CN102460548A - 电流驱动像素电路及相关方法 - Google Patents

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Abstract

提供了像素电路（100,300）及相关方法。在这点上，有代表性的像素电路包括：用于携带数据信号的数据线(104,304)；用于携带选择信号的选择线(106,306)；被传导性地耦合至数据线并且耦合至选择线的第一薄膜晶体管(TFT)(T1,T1A)；以及被电容性地耦合至第一TFT的第二TFT(T2,T2A)，所述第二TFT用于响应于所述数据信号和所述选择信号对发射负载进行驱动；其中所述数据信号被通过电容性耦合提供给第二TFT。

Description

电流驱动像素电路及相关方法
技术领域
本公开涉及半导体设备及制造的领域。
背景技术
用来控制显示设备的发光二极管(LED)像素的有源矩阵背板例如时常涉及驱动和/或感测电流。由于这些背板通常结合薄膜晶体管(TFT)，所以驱动和/或感测电流的路由常常需要在具有其它的栅极的某些TFT的源极与漏极之间的电气连接。特别地，由于源极和漏极常常位于与栅极所位于其上的金属层不同的金属层上，所以通孔（via）（通过所述层形成的电连接）被照惯例用来促进电流的路由。遗憾的是，通孔倾向于增加生产成本，因为它们的形成通常涉及需要相对高精度的专用处理步骤。
附图说明
参考以下图能够更好地理解本公开的许多方面。图中的部件未必按比例绘制。此外，在各图中，相同的附图标记遍及若干视图指定对应的部分。
图1是描绘了持续电流像素电路的示例性实施例的电路图。
图2A和2B是描绘了显示设备有源矩阵和与图1的图相对应的像素电路的示例性实施例的示意图。
图3是当沿着线3-3观看时图2的实施例的截面，并且示出了电容器的细节。
图4是当沿着线4-4观看时图2的实施例的截面，并且示出了晶体管的细节。
图5是描绘了用于形成半导体设备的工艺的示例性实施例的方法步骤的流程图。
图6是描绘了与来自图5的中间工艺步骤关联的基底和材料层的截面的示意图。
图7A-D是描绘了与图5的工艺关联的基底、材料层以及3D抗蚀剂的截面的示意图。
图8是描绘了持续电流像素的另一示例性实施例的电路图。
具体实施方式
提供了像素电路及相关方法，将对其若干示例性实施例进行详细描述。在某些实施例中，和使用通孔形成对比，像素电路被提供为使用电容性耦合以提供用于驱动发射负载（emissive load）的持续电流。电容性耦合的使用允许像素电路避免对通孔的需求，并且同样地，可以实现在制造方面的效率。由于该像素电路不需要通孔，所以能够使用例如可利用卷对卷(R2R)制作的自对准压印光刻(SAIL)工艺来完成制造。为了得到关于SAIL工艺的更多信息，请参考例如US7,202,719，其被通过引用结合在本文中。特别地，如在本文中所使用的那样，术语“持续电流”指的是在到像素的数据更新之间所提供的基本上恒定的电流（诸如可以被用于驱动和/或感测）。
在这点上，对图1进行参考，其描绘了持续电流像素电路的示例性实施例。如图1中所示出的那样，像素电路100包括薄膜晶体管(TFT)T1和T2、电容器C1和C2、以及发射负载102。在这个实施例中，发射负载102为发光二极管(LED),例如，有机LED或“OLED”。
TFT T1被传导性地耦合至数据线104并且耦合至选择线106。具体地，数据线104被传导性地耦合至TFT T1的漏极电极(D),并且选择线106被传导性地耦合至TFT T1的栅极电极(G)。TFT T1的源极电极(S)被分别传导性地耦合至电容器C1和C2的电极107，108。
TFT T2 被电容性地耦合至TFT T1。在该实施例中，该电容性耦合由正被传导性地耦合至TFT T2的栅极电极(G)的电容器C1的电极109、和正被传导性地耦合至TFT T2的源极电极（S）的电容器C2的电极110来促进。该实施例的电容器C2包括电浮动电极112。特别地，浮动电极配置的使用将两个端子（即，电极108和110）定位在顶部金属层处，其构成源极/漏极材料。相比之下，对于通常的非浮动电极配置而言，通孔将可能被用来传导性地将电容器的端子耦合到底部金属层。这是因为这样的非浮动电极配置将照惯例将栅极电介质用作电容器电介质。
此外，TFT T2的漏极电极(D)被传导性地耦合至Vdd，而TFT T2的源极电极(S)被传导性地耦合至发射负载102。特别地，电路100没有用于将由数据线104提供的数据信号电连接到TFT T2的通孔。
在工作中，发射负载102被分别响应于由数据线和选择线所提供的数据信号和选择信号来加以驱动。具体地，在每个帧周期，当被在选择线的活动模式期间提供的选择信号使能时，数据被通过至TFT T1的数据线传送至电路。特别地，该选择线选择性地呈现活动或不活动模式，其中所述帧周期时间的该实施例的活动模式被多个栅极线分开。
响应于选择信号，被传送的数据由充当保持电容器的电容器C2来存储。该保持电容器C2驱动TFT T2，其将持续电流提供给发射负载。特别地，这是在没有用于控制TFT T2的传导性耦合的情况下完成的，即，通过电容性耦合来控制TFT T2。
图2A和2B是描绘了显示设备有源矩阵和与图1的图相对应的像素电路的示例性实施例的示意图。请注意为了便于描述而保持的图1、2A以及2B的附图标记之间的对应。
如图2A中所示出的那样，显示设备200（其可以被配置成用于与诸如移动电话、膝上型计算机等的各种电子设备一起使用）包括像素电路的有源矩阵，该像素电路100的有源矩阵是一个。像素电路100（其在图2B中被更详细地示出）包括TFT的 T1和T2、电容器C1和C2、以及发射负载（未示出）。
图3是当沿着线3-3观看时图2B的像素电路100的实施例的截面，并且示出了电容器C2的细节。如图3中所示出的那样，电容器C2是由基底210支撑的材料层形成的。特别地，电容器C2包括第一电容器部分211和第二电容器部分212，它们被形成在共享栅极层214上，其充当浮动电极（例如，图1的浮动电极112）。在栅极层214之上，部分211、212被分离电容器端子的间隙215与彼此间隔开。
除了栅极层之外，电容器C2的部分211包括栅极电介质层216A、非晶硅层218A、掺杂（N+）微晶硅层220A以及金属层222A，其充当电极（例如，图1的电极108）。至于部分212，电容器C2的该部分包括栅极电介质层216B、非晶硅层218B、掺杂（N+）微晶硅层220B以及金属层222B，其充当电极（例如，图1的电极110）。
应当注意的是，在某些实施例中，当在电容器的底部（例如，栅极层214）处的电压相对于顶部（例如，金属层222）被增加时，电荷在半导体电介质界面（即，在层218与220之间的界面）处积累，这导致增加的电容，其不应该对操作具有重大的影响。此外，在设备的驱动侧上（即，在电容器C1的电极107与TFT T2的栅极（G）之间）的漏的（leaky）或短接的（shorted）电介质能够通过充当传导性耦合来提高设备性能。
虽然可能已经在上文中阐述了用于形成所述层的特定材料族，但是可以使用各种材料。在这点上，传导层可以是金属。通常使用的金属包括但是不限于Al、Mo、Cr、Cu、Ti、Ni。此外，由于在显示应用中经常需要导体是透明的，所以能够使用例如诸如ITO（铟锡氧化物）和掺杂氧化锌之类的导电氧化物。可替换地，例如，像素电极有时由诸如PEDOT（聚乙撑二氧噻吩）之类的有机材料制成。
半导体可以是无机的（例如，非晶硅或多晶硅）或者可以是过渡金属氧化物（例如，锌铟氧化物，锌锡氧化物，铟镓锌氧化物）。有机半导体可以是小分子（例如，并五苯）或聚合物（例如，聚乙炔）。
电介质也可以是有机或无机的。后者的示例是氮化硅和二氧化硅以及诸如二氧化铪的其它氧化物和氮化物。对于它们与之配对的有机半导体而言，有机电介质往往是非常特定的。例如，苯并环丁烷经常和并五苯一起使用。
在下文中展现用于预测电容器C2的电极的电压、电荷以及电容的方程式，其中假定在DC条件下使用理想的电介质（即，呈现无泄漏和无电荷捕获的电介质）。在方程式中:
A1是电极110的面积;
A2是电极108的面积;
d1是电极108与浮动电极112之间的距离；
d2是电极110与浮动电极112之间的距离；
q1是电极110上的电荷;
q2是电极108的电荷;
V是源极电压；以及
Vm是浮动电极112的电压。
给定如下的方程式1：
Vm/V = (A1/A2)/((A1/A2)+(d1/d2))；
如果d1= d2 并且 A1>> A2, 则 Vm / V≈1；
如果d1= d2 并且 A1 << A2, 则 Vm / V≈0；并且
如果d1= d2 并且 A1=A2, 那么 Vm/V≈1/2。
此外，给定如下的方程式2：
C△= q/V=ε(A1A2)/((d1A2)+(d2A1))；
因此,对于恒定总面积A=A1+A2并且d1=d2而言,
dC/dA1=(ε/Ad)(A-2A1),并且
C是在A1= A/2处的最大值。也就是说，对于固定面积而言，当电介质的面积在电容器C2的浮动电极112的两侧是相同的时,最大电容被预测到。此外，当在来自TFT T2的浮动电极的相对侧上的电介质的面积比栅极电介质的面积大得多时，到TFT T2的栅极（G）的最大电压传送出现。
图4是当沿着线4-4观看时图2的实施例的截面，并且示出了TFT的细节。如图4中所示出的那样，TFT T2是由基底所支撑的材料层形成的；在这种情况下，所述基底是基底210。特别地，TFT T2包括被形成在共享栅极层214上的栅极(G)、源极(S)以及漏极(D)。在栅极层214之上，栅极（G）与源极（S）被间隙225间隔开。
除了栅极层之外，TFT T2的栅极（G）还包括栅极电介质层216C、非晶硅层218C、掺杂（N+）微晶硅层220C以及金属层222C。金属层222C充当TFT T2的栅极电极。
源极（S）和漏极(D)共享栅极电介质层216D和非晶硅层218D，在其上源极和漏极被间隙227分离。在非晶硅层218D之上，源极包括掺杂（N+）微晶硅层220D和金属层222D，其充当源极电极，然而漏极包括掺杂（N+）微晶硅层220E和金属层222E。金属层222E充当TFT T2的漏极电极。
应当注意的是，由电容器和TFT的金属层所呈现的垂直对称性使它本身非常适用于通过SAIL工艺制造，将针对图5-7对其有代表性的示例进行更详细的描述。
在这点上，图5是描绘了用于形成诸如包括持续电流像素电路的设备之类的半导体设备的SAIL工艺的示例性实施例的方法步骤的流程图。如图5中所示出的那样，该工艺可以被解释为在框250处开始，其中提供基底。在框252中,第一材料层被沉积在该基底之上。在某些实施例中，该第一层为多个材料层中的一层，所述多个材料层由基底支撑以形成层的堆叠。例如，图6是描绘基底的截面的示意图，其中材料层被沉积在其上以形成材料层的堆叠。
在图6中，基底210支撑材料层的堆叠，其包括栅极层214、栅极电介质层216、非晶硅层218、掺杂（N+）微晶硅层220以及金属层222。这些层能够被用来形成例如像素电路的所述电容器和TFT中的一个或多个。特别地，在框252中所提及的第一材料层可以是由基底210支撑的层中的任何一个。
在框254中(图5),第一抗蚀剂层被沉积在基底之上，诸如在第一材料层之上。在框256中,第一抗蚀剂层被用来在基底之上形成3D抗蚀剂结构。
通过示例的方式，图7A是描绘了基底210、材料层214、216、218、220和222、以及3D抗蚀剂结构260的截面的示意图。在图7的实施例中，3D抗蚀剂结构260被配置成用于形成半导体设备的一部分（例如，TFT T2的一部分）。
如在图5的框258中所描绘的那样，3D抗蚀剂结构被蚀刻以暴露第一材料层的第一部分从而使得该第一部分形成第一半导体设备的一部分。在这点上，图7B和7C描绘了在蚀刻期间连续的中间步骤，其中蚀刻之后的配置被示出在图7D中。通过示例的方式，第一被暴露的部分可以形成图4的TFT T2 的电极。
应当注意的是，在SAIL工艺中，通常在执行任何图案化之前沉积薄膜的堆叠。这导致每层基本上是平的并且与该堆叠的其它层平行。相比之下，采用常规的薄膜处理（例如，光刻法），各层被沉积在先前被图案化的层的顶部上，这会导致阶梯覆盖问题以及不一致的膜厚度和电应力集中。特别地，通过在不使用通孔的情况下提供SAIL制造，与常规光刻法制造技术相比消除了至少一个掩模步骤和一个蚀刻步骤。
此外，通过利用SAIL工艺，诸如上文所描述的实施例，例如，能够解决在柔性（机械方面不稳定的）基底上的多个对准的问题。特别地，已知塑料基底呈现大约1000 ppm的工艺诱导变形。这些变形能够导致在大面积背板上的有效对准。SAIL通过潜在地执行单压印中的所有掩模步骤来解决该问题。在某些实施例中，3D压印掩模与基底一起变形以保持对准，而不管工艺诱导变形如何。
图8是描绘了持续电流像素的另一示例性实施例的电路图。如图8中所示出的那样，像素电路300包括薄膜晶体管(TFT)T1A和T2A、电容器C1A和C2A、以及发射负载302。在这个实施例中，该负载302是OLED。
TFT T1A被传导性地耦合至数据线304并且耦合至选择线306。具体地，数据线304被传导性地耦合至TFT T1A的漏极电极(D),并且选择线106被传导性地耦合至TFT T1A的栅极电极(G)。TFT T1A的源极电极(S)被分别传导性地耦合至电容器C1A的电极307和电容器C2A的电极308。
TFT T2A 被电容性地耦合至TFT T1A。在该实施例中，该电容性耦合由正被传导性地耦合至TFT T2A的栅极电极(G)的电容器C1A的电极309、和正被传导性地耦合至电容器通信线312的电容器C2A的电极310来促进。特别地，电路300没有用于将由数据线304所提供的数据信号电连接到TFT T2的通孔。
在操作中，发射负载302被响应于分别由数据线和选择线所提供的数据信号和选择信号来加以驱动。具体地，在每个帧周期的编程阶段期间，当被到TFT T1的选择信号使能时，数据被通过数据线传送到该电路。被传送的数据由充当保持电容器的电容器C2来存储。
通过将C2电容器的底部电极310直接连接到单独的总线线路（312），对于相同的计划面积而言，可以使C2的电容是它的4倍（厚度除以2，面积增加到两倍）。同样，在编程以减轻偏压诱导的阈值移位之前，电容器通信线312能够被立即切换至负。
应当强调的是，上述实施例仅仅是为了对本公开的原理的清晰理解所阐述的实施方式的可能示例。在不实质上偏离本公开的精神和原理的情况下，可以对上述实施例作出许多变化和修改。特别地，除了那些被描绘的之外的各种电路配置可以被使用在其它实施例中，诸如通过改变部件连接性。通过示例的方式，例如，电源(Vdd)和发射负载可以是阴极连接或阳极连接的。所有此类修改和变化均旨在被包括在在本公开的范围内并且由随附权利要求所保护的本文中。

Claims (15)

1.一种像素电路(100, 300)，包括：
用于携带数据信号的数据线(104, 304)；
用于携带选择信号的选择线(106, 306)；
被传导性地耦合至数据线并且耦合至选择线的第一薄膜晶体管(TFT) (T1,T1A)；以及
被电容性地耦合至第一TFT的第二 TFT (T2,T2A)，所述第二 TFT用于响应于所述数据信号和所述选择信号对发射负载（102，302）进行驱动；
其中所述数据信号被通过电容性耦合提供给第二TFT。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述发射负载是有机发光二极管(OLED)。
3.根据权利要求1所述的像素电路，进一步包括具有第一电极(107, 307)和第二电极(109, 309)的第一电容器(C1,C1A)，所述第一电容器的所述第一电极被传导性地耦合至所述第一TFT，所述第一电容器的所述第二电极被传导性地耦合至所述第二TFT。
4.根据权利要求3所述的像素电路,其中：
所述第一电容器的所述第一电极被传导性地耦合至所述第一TFT的源极(S)；并且
所述第一电容器的所述第二电极被传导性地耦合至所述第二TFT的栅极(G)。
5.根据权利要求3所述的像素电路，进一步包括具有第一电极(108, 308)和第二电极(110, 310)的第二电容器(C2,C2A)，所述第二电容器的所述第一电极被传导性地耦合至所述第一TFT，所述第二电容器的所述第二电极被传导性地耦合至所述第二TFT。
6.根据权利要求5所述的像素电路,其中：
所述第二电容器的所述第一电极被传导性地耦合至所述第一TFT的源极；并且
所述第二电容器的所述第二电极被传导性地耦合至所述第二TFT的源极。
7.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述第二电容器具有电浮动中心电极(112)。
8.根据权利要求1所述的像素电路,其中：
所述像素电路进一步包括通信线(312)；并且
所述第二电容器具有被传导性地耦合至所述第一TFT的源极的第一电极，和被传导性地耦合至所述通信线的第二电极；并且
所述通信线用于向所述第二电容器提供信号。
9.根据权利要求1所述的像素电路，其中，由所述通信线所提供的所述信号用于减轻所述第二TFT的偏压诱导的阈值移位。
10.一种用于形成权利要求1-9中的任一项所述的像素电路(100, 300)的工艺，包括：
提供(250)基底(210)；
将第一材料层(214, 216, 218, 220, 220)沉积(252)在所述基底上；
将第一抗蚀剂层沉积(254)在所述基底上；
采用所述第一抗蚀剂层在所述基底上形成(256) 3D抗蚀剂结构(260)；并且
蚀刻(258)所述3D抗蚀剂结构以暴露所述第一材料层的第一部分，从而使得所述第一部分形成所述第一TFT(T1,T1A)的一部分。
11.根据权利要求10所述的工艺，其中，在形成所述3D抗蚀剂结构中，所述3D抗蚀剂结构呈现变化的垂直高度。
12.根据权利要求10所述的工艺，其中，在沉积所述第一抗蚀剂层之前，多个材料层被沉积在所述基底上以形成材料层的堆叠。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中:
在所述蚀刻之前，所述堆叠呈现一致的垂直高度；并且
在所述蚀刻之后，所述堆叠形成所述第一TFT、所述第二TFT(T2,T2A)、所述第一电容器(C1,C1A)以及所述第二电容器(C2,C2A)。
14.一种用于控制有机发光二极管(OLED)显示器的像素的方法，包括：
提供像素电路(100, 300)，所述像素电路(100, 300)包括：
数据线(104, 304)，其用于携带数据信号；
选择线(106, 306)，其用于携带选择信号；
第一薄膜晶体管(TFT)(T1,T1A)，其被传导性地耦合至所述数据线并且耦合至所述选择线；
第二TFT(T2,T2A)，其被采用电容性耦合电容性地耦合至所述第一TFT；以及
发射负载(102,302)，其被传导性地耦合至所述第二TFT；以及
响应于所述数据信号和所述选择信号使用所述第二TFT驱动所述发射负载，从而使得在所述选择线的不活动模式期间，所述第二TFT的栅极(G)从所述电容性耦合接收电压以促进电流流过所述第二TFT并且流到所述发射负载。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在提供所述像素电路中，所述数据信号不被传导性地耦合至所述第二TFT。
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