A Study on Electrical Characteristics of Low-Temperature Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistors and its Application in Displays

Abstract

저온 폴리실리콘 박막 트랜지스터 (LTPS TFT) 는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에 비해 높은 carrier mobility 를 가지므로 디스플레이에 적용될 경우 낮은 전력소모, 높은 개구율, system-on-glass 등의 많은 이점을 제공한다. 따라서 최근에는 LTPS TFT 를 기반으로 한 LCD 및 OLED 디스플레이에 관한 개발이 활발히 이루어 지고 있다. LCD 는 백라이트를 필요로 하는 디스플레이 이므로 이에 적용되는 LTPS TFT 는 빛에 의한 영향을 최소화 하기 위해 LS (light-shield) 금속층을 필요로 한다. 또한, OLED 디스플레이는 PI 기판 위에 제작되므로 LTPS TFT 는 PI 내부에 존재하는 charge 의 영향을 줄이기 위해서 source 혹은 gate 단자와 접촉시킨 BSM (back shield metal) 이 필수적이다. 하지만, 본 논문에서는 이러한 금속층이 추가된 LTPS TFT 는 금속층이 없는 통상의 TFT 소자와는 상이한 전기적 특성을 가짐을 발견하였다. 따라서 LS 및 BSM 이 LTPS TFT 의 특성에 미치는 영향을 분석하고 나아가 디스플레이의 픽셀 회로 구동에 미치는 영향을 분석하였다. LS 가 추가된 소자의 경우 장채널 소자임에도 불구하고 비정상적인 문턱전압 감소 현상이 발견되었다. 이는 관통 드레인 전계에 의해 높아진 LS potential 이 source potential barrier 를 감소시킴에 따라 나타나는 현상임을 확인하였으며 이를 LIBL (LS-induced barrier lowering) 효과라 명명하였다. LIBL 효과는 LS 길이가 짧을수록 감소되므로, 백라이트 효과 및 LIBL 효과를 모두 최소화 하기 위해서는 소자의 채널 길이와 같은 LS 를 사용하는 것이 효율적이다. BSM 이 추가된 소자는 BSM 의 contact 조건에 따라 전기적 특성이 달라진다. SC (source-contacted) BSM 소자의 경우 BSM 이 drain fringing field 를 차단함에 따라 on-current 가 BSM 이 없는 소자에 비해 감소하는 것을 확인하였다. 또한, off 및 saturation 영역에서 gate 와 BSM 간에 capacitance 가 발생함에 따라 Cgs 가 증가하는 것을 확인하였다. GC (gate-contacted) BSM 소자는 BSM 이 bottom gate 와 같이 동작하므로 double gate 소자와 동일한 특성을 나타낸다. OLED 디스플레이에서 사용되는 문턱전압 보상회로의 동작 특성이 driving TFT (DTFT) 의 BSM contact 조건에 따라 어떠한 영향을 받는지를 SPICE 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 이를 위해 DTFT 에 BSM 이 없는 통상의 TFT, SC BSM 소자, GC BSM 소자를 적용하였다. SC BSM 소자의 경우 기존의 SPICE 모델로는 capacitance 특성을 표현하는데 한계가 있었으므로 물리적 현상에 기반한 capacitance 모델을 제안하였으며 그 정확도를 검증하였다. 문턱전압 보상 회로 특성 분석결과, DTFT 의 문턱전압이 낮거나 negative Vth variation 이 발생한 경우 데이터 전압 입력 단계에서 OLED 가 의도치 않게 턴온 됨에 따라 에러율이 증가할 수 있음을 확인하였다. 또한, DTFT 의 Cgs 는 픽셀 회로 내에서 storage capacitor 등에 비해 무시할 수 있을 만큼 작은 값을 가지므로 회로의 특성에는 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 회로의 에러율은 DTFT 의 on-current 기울기가 작을수록 향상되는데, 이는 소자 별로 동일한 크기의 Vth variation 이 발생하더라도 on-current 기울기가 작은 소자에서 낮은 current variation 이 발생하기 때문임을 확인하였다. 이러한 본 논문의 연구 결과는 LCD 및 OLED 디스플레이에 적용되는 LTPS TFT 의 전기적 특성 분석에 도움이 될 뿐만 아니라 나아가 디스플레이 성능 개발에도 상당히 유용할 것으로 기대된다.;Low-temperature polycrystalline silicon (LTPS) thin-film transistors (TFTs) have attracted much attention as transistors for liquid crystal displays (LCDs) and organic light-emitting diode (OLED) displays. The LTPS TFT-based displays can achieve high aperture ratio, low power consumption and high resolution due to the high carrier mobility of the LTPS TFTs. The LTPS TFTs for LCDs require a light-shield metal (LS) to prevent a backlight effect. The LTPS TFTs for OLED displays are usually fabricated on a polyimide (PI) substrate. Therefore, the LTPS TFTs for OLED displays need a back shield metal (BSM) in contact with source or gate electrodes, to prevent the effect of charges inside the PI. In this dissertation, it is found that the electrical characteristics of the LTPS TFTs having LS or BSM are different from those of TFTs without a shield metal layer. Therefore the impact of LS and BSM on the properties of LTPS TFTs are analyzed. Furthermore, the effect of the LTPS TFT with BSM on the performance of pixel circuit for OLED displays are investigated. The LTPS TFT with LS shows anomalous threshold voltage (Vth) reduction at high drain voltage (Vds) despite being a long channel device. It is found that the high LS potential increased by high penetrating drain field lowers source potential. This phenomenon is named LS-induced barrier lowering (LIBL) effect. The LIBL effect is reduced as LS length decreases. Therefore, the same LS length as the channel length is helpful to reduce both the LIBL effect and the backlight effect. The electrical characteristics of the LTPS TFT with BSM depend on the BSM contact conditions. For source-contacted (SC) BSM, low on-current is observed at high Vds, because BSM shields the fringing drain field. In addition, the TFT with SC BSM has large off region and saturation region gate-to-source capacitances (Cgs) due to a gate-to-BSM capacitance. The TFT with gate-contacted (GC) BSM shows electrical properties of double gate devices because a GC BSM acts as a bottom gate. For a pixel circuit of OLED displays, the dependence of circuit performance on driving TFT (DTFT) properties are analyzed. The three types of LTPS TFTs (conventional TFT without BSM, TFT with SC BSM and TFT with GC BSM) are employed for the DTFT. For the SC BSM, the capacitance characteristics cannot be represented by the existing SPICE models. Therefore, physics-based capacitance model is proposed and its accuracy is verified. The error rates of OLED currents can be increased as the OLED is unintentionally turned on in the data input stage, when Vth of the DTFT is low or negative Vth variation occurs. In addition, the Cgs of DTFT has negligible values in the pixel circuit as compared with the storage capacitor, so Cgs cannot affect the performance of the pixel circuit. The error rate can be improved as the drain current slope of the DTFT decreases, because low current variation is expected when the Vth variation occurs. In conclusion, the results of this dissertation should be helpful in understanding the electrical characteristics of the LTPS TFTs and in improving the better performance of the LCDs and OLED displays.