基于NVM的低功耗显示驱动电路

一种用于集成显示器驱动器的基于电荷俘获存储器和氧化物薄膜晶体管的低功耗电路设计有 前景的策略

1. 引言

最近，许多研究人员正在开发使用柔性（可弯曲或可拉伸）衬底的有源矩阵（AM）系统，以应用于显示器或生物电子应用。为了实现这类系统，需要将由薄膜晶体管组成的行线驱动器集成进去。但由于薄膜晶体管相比非晶硅晶体管具有相对较高的驱动电压和较低的电流驱动能力，这些电路存在功耗高的缺点。

良率是另一个技术问题。采用集成行线驱动器的幅度调制系统的良率随着集成电路中器件密度的降低而提高。这一趋势对于柔性电子器件尤为重要，因为密度会影响耐久性。因此，我们提出了一种新的电路设计平台，包括集成工艺和器件，并为这些技术问题提供了有力的解决方案。

2. 读出调制方法的概念

使用薄膜晶体管的集成电路（如移位寄存器）需要许多时钟线，如图1所示，以补偿薄膜晶体管性能的不足。由时钟线引起的功耗占总功耗的60%以上[ref.1]。

从这一观点出发，我们提出了一种利用非易失性记忆体 (NVM)薄膜晶体管取代大量时钟线的读出调制方法，以最小化时钟功耗。图2描述了读出调制概念。读出调制操作原理可解释如下；

• 1st：NVM TFT编程（设置为‘1’）
• 2nd：读出操作（正常读出‘1’）
• 3rd：负方向的读出电压调制（调制读出‘0’）

显示器中移位寄存器的输出信号在大部分工作时间内通常保持在“关”状态。第一和第二操作对应于RoM方案中不引入时钟信号的“关”状态。仅在极短的工作时间内，输出信号会切换到“开”状态。第三操作对应于使用非易失性存储器薄膜晶体管的RoM方案中的该“开”状态。第二和第三操作的顺序可根据具体情况重新排列。采用这种方法，非易失性存储器薄膜晶体管的逻辑状态可以立即调节并返回初始状态，而无需刷新事件。

在这些操作中，重要的是使用更少的器件且无需额外时钟来实现RoM的控制模块。可以通过引入众所周知的电路技术（如升压保持或电容耦合[ref. 3]）来实现该控制模块。我们还可以利用来自其他级的相邻信号，例如输出或节点信号[ref 3]。

通过这些策略，可以降低时钟线的功耗并提高幅度调制系统的良率。

我们优化了集成工艺以验证只读存储器方法的可行性。采用电荷俘获型存储薄膜晶体管（CTM‐TFTs）和氧化物薄膜晶体管（OxTFT）作为控制器件[ref. 4~ 5]。由CTM‐TFTs和OxTFTs组成的测试电路经过专门设计，以验证提出的RoM方案。

3. 制造与测试

图3和图4说明了完整工艺流程分别用于制造只读存储器测试电路和集成电路的截面示意图。典型器件特性和估算的器件参数分别在图5和表1中进行了总结。图6显示了电路原理图、CTM‐TFT编程的时序图以及ROM操作时序图。该测试电路基于伪反相器设计，电路输出随只读存储器而变化。图7解释了详细工作原理，其中假设CTM‐TFT已被编程为“1”。

器件	Vth [V]	μ [cm²/V·s]	S.S [V/十倍频]	存储器窗口[V]
氧化物薄膜晶体管	-1.57	13.7	0.13	—
MTFT	—	—	—	18.1

表1. 器件特性总结 [W/L =40μm/20μm]

氧化物薄膜晶体管[W/L=40μm/20μm]

非易失性存储器薄膜晶体管[W/L=40μm/20μ m]

图5. 集成器件的转移特性，(a) OxTFT [W/L=40μm/20μm], (b) NVM TFT [W/L=40μm/20μm]

示意图

NVMTFT编程时序图

ROM操作时序图

图6. 测试电路

NVMTFT编程(置为“1”)

ROM操作时序图

公共读出

读出调制[(‐)shift]

图7. 测试电路的工作原理

图8显示了制造的测试电路的测试单元组（TEG）设计和照片图像。考虑到OxTFTs的器件特性，n‐only反相器的上拉和下拉薄膜晶体管的比例确定为1:4。反相器的下拉薄膜晶体管的尺寸设计为W/L=2,000 μm/20μm，以考虑测量装置的寄生负载。CTM‐TFT和Ccoup分别设计为W/L=500 μm/20 μm和12皮法，以防止在向测试电路施加控制信号时产生耦合效应。

布局

照片

图8. TEG设计与制造

4. 实验结果

图9(a)描述了测量测试电路的工作条件由CTM‐TFTs和OxTFTs的特性决定。正向编程和正向只读模式的相反条件也在图9(b)中示出。

负向编程和负向只读模式)

正向编程和正向只读模式)

图9. 测量条件

图10和图11分别展示了负向和正向编程情况下的基本RoM操作。当CTM‐TFT的读出电压通过Vin信号被移向负方向时，如图10所示，由于Ox2薄膜晶体管（下拉）在RoM操作中关断，反相器的输出产生正向信号。正向编程的RoM操作（图11）产生的输出与负向编程（图10）相反。当RoM操作的时间持续从10变化到160 μs时，对输出波形进行了评估。如图所示，测试电路在不同频率范围下均能良好地运行RoM方案。

图10. 测量结果：RoM持续时间变化下的负编程和负RoM操作

图11. 测量结果：正向编程和不同RoM持续时间下的正向只读模式操作

5. 结论与讨论

我们提出并验证了读出调制方法以最小化时钟功耗并提高幅度调制系统的良率。通过获得的频率特性结果，成功确认了只读存储器方法的技术可行性。

所提出的只读存储器方法的技术目的不仅限于使用薄膜晶体管的电路集成领域，还可扩展到无线电力传输、可植入生物电子系统和物联网连接设备等各个领域。从这一角度来看，通过优化高频特性和详细的时序裕度可控性，可以开发出各种利用RoM方案的应用电路。

尽管需要额外准备制造工艺以将OxTFTs与CTM‐TFTs集成，但从低功耗的角度来看，RoM方法可为幅度调制系统提供有效优势，特别是对于柔性电子器件。因此，RoM方法可以成为采用薄膜晶体管的集成电路设计的一种有前景的策略。