性較好，如圖9所示。在主流顯示的LCD行業(yè)，由于液晶面板玻璃的軟化溫度較低(約450℃)，無法通過高溫重結(jié)晶的形式增強(qiáng)硅膜性能(>1000℃)，因此選用氫化的α-Si制作晶體管，目前α-Si TFT已成為LCD顯示TFT驅(qū)動(dòng)中成熟且主流的技術(shù)。若采用α-Si TFT驅(qū)動(dòng)OLED，在產(chǎn)線布局建設(shè)與TFT制造成本上具有很大的優(yōu)勢，在大面積制備上也相當(dāng)成熟，但α-Si TFT極低的載流子遷移率成為制約其驅(qū)動(dòng)OLED的瓶頸，較難滿足OLED電流驅(qū)動(dòng)的要求。不僅如此，α-Si TFT持續(xù)工作狀態(tài)下的閾值電壓漂移和光學(xué)不穩(wěn)定性也限制了其在AM OLED驅(qū)動(dòng)上的發(fā)展。

早在2003年，奇美電子就宣布采用非晶硅TFT主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)技術(shù)開發(fā)出20inch OLED[27]。2005年三星公司也開發(fā)出基于非晶硅底板3cm厚度的40inch OLED[10]。隨后，基于非晶硅驅(qū)動(dòng)OLED的設(shè)備鮮有耳聞。雖然2009年的SID會(huì)議上，Princeton University就發(fā)布大幅度提高α-Si TFT可靠性的方法[28]，但由于低溫多晶硅(LTPS)TFT技術(shù)和氧化物有源膜TFT(OTFT)技術(shù)展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能并迅猛發(fā)展，使得科研和工程團(tuán)隊(duì)紛紛將研究和產(chǎn)業(yè)化重心向后者轉(zhuǎn)移。

3.2.1.2 低溫多晶硅TFT(LTPS TFT)技術(shù)

受制于玻璃軟化溫度而采用非晶硅制作晶體管的方式隨著晶化技術(shù)的發(fā)展得到改變。采用激光照射(Excimer Laser Annealing，ELA)晶化、固相晶化(Solid Phase Crystallization，SPC)、金屬誘導(dǎo)(Metal Induced Crystallization，MIC)晶化等方式可以將非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅，低溫態(tài)下無需更換基板即可實(shí)現(xiàn)硅膜性能的提升。相對(duì)于α-Si TFT技術(shù)，LTPS TFT具有極高的載體遷移率、響應(yīng)速度快、易于集成、抗光干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[29]。其不足之處也很明顯，如圖9所示，多晶硅存在相界面，晶粒的形狀和大小不一，均勻性較差，無法大尺寸應(yīng)用，目前只能做到六代線水平。晶化新技術(shù)設(shè)備初期投資成本較高。

圖9 單晶硅、非晶硅和低溫多晶硅的區(qū)別Fig.9 Difference between monocrystalline silicon, α-Si(amorphous silicon) and low temperature polycrystalline silicon

在各項(xiàng)低溫晶化技術(shù)上，ELA技術(shù)尤其是準(zhǔn)分子激光退火技術(shù)在小尺寸應(yīng)用方面較為成熟，已量產(chǎn)產(chǎn)品基本均采用了該技術(shù)，但受制于激光尺寸及晶粒均勻性，在大尺寸基板的量產(chǎn)方面目前還存在問題；SPC技術(shù)在大尺寸制備AMOLED上有綜合優(yōu)勢，但其載流子遷移率較低，量產(chǎn)方面仍不成熟；MIC技術(shù)因金屬污染漏電流引起的缺陷和壽命問題是目前的瓶頸[30]。

ELA方面，Lee[31]等人采用一種新的PMOS像素電路實(shí)現(xiàn)閾值電壓Vth和IR降的同時(shí)補(bǔ)償，推動(dòng)ELA LTPS TFT技術(shù)在大尺寸和高分辨AM OLED上的應(yīng)用；SPC方面，Zhou等人采用Al2O3作為閘極介電層材料，并采用橋粒結(jié)構(gòu)(Bridged Grain Structure)形成多晶硅，所搭建的器件大幅度改善閾值電壓，獲得了極好的均勻性[32]；MIC方面的最新進(jìn)展如圖10所示，郭海龍等提出一種可充分發(fā)揮短溝道效應(yīng)和多結(jié)效應(yīng)的TFT新結(jié)構(gòu)BG，薄膜晶體管的閾值電壓、偽亞閾值斜率、開關(guān)電流比和場效應(yīng)遷移率都大幅改善，且器件的熱載流子和自加熱可靠性也得到了極大的改善，具備大規(guī)模生產(chǎn)的潛力[33]。

圖10 BG TFT的器件結(jié)構(gòu)(A，a平面視圖，b剖面試圖)和BG多晶硅中的電流示意圖[33]Fig.10 (A)Structure of a BG TFT，(a)Plan- and (b)cross sectional schematic views； (B)Schematics of current flow in BG poly-Si[33]

3.2.1.3 微晶硅TFT(μc-Si)技術(shù)

微晶硅是微晶粒、晶粒間界和非晶相共存的混合相材料，其載流子遷移率介于非晶硅和多晶硅之間，具有較好的沉淀均勻性[34]。微晶硅技術(shù)在材料的使用和膜層的結(jié)構(gòu)上，與α-Si TFT技術(shù)具有極高的相似度，比較適合制作大尺寸面板。但由于器件效果并不理想，因此對(duì)該技術(shù)的研究并不多。2010年，Choi等人采用間接熱結(jié)晶技術(shù)，通過5次掩模過程獲得了高性能的微晶硅，在OLED驅(qū)動(dòng)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[35]。2011年，Huang等人在聚酰亞胺襯底上構(gòu)建了底柵微晶硅TFT。該μc-Si TFT具有更低的缺陷密度，展現(xiàn)出比α-Si TFT更好的電學(xué)穩(wěn)定性[36]。

3.2.1.4 氧化物TFT(Oxide TFT)技術(shù)

自2003年高場致遷移率氧化物半導(dǎo)體TFT(Oxide TFT)被廣泛研究以來[37,38]，其在器件性能和制備工藝上，都產(chǎn)生了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。Oxide TFT的載流子遷移率比非晶硅TFT高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，且其對(duì)可見光的透過率大于80%，被譽(yù)為最具潛力的下一代薄膜晶體管技術(shù)。目前Oxide TFT中研究最充分且最具商業(yè)價(jià)值的是氧化鋅基薄膜晶體管，而其中銦鎵鋅氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO)已作為商業(yè)賣點(diǎn)存在于一些商業(yè)宣傳中[39]。在極具科技含量的全球性電子展CES(Consumer Electronics Show)上，顯示界巨頭們也都展出基于金屬氧化物TFT驅(qū)動(dòng)技術(shù)的OLED電視[40]。

在Oxide TFT的研究進(jìn)展方面，2011年，Avis團(tuán)隊(duì)分別使用旋轉(zhuǎn)涂布(spin-coating)和噴墨打印(inkjet printing)制備出鋅錫氧化物薄膜晶體管(ZTO TFT)，溶液法制備鋁基氧化物作為閘極介電層，分別獲得了33 cm2/(V·s)(旋轉(zhuǎn)涂布)和24 cm2/(V·s)的載流子遷移率[41]。2012年，Mo等人構(gòu)建非定型IGZO TFT陣列用于大尺寸OLED顯示，該器件獲得了21 cm2/(V·s)的遷移率，該團(tuán)隊(duì)同時(shí)提出一種新的五管TFT驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，模擬表明該新型電路結(jié)構(gòu)在閾值電壓方面比傳統(tǒng)電路性能更佳[42]。近期，Shih等人報(bào)道了AUO基于無定形IGZO TFT的OLED電視。該無定形IGZO TFT獲得了33.2 cm2/(V·s)的高效遷移率，金屬有機(jī)氣相沉積技術(shù)和噴墨印刷技術(shù)的使用分別提升了TFT的遷移率和制程良率[43]。此外，劉翔等人在京東方2.5代試驗(yàn)線上對(duì)IGZO TFT進(jìn)行性能研究，對(duì)可見光照和電壓偏應(yīng)力的影響進(jìn)行了細(xì)致探討，最后獲得了遷移率為10.65 cm2/(V·s)的IGZO TFT并制備了中國大陸首款18.5inch Oxide LCD樣機(jī)，展現(xiàn)出了良好的效果[44]，見圖11。

圖11 IGZO TFT工藝流程(A)和18.5inch Oxide LCD樣機(jī)(B)[44]Fig.11 (A)Schematic representation of the IGZO TFT fabrication,(B)The prototyped 18.5inch Oxide LCD [44]

3.2.1.5 有機(jī)TFT(Organic TFT，OTFT)技術(shù)

20世紀(jì)末，具備工藝簡單、易大面積制備、成本低等優(yōu)勢的有機(jī)半導(dǎo)體TFT技術(shù)曾經(jīng)歷非常迅猛的發(fā)展，從1986年的10-4cm2/(V·s)發(fā)展到1998年的1 cm2/(V·s)[45]。隨后的研究雖沒有間斷，但發(fā)展一直較為緩慢。除了較低的遷移率外，限制OTFT應(yīng)用的一個(gè)重要原因是有機(jī)材料的穩(wěn)定性差，特別容易受到外界氣氛的影響而降低器件穩(wěn)定性。最近的研究有，2013年，Ryu等人使用噴墨印刷技術(shù)構(gòu)建了OTFT基的7inch OLED面板并實(shí)現(xiàn)了圖案顯示，該面板載流子遷移率為0.31±0.05 cm2/(V·s)[46]。同年，Harada等人使用溶液法構(gòu)建無滯后現(xiàn)象的OTFT陣列并在一片3 inch OLED上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，遷移率為0.45±0.05 cm2/(V·s)[47]。顯然，OTFT較低的遷移率在LTPS TFT和Oxide TFT技術(shù)面前無競爭優(yōu)勢。

3.2.2 有源驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)

在AMOLED驅(qū)動(dòng)電路方面，目前主要提出了兩管(2T1C)和四管(4T1C)這兩種類型的單像素驅(qū)動(dòng)電路，亦有公司提出了三管驅(qū)動(dòng)類型[10]。根據(jù)OLED與驅(qū)動(dòng)管的連接方式不同，兩管驅(qū)動(dòng)電路又分為源極跟隨型和恒流源型，如圖12所示。圖中T1和T2分別為像素電路的驅(qū)動(dòng)管和開關(guān)管，Cs為存儲(chǔ)電容，可保證電流的連續(xù)性，OLED為有機(jī)電致發(fā)光器件，Vscan和Vdata分別為掃描電壓和數(shù)據(jù)電壓。

圖12 典型的2T1C像素電路類型：源極跟隨型(A)和恒流源型(B)Fig.12 Typical 2T1C pixel circuit, source follower type and constant current source type

源極跟隨型2T1C電路(圖12A)中的T1管在尋址和非尋址階段都處于飽和工作狀態(tài)，漏電電流僅與T1的柵源電壓和閾值電壓有關(guān)，所以可保證OLED的驅(qū)動(dòng)電流在周期內(nèi)穩(wěn)定。類似地，恒流源型2T1C電路(圖12B)中T1管工作于飽和狀態(tài)，其飽和區(qū)的漏極電與源漏電壓無關(guān)，因此可以克服OLED阻抗的輕微變化。此外，倒置OLED結(jié)構(gòu)能有效提高像素的開口率[48]。

受制于制造工藝及OLED長時(shí)間工作時(shí)電壓漂移造成的亮度不一致問題，人們又提出四管(4T1C)單像素驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT閾值電壓溫度漂移的補(bǔ)償[10]。為了簡化電路，降低制造難度，日立公司又率先提出三管像素驅(qū)動(dòng)電路，模擬分析結(jié)果表明其與四管TFT驅(qū)動(dòng)在亮度和穩(wěn)定性方面無明顯差異[10]。2.5 inch實(shí)驗(yàn)品中配備了3個(gè)TFT，也證實(shí)其顯示效果較為理想。圖13為典型的四管驅(qū)動(dòng)像素電路和日立公司提出的三管驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖13 典型的4T1C像素電路(A)和日立公司的三管驅(qū)動(dòng)電路(B)Fig.13 Typical 4T1C pixel circuit and three tube driver circuit porposed by Hitachi

3.3 無源驅(qū)動(dòng)和有源驅(qū)動(dòng)的區(qū)別

有源OLED驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)對(duì)高信息容量和高分辨的全彩顯示具有重要意義。有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)和無源驅(qū)動(dòng)技術(shù)在所屬結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式及是否需要外接驅(qū)動(dòng)電路等方面均有差異。

結(jié)構(gòu)方面，無源驅(qū)動(dòng)為陰陽純基板交叉發(fā)光形成像素點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)IC由TCP或COG等連接方式外裝。而有源驅(qū)動(dòng)采用像素點(diǎn)搭配薄膜晶體管及電荷存儲(chǔ)電容，將驅(qū)動(dòng)電路與顯示系統(tǒng)集成在同一基板上的方式[10]。薄膜晶體管具備開關(guān)功能，存儲(chǔ)電容上的電壓在一幀周期內(nèi)，可維持像素的發(fā)光或不發(fā)光狀態(tài)。

驅(qū)動(dòng)方式上，采用多路動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的無源矩陣存在占空比問題，列數(shù)增加，占空比系數(shù)減小，在達(dá)到相同輝度的情況下，必須要提高電流密度，功耗增加和熱量增加，器件的穩(wěn)定性降低，這也是無源驅(qū)動(dòng)無法在大尺寸上應(yīng)用的原因。而有源矩陣在廣義上屬于靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，具有存儲(chǔ)效應(yīng)，負(fù)載驅(qū)動(dòng)可達(dá)100%，無電極和占空比的限制，不受掃描電極數(shù)的影響，在高亮、全彩和高效方面占據(jù)優(yōu)勢[49]。

在驅(qū)動(dòng)電路的集成與否上，無源驅(qū)動(dòng)必須通過COG或TAB外接驅(qū)動(dòng)電路，使得器件體積和重量較大，且紅藍(lán)兩色的低亮調(diào)節(jié)困難。而有源方式的驅(qū)動(dòng)電路均集成在顯示屏內(nèi)，集成度高，紅藍(lán)色低亮調(diào)節(jié)可控，易于大型化和彩色化[50]。

4 展望

有機(jī)電致發(fā)光器件具有LCD等顯示器件所不具備的特點(diǎn)，越來越得到人們的青睞。OLED，尤其是AMOLED一方面的研究重點(diǎn)關(guān)注于前端TFT的制備技術(shù)，例如在如何將非晶硅薄膜多晶化，實(shí)現(xiàn)載流子的快速遷移，大幅度提升器件發(fā)光性能等方面，維信諾、京東方、上海天馬和華星光電等公司，清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京大學(xué)和中科院長春光機(jī)所等高校和研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域投入了大量的財(cái)力和精力，奮力縮短與國際先進(jìn)技術(shù)之間的差距。

另一方面，良好的OLED性能需要研制出更為出色的外圍驅(qū)動(dòng)電路。從最初沒有專業(yè)的IC，僅使用模擬電路得到模擬三基色信號(hào)，再用FPGA得到所需要的行、場掃描來驅(qū)動(dòng)OLED[51]，到現(xiàn)在廠商外包驅(qū)動(dòng)IC電路(如專業(yè)驅(qū)動(dòng)廠商所羅門)，或成立專門部門獨(dú)立自主開發(fā)專用的OLED驅(qū)動(dòng)芯片，這些進(jìn)步都在不斷推動(dòng)OLED的迅速發(fā)展。由于技術(shù)的成熟性和市場的競爭性，目前在OLED驅(qū)動(dòng)方面缺少專門的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這就寄希望于行業(yè)龍頭企業(yè)能夠打破技術(shù)壟斷，引領(lǐng)行業(yè)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，如此必將進(jìn)一步推動(dòng)有機(jī)電致發(fā)光器件在顯示和照明領(lǐng)域進(jìn)入千家萬戶。

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