一种新型a-IGZO TFT集成栅极驱动电路设计
徐宏霞1,2，邹忠飞2，董承远1*
【摘 要】摘要：在传统集成栅驱动电路中采用非晶InGaZnO薄膜晶体管(a-IGZO TFT)后会造成信赖性的降低，经过分析确定原因为驱动TFT阈值电压漂移。本文提出了一种改进的集成栅驱动电路，通过对驱动TFT栅节点电压的稳定控制，获得了较大的驱动TFT阈值电压漂移冗余度(从原来的不到±-3 V扩大到±-9 V)，克服了a-IGZO TFT阈值电压漂移所造成的电路失效，稳定了集成栅驱动电路并延长了液晶显示器面板的寿命。 【期刊名称】液晶与显示 【年(卷),期】2018(033)012 【总页数】6
【关键词】关 键 词:非晶铟镓锌氧(a-IGZO)；薄膜晶体管(TFT)；集成栅极驱动( GIA)
修订日期:2018-08-09.
基金项目：国家自然科学基金(No.61474075)
Supported by National Natural Science Foundation of China(No. 61474075)
1 引 言
在薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)产业中，集成栅极驱动电路(GIA, gate driver in array)具有可以实现窄边框、减少外围IC数量及其连线、降低模组成本、增强可靠性、提高分辨率等优点[1]。 传统的GIA一般都基于非晶硅(a-Si) TFT，但因为其迁移率较低(<1 cm2/(V·s))，无法满足高性能显示的需求。
近年来，以非晶铟镓锌氧化物(a- IGZO)为代表的非晶氧化物半导体因具有高载流子迁移率、可低温制备、可大面积沉积、均匀性佳、透明性好等特点，而得到了平板显示产业界的广泛关注与深入研究[2-5]。
然而，由于在制作过程中受水氧环境等影响，a-IGZO TFT通常存在稳定性问题[6-7]。这主要是因为氧化物TFT的沟道中存在大量的氧空位，因此导致较大的电子浓度。从而即使在栅-源偏置电压为0 V时，氧化物TFT中流过的电流也很大。对应地，一般要施加负的栅极-源极电压才能耗尽沟道中的载流子，使得TFT处于完全关闭的状态。虽然可以调整工艺形成正阈值电压的a-IGZO TFT，但是这些方法可能会损害器件的可靠性。当a-IGZO TFT被施加了长时间的负栅极偏压，或者处于光照条件下，将可能在沟道中激发产生更多的电子，于是a-IGZO TFT的阈值电压更负。针对此问题，有多种方法改进氧化物TFT的电学特性，比如进行退火条件[8-10]、在电路设计上进行补偿[11-12]、改变 TFT沟道的长度[13]、改变镀膜方式[14-15]等。
本文分析了将a-IGZO TFT应用到传统集成栅驱动电路后造成信赖性降低的原因，发现电路失效主要是驱动TFT阈值电压漂移。为此，我们提出了一种改进的集成栅驱动电路，可以克服IGZO TFT阈值电压漂移带来的电路失效。
2 传统栅极驱动电路的设计
2.1 集成栅极驱动电路单元
测试所用的a-IGZO TFT以及栅极驱动电路均在五代线TFT-LCD生产线上制备完成。，所采用的模拟工具是Smartspice，利用业界广泛认可的RPI模型(Level 35)对TFT进行模型萃取。
图1是一种针对FHD (1 080×1 920) TFT-LCD应用的传统栅极驱动单元电路，
本研究中T1～T7均采用a-IGZO TFT。电路由4部分构成：预充电部分、自举上拉部分、下拉部分和低电平维持部分[16]。其中，预充电部分包括T1; 自举上拉部分包括T2;下拉部分为T3和T4；低电平维持部分包括C1，C2，T5～T7。低电平维持部分的作用是抑制时钟馈通效应、防止电路的内部节点和输出节点上噪声电荷积累。
当其上一级Gn-1输出高电平时，T1打开，给Q节点充入高电平；当Q节点电压大于T2的阀值电压时，T2打开；在上拉阶段由于电容C1的自举作用，使T2充分打开，达到栅极输出线所需的高电平；当下一级Gn+1输出为高电平时，下拉单元将输出点的电位拉低；低电平维持阶段当CK2由低变高时，在C2的耦合作用下使QB节点噪声电位高于Q节点，由于T4和T6的下拉稳定作用使Q节点电位稳定在VGL(栅极低电平)。低电平维持阶段当CK2由高变低时，由于CK4是与CK2反向的时序，在T7的下拉作用下，Gn电位稳定在VGL。
2.2 电路失效及仿真分析
将此电路应用在130 mm(5.5 in) FHD产品上，在高温高湿、低温动作等信赖性测试时发生了显示异常的失效。图2为失效现象，图2(a)中LCD屏幕上“正OK” 标记表示栅线正向扫描时正常显示区域，其他区域异常；图2(b)中LCD屏幕上标记“反OK”表示栅线反向扫描时正常显示区域，其他区域异常，表现为横纹和无显示等现象。
经过对实际产品中GIA单元内TFT特性的量测，发现在信赖性测试后T2发生了最严重的阈值电压漂移。这可能是显示异常发生的主要原因，该推测被GIA电路的仿真结果所证明，如图3所示。以T2阈值电压漂移±-9 V，步进3 V为
一种新型a-IGZO TFT集成栅极驱动电路设计
