基于NVM的低功耗显示驱动电路

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#读出调制 # 低功耗 # 氧化物TFT # 电荷俘获存储器

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策略

1. 引言

最近，许多研究人员正在开发基于柔性（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（TFT）构成的行线驱动器集成到系统中。但由于薄膜晶体管与多晶硅晶体管相比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，包含集成工艺和器件，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

使用薄膜晶体管的移位寄存器等集成电路需要多条时钟线，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存储器（ NVM）薄膜晶体管替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。读出调制的工作原理可解释如下；

1st：NVM TFT编程（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’）

示意图0

示意图1

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方案中无需引入时钟信号的“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。采用此方法，非易失性存储薄膜晶体管的逻辑状态可以立即调制并返回初始状态，而无需刷新事件。

在这些操作中，用更少的器件且无需额外时钟来实现RoM的控制模块至关重要。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]）来实现控制模块。我们还可以利用其他级的相邻信号，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读出调制方法的可行性。采用电荷俘获型存储TFT（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ROM测试电路和集成电路的截面示意图。

典型器件特性和估计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方法而变化。图7解释了详细工作原理，其中假设CTM‐TFT被编程为‘1’。

示意图2

示意图3

Pad	Pad	Pad	Gate
Pad	Pad	Pad	Gate

顶层保护层电荷俘获层隧穿隧穿

表1. 器件特性总结 [W/L =40μm/20μm]

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

(a) 氧化物薄膜晶体管 [W/L=40μm/20μm]

(b) 非易失性存储薄膜晶体管 [W/L=40μm/20μm]

示意图4 OxTFT [W/L=40μm/20μm],(b) NVM TFT [W/L=40μm/20μm])

(a) 示意图

(b) NVM TFT编程时序图

示意图5

(a) NVM TFT编程（置“1”）

(b) ROM操作时序图

(d) 读出调制 [(‐)shift]

示意图6

图8显示了测试单元组(TEG)的设计以及已制造的测试电路的照片图像。考虑到OxTFT器件特性，n‐only反相器的上拉和下拉TFT的比例确定为1:4。反相器的下拉TFT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。

VDD 1 VDD 2
C coup
VSS 2 VSS 1
Ox 3
Ox 2
Ox 1 NVM TFT

(a) 布局 (b) 照片

示意图7

4. 实验结果

图9(a) 描述了测量测试电路的工作条件。工作电压由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。

(a) 负向编程和负向只读模式

示意图8

(b) 正向编程和正向只读模式

图10和图11分别展示了负向编程和正向编程情况下基本的 RoM操作。当Vin信号使CTM‐TFT的读出电压向负方向移动时，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）则表现出与负向编程（图10）相反的输出。在 RoM操作的时间持续从10秒变化到160 μ秒的情况下，评估了输出波形。如图所示，测试电路在不同频率范围内均能良好地运行于读出调制方案。