IGZO-TFT电路设计最新进展：低成本应对AMOLED显示器主要挑战

以铟镓锌氧化物(IGZO)为半导体材料的薄膜晶体管(TFT)通常用于显示器的背板电路。与硅基晶体管相比，TFT具有许多互补特性，如在大面积玻璃或柔性基板上进行加工，待机模式下的漏电流极低，能够驱动混合电压，并有可能实现更低的单位面积成本。通过使用类似硅的电路设计流程，基于IGZO-TFT的电路可以被设计并集成到显示器以外的应用中。这些应用包括用于指纹传感的大面积成像器、用于可穿戴式健康贴片的印刷传感器读数、用于将物理物体连接到万物互联的RFID标签等。

    读取和驱动传感器和执行器  

传感器和执行器是当前和未来物联网解决方案中的关键组件，因为它们提供了模拟“真实”世界和数字“虚拟”世界之间的接口。他们感知现实世界的环境，而电子系统使用所感知的数据做出决策并触发响应。想想用于空气质量监测的CO 2传感器，用于入侵检测的红外传感器，用于健康可穿戴设备的温度传感器等。音频扬声器和显示器是执行器的知名示例。随着数字连接的普及，传感器和执行器将变得越来越普遍。

这些传感和驱动系统的核心是读出和驱动器电子设备，这些电子电路捕获传感器的模拟数据或将驱动电流或电压发送到驱动元件。今天，几乎所有这些应用的读出和驱动器电子电路都是使用Si-CMOS技术构建的。

TFT技术可以提供与Si-CMOS技术互补的功能。需要使用大表面积，曲面或柔性形式的电路集成的应用可能会受益于使用TFT技术而非Si-CMOS技术。根据用于半导体层的材料，可以使用不同的TFT技术，例如非晶硅，IGZO和低温多晶硅（LTPS）。基于IGZO-TFT的应用是本文的重点。

    IGZO-TFT技术：真正的“灵活朋友”  

IGZO是一种半导体，可以在相对较低的温度（即低于300°C）上在柔性大面积基板上进行处理。由于简单的工艺流程和材料选择，IGZO-TFT具有低成本的潜力。

IGZO-TFT已经进入作为电视和智能手机显示器背板的商业应用（图1）。底板包含负责切换和驱动各个显示像素的TFT阵列，因此，它们是显示分辨率，刷新率和功耗的决定因素。显示器代工厂在不同尺寸的玻璃基板上制造这些底板，最大尺寸可以达到3.37×2.94 m（对于大型电视（例如65英寸）是必需的）。

1.典型的基于IGZO-TFT的背板的横截面。

由于光刻设备和显示铸造厂可用材料的限制，在这种大玻璃板上制造的IGZO-TFT的器件尺寸通常在微米范围内（与300毫米晶圆上的纳米级Si-CMOS晶体管相比）。器件尺寸限制会影响像素中晶体管的数量。

除此之外，IGZO-TFT仅可用作n型晶体管。与Si-CMOS技术不同，TFT技术中没有可比的p型晶体管。这一挑战使得很难以TFT技术设计高性能模拟电子电路，这对于从IoT传感器节点读取数据至关重要。

与Si-CMOS电路相比，大尺寸的器件限制了IGZO-TFT电路的开关频率。此限制将它们的应用仅限制于中频应用（例如，要求13.56 MHz的RFID / NFC），而诸如蓝牙和Wi-Fi之类的高频应用则不在范围之内。

Imec通过创新的电路设计克服了其中一些挑战，并展示了IGZO-TFT在显示器背板之外的应用。下面，我们给出一些传感器和执行器的示例，这些传感器和执行器实现了基于IGZO-TFT的新颖电路以进行驱动和读出。

    应对AMOLED显示器的主要挑战  

有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示器中的TFT背板通常每个像素至少实现两个晶体管和一个电容器，称为2T1C驱动电路。晶体管之一用作选择晶体管，在需要激活像素时选择像素。另一个用作驱动晶体管，控制流过OLED元件的电流。电容器用作存储元件，在被选择时存储像素的数据（即，驱动晶体管栅极的模拟电压）。

TFT驱动的AMOLED技术由于与LCD显示器相比具有更高的亮度，厚度，柔韧性和效率，因此在移动设备和电视显示器中变得越来越流行。但是，出现了两个关键挑战。

    亮度变化  

AMOLED显示器的电流会流过驱动晶体管。这些变化主要是由显示面板上的小晶体管的阈值电压的不同引起的。差异导致亮度变化，从而导致显示器外观不均匀。

在驱动电路中增加补偿电路可以帮助解决该问题。但是，这样做会增加晶体管的数量，进而增加每个像素所需的面积，从而对显示分辨率产生负面影响。对于要求非常高分辨率的显示器，例如增强现实（AR）显示器，“ 8K”电视或高级移动应用程序，更需要外部补偿方法。

Imec与KU Leuven和位于荷兰Holst Center的TNO合作，利用现有的2T1C驱动电路与外围硅芯片相结合，开发了一种新的补偿原理。补偿周期始于针对每个数据电压测量流经每个像素的电流。通过这些测量，可以对每个驱动晶体管进行表征，并提取必要的晶体管参数并将其存储在外部存储器中。基于这些参数，可以针对每个像素和帧的不同像素灰度值补偿局部像素变化的数据电压。

该操作仅需要有限的计算能力。通过这种补偿方法，团队证明了电气和光学均匀性的显着提高。计算时间可以减少到最小，从而使该方法适用于例如实时视频。

    调光能力  

第二个挑战涉及AMOLED显示器在不同情况下提供不同亮度水平的能力。在明亮的日光下，显示器将需要其全部亮度才能获得良好的外观，而在黑暗的环境中，可以降低亮度。

对于汽车或户外移动应用等多种应用，调光必须迅速进行，而又不影响显示器的分辨率或动态内容。最简单的方法是在驱动晶体管栅极施加不同的模拟电压以控制亮度。但是，这种驱动方案的精度在很大程度上取决于外部模拟电压源的精度，而后者往往是有限的。另一种方法是切换到数字驱动方案，例如通过施加脉冲宽度调制（PWM）信号来驱动OLED，但是这种方法也有其局限性。

Holst中心的Imec，KU Leuven和TNO通过仅使用2T1C驱动电路来实现模拟和数字驱动的组合来解决此问题。但是，在这种情况下，驱动晶体管使用第二个有源栅极（背栅），该有源栅极连接到用于全局亮度调光的全局PWM信号。

当PWM信号为高电平时，可通过模拟数据电压控制流向OLED像素的电流（图2）。当PWM信号为低电平时，根本没有电流。现在可以通过“播放” PWM信号的占空比（即PWM信号开启时间的百分比）来获得正确的亮度。通过这种简单的2T1C驱动方案，可升级到高分辨率应用，无需修改真实色彩即可执行统一的全局调光。

2.在PWM占空比为100％（左）和PWM占空比为50％（右）下测试图像。

    日常物品中的指纹传感器  

IGZO-TFT电路以大型背板阵列排列，可以实现“显示器之外”的一系列应用。一个示例是灵活的指纹传感器，其中读出电路中的TFT阵列可提取传感器的信号。

指纹感应越来越多地用于身份保护。人们正在探索各种传感方法（光学，超声，热等），每种方法都带来不同的好处和挑战。大多数传感器都在Si-CMOS平台上制造，使其价格昂贵，坚固且尺寸受限。薄膜技术平台将提供许多优势，并允许将传感器集成到日常弯曲的物体中，例如门把手和汽车钥匙。

用于实现指纹感测的一种有吸引力的方法是利用热质量检测。皮肤的水含量高会导致较大的热质量，而滞留在皮肤谷内的空气的热质量却很小。CEA-Leti / Liten（法国）为Horizon 2020 PYCSEL项目引入了一种使用热电PVDF-TrFE来检测这种差异的方法。他们，imec和TNO在Holst中心之间的合作使演示成像仪得以实现。

这些团队设计了专用的读出系统，该系统首先在成像器的每个像素中注入一定量的热量。该热量子引起温度升高，该温度升高取决于皮肤和/或谷的热质量。对于给定的温度步骤，由热电材料产生的一定量的电荷存储在像素内。IGZO-TFT背板逐行提取这些电荷。然后将电荷转移到读出IC中，进行数字化，处理和可视化。制成的500 ppi传感器显示出良好的指纹图像质量，不受分层或弯曲传感器的影响（图3）。

3.分层后的指纹传感器照片。

    兼容NFC的灵活ECG补丁  

非背板配置中基于IGZO-TFT的电路可以满足灵活性和/或低成本是关键要求的应用。想一想适合人体形状的生物监测系统，例如柔性心电图（ECG）贴片。在此应用中，TFT电路和电极捕获代表心脏电势的模拟ECG信号。

如前所述，使用IGZO-TFT，设计高性能模拟电子设备（例如放大器或模数转换器（ADC））具有挑战性。此外，IGZO-TFT不适合用于高频通信协议（蓝牙或Wi-Fi），这使得将数据无线传输到手持设备或PC面临挑战。

Imec与Holst中心的TNO和埃因霍温科技大学合作，展示了一种ECG传感器，该传感器具有基于TFT的电路，该电路针对信号采集，放大和数字化进行了优化（图4）。使用近场通信（NFC）将数字化的原始数据传输到智能手机，以进行进一步的处理和可视化。

4.整个系统对ECG源信号的模拟响应。

这项工作的关键创新在于信号数字化方法以及与NFC射频（RF）通信的兼容性。与传统的ADC不同，输入数据在时域中通过将输入信号转换为PWM表示并使用NFC无线电时钟作为参考进行数字化。PWM信号的占空比与信号幅度成正比。该时间数字转换器产生105.9-kb / s的比特流，与13.56-MHz NFC标准兼容。

    标签和传感器与触摸屏通信  

灵活的ECG修补程序是IoT传感器的绝佳示例，它使用短距离NFC通信连接到智能手机，该智能手机连接到云。NFC通信需要专用的NFC阅读器，而NFC标签需要将IGZO-TFT NFC芯片与天线集成在一起，这会增加天线印刷和组装的成本。如果我们仅使用智能手机的触摸屏作为传感器和标签的读取器界面，该怎么办？如果我们可以省去外部天线以使其更紧凑，更便宜该怎么办？

触摸屏无处不在。它们可以在全球数十亿部手机以及其他新兴的具有触摸屏功能的设备（例如汽车，家用电器或智能表面）中找到。想象一下，在这些启用了触摸屏的设备上的触摸交互中添加个性化或安全功能。例如，在汽车上，您可以使用该解决方案轻松地上传个性化收音机设置，只需将专用标签放在触摸屏上即可。

来自imec，KU Leuven和TNO位于Holst Center的团队最近展示了一种基于64位IGZO的识别标签，该标签可电容耦合至触摸屏（图5）。触摸屏的金属线和基于IGZO的标签的电极形成电容器。触摸屏的玻璃充当人工电容组件之间电介质的一部分。

5.集成在卡中的电容耦合标签的应用案例。

当标签触摸智能手机时，可以将后续触摸事件与在触摸屏上滑动手指进行比较。电容耦合的触摸屏标签可创建从第一个电极到下一个电极的滑动，坐标由智能手机中的应用处理，以解码所传输的代码。

    从原型到多项目服务  

在上述所有示例中，创新的IGZO-TFT电路设计都是关键要素。通过多年的设计和制造基于IGZO-TFT的电子电路，imec可以帮助公司和学术研究小组探索此类电路在其应用和产品中的可能性。除了IGZO-TFT，imec还具有设计基于LTPS-TFT的电路的经验。

霍尔斯特中心的Imec和TNO在薄膜电子产品研发方面进行了战略合作多年，并利用霍尔斯特中心TNO的GEN1 IGZO研发线进行了联合项目，包括本文中提到的指纹传感器和电容式标签项目。Interreg Flexlines项目已启用GEN1 IGZO生产线的开发和原型制作服务，以供将来使用。

除了内部研发之外，imec目前还与商业工厂建立合作关系，以提供用于显示和非显示应用的基于TFT的电路的设计和制造。该模型是与基于Si CMOS的技术已经存在多年的多项目服务一起建立的，为学术界和应用公司提供了从研发到制造的道路。

对于其中的一些发展，这些团队在欧盟的Horizon 2020研究与创新计划下从欧洲研究委员会（ERC）获得了部分资金：

根据授权协议，编号732423（PYCSEL项目），用于指纹传感器。

根据授权协议，编号716426（FLICS项目），用于ECG传感器和CT标签。

根据授权协议，编号732389（CAPID项目），用于CT标签。

这项工作还由Interreg V计划Flanders-荷兰内的Flexlines项目，一项由欧洲区域发展基金提供资金支持的跨境合作计划提供资金，并由荷兰Noord-Brabant省共同资助。