多晶矽薄膜電晶體於主動矩陣式有機發光二極體顯示器之應用

Abstract

近年來平面顯示技術不論在電腦資訊或家用電視領域上的發展，均大幅吸引人們的注意，由於平面顯示器具有輕、薄、低功耗、廣視角及全彩化之能力，因此在各個層面的應用上都具有相當大的潛力。有機發光二極體OLED (Organic Light Emitting Diode) 因具有低操作電壓與高發光效率的特性的，利用此元件與技術所製成的顯示器具有輕薄、可撓曲式、易攜性、全彩高亮度、省電、可視角廣及無影像殘影……等優點，為未來平面顯示器的新趨勢。 由於被動矩陣(passive matrix)驅動方式在畫質相較主動矩陣式(active matrix)，在解析度、灰階數受到限制且無法實現精細化，因而採用薄膜電晶體(Thin Film Transistor; TFT)來控製OLED 元件形成主動矩陣式顯示器，將是高畫質平面顯示器的趨勢，因為OLED 是屬於電流驅動的元件，目前使用多晶矽(Poly-Silicon; poly-Si)技術來製作的薄膜電晶體，其物理特性較非晶矽的薄膜電晶體要來更好，由於電子移動率較快，不僅在OLED 的畫素驅動電路上具有較好的特性，也能將週邊驅動電路一併整合至顯示面板上，以實現高度整合性之有機發光顯示器。 主動矩陣驅動顯示技術雖然具備實現高解析度顯示器的潛力，但由於OLED必須由電流來驅動以產生亮度，因此當OLED 的電流通過每個畫素電極時，因導線的寄生電阻造成驅動電壓下降，使得主動矩陣式OLED 面板仍存在亮度均勻性不佳的缺點，在本論文研究中則成功開發出「交流電壓驅動方法」來驅動OLED 畫素電晶體。此驅動法利用儲存電容的耦合效應，配合交流電壓驅動信號，對導線寄生電阻所造成的壓降進行補償的動作，經實驗證實顯示器亮度均勻性能有效提 升，此外採用交流驅動方法所製作之面板，在電功率消耗上仍舊能維持與傳統直流電壓驅動法相同的水準。 在半導體製程中常因環境或人為因素造為元件特性穩定性不足，如TFT 元件的閘電壓或是載子遷移率在玻璃基板各處之分布並非一定值，當畫素電路中的TFT 特性產生漂移時，整體面板的亮度均勻性就受到相當大的影響，在此論文研究中，我們提出一具備電流驅動能力之AM-OLED 顯示器，此顯示器中包含了由電流驅動之畫素電路，以及整合在面板上的電流型式驅動電路，利用高效能之電流記憶體電路配合參考電流產生器，此整合驅動電路能產生能符合顯示灰階所需的 完整驅動電流，提供給AM-OLED 畫素電路做為驅動信號，藉此電流驅動方式補償半導體元件特性漂移之現象，此外整合在基板內之驅動電路具有操作簡單及運作速度快等優點，利於高解析度AM-OLED 顯示器之應用。 隨著OLED 材料不斷進步，所需之驅動電流也逐漸降低，因為傳統的電流驅動方式在低灰階狀態下會遭遇資料寫入時間不足之現象，在此研究中我們發展一具有驅動電流放大功能之AM-OLED 畫素電路，此電路中利用電容耦合之方式，來放大寫入畫素之資料驅動電流，在不須要增加TFT 尺寸之下，此畫素電路具有廣泛的操作範圍，在高灰階狀態下有較低的放大率以避免過高的功率消耗，而當操作於低灰階狀態時也具有較高的放大率，藉此將輸入電流信號放大以提升信號寫入速度，同時此電流驅動之畫素電路仍能補償因製程或長時間操作所造成TFT 之特性漂移，以實現高均勻性的亮度與畫質。 在畫素電路設計上不僅須考慮顯示畫質均勻性，且必須同時兼顧一畫素陣列的可測試性，在此論文研究中，我們發展出一新式畫素電路架構，在此架構中僅額外設計一測試電容於畫素電路當中用來確保畫素電路的完整性，藉此測試電容，在畫素電路中所有的TFT 元件及儲存電容均可用偵測儲存電荷的方法來確認元件的特性與電路的功能。 論文中展現了薄膜電晶體技術在於有機發光顯示器上的重大應用潛力，提供系統設計者更多的技術來源與設計創意空間來開發更佳的顯像技術，此結合顯示電路設計與半導體製程的顯示面板開發技術，也將在未來高科技產業中具有益形重要的地位。