金属氧化物TFT阈值对LCD显示屏可靠性的影响

1 引 言

非晶氧化物作为a-Si TFT的一个有竞争力的替代半导体材料，在平板显示领域持续受到关注，多家平板显示公司和平板显示技术研发机构都进行了大量的研究[1-4]。其中夏普公司率先成功实现IGZO驱动的LCD量产；LG公司2013年开始量产以IGZO驱动的OLED电视。和传统的a-Si TFT相比，氧化物TFT具有的优势有：(1)高迁移率，适合于大尺寸、高PPI显示屏驱动；(2)高稳定性，更适合于OLED驱动。和LTPS-TFT相比，氧化物TFT具有的优势是：(1)不需要高成本的激光退火和离子注入，成本更低；(2)非晶结构具有更好的短程均匀性；3)避免了激光退火，更适合大尺寸显示屏[5-8]。

但是和传统的硅基材料TFT相比，氧化物半导体中通常含有更多种类化学元素，因此在制备和器件工作过程中，更易受制程和使用环境的影响，而导致TFT的性能发生劣化。特别是金属化合物中的含氧量容易受成膜和后续处理过程的影响而导致氧空位缺陷和氧含量不均匀[9-14]。另外，制程和工作环境中的氢也很容易作为不良掺杂进入氧化物半导体。上述多个原因导致氧化物TFT特别容易出现性能异常，从而使氧化物TFT驱动的显示屏出现显示异常和可靠性降低。这是限制氧化物半导体在显示领域量产应用的关键障碍，结果导致目前仍然只有少数公司能够完全掌握氧化物半导体驱动的LCD或者OLED的量产技术。

氧化物半导体性能出现异常时，主要的表现为氧化物TFT的关键性能指标之一阈值电压(Vth)出现异常，具体表现为Vth太负，或者在同一基板上Vth不均匀。本文研究了Vth对氧化物TFT驱动的LCD显示屏的良率和可靠性的影响，特别是对窄边框LCD中的外围移位寄存器(VSR)电路以及显示区域的像素TFT的影响，并进行了相关的讨论。

2 实 验

用于驱动LCD的氧化物TFT采用底栅顶接触结构(图1)，其中刻蚀阻挡层(ESL)作为源漏电极刻蚀过程中的保护层防止刻蚀过程损伤到氧化物半导体层。在玻璃上先进行栅极金属层成膜并用光刻的方法图形化；然后用PE-CVD的方法制作栅绝缘层，栅绝缘层为SiNx+SiO2复合结构，其中SiO2更接近氧化物半导体层以阻挡SiNx中的氢进入氧化物半导体层；氧化物半导体层采用成分为In-Ga-Zn-O的靶材在真空腔内用PVD的方法溅射成膜；成膜并图形化后进行高温退火处理；然后用PE-CVD方法制作SiO2作为ESL层，用干刻方法将ESL图形化后，制作源漏金属层并图形化；接着制作ITO层作为像素电极，然后再进行钝化保护层，钝化层为PE-CVD成膜的SiO2+SiNx复合结构；钝化层上接着制作第二层ITO，作为SFT(Super fine TFT)-LCD的公共电极。然后进行LCD后段和模组制程。

图1 用于驱动SFT-LCD的氧化物TFT结构
Fig.1 Oxide-TFT structure for SFT-LCD

为了实现窄边框，显示屏的行驱动电路采用7T2C的外围移位寄存器(VSR)电路(图2)，VSR电路中的氧化物半导体也采用相同的底栅ESL结构。其中T4是行扫描信号的输出TFT。

图2 7T2C VSR电路
Fig.2 7T2C VSR circuit

由于氧化物TFT性能很容易受制程的影响，所以不同的制程工艺下，氧化物TFT表现出不同的TFT特性，本实验中将不同工艺下得到的具有不同性能的氧化物TFT分别用于驱动SFT-LCD。显示屏制作完成后，在高温环境(85 ℃)中长时间工作，进行可靠性验证，观察显示不良，并对不良屏测试VSR电路输出信号，测试位置为图2中7T2C电路中的Gn端。

3 结果与讨论

图3为在不同的工艺下氧化物TFT的转移特性曲线，TFT的W/L=5/9，测试温度为室温，Vds=1 V。其中工艺A得到的氧化物TFT的Vth最负，工艺B和C的氧化物TFT的Vth更正。表1为对应于图3中3个不同工艺制作的氧化物TFT的特性参数，其中Von取自于Ids=1×10-10 A时的栅电压值。

图3 不同工艺得到的氧化物TFT的Id-Vg曲线
Fig.3 Id-Vg curves of oxide-TFTs fabricated with different process

表1 图3中的3个TFT的特性参数
Tab.1 Characteristics of oxide-TFTs showed in Fig.3

用工艺A制作的显示屏样品在常温下测试就出现显示不良，具体表现为出现多条沿着栅极方向的横纹，无法正常显示，测试该显示屏样品的VSR电路输出信号，出现不正常的连续多个脉冲(图4(a))，而不是正常的行扫描信号。

图4 工艺A制作的显示屏的VSR电路输出波形(a)和输出管T4的电压状态(b)
Fig.4 Output waveform of VSR circuits of LCD fabricated with process A (a) and voltages on T4 TFT(b)

如果氧化物TFT的Vth偏负，或者说Von<0的情况下，当Vgs=0 V时，在源漏电压下会出现较高的源漏极间电流Ids。和a-Si TFT相比，氧化物TFT迁移率更高，同时亚阈值摆幅(SS)更小，所以该Ids电流会显著大于a-Si TFT在类似状态下的电流。图4(b)为7T2C的VSR电路中输出管 T4在显示屏中相应的Gn输出为低电平时的电压状态，栅极和源极都处于低电平，所以两者间Vgs=0 V。如果该TFT的Von<0 V，则源漏间就会存在较大的Ids电流，Vth越负，该Ids越大，这会导致T4管无法正常关断，CK脉冲信号会通过T4管进入Gn端，从而使VSR电路输出不正常的连续多脉冲信号。

工艺B制作的显示屏在室温下显示正常，VSR的输出波形正常。但是当将显示屏放置在高温环境(85 ℃)中数小时后，显示出现异常，具体表现也为多条沿着栅极方向的横纹，测试VSR输出波形，也出现了类似工艺A制作的显示屏的连续多脉冲。图5为工艺B制作的TFT在常温下和高温下的TFT特性曲线，可以看到，随温度升高TFT转移特性曲线出现明显的负向移动。和工艺A相比，工艺B制作的TFT的Vth更正，所以在Vgs=0 V时，Ids间的电流比较小，在常温下工艺B制作的显示屏能够正常显示。但是随着温度的升高，Vth负向移动，Vgs=0 V时，Ids间的电流逐渐增大，最终导致出现了与工艺A制作的显示屏类似的显示不良，以及VSR输出异常的多脉冲。

图5 工艺B制作的氧化物TFT在不同温度下的Id-Vg曲线
Fig.5 Id-Vg curves of oxide-TFT fabricated with process B at different temperature

工艺C制作的显示屏无论在室温和85 ℃时均正常显示，VSR输出波形也正常，这说明因为该工艺下的氧化物TFT的Vth更正(表1)，即使温度升高，Vth出现一定的负向移动，也不至于出现Ids电流增大导致的异常。但是该显示屏在高温下工作数天后，逐渐出现cross-talk，并且出现了明显残影。测试此时的VSR输出，和前面A、B不同，VSR的输出波形仍然正常，没有出现连续多脉冲。图6为以工艺C制作的氧化物TFT在高温光照下的负偏压稳定性曲线(NBTS和NBITS)。其中NBTS的温度为85 ℃，栅极偏压为Vgs=-20 V; NBITS的温度为70 ℃，栅极偏压也为Vgs=-20 V，另加白色背光从氧化物TFT器件栅极下方照入，亮度为4 500 cd/m2。可以看到，如果没有光照，即使温度比较高，在长时间负偏压下氧化物TFT的Vth也没有明显变化，但是在光照下，Vth出现非常明显的负向漂移。类似的现象在以前的文献中曾经报道和研究过[15-19]。 工艺C制作的显示屏中，由于VSR电路没有被背光直接照射到，所以Vth的负向漂移不明显，不至于出现工艺A或B的VSR输出异常多脉冲不良。但是在显示区域，像素内的TFT由于受到背光的照射，且TFT长时间处于负偏压下，Vth很容易发生负向偏移，这会导致该区域TFT不能正常关断，从而发生漏电。在LCD中，像素区域的TFT漏电是显示屏出现cross-talk和残影的重要原因。

图6 高温下氧化物TFT的负偏压稳定性曲线。( a) NBTS；(b)NBITS。
Fig.6 NBTS (a) and NBITS (b) characteristics of oxide TFTs

基于以上分析，通过工艺调整Vth值和提升高温光照下的负偏压稳定性，我们制作出氧化物TFT驱动的LCD显示屏(10.1 in)如图7所示，分辨率为1 920×1 080，通过VSR电路实现行驱动，并采用dual-gate设计。该显示屏在70 ℃环境中500 h动态可靠性验证后，仍然正常工作。

图7 1 k×2 k IGZO LCD显示屏
Fig.7 1 k×2 k IGZO LCD panel

4 结 论

对于VSR电路行驱动的窄边框氧化物驱动的LCD显示，Vth须调整到足够正才能够保证VSR电路正常工作，否则容易出现异常多脉冲输出不良；同时需提高氧化物TFT在高温光照下的负偏压稳定性，以提高显示屏的可靠性。