CN109004031B - 铁电薄膜晶体管、有机发光阵列基板驱动电路和显示装置 - Google Patents

铁电薄膜晶体管、有机发光阵列基板驱动电路和显示装置 Download PDF

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Abstract

一种铁电薄膜晶体管、有机发光阵列基板驱动电路和显示装置。铁电薄膜晶体管,包括:基板;设置在基板上的底电极层;设置在底电极层背向基板一侧上的铁电层,铁电层的材料为具有非易失铁电极化的材料;设置在铁电层背向基板一侧上的半导体沟道层;设置在半导体沟道层背向基板一侧上的源电极和漏电极;漏电极用于与发光元件的输入端相连;源电极用于与电源信号线相连;底电极层用于与控制信号线相连;驱动电路简单。通过向底电极层施加电压调节铁电层的极化状态,进而通过铁电层的极化状态调控半导体沟道层中的载流子的浓度和电阻,改变流过OLED的电流大小,实现OLED串联分压的连续调制和不同灰阶的OLED显示,控制方式简单。

Description

铁电薄膜晶体管、有机发光阵列基板驱动电路和显示装置
技术领域
本发明涉及半导体及电子电路技术领域,具体涉及一种非易失铁电调控的铁电薄膜晶体管、有机发光阵列基板驱动电路和显示装置。
背景技术
有机发光显示装置(Organic Light-Emitting Display,OLED)因具有自发光,广视角,高色域,高对比度,低功耗等特点而受到广泛重视。
OLED显示装置按照驱动方式可以分为无源矩阵型(Passive Matrix OLED,PMOLED)和有源矩阵型(Active Matrix OLED,AMOLED)两大类。其中,AMOLED属于主动显示类型,通常用作高清晰度的显示装置。AMOLED是电流驱动器件。当有电流流过有机发光二极管时,该二极管发光,且发光亮度由流过的电流大小决定。
图1为现有技术中AMOLED的驱动电路的结构示意图,如图1所示,现有AMOLED的驱动电路包含一个开关薄膜晶体管SW-TFT、一个驱动薄膜晶体管DR-TFT和一个存储电容Cst(2T1C),SW-TFT的栅极连接到扫描信号电压Gate Line上,源极连接到数据信号电压DataLine上,漏极连接到DR-TFT的栅极和存储电容Cst的一端;DR-TFT的源极连接到电源电压VDD上,漏极连接到有机发光二极管OLED的阳极;有机发光二极管的阴极接地VSS;存储电容Cst的一端连接SW-TFT的漏极,另一端连接DR-TFT的漏极。通过Gate Line控制开关薄膜晶体管SW-TFT的导通与关闭。当SW-TFT导通时,数据信号Data Line传输至驱动薄膜晶体管DR-TFT的栅极,电源信号VDD通过DR-TFT向低电位VSS一端传输,控制流过DR-TFT的电流的大小,使有机发光二极管OLED发出不同亮度的光。可以发现,在整个显示区域中,每个子像素至少需要两个薄膜晶体管和一个存储电容进行驱动,使得驱动电路比较复杂。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种非易失铁电调控的铁电薄膜晶体管、有机发光阵列基板驱动电路和显示装置,以实现简化像素的驱动电路。
为实现上述目的,本发明实施例提供如下技术方案:
一种铁电薄膜晶体管,包括:
基板;
设置在基板上的底电极层;
设置在所述底电极层背向基板一侧上的铁电层,所述铁电层的材料为具有非易失铁电极化的材料;
设置在所述铁电层背向基板一侧上的半导体沟道层;
设置在所述半导体沟道层背向基板一侧上的源电极和漏电极;
所述漏电极用于与发光元件的输入端相连;
所述源电极用于与电源信号线相连;
所述底电极层用于与控制信号线相连。
优选的,上述铁电薄膜晶体管中,所述铁电层的材质为具有非易失铁电极化的材料。
优选的,上述铁电薄膜晶体管中,铁电层的材质为铁酸铋、钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸钾钠、磷酸二氢钾。
优选的,上述铁电薄膜晶体管中,所述半导体沟道层的材质为电子型或空穴型半导体材料。
优选的,上述铁电薄膜晶体管中,所述半导体沟道层的材料为氧化锌、铟镓锌氧化物、氧化钛、碲化锌。
一种有机发光阵列基板驱动电路,包括:
上述任意一项所述的铁电薄膜晶体管;
输入端与所述铁电薄膜晶体管的漏电极相连、输出端接地的发光元件;
通过电源信号线与所述铁电薄膜晶体管的源电极相连的电源;
通过控制信号线与所述铁电薄膜晶体管的底电极层相连的脉冲信号输出电路。
一种显示装置,应用有上述任意一项所述的有机发光阵列基板驱动电路。
优选的,所述显示装置为手机、电视机、平板电脑或电脑等。
基于上述技术方案,当采用本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管控制OLED发光器件时,所述漏电极用于与OLED的阳极相连;所述源电极用于与电源信号线相连;所述底电极层用于与控制信号线相连。可以通过向所述底电极层施加的电压调节所述铁电层的极化状态,进而通过铁电层的极化状态调控半导体沟道层中的载流子的浓度和电阻,即,通过所述铁电层的极化状态调整并保持所述半导体沟道层的阻态,也就是说,可以通过铁电层的极化状态调整所述半导体沟道层的阻值,从而改变半导体沟道层对OLED的分压值,改变流过OLED的电流大小,实现OLED串联分压的连续调制和不同灰阶的OLED显示。由此可见,本申请实施例公开的技术方案中,仅需一个铁电薄膜晶体管即可实现OLED发光器件的亮度控制,控制方式简单。
并且,本申请实施例公开的上述方案可以极大地简化AMOLED的驱动电路,通过减少电路面积,本发明可将像素的开口率由目前主流的28%增加到37%,显著提高了显示器件的显示性能。利用铁电材料的非易失铁电性,实现了较好的保持能力和持久能力;利用铁电材料的铁电快速翻转,还可以实现快至500ns的OLED发光响应,响应速度比现有的技术提高了2个量级以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是现有技术中的AMOLED的2T1C像素驱动电路图的结构示意图;
图2是本申请实施例提供的一种基于单个铁电薄膜晶体管(1T)的OLED像素驱动电路的结构示意图;
图3是本申请实施例提供的一种对铁电薄膜晶体管进行试验的实验室测量电路;
图4是本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管中半导体沟道层电阻随铁电层的极化方向的重复转变特性的测试电路图;
图5a是控制信号线不同电压脉冲宽度下,本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管的半导体沟道层的电阻随铁电层的极化方向的重复转变特性的示意图;
图5b是控制信号线不同电压脉冲宽度下,本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管的半导体沟道层的电阻随铁电层的极化方向的重复转变特性的示意图;
图6是OLED的伏安特性测试电路及其伏安特性曲线;
图7是本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管的半导体沟道层在不同电阻状态下OLED的I-VDD变化曲线;
图8是响应时间快至500ns时本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管的半导体沟道层的电阻随铁电层的极化方向的重复转变特性示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
针对于现有技术中,每个像素单元至少需要两个薄膜晶体管和一个存储电容进行驱动,使得像素单元的驱动电路结构复杂的问题,本申请公开了一种铁电薄膜晶体管、有机发光阵列基板驱动电路和显示装置。
图2为本申请实施例公开的一种基于单个铁电薄膜晶体管(1T)的OLED像素驱动电路的结构示意图,参见图2本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管,包括:
基板1;
设置在基板1上的底电极层2;
设置在所述底电极层2背向基板1一侧上的铁电层3,所述铁电层3的材料为具有非易失铁电极化的材料;
设置在所述铁电层3背向基板1一侧上的半导体沟道层4;
设置在所述半导体沟道层4背向基板1一侧上的源电极S和漏电极D;
所述漏电极D用于与发光元件的输入端相连,所述发光元件可以为OLED,当所述发光元件为OLED时,所述OLED的阳极作为所述发光元件的输入端;
所述源电极S用于与电源信号线相连;
所述底电极层2用于与控制信号线相连。
参见图2可见,所述铁电薄膜晶体管的结构包括基板1(Base)、底电极层2(Gate)、铁电层3及半导体沟道层4。具体的,各层的构造流程如下:
以高纯度的铁电材料、半导体材料块体作为靶材,采用磁控溅射技术在底电极层2(Gate)上依次沉积铁电层3及半导体沟道层4。所述磁控溅射技术沉积铁电层3的工艺包括:先将磁控溅射系统腔体抽至高真空,例如小于5×10-4Pa,加热带有底电极层2(Gate)的基底1(Base)至600~680℃作为沉积温度,沉积时注意控制气氛的气压,将气压大小控制在1~10Pa之间,控制氧氩比为1:1,通过控制沉积时间和溅射功率控制铁电层3的厚度,在溅射过程中,溅射功率在25~80W之间,基底与靶之间的距离为5.5cm,所述铁电层3的厚度为200nm。所述磁控溅射技术沉积半导体沟道层4薄膜的工艺包括:先将磁控溅射系统腔体抽至高真空,例如小于5×10-4Pa,加热上述铁电层3至300~550℃作为沉积温度,沉积时注意控制气氛的气压,将气氛大小控制在1~10Pa之间,通过控制沉积时间和溅射功率实现控制薄膜的厚度,溅射功率应在25~80W之间,基底与靶之间的距离为5cm。所述半导体沟道层4的薄膜厚度为10nm。所述沉积薄膜时采用的气体纯度≥99%,被加热材料的升温速率应不超过20℃/分钟,沉积结束后,上述铁电层3、半导体沟道层4在气压为5~20Pa的合适气氛中降温至室温,降温速率应不超过5℃/分钟。薄膜沉积结束之后,利用紫外光刻、离子束刻蚀等技术将半导体沟道层4制成不同长宽比的沟道,例如将半导体沟道层制成长和宽分别为500μm和100μm的沟道,在半导体沟道层4两端镀上顶电极,分别对应源电极S和漏电极D。本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管的主要工作原理是利用具有非易失电极化的铁电层3的铁电场效应非易失地调制半导体沟道层4的电导。
铁电层3具有良好的铁电及绝缘性能。申请人经研究发现,当铁电薄膜晶体管的底电极层2(相当于所述铁电薄膜晶体管的栅极Gate)施加正偏压时(3V~15V,电场从底电极层2指向半导体沟道层4),铁电层3被极化向上,在半导体沟道层4中产生负的屏蔽电荷,所述半导体沟道层4的载流子是带负电的电子,导致半导体沟道层4的载流子富集从而导致半导体沟道层4电阻减小至<105Ω,处于低阻态(ON);反之,当铁电薄膜晶体管的底电极层2施加负偏压时(-4V~-15V),负向极化导致沟道的载流子耗尽从而使得电阻增加至>106Ω,使得半导体沟道层4处于高阻态(OFF)。
本申请实施例公开的当铁电薄膜晶体管中,当对底电极层2施加的电场撤离以后,由于所述铁电层3具有非易失铁电极化,因此,所述铁电层3的极化状态会保持,使得所述半导体沟道层的状态得以保持,通过控制所述铁电层3的极化程度,即可以使得所述半导体沟道层保持在不同的阻态。
当采用本申请实施例公开的铁电薄膜晶体管控制OLED发光器件时,所述漏电极D用于与OLED的阳极相连;所述源电极S用于与电源信号线VDD相连;所述底电极层2用于与控制信号线Gate Line相连。可以通过向所述电极层2施加的电压调节所述铁电层3的极化状态,进而通过铁电层3的极化状态调控半导体沟道层中的载流子的浓度和电阻,即,通过所述铁电层3的极化状态调整并保持所述半导体沟道层4的阻态,也就是说,可以通过铁电层3的极化状态调整所述半导体沟道层4的阻值,从而改变半导体沟道层4对OLED的分压值,改变流过OLED的电流大小,实现OLED串联分压的连续调制和不同灰阶的OLED显示。由此可见,本申请实施例公开的技术方案中,仅需一个铁电薄膜晶体管即可实现OLED发光器件的亮度控制,控制方式简单。
进一步的,本申请可以极大地简化AMOLED的驱动电路,通过减少电路面积,本发明可将像素的开口率由目前主流的28%增加到37%,显著提高了显示器件的显示性能。
具体的,在选择各层材料时,所述铁电层3的材质为具有非易失铁电极化的材料,例如,所述铁电层3的材质可以选择为铁酸铋(BiFeO3)。所述半导体沟道层4的材料为电子型或空穴型半导体材料,其材质具体可以为氧化锌(ZnO)。
为了验证效果,本申请实施例公开的技术方案中还对所述铁电薄膜晶体管进行了具体测试,在具体实验时,所述铁电层3选用BiFeO3,所述半导体沟道层4的材料为ZnO,参见图2和图3,图2是本发明实施例OLED像素驱动的1T电路图,图3是本发明实验室测量电路。实验采用的是恒压源串联电路,OLED与铁电薄膜晶体管的沟道串联,负极接地,正极与铁电薄膜晶体管沟道层的漏极D相连。利用一个源表(Keithley 2410)为该串联电路提供一个恒定电压VDD。在底电极层2及源电极S之间用脉冲发生器(Keithley 3401)施加一个脉冲电压,用以改变BiFeO3薄膜电极化从而调控ZnO沟道中的场效应。通过3401脉冲发生器施加的脉冲电场撤掉之后,铁电极化状态可以保持,使ZnO处于不同的非易失阻态,从而改变OLED的串联分压,改变流过OLED的电流大小,控制OLED的不同亮度显示。当铁电薄膜晶体管的底电极层(Gate)施加正脉冲电压后(电场从Gate指向沟道),BiFeO3铁电薄膜被极化向上,在ZnO沟道中产生负的屏蔽电荷。由于ZnO是电子型半导体,多数载流子是带负电的电子,负屏蔽电荷将导致ZnO沟道的载流子富集从而导致电阻减小,处于低阻态(ON);反之,负向极化导致ZnO沟道的载流子耗尽从而导致电阻增加,处于高阻态(OFF)。
氧化锌沟道电阻随铁电极化方向的重复转变特性的测试电路图如图4所示,直接使用2410源表连接氧化锌沟道S、D极测得。图5是控制信号线施加不同脉冲宽度的电压脉冲并撤掉后,氧化锌沟道电阻随铁电极化方向的重复转变特性。在控制信号线脉冲时间(td)为10μs,电压幅值为+4.5V时,ZnO沟道处于低阻态,约为104Ω;施加脉冲电压-7V后,ZnO沟道处于高阻态,约为107Ω。ZnO沟道电阻高低阻态大约有3个量级的变化。在控制信号线脉冲宽度(td)短到1μs,施加脉冲电压+4.5V后,ZnO沟道处于低阻态,约为104Ω;施加脉冲电压-7V后,ZnO沟道处于高阻态,约为106Ω,ZnO沟道电阻高低阻态仍然有2个量级的变化,转换时间及阻态变化均十分可观。
图6为OLED的伏安特性曲线(直接使用2410源表连接OLED正负极测得,如图6插图所示)。由图6可见,当通过OLED电流大于5×10-4A时,OLED为完全开启状态,小于5×10-6A为关闭状态。在控制信号线不同信号驱使下,ZnO沟道可以处于不同电阻状态,本申请利用图3的实验电路,在不同的沟道电阻状态下,2410源表施加0~15V的VDD电压并测量整个回路中对应的电流,可以得到如图7所示的不同沟道电阻状态下OLED的I-VDD变化曲线。由图7可以看到,当施加通用VDD~15V时,OLED在ZnO沟道处于ON和OFF状态下时通过的电流分别使得OLED处于开启和关闭状态,即OLED可以实现不同亮度显示。另外,通过对铁电层3厚度、半导体沟道层4沟道尺寸等进行调控,可以在不同VDD下实现亮度的调控。本发明的驱动电路也可用于驱动其它发光二极管装置。
此外,本申请上述方案中,所述ZnO沟道电阻在更快极化脉冲电压下的变化规律如图8所示,在控制信号线脉冲电压分别为+7.5V和-8V时,发现其时间速度可以达到500ns,ZnO沟道电阻高低阻态仍然有2个量级的变化,比现有的技术提高了2个量级以上。
对应于上述铁电薄膜晶体管,本申请还公开了一种有机发光阵列基板驱动电路,包括:
其包括本申请上述任意一项所述的铁电薄膜晶体管A;
输入端与所述铁电薄膜晶体管A的漏电极D相连、输出端接地的发光元件100,所述发光元件可以为OLED,当所述发光元件为OLED时,所述OLED的阳极为输入端,阴极为输出端;
通过电源信号线与所述铁电薄膜晶体管A的源电极S相连的电源200;
通过控制信号线与所述铁电薄膜晶体管A的底电极层2相连的脉冲信号输出电路300。
其中,在本申请实施例公开的有机发光阵列基板驱动电路中,所述铁电薄膜晶体管的铁电层3的材质为铁酸铋(BiFeO3);所述铁电薄膜晶体管的半导体沟道层4的材料为氧化锌(ZnO)。
对应于上述驱动电路,本申请还公开了一种显示装置,该显示装置可以应用有本申请任意一项实施例所述的有机发光阵列基板驱动电路。所述显示装置可以为手机、电视机、平板电脑或电脑等任意一种带有显示器的显示装置。
综上所述,将本申请实施例提供的有机发光阵列基板驱动电路与通用的AMOLED有机发光阵列基板驱动电路相比,本发明只需一个铁电薄膜晶体管就可以实现有机发光阵列基板的驱动和显示。本发明的显示装置,包括上述阵列基板及相关驱动电路,可以极大地简化AMOLED的驱动电路,通过减少电路面积,本发明可将像素的开口率由目前主流的28%增加到37%,显著提高了显示器件的显示性能。利用铁电材料的非易失铁电极化,实现了较好的保持能力和持久能力;利用铁电材料的铁电快速翻转,还可以实现快至500ns的OLED发光响应,响应速度比现有的技术提高了2个量级以上。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种基于铁电薄膜晶体管的有机发光阵列基板灰阶连续调制方法,其特征在于,
所述铁电薄膜晶体管包括:
基板;
设置在基板上的底电极层;
设置在所述底电极层背向基板一侧上的铁电层,具有非易失铁电极化的材料具体为铁酸铋;
设置在所述铁电层背向基板一侧上的半导体沟道层;
设置在所述半导体沟道层背向基板一侧上的源电极和漏电极;
所述有机发光阵列基板包括:
输入端与所述铁电薄膜晶体管的漏电极相连、输出端接地的OLED发光元件;
通过电源信号线与所述铁电薄膜晶体管的源电极相连的电源;
通过控制信号线与所述铁电薄膜晶体管的底电极层相连的脉冲信号输出电路;
在控制信号线不同脉冲信号驱使下,通过控制所述铁电层的极化程度,使得所述半导体沟道层保持在不同的阻态,从而改变半导体沟道层对OLED的分压值,改变流过OLED的电流大小,实现OLED串联分压的连续调制和不同灰阶的OLED显示。
2.根据权利要求1所述的灰阶连续调制方法,其特征在于,所述半导体沟道层的材质为电子型或空穴型半导体材料,具体为氧化锌、铟镓锌氧化物、氧化钛或碲化锌。
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