有機電致發(fā)光器件驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展

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)重點實驗室，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驗室，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

有機電致發(fā)光器件(Organic Light-Emitting Devices, OLEDs)是一種基于有機電致發(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)動電壓、快速響應(yīng)、色彩豐富、較寬可視角等諸多優(yōu)點，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)動信號是否直接作用于有機電致發(fā)光像素的雙電極，將OLED發(fā)光的驅(qū)動方式分為無源矩陣OLED驅(qū)動(Passive Matrix OLED Driving，PM OLED Driving)和有源矩陣OLED驅(qū)動(Active Matrix OLED Driving，AM OLED Driving)。受制于驅(qū)動方式，PM OLED可實現(xiàn)的尺寸較小，主要應(yīng)用在便攜式設(shè)備如MP3播放器、手機副屏和車載屏幕等顯示設(shè)備中。相對于PM OLED驅(qū)動，AM OLED具有全彩、高分辨、大尺寸等優(yōu)點，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

有機電致發(fā)光現(xiàn)象是指有機半導(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)和激子的擴散、復(fù)合并發(fā)光(Photon liberation)等五個過程。不同的發(fā)光像素在驅(qū)動信號的作用下，可實現(xiàn)各種字符和圖像的顯示(信號有別)或單色顯示(信號一致)，后者再通過多色層混合的方式實現(xiàn)白光顯示(圖3B)，當(dāng)其發(fā)光效率大于100lm/W時即可作為照明使用[6]。

圖3 有機電致發(fā)光過程(A)及照明用混合白光實現(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)境并進行適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo，因此需要使用驅(qū)動技術(shù)。OLED器件采用恒流驅(qū)動的方式，其原因分析如下。

首先，通過器件的伏安特性曲線(I-V curve)進行說明。通過與無機半導(dǎo)體發(fā)光器件LED對比。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)動電壓Vf發(fā)生很小變化時，驅(qū)動電流If變化很大。如Vf從2.75V增加到3.0V時，If從10mA猛增至約50mA，即0.25V的電壓變化會引起電流提升5倍，因此LED需要穩(wěn)定電壓，選擇恒壓驅(qū)動。與之不同的是，示例OLED的Vf從0V提升至約0.34V時，If從186mA提升至372mA，即0.34V的壓升引起驅(qū)動電流提升1倍。OLED的這種伏安特性意味著其對電流的敏感度較弱。

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

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，在陰陽兩極之間的有機薄膜發(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現(xiàn)發(fā)光過程。OLED每個像素的發(fā)光強度與電子/空穴移動時所形成的“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型號為LGIT的LEWWS36T26E200(3806)，OLED型號為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， OLED發(fā)光采用恒流驅(qū)動的方式。恒流驅(qū)動相對簡單經(jīng)濟，易于實現(xiàn)和控制，同時能夠更好地保證顯示亮度的均勻性。在OLED的恒流驅(qū)動中，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)動方式為，驅(qū)動電路提供電壓信號，再通過TFT管的V/I轉(zhuǎn)換將驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電流信號。

3 OLED的驅(qū)動控制技術(shù)

驅(qū)動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)動控制系統(tǒng)在OLED顯示與照明中舉足輕重?？梢罁?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)動技術(shù)分為無源驅(qū)動和有源驅(qū)動，如圖6所示。

無源驅(qū)動指驅(qū)動信號直接施加在OLED像素的雙電極上，使用行列同時掃描的方式來驅(qū)動像素發(fā)光，具有制作簡單、成本低廉的優(yōu)點，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)計中。無源驅(qū)動作為OLED驅(qū)動發(fā)展歷程中的重要節(jié)點，本文也將給予介紹。

相比而言，有源驅(qū)動更加適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展。在有源驅(qū)動中，每個像素均配備有獨立的TFT電路進行驅(qū)動，利用TFT的導(dǎo)通、關(guān)閉和電荷存儲器件進行像素驅(qū)動，在輸入占空比小的脈沖信號或無電流信號時，仍能通過儲能元件在一定時間內(nèi)保持正常的點亮狀態(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)動方案進行設(shè)計開發(fā)。有源驅(qū)動照明模組的重量輕、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)動技術(shù)

PM OLED發(fā)光中，獨立的OLED像素按照行列電極順序形成像素矩陣，如圖6A所示。每個像素平行的陽極和陰極引線相互交叉，交叉點即為發(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)動和動態(tài)驅(qū)動。

3.1.1 靜態(tài)驅(qū)動

靜態(tài)驅(qū)動OLED中的各個像素，通常共用陰極而將陽極線獨立開來。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)動下持續(xù)發(fā)光。當(dāng)陽極受到負(fù)向電壓時，像素發(fā)光停止。靜態(tài)驅(qū)動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)有機電致發(fā)光器件朝著大尺寸、高分辨的方向發(fā)展時，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)化的動態(tài)驅(qū)動[13]。

3.1.2 動態(tài)驅(qū)動

動態(tài)驅(qū)動中，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)動方式時，由屏幕一端依次給每個行電極施加驅(qū)動電壓，對應(yīng)的列電極作為數(shù)據(jù)電極接收，實現(xiàn)該行的有效發(fā)光。

動態(tài)驅(qū)動的弊端在于，相同幀周期下，當(dāng)掃描行數(shù)增多時，每行像素的有效顯示時間縮短，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)動電壓，引起器件功耗的增大和有機發(fā)光材料壽命的縮短。動態(tài)驅(qū)動，或者說無源驅(qū)動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)動電路中使用預(yù)充電技術(shù)，整個驅(qū)動周期由放電過程(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，實際應(yīng)用的掃描周期先后動作為放電(discharge)、預(yù)充電(precharge)和點亮發(fā)光(lighting)。在預(yù)充電動作之前增加放電動作，原因是：受制于現(xiàn)有的制造工藝，鄰近的行列電極會發(fā)生漏電現(xiàn)象。在進行下一個掃描周期時，像素電容上存在的電荷加上充電電壓會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)在充電動作前增加放電動作后，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，首先進行如圖7B的放電過程，該過程中行列驅(qū)動電路均接地，將電容兩端的電壓釋放為零。放電結(jié)束，采用圖7C的電路進行預(yù)充電，行驅(qū)動電路保持接地不動，列驅(qū)動電路接充電電壓Vpre(該值略低于OLED閾值電壓)。隨后為如圖7C的發(fā)光過程，此時行驅(qū)動電路接地，列驅(qū)動電路接恒流源，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電容的充電時間并可控制精確發(fā)光[9]。

圖7 預(yù)充電技術(shù)的掃描周期(A)及各個階段對應(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)動中的交叉效應(yīng)及其解決方法

無源驅(qū)動中產(chǎn)生由于相鄰像素串?dāng)_而非點亮像素微弱發(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，所選像素正向電流導(dǎo)通發(fā)光。對于非選像素，對其列、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)動技術(shù)的研究進展

隨著AM OLED優(yōu)勢的日漸顯現(xiàn)，人們對PM OLED技術(shù)及基于該驅(qū)動技術(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)動方式設(shè)計出一個OLED無源驅(qū)動電路，通過模擬驗證出電路可行性并得到適合OLED發(fā)光的時序信號和控制信號仿真結(jié)果[15]；類似地，傅勇等人針對奇晶公司生產(chǎn)的OLED顯示模塊特性，以單片機為主控制器進行硬件接口設(shè)計和軟件設(shè)計，實現(xiàn)了240×320的全彩圖片靜態(tài)顯示[16]。梁棟等設(shè)計了一種利用單片機構(gòu)成OLED顯示系統(tǒng)的方法，仿真出一款交流驅(qū)動的OLED無源驅(qū)動電路，實現(xiàn)交流驅(qū)動的同時有效抑制交叉效應(yīng)[17]；蔣明明等設(shè)計了一種用于PM OLED驅(qū)動芯片的電路，通過對基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊、對比度調(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，實現(xiàn)了OLED的快速點亮[18]。

無源驅(qū)動具備電路簡單的優(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)動技術(shù)

有源驅(qū)動技術(shù)采用TFT像素電路對每個OLED發(fā)光單元進行獨立控制，實現(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TFT，一個TFT用作地址選擇，另一個控制亮度和灰階。在OLED的有源驅(qū)動中，TFT可以實現(xiàn)兩大功能，其一為在尋址過程中采集并存儲信號線上的數(shù)據(jù)信號，其二為非尋址過程中為OLED像素提供持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)動電流使其發(fā)光。TFT是OLED有源驅(qū)動技術(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TFT(Organic TFT，OTFT)技術(shù)[26]等，其技術(shù)特點、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)動中成熟且主流的技術(shù)。若采用α-Si TFT驅(qū)動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OLED的瓶頸，較難滿足OLED電流驅(qū)動的要求。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)動上的發(fā)展。

早在2003年，奇美電子就宣布采用非晶硅TFT主動式驅(qū)動技術(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OLED的設(shè)備鮮有耳聞。雖然2009年的SID會議上，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，使得科研和工程團隊紛紛將研究和產(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現(xiàn)硅膜性能的提升。相對于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、抗光干擾能力強等特點[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像素電路實現(xiàn)閾值電壓Vth和IR降的同時補償，推動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)動方面具有潛在的應(yīng)用價值[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)生了突飛猛進的發(fā)展。Oxide TFT的載流子遷移率比非晶硅TFT高至少一個數(shù)量級，且其對可見光的透過率大于80%，被譽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)動技術(shù)的OLED電視[40]。

在Oxide TFT的研究進展方面，2011年，Avis團隊分別使用旋轉(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，該團隊同時提出一種新的五管TFT驅(qū)動電路結(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代試驗線上對IGZO TFT進行性能研究，對可見光照和電壓偏應(yīng)力的影響進行了細(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，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(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)用的一個重要原因是有機材料的穩(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上實現(xiàn)動態(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)動電路技術(shù)

在AMOLED驅(qū)動電路方面，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)動電路，亦有公司提出了三管驅(qū)動類型[10]。根據(jù)OLED與驅(qū)動管的連接方式不同，兩管驅(qū)動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)動管和開關(guān)管，Cs為存儲電容，可保證電流的連續(xù)性，OLED為有機電致發(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長時間工作時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)動電路，實現(xiàn)對TFT閾值電壓溫度漂移的補償[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)動電路，模擬分析結(jié)果表明其與四管TFT驅(qū)動在亮度和穩(wěn)定性方面無明顯差異[10]。2.5 inch實驗品中配備了3個TFT，也證實其顯示效果較為理想。圖13為典型的四管驅(qū)動像素電路和日立公司提出的三管驅(qū)動電路圖。

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

3.3 無源驅(qū)動和有源驅(qū)動的區(qū)別

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

結(jié)構(gòu)方面，無源驅(qū)動為陰陽純基板交叉發(fā)光形成像素點，驅(qū)動IC由TCP或COG等連接方式外裝。而有源驅(qū)動采用像素點搭配薄膜晶體管及電荷存儲電容，將驅(qū)動電路與顯示系統(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)動方式上，采用多路動態(tài)驅(qū)動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)動方式，具有存儲效應(yīng)，負(fù)載驅(qū)動可達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)動電路的集成與否上，無源驅(qū)動必須通過COG或TAB外接驅(qū)動電路，使得器件體積和重量較大，且紅藍兩色的低亮調(diào)節(jié)困難。而有源方式的驅(qū)動電路均集成在顯示屏內(nèi)，集成度高，紅藍色低亮調(diào)節(jié)可控，易于大型化和彩色化[50]。

4 展望

有機電致發(fā)光器件具有LCD等顯示器件所不具備的特點，越來越得到人們的青睞。OLED，尤其是AMOLED一方面的研究重點關(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)和中科院長春光機所等高校和研究機構(gòu)在該領(lǐng)域投入了大量的財力和精力，奮力縮短與國際先進技術(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，再用FPGA得到所需要的行、場掃描來驅(qū)動OLED[51]，到現(xiàn)在廠商外包驅(qū)動IC電路(如專業(yè)驅(qū)動廠商所羅門)，或成立專門部門獨立自主開發(fā)專用的OLED驅(qū)動芯片，這些進步都在不斷推動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)進行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，如此必將進一步推動有機電致發(fā)光器件在顯示和照明領(lǐng)域進入千家萬戶。

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