CN113711296A - 具有低压硅背板的堆叠式oled微显示器 - Google Patents
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Abstract
一种微显示器，包括在具有可单独寻址的像素和控制电路的硅基背板的顶部上的发光OLED堆叠，其中发光OLED堆叠在顶部电极与底部电极之间具有三个或更多个OLED单元；以及硅基背板的控制电路包括至少两个晶体管，其中至少两个晶体管的沟道被串联连接在外部电源VDD与OLED堆叠的底部电极之间。发光OLED堆叠优选地具有至少7.5V或更高的Vth。控制电路可以包括由p‑n二极管、优选地双极结型晶体管构成的保护电路。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年1月28日提交的在代理人案号OLWK-0021-USP下的题为“具有低压硅背板的堆叠式OLED微显示器”第62/966,757号的美国临时申请以及于2020年7月21日提交的在代理人案号OLWK-0021-USP2下的题为“具有低压硅背板的堆叠式OLED微显示器”的第63/054387号的美国临时申请的优先权。
背景技术
通常，微显示器是对角线小于两英寸(大约5cm)甚至小于0.25的超小显示尺寸。在大多数情况下，微显示器的分辨率很高，并且像素间距通常为5至15微米。它们于90年代末首次投入商业应用，通常用于背投电视、头戴式显示器和数码相机取景器。近年来，如智能手表的设备已经利用了这些显示器的高分辨率和低功耗。预计微显示器将在未来几年内以20％的复合年增长率实现全球市场增长。驱动这一增长的趋势之一将是越来越多地采用近眼显示器、增强现实设备和虚拟现实设备，诸如头戴式显示器(HMD)、平视显示器(HUD)和电子取景器(EVF)。
存在主要两类微显示器。第一类是投影微显示器，它涉及投影到表面上的高度放大的图像。投影微显示器的类型包括背投电视和紧凑型数据投影仪。第二类是近眼显示器(NED)，它由通过目镜(诸如虚拟现实头戴式耳机或便携式摄像机取景器)观察到的高度放大的虚拟图像组成。这些显示器正越来越多地用于HMD和HUD，特别是用于军事和医疗行业。
两种类型的微显示器都比常规的直接观察型显示器(诸如平板LCD)具有显著优势。微显示器的优势包括：能够从非常小的、轻量级的源显示单元产生较大图像的能力，从而使其易于集成到空间受限的技术中，诸如可穿戴设备；大像素容量，从而产生高分辨率和清晰度；以及与其他显示类型相比，具有更大的功率效率。分辨率和亮度越高并且功耗越低，微显示器的质量越好。然而，对于微显示器制造商而言，挑战是相对较高的生产成本，以及对高亮度和对比度和长使用寿命的需求。
微显示器可以用多种显示技术制成，包括硅基液晶(LCoS)、液晶显示器(LCD)、数字微镜设备(DMD)、数字光处理(DLP)以及最近的微型LED(MicroLED)(发光二极管)和有机发光二极管(OLED)。
近年来，LCD已主导微显示器市场。LCD技术提供了高亮度、相对较低的成本以及相对简单的制造工艺。通过使用LCD，设备制造商已能够随着时间的推移减小微显示器部件的尺寸。LCD显示器目前用于一些HMD、HUD、EVF和热成像眼镜和可穿戴设备中。然而，LCD微显示器需要光源或背光源，以便与液晶阵列一起形成图像，以便调制光。该技术具有局限性，诸如偏振、色彩空间、最大亮度限制、LC温度灵敏度、视角、LCD透射率和消光比、系统局限尺寸等，这可能无法提供所有所需的性能特征。
基于微型LED技术(microLED)的微显示器可以提供优于LCD微显示器的优势，诸如自发光、更大的色域、宽视角、更好的对比度、更快的刷新率、更低的功耗(取决于图像)以及宽的工作温度范围。当前，微型LED微显示器基于从标准LED采用的标准氮化镓(GaN)晶片。这种方法具有以相对低的价格提供没有寿命问题的高亮度显示设备的潜力。通常，将标准GaN晶片图案化为微型LED的阵列。然后，通过将微型LED阵列和晶体管集成来生产微型LED显示器。然而，这种方法具有几个制造问题，包括：晶体管上的微型LED的单片形成、像素间距、颜色生成以及由于各个微型LED之间的颜色和亮度变化而引起的空间均匀性。
OLED技术具有用于微显示器的微型LED技术的许多吸引人的特征。它是自发光的、具有出色的图像质量、与LCD或LCoS相比非常有效并且具有超高的色彩再现和宽的色彩空间。自发光OLED设备具有优于背光设备(诸如LCD)的重要优势，因为每个像素仅产生图像所需的强度，而背光像素产生最大强度然后吸收不希望的光。此外，由于可以将OLED层真空沉积或直接涂覆在晶体管背板上，所以与形成微型LED相比，在晶体管上形成OLED要容易得多且成本更低。另一方面，OLED可以具有有限的亮度和寿命。
对于OLED微显示器(采样保持型显示器)中的控制电路来说，解决运动模糊问题也很重要(参见日期为2018年12月28日的https://www.blurbusters.com/faq/oled-motion-blur/；“为什么一些OLED会有动态模糊？(Why Do Some OLEDs Have Motion Blur？)”以及日期为2015年1月15日的https://www.soundandvision.com/content/motion-resolution-issue-oled-tvs，“运动分辨率是OLED电视的问题？”(Is Motion Resolutionan Issue with OLED TVs))。
减少由采样保持引起的运动模糊的唯一方式是缩短帧显示的时间的量。这可以通过使用附加的刷新(更高的Hz)或经由刷新之间的黑色周期(闪烁)来实现。对于OLED微显示器，最好的解决方案是“关闭”显示图像，这是通过同时关闭整个有源区域，或者通过“滚动”技术(以顺序方式一次只关闭部分显示图像)来“关闭”显示图像。“滚动”技术是优选的。像素关闭的时间非常短，并且远低于人眼可检测的阈值，以便避免可察觉的闪烁。在控制电路中，这是通过包含快门晶体管来实现的，该快门晶体管在通过选择线激活时会防止电流流过OLED，并且在所需的时间段内将由OLED像素的发射“断开”。换句话说，快门晶体管是开关晶体管，因为它仅使像素“打开”或“关闭”，而不调节电压或电流。然而，由于OLED处于“打开”状态时是眼睛可察觉的帧上的平均亮度，所以这种解决方案(在显示图像的部分时间(通常称为帧时间)内关闭像素)仅在OLED处于“打开”状态时才增加了对通过该OLED增加亮度的需求。减少运动模糊的快门可以应用于为OLED堆叠供电的任何方法；例如电流控制或PWM。
从成本和可制造性的角度来看，利用硅背板的OLED微显示器非常有吸引力。参见，例如，Ali等人，“硅上小分子OLED微显示器的最新进展(Recent advances in smallmolecule OLED-on-Silicon microdisplays)”，Proc.of SPIE，第7415 74150Q-1卷，2006年；Jang等人，期刊信息显示器(J.Information Display)，20(1)，1-8(2019)；Fujii等人，“4032ppi高分辨率OLED微显示器(4032ppi High-Resolution OLED Microdisplay)”，SID2018文摘，613页；US2019/0259337；Prache，显示器(Display)，22(2)，49(2001)；Vogel等人，2018年的第48届欧洲固态设备研究会议(2018 48th European Solid-State DeviceResearch Conference)，90页，2018年9月；以及Wartenberg等人，“用于超紧凑型VR耳机的高帧速率1”高分屏OLED微显示器和先进自由形式的光学器件(High Frame-Rate 1"WUXGAOLED Microdisplay and Advanced Free-Form Optics for Ultra-Compact VRHeadsets)”，SID论文集，49(1)，论文40-5，514(2018)。
微显示器需要非常高的亮度，以便在所有环境条件下(诸如在户外在明亮的阳光下)有用。即使在受控环境条件下(诸如在VR谷歌中)，也需要非常高的亮度才能创建沉浸式视觉体验。来自显示器的极高亮度允许使用效率更低的光学器件，这些光学器件更小、重量更轻并且更便宜，从而生产出更具竞争力的头戴式耳机。当前，最先进的OLED微显示器不提供与所需同样多的亮度。
例如，一个串联OLED微显示器的制造商的新闻稿描述了全彩色产品，该产品可以能够提供多达2.5k尼特，但是需承认的是5k尼特将是更理想的目标(参见日期为2020年1月7日的https://www.kopin.com/kopin-to-showcase-latest-advances-in-its-lightning-oled-microdisplay-line-up-at-ces-2020/)。一些制造商建议该目标应为1万尼特或更高(参见日期为2018年7月26日的https://hdguru.com/calibration-expert-is-10000-nits-of-brightness-enough/)。2020年6月20日的最新新闻稿(https://www.businesswire.com/news/home/20200630005205/en/Kopin-Announces-Breakthrough-ColorMax％E2％84％A2-Technology-Unparalleled-Color)描述了串联(2堆叠)OLED显示器，其发射>1000尼特。它还宣布：“通过优化OLED沉积条件，有望进一步提高亮度(>2000尼特)和色彩保真度。通过结合提高输出耦合效率的结构，OLED微显示器的亮度可以在几年内增加到>5000尼特”。
用于增加从OLED设备发射的光的总量的一种解决方案是将多个OLED单元彼此堆叠，因此从堆叠发射的总光是由每个单独的单元所发射的光的总和。然而，虽然从这种OLED堆叠发射的总光是基于各个OLED发光单元的总数而相加的，但是驱动OLED堆叠所需的电压也是基于驱动每个独立的OLED单元的电压而相加的。例如，如果发光OLED单元需要3V才能在给定电流下产生250尼特，那么两个这种单元的堆叠将需要6V才能在相同电流下提供500尼特，所以3个单元的堆叠将需要9V来提供750尼特，等等。
OLED堆叠是众所周知的；例如US7273663、US9379346、US9741957；US 9281487和US2020/0013978均描述了具有多个发光OLED单元的堆叠式OLED堆叠，每个堆叠由中间连接层或电荷产生层分开。Springer等人，光学快报(Optics Express)，24(24)，28131(2016)报告了具有2个和3个发光单元的OLED堆叠，其中每个单元具有不同的颜色。已经报道了多达六个发光单元的OLED堆叠(Spindler等人，“高亮度OLED照明(High Brightness OLEDLighting)”，SID显示周2016(SID Display Week 2016)，加利福尼亚州旧金山(SanFrancisco CA)，2016年5月23日至27日)。
然而，将需要更高驱动电压的这种多堆叠OLED的方法难以应用在微显示器应用中。问题在于，微显示器还需要具有高分辨率，从而要求各个像素的尺寸必须尽可能地小，并且微显示器的有源(发光)区域包含尽可能多的像素。这需要背板的控制电路中的晶体管要小，但是要有足够的尺寸以处理所需的电压和电流，而又不会造成永久性损坏或电流泄漏。
通常，随着晶体管变得越来越小，由于泄漏电流和其他故障机制无法处理更高的功率，因此它们具有较低的额定电压。较小的低压晶体管在栅极处具有较薄的绝缘层，因此它们也具有更多的静态电流泄漏。出于这个原因，能够处理更高压的较大晶体管通常用于需要更高压的OLED设备。WO2008/057372讨论了与减小微显示器中的像素电路尺寸有关的问题和现有技术。还参见，例如，O.Prache，信息显示学会期刊(Journal of the Societyfor Information Display)，10(2)，133(2002)；O.Prache的“有源矩阵分子OLED微显示器(Active Matrix Molecular OLED Microdisplays)”，显示器，22，49-56(2001)；以及Howard等人，“基于有机发光二极管的微显示器(Microdisplays based upon organiclight emitting diodes)”，IBM研究开发期刊(IBM J.of Res.&Dev)，45(1)，15(2001)讨论了在低压下提供具有较大的对比率的高亮度的硅背板上的微显示器的必要性。
此外，当使用MOSFET p沟道晶体管从VDD下的电源向具有阴极电压为VCATHODE的OLED提供恒定电流时，总电压必须很大，以便为晶体管供电并将OLED“导通”至高亮度。然而，如果使用低压p沟道晶体管来控制12V OLED，则当试图关闭OLED以形成黑色像素时，通过晶体管的电流泄漏将很高，并且由于(V阳极-V阴极)将保持大于OLED阈值所以电压OLED将继续发光。在OLED微显示器中，因为OLED像素在其应保持黑暗时将继续发光，所以通过驱动晶体管的电流泄漏将降低对比度。这种效果将导致纯黑色(无发射)变成灰色，并降低纯黑色与纯白色之间的色调范围的大小。这是不被期望的。
需要通过利用具有高亮度和对发光具有高压要求的OLED堆叠来提高在硅背板上的OLED微显示器的性能。然而，硅背板上的控制电路必须能够在不显著增大尺寸的情况下处理增加的电压和电流需求，以便维持在OLED的有源区域内的分辨率和像素间距。具体地，控制电路应通过防止或最小化通过TFT的电流泄漏来维持对比度。对比度是当像素应处于“关闭”、“黑色”或不发光(通常是图像信号代码值(CV)＝0)并且当像素应完全“打开”、“白色”或处于发最大光(通常，图像信号CV＝255)时的发光的差异。
在制造背板的半导体铸造行业中，通常将工作范围为5V或更低的模拟晶体管视为标准的“低压”(LV)晶体管。电压额定值通常存在10％的安全限制从而允许在不降低“5V晶体管”的寿命的情况下的可靠操作高达5.5V；5.5V足够高，以允许在OLED动态电压范围和驱动电路架空电压中有一定程度的过电压。虽然电压限制通常适用于晶体管的任意一对触点之间(栅极、源极、漏极、主体(也称为本体或阱))，但该电压限制具体适用于最大栅极-漏极电压，使得晶体管的性能在这些条件下在通常43,000小时的操作时保持在指定范围内。有时，根据晶体管的设计，其他对触点的电压限制可能会更高(例如7V)，但是该晶体管仍称为LV或5V晶体管。5V模拟晶体管由于与用于集成电路(IC)芯片之间通信的传统TTL逻辑电压电平兼容而在整个行业中广泛提供。随着用于输入输出通信的电压(例如3.3V和1.8V标准)的下降的趋势，这些5V晶体管有时也被称为中压(MV)晶体管，从而将LV标签改为新的“更低压”模拟晶体管。尽管如LV和MV的相对标签可能会随时间而变化，但在本专利申请中，术语LV或“低压”是指额定5V或更低的晶体管，并且术语MV或“中压”是指具有超过5V额定电压的晶体管。更高压模拟晶体管也很普遍，但是在整个集成电路(IC)制造行业中，确切的电压还没有像5V晶体管一样标准化。例如，诸如汽车等行业通常需要更高压的晶体管。
当前，使用串联(两个发光OLED单元由一个CGL分开)的OLED堆叠进行发光的具有低压5V驱动晶体管的硅背板可用。参见例如Cho等人，信息显示期刊，20(4)，249-255，2019；https://www.ravepubs.com/oled-silicon-come-new-joint-venture/，2018年出版；Xiao，“串联白色有机发光二极管的最新进展(Recent Developments in Tandem WhiteOrganic Light-Emitting Diodes)”，分子(Molecules)，24，151(2019)。这种示例在亮度方面不足以满足技术需求。
Han等人，“用于大型OLED显示器的先进技术(Advanced Technologies forLarge-Sized OLED Displays)”，第3章，10.5772/intechopen.74869(2018)。这篇评论文章描述了三种堆叠式白色OLED构想以及包括具有两个串联连接晶体管的背板的背板技术的进步，尽管这些技术是分开的而不是结合的。该参考文献还指出，这样的两个晶体管背板“由于大的线路负载和较短的充电时间而很难以在大型高分辨率面板中采用”，并且因此为其设备采用了不同种类的背板电路。
Liu等人，中南工业大学学报，19，1276-1282(2012)公开了在Si芯片微显示器上的OLED中具有两个串联连接的p沟道晶体管的3T1C电路，
Zeng等人，“硅微显示器上的三维AMOLED中具有阈值电压变化补偿的新型像素电路(A Novel Pixel Circuit with Threshold Voltage Variation Compensation inThree-Dimensional AMOLED on Silicon Microdisplays)”，P-27，SID 2019文摘，第1313页描述了用于驱动硅背板上的AMOLED显示器的4T1C像素电路。它公开了在电源与OLED之间串联连接的两个p沟道低压晶体管的使用。第一晶体管用于驱动OLED并控制供应给OLED的电流。第二晶体管是用于在编程操作期间关闭OLED的开关晶体管。上述电路还包含用于确定和补偿Vth变化的附加晶体管。
US9,066,379描述了适用于OLED微显示器的控制电路。它公开了在电源与OLED之间串联连接的两个p沟道低压晶体管的使用。第一晶体管用于驱动OLED并控制供应给OLED的电流。第二晶体管是用于断开(关闭)OLED的开关晶体管。该电路还需要在开关晶体管与OLED之间的第三晶体管，该第三晶体管是中压或高压p沟道晶体管。该第三晶体管的目的似乎是防止在OLED的“关闭”期间(Vss-V阴极)大于OLED阈值电压时电流流向OLED。
Pashmineh等人，“用于65nm CMOS上的电源管理的高压电路(High-voltagecircuits for power management on 65nm CMOS)”(高级无线电科学Adv.Radio Sci，13，109至120，2015)描述了基于串联连接的(通常也称为“堆叠式”晶体管)堆叠式低压CMOS晶体管的高压电路。
Dawson等人，“有机发光二极管的瞬态响应对有源矩阵OLED显示器的设计的影响(The Impact of the Transient Response of Organic Light Emitting Diodes on theDesign of Active Matrix OLED Displays)”(国际电子设备会议(InternationalElectronic Devices Mtg)，1998年，875至878)描述了具有两个串联连接的p沟道晶体管的像素电路。
Kwak等人，“使用具有用于微显示器的有源负载的源极跟随器结构的硅基有机发光二极管像素电路(Organic Light-Emitting Diode-on-Silicon Pixel Circuit Usingthe Source Follower Structure with Active Load for Microdisplays)”(日本应用物理学期刊，50，03CC05(2011))描述了具有三个串联连接的p沟道晶体管和过压保护电路的像素电路。该参考文献指出，由于OLED的工作电压高于MOSFET的工作电压，因此需要“过压保护电路”来防止金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的击穿。U5760477和US9066379也描述了保护电路的使用。
Vogel等人，SID 2017文摘(文章77至1，第1125至1128页)公开了在低压OLED硅微显示器中使用保护电路以扩展OLED电压工作范围。
在US6580657、WO2009072205和CN200488960中公开了包括用于OLED的过压保护的其他参考文献。US9059123、US9299817、US9489886、US20080316659和US20200202793公开了在OLED显示器的像素控制电路中使用n-p结二极管，诸如双极结晶体管。
公开两个串联连接的晶体管的其他专利参考文献包括：CN109166525、US20140125717、US7196682、US6229506、US9262960、US7443367、US6930680、US10614758、WO2019019590、US6946801、US7755585、US8547372、US8786591、US8797314、US9818344、US2018/0211592和US10269296。以下参考文献公开了具有三个串联连接的晶体管的像素电路：US9324266、US9384692、US10600366、US7180486、US9858863和US20190279567。
US9059123和US9489886公开了在OLED显示器的像素控制电路中使用n-p结二极管，诸如双极结晶体管。
发明内容
所描述的是一种微显示器，其包括在具有可单独寻址的像素和控制电路的硅基背板的顶部上的发光OLED堆叠，其中发光OLED堆叠在顶部电极与底部电极之间具有三个或更多个OLED单元；以及对于每个可单独寻址的像素，硅基背板的控制电路包括至少两个晶体管，其中晶体管的沟道被串联连接在外部电源VDD与OLED堆叠的底部电极之间。
如上所述的微显示器，其中发光OLED堆叠的阈值电压Vth为至少7.5V或更大，或者优选地为至少10V或更大。
如上所述的任何微显示器，其中OLED堆叠包括四个或更多个OLED发光单元。
如上所述的任何微显示器，其中OLED发光单元各自通过电荷产生层(CGL)彼此分开，或者其中底部电极被分段并且每个分段与背板中的控制电路电接触，或者其中OLED堆叠是顶部发光的。
如上所述的任何微显示器，其中OLED堆叠形成微腔，其中分段的底部电极与顶部电极之间的物理距离是跨越所有像素恒定的。
如上所述的任何微显示器，其中其沟道串联连接的晶体管额定电压均为5V或更低，或者其中最接近电源的晶体管为驱动晶体管且额定电压为5V或更低，并且最靠近OLED的底部电极的晶体管是开关晶体管且额定电压大于5V。
如上所述的任何微显示器，其中其沟道串联连接的两个晶体管均为p沟道晶体管，或者其中其沟道串联连接的两个晶体管各自位于单独的阱中。
如上所述的任何微显示器，其中控制电路还包括带有p沟道晶体管或二极管的保护电路。保护电路可以包括p-n二极管，并且其中p-n结二极管的阴极连接到OLED堆叠的底部电极的节点，并且阳极连接到电压参考VREF或电流参考IREF。
如上所述的保护电路，其中二极管是双极结型晶体管。双极结型晶体管可以是NPN晶体管，其中基极连接到电压源VPROTECT或电流源IPROTECT，发射极连接到节点，节点连接到OLED堆叠的底部电极，并且集电极连接到电压源VDD。BJT的基极可以被隔离。
如上所述的保护电路，其中双极结型晶体管与其沟道串联连接的两个晶体管位于分开的阱中，或者其中其沟道串联连接的两个晶体管均为p沟道晶体管，并且各自位于分开的n阱中，并且双极结型晶体管是位于分开的p阱中的NPN晶体管。
如上所述的任何微显示器，其还包括位于OLED堆叠的顶部上的RGB滤色器阵列(CFA)，其中各个R、G、B滤色器与分段的底部电极对准，以便形成R、G、B像素；或者另外包括位于OLED堆叠的顶部上的RGBW滤色器阵列(CFA)，其中各个R、G、B和透明或缺失的滤色器与分段的底部电极对准，以便形成R、G、B和W像素。
微显示器以较小的像素间距尺寸提供了非常高的亮度和对比度。
附图说明
图1示出了用于OLED的简单的现有技术的控制电路。
图2示出了具有其沟道串联连接的两个晶体管的基本控制电路，该电路适用于具有至少三个OLED单元的OLED堆叠。
图3示出了图2的本征体二极管连接的一个实施例。
图4示出了图2的本征体二极管连接的另一实施例。
图5A示出了具有其沟道串联连接的三个晶体管的基本控制电路，该电路适用于具有至少三个OLED单元的OLED堆叠。图5B类似于图5A，除了驱动晶体管是经由电平移位电路控制的。
图6示出了适用于具有至少三个OLED单元的OLED堆叠的基本控制电路，该控制电路具有包括二极管连接的p沟道MOSFET晶体管的附加保护电路。
图7示出了包括二极管的类似的保护电路。
图8示出了基本控制电路，该基本控制电路适用于具有至少三个OLED单元的OLED堆叠并具有带有双极结型晶体管(BJT)的保护电路。
图9示出了穿过硅背板的示意性截面，展示了图8所示电路的连接位置、连接和晶体管阱。
图10示出了具有三个相邻的单色RGB OLED堆叠的RGB微显示器100的截面图，每个单独的堆叠具有三个OLED发光单元。
图11示出了具有带有三个OLED发光单元的多模式微腔OLED堆叠和RGB滤色器阵列的微显示器200的截面图。
图12示出了具有带有三个OLED发光单元(具有附加的蓝色发光层)的多模式微腔OLED堆叠和RGB滤色器阵列的微显示器300的截面图。
图13示出了具有带有五个OLED发光单元的多模式微腔OLED堆叠和RGB滤色器阵列的微显示器400的截面图。
图14示出了用于一些比较的OLED设备和本发明的OLED设备的电流密度对电压的曲线图。
图15示出了用于一些比较的OLED设备和本发明的OLED设备的光谱(绘制为强度对波长)。
图16示出了用于具有滤色器的比较的OLED设备和本发明的OLED设备以产生D65白点的每种颜色所需的峰值电流密度的图。
图17示出了当比较的OLED设备和本发明的OLED设备被驱动以产生黑色并且再次处于峰值白亮度时，该设备的亮度对电压的曲线图。
图18示出了用于一些本发明的OLED设备的电流密度对电压的曲线图。
图19示出了用于一些本发明的OLED设备的光谱(绘制为强度对波长)。
图20示出了用于具有滤色器的一些本发明的OLED设备以产生D65白点的每种颜色所需的峰值电流密度的图。
图21示出了当一些本发明的OLED设备被驱动以产生黑色并且再次处于峰值白亮度时，该设备的亮度对电压的曲线图。
具体实施方式
为了本公开的目的，术语“在……之上”或“在……上方”是指所涉及的结构位于另一结构上方，即在与衬底相反的侧上。“顶部”、“最上方”或“上部”是指距衬底较远的侧或表面，而“底部”、“最下方”或“底部”是指最靠近衬底的侧或表面。除非另有说明，否则“在……之上”应解释为两个结构可能直接接触，或者它们之间可能存在中间层。对于“层”，应该理解的是，单个层具有两侧或表面(最上层和最下层)；在一些情况下，“层”可以表示被认为是整体的多个层，并且不限于单个层。
对于发光单元或发光层，R表示主要发出红光(>600nm，期望在620至660nm的范围内)的层，G表示主要发出绿光(500-600nm，期望在540至565nm的范围内)的层，并且B表示主要发出蓝光(<500nm，期望在440至485nm的范围内)的层。重要的是要注意，R、G和B层可以在指定范围之外产生一定程度的光，但是产生的量始终小于原色。Y(黄色)表示发出大量R光和G光而发出量少得多的B光的层。“LEL”是指发光层。除非另有说明，否则波长以真空值而不是现场值来表示。
单个OLED发光单元可以产生单一“颜色”光(即R、G、B或2种或更多种原色(诸如Y、C(青色)或W(白色))的组合)。可以通过具有一个或多个相同颜色的发射器的单层或每个层具有相同或不同的发射器(其初级发射落入相同的颜色内)的多层在OLED单元内产生单色光。单个OLED单元还可以通过具有以下层在单个OLED单元中提供两种颜色(即R+G、R+B、G+B)的组合：具有发射两种颜色光的单个发射器的一个层、具有两个不同的发射器的一个层或者每个层发出单一但不同的颜色的多个单独层的组合。单个OLED单元还可以通过具有以下层提供白光(R、G和B的组合)：发出所有三种颜色的光的一个层或者每个层发出单个(但不同的)颜色其总和是白色的多个单独层的组合。各个OLED发光单元可以具有单个发光层或者可以具有多于一个发光层(或者彼此直接相邻或者通过中间层彼此分离)。各个发光单元还可以包含各种非发光层，诸如空穴传输层、电子传输层、阻挡层和本领域已知的其他非发光层，以提供期望的效果，诸如促进发射以及管理在整个发光单元上的电荷转移。
因为OLED发光单元可以包含多个层，所以有时将单个单元称为可能与具有多个单元的OLED设备混淆的“堆叠”。在本申请中，“堆叠式”OLED具有在衬底上彼此堆叠在一起的至少两个OLED发光单元，因此设备内存在有多个光源。在本发明的堆叠式OLED中，各个OLED发光单元通过电荷产生层(CGL)而不是通过单独且独立控制的中间电极彼此分开。要被视为OLED发光单元，必须通过CGL将其与另一发光单元分开。因此，与OLED发光单元之一相邻但未通过CGL与其分离的发光层不被认为看成单独的单元。在堆叠内，所有或一些单独的OLED发光单元可以是相同的，或者它们可以全部彼此不同。在OLED堆叠内，各个OLED发光单元可以按任意顺序放置在顶部阴极与底部阴极之间。堆叠式OLED可以是单色的(OLED堆叠的每个像素主要发出相同颜色的光；例如，绿光)，或者可以具有多模式发射(其中每个像素发出2种或更多种颜色的光(例如，黄色或白色)，或者其中不同的像素发出不同颜色的光，使得总体发射包含2种或更多种颜色的光)。
在一些情况下，可以在显著光发射开始返回电压轴后通过I-V曲线的线性外推来估算OLED堆叠的阈值电压(Vth)。由于因为OLED的I-V响应曲线在其响应范围内可能不是完全线性的则此方法不准确，因此以这种方式计算的值并不精确。这个指标的一般范围是+/-10％。更准确地说，可以将阈值电压定义为其中电流密度不大于暴露的阳极层的0.2mA/cm2并且至少存在一些可靠的可检测亮度(即至少5cd/A)的电压。这是本申请中使用的方法。
在下文中，晶体管可以被称为“导通”或“截止”。在“截止”晶体管中，发送到栅极的信号旨在使得没有电流将流过端子；换句话说，信号(通常CV＝0)是信号要求任何电流不要流过该晶体管的指示，使得该晶体管被调节为“截止”，而不是被切换“截止”。在这种情况下，即使晶体管可能“截止”，仍然可能会有一些电流泄漏。同样，在“导通”晶体管中，发送至栅极的信号旨在使至少一些电流将流过端子；换句话说，信号(通常CV＝大于0但小于255)是图像需要来自该像素的一定程度的发射的指示，使得该晶体管被调节为“导通”，而不是被切换“导通”。以类似的方式，根据图像的要求，像素或OLED可以被称为“导通”或“截止”，并且因此将适当的信号发送到像素或OLED。
硅背板源自硅晶片(也称为切片或衬底)。它们是用于制造集成电路的半导体(诸如结晶硅(c-Si))的薄切片。晶片用作内置在晶片中和晶片上的微电子设备的衬底。片经历了许多微细加工过程，诸如各种材料的掺杂、离子注入、蚀刻、薄膜沉积以及光刻图案化。最后，通过晶片切割将各个微电路分开并封装成集成电路。晶片是从具有规则晶体结构的晶体中生长的，其中硅具有带有晶格间距的菱形立方体结构。当切成晶片时，表面在称为晶体取向的几个相对方向中的一个方向上对准。硅晶片通常不是100％的纯硅，而是用硼、磷、砷或锑的初始杂质掺杂浓度形成的，这些杂质被添加到熔体并将晶片定义为本体n型或p型。对于背景，参见“平板显示器制造(Flat Panel Display Manufacturing)”(Souk，L.，Ed，2018年，第7章)。希望硅背板是单晶硅晶片。
为了提供用于堆叠式OLED的操作的控制电路，在硅晶片的表面上设置薄膜晶体管(TFT)以及其他组件，诸如电容器、电阻器、连接线或汇流条等。例如，参见T.Arai，“用于AM-OLED显示器制造的高性能TFT技术(High Performance TFT Technologies for the AM-OLED Display manufacturing)”，论文，奈良科学技术学院，2016年；M.K.Han，Proc.ofASID’06，10月8至12号，新德里；US9066379；以及US10163998。应当理解，TFT可以结合硅晶片作为TFT结构的一部分或可以不结合硅晶片作为TFT结构的一部分，或者可以由沉积在表面上的单独的材料制备。
TFT可以使用多种半导体材料制成。硅基TFT的特性取决于硅的晶态；也就是说，半导体层可以是非晶硅、微晶硅，或者其可以退火成多晶硅(包括低温多晶硅(LTPS)和激光退火)。
具有合适的控制电路的硅背板的制造是非常众所周知的、可理解的和可预测的技术。然而，由于制造工艺和设备的成本和复杂性，建造用于制造特定背板的设施通常是不切实际的。相反，在微电子设备的功能特性已变得更加标准化的行业中，铸造模型已被广泛采用。这种标准化允许将设计与制造分开。遵循适当设计规则的设计可以由具有兼容制造方法的不同公司更容易、更便宜地制造。出于这个原因，硅背板上的控制电路通常限于从由背板制造商提供的一系列选项中选择的标准组件的使用。例如，硅背板的制造商可以提供将额定电压为1.8V、2.5V、3.3V、5V、8V和12V的晶体管的各种标准设计并入客户的设计中的选项，但是(在没有很大开销的情况下)无法提供不包含在提供的设计中的晶体管。
出于本申请的目的，“低压”(LV)被定义为限定大小为、设计为和额定为能够在5V或更低的电压下安全且可靠地操作的那些模拟微电子组件。通常认为“高压”(HV)微电子设备在18至25V的范围内。通常认为“中压”(MV)微电子设备是介于LV与HV之间的那些微电子设备。应当注意，这些电压额定值是由制造商设定的，并且制造商不建议超过每个晶体管的最大设定电压。
互补金属氧化物半导体(CMOS)技术使用p型和n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现复杂的集成电路。根据制造工艺，存在可以使用的不同的电压域(即1.8V、2.5V、3.3V、5V、12V等)。在所有电压域中，MOSFET晶体管具有漏极、源极、栅极和本体/阱。MOSFET的基极是衬底；对于n沟道FET，衬底是p型掺杂衬底或具有低掺杂率的阱；对于p沟道FET，衬底是具有低掺杂率的n型掺杂阱。源极区和漏极区由具有用于n沟道FET或p沟道FET的n型或p型的高掺杂区域形成。受控沟道形成在源极与漏极之间，被薄氧化物隔离并且通常被充当栅极的多晶硅层覆盖。FET的所有四个端子(源极、漏极、栅极、衬底/阱)通过金属触点连接到金属互连层，该金属互连层最终连接到OLED。
微显示器的发射区域很小，并且为了实现必要的像素间距，限制了每个像素的控制电路可用的空间。对于全色微显示器，控制电路为每个单个像素所占据的空间应不大于100平方微米，并且最好不大于50平方微米。对于其中所有像素均发出相同颜色的单色微显示器，因为需要更少的像素，控制电路的空间可以大3至4倍。
在合适的低压5V晶体管中，所有任何一对端子之间的最大电压可以在不损坏设备的情况下不超过5V。在短时间内，典型的10％过压的安全裕度是可接受的。额定电压大于5V的中压晶体管(例如，额定电压为7.5V的一个晶体管)通常具有与5V晶体管相同的设置，但是具有更厚的栅极氧化物以及更大的几何形状(沟道宽度和长度)以承受更高的电压。因此，MV晶体管通常将比对应的LV晶体管更大并且占据更多空间。
尽管可以在不考虑其电压额定值的情况下在任何尺寸范围内制造晶体管，但是适用于微显示器应用的额定电压为5V的低压MOS晶体管的总面积不超过20平方微米，并且优选地不超过10平方微米。用于微型显示应用的5V晶体管的合适的沟道面积(沟道长度x沟道宽度)应不超过1平方微米，并且优选地不超过0.30平方微米。两个晶体管触点应各自不超过1平方微米，并且优选地不超过0.30平方微米。
出于本申请的目的，适用于保护电路的BJT对于NPN和PNP两种类型通用设置都是竖直的。对于NPN BJT，集电极在公共硅衬底(本体)内以低p掺杂形成为低掺杂深n阱。基极在深n阱内部形成为p阱，并且通过高掺杂的p区域连接。BJT的发射极由p阱内部的高掺杂n区域形成。发射极区域的典型尺寸为约500nm x 500nm，并且优选地不超过0.30平方微米，以允许较小的像素尺寸。在不损坏设备的情况下，BJT(本体、基极、发射极、集电极)的所有端子的任意一对之间的最大电压可以不超过5V。在短时间内，典型的10％过压的安全裕度是可接受的。
OLED微显示器(通常称为“AMOLED”)由OLED像素的有源矩阵组成，该有源矩阵在电激活时会产生光(发光)，并且已沉积或集成到位于硅芯片上的晶体管阵列上，其中该阵列起一系列开关的作用，以控制流向每个单独像素的电流。通常，该连续电流由每个像素处的至少两个晶体管控制(以触发发光)，其中一个晶体管开始和停止存储电容器的充电连同控制另一个晶体管，其中该另一个晶体管在为像素产生恒定电流所需的水平下提供电压源。在一些实施例中，控制由另一晶体管(通常称为驱动晶体管)提供的电流的晶体管(通常称为扫描或选择晶体管)由选择线控制，该选择线沿着行对于跨越的所有像素都是公共的。由扫描晶体管通过的信号由数据线提供，该数据线沿着列对于跨越的所有像素都是公共的。
这在图1中进行了说明，该图代表了现有技术的AMOLED像素设计的最简单形式。具有像素存储器的最简单的AMOLED像素使用两个晶体管和一个电容器。电流驱动晶体管MP2通常从电源电压VDD连接到OLED的阳极。如图所示，一个晶体管(MP2)驱动OLED的电流，并且另一个晶体管MP1(也称为扫描晶体管)充当开关，以将电压采样并保持到存储电容器C1上。存在控制流过驱动晶体管MP2的电流VDD的数据线(提供V数据)。存在控制MP1并且因此控制电容器C1的充电的选择线。通常，晶体管具有本征电容，因此根据晶体管的本征电容和通过晶体管的泄漏电流，可能不需要附加的电容。
为了清楚起见，在图1之后的图中，已从图中省略存在的任何电容器。电容器的存在是可选的，并且电路可以根据需要不具有电容器或任何数量的电容器。电容器的参考电压可以是VDD或一些其他电压。
应当注意，阈值电压(Vth)、载流子迁移率或串联电阻的变化将直接影响OLED驱动TFT的电流的均匀性，并且因此影响显示器的亮度。影响非均匀电流的一个主要因素是OLED驱动晶体管的阈值电压(Vth)变化。对于像素，可能需要控制电路进行其他类型的补偿；例如，OLED材料随时间的老化、降解或陈化、跨有源区域的不均匀或非均匀、或者金属连接线中的压降。另外，由TFT提供的控制电路可能需要控制例如通过PWM将电流递送到像素的时机。包括各种类型的补偿和驱动方案的用于OLED的控制电路的设计已经引起人们极大的兴趣，并且已经提出了许多方法。此类补偿电路可以另外存在于用于具有3个或更多个堆叠的堆叠OLED的控制电路中。
出乎意料地发现，具有3个或更多个堆叠式OLED堆叠所需的高电压/电流可以通过控制电路来处理，该控制电路包括至少两个其沟道串联连接的晶体管。该晶体管有时称为“堆叠晶体管”。期望地，串联连接的晶体管之一是低压驱动晶体管，并且另一个是开关晶体管。这种布置允许驱动OLED像素而不会有大量电流通过TFT泄漏，使得在没有对比度的损失的情况下获得高亮度。
具体地，驱动TFT和开关晶体管串联连接，使得驱动晶体管的第一端子电连接到(并且更接近)外部电源，驱动晶体管的第二端子电连接到开关晶体管的第一端子并且开关晶体管的第二端子电连接到(并且更靠近)OLED堆叠的底部电极。这种布置允许OLED堆叠以比单个晶体管所设计的相比更高的电压下操作，而不会对低压晶体管造成大量的电流泄漏或物理损坏。
该基本控制电路布置如图2所示，其中p沟道驱动晶体管T1在第一端子(对于p沟道晶体管，是源极)上连接到VDD(外部电源)，并且在第二端子(在p沟道晶体管中，是漏极)上连接到开关晶体管T2。经由数据线和串联选择晶体管T3控制驱动晶体管T1的栅极，该串联选择晶体管的栅极由选择线选择1控制。开关晶体管T2在第一端子(源极)上从T1的第二端子(当T1“导通”时)接收电流，并且在第二端子(漏极)上连接至OLED的底部电极。开关晶体管T2的栅极直接由选择线选择2控制。驱动晶体管T1和开关晶体管T2两者被串联连接。当T1和T2两者都选择为“导通”时，电流流向OLED堆叠的底部电极，并且它会发光。如果将T2选择为“截止”，则将不会有电流流向OLED堆叠，而无需考虑T1是“导通”还是“截止”。在一些实施例中，开关晶体管T2可以提供快门功能以防止运动模糊。如果T1为“截止”，则不管T2为“导通”或“截止”都没有关系；OLED将不发光。
在图2中，在VDD与OLED电极的底部电极之间具有至少两个串联连接的晶体管的背板的控制电路是驱动晶体管和开关晶体管。在本申请中，驱动晶体管具有根据显示的图像将流向OLED像素的电压和电流调节到适当水平的功能，并且开关晶体管的目的是将流向OLED像素的电流切换成打开和关闭，以便提供快门功能。例如，在微显示器的操作期间，开关晶体管T2中断从驱动晶体管T1流向OLED堆叠的底部电极的功率，因此在一部分帧时间内没有发光(黑色)。这与扫描晶体管T3不同，该扫描晶体管仅在帧时间的非常小的部分内(例如，对于具有1200行的显示器为1/1200)导通，以便对存储电容器(图2中未示出)进行充电。通常，对于相同的最大操作电压，开关晶体管的尺寸可以小于驱动晶体管的尺寸。然而，如果要求开关晶体管像在具有3个或更多堆叠式OLED的控制电路中那样处理更高的电压，则它可以比驱动晶体管更大并且额定电压更高。
期望地，与更靠近OLED的底电极定位的开关晶体管(T2)相比，驱动晶体管(T1)更靠近电源VDD定位。优选的是，至少驱动晶体管是p沟道MOSFET晶体管，并且更优选地，驱动晶体管和开关晶体管两者都是p沟道MOSFET晶体管。两个串联连接的晶体管可以是两个LV、两个MV或者一个LV和一个MV晶体管。优选地是两个LV晶体管，以减小像素电路的过大尺寸。然而，在一些实施例中，驱动晶体管是LV，而开关晶体管是MV。
尽管在图2中仅示出了p沟道晶体管，但是可以使用n沟道晶体管或者n沟道晶体管和p沟道晶体管的混合物。在这种情况下，考虑到n沟道晶体管与p沟道晶体管之间的极性的差异，将有必要适当地重新布置电路。此外，根据需要，诸如其他晶体管、电容器和电阻器的其他微电子组件可以包括在控制电路中。
如本领域中已知的，MOSFET晶体管需要本征体二极管连接以按要求进行工作。由于MOSFET晶体管的结构，寄生二极管固有存在，并且它可能影响晶体管的操作。通常，本征体二极管在内部或外部连接到电源，以施加偏压。这些主体连接也称为“本体连接”或“晶体管阱”以及其他术语。这在图3中示出，其中IBD1、IBD2和IBD3是与单独的电压源VDD2的本征体二极管连接(对于T1、T2和T3)。对于本征体二极管连接，这些晶体管可以共用同一个阱。然而，用于向T1和T2供电的同一电源VDD也可以用于IBD；也就是说，VDD和VDD2是公共电源。
然而，可能希望一个或多个晶体管浮在硅背板上的其自己的单独的阱中，以避免超出任何组件的工作电压范围。具体地，当第一驱动晶体管和开关晶体管都是p沟道晶体管时，每个晶体管可以位于其自己的单独的n阱中。与在同一个n阱中使用两个晶体管所能实现的相比，这允许更大的动态电压范围来控制OLED。对于串联连接的晶体管，使用隔离的、浮动的或不同的阱是本领域已知的，例如参见US9066379、US5764077、US7768299、US9728528和JP2016200828。
这在图4中示出，其中如虚线所示T1占据了其自己的阱，并且通过经由IBD1与VDD2的连接而偏压，以及如虚线所示T2占据了不同的阱，该T2通过与晶体管源极(VDD)的不同的单独的连接IBD2而偏压。在图4的实施例中，施加到每个IBD的偏压是不同的，并且因此，每个n阱彼此独立。
图2至图4所示的实施例在用于驱动带有3个或更多个堆叠式OLED的设计和操作方面具有若干优点。在设计中，该电路由于所有晶体管都是相对较小的LV晶体管所以可以非常紧凑，通常在大多数铸造厂中都可以找到。所有晶体管都可以是p沟道晶体管，其中所有n阱都被偏压到VDD，这消除了对隔离阱或浮动阱的需要。这些特征可以允许用于在小尺寸中具有非常高分辨率的微显示器设计的非常紧凑的像素电路设计。
图5A示出了具有三个串联的晶体管的控制电路。除了存在在电源VDD与驱动晶体管T1的源极之间串联连接的第三晶体管T4之外，图5A所示的电路与图2所示的电路相似。如图所示，T4的栅极是经由数据线和串联选择晶体管T5控制的，该串联选择晶体管的栅极由选择线选择3控制。图5A中的线选择2和选择3可以以相同或不同的电压提供信号，可以同时或在不同的时间切换，或者可以根据操作条件保持不切换。
期望地，添加的晶体管T4可以是第二驱动晶体管，使得在电源VDD与OLED的底部电极之间是全部串联的两个驱动晶体管(T4和T1)和一个开关晶体管(T2)。在这种情况下，提供给T4的栅极的信号也可以与提供给T1的信号相同，并且可以经由T3/选择1来提供。尽管图5A示出了具有一条数据线和两条选择线以便进行数据控制的设计，但是具有两条数据线和一条选择线的类似设计也是可能的。
在存在串联的三个或更多个晶体管的实施例中，这些晶体管可以是LV和MV晶体管两者的组合。优选地，这些晶体管都是LV晶体管，以减小像素电路的尺寸。这些多个晶体管可以是p沟道、n沟道或混合晶体管。优选地都是p沟道。如果存在n沟道和p沟道晶体管的混合，那么优选地存在为p沟道晶体管的至少一个驱动晶体管，并且更优选地，其为LV晶体管。开关晶体管是优选的LV晶体管；然而，当需要在观察单个晶体管的电压限制的同时扩大背板电路的操作范围时，可能希望使用一个或多个MV开关晶体管。
在串联的多个晶体管中的任何一个具有一种类型的情况下，则相同类型的多个公共晶体管可以共用同一个阱，以减小设计的尺寸。然而，为了在观察各个晶体管的电压限制的同时扩大背板电路的工作范围，可能需要将相同类型的晶体管放置在单独的阱区域中。
图5B示出了具有类似于图5A所示的两个驱动晶体管的控制电路的示意图，其中两个驱动晶体管由电平移位电路(LSC)控制。电平移位电路是用于将信号从一个逻辑电平或电压域转换到另一逻辑电平或电压域的电路，并且通常用于解决系统的各部分之间的电压不兼容。为清楚起见，未示出内部组件或与LSC的所有连接(例如VDD、接地和其他可能的输入连接)。在该实施例中，LSC基于信号选择1和来自数据线的信号来设置驱动晶体管T4和T1的栅极电压，使得T4和T1两端的总电压始终在两个驱动晶体管之间大致相等地分割。众所周知，小型逻辑晶体管可以用于该功能。
基于OLED的微显示器通常在背板的基于MOSFET的控制电路中包含保护电路，以限制流过晶体管的功率的量，以防止损坏。出于这种目的，期望的是在具有带有3个或更多个堆叠单元的OLED的微显示器的背板的控制电路中包括保护电路，这是因为引起这种设备发光所需的功率相对较高。保护电路应当维持或“限制”OLED的底部电极处的电压，使得在OLED不发光时其不会低于所需的电压电平。这种保护电路也可以称为“电压维持”电路。
为了保护存在于控制电路中的低压晶体管并保持在如由铸造厂设定的晶体管的指定操作范围内，将期望保护电路在堆叠式OLED的底部电极处对于低于4μA/cm2(或者对于具有大约7.5V的Vth的3单元堆叠式OLED更希望在2μA/cm2或更小)的像素维持黑电平电流(CV＝0或像素“关闭”)。对于4单元堆叠式OLED设备，需要类似的黑电平电流，并且典型的Vth大约为10V。
图6示出了类似于图2中所示的控制电路的示意性控制电路，只是添加了保护电路。在此特定实施例中，保护电路包括p沟道晶体管，该p沟道晶体管的一端连接到位于T2的漏极与OLED的底部电极之间的节点，并且在另一端连接到电源(在此示例中为参考电压VREF(跨越所有像素共用))。T6的栅极也连接到该节点。因此，二极管连接的晶体管T6限制了T2的最低漏极电压以防止其击穿。作为该电路的一部分，可能存在其他未示出的电子组件。除了p沟道晶体管的一端被接地而不是连接到VREF之外，这种布置类似于由Kwak等人描述的布置。
然而，由使用具有3个或更多个单元的OLED的更高的电压要求所引起的问题仍然适用于使用MOSFET晶体管(诸如图6所示)的保护电路的使用。在该实施例中，与使用MV驱动和开关晶体管并且消除了保护电路相比，使用LV或MV MOSFET晶体管(即，T6)以实现对LV驱动和开关晶体管的保护不会导致显著更小的像素设计。
除了用二极管D4代替p沟道晶体管T6之外，图7示出了与图6所示的保护电路类似的保护电路。期望地，保护电路中的二极管D4是p-n结二极管。p-n二极管是电路元件，它允许电流沿一个方向流动，但不允许在另一(相反)方向上流动。P-n二极管在电流容易流动的方向上可以具有正向偏压，或者在电流流动很少或没有流动的地方可以具有反向偏压。这种p-n二极管可以以不同的方式形成在CMOS项目内部；例如，作为在n阱中具有高度掺杂的p区域的竖直二极管。D4的一端连接到位于T2的漏极与OLED的底部电极之间的节点，并且另一端连接到电源45，该电源是参考电压VREF或参考电流IREF。
图8示出了类似于图7所示的保护电路。在图8中，保护电路的二极管D4具体为BJT1(BJT(双极结型晶体管))，其集电极(C)连接到VDD，其发射极(E)连接到T2与OLED堆叠的底部电极之间的节点，并且其基极(B)连接到电源50，该电源是电压源V保护或电流源I保护。在保护电路中使用BJT的一个益处是电流从基极电流放大成集电极电流。如果需要，可以将BJT的集电极可以连接到不同于VDD的单独电源。电源V保护或I保护可以为所有像素共用。应当注意，V保护或I保护可以恒定的或可以不是恒定的，但是可以根据OLED是否要发光而变化。当与开关晶体管一起使用以减少通过快门的显示器的持久性时，这可能是有利的。在图8A中，BJT1是“NPN”型BJT晶体管(优选)，但在设计上进行适当改变后，也可以是“PNP”晶体管。
对于NPN型BJT，每当OLED的底部电极处的发射极电压VE大于基极电压VB并且VB小于集电极电压VC(VE>VB<VC)，BJT将处于关闭模式，并且没有电流通过。然而，每当OLED的底部电极处的电压VE小于电压VB并且VB小于VC(VE<VB<VC)，BJT将处于正向激活模式。在这种模式下，基极-发射极结被正向偏压，并且基极-集电极结被反向偏压，并且因此，集电极-发射极电流将与基极电流近似成正比。
因此，在图8A中，如果BJT1的VC是VDD并且V保护(是VB)被设置成小于OLED的Vth，每当底部电极处的电压VE高于Vth+V阴极，BJT1就“截止”，但是每当VE下降低于Vth+V阴极(即每当T1或T2“截止”)，底部电极处的电压被维持在Vth附近。因此，保护电路被设计为在需要时提供足够的电流，以便保护驱动晶体管和开关晶体管，使其每当阴极电压下降(更多的负电压)低于某一值时，其端子两端的电压都不会超过其额定值。此外，通过将基极电压B(V保护)设置成低于OLED的导通电压(V阴极上的Vth)，每当传递到OLED的底部电极的电压大于或等于Vth时，功率损耗会最小化。
在利用图8所示的保护电路的一些实施例中，BJT的基极电压(VB)与任何外部电源隔离。即，电源V保护或I保护与BJT的基极之间没有电连接。BJT在物理上与现有的集电极和发射极连接一起存在，如图8所示，但基极连接虽然仍然存在，但未连接到任何外部源。在这种情况下，VB不会有意维持在任何特定值，也不会故意施加给其任何电压或电流。VB被允许独立于电压VC和VE进行“浮动”，其被保持为操作OLED的有源控制电路的一部分。然而，背板内可能存在寄生电流路径，这些电流路径会以高阻抗在内部对基极进行偏压。应当注意，在这种类型的实施例中，由于电路内的寄生电流的产生，VB可能在OLED的操作期间变化。
在其他实施例中，BJT的VB可以是自偏压的(有时称为具有“基极偏压”)。当BJT自偏压时，不会将外部控制的输入信号施加到BJT的基极，而是由恒定电源电压(即VDD)的值和连接晶体管的任何偏压电阻的值来设置施加到BJT的基极的信号。用于实现BJT的基极的自偏压的一种方法是形成“固定基极偏压电路”。在这种布置中，BJT的基极通过单个限流电阻连接到恒定电源(即VDD)。对于给定的VDD值，这将允许BJT的基极电流(IB)保持恒定，并且因此BJT的操作点也保持固定。或者，简单的分压器网络可以提供所需的偏压。应当注意，在这种类型的实施例中，每个像素内的偏压和所产生的寄生电流将响应OLED的操作。这种响应可以为晶体管提供有效的保护。
图9是用于图8所示的电路的晶体管阱的截面示意图。应当注意，T1、T2、T3可以各自位于独立的、但不隔离的或浮动的n阱中，这些n阱连接到VDD并且全部与BJT1的p阱(NPNBJT)分开。为了方便起见，源极(s)、栅极(g)和漏极(d)区域针对T1、T2和T3进行了标记。类似地，发射极(e)、基极(b)和集电极(c)区域针对BJT1进行了标记。BJT1的集电极(c)区域被示出为通过深n阱连接到VDD，但是在一些实施例中，它可以替代性地直接连接到VDD
图9还指示了IBD5以及IBD6，IBD5是到所有晶体管都位于其中的硅衬底的深n阱的VDD的本征体二极管连接，以及IBD6是对于整个硅衬底与地面的本征体二极管连接。应当注意的是，保护电路中的BJT可以是NPN或PNP晶体管。如果BJT是NPN晶体管，则该晶体管处于p阱中，而如果BJT是PNP晶体管，则其将处于n阱中。
优选地使用包括BJT的保护电路。当BJT晶体管用作包括其沟道串联连接的至少两个晶体管的控制电路的一部分时，BJT晶体管设计的像素尺寸更小。此外，正向激活模式BJT的固有放大系数意味着相对较小的寄生电流能够产生大得多的保护电流。因此，来自参考/保护电压源的电流要小得多，并且参考电压互连上的压降会大大降低。
除了通过包括其他适当的电路组件将底部电极处的最小电压维持低于OLED的阈值电压之外，保护电路还可以被设计为防止其他不期望的影响，诸如短路保护、瞬态峰值等。然而，在一些情况下，当使用本发明的堆叠式OLED时，在像素电路中包括这种已知类型的保护电路仍然可以是有用的。
如图2至图5所示，对于许多OLED堆叠，尤其是包括三个发光单元的OLED堆叠，希望在控制电路中，在开关晶体管的第二端子与OLED的底部电极之间的电连接中不存在介入晶体管。通过介入，是指在开关晶体管与OLED之间的电连接中，电流不直接流过另一晶体管(即，该晶体管的一个端子连接到开关晶体管，而另一端子连接到OLED，使得在OLED的操作期间的某个时刻电流会流过介入晶体管)。在开关晶体管与OLED之间可以串联有其他(非晶体管)微电子组件。
开关晶体管OLED连接与微电子组件的第一端子(即，非介入晶体管或二极管)之间可以存在分支(意味着不直接串联)连接，其中OLED工作电流不会直接流过非介入晶体管或二极管。例如，该布置在图4至图6中示出，其中非介入组件的一侧连接到T2-OLED连接，并且另一侧连接到电源。
期望地，驱动晶体管是低压(LV)晶体管。也就是说，它的设计和尺寸可以在5V或更低的电压下安全且有效地操作，而无需考虑电路中的实际负载。这对于帮助最小化像素大小以便最大化微显示器分辨率是必要的。应当注意的是，具有由驱动晶体管驱动的三个或更多个OLED单元的OLED堆叠通常将需要超过7.5V的电压。如果需要，可以使用在单独的阱中的两个或更多个串联的低压驱动晶体管(如图2c所示)，以进一步减轻较高电压的影响。
希望驱动晶体管是p沟道薄膜晶体管(也称为p沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管))。p沟道晶体管的结构、特性和制备是众所周知的。当驱动晶体管是p沟道晶体管时，其源极电连接到外部电源，并且其漏极电连接到开关晶体管的第一端子。驱动电极的栅极由与电源分开的数据线控制。
当OLED堆叠包括三个OLED发光单元时，期望开关晶体管是低压晶体管。也就是说，开关晶体管的设计和尺寸可以在5V或更低的电压下安全且有效地操作，而无需考虑电路中的实际负载。OLED的操作所需的电流流过晶体管并驱动晶体管。
然而，如果OLED堆叠包含四个或更多个OLED发光单元，则根据需要工作电压可能远超过7.5V，并且开关晶体管可以是中压(例如，设计用于7.5V至12V)或高压(设计用于18至25V)。或者，可以使用共同选择或独立选择的两个或更多个串联连接的开关晶体管来减轻较高电压的影响。串联连接的多个开关晶体管可以全部是LV或者可以是LV和MV晶体管的混合。
期望开关晶体管是p沟道晶体管。当开关晶体管是p沟道晶体管时，其源极连接到驱动晶体管的漏极，并且其漏极电连接到OLED的底部电极。开关电极的栅极由与电源和控制驱动晶体管的数据线和选择线分开的选择线控制。
在一些实施例中，期望的是，驱动晶体管和开关晶体管两者都是p沟道晶体管，其中两者都是低压晶体管，或者驱动晶体管是低压并且开关晶体管是中压或高压。在一些实施例中，还希望控制电路中的所有晶体管都是p沟道晶体管。
尽管驱动晶体管和开关晶体管串联电连接，但是在两个晶体管之间可以存在其他介入的微电子组件。介入组件可以是串联的，其中驱动晶体管与开关晶体管之间的电流直接流过串联组件。还可以存在其他微电子组件电连接到驱动晶体管与开关晶体管之间的连接，使得从驱动晶体管流出的电流也流到该附加组件以及开关晶体管。
在最基本的操作形式中，从外部电源向驱动晶体管提供电压。选择线被设置为允许将来自数据线的正确数据电压施加到驱动晶体管的栅极，从而允许来自电源的电流流过驱动晶体管到达开关晶体管。开关晶体管的选择线被设置为允许将正确的电荷施加到开关晶体管，从而允许电流流过开关晶体管到达每个单独像素中的OLED堆叠的底部阳极。这使像素“打开”并根据接收的电流来发光。当显示的图像要求单个像素不发光或减少发光时，可以改变驱动晶体管的数据电压，以防止或限制电流流过驱动像素。
控制电路中的其他组件可以有助于控制由驱动晶体管提供的电流，或者有助于控制当“导通”时旨在用于为OLED供电的电流，或者有助于控制当OLED旨在“截止”时通过驱动晶体管的电流泄漏。
为了通过提供快门功能来防止或最小化运动模糊，开关晶体管可以防止电流流向OLED，而无需考虑驱动晶体管的操作(该驱动晶体管控制提供给其像素的功率)；特别是当驱动晶体管“导通”(通过电流)时。在对于像素为适合的时间时，可以选择开关晶体管，使得即使要显示的图像要求该像素为“打开”，OLED像素仍保持“关闭”。这允许显示器中的像素的所有或旋转部分处于“关闭”(不发光)，这最大程度地减少了微显示器中的运动模糊的感觉。
在微显示器中，来自外部电源的功率可以作为可变电流或电压被递送到驱动晶体管，以便驱动OLED堆叠以传递期望水平的亮度。这通常在写入操作期间通过对存储电容器进行充电来存储。可以在外部电源处控制功率水平，或者如果所递送的功率恒定，则可以通过背板内的其他微电子电路将功率设置在适当的水平。这称为“电流控制”，并且通常用于为大多数OLED设备供电。或者，提供给OLED堆叠的功率可以是恒定的，并且在设定的时间段(帧)内的总发光量由OLED像素完全“打开”的时间与其“关闭”的时间相比来控制。这称为脉冲宽度调制或PWM控制。
由于所描述的控制电路能够处理比至少驱动晶体管的设计或额定电压更高的电压和电流需求，而不会造成显著的泄漏或损坏，因此启用具有增加的发光量(和更高的电压)的OLED堆叠的使用。具有带有相对较低的Vth要求的2个发光单元的串联OLED设备不会发射与具有带有相对较高的Vth要求的三个或更多个发光单元的OLED堆叠一样多的光。所描述的电路可以与具有大于7.5V的阈值电压(Vth)的堆叠式发光OLED一起使用；更期望地，发光OLED堆叠的Vth为至少10V或更大。或者，该电路可以与堆叠式OLED一起使用，该堆叠式OLED提供了具有至少2500尼特或者优选地至少5000尼特的发光的全色微显示器。
在必须通过经由背板上的控制电路为像素电极中的一个供电来控制每个单独像素的亮度的情况下，存在制造像素化OLED微显示器的两种基本方法。第一方法涉及使每个像素分别产生红、绿或蓝光(分别为R、G、B)或者如果它是单色显示器则产生同样的颜色。在这种情况下，可以布置发光OLED堆叠，使得单独的底部电极区段上方的所有堆叠的发光单元发出相同颜色的光(从R、G或B光中选择)，以便形成R、G和B像素。在具有该特征的一些实施例中，每个彩色像素形成微腔，其中分段底部电极与顶部电极之间的距离取决于所发射的光的颜色。在这种情况下，微腔的长度将取决于发光的颜色，并且对于红色、绿色和蓝色像素将有所不同。
第二方法是具有跨越具有滤色器阵列(CFA)的所有像素的公共多模式(白色)发光OLED层，以便产生单独的RGB像素。第二方法因为不必形成不同构想的单个OLED像素，所以比第一方法具有优势，并且因此将降低制造成本。
堆叠式OLED内的单个OLED发光单元的数量仅由OLED的整体厚度和控制电路处理操作OLED所需的功率的能力来限制。随着OLED单元数量的增加，发出的光总量增加，但是封装的厚度、制造工艺的复杂性、以及阈值电压也都增加。具有至少三个堆叠的发光单元的OLED将提供比串联OLED(两个OLED单元)增加的亮度。然而，具有至少四个堆叠式OLED发光单元的OLED是优选的，并且更优选的是具有至少五个堆叠式OLED发光单元的OLED。可以设想具有多达六到十个或更多个堆叠式OLED发光单元的OLED。
为了最小化驱动OLED堆叠所需的电压的增加，电荷产生层(CGL；有时也称为连接器或中间层)位于单个OLED发光单元之间。这是因为CGL的结构使得在施加电压时会产生电子和空穴，并且将其注入到相邻的有机发射层中。因此，CGL的使用可能会将一个注入的电子转换成多个光子，从而允许更高的亮度。具体地，期望CGL位于堆叠内的每个发光单元之间。然而，光产生单元在两侧上不必具有相邻的CGL。堆叠的顶部和底部上的OLED发光单元通常将仅具有一个相邻的CGL。尽管在需要时可以使用CGL，但是通常不需要在发光单元与顶部电极或底部电极中的一个之间使用CGL。
已经提出了许多不同种类的CGL，并且可以在OLED堆叠中使用。例如，参见US7728517和US 2007/0046189。为了形成CGL，通常需要位于n型和p型层的界面处的n-p半导体异质结来产生电荷。因此，CGL将具有两个或更多个层。例如，n掺杂的有机层/透明导电层、n掺杂的有机层/绝缘材料、n掺杂的有机材料层/金属氧化物层以及n掺杂的有机材料层/p掺杂的有机材料层都已被报道。用于CGL的希望的金属氧化物是MoO3。在一些情况下，n层和p层可以由薄的中间层分开。通常，将CGL布置为使得n层更靠近阳极，而p层更靠近阴极。
CGL的一种理想构想具有三层；掺杂有n型掺杂剂(例如Li)的电子传输材料、相同(但未掺杂)电子传输材料的薄的中间层、以及掺杂有p型掺杂剂的空穴传输材料。合适的电子传输和空穴传输材料连同适用于CGL的n型掺杂剂和p型掺杂剂是众所周知和常用的。这些材料可以是有机或无机的。合适的材料的选择不是关键，可以基于其性能来选择任何材料。CGL的厚度应理想地在200至
的范围内。在许多实例中，CGL将在阳极侧上具有ETL，并且在其阴极侧上具有HTL，以帮助改善电荷传输，并且帮助将电荷产生掺杂剂(如果存在)从发光单元中的LEL中分离。
尽管使用CGL有助于最小化在OLED发光单元彼此堆叠在一起时的电压升高，但是堆叠所需的总电压仍然大约增加了每个单独单元所需的电压。具有至少三个堆叠式OLED发光单元的OLED将期望需要超过5V驱动晶体管的推荐工作范围的电压。
在一个实施例中，在单个底部电极区段上方的OLED堆叠内的所有OLED发光单元都发出相同的颜色；例如红色、绿色或蓝色。这导致像素化的RGB微显示器。图10示出了微显示器100，该微显示器100使用三个不同的OLED子像素堆叠来形成R、G和B像素。每个OLED子像素堆叠包含发射相同颜色的三个OLED发光单元，其中每个单元通过CGL与另一个单元竖直分离。
在微显示器100中，存在硅背板3，其包括诸如在图2至图8中所示的控制电路的阵列，以及将根据输入信号向子像素供电的其他必要组件。在具有晶体管和控制电路的层3上，可以存在可选的平面化层5。在层5(如果存在的话)上方是通过电触点7连接的单独的第一电极区段9，这些电触点延伸通过可选的平面化层以在单独的底部电极区段9与层3中的控制电路之间形成电触点。单独的底部电极区段9通过像素定义层1在横向上彼此电隔离。在分段的底部电极区段9上方是非发光OLED层11，诸如电子或空穴注入(EIL或HIL)层或电子或空穴传输(ETL或HTL)层。第一发光OLED单元13在OLED层11的上方。层15是电荷产生层，其位于第一发光层13与第二发光OLED单元17之间并将它们分开。在第二发光OLED单元17的上方，存在第二电荷产生层19，该第二电荷产生层位于第二发光OLED单元17与第三发光OLED单元21之间并将它们分开。在第三发光层21上方是诸如电子或空穴传输层或电子或空穴注入层的非发光OLED层23以及光可以传输通过的透明顶部电极25。通过封装层27保护OLED微腔免受环境影响。在所示的实施例中，单个OLED堆叠中的所有有机层通过像素定义层1与相邻堆叠水平地分离，但是顶部电极25和封装27是共用的，并且跨越整个有源区域延伸。然而，顶部电极25不需要是连续的，并且可以根据需要进行分段。在微显示器100中，在同一底部电极区段9上方的所有OLED发光单元13、17、21发出相同颜色的光(B、G或R)。这种特定的微显示器不是微腔设备；然而，可以使用利用微腔效应的类似的像素化RGB设计。
一种提高OLED发光的亮度和色纯度的众所周知的方法是通过利用光学微腔效应。该效应是基于在反射面与半反射面之间形成光学谐振器，该光学谐振器允许一些光通过。根据两个表面之间的光学距离，两个表面之间的多次反射会形成驻波，因为取决于是否分别在驻波的波腹或波节处产生发射而将发生的建设性和破坏性的干扰效应，这将增强某些波长的光并且减少其他波长的光。根据反射器之间的总空间以及要优化的波长，波腹会出现在不同的位置处。然而，从微腔发出的光可能表现出严重的角度依赖性，其中随着视角从垂直于观看表面偏离，可能会发生颜色偏移和亮度损失。由于投影光学设备的入射角有限，这对于NED应用通常不是问题。
希望通过使用微腔效应来进一步提高OLED堆叠的亮度。例如，如图10所示的微显示器100可以被重新设计以通过使用反射底部电极或底部电极下方的反射层来产生微腔效应，从而使顶部电极半透明，使得其具有一定程度的反射率并且调节反射元件的最上表面(底部电极9或下伏反射层)与顶部电极的最底表面之间的距离，以形成适用于该特定颜色的光的微腔。
图11示出了微显示器200，其使用跨越所有像素共用的多模式(白色)OLED微腔连同滤色器阵列(CFA)来形成R、G和B像素。多模式OLED产生多于一种颜色的光。在理想情况下，多模式OLED产生具有与R、G和B光大致相等的量的白光。通常，这将对应于大约0.33、0.33的CIEx、CIEy值。然而，根据用于形成RGB像素的滤色器的特性，这些值的某些变化仍然是可接受的或者甚至是希望的。微显示器200还结合有微腔效应。在该实施例中，多模式OLED堆叠包含发射不同颜色的三个OLED发光单元，其中每个单元通过CGL与另一个单元竖直分开，其中反射表面与顶部电极之间的距离在有源区域上是恒定的。
在微显示器200中，存在硅背板3，该硅背板包括诸如图2至图8中所示的控制电路的阵列，以及将根据输入信号将功率提供给子像素的必要组件。在具有晶体管和控制电路的层3上，可以存在可选的平面化层5。在层5(如果存在的话)上方是通过电触点7连接的单独的第一电极区段9，这些电触点延伸通过可选的平面化层以在单独的底部电极区段9与层3中的控制电路之间形成电触点。在该实施例中，底部电极区段9具有两层，更靠近衬底1的反射层9B和更靠近OLED层的电极层9A。单独的底部电极区段9在横向上彼此电隔离。在分段的底部电极区段9上方是非发光OLED层11，诸如电子或空穴注入层或电子或空穴传输层。红色OLED光产生单元13A在OLED层11的上方。层15是第一电荷产生层，其位于红色OLED光产生单元13A与绿色OLED光产生单元17A之间并将它们分开。在绿色发光层17A上方，存在第二电荷产生层19，其位于绿色OLED光产生单元17A与蓝色OLED光产生单元21A之间并将它们分开。在蓝色OLED光产生单元21A上方的是非发光OLED层23，诸如电子或空穴传输层或电子或空穴注入层，以及半透明的顶部电极25。这形成了OLED微腔30，该OLED微腔从反射表面9B的最上表面延伸到也是半反射电极的半透明顶部电极25的最底表面。通过封装层27保护OLED微腔免受环境影响。在该实施例中，存在具有滤色器29B、29G和29R的滤色器阵列，该滤色器阵列过滤由OLED微腔30产生的多模式发射，使得根据提供给底部电极区段9的功率来发射B、G和R光。
图12示出了微显示器300，为微显示器200的变型，其具有位于蓝色OLED发光单元21A与OLED层23之间的附加的蓝色OLED发光层22。在该实施例中，在蓝色OLED单元21A与附加的蓝色发光层22之间不存在CGL。像微显示器200一样，微显示器300具有三个(不是四个)OLED发光单元，因为蓝色单元21A和蓝色层22没有被CGL分开(并且因此，层22不被视为单独的发光OLED单元，并且应当被认为是蓝色发光单元21A的一部分)。即使蓝色单元21A和蓝色LEL22被非电荷产生中间层分开，在堆叠中仍将仅存在三个OLED单元。然而，如果存在中间CGL位于蓝色发光单元21A与附加的蓝色发光层22之间，则OLED堆叠将包含四个OLED单元。
图13示出了除了存在五个OLED发光单元之外还具有类似于微显示器200的微腔效应的多模式OLED微显示器400的另一实施例。在这种情况下，一些OLED单元发出相同颜色的光，而其他单元发出不同颜色的光。具体地，多模式微显示器400具有两个蓝色OLED发光单元、一个绿色OLED发光单元、一个黄色OLED发光单元和一个红色OLED发光单元，所有这些单元均被CGL分开。
在微显示器400中，OLED单元13A是发出红色的。通过CGL 15将OLED单元13A与发黄光的OLED单元16分开。通过CGL 14将发黄光的OLED单元16与发绿光的OLED单元17A分开。发绿光的OLED单元17A通过CGL 19与第一发蓝光的OLED单元21A分开。第二发蓝光的单元32通过CGL 24与第一发蓝光的OLED单元21A分开。所有其他层与图12中的相同。
如前所述，OLED微显示器被建立在用作衬底的硅背板上。一般来说，背板将是平坦的、具有一致厚度。因为硅背板通常是不透明的，所以OLED堆叠优选地是顶部发光的。然而，透明背板是已知的；在这种情况下，OLED堆叠可以顶部发光或底部发光。衬底的顶表面是面向OLED的顶表面。硅背板可以具有各种类型的底层(即，平面化层、光管理层、阻光层等)，这些底层可以图案化或未图案化并且可以在顶表面或底表面上。
底部电极区段(9或9a)可以是阳极或阴极，并且可以是透明的、反射的、不透明的或半透明的。如果OLED是顶部发光的，则底部电极可以由透明金属氧化物或诸如Al、Au、Ag或Mg或其合金的反射金属制成，并且具有至少30nm、期望地至少60nm的厚度。
在其中第一电极在反射层上方的微腔应用中，第一电极应当是透明的。然而，在其他应用中，第一电极层9A和9B可以折叠成单个反射电极，使得其最上面的反射表面形成光学微腔的一侧(即，图10中的30)。
当OLED堆叠是顶部发射微腔并且底部电极是透明的时，在底部电极下方应当存在反射层，该反射层定义了微腔30的第一侧。当透明阳极位于反射表面上方时，透明阳极是光学腔的一部分。反射层9B可以是诸如Al、Au、Ag、Mg、Cu或Rh或其合金的反射金属、电介质镜或高反射涂层。电介质镜由沉积在衬底上的多个薄材料层构成，诸如氟化镁、氟化钙和各种金属氧化物。高反射涂层由两种材料的多个层组成，一种具有高折射率(诸如硫化锌(n＝2.32)或二氧化钛(n＝2.4))，并且一种具有低折射率(诸如氟化镁(n＝1.38)或二氧化硅(n＝1.49))。层的厚度通常是相对于被反射的光的波长的四分之一波。期望反射层反射至少80％的入射光，并且最优选地至少90％的入射光。优选的反射层是Al或Ag，其厚度为300至
最优选地为800至
期望地，当OLED堆叠是底部发光时，底部电极是透明阳极并且应当透射尽可能多的可见光，优选地具有至少70％或者更期望地至少80％的透射率。尽管底部透明电极可以由任何导电材料制成，但优选诸如ITO或AZO的金属氧化物或者诸如Ag的薄金属层。可以使用导电性较差的材料(例如TiN)，前提是它们被制成薄的。
适用于诸如空穴注入层、空穴传输层或电子注入层或电子传输层的非发射层(即，图10中的11和23)的电子传输和空穴传输材料是众所周知和常用的。这些层可以是这种材料的混合物，并且可以包含掺杂剂以改变其特性。由于这些层是不发光的，因此它们不包含发光材料并且是透明的。合适的材料的选择不是关键，并且可以基于其性能来选择任何材料。
在利用微腔效应的实施例中，因为微腔内的各种OLED单元之间的间隔以及微腔的尺寸对于最大化效率很重要，所以通常必须选择各种非发光层的厚度以提供期望的间隔。期望地，通过使用有机非发光层(诸如空穴传输层)的适当厚度来提供对OLED单元之间的间隔以及微腔的尺寸的调节。
发光层通常具有基质材料(或基质材料的混合物)和发光化合物，该基质材料是该层的主要成分。理想地，发光化合物是磷光的，因为它们具有更高的效率。然而，在一些情况下，一些LEL可以使用荧光或TADF(热激活延迟荧光)化合物作为用于发光的材料，而另一些则使用磷光材料。具体地，蓝光OLED层可以使用荧光或TADF化合物或其组合，而非蓝光发光层可以使用绿色、黄色、橙色或红色磷光化合物或其组合。发光层可以使用发光材料的组合。用于LEL的合适材料的选择是众所周知的、不是关键性的，并且可以基于其性能和发光特性来选择任何材料。当使用磷光发光体时，有时必须将由磷光发光体产生的激子限制在该层内。因此，如果需要，可以使用在磷光LEL的任一侧或两侧上的激子阻挡层。这种材料及其应用是众所周知的。此外，可能期望在发光层、特别是蓝色发光层周围添加HBL(空穴阻挡层)和EBL层(电子阻挡层)以提高寿命和亮度效率。
如果OLED堆叠是顶部发光的，则顶部电极(即图10中的25)应当是透明的，如果OLED堆叠是底部发光的，则顶部电极应当是反射的，并且在OLED堆叠是微腔的情况下，则顶部电极应当是半透明的以及半反射的：也就是说，它反射部分光并且透射剩余的光。在微腔的情况下，顶部电极的最底部内表面限定了微腔30的第二侧。期望地，半透明的顶部电极反射由LEL发射的光的至少5％、并且更期望地反射至少10％，以便建立微腔效应。半透明的第2电极的厚度很重要，因为它控制反射光的量和透射的量。然而，第2电极不能太薄，因为这样一来，第2电极可能无法有效地将电荷传递到OLED中或者会遭受针孔或其他缺陷的影响。上电极层的厚度理想地为100至
并且更理想地为125至
希望顶部电极是金属或金属合金的薄层。合适的金属包括Ag、Mg、Al和Ca或其合金。其中，Ag是优选的，因为其具有相对较低的蓝色吸收能力。为了帮助电子传输以及稳定化，在电极表面上可以存在诸如ITO、InZnO或MoO3的透明金属氧化物的相邻层。或者，可以使用诸如LiCl的金属卤化物、诸如喹啉锂的有机金属氧化物或者其他有机材料。
上部电极上方可以存在保护层或间隔层(图10至图13中未示出)，以防止在封装过程中的损坏。
在顶部电极25和任何可选的保护层(如果存在的话)上方，沉积或放置封装27。封装最低程度应当完全覆盖顶部和侧面上的发光区域，并且与衬底直接接触。封装应不受空气和水渗透影响。封装可以是透明或不透明的。封装不应导电。封装可以原位形成，或者可以作为连同考虑到一起进行密封侧边缘的单独的预成型板来添加。原位形成的示例将是薄膜封装。薄膜封装涉及沉积具有无机材料和聚合物层的替代层的多个层，直到达到期望的保护程度为止。用于形成薄膜封装的构想和方法是公知的，并且可以根据需要使用任意的的构想和方法。或者，可以使用附接在至少密封区域和封闭区域上方的预成型板或盖片来提供封装。预成型板可以是刚性或柔性的。它可以由玻璃(包括柔性玻璃)、金属或有机/无机阻挡层制成。它应当具有接近衬底的热膨胀系数，以实现更稳健的连接。预成型的封装板可能需要使用透气且防水的粘合剂(诸如硅粘合剂或环氧树脂粘合剂)或通过可能需要诸如焊料或玻璃熔块的附加密封剂的热手段(诸如超声焊接或玻璃熔块焊接)附接在密封区域上方。盖片的侧边缘和底边缘可以特别地设计成更好地装配到密封区域或促进更好的密封。盖片和密封区域可以设计在一起，使得它们在密封形成之前部分地装配或锁紧在适当位置。此外，盖片可以进行预处理以促进更好地粘附到密封区域。
尽管本申请描述了将OLED用作微显示器中的发光元件，但相同的控制电路可以用于将需要相对较高的电压来发光的任何自发光显示技术中。本发明不仅限于OLED，而是适用于将需要大于5V、优选地大于7.5V或甚至大于10V以提供至少1000尼特或优选地至少5000尼特的发光的任何其他显示技术。
显示器中的串扰是由一个像素提供的发光的亮度意外受到另一个像素影响的情况。因为受影响的像素不再根据图像信号提供准确的亮度，这是不被希望的，并且因此图像质量可能下降。根据串扰的数量和性质，重要的因素(诸如显示器中色彩再现、对比度(最大亮度与最小亮度之间的差异)、灰度、分辨率和“重影”)都可能受到负面影响。通常，在像素间距较小的情况下，微显示器中的串扰特别成问题。希望像素之间的串扰的量为15％或更少、优选地5％或更少、并且最优选地3％或更少。
在此描述的堆叠的微腔OLED设备必须够厚，在内部发光单元之间具有确定的间距。这对于提供微腔效应以增强单个微腔内的R、G和B发射是必要的。通过光学和化学/电机制都可能导致增加的串扰。可以增加串扰量的一些光学过程包括OLED设备内的光散射和波导。可以增加串扰的一些化学/电过程包括从同一层内的有源像素区域到相邻的非有源像素区域的横向载流子迁移。
大家相信存在导致串扰的多种模式。短程(0.2至0.7μm)似乎是横向载流子和光学机制的组合。中程(3至7μm)相互作用似乎主要归因于横向载流子迁移，但是可能部分归因于光学机制。远程(50至200μm)相互作用似乎主要归因于从有源像素区域到非有源区域的光散射。大家还相信基于根据像素间距的波导，对串扰存在甚至更长范围的光学贡献。
使OLED设备中的载流子迁移所引起的串扰问题最小化的一些有用方法包括：
-通过改变具有高载流子迁移率的层(例如，HIL、HTL、CGL、ETL和EIL)中的层厚度和组成(以增大“板的电阻”)，减少了横向载流子迁移。具体地，载流子(空穴或电子)在有源区域内生成，并且可以跨照亮区域与非照亮区域之间的间隙横向移动。该问题似乎主要发生在电极中的一个的旁边或附近的层中。据信阳极上方的公共HIL和HTL层可能是造成该问题的最大原因。看起来，一旦在一个阳极垫上的HIL的照亮区域中产生了空穴，它们便可以迁移到相邻阳极垫的未照亮区域，并且由于空穴而产生的电压可以超过OLED的Vth，并且因此(名义上未照亮)像素无论如何都会发光。此外，这些空穴可以作为电子进入导电阳极垫，并且以很小的横向电阻横向流过阳极。在未照亮的阳极垫的远侧处，电流可以流回HIL(作为空穴)中，以便跳至下一个未照亮的阳极垫。因此，载流子迁移的问题可能不仅限于相邻阳极垫之间的较短距离，而且还可能具有较长的距离分量。因此，应特别注意两个电极特别是阳极的厚度和组成。具有较小载流子迁移率的较薄的有机层可以帮助最小化这些不希望的载流子迁移过程。
-具有高载流子迁移率的有机层的材料选择。具体地，可以选择材料以最小化它们对串扰的贡献。在这方面，添加到HIL中的p型掺杂剂(例如F4-TCNQ、F6-TCNNQ或HAT-CN)的类型和水平以及HIL或HTL中的HTM的选择(例如芳胺化合物，诸如NPB或spiro-TTB)可能是重要的。仅P掺杂或未掺杂的HIL也可能有效。在一些情况下，可以使用非掺杂的HIL和p掺杂的HTL。无机HIL材料(诸如MoO3)(其可以与有机材料混合)也可以具有优势。
使由OLED设备内的光学过程引起的串扰问题最小化的一些有用方法包括：
-优化的滤色器以减少空气/玻璃界面与反射阳极之间的光波导，包括使用专门设计的光学滤光层来吸收从衬底法线方向以高角度行进的光。
-通过减少散射位点来减少光散射。具体地，阳极上或阳极附近的小颗粒碎片的数量应最小化。散射也可以通过阴极的粗糙度而产生，这可以取决于沉积所用的成分和工艺。(例如，参见Shen等人，“有机双曲线超材料中的有效上激发态荧光(Efficient Upper-Excited State Fluorescence in an Organic Hyperbolic Metamaterial)”，纳米快报(Nano Lett)，2018年，18，3，第1693至1698页)
-整个阳极表面在有源像素区域上与像素之间都应尽可能地平坦和光滑。具体地，众所周知，在像素之间形成PDL(像素定义层)并在像素区域内的阳极的表面上方延伸的突起、凸处或其他结构可以用于将光散射回像素区域中，并且防止其进入相邻的(未照亮的)的像素。然而，当存在覆盖结构的较厚的OLED层时，此方法效果不佳。在较厚层内捕获的光更可能在层内内部反射，使得它可以在结构上方行进到另一侧。如果阳极和覆盖OLED层均匀地平坦，则是在显示器的层内的波导的光更有可能持续不间断，直到其被吸收或到达显示器的边缘为止。
-使用吸收器用于波导光。
-通过背板的电介质的光吸收。
-HIL和阳极的设计为从HIL进入阳极的电荷形成屏障。
为了控制串扰，每当驱动OLED使得其名义上“截止”(未通电并且因此没有放光)时，向位于第二开关晶体管与控制阳极处的电压的OLED的阳极之间的节点添加附加的单独像素控制电路可能是有用的。特别地，仅当驱动电路要求该像素不发光或极少发光时，像素控制电路才应将电压降低至OLED的Vth以下。以这种方式，由横向载流子迁移形成的任何电压可以被最小化。
实验结果
在以下示例中，除非另外说明，否则每种材料之前的数字(例如200HIL)是以埃为单位的物理层厚度。所有％均按重量计。在使用相同的程序沉积阴极后将所有设备进行封装。所有材料都是商业购买的。
用于以下实验设备的背板是基于单晶硅的背板，并且接收时与图6a和图6b所示的示意性控制电路一起使用。背板包含驱动晶体管(T1)和开关晶体管(T2)，它们串联连接低压(额定电压为5V)p沟道晶体管，以及针对每个像素具有NPN型双极结型晶体管(BJT1)的保护电路。在所有的实验示例中，BJT1的基极是隔离的；也就是说基极没有连接到外部电源，使得BJT的基极电压没有被有意控制或设置为任何特定电压。背板包括反射金属层作为底部电极/阳极。
比较的2单元堆叠式OLED设备A-1的制备如下：
层1(反射底部电极/阳极)：如所供应的
层2(空穴注入层HIL)：200空穴传输材料HTM1+6％p型掺杂剂PD1
层3(空穴传输层HTL1)：410空穴传输材料HTM1
层4(HTL2)：50空穴传输材料HTM2
层5(绿色LEL)：100绿色基质GH1和3％的绿色磷光掺杂剂GPD1
层6(黄色LEL)：100GH1+10％GPD1+3％红色磷光掺杂剂RPD1
层7(电子传输层ETL1)：200电子传输材料ETM1
层8至10(电荷生成层CGL1)：270三层
层11A(HTL3)：300HTM1
层11B(HTL4)：280HTM1
层12(蓝色LEL2)：200蓝色基质BH1+4％荧光蓝色掺杂剂BFD1
层13(ETL2)：150ETM2
层14(电子注入层EIL)：150ETM1+2％Li
层15(半透明阴极)：105 75％Ag/25％Mg
除了将层11A和11B的厚度分别增加至1090和4090之外，以类似方式制备第二比较OLED设备A-2。A1和A-2两者都是2单元堆叠式OLED，其中层5(G LEL)和层6(红色LEL)一起代表一个单元(G-Y堆叠)，并且层11(蓝色LEL)代表第二单元(B堆叠)，该第二单元通过CGL与第一单元分开。因为层5和层6是不被CGL(层8和层9)彼此分开的相邻的LEL，所以它们是单个单元。A-1和A-2都为微腔设备，其中A-1的微腔厚度为2320A，以及在A-2中微腔的厚度为6920A。这些两单元堆叠式OLED设备代表了当前的最新技术。
除了在层11A(其厚度被调节为470)与11B(在4090处)之间插入以下附加层之外，以与A-1相同的方式制备本发明的3单元堆叠式OLED B-1：
层16(BLEL1)：200BH1+4％BFD1
层17(ETL3)：150ETM2
层18至20(CGL2)：270三层(与CGL1相同的构想)
OLED设备B-1是3单元堆叠式OLED，其中层5和层6是第一G-Y单元(与A-1中相同)，层16是附加的第二B单元，并且层12(与A-1中相同)是第三B单元。第二单元(层16)通过CGL与第一单元(层5和6)和第三单元(层12)分开。也就是说，与A-1相比，B-1包含附加的B单元，并且因此，将具有更高的亮度，但电压要求也随之增加。OLED B-1是具有与设备A-2相同的微腔厚度(6920A)的微腔设备。图14示出了OLED A-1、A-2(比较2单元设备)和B-1(本发明的3单元设备)的特性I-V曲线(以mA/cm2为单位的电流密度对电压)，同时也将其制作为表1。
表1–用于OLED的列表I-V数据
*I＝阳极垫上的电流密度，以mA/cm2为单位
V＝电压
L＝发光效率，以cd/A为单位
在图14和表1中，OLED A-1和A-2具有大约相同的Vth。然而，具有额外B单元的OLEDB-1具有显著更高的Vth，并且需要甚至更高的电压(约2.5V更高)才能产生与A-2相同的电流密度。
在图15中可以看到具有微腔3单元堆叠式OLED优于2单元堆叠式OLED的优势，这将(强度对波长(以nm为单位))与没有滤色器A-1、A-2和B-1的情况下的光谱输出进行比较。与G发射相比，具有更细微腔的OLED A-1具有相对较少的B和R发射。具有适用于所有3种颜色的微腔的OLED A-2与G相比具有更多的B和R发射，但仍对于B发射有限制。与A-2相比，具有附加B单元的OLED B-2具有大大增加了发射的蓝光。
上述结果涉及在添加滤色器之前的白光OLED设备，这些滤色器将创建用于微显示器的R、G和B像素。如本领域中公知的，不考虑由W OLED产生的R、G和B光的相对量的任何固有不平衡，显示器中的所需的R、G和B平衡(通常以白色亮度表示，诸如D65白点)可以通过将各个颜色像素驱动到该颜色的适当亮度来实现。例如，如果W OLED与绿光相比产生不足的蓝光和过多的红光，则可以以较高的电压驱动B像素以产生更多的蓝光，而可以以较低的电压驱动R像素使得产生较少的红光。
图16示出了使用滤色器以产生D65白点的OLED设备A-1、A-2和B-1的每种颜色所需的峰值电流密度的曲线图(假定R、G和B子像素的面积相等)。由2单元设备(A-1和A-2)所需的B中的电流密度远大于3单元设备B-1。在所有3个设备中，R和G中的电流密度大约相同。3单元设备B-1需要更少的电流密度，并且因此需要更少的功率来在相同的白点处实现相同的目标亮度。显示器的寿命由具有连续操作的OLED的效率下降率来确定，这主要是电流密度和温度的函数。因此，显示器B-1的寿命将是A-1或A-2的2倍以上。
在微显示器中，鉴于其较小的尺寸需要产生相对较高的亮度，因此希望在最大显示亮度下显示白色的同时，使每种颜色的总电流(和电流密度)大致相同(或尽可能接近)。这将在以下方面带来许多优势：中性褪色(子像素的每种颜色在设备寿命期间以大约相同的速率降低亮度效率)、高亮度(每个像素将以其最大亮度驱动从而导致效率增加)、高对比度(可获得每个像素的全部动态范围)和增加的寿命(由像素的每种颜色均分当前的负载)。
然而，如果需要的电压增加，则可以抵消使用具有3个或更多单元以提供增加的亮度的OLED的优势。在显示器中，每个像素的电源由背板中的控制电路提供和控制。然而，在需要在减小了的区域中具有大量像素的微显示器中，仅存在有限的物理空间用于晶体管和其他电路组件。一般而言，更高的电压和电流要求必须由更大、更厚或更稳健的电子电路来处理。当前，OLED微显示器的尺寸要求将电子电路额定为处理5V或更小的电压，以便实现所需的像素尺寸和密度(像素间距)。
如果提供给晶体管的栅极的功率过量太长时间，则诸如晶体管的电子电路可能会发生灾难性的故障。然而，并非所有过电压的电平或时间都将导致晶体管永久性失效；在许多情况下，晶体管会因泄漏而故障。当结或栅极氧化物遭受永久性损坏而不足以引起灾难性故障时，泄漏增加是半导体设备的非灾难性过应力所导致的常见故障模式。对栅极施加过应力可以导致应力引起的泄漏电流。
解决虚拟现实和类似产品中使用的微显示器中的运动模糊问题需要OLED在非常短的时间内提供非常高的亮度，然后在另一个时间段内关闭(打开/关闭的总时间段少于人类可感知的范围以避免闪烁)。这意味着背板中的控制电路必须在一个周期内提供高压/电流以产生高亮度，然后在另一个周期内关闭OLED的电源。如果在打开OLED的期间内向控制电路中的晶体管施加的功率过高，则当该晶体管应处于“关闭”状态且OLED无法完全关闭时，电流可能会通过晶体管泄漏。在OLED打开时的OLED亮度与它应该关闭时的亮度之间的差值通常称为“对比度”。高对比度是微显示器所需要的，因为它使图像显得清晰和锐利；低对比度会使图像显得暗淡且死板。
图17示出了用于2单元比较设备和本发明的3单元设备的(亮度对阴极电压)曲线组。上一组曲线是在设备以全亮度(白色＝CV255)驱动且驱动晶体管“导通”时。下一组曲线是在设备以无亮度(黑色＝CV0)驱动且驱动晶体管标称“截止”时。然而，通过驱动晶体管的电流的泄漏导致产生一些少量的亮度，并且阴极处的电压为非零。两组曲线之间的差异代表设备的“对比度”，并且希望通过最小化由流过驱动晶体管的电流泄漏引起的亮度来尽可能地提高对比度。从图17可以看出，所有三个设备的对比度在阴极电压的范围内大致相同(略小于105)，并且相对恒定。
应当注意，尽管要求更高的操作电压超过驱动晶体管的设计极限，但是本发明的3单元设备维持与比较的2单元设备大致相同的总体对比度。如图16所示，尽管需要比A-1或A-2更少的电流密度来实现B-1的全白色，但B-1仍需要更多的电压(约2.5V，参见图14)。没有证据表明在本发明中使用背板的更高电压的OLED会增加泄漏。此外，在B-1中没有证据表明由于更高的电压要求(参见表1)而导致的任何灾难性晶体管故障，而且似乎对于控制电路的设备寿命也没有影响。因为用于A-1、A-2和B-1的背板中的晶体管被设计为具有适用于驱动1或2单位OLED的晶体管(其中低压晶体管是可接受且常用的)，所以这些结果是出乎意料的。
使用与A-1、A-2和B-1相同的低压背板，按如下方法制备另一个本发明的3单元OLED设备B-2：
层1(底部电极/阳极)：
层2(HIL)：200HTM1+6％PD1
层3(HTL1)：410HTM1
层4(HTL2)：50HTM2
层5(绿色LEL)：100GH1和3％GPD1
层6(黄色LEL)：100GH1+10％GPD1+3％RPD1
层7(ETL1)：200ETM1
层8至10(CGL1)：270三层
层11(HTL3)：570HTM1
层12(蓝色LEL2)：250BH1+4％BFD1
层13(ETL2)：150ETM2
层14至16(CGL2)：270三层(与CGL1相同的构想)
层17(HTL4)：3840HTM1
层18(BLEL1)：250BH1+4％BFD1
层19(ETL3)：150ETM2
层20(EIL)：100ETM2+2％Li
层21(半透明阴极)：105 75％Ag/25％Mg
OLED B-2是如B-1的3单元设备，因为它包含G-Y单元(层5和层6)，该单元通过CGL(层8至10)与第二蓝色单元(层12)分开，进而通过第二CGL(层14至16)以Y-G/B/B的顺序(从背板)与第一蓝色单元(层18)分开。如B-1，B-2是具有
的微腔的微腔白光生成OLED。
以类似的方式，如下制备了本发明的4单元OLED设备C-1：
层1至11：与B-2中的层1至11相同
层12(蓝色LEL2)：200BH1+4％BFD1(降低
)
层13(ETL2)：100ETM2(降低
)
层14至16：与B-2中的层14至16相同
层17(HTL4)：420HTM1(降低
)
层18(BLEL1)：200BH1+4％BFD1(降低
)
层19(ETL3)：100ETM2(降低
)
层20至22(CGL3)：270三层(与CGL1和CGL2相同的构想)
层23(HTL5)：2620HTM1
层24(HTL6)：50HTM2
层25(黄色LEL)：200GH1+10％GPD1+3％RPD1
层26(ETL4)：480ETM1
层27至28：与B-2中的层20至21相同
OLED C-1是4单元设备，因为OLED C-1以Y-G/B/B/Y的顺序(从背板)在B-2中包含附加的Y单元(层25)连同相同的G-Y和两个B单元。在C-1中，附加的Y单元通过CGL3(层20至22)与第一B单元(层18)分开。C-1是具有
的微腔的微腔白光生成OLED。
以类似的方式，如下制备了本发明的5单元OLED设备D-1：
层1至10：与C-1中的层1至11相同
层11(HTL3)：370HTM1(降低
)
层12至16：与C-1中的层12至17相同
层18(ETL2)：100ETM2(降低
)
层14至16：与C-1中的层14至16相同
层17(HTL4)：620HTM1(增加
)
层18至22：与C-1中的层18至22相同
层23(HTL5)：610HTM1(降低
)
层24(BLEL3)：200BH1+4％BFD1
层25(ETL3)：100ETM2
层26至28(CGL4)：270三层(与CGL1、CGL2和CGL3相同的构想)
层29(HTL6)：1440HTM1
层30至34：与C-1中的层24至28相同
OLED D-1是5单元设备，因为OLED D-1在C-1中包含附加的B单元(层24)连同相同的Y、G-Y和两个B单元。它总共有3个B单元、一个Y单元和一个G-Y单元，所有这些单元以Y-G/B/B/B/Y的顺序(从背板)由CGL分开。C-1是具有
的微腔的微腔白光生成OLED。
图18示出了用于OLED B-2、C-1和D-1的特性I-V曲线，同时也将其制作为表2。
表2–用于OLED的列表I-V数据
| 设备 | I* | V* | L* |
| B-2 | 阈值 | 8.2 | - |
| 1 | 9.1 | 30.9 | |
| 5 | 10.2 | 35.4 | |
| 10 | 10.9 | 35.8 | |
| 100 | 15.8 | 30.2 | |
| C-1 | 阈值 | 10.5 | - |
| 1 | 11.7 | 52.6 | |
| 5 | 13.0 | 53.6 | |
| 10 | 13.9 | 52.7 | |
| 100 | 19.0 | 42.2 | |
| D-1 | 阈值 | 12.8 | - |
| 1 | 14.5 | 50.5 | |
| 5 | 16.0 | 51.9 | |
| 10 | 17.1 | 51.6 | |
| 100 | 22.1 | 42.1 |
*I＝电流，以mA/cm2为单位
V＝电压
L＝亮度，以cd/A为单位
如图18和表2所示，在OLED内添加每个单元提供了更大的亮度，但是还把Vth和工作电压提高了约2.5V。
在图19中可以看到向微腔3单元OLED添加附加单元的优势，这将B-2(3单元)、C-1(4单元)和D-1(5单元)的光谱输出(没有滤色器的情况下)进行了比较。OLED B-2具有G/Y单元加2个B单元。如在C-1中添加另一个Y单元会增加相对于B-2的G和R发射的量，但以B发射不会增加太多。如在D-1中添加第三B单元会进一步增加蓝色发射，同时保持较高的G和R发射。
与图16中所示的结果类似，图20示出了使用OLED B-2、C-1和D-1在1500cd/m2下形成平衡的白色亮度(使用滤色器)所需的每个彩色像素的峰值电流密度的相对量。与B-2相比，在C-1中添加附加的Y单元会减少产生必要量的R和G亮度所需的电流。与C-1相比，在D-1中添加附加的B单元进一步降低了产生必要量的B光所需的电压。因为具有3个或更多个单元的这些OLED需要较少的电流密度才能实现相同的亮度，所以它们的操作寿命将显著大于具有较少单元的OLED。预计用于这些设备的LT70(用于发射输出的时间降低70％)寿命对于平均视频内容而言至少为18,000小时。
图21(类似于图17)示出了用于OLED B-2、C-1和D-1的(亮度对阴极电压)曲线组。在所有这三个示例中，对比度在阴极电压的范围内大致相同(略小于105)，并且相对恒定。值得注意的是，即使在这些设备的工作电压是驱动晶体管设计极限的2或3倍时，也能保持对比度。
不受限于任何特定的理论或推测，有关为什么需要相对较高的Vth的堆叠式OLED维持高对比度，但在使用具有低压晶体管的背板时不会引起烧坏或破坏，这可能与串联连接的晶体管的使用有关。晶体管中的电流泄漏是众所周知的问题，并且一般而言，所涉及的电压和电流越高，泄漏量越大。如先前所讨论的，如果该泄漏大于Vth，则该泄漏可能导致从OLED发出光。由于通过串联连接的晶体管的总泄漏将是(第1晶体管的泄漏)x(第2晶体管的泄漏)，因此这种乘数效应可能足以显著减少OLED的底部电极处的泄漏，使得OLED由于电流泄露不会发光，并且因此维持了对比度。
在操作中，包括至少两个晶体管(其中它们的沟道串联连接在实验微显示器的背板中)的控制电路是紧凑型电路的示例，该电路保护驱动晶体管T1不在规定范围以外的条件下操作，即使在驱动具有带有大于LV晶体管的指定工作范围的开关电压范围的3个或更多堆叠式OLED时，也是如此。如果OLED的开-关电压范围超过LV工作范围，则只有开关晶体管暴露于这些条件下。与其他像素电路设计(其中驱动晶体管必须在指定工作范围之外工作)相比，这对图像质量的危害较小。
随着操作的进行，MOSFET设备会老化，这会导致其某些特性的缓慢转变，如阈值电压、亚阈值斜率以及饱和时的跨导。这些都是在p沟道晶体管中发现的负偏压温度不稳定性(NBTI)和热载流子注入(HCI)的所有症状。通过将晶体管的操作限制在该晶体管的指定电压范围内，会确保晶体管特性将在很长的一段时间(诸如5年)内保持在狭窄的指定范围内。在指定电压范围之外操作晶体管会增加晶体管特性的变化率，从而减少特性处于指定范围内的时间段。
重要的是，驱动晶体管的特性必须保持在指定的极限之内，否则结果可能是图像退化(通常称为不均匀(mura))。开关晶体管的操作对其性能特性的改变更加稳健，并且可以用足够宽的栅极电压进行驱动，即使在晶体管特性已移至指定范围之外时，也确保令人满意的操作。因此，图2至图6中所示的包括用于本发明的实验堆叠式OLED微显示器的背板中的电路是紧凑电路的示例，该紧凑电路被设计为处理与3个或更多个OLED单元相关联的更高的开关电压，而没有由于超出了晶体管的指定工作范围而预期的显示质量的预期下降。
据信图2至图6中的电路通过选择用于发射“导通”和发射“截止”的选择2电压来实现这一点。对于发射“截止”，选择2电压的合理选择是VDD，这将T2置于亚阈值操作区域中，从而有效地停止电流。对于发射“导通”，可以选择选择2电压，使其低至VDD以下5V。
在OLED的开关电压摆幅小于4V的情况下，则当像素显示“黑色”时，将由驱动晶体管以常规方式设置黑电平电流，并且T1的漏极将高于选择2“导通”电压，并且开关晶体管T2保持导电。然而，当OLED的开关电压摆幅大于约4V时(如在具有多于4个单元的多单元堆叠式OLED的情况下)，当形成黑电平电流时，T1的漏极电压(也是T2的源极电压)接近选择2“导通”电压，并且由于T1的低漏极电压将T2的过电压(Vgs-Vth)减小到零或略为负，开关晶体管T2截止。这将T2驱动到亚阈值状态中，从而形成黑电平。在由多单元堆叠式OLED产生的这些条件下，驱动晶体管T1控制T2产生黑电平电流。
出于这些原因，据信图2至图6所示的简单的串联连接的晶体管设计能够驱动多单元堆叠式OLED，多单元堆叠式OLED具有的开关电压范围超过低压晶体管的电压范围，低压晶体管与单个晶体管驱动电路相比具有较少的寿命相关的不均匀，例如图1所示。
保护电路被设计为每当OLED旨在“截止”或不发光时将OLED的阳极处的电压维持在一定水平以下，并且可以有助于维持高对比度。随着阴极电压的下降(更多的负电压)，保护电路被设计为提供附加的电流，以便保护驱动晶体管和开关晶体管免受违反设备的最大额定值的电压电平的影响。
然而，在BJT的基极被隔离并且未连接到外部电源的实验示例中，仍观察到了保护效果，使得基极电压没有被有意地控制。已经观察到，在缺少堆叠式OLED的设备中，OLED显示器的黑电流对电压的指数斜率(0.75decade/伏)与存在OLED的示例相似。这意味着即使在BJT的基极被隔离时，保护电路仍在OLED的阳极处提供一些电流和电压控制。不受限于任何特定的理论或推测，相邻的n阱(例如，开关晶体管T2的n阱)可能是迁移到BJT BJT1的p阱(基极)的空穴源。一旦这些空穴在基极中，它们将在跨耗尽区扩散到在正向方向上行进穿过基极发射极二极管的n型发射极触点(OLED阳极垫)。这将通过从发射极到基极中的热激发电子的扩散以及它们通过基极和耗尽区到集电极中的传输而得到补充，这是由基极与集电极之间的大电场势所促进的。在这种情境下，来自(驱动晶体管或开关的)相邻n阱的空穴将电荷(空穴)提供给基极，该电荷通常将来自外部基极连接。当OLED阳极电压降至非常低的水平时(例如，为了用3个或更多个OLED单元显示出黑色)，则驱动电路晶体管之一(在VDD下)的相邻n阱与BJT基极之间的电势差(在OLED阳极电压下)非常大，从而增加了从驱动晶体管阱进入BJT基极中的空穴的流动。由于BJT的放大，基极电流的这种增加会增加发射极电流。
然而，由保护电路提供的保护效果对于每一帧都是不同的，并且必须针对图像的每个新帧适当地重置。当BJT的基极连接到外部电源并针对每帧进行主动控制时，这不是问题。对于BJT的基极是隔离的并且不是有意连接的实施例，当像素被开关晶体管“关闭”时，由于开关晶体管提供了快门效果而可以提供每个帧的重置。因此，由于必须在数据加载期间(或在帧时间的某些部分)关闭发射以进行重置，所以保护效果控制运动的这个方面取决于具有串联连接的驱动晶体管和开关晶体管。
可以设计具有三个或更多个单元的OLED构想，使得从黑电平(低于Vth；例如2uA/cm2)到白电平(20mA/cm2)的电压范围相对恒定并且小于约6V。如图17和图21所示，这可以导致约10000:1的对比度，并且由于电流密度的高端处的电流效率下降而对比度可能略小。该电压范围大约在LV晶体管的允许工作范围内，而保护电路仅在驱动晶体管和/或开关晶体管停止电流时才在电流范围的底端变得激活。因此，在该范围的低电流端，保护电路还防止通过OLED的电流密度下降低于约2uA/cm2。尽管这种效果是除了如上所述具有至少两个串联连接的晶体管所提供的保护之外，但它也限制了获得更高对比度的能力。作为这种略微升高的黑电平和降低对比度的交换，保护电路允许通过降低阴极电压来推动像素驱动电路，以实现更高的峰值亮度或者补偿由于OLED老化而导致的效率损失，并且确保LV晶体管在它们的指定电压范围操作。
上文的描述描述了许多不同的实施例，这些实施例可能涉及不同的单个特征的不同组合。如所期望的，除非不兼容，否则来自任何实施例的单个特征可以在不受限制的情况下按任何顺序或程度进行组合。
在以上描述中，参考形成该描述的一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实践的具体实施例。详细地描述这些实施例以使得技术领域的技术人员能够实践本发明，并且应理解，可以利用其他实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出结构、逻辑和电改变。因此，对任何示例实施例的描述不应被视作限制。尽管已经出于说明目的描述了本发明，但应理解，此类细节仅用于该目的并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以进行变化。
部分列表
MP1 开关晶体管
MP2 驱动晶体管
C1 电容器
VDD 外部电源
选择1–选择3选择线
T1 第一p沟道驱动晶体管
T2 开关晶体管
T3 串联选择晶体管
V阴极 阴极电压
IBD1至IBD6 本征体二极管
VDD2 外部电源
T4 第二p沟道开关晶体管
T6 保护电路P沟道晶体管
D4 二极管
VREF 参考电压
BJT1 双极结型晶体管
LSC 电平移位电路
1 像素定义层
3 硅背板
5 可选的平面化层
7 电触点
9 第一电极区段
9A 第一电极层
9B 反射层
11、23 非发光OLED层
13 第一发光OLED单元
13A 红色发光OLED单元
15、19、24 电荷产生层
16 黄色发光单元
17 第二发光OLED单元
17A 绿色发光OLED单元
21 第三发光OLED单元
21A 蓝色发光OLED单元
22 蓝色发光层
25 顶部电极
27 封装
29 滤色器阵列
29B 蓝色滤色器
29G 绿色滤色器
29R 红色滤色器
30 微腔
32 第二蓝色发光单元
45、50 电源
GND 接地
100 RGB像素化OLED
200 多模式OLED微腔设备
300 多模式OLED微腔设备
400 多模式OLED微腔设备
Claims (20)
1.一种微显示器，所述微显示器包括在硅基背板的顶部上的发光OLED堆叠，所述硅基背板具有可单独寻址的像素和控制电路，其中：
所述发光OLED堆叠在顶部电极与底部电极之间具有三个或更多个OLED单元；以及
对于每个可单独寻址的像素，所述硅基背板的控制电路包括至少两个晶体管，其中所述至少两个晶体管的沟道被串联连接在外部电源VDD与所述OLED堆叠的所述底部电极之间。
2.根据权利要求1所述的微显示器，其中，所述发光OLED堆叠的Vth为至少7.5V或更大。
3.根据权利要求1所述的微显示器，其中，所述发光OLED堆叠的Vth为至少10V或更大。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微显示器，其中，所述OLED堆叠包括四个或更多个OLED发光单元。
5.根据权利要求1至3或4中任一项所述的微显示器，其中，所述OLED发光单元各自通过电荷产生层(CGL)彼此分开。
6.根据权利要求5所述的微显示器，其中，所述底部电极被分段并且每个分段与所述背板中的所述控制电路电接触。
7.根据权利要求6所述的微显示器，其中，所述OLED堆叠是顶部发光的。
8.根据权利要求7所述的微显示器，其中，所述OLED堆叠形成微腔，其中被分段的底部电极与所述顶部电极之间的物理距离是跨越所有像素恒定的。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的微显示器，其中，具有串联连接的沟道的所述晶体管的额定电压均为5V或更低。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的微显示器，其中，最接近所述电源的晶体管为驱动晶体管且所述驱动晶体管的额定电压为5V或更低，以及最靠近所述OLED的底部电极的晶体管是开关晶体管且所述开关晶体管的额定电压大于5V。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的微显示器，其中，具有串联连接的沟道的所述两个晶体管均为p沟道晶体管。
12.根据权利要求11所述的微显示器，其中，具有串联连接的沟道的所述两个晶体管各自位于单独的阱中。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的微显示器，其中，所述控制电路还包括包含p沟道晶体管的保护电路。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的微显示器，其中，所述控制电路还包括包含p-n二极管的保护电路。
15.根据权利要求14所述的微显示器，其中，所述p-n结二极管的阴极连接到所述OLED堆叠的所述底部电极的节点，并且阳极连接到电压参考VREF或电流参考IREF。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的微显示器，其中，所述控制电路还包括包含双极结型晶体管的保护电路。
17.根据权利要求16所述的微显示器，其中，所述双极结型晶体管是NPN晶体管，其中基极连接到电压源V保护或电流源I保护，发射极连接到与所述OLED堆叠的底部电极连接的节点，以及集电极连接到电压源VDD。
18.根据权利要求16所述的微显示器，其中，所述双极结型晶体管的基极是隔离的，发射极连接到与所述OLED堆叠的底部电极连接的节点，并且集电极连接到电压源VDD。
19.根据权利要求16所述的微显示器，其中，所述双极结型晶体管与其沟道串联连接的所述两个晶体管位于分开的阱中。
20.根据权利要求19所述的微显示器，其中，具有串联连接的沟道的所述两个晶体管均为p沟道晶体管，并且各自位于分开的n阱中，并且所述双极结型晶体管是位于分开的p阱中的NPN晶体管。
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