專利名稱：使用非晶硅晶體管的有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及非晶硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的偏壓條件和幾何結(jié)構(gòu)。更具體地，本發(fā)明涉及一像素中直接向有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)提供電流的一非晶硅FET結(jié)構(gòu)，以及該FET的偏壓條件，該偏壓條件減少了閾值電壓隨時(shí)間的不穩(wěn)定性，并且不降低該器件提供所需的電流和灰度的性能。所得到的FET器件和偏壓條件尤其可用于矩陣尋址的(matrixaddressed)的有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)。
背景技術(shù)：
盡管存在大量相反的猜測(cè)，但已經(jīng)第一次證明非晶硅(a-Si)技術(shù)完全適用于有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(AMOLED)顯示器的像素電流驅(qū)動(dòng)的需要。通常的看法，幾乎完全基于業(yè)界對(duì)AMLCD a-Si底板的熟悉，認(rèn)為即使可以使用a-Si薄膜晶體管(TFT)來滿足電流驅(qū)動(dòng)的需要，這種器件人所共知的閾值不穩(wěn)定性卻排除了它們?cè)陔妷壕幊痰挠性淳仃囋O(shè)計(jì)中的使用，因?yàn)镺LED單元中任何電流驅(qū)動(dòng)的損失都將直接造成亮度的損失，而在AMLCD中，TFT電流的損失只造成像素電容充電時(shí)間(其數(shù)量級(jí)為μs)的增加，而不是最終電壓的改變，因此對(duì)于AMLCD，當(dāng)電壓偏移高達(dá)10V時(shí)，亮度級(jí)仍保持不變。然而，應(yīng)當(dāng)指出的是，在AMOLED顯示器中的電流驅(qū)動(dòng)TFT的電壓范圍和驅(qū)動(dòng)模式(drive regime)是而且事實(shí)上必然是極其不同的。參照?qǐng)D1A，其示出了典型的單TFT的AMLCD像素電路的示意圖，以及示意性的圖1B，其示出了雙TFT的AMOLED像素?？紤]圖1A中的TFT，其只用作向像素LC電容(CLC)與存儲(chǔ)電容(CS)的并行組合進(jìn)行充電時(shí)的切換開關(guān)。該切換開關(guān)具有100/#R的占空比，其中#R是顯示器的總行數(shù)，對(duì)于當(dāng)前可獲得的最常見的、具有VGA到SXGA的像素內(nèi)容的設(shè)計(jì)來說，該值的范圍是640到1200。在60Hz的刷新速率下，這相當(dāng)于范圍為26到14μs的切換時(shí)間。為了寫適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)電壓Vd，該電壓的范圍通常為2V到12V(在交替顯示的幀上，在約為7V的公共電壓上下的+5到-5V的范圍)，該切換TFT的柵極電壓Vg通常取自從約-5V的關(guān)斷水平到約+25V的導(dǎo)通水平的范圍。在此情形中，切換TFT在像素進(jìn)行充電時(shí)總是運(yùn)行在Vg-Vth＞Vd的線性模式下，只當(dāng)在Vd保持恒定的同時(shí)開啟或關(guān)閉切換柵極脈沖時(shí)，才短暫地經(jīng)歷飽和模式，其中Vth是該TFT的閾值電壓。
在AMOLED顯示器中，亮度級(jí)不是施加在LC單元上的最終電壓的函數(shù)，而是由一驅(qū)動(dòng)TFT(見圖1B)提供的電流水平的函數(shù)。該切換TFT以與AMLCD單元中的單個(gè)TFT相同的方式運(yùn)行。然而，數(shù)據(jù)電壓是寫到與電流驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極相連的一存儲(chǔ)電容器中，并且是該電流驅(qū)動(dòng)TFT的閾值穩(wěn)定性必須在一個(gè)長的運(yùn)行期間(即幀周期的很大部分)保持穩(wěn)定，AMOLED顯示器才能在商業(yè)中應(yīng)用。
在該技術(shù)領(lǐng)域人們一直相信，非晶硅TFT不具有納入矩陣尋址的像素中以驅(qū)動(dòng)OLED所需的性能(J.Kanicki等人，SID第20屆IDRC會(huì)議錄，9月25-28，佛羅里達(dá)州棕櫚灘，第354-358頁)，并且迄今所有的原型和產(chǎn)品都通過使用多晶硅TFT技術(shù)而反映了這種看法。
本發(fā)明人研發(fā)了下述一些獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方案，這些方案被明確地適應(yīng)于克服閾值偏移，從而使在AMOLED中使用非晶硅技術(shù)變得可行。如本發(fā)明所提供的那樣，通過提供非晶硅TFT來滿足AMOLED的需要，較低廉的非晶硅(a-Si)TFT技術(shù)將提供與較昂貴的多晶硅TFT技術(shù)相比低得多的制造成本。
本發(fā)明還提供了很多其他優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)將在以下描述中顯示出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一像素中直接向有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)提供電流的一非晶硅FET結(jié)構(gòu)，以及該FET的偏壓條件，該偏壓條件減少了閾值電壓隨時(shí)間的不穩(wěn)定性，并且不降低該器件提供所需的電流和灰度的性能。所得到的FET器件和偏壓條件尤其可用于矩陣尋址的有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)。
本發(fā)明是用于向有機(jī)發(fā)光二級(jí)管提供電流的電路，包括(a)具有柵電極和漏電極的非晶硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過所述漏電極將所述電流提供給所述有機(jī)發(fā)光二極管；以及(b)用于控制所述柵電極和所述漏電極之間的偏壓以將閾值電壓隨時(shí)間的偏移保持在約1V以內(nèi)的控制器。所述有機(jī)發(fā)光二極管最好是一有源矩陣中的元件。
所述偏壓是選自由以下各項(xiàng)組成的組中的一條件在所述柵電極和所述漏電極之間施加的電壓的范圍，以及在所述柵電極和所述漏電極之間施加的電壓的持續(xù)時(shí)間。在所述漏電極和所述柵電極之間施加的電壓差的范圍是在約-Vth到20V之間。在所述柵電極和所述漏電極之間施加電壓的持續(xù)時(shí)間的范圍是在幀時(shí)間的約1％到99.9％之間。
對(duì)于平均亮度(在約50到500Cd/m2范圍中)的平均分辨率AMOLED顯示器(即，約75每英寸像素?cái)?shù)(ppi)到150ppi)的情況，所述電流最好是在約10nA到10μA的范圍內(nèi)。所述電流與OLED的像素填充系數(shù)成反比，與發(fā)光占空比(即OLED發(fā)光的開啟時(shí)間與幀時(shí)間的比值乘以100％)成反比，與該像素的面積成正比，與有機(jī)薄膜的效能成反比，并與像素的亮度成正比。
所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管典型地是一薄膜晶體管。所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括一基片；在所述基片的一表面上沉積的柵電極；在所述柵電極上沉積的第一非晶SiOx層；在所述第一非晶SiOx層的至少一部分上沉積的第二非晶SiOx或SiNx層；在所述第二非晶SiOx或SiNx層上沉積的第一非晶硅層；在所述第一非晶硅層的至少一部分上沉積的第三非晶SiNx層；在所述第三非晶SiNx層的第一和第二側(cè)面部分沉積的第二非晶硅層；在所述第二非晶硅層的或者所述第一側(cè)面部分或者所述第二側(cè)面部分上沉積的漏電極；以及在所述第二非晶硅層的與沉積了所述漏電極的側(cè)面部分不同的側(cè)面部分上沉積的源電極，其中所述漏電極和所述源電極可以同時(shí)沉積并由同一光刻步驟所規(guī)定。
通過結(jié)合附圖參考以下說明，可以理解本發(fā)明的其他和進(jìn)一步的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，在附圖中同樣的部件被賦予同樣的標(biāo)號(hào)。


圖1a示出了傳統(tǒng)的單薄膜晶體管(TFT)有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)像素；圖1b示出了傳統(tǒng)的雙薄膜晶體管(TFT)有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(AMOLED)像素；圖2a的圖形示出了對(duì)于具有寬/長(W/L)等于50/7、且在線性模式下(Vg＝25V、Vd＝1V和Vs＝0V)被驅(qū)動(dòng)的TFT，作為從0到40,000秒的施壓(stress)時(shí)間的函數(shù)的漏極電流與柵極偏壓的關(guān)系，以及施壓電流與時(shí)間的關(guān)系；圖2b的圖形示出了對(duì)于具有W/L等于50/7、且在飽和模式中(Vg＝Vd＝10V)被驅(qū)動(dòng)的TFT，漏極電流與偏壓的關(guān)系以及施壓電流與時(shí)間的關(guān)系；圖3a和3b的圖形示出了作為Vd的函數(shù)的閾值偏移和施壓時(shí)間的關(guān)系，它們分別以半對(duì)數(shù)圖和雙對(duì)數(shù)圖顯示了在固定的Vg＝15V和Vs＝0V時(shí)TFT的穩(wěn)定性；圖4的圖形示出了對(duì)于固定的Vd＝10V(100％的占空比)，閾值偏移與用于產(chǎn)生TFT漏極電流以及相應(yīng)的閾值偏移的柵極偏壓的關(guān)系；圖5的圖形示出了對(duì)于各種Vd偏壓，柵極驅(qū)動(dòng)前因子與TFT溝道位置之間的關(guān)系，其中溝道位置0％和100％分別相應(yīng)于源極與溝道的接觸點(diǎn)和漏極與溝道的接觸點(diǎn)；圖6a的圖形示出了對(duì)于單層PECVD SiNx柵極絕緣體薄膜，偏壓條件Vg＝10V以及兩種漏極電壓Vd＝1V和Vd＝10V，TFT閾值電壓偏移與施壓時(shí)間的關(guān)系；圖6b的圖形示出了對(duì)于雙層SiOx/SiNy柵極絕緣體薄膜，偏壓條件Vg＝10V以及兩種漏極電壓Vd＝1V和Vd＝10V，TFT閾值電壓偏移與施壓時(shí)間的關(guān)系；圖7的圖形示出了75℃的加速偏壓溫度施壓情況，顯示出即使在較高的溫度下，在TFT飽和模式中也存在柵極驅(qū)動(dòng)前因子減少的好處；圖8的圖形示出了在各種偏壓條件下在35℃時(shí)的AC/DC結(jié)果。在實(shí)際的顯示屏操作(平均為中等灰度(midgray))中，持續(xù)的溫度上升10℃很可能應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是一個(gè)上限，因?yàn)榧俣ú扇×酥T如吸熱裝置和強(qiáng)制空氣流動(dòng)等熱量均勻化和消除管理措施。從SiOx/SiNy柵極絕緣體TFT得到的數(shù)據(jù)表明，負(fù)的柵極偏壓補(bǔ)償很可能進(jìn)一步提高這些器件的穩(wěn)定性；圖9是復(fù)合SiOx/SiNx柵極絕緣體的帶圖，示出了SiNx的電場(chǎng)相對(duì)于SiOx的減少，電子從a-Si注入到SiNx，以及正電荷穿過SiOx。
圖10a和10b是具有相同的處理過的薄膜的TFT的兩個(gè)橫截面圖，只不過與a-Si TFT溝道相鄰的柵極界面薄膜或者是(a)CVD SiOx(10a)，或者是(b)CVD SiNx(10b)；圖11a-11d的圖形示出了兩個(gè)TFT的作為施壓時(shí)間函數(shù)的源極到漏極的導(dǎo)通電流的歸一化的時(shí)間依賴關(guān)系(左)，以及TFT閾值電壓偏移與施壓時(shí)間的關(guān)系(右)，這兩個(gè)TFT的橫截面分別相應(yīng)于圖10a、10b的TFT橫截面，包含與或者CVD SiOx(圖11a-b)或者CVD SiNx(圖11c-d)的a-Si TFT溝道相鄰的柵極絕緣體界面；圖12a是具有相同的處理過的薄膜的TFT的橫截面圖，只不過與Mo柵電極相鄰的柵極界面薄膜是高溫、高壓CVD SiOx；圖12b是具有相同的處理過的薄膜的TFT的橫截面圖，只不過與Mo柵電極相鄰的柵極界面薄膜是低溫、低壓CVD SiOx；圖13的圖形示出了作為施壓時(shí)間的函數(shù)的源極到漏極導(dǎo)通電流的歸一化時(shí)間依賴關(guān)系，其相應(yīng)于圖12b的TFT橫截面(即在靠近Mo柵電極處具有低溫低壓的SiOx層)；圖14的圖形示出了作為施壓時(shí)間的函數(shù)的源極到漏極導(dǎo)通電流的歸一化時(shí)間依賴關(guān)系，其相應(yīng)于圖12a的TFT橫截面(即在靠近Mo柵電極處具有高溫高壓的SiOx層)；圖15a的圖形示出了對(duì)于圖12b的TFT橫截面(即在靠近Mo柵電極處具有低溫低壓的SiOx層)，總的閾值電壓偏移(菱形)與施壓時(shí)間的關(guān)系，所述總的閾值電壓偏移由界面處的電荷俘獲(正方形)和體絕緣體的電荷俘獲(圓圈)構(gòu)成；以及圖15b的圖形示出了對(duì)于圖12a的TFT橫截面(即在靠近Mo柵電極處具有高溫高壓的SiOx層)，總的閾值電壓偏移(菱形)與施壓時(shí)間的關(guān)系，所述總的閾值電壓偏移由界面處的電荷俘獲(正方形)和體絕緣體的電荷俘獲(圓形)構(gòu)成。
具體實(shí)施例方式
作為引言，下面考慮圖2a和2b。兩圖示出了對(duì)于同一基片上幾何形狀相同、相鄰但處于相當(dāng)不同的運(yùn)行模式下的兩個(gè)TFT，其閾值偏移和驅(qū)動(dòng)電流的結(jié)果。圖2a示出了處于線性運(yùn)行模式下的第一個(gè)TFT，其中Vg＝+25V和Vd＝+1V(源極接地)。圖2b示出了處于飽和模式下的相鄰TFT，其中Vg＝Vd＝+10V。應(yīng)注意這些電壓產(chǎn)生相當(dāng)相似的驅(qū)動(dòng)電流，該驅(qū)動(dòng)電流對(duì)于圖2a的TFT開始于約1.40μA，而對(duì)于圖2b的TFT開始于約1.55μA。顯然，這些條件在標(biāo)稱相同的器件中產(chǎn)生了極其不同的閾值穩(wěn)定性，即，當(dāng)在室溫下經(jīng)過連續(xù)40,000秒的(DC)施壓之后，第一個(gè)TFT的閾值偏移(ΔVT)是約4.0V，而第二個(gè)TFT的閾值偏移僅是約0.25V。顯然，當(dāng)穩(wěn)定性是主要考慮時(shí)，有某些電壓范圍明顯更適合于驅(qū)動(dòng)一給定電流。
由于已經(jīng)證實(shí)閾值不穩(wěn)定性既可能來自于載流子注入SiNx柵極絕緣體，也可能來自于在a-Si/SiNx界面處的弱鍵的斷裂(F.R.Libsch和J.Kanicki，應(yīng)用物理快報(bào)(Applied Physics Letters)，第62卷，第11期，第1286-1288頁)，所以存在這樣一種觀念，即認(rèn)為a-Si不適合于電流驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樯鲜鰞煞N機(jī)制都無法充分減輕。因?yàn)榱己玫腛LED亮度需要持續(xù)的TFT電流密度，所以認(rèn)為a-Si溝道的靠近界面的區(qū)域的退化只會(huì)惡化閾值偏移問題。如下面將說明的，通過正確地調(diào)整單元TFT和存儲(chǔ)電容器的大小，可以滿足OLED的電流密度要求。此外，圖3清楚地顯示出，與某些人可能預(yù)期的相反，對(duì)于足夠高質(zhì)量的PECVD材料，對(duì)于任何實(shí)際的Vg的值，在飽和模式下被驅(qū)動(dòng)的TFT對(duì)于閾值偏移實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比在線性模式下被驅(qū)動(dòng)的同一TFT更穩(wěn)定。在圖3中，Vg固定在15V，當(dāng)漏極電壓從1V增加到15V時(shí)，存在著穩(wěn)定性增加的明顯趨勢(shì)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在Vd＝1時(shí)，電流是0.8μA，而在Vd＝15時(shí)，電流是8.0μA。盡管電流密度有10倍的增加，我們卻看到，在任何給定的時(shí)間，ΔVT有超過2倍的減少。穩(wěn)定性的進(jìn)一步的兩倍的改善來自于如圖所示將占空比從100％減少到50％。因此，在a-Si AMOLED設(shè)計(jì)中，TFT飽和模式偏壓和占空比是重要的考慮因素。
以上結(jié)果使我們得出這樣的結(jié)論，即實(shí)用的AMOLED驅(qū)動(dòng)方案必須通過同時(shí)控制施加到柵電極和漏電極二者之上的電壓的范圍和持續(xù)時(shí)間，來確保很少或不發(fā)生電流驅(qū)動(dòng)TFT的偏移。實(shí)際上，這要求規(guī)定一組柵極偏壓的范圍、相應(yīng)的漏極偏壓的范圍以及適當(dāng)?shù)囊唤M波形(亦即每個(gè)波形的占空比)，以便最終結(jié)果導(dǎo)致偏移不穩(wěn)定性的凈補(bǔ)償。該組偏壓范圍和波形確切是什么將取決于a-Si和SiNx材料的特性，因而這些特性必須進(jìn)行最優(yōu)化，并且必須知道薄膜的沉積條件。從圖4可以理解，這樣的方案是可行的。在這里，使用一固定的10V的漏極偏壓和一可變的從0到10V的柵極偏壓(在該例中都為DC)的一簡單實(shí)驗(yàn)表明了如何簡單地通過驅(qū)動(dòng)TFT更深地進(jìn)入飽和狀態(tài)而獲得部分補(bǔ)償。對(duì)于從3到10V的柵極偏壓，存在著從約50nA直到超過1.5μA(灰度)的有用的一組驅(qū)動(dòng)電流，并且我們注意到，對(duì)于小于約4V的Vg，閾值偏移是負(fù)的。一般來說，為適應(yīng)各種像素尺寸設(shè)計(jì)，由面積歸一化的像素電流可能是更有用的。一般來說，有用的像素電流密度小于20mA/cm2。對(duì)于NTSC類型的應(yīng)用，預(yù)期顯示屏偏壓條件在顯示屏的使用期中平均到中等灰度，因此可以選擇適當(dāng)?shù)囊唤M信號(hào)，以在目標(biāo)電流水平上給出零偏移。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)確定出，對(duì)于一給定的Vg，在飽和模式下被驅(qū)動(dòng)的a-SiTFT總是表現(xiàn)出比在線性模式(小的Vd，通常為0.1到1.0V)下被驅(qū)動(dòng)時(shí)更小的閾值偏移。這一點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)是普遍正確的，并且已在很多單PECVD柵極絕緣體材料組合的情況下以及在采用復(fù)合的SiOx/SiNx柵極絕緣體(GI)的器件中得到證實(shí)。所有的SiNx柵絕緣體在飽和模式下通常表現(xiàn)出在線性模式下的偏移的一半，盡管此時(shí)溝道中的電流通常大一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中Vd＝Vg。事實(shí)上，很快就確定出，對(duì)于一給定的器件，當(dāng)Vd從0增加Vg甚至更大時(shí)，閾值穩(wěn)定性會(huì)有持續(xù)的改進(jìn)。這一趨勢(shì)在圖3顯示出來，該圖表示的是AMOLED中的一蛇形驅(qū)動(dòng)器TFT。雙對(duì)數(shù)圖顯示出，增加Vd時(shí)，斜率沒有很大的改變，而是常數(shù)前因子有顯著的減少—最終結(jié)果是獲得一特定ΔVT所需的施壓時(shí)間有高達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。
不需要很長時(shí)間就可以認(rèn)識(shí)到，這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是完全可以預(yù)期的，雖然這種好處的大小需要一些計(jì)算。閾值偏移模型采取如方程1所示的形式，ΔVT＝|V0|{1-exp(-t/τ)β}(1)其中，假設(shè)前因子V0是柵極驅(qū)動(dòng)，或者說V0～(Vg-VT0)，其中VT0等于該器件在施壓前的初始閾值。只要在施壓實(shí)驗(yàn)期間滿足條件Vd＜＜Vg(例如Vs＝0V，Vd＝0.1V，Vg＞5V)，則穿過柵極絕緣體的電場(chǎng)從源極到漏極是大體相同的，因而方程1可直接應(yīng)用。然而，當(dāng)Vd增加時(shí)，必須考慮沿著溝道的電壓降V(y)，其從漏極處的V(y)＝Vd變到源極處的V(y)＝Vs，并且通過以函數(shù)[Vg-VT0-V(y)]取代方程1的常數(shù)前因子，來將這一考慮因素納入該模型中。計(jì)算由三部分組成。首先，使用包括Id@t＝0在內(nèi)的初始條件，通過方程2給出的標(biāo)準(zhǔn)長溝道逼近法(standard long channelapproximation)，計(jì)算出從源極到漏極的初始電壓分布。
dV(y)/dy＝Id/[WμCi(Vg-VT-V(y))(2)一有用的辦法是為V(y)假設(shè)一多項(xiàng)式形式，并通過自相一致迭代法(self-consistent iteration)進(jìn)行處理，直到獲得滿意的精度。圖5給出了使用起始的諸D/S溝道電壓計(jì)算的一族依賴于位置的“驅(qū)動(dòng)力”電壓。在模擬過程的第二部分，起始前因子分布隨后被饋入方程1，并使用對(duì)數(shù)時(shí)間步間隔開始Id的數(shù)值計(jì)算。在每次偏移重計(jì)算后，沿溝道的任何一點(diǎn)的前因子都會(huì)改變，并且方程2的數(shù)值積分產(chǎn)生Vd的一值，該值必須通過按比例減少Id來縮小到其常數(shù)值。這種模擬所得的結(jié)果是一Id衰減曲線。圖6a中示出了它們的一些例子。在模擬過程的最后部分，通過比較常數(shù)柵極電場(chǎng)情況下(即起初的Vd＜＜Vg的模型)的Id衰減曲線與所述模擬曲線，來計(jì)算有效閾值偏移ΔVT。這樣做之所以有必要，是因?yàn)閺脑礃O到漏極的溝道長度上的每一項(xiàng)已經(jīng)以不斷減少的量進(jìn)行了偏移，從而產(chǎn)生了與原來的電壓降相似的穿越該器件的閾值偏移分布。因此，必須基于該電流計(jì)算“積分的”偏移。圖6b示出了作為Vd的函數(shù)的有效閾值偏移的例子。
圖6a和圖6b示出了使用將D/S電壓納入考慮的修改后的理論的模擬(線)和數(shù)據(jù)(點(diǎn))電流衰減曲線。圖6a和圖6b每個(gè)都顯示了兩種不同的偏置條件，其相應(yīng)于當(dāng)TFT在(1)線性區(qū)域(例如，Vd＝1，Vg＝10V)，其中施壓是穿過GI的沿著溝道一致的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，以及(2)飽和區(qū)域(例如，Vd＝Vg＝10V)進(jìn)行偏置時(shí)將會(huì)產(chǎn)生的有效TFT閾值電壓偏移。兩組曲線之間的差異顯示了當(dāng)Vd趨向Vg時(shí)所獲得的穩(wěn)定性的相對(duì)改進(jìn)。
圖6b示出了當(dāng)Vd趨向飽和時(shí)模擬的有效閾值偏移。衰減參數(shù)β和τ是從圖3所示的Vd＝1的數(shù)據(jù)曲線中提取的。兩圖的比較顯示出柵極絕緣體薄膜的附加影響。圖6a示出了具有GI薄膜的一TFT的閾值電壓與時(shí)間的關(guān)系的結(jié)果，該GI薄膜由在沉積第一非晶硅層之前的一非晶SiNx構(gòu)成。圖6b示出了具有GI薄膜的一TFT的閾值電壓與時(shí)間的關(guān)系的結(jié)果，該GI薄膜由在柵電極之上設(shè)置的第一非晶SiOx層以及隨后的在沉積第一非晶硅層之前的第二非晶SiNx構(gòu)成。
此時(shí)，當(dāng)飽和一旦達(dá)到，我們無法精確計(jì)算偏移，因?yàn)闇系离妶?chǎng)將在靠近漏極處完全崩潰，因而這要求另外的修改來計(jì)算當(dāng)Vd進(jìn)一步增加時(shí)夾斷點(diǎn)離開漏極有多快。但無論如何，邊界條件表明，穿過柵極絕緣體的靠近漏極的電場(chǎng)必須實(shí)際上返回到傳統(tǒng)的夾斷點(diǎn)，這保證了只要在靠近漏極處沒有發(fā)生a-Si的退化，驅(qū)動(dòng)TFT更深地進(jìn)入飽和狀態(tài)只會(huì)有好處。看起來這是a-Si很可能優(yōu)越于多晶硅的地方，因?yàn)橐阎拷嗑Ч鑄FT的漏極的大的電場(chǎng)會(huì)造成不穩(wěn)定性的問題。在圖3中首先看到、并在圖6a和6b中得到證實(shí)的最后一個(gè)觀察結(jié)果是當(dāng)Vd增加時(shí)，雙對(duì)數(shù)圖上的有效閾值偏移與時(shí)間的關(guān)系曲線的斜率并沒有顯著的變化，而是整個(gè)曲線下沉，即“有效的”前因子降低了。對(duì)于上面模擬的條件(Vg＝15，VT0＝2)，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Vd從一小的值分別增加到5、8和11.5V時(shí)，前因子降低到其原始值的80％、68％和54％。該趨勢(shì)證實(shí)了這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即(對(duì)于Vg＝15的數(shù)據(jù))在Vd＝Vg的情況下任何時(shí)間的偏移略小于Vd＜＜Vg時(shí)其值的一半。
通過使用高溫BTS來加速偏移，可以驗(yàn)證有效ΔVT前因子的降低確實(shí)在TFT的整個(gè)使用期都是存在的。圖7示出了在75℃時(shí)在飽和模式下驅(qū)動(dòng)TFT的穩(wěn)定化效果。應(yīng)注意當(dāng)對(duì)于一固定的柵極偏壓Vg＝10V，當(dāng)Vd從1V分別增加到10、15V時(shí)，有效前因子是如何降低的。所有其他偏移模型參數(shù)保持恒定。如圖7所示，75℃時(shí)的加速偏移結(jié)果顯示出飽和驅(qū)動(dòng)的好處在TFT的整個(gè)使用期都是存在的。
基于DC和AC施壓的推測(cè)的a-Si TFT使用期尋找一運(yùn)行窗口處在a-Si可行性問題的核心的是一個(gè)根本的挑戰(zhàn)，即使用所有掌握中的參數(shù)建立可接受的穩(wěn)定性的一窗口，這些參數(shù)有PECVD材料特性、最大偏壓值、占空比和可能包括補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)方案。很快確定出，對(duì)于“標(biāo)準(zhǔn)的”TFT SiNx柵極絕緣體特性，超過約10V的柵極電壓會(huì)導(dǎo)致大得無法接受的偏移。例如，圖6a和6b中的Vg＝15V、Vd＝11.5V情況下的模擬顯示出，僅僅27小時(shí)后，導(dǎo)通電流衰減到其起始值的80％，并在推測(cè)的440小時(shí)時(shí)衰減到50％。因此，我們開始把精力集中于較低的柵極偏壓模式，其中的導(dǎo)通電流仍然足以明亮地驅(qū)動(dòng)OLED。表1顯示了對(duì)于各種不同的GI配比、GI厚度、偏壓和占空比，基于對(duì)TFT數(shù)據(jù)的冪律擬合的、外推的室溫下使用期(暫時(shí)定義為飽和驅(qū)動(dòng)電流到達(dá)其初始值的一半所需的小時(shí)數(shù))。應(yīng)注意，所推測(cè)的諸使用期在這樣的意義上是保守的，即它們只是簡單的冪律擬合，就是說它們?cè)陔p對(duì)數(shù)圖上是線性的。從理論上得知(并由高溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)，諸邊界條件要求當(dāng)ΔVT增加到超過Vg的約10％時(shí)，雙對(duì)數(shù)曲線開始明顯地向下彎曲。換言之，我們是基于已知將隨時(shí)間而減少的早期偏移率來外推半使用期的。因此，可以認(rèn)為推測(cè)的諸時(shí)間是它們特定條件下的上限。
表1(各種TFT和偏壓條件下的、推測(cè)的電流半使用期)

*表示AC低電平被設(shè)置為-2V而不是0V，以便研究補(bǔ)償。
盡管收集了很多種板的數(shù)據(jù)，表1只特別顯示了三種板的數(shù)據(jù)集合。板4306具有使用我們的“標(biāo)準(zhǔn)的”TEL PECVD SiNx沉積的厚的柵極絕緣體，板4492具有采用H2稀釋的薄的TEL SiNxGI，而板4668具有所有Balzers Kai PECVD材料以及三者之中最薄的GI SiNx。為W/L＝100/7的驅(qū)動(dòng)器TFT指定了起始的導(dǎo)通電流Id0，該驅(qū)動(dòng)器TFT與在40mmAMOLED顯示器中使用的相同。應(yīng)注意，每1.0μA的驅(qū)動(dòng)電流相當(dāng)于實(shí)際的顯示器中的約9mA/cm2的像素電流密度，因此這些試驗(yàn)條件完全足夠獲得根據(jù)ZRL數(shù)據(jù)的良好的AMOLED亮度。某些項(xiàng)目相應(yīng)于60Hz/50％占空比的數(shù)據(jù)，而不是DC數(shù)據(jù)。除非另外說明，AC低電平是零伏。有幾個(gè)相當(dāng)明顯的趨勢(shì)1)對(duì)于同樣的偏壓條件，AC運(yùn)行比DC運(yùn)行導(dǎo)致高得多的穩(wěn)定性，2)對(duì)于同樣的偏壓條件，較厚的GI(亦即穿過GI的最大電場(chǎng)較低)一般導(dǎo)致更大的穩(wěn)定性，3)對(duì)于給定的柵極絕緣體厚度，較低的柵極偏壓(亦即穿過GI的最大電場(chǎng)較低)導(dǎo)致更大的穩(wěn)定性，以及4)在AC運(yùn)行過程的一部分，以低的負(fù)的柵極偏壓代替零偏壓可以導(dǎo)致更低的TFT閾值電壓偏移。所有這些結(jié)果都是與包含在上述閾值偏移模型中的諸基本假設(shè)一致的。而且，這些數(shù)據(jù)的趨勢(shì)表明，確實(shí)可以規(guī)定一運(yùn)行窗口，其中a-Si TFT將足以提供所需的AMOLED驅(qū)動(dòng)電流，并同時(shí)足夠穩(wěn)定以用于TV應(yīng)用中。存在若干理由作出這種樂觀的斷言。首先，來自表1的數(shù)據(jù)顯示出，通過把占空比從100％減少到50％而得到的半使用期的改進(jìn)不是簡單地線性的；這些數(shù)據(jù)顯示出，對(duì)于同樣的偏壓條件，使用期增加的范圍為約3到8倍。因?yàn)轭A(yù)期所感覺到的亮度僅減少50％，所以可以通過對(duì)驅(qū)動(dòng)器TFT的適當(dāng)設(shè)計(jì)，利用使用期的改進(jìn)。還應(yīng)注意到，當(dāng)OLED材料的效能隨時(shí)間而改進(jìn)時(shí)，占空比的進(jìn)一步減少應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致使用期的進(jìn)一步超線性的改進(jìn)。抱樂觀態(tài)度的另一個(gè)理由是，對(duì)于電視(TV)應(yīng)用來說，整個(gè)顯示器應(yīng)當(dāng)平均到某種中等灰度，而不是由10V的數(shù)據(jù)(驅(qū)動(dòng)器TFT的Vg)所給出的“完全導(dǎo)通”狀態(tài)，因此范圍為從約1600到2500小時(shí)的、50％占空比的使用期是最差情況(每個(gè)像素都導(dǎo)通)，而不是典型情形。在這方面，更接近4000小時(shí)的某種更長的時(shí)間是更合理的。然而，有一個(gè)更強(qiáng)的理由來預(yù)期a-Si技術(shù)是可行的，該理由基于這樣的事實(shí)，即在施壓之下，并非所有的柵極絕緣體的行為方式都是相同的—如事實(shí)所表明的那樣，SiOx/SiNx的復(fù)合GI層積表現(xiàn)出與由單純SiNx沉積而成的GI層積極顯著的差異。圖6a和6b分別示出了在相同的線性和飽和偏壓條件下的全SiNxGI TFT和SiOx/SiNxGI TFT。在線性模式下(例如，Vd＝1V、Vg＝10V的曲線所表示的)，這兩種器件表現(xiàn)出幾乎相同的隨時(shí)間的偏移，這說明了它們不僅有共同的控制機(jī)制，而且有相似的諸參數(shù)值。然而，在飽和模式下(例如，Vg＝Vd＝10V的曲線所表示的)，只有單純SiNx沉積而成的GI層積的器件遵循上述修改后的模型；SiOx/SiNxGI器件則顯示出完全不同的行為，這表明某種強(qiáng)大的補(bǔ)償機(jī)制在發(fā)揮著作用。
圖8示出了在各種偏壓條件下在35℃時(shí)在SiOx/SiNxGI TFT上施加AC/DC的結(jié)果。在實(shí)際的顯示屏操作(平均到中等灰度)過程中，持續(xù)的10℃的溫度上升很可能應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是上限。關(guān)于SiOx/SiNxGI TFT的歷史數(shù)據(jù)表明，負(fù)的柵極偏壓補(bǔ)償很可能進(jìn)一步提高這些器件的穩(wěn)定性。從直到約600小時(shí)的時(shí)間中采集的這些數(shù)據(jù)是很令人鼓舞的，這是因?yàn)榍耙衙枋龅膸讉€(gè)理由。首先，它們與在沉積了單層SiNx的GI TFT中看到的趨勢(shì)相一致，其中減少占空比一半將減少閾值偏移遠(yuǎn)大于2倍(在本例中為3到4倍)。其次，它們是在高出室溫約10℃的溫度下采集的，該溫度被認(rèn)為是上限，因?yàn)橹挥挟?dāng)處于相當(dāng)于“全導(dǎo)通”運(yùn)行的絕對(duì)最高的偏壓值時(shí)，才在AMOLED顯示器中看到過顯著的熱效應(yīng)-對(duì)于全視頻(full video)、平均到中等灰度的驅(qū)動(dòng)，預(yù)期不會(huì)有如此大的熱效應(yīng)。再次，OLED材料和a-Si TFT二者都具有正的溫度系數(shù)—如果溫度開始增加該數(shù)量而沒有某種自動(dòng)的亮度反饋控制以限制數(shù)據(jù)電壓，則實(shí)際的顯示器的亮度將會(huì)有確實(shí)顯著的增加。當(dāng)一般性地試驗(yàn)和確定AMOLED顯示器的最大亮度和使用期的時(shí)候，這是一個(gè)必須納入考慮的重要因素。最后，存在著關(guān)于SiOx/SiNx柵極絕緣體中的電荷補(bǔ)償行為的大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明在至今看到的數(shù)據(jù)或推測(cè)之外還有改進(jìn)穩(wěn)定性的大量余地。借助于圖9所示的帶圖，這種補(bǔ)償可能得到最好的理解。
圖9所示的復(fù)合SiOx/SiNx柵極絕緣體的帶圖顯示出SiNx電場(chǎng)相對(duì)于SiOx的減少、電子從a-Si向SiNx的注入、以及正電荷穿過SiOx。補(bǔ)償流僅是示意性的。因?yàn)橄鄬?duì)于SiOx，PECVD SiNx具有更高的介電常數(shù)(約為7對(duì)4.5)，與SiNx相比，所以更多的柵極電壓降落在SiOx上，因此穿過GI的SiNx部分的電場(chǎng)(我們知道，該電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)SiNx中電子的注入和俘獲)被成比例地降低了。這一點(diǎn)本身顯然是有益的，然而數(shù)據(jù)顯示出強(qiáng)烈的復(fù)合行為(有時(shí)導(dǎo)致在某個(gè)初始時(shí)間段內(nèi)的負(fù)的閾值偏移)的事實(shí)表明，在GI的SiOx端一定有相反符號(hào)電荷載流子的相競(jìng)爭的機(jī)制發(fā)揮著作用。該圖旨在顯示補(bǔ)償可以發(fā)生，雖然沒有明確地說明在SiOx中空穴通過陷阱(trap site)跳躍，其方式如電子通過Poole-Frenkel機(jī)制在SiNx中跳躍的一樣。應(yīng)當(dāng)盡可能多地理解和利用這種行為，因?yàn)樗绕鋵?duì)于所提出的AMOLED負(fù)柵極脈沖補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)方案是很好的預(yù)兆。
從圖9可以理解在減少TFT閾值電壓偏移方面通過限制電子注入到SiNx層而獲得的進(jìn)一步改進(jìn)，這是通過提供高質(zhì)量的SiNx薄膜而實(shí)現(xiàn)的，該種薄膜在鄰近非晶硅層的SiNx層區(qū)域中表現(xiàn)出低的界面和本體狀態(tài)。作為說明，圖10a和圖10b分別顯示了兩個(gè)TFT的橫截面，它們具有相同的處理過的薄膜，只不過靠近非晶硅TFT溝道的柵極界面薄膜顯示為低質(zhì)量的柵極層界面薄膜，例如CVD SiOx，以及高質(zhì)量的柵極層界面薄膜，例如CVD SiNx。
在比較圖11b和圖11d中的、分別對(duì)應(yīng)于1000和1050的、作為恒定柵極偏壓施壓時(shí)間函數(shù)的TFT源極電流與柵極電壓特性的關(guān)系時(shí)，顯而易見的是，1000與1050相比，其閾值電壓偏移約大三倍，這種閾值電壓偏移與源極電流與柵極電壓特性的關(guān)系的偏移成比例。作為進(jìn)一步的說明，分別對(duì)應(yīng)于1000和1050的、圖11a和圖11c中的源極到漏極的導(dǎo)通電流的歸一化的時(shí)間依賴關(guān)系也顯示出導(dǎo)通電流的約三倍大的降低速率。
從圖9可以理解在減少TFT閾值電壓偏移或減少導(dǎo)通電流的降低速率方面的進(jìn)一步改進(jìn)，這是通過使用將空穴注入到SiOx薄膜所引起的相反極性的閾值電壓偏移效應(yīng)，來匹配由電子注入到SiNx層所引起的閾值電壓偏移效應(yīng)。作為說明，在圖12a和圖12b中分別顯示了兩個(gè)TFT的橫截面圖，它們具有相同的處理過的薄膜，只不過與柵電極相鄰的柵極界面薄膜顯示為具有允許空穴注入的SiOx薄膜，例如高溫、高壓的CVD SiOx，以及具有空穴阻擋性能良好的SiOx層，例如低溫、低壓的CVD SiOx。
在比較分別與1250和1200對(duì)應(yīng)的、圖13和圖14中的源極到漏極導(dǎo)通電流的歸一化的時(shí)間依賴關(guān)系時(shí)，顯然，1250與1200相比，它的與導(dǎo)通電流偏移成比例的閾值電壓偏移較小。在提高的80℃溫度下施加恒定的25V的柵極偏壓50,000秒之后，導(dǎo)通電流降低的差別大約為1250降低了兩倍，而1200降低了超過三倍。
圖15a的圖形量化了對(duì)于圖12b的TFT橫截面(即在靠近Mo柵電極處有低溫低壓SiOx層)，由界面處的電荷俘獲(正方形)和體絕緣體的電荷俘獲(圓圈)所構(gòu)成的總的閾值電壓偏移(菱形)與施壓時(shí)間的關(guān)系。
圖15b的圖形量化了對(duì)于圖12a的TFT橫截面(即在靠近Mo柵電極處有高溫高壓SiOx層)，由界面處的電荷俘獲(正方形)和體絕緣體的電荷俘獲(圓圈)所構(gòu)成的總的閾值電壓偏移(菱形)與施壓時(shí)間的關(guān)系。
盡管已按照本發(fā)明顯示和描述幾個(gè)實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)清楚地理解，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種改變，這些改變對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因此，不希望受限于所顯示和描述的實(shí)施例，而是旨在顯示落入所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的所有改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于向有機(jī)發(fā)光二極管提供電流的電路，包括具有柵電極和漏電極的非晶硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述電流經(jīng)過所述漏電極被提供給所述有機(jī)發(fā)光二極管；以及控制器，用于控制所述柵電極和所述漏電極之間的偏壓，以把閾值電壓偏移保持為小于約1V。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中所述有機(jī)發(fā)光二極管是在一有源矩陣中的元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中所述偏壓是從由以下各項(xiàng)構(gòu)成的一組中選擇的一條件，該組包括在所述柵電極和所述漏電極之間施加的電壓范圍，以及在所述柵電極和所述漏電極之間施加的電壓的持續(xù)時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電路，其中施加在所述柵電極和所述漏電極之間的所述電壓范圍是在約3V到20V的范圍中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的電路，其中施加在所述柵電極和所述漏電極之間的電壓的所述持續(xù)時(shí)間范圍是在幀時(shí)間的約1％到99.9％之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中所述電流是處在約10nA到10μA之間的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一薄膜晶體管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括一基片；在所述基片的一個(gè)表面上沉積的所述柵電極；在所述柵電極上沉積的第一非晶SiOx層；在所述第一非晶SiOx層的至少一部分上沉積的第二非晶SiOx或SiNx層；在所述第二非晶SiOx或SiNx層上沉積的第一非晶硅層；在所述第一非晶硅層的至少一部分上沉積的第三非晶SiNx層；在所述第三非晶SiNx層的第一和第二側(cè)面部分沉積的第二非晶硅層；在所述第二非晶硅層的或者所述第一側(cè)面部分或者所述第二側(cè)面部分上沉積的所述漏電極；以及在所述第二非晶硅層的與沉積了所述漏電極的側(cè)面部分不同的側(cè)面部分上沉積的源電極。
9.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括一基片；在所述基片的一個(gè)表面上沉積的一柵電極；在所述柵電極上沉積的第一非晶SiOx層；在所述第一非晶SiOx層的至少一部分上沉積的第二非晶SiOx或SiNx層；在所述第二非晶SiOx或SiNx層上沉積的第一非晶硅層；在所述第一非晶硅層的至少一部分上沉積的第三非晶SiNx層；在所述第三非晶SiNx層的第一和第二側(cè)面部分沉積的第二非晶硅層；在所述第二非晶硅層的或者所述第一側(cè)面部分或者所述第二側(cè)面部分上沉積的一漏電極；以及在所述第二非晶硅層的與沉積了所述漏電極的側(cè)面部分不同的側(cè)面部分上沉積的源電極。
全文摘要
用于提供電流給一有機(jī)發(fā)光二極管的電路，包括(a)一非晶硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管(1000)(1050)(1200) (1250)，其具有一柵電極和一漏電極，通過該漏電極電流被提供給所述有機(jī)發(fā)光二極管；以及(b)一控制器，用于控制所述柵電極和所述漏電極之間的偏壓，以把閾值電壓偏移保持為小于約1V。所述有機(jī)發(fā)光二極管優(yōu)選地是一有源矩陣中的元件。
文檔編號(hào)H01L29/786GK1589506SQ02823012
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月20日
發(fā)明者P·S·安德里, F·R·利布士, 辻村隆俊 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司