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拓扑与电路 ★ 5.0

基于LTPO技术的垂直CMOS反相器在有源矩阵显示电路中的应用

Vertical CMOS Inverter With LTPO Technology for Circuit Applications in Active-Matrix Display

作者 Jung Chul Kim · Hyung Tae Kim · I. Sak Lee · Dong Keun Lee · Juhn Suk Yoo · Hyun Chul Choi
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年5月
技术分类 拓扑与电路
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 CMOS逆变器 低温多晶硅 氧化铟镓锌 窄边框 电气性能
语言:

中文摘要

为实现窄边框、高分辨率有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示屏,本文提出了一种采用具有三维结构的低温多晶硅和氧化物薄膜晶体管(LTPO TFT)的互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器。为减小边框面积,相较于传统平面CMOS反相器,在不增加额外光刻掩膜和工艺的情况下,在p型低温多晶硅(LTPS)TFT垂直对齐的相同位置制备了n型铟镓锌氧化物(IGZO)TFT。结果表明,有效电路面积从1581大幅减小至<775 μm²。由于在垂直CMOS反相器中,IGZO TFT和LTPS TFT共享一个栅电极,IGZO TFT具有双栅结构,从而提高了IGZO TFT的电学性能和稳定性。因此,与平面反相器相比,垂直CMOS反相器中IGZO TFT的线性迁移率从5.55 cm²/Vs提高到7.75 cm²/Vs,垂直CMOS反相器的电压增益从112.95 V/V提高到140.20 V/V。此外,垂直CMOS反相器的正偏压应力(PBS)稳定性得到改善,在VDD = 5 V、VSS = 0 V条件下,施加脉宽为20 μs、脉冲幅度为5 V的正单极脉冲后,电压传输曲线(VTC)的偏移从0.63 V减小至0.25 V。

English Abstract

A CMOS inverter using low-temperature polycrystalline silicon and oxide thin-film transistors (LTPO TFTs) with 3-D structure was proposed for narrow-bezel and high-resolution active-matrix organic light-emitting diode (AMOLED) display. To reduce the bezel area, an n-type indium-gallium-zinc oxide (IGZO) TFT was fabricated in the vertically aligned same position on a p-type low-temperature polycrystalline silicon (LTPS) TFT without additional photograph mask and process compared to conventional planar CMOS inverter. As a result, the effective circuit area was drastically reduced from 1581 to 775~ m2. Since the IGZO TFT and LTPS TFT shared one gate electrode in the vertical CMOS inverter, the IGZO TFT has a dual gate structure leading to the enhancement of the electrical performance and stability of the IGZO TFT. Thus, the linear mobility of the IGZO TFT in the vertical CMOS inverter was improved from 5.55 to 7.75 cm2/Vs and the voltage gain of the vertical CMOS inverter was improved from 112.95 to 140.20 V/V compared to that in the planar inverter. Furthermore, the positive bias stress (PBS) stability of the vertical CMOS inverter was improved, resulting in the decrease of voltage transfer curve (VTC) shift from 0.63 to 0.25 V after applying a positive unipolar pulse with a pulsewidth of 20~ s and pulse amplitude of 5 V at V _ DD =5 V and V _ SS ,, =0 V.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项LTPO垂直CMOS逆变器技术虽然源自显示领域,但其核心设计理念与我们在功率电子领域面临的挑战具有重要的借鉴意义。

该技术最突出的价值在于通过三维垂直结构实现了电路面积的大幅压缩(从1581μm²降至775μm²),这与我们在光伏逆变器和储能变流器中追求的高功率密度目标高度契合。在分布式光伏和户用储能系统中,设备的小型化和轻量化直接影响安装便利性和成本竞争力。该论文展示的垂直集成思路可为我们在功率器件封装、驱动电路设计方面提供新的优化方向。

从技术迁移角度分析,LTPS和IGZO薄膜晶体管的低温工艺特性与我们在碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体器件的集成需求存在共性。特别是双栅结构带来的电气性能提升(迁移率提高40%、电压增益提升24%)和偏置应力稳定性改善,对提升逆变器驱动电路的可靠性和响应速度具有启发意义。

然而,该技术目前主要面向低压显示应用,与我们产品动辄数百伏甚至千伏的工作电压存在显著差距。将这种垂直集成理念应用于高压功率电子领域,需要解决绝缘耐压、散热管理、工艺兼容性等关键挑战。

建议我们的研发团队关注该技术在数字控制芯片、辅助电源管理等低压电路模块的应用潜力,同时跟踪其在功率器件三维集成方面的演进趋势,为下一代高密度逆变器和储能系统的技术储备提供参考。