TW200947714A - A memory device, a tunable current driver and an operating method thereof - Google Patents

Description

200947714 九、發明說明： ' 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種驅動裝置，且特別是一種可調式 電流驅動裝置。 【先前技術】 隨著數位資訊和多媒體應用蓬勃發展，使得平面顯示 器（Flat Panel Display)已廣為企業使用，亦為一般個人的常 〇 用工具。其中有機電激發光顯示器具有厚度薄、可撓曲、 視角廣、功率消耗較小及對比度較高等優點，使得有機電 激發光顯示器的消費市場與日倶增。 顯示器中’有機電致發光二極體的電流驅動裝置一般 分為被動式及主動式兩大類。被動式的電流驅動裝置受限 於有機電致發光二極體天生平整度的影響，會有亮度不均 的問題。而主動式的電流驅動裝置有很多種類，習知的驅 動電路，雖然克服了有機電致發光二極體平整度的影響， φ 但是驅動電路中的電晶體，由於使用薄膜電晶體（TFT)的多 Μ梦製程’會有臨界電壓平整度的問題’依然會對亮度的 均勻度造成影響。因此一些較複雜的電路（如美國專利 US6,229,506)被提出用來解決電壓平整度的影響。然而，相 對地’這些電路會造成複雜度增加及面積增大。 因此，基於上述原因，需要一種半導體記憶元件，以 及利用此半導體記憶元件的可調式電流驅動裝置及其操作 方法，來克服驅動電路中薄膜電晶體平整度的問題。 5 200947714 【發明内容】 本發明的目的就是提供一種半導體記憶元件。 依照本發明一實施例，一種半導體記憶元件，包含一 閘極電極、一電荷陷補層、一閘極氧化層、—多晶矽層、 兩分開之源/没極區。其中，此電荷陷補層位於此閑極電極 下，此閘極氧化層位於此電荷陷補層下，此多晶石夕層位於 ，氧化層下’並位於-玻璃基板上，此兩分開之源/沒極 Ο 區，形成於此多晶矽層中並位於此閘極電極之兩侧^ 本發明的另一目的就是提供一種可調式電流驅動裝 置。 依照本發明一實施例，一種可調式電流驅動裝置，適 用於一平面顯示器之電路設計，此可調式電流驅動裝置， 包含上述之半導體記憶元件以及一選擇電晶體。其中，此 半導體記憶元件的一源/汲極區電性連接一電源供應器，另 一源/汲極區電性連接一發光元件。而此選擇電晶體具有一 G 閘極、二源/汲極，其中此選擇電晶體之源/汲極電性連接此 半導體記憶體元件之閘極電極，此選擇電晶體之閘極電性 連接一選擇線，此選擇電晶體之另一源/汲極電性連接一資 料線。 本發明的又一目的就是提供一種操作方法。 依照本發明一實施例，適用於上述之可調式電流驅動 裝置，此操作方法，包含以下步驟。驅動此半導體記憶元 件係以一預定條件使其輸出一驅動電流；判斷此驅動電流 是否小於一預定電流；以及，當此驅動電流小於此預定電 6 200947714 流時，編程此半導體記憶元件。 以下將以實施例對上述之說明以及接下來的實施方式 做詳細的描述，並對本發明提供更進一步的解釋。 【實施方式】 請參照下列之圖式及各種實施例，圖式中相同之號碼 代表相似之元件。另一方面，眾所週知的電路元件並未描 〇 述於實施例中，以避免造成本發明不必要的限制。 請參照第1圖，其係繪示依照本發明一實施例的一種 半導體記憶元件的剖面圖。半導體記憶元件11〇係為一薄 膜電晶體（TFT)，亦可相容於有機電致發光二極體製程，而 ； 不需要額外的電路或是特殊方法達成。本實施例中，半導 體記憶元件110可包含閘極電極i丨2、電荷陷補層、閘 極氧化層036、多晶矽層〇2〇、源/汲極區116、源/汲極區 114以及間隔物04(^其中，電荷陷補層〇34位於閘極電極 ❿ U2下，閘極氧化層〇36位於電荷陷補層〇34下，多晶矽層 020位於閘極氧化層036下，並位於玻璃基板〇1〇上，且至 少一緩衝層，位於多晶矽層〇20與玻璃基板〇! 〇之間，舉 例來說，緩衝層012,014位於多晶矽層〇2〇與玻璃基板〇1〇 之間，且緩衝層012位於緩衝層014下，其中緩衝層〇12 可包含SiNx或其他相似材料，緩衝層〇14可包含Si〇x或 其他相似材料。另外，源/汲極區116及114形成於多晶矽 層020中並位於閘極電極112(或是電荷陷補層〇34、閘極 氧化層036)之兩側’其中源/汲極區丨〗*與源/汲極區丨丨6分 200947714 隔不相連的。本實施例中，「源/沒極區」代表其可為源極， 亦可為沒極。若源續極1 114作為—源極，則源/沒極區 116作為-没極；反之，以綠極區114作為—沒極，則 源/及極區116作為-源極。間隔⑯請形成於閘極電極 112、電荷陷補層〇34、閘極氧化層咖的外侧。另外，閑 極電極U2包含-導電材料為佳，像是金屬（例如：组、欽、 钥、鶴 ' 翻、銘、給或釕）、碎化金屬（例如：石夕化欽、石夕化 銘、石夕化錄切化组）、氮化金屬（例如：氮化欽錢化麵）、 〇 #雜之多騎、其他導電材料或其結合物。又，電荷陷補 層034可包含SiNx;或者或再者，電荷陷補層〇34的材料 可包含氮氧化石夕（SiON);或者或再者，電荷陷補層〇34的 材料可包含奈米晶體（nanocrystal)或其他相似材料。另外， 在電荷陷補層034之上及閘極氧化層〇36之下，又可以有 另一隔絕層（未標示），其可為二氧化矽（Si〇2)等材質，以電 性隔絕電荷陷補層034及閘極氧化層〇36。 值得注意的是，半導體記憶元件〗〗〇，可以是一個p 〇 通道金屬氧半導體記憶元件，可於閘極電極112及多晶矽 層020之間施予一編程電壓，即透過閘極電極U2及多晶 矽層020之間的電位差及利用F〇wIer_N〇rdheim穿遂機制 (F-N tunneling mechanism)讓電子注入至電荷陷補層〇34， 或是，將電子拉出電荷陷補層034,進而儲存或移出電荷， 而改變此半導體記憶元件的臨界電壓（thresh〇ld vQhage)。 應瞭解到，上述之Fowler-Nordheim穿遂機制僅為例示，並 非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明 之精神和範圍内，可視實際應用，選擇適合的方式，像是 200947714 通道熱電子效應（channel hot electron)、帶間穿遂機制 (Band-to-band-tunneling mechanism) ' 閘極電洞注入（Gate

Hole injections)、或其他方式做編程、抹除等動作以改變其 臨界電壓。 半導體s己憶體透過編程過程（pr〇gramming 〇perati〇n) 中，可以改變初始的臨界電壓，比如在本實施例，在閘極 電極112施予一正電壓（例如25伏特），在多晶石夕層〇2〇 施予一電壓（例如0伏特），亦即閘極電極112與多晶矽層 〇 020存在一個+25伏特的壓差，會讓存在多晶矽層020的 電子電荷透過Fowler-Nordheim穿遂機制，移動到電荷陷 補層034，因為電荷陷補層034存有很多電荷陷阱（traps)， 可以讓電子電荷儲存於此電荷陷補層〇34，因為這個半導 體記憶元件110是一個p通道金屬氧半導體記憶元件，當 有電子儲存於電荷陷補層034内時，會讓該半導體記憶元 件之臨界電壓值往正值移動，因此相同的閘極電壓加在閘 極112上時’會讓此半導體記憶元件之驅動電流變大。 〇 請參照第2圖，其係繪示依照本發明一實施例的一種 可調式電流驅動裝置100的等效電路圖，適用於一顯示器， 其中每一可調式電流驅動裝置100可對應於此顯示器中的 每一晝素，亦即每一晝素都包含一組每一可調式電流驅動 裝置100。第2圖中，可調式電流驅動襞置100包含半導體 記憶元件110以及選擇電晶體120。其中，半導體記憶元件 110的一源/汲極區114電性連接電源供應器16〇，而半導體 記憶元件110的另一源/汲極區116電性連接發光元件 13〇,其中，發光元件130例如可為有機電致發光二極體或 9 200947714 開發中的元件。選擇電晶體12〇具有一閘極電極122、一源 /汲極124及一源/汲極126，其中源/汲極124電性連接該半 導體記憶元件110之閘極電極112,選擇電晶體12〇之閘極 電極122電性連接選擇線15〇 ’選擇電晶體12〇之源/汲極 126電性連接資料線140。本實施例中，選擇電晶體12〇可 為 通道金屬氧半導體元件而半導體記憶元件110可為 一 P通道金屬氧半導體記憶元件。 另外，選擇電晶體丨2〇實質上可與第i圖中之半導體 〇 記憶元件110具有相同的幾何結構，然選擇電晶體12〇的 傳導類型可不同於半導體記憶以牛110㈣導類型，舉例 來說，選擇電晶體120的傳導類型可為而半導體記憶 元件Π0的傳導類型可為p型。於一實施例，選擇電晶體 120可包含一閘極電極、一電荷陷補層、一閘極氧化層、一 多晶矽層、兩分開之源/汲極區。其中，此電荷陷補層位於 此閘極電極下，此閘極氧化層位於此電荷陷補層下，此多 晶矽層位於此氧化層下，並位於玻璃基板010上，此兩分 ❹ 開之源/汲極區，形成於此多晶矽層中並位於此閘極電極之 兩側。 應瞭解到’主動型薄膜顯示器每一畫素均包含一選擇 薄膜電晶體、一驅動薄膜電晶體及一發光元件，由於製程 上難以避免的瑕⑯’於顯示ϋ中每一相似的薄膜電晶體的 臨界電壓並非完全相同。在此，我們提出一種可調式電流 驅動裝置100,將原來只當驅動薄膜電晶體11〇賦予電流 可調式的功能（亦即上述之半導體記憶元件110之功能），因 此，倘若在此每一半導體記憶元件110的臨界電壓並非完 200947714 全相同，使得多個可調式電流驅動裝置ι〇〇被驅動時，每 :丰導趙記憶元件削由源㈣區116所輸出之驅動電流 並非完全相同，使得發光元# 13〇冑度不均勾 (。n Uniformity _e)，而造成彷⑽所謂耐&是指顯示 ，不均勻造成各種痕跡的現象，最簡單的判斷方法就 s至中切換到黑色畫面以及其他低灰階晝面，然後從 一不同的角度去檢視’隨著各式各樣的製程瑕疲，液晶 顯不器就有各式各樣的mura。舉例來說，可能是橫向條紋 © 或45度角條紋’可能是切得很直的方塊，可能是某個角落 出現塊’可能是花花的完全沒有規則可言東—塊西一塊 的痕跡。一旦發生顯示器亮度不均勾（mura現象）時，該顯 示器的製程良率就會大幅下降，因此解決此聰a，可以依 照以下實施例來改善之。 為了改善顯示器中發光元件13〇亮度不均勻的問題， 參照第3圖係纷示依照本發明一實施例的一種可調式電流 驅動裝置100的操作方法2〇〇的流程圖。操作方法2〇〇用 〇 卩調整每—半導體記憶元件11G的臨界電壓，使得多個可 調式電流驅動裝置100被驅動時，半導體記憶元件的 源/汲極區116所輸出之驅動電流大於或等於一預定電流。 應瞭解到，若驅動電流小於此預定電流，則發光元件 的亮度會明顯地變暗；反之，若驅動電流大於或等於此預 定電流，則發光元件13〇具有足夠的亮度，並且發光元件 130的亮度並不會隨著此預定電流的增加而明顯地增加，換 s之，若提供給每一發光元件13〇驅動電流大於或等於此 預定電流，則每一發光元件13〇可發出足夠且均勻的亮度。 200947714 再者’若發光元件！ 3G為__有機電致發光二極髅，則此預 定電流可為約1.5至約2微安培為佳。第3圖令，於步鄉 210’以一預定條件驅動半導體記憶元件n〇的使其輸出一 驅動電流。其中，此預定條件係為半導體記憶元件ιι〇的 閘極電極112與源/汲極區114之間有一預定電屢差，其可 為’乃2伏特，用以導通半導體記憶元件u 〇。於一實施例 中，可調式電流驅動裝置100可透過電源供應器16〇施予 一電位至半導體記憶元件n〇的源/汲極區Π4。其中，電 © 源供應器I60可視半導體記憶元件110的耐壓特性選擇適 σ的電位且，可調式電流驅動裝置可透過選擇線 提供大於零的電位至選擇電晶體12〇的閘極電極122，使選 擇電晶體120導通。且，可調式電流驅動裝置100可透過 資料線140提供適合的電位，因為選擇電晶體透過選 擇線150導通而可以傳輸資料線14〇電位至半導體記憶元 件uo的閘極電極112，藉此，使半導體記憶元件ιι〇的間 極電極112與源/汲極114之間具有一預定電壓。 Ο 接著，於步驟220 ’提供一預定電流。於一實施例中， 可提供-標準化之半導體記憶元件，且於上述之預定條件 下驅動此標準化之半導體記憶元件，其源/没極輸出一預定 電流，其中此預定電流可為約丨5微安培。 接著，於步驟230，放大上述之半導體記憶元件u〇 的源/没極區116所輸出之驅動電流，以及標準化之半導體 記憶元件所輸出之預定電流。於一實施例中，可採用一放 大器放大此驅動電流與預定電流，可以藉始放大比較來增 強判斷驅動電流與預定電流之大小。 12 200947714 之預=、:於:驟2:"斷上述之驅動電流是否小於上述 動電V: 中，可採用一判斷電路判斷此藤 動電流疋否小於此預定電流呵驅 預定電流，代表丰導流大於或等於此 電沒給發n 憶7°件11G的可提供足夠的藤動 電机給發U件心然後，於步驟2 動 並且可對有機發光二極體陣 束此項操作’ 裝置⑽執行操作方法=。的其他的可㈣電流福動 ❹ ❹ 另一方φ，若此驅動電流小於此預定電流，則於 =〇,對半導體記憶元件11〇的作編程動作。於第一實施例 t,編程可調式電流媒動裝置丨# 對選擇電晶想一極電極：二第可：擇線15。 伏特，且_應__^_： = ==25 元件㈣的閘極電極-所接受的二 寺。於第一實施例，編程可調式電流驅動裝置觸 提^透^選擇線15G對選擇電晶體⑶的閘極電極122 其係為約32伏特’並透過f料線14〇提供 =-電位’其係為約3G伏特，且電源供應器⑽提供第三 其係為約〇伏特。則半導體記憶元件11〇的閉極電 程受的編程電位為約30伏特。於第三實施例，編 ^可調式電流驅動裝置100時’可透過選擇線i5〇對選擇 ^曰體12〇的閘極電極122提供第一電位，其係為約η伏 伏:電壓並透過資料線_提供第二電位，其係為約35 姓的電壓，且電源供應器16〇提供第三電位，其係為約。 伏特。則半導體記憶元件110的閘極電極112所接受的編 13 200947714 程電位為約35伏特，半導體記憶元件ΐι〇的源/汲極區ιΐ6 的電壓為發光元件130的導通電壓。於第四實施例，編程 可調式電流驅動裝置刚時，可透過選擇線15〇對選擇電 晶體12 〇㈣極電極12 2提供第—電位，其係為，約4 2伏特 的電壓，並透過資料線14G提供第二電位，其係為約40伏 特的電壓’且電源供應請提供第三電位，其係為約〇 伏特。則半導體記憶元件110的閘極電極u Ο =約40伏特。應瞭解到，以上僅為例示，並非用： :疋本發明’任何熟習此技藝者，在残離本發明之精神 和範圍内，可視實際應用，選擇適合的第 位及第三電位。 第一電 接著’回到步驟训，反覆執行方法勝直到於步驟 ㈣動電流大於或等於此預定電流，才可於步驟剔， 並且可對顯示器中的其他的可調式電流驅 動裝置100執行操作方法200。 本發明之敘述更加料與完備，請參照第4圖， 其係繪不依照本發明一實施例的一種可 :的操作方法2°°的時序圖。同時參照第2-3圖， 再：：内’例如可於1〇毫秒内，執行上述之步驟250。 丹者’於存取時間（accesstime)32〇内例如可於^毫秒内， 步驟21Q°若驅動電流小於預m則不斷重 , _250，直到驅動電流一旦大於或等於預定雷法 時’則於步驟26G，結束對此可調式電流驅動 ： 作’並可對另一可調式電流驅動裝置 ：： 2〇〇 〇 外仃操作方法 200947714 另外’ 4參照第5圈，其係、緣示依照本發明一 實施例 之圖表。此圖表的縱座標為累積分佈（Cumulative distnbuhon)百分比’橫座標為驅動電流。□代表可調式電 流獎動裝置1 〇〇於某—編程前的驅動電流分佈區間所測量 出來的百分比數，而趨勢線51〇則代表驅動電流分佈的趨 勢；〇代表可調式電流驅動裝置1〇〇於編程後的驅動電流 分佈區間所測量出來的百分比數，而趨勢線520則代表驅 動電流分佈的趨勢。由第5圖中，明顯地表示出編程後之 G 驅動電流可大幅提昇，藉此，可改善顯示器中發光元件130 亮度不均勻的問題。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範 圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1圖係繪示依照本發明一實施例的一種半導體纪怜 元件的剖面圖。 第2圖係繪示依照本發明一實施例的一種可調式電流 驅動裝置的等效電路圖。 第3圖係繪示依照本發明一實施例的一種可調式電流 15 200947714 驅動裝置的操作方法 第4圖係繪示依 驅動裝置的操作方法 的流程圖。 照本發明一實施例的一種可調式電流 的時序圖。 第5圖係繪示依照本發明一實施例之圖表。 ❹ ❹ 【主要元件符號說明】 010 ： 玻璃基板 034 ： 電荷陷補層 040 ： 間隔物 110 ： 半導體記憶元件 114 ： 源/汲極區 120 ： 選擇電晶體 124 ： 源/ ¾極 130 ： 發光元件 140 ： 資料線 160 ： 電源供應器 210-260 :步驟 320 ： 存取時間 012,014 :緩衝層 020 :多晶碎層 0 3 6 :閘極氧化層 100:可調式電流驅動裝置 112 :閘極電極 116 :源/;及極區 122 :閘極電極 126 :源/没極 150 :選擇線 200 :操作方法 3 10 :編程時間 510,520 :趨勢線 16

Claims (1)

1. 200947714 十、申請專利範圍： l —種可調式電流驅動裝置，適用於一平面顯示器， 該可調式電流驅動裝置，至少包含： '半導體記憶元件，包含： 一閘極電極； 一電荷陷補層’位於該閘極電極下； 一閘極氧化層，位於該電荷陷補層下； β —多晶矽層，位於該閘極氧化層下，並位於一玻 璃基板上；以及 一刀開之源/汲極區’形成於該多晶石夕層中並分別 位於該閘極電極之兩側，其中該半導體記憶元件中二 分開之源/汲極區其中之一電性連接至一發光元件，可 藉由該半導體記憶元件透過編程動作來使發光元件得 到較佳的表現；以及 一選擇電晶體’包含一閘極電極以及二分開之源/汲 ® 極’其中該選擇電晶體中之一源/汲極區電性電連接該半導 體記憶元件之閘極電極，該選擇電晶體中另一源/汲極區電 性電連接至一資料線，該選擇電晶體之閘極電極電性電連 接至一選擇線。 2.如請求項1所述之裝置，其中該電荷陷補層係為氮 石夕化物（SiNx)、氮氧化矽（SiON)、奈米晶體（nanocrystal)或 其結合物。 17 200947714 3. 如請求項1所述之裝置，更包含： 至少一緩衝層，位於該多晶矽層與該玻璃基板之間。 4. 如請求項1所述之裝置，其中該選擇電晶體為一 N 型金屬氧化物半導體。 5. 如請求項1所述之裝置，其中該選擇電晶體，更包 ❹ 含: 一電荷陷補層，位於該選擇電晶體之閘極電極下； 一閘極氧化層，位於該選擇電晶體之電荷陷補層下； 以及 一多晶石夕層，位於該選擇電晶體之閘極氧化層下，並 位於該玻璃基板上； 其中，該選擇電晶體之二源/汲極區，形成於該多晶矽層中 並分別位於該閘極電極之兩側。 ❹ 6. 如請求項1所述之裝置，其中該半導體記憶元件為 一可編程之P型金屬氧化物半導體。 7. 如請求項1所述之裝置，其中該半導體記憶元件可 透過 Fowler-Nordheim 穿遂機制（F-N tunneling mechanism)、通道熱電子效應（channel hot electron)、帶間 穿遂機制（Band-to-band-tunneling mechanism)或閘極電洞 注入（Gate Hole injections)之方式以改變其臨界電壓。 18 200947714 1:2」所述之裝置，其中該發光元件係為-有 機電致發光二極體 ❹ 流驅動裝置，該::方:用::請求項1所述之可調式電 動電=;+導體3己憶7^件係以一預定條件使其輸出一驅 判斷該驅動電流是否小於 元件 預定電、流； 當該驅動電流小於該預定電流時， 編程該半導體記憶 ίο·如請求項9所述之操作 於判斷該驅動電流是否小 驅動電流及該預定電流。 方法，更包含： 於該預定電流之前，放大該 ❹ U.如請求項9所述之操作方法， 約1.5至約2微安培。 其中該預定電流為 記憶元件之步騾包含所这之操作方法，其中編程該半導體 極’提供—第—電位自該選擇線至該選擇電晶體之閑極電 提供-第二電位於該資料線，· 提供—第三電位於該半導體記憶元件中二分開之源/ 200947714 没極區其中之另〜源/汲極區 14. 約25伏特、返:操作方法’其中該第-電位為 '約35伏特或約4〇伏特。 m 生的方法包含、:項9所迷之操作方法，其中該預定電流產 輪出==化之半導體記憶元件係以該預定條件使其 20