面向有源矩阵显示的高鲁棒性有机薄膜晶体管集成栅极驱动器研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：A Highly Robust Integrated Gate Driver Based on Organic TFTs for Active-Matrix Displays

本刊编辑推荐：为解决有机薄膜晶体管（OTFT）集成栅极驱动器在耗尽模式下因阈值电压（VTH）漂移和参数不稳定性导致的输出信号退化问题，研究团队开发了一种基于串联双晶体管结构和反相器的新型电路架构。该设计通过为内部节点生成正栅源电压（VGS），有效消除了泄漏电流和电压纹波，并将支持的VTH范围扩展至SG-OTFT的-0.53~1.18V和DG-OTFT的-8.07~2.13V。实验表明，该驱动器在5.8英寸AMOLED面板（分辨率538×302）中可实现1-45Hz帧率稳定运行，为柔性显示器的窄边框设计提供了关键技术支撑。

　　

在柔性电子技术迅猛发展的今天，有机薄膜晶体管（OTFT）因其优异的机械柔韧性和低温制备工艺，已成为柔性有源矩阵显示器（AMD）的理想驱动元件。然而，当研究者们试图将阵列集成栅极驱动（GOA）技术应用于OTFT电路时，却面临着耗尽模式操作带来的严峻挑战——阈值电压（V_TH）的显著漂移、器件参数的不稳定性以及泄漏电流导致的输出电压退化，这些瓶颈严重制约着高分辨率柔性显示的商业化进程。

传统解决方案往往需要在性能与工艺复杂度之间艰难权衡：互补型OTFT技术虽能提升性能却增加了工艺步骤；而单纯p型技术又因设计复杂性难以满足高速扫描需求。更棘手的是，简单的单栅（SG）结构虽然工艺简单，但双栅（DG）结构可能引发更严重的稳定性问题。此前报道的有机栅极驱动器始终无法同时实现<10μs的上升/下降时间、微小电压纹波和宽阈值电压适应范围，这使得显示面板不得不依赖外接柔性印刷电路（FPC）提供扫描信号，阻碍了窄边框设计的发展。

针对这一技术困境，中国科学院微电子研究所吴万明团队在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》发表了一项突破性研究。他们创新性地提出了一种基于OTFT的高鲁棒性集成栅极驱动器，通过巧妙的电路设计解决了耗尽模式下的信号完整性问题。该设计的核心在于利用串联双晶体管（STT）结构和反相器网络，为关键内部节点生成正栅源电压（V_GS），从而有效抑制泄漏电流路径。特别值得关注的是，驱动大尺寸下拉OTFT始终在高压维持期保持非浮空状态，显著降低了时钟耦合效应的影响，使输出波形具有前所未有的稳定性。

在技术方法层面，研究团队首先在聚酰亚胺（PI）柔性衬底上制备了SG和DG两种结构的OTFT器件，其中DG结构通过将底栅与顶栅物理连接实现双栅调控。通过系统性的仿真分析，他们验证了电路在宽阈值电压范围内的适应性，其中SG-OTFT的ΔV_TH容差达1.18至-0.53V，DG-OTFT更是达到2.13至-8.07V。实验部分采用18个OTFT和3个电容的单元电路设计，通过八路外部信号控制实现多级级联驱动。

器件结构与制备特性

研究团队开发的OTFT器件展现出显著的结构优势。DG-OTFT表现出更优的电气性能，其阈值电压为+1.8V，亚阈值摆幅（SS）低至134mV/dec，较SG-OTFT（V_TH=+7.9V，SS=453mV/dec）具有更强的电流驱动能力。耐人寻味的是，在正负偏压应力测试中，SG-OTFT反而表现出更好的稳定性，其V_TH漂移范围（-0.53至1.18V）远小于DG-OTFT（-8.07至2.13V），这一发现为不同应用场景下的器件选择提供了重要依据。

电路工作机制创新

该栅极驱动器的操作周期被精确划分为四个阶段：预充电期通过T1、T2导通将IN1节点电位拉低，同时利用T7的强导通能力将IN2充电至V_GH1；自举期则通过CLK3跳变产生V_GH2-V_GH1的栅源电压，彻底切断输出节点的直流通路；复位期通过高电平C(n-1)和低电平CLK3配合实现节点电位重置；高压维持期则通过IN4的反馈机制产生正V_GS，显著降低T4、T5的泄漏电流。这种时序控制策略确保了即使在严重耗尽模式下，电路仍能维持稳定的输出特性。

性能验证与面板演示

实测数据充分证明了该设计的优越性。SG-OTFT驱动器在V_GH2=20V时成功消除了输出波形中的电压纹波，在最小脉冲宽度80μs条件下实现了完整的±15V电压摆幅。更令人印象深刻的是，DG-OTFT版本甚至可以在V_GH2=V_GH1=0V的条件下稳定工作，将外部信号需求从八路减少至五路，显著简化了系统设计。在可靠性测试中，两款电路均表现出优异的稳定性——SG版本可在70℃高温下持续工作，DG版本更是耐受80℃环境，且连续运行3小时后未见性能衰减。最终，研究团队成功将这款驱动器集成至5.8英寸AMOLED面板（分辨率538×302），在时钟频率12.5kHz、电压摆幅0至-15V的驱动条件下，实现了1-45Hz可调帧率的稳定显示。

这项研究的意义远超出其技术参数本身。它首次实现了有机栅极驱动器在上升/下降时间（<10μs）、电压纹波抑制和阈值电压适应性等方面的全面突破，为解决柔性显示器的窄边框难题提供了关键技术支撑。相比传统方案（见表2），该设计在保持0.44mm2/级紧凑面积的同时，实现了全电压摆幅输出和最小化纹波特性。更重要的是，其独特的电路架构展现了对不同TFT技术的广泛适应性，为未来大面积电子产品的矩阵寻址电路设计提供了普适性解决方案。随着柔性电子产品向更高分辨率和更轻薄形态发展，这种高鲁棒性集成驱动技术必将发挥越来越重要的推动作用。