高溫豎向串擾發生機理的定量研究

劉 俊， 趙達裕， 陳 鵬， 郭會斌， 高玉杰

(武漢京東方光電科技有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引 言

在TFT-LCD產品開發過程中，高溫信賴性測試是產品品質評價的重要項目。TFT特性在該測試環境下容易劣化，進而會發生一些電學性不良。此類不良的發生因其時間上的進行性、頑固性，對產品的開發效率會造成嚴重影響。高溫豎向串擾(Vertical-Cross Talk，V-CT)作為普遍發生和亟待解決的一種不良，影響其發生的因素主要有兩方面[1]：(1)像素電極和自身或相鄰數據線之間的寄生電容(Cpd)的影響。即當寄生電容較大時，像素電壓信號就會受到數據線電壓信號的影響而發生變化[2-3]；(2)TFT的關態漏電流(Ioff)的影響。即當漏電流過大時，像素電壓信號會受到自身數據線電壓信號的影響而發生變化。我們可通過采用在數據線周圍設置屏蔽電極、Cpd對稱補償設計、Z反轉驅動方式等優化面板設計的手段消除Cpd的影響[4-5]。但由于薄膜晶體管陣列采用的材料是氫化非晶硅(a-Si)。在高溫條件下，a-Si中可參與導電的電子和空穴數量增多，關態漏電流Ioff會增大[6～8]，高溫V-CT不良相對常溫也更易發生。

不良的根本解決要求能夠將漏電流與V-CT不良發生區域之間建立關聯，后續才可以有針對性地調整TFT特性工藝條件。前人就漏電流對V-CT不良程度的影響做了一些較為淺顯的研究。肖文俊[9]通過調節關斷電壓Vgl，確認相應的V-CT嚴重程度，得到最佳Vgl電壓。同樣，張樂[10]也據此原理設計了一種可自動調整串擾程度的顯示裝置。這些僅表明：Vgl電壓影響漏電流大小，進而影響V-CT現象的嚴重程度。且此方法只是一種簡單的電路調試方法，并不能完全解決不良。周焱[11]提出的一種判斷V-CT水平的方法，其理論依據為亮度變化和電壓差間的關系。該方法僅考慮了窗口時序段的數據線壓差對垂直串擾水平的影響，但并未完整考慮幀周期內各時序段的壓差作用。

以上研究都未涉及到漏電流大小的具體評估，也沒有定量表征出漏電流的大小與V-CT不良現象嚴重程度間的關系。基于以上背景，本文試圖建立一種可靠的定量表征漏電流和V-CT現象間關系的測試方法，并將其應用于某一畫面發生高溫V-CT不良時的機理分析，找到主要影響因素，為后續快速調整TFT特性提供依據。

2 研究方法

本文的測試方法及原理簡單介紹如下。

首先，為了將漏電流大小和V-CT現象嚴重程度建立關聯，通過調節Vgl電壓，確認V-CT不良現有無發生，得到可以表現V-CT現象發生規律的V-CT電壓梯度曲線。

其次，若想知道漏電流的具體值，必須得到TFT開關在各時序段的實際工作狀態。圖1為客戶端評價畫面(CT-SEC)。現以該畫面發生高溫V-CT為例進行說明。CT-SEC畫面的四角白A區為L255灰階，B區和C區同為L127灰階。①區為V-CT發生區域，現象為發暗;②區為未發生V-CT現象的正常區域?，F取其某一掃描行進行分析：以該行分界，幀周期分為t1、t2、t3、t4時序段。圖2為正負幀周期①、②區的數據線電壓和像素電壓波形圖。由圖2可知，①區主要受異幀信號電壓拉動影響，導致區域發暗。由于正負幀周期各個階段的像素充電電壓有正負之分，因此TFT開關工作狀態(Vgs，Vds)皆不相同。若想估算各階段漏電流大小，必須通過TFT特性測試設備獲得對應狀態(Vgs，Vds)的Id-Vg轉移特性曲線。而幀周期內總的漏電流的大小Ioff_total可結合時序占空比加權求和得到。

圖1 CT-SEC畫面Fig.1 Pattern of CT-SEC

圖2 源漏極信號電壓波形圖Fig.2 Signals of source and drain

另外，由于信號衰減等因素，時序控制器(Timing Controller，TCON)端的輸入信號電壓和面內TFT開關的實際工作電壓存在差異。CT-SEC畫面對應的各灰階電壓可通過模組光學測量系統獲得的灰階-透過率(Gamma)曲線和色彩分析儀獲得的像素電壓-透過率(V-T)曲線聯合推得。某掃描行的關斷電壓Vgl可通過探針測試法得到。

3 實 驗

3.1 樣品與儀器

實驗所用樣品主要有：ADS模式液晶顯示面板(面板)1個，分辨率為3 840×2 160。實驗所用的設備及儀器主要有：高溫老化爐，LCM模組光學測量系統設備，TFT特性測試設備(YAF-6565M)，色彩分析儀CA410，示波器。

3.2 實驗過程

3.2.1 V-CT電壓梯度曲線

在高溫信賴性評價環境下，通過在TCON板外加直流電壓的方式調節Vgl電壓值(Vgl_TCON)，觀測CT-SEC畫面V-CT的復現情況。具體操作流程為：

(1)將面板放置在高溫老化爐內，并以正常點燈的狀態老化0.5 h，使得初始高溫TFT特性達到穩定狀態；

(2)通過圖3所示的描畫，即同C區的灰階和高度一致的窄長條，描畫出各梯度電壓下V-CT發生的區域范圍及現象。梯度電壓Vgl_TCON的取值范圍一般為-20～0 V；

(3)通過在數據信號輸入端及其對側(DP、DPO側)設置長白條(高度同CT-SEC畫面四角A區)，定性觀察各梯度區域V-CT現象嚴重程度，為后續測試點位的選取提供參考；

(4)為更好地比較梯度測點各時序段漏電流大小，即排除時序影響，要求將梯度測點設定在同一掃描行。

梯度曲線及測試點位如圖3所示。正向梯度曲線分別為-4.0，-3.5，-3.0，-2.5 V，曲線的區域范圍從-4.0 V到-2.5 V逐漸外擴，范圍內發黑，程度較重。正向梯度測點設置在掃描行G1002，分別為1-1，1-2，1-3，1-4，以-3.0，-3.5，-4.0 V 分界。負向梯度曲線分別為-20，-18，-16，-14 V，曲線區域范圍從-14 V到-20 V逐漸外擴，范圍內發黑，程度非常輕微。負向梯度測點設置在掃描行G1530，分別為2-1，2-2，2-3，2-4，以-18，-16，-14 V分界。

圖3 V-CT電壓梯度曲線Fig.3 Gradient curves of V_CT voltage

3.2.2 灰階電壓

為準確得到CT-SEC畫面中的L127和L255灰階電壓，可先通過Gamma曲線獲得灰階和透過率間的對應關系，再通過V-T曲線得到相應透光率下的像素電壓(即為對應的灰階電壓)。

(1)Gamma曲線測試

人眼感覺近似正比與亮度的(1/γ)次方，該變化關系曲線叫做Gamma曲線，Gamma值一般在2.0～2.4。Gamma曲線公式可表示為：

透過率(亮度/總亮度)=(灰階/灰階總數)γ

圖4為使用LCM模組光學測量系統測得的面板中心點位的Gamma曲線，即圖中所示虛線。根據其灰階和透過率間的對應關系可得L127和L255灰階下的透過率T。L127、L255灰階分別對應透過率為21.66%、100%。

圖4 Gamma曲線Fig.4 Gamma curves

(2)V-T曲線測試

V-T曲線是指液晶顯示面板透過率隨電壓變化的曲線，它反映了亮度與驅動電壓之間的關系[12]。V-T曲線測試，是通過在數據信號輸入端施加電壓，使用色彩分析儀CA410同步測試畫面亮度變化。圖5為顯示面板正向梯度測點的V-T曲線。V-T曲線上的點橫軸為信號電壓，縱軸為歸一化的亮度。由于曲線是通過外加直流電壓來測量的，不存在漏電等問題，可認為曲線上的數據線電壓和對應灰階的像素電壓相同。由圖可知，正向測點V-T曲線差異基本可以忽略不計。同理可知，負向測點的V-T曲線差異也可忽略。

圖5 V-T曲線Fig.5 V-T curves

表1為正負向測點L127和L255灰階對應的像素電壓。可以看到，正負向測點的正負極性灰階電壓差異較小。后續以正向測點的正負極性電壓為準進行計算。

表1 L127和L255灰階對應的像素電壓Tab.1 Drive voltages of L127/255

3.2.3 關斷電壓Vgl_GOUT

面板的掃描驅動集成電路采用GOA驅動設計，即在陣列基板上制作移位寄存器電路，依次對掃描行輸出高電平方波，實現AA區像素TFT的逐行開啟。GOA單元提供了TFT的開關態電壓Vgh、Vgl，而該單元可看作是由重復單元陣列得到。因此，某掃描行的Vgl_GOUT電壓可通過線性擬合得到。

首先，在正常點屏的狀態下，通過示波器實測得到各Vgl_TCON下DPO/DP側的Vgl_GOUT電壓值。示波器的采樣頻率為1.0 μs/pt，10.0 ms/div。

然后，通過擬合得到DPO/DP側的Vgl_GOUT隨Vgl_TCON變化的關系曲線，結果如圖6所示。

圖6 Vgl_GOUT同Vgl_TCON間的關系Fig.6 Relationship between Vgl_GOUT and Vgl_TCON

(1) DP側Vgl_GOUT同Vgl_TCON間的關系式為：Vgl_GOUT_DP=0.960Vgl_TCON+0.418；

(2)DPO側Vgl_GOUT同Vgl_TCON間的關系式為：Vgl_GOUT_DPO=0.926Vgl_TCON+1.148；

Vgl_GOUT_DP：DP側首行(G0001行)GOUT信號的低電壓值；

Vgl_GOUT_DPO：DPO側尾行(G2 160行)GOUT信號的低電壓值。

對于某一掃描行，其Vgl_GOUT電壓值可通過線性擬合得到：

(1)

其中：H掃描行為某一掃描行行數。

3.2.4 漏電流的計算

(1)根據3.2.2和3.2.3節，計算得到正負向梯度點位在各時序段下的TFT開關實際工作狀態(Vgs，Vds)。以負向梯度Vgl_TCON=-20 V為例，各時序段的實際工作狀態(Vgs，Vds)如表2所示。定義：Vs=min(V像素端,V數據線端),Vd= max(V像素端,V數據線端)，正幀周期為像素電壓處于正極性時段，負幀周期為像素電壓處于負極性時段。

表2 各時序段的TFT開關實際工作狀態(Vgs,Vds)Tab.2 Actual working state of TFT in sequence ofFig.2

(2)通過TFT特性測試設備得到各點位TFT開關實際工作狀態下的Id-Vg轉移特性曲線，提取對應Vgl_GOUT下的電流值，加權求和得到總體漏電流Ioff_total。

4 實驗結果與討論

4.1 正向Vgl_TCON對漏電流的影響

(1)不同Vgl_TCON，正向梯度各測點總體漏電流Ioff_total變化趨勢如圖7所示。由圖可知，Vgl_TCON梯度自-2.5 V到-4.0 V變化時，各測點總體漏電流Ioff_total均逐漸較小，說明其向最佳Vgl電壓靠近。基于TFT轉移特性曲線特征，即曲線的最低點一般在-12 V左右，Vgl電壓向最低點趨近時，漏電流逐漸減小，V-CT現象逐漸變輕。不同梯度電壓下，點位位置自1-1到1-4變化時，Ioff_total逐漸增大，說明TFT特性逐漸變差。其中1-4 漏電流最大，特性最差。此Ioff_total漸變規律可較好地匹配面板中不良現象的輕重梯度。

圖7 正向測點不同Vgl_TCON 下Ioff_total的變化趨勢Fig.7 Ioff_totalunder different Vgl_TCON(positive point)

(2)對于正向梯度，計算正負幀各時序段TFT實際工作狀態(Vgs，Vds)下的漏電流大小，結果如圖8所示。負幀t4時序段對像素電壓的拉動使灰階發亮，正幀t1時序段對像素電壓的拉動使灰階發暗。由3.2.1節可知現象總體發暗，且后者的漏電流絕對值較大?？烧J為正幀t1時序段為其主導工作狀態，對應的(Vgs,Vds)=(Vgl_GOUT-Vpixel_255-,Vpixel_127+-Vpixel_255-)。帶入公式(1)得：

圖8 正向梯度各時序段漏電流大小Fig.8 Leakage current of each sequence segment of positive gradient

(Vgs,Vds)={(-0.034Vgl_TCON+0.7)×H掃描行/2160+ (0.96Vgl_TCON+0.4)-Vpixel_255-，(Vpixel_127+-Vpixel_255-)}

(2)

其中：式Vpixel_255-為L255灰階負極性電壓；Vpixel_127+為L127灰階正極性電壓。

4.2 負向Vgl_TCON對漏電流的影響

(1)不同Vgl_TCON，負向梯度測點Ioff_total變化趨勢如圖9所示。各點加權平均后的總體轉移特性曲線的最低點不同，其中2-2,2-3,2-4最低點位于(-14 V，-12 V)，2-1最低點位于(-16 V，-14 V)之間。由圖可以看到，當Vgl_TCON自-20 V向-14 V逐漸增大時，即Vgl_GOUT自-17.8 V增大為-12 V，2-2，2-3，2-4點位的總體漏電流Ioff_total呈現先減小后增大或者持續減小的趨勢。而2-1點位則會提前達到最小值。當梯度電壓在(-20 V，-16 V)區間時，點位位置從2-1到2-4，總體漏電流Ioff_total逐漸增大，說明區域特性逐漸變差。當梯度電壓為-14 V時，2-1，2-2，2-3點位的關態特性較好，漏電流較小。僅2-4點位有V-CT現象發生，漏電流也相對較大。該負向測點的Ioff_total變化趨勢同樣符合負向梯度曲線V-CT現象的發生規律。

圖9 不同Vgl_TCON負向測點Ioff_total變化趨勢Fig.9 Ioff_total under different Vgl_TCON(negative point)

(2)對于負向梯度，計算正負幀各時序段TFT實際工作狀態(Vgs，Vds)下的漏電流大小，結果如圖10所示。根據正負幀各時序段作用方向及漏電流大小可知：

圖10 負向梯度各時序段漏電流大小Fig.11 Leakage current of each sequence segment of negative gradient

(a)對于TFT關態特性較差的2-2，2-3，2-4點位，負幀t1時序段為其主導工作狀態，對應的(Vgs,Vds)=(Vgl_GOUT-Vpixel_127_Vpixel_255+-Vpixel_127-)

(Vgs,Vds)={[(-0.034Vgl_TCON+0.7)×H掃描行/2160+ (0.96Vgl_TCON+0.4)-Vpixel_127_]，(Vpixel_255+-Vpixel_127-)}

(3)

帶入公式(2)得：

其中：Vpixel_255+為L255灰階正極性電壓；Vpixel_127-為L127灰階負極性電壓。

(b)對于關態特性較好的2-1點位，當Vgl_TCON在(-20 V，-18 V)區間時，主導狀態同為負幀t1時序段。當Vgl_TCON在(-16 V，-14 V)區間時，正幀t1時序段為主導狀態，對應的TFT工作狀態為：(Vgs,Vds)=(Vgl_GOUT-Vpixel_255-,Vpixel_127+-Vpixel_255-)。

4.3 影響V-CT的主要因素

在產品開發過程中，各驗證條件投入品質信賴性評價前，一般會進行Vgl余量(Margin)測試。具體方法為：在高溫信賴性評價環境下，通過外加直流的方式調節Vgl_TCON電壓值，觀測各畫面V-CT或其他不良復現情況。各畫面的Vgl余量測試結果表現形式一般為(Vgl_默認值-b，Vgl_默認值+a)，其中a,b≥0 V，分別稱為正負向余量。該測試主要目的為評價產品條件的高溫初始特征。

對于信賴性評價而言，需要考慮高溫初檢及終檢兩個狀態。本文漏電流的評估是基于高溫條件下的Id-Vg轉移特性曲線，可說明高溫初檢狀態。而因為特性曲線閾值電壓(Vth)隨信賴性時間的延長逐漸向左漂移，所以終檢狀態亦可由其近似。由4.1節可知，正向梯度下，正幀t1時序段為其主導工作狀態，即該狀態的漏電流越小，正向余量越大，即a值越大。對于正向梯度而言，漏電流隨Vgl電壓值的增大而增大，所以可以用梯度區間中的某一Vgl電壓的漏電流值Ioff來表征TFT關斷特性的優劣。將通過TFT特性測試獲得的各面板光照漏電流Ioff(-8 V) (Vgl電壓為-8 V時的光照漏電流值)和經Vgl余量測試得到的各面板的a值進行關聯，得到圖11。由圖可知，各面板Vgl_TCON正向余量伴隨面內光照漏電流Ioff(-8 V)的增大而減小。其中，A1、B2、C2為G10.5代線6切的1 905 mm(75 in)面板。此結果較好驗證了以上理論。

圖11 Vgl+_TCON 余量同光照漏電流Ioff(-8 V)間的關系Fig.11 Relationship between Vgl+_TCONmargin and the leakage current under the photo Ioff (-8 V)

因此，對于CT-SEC畫面，高溫初始及長期信賴性條件下，V-CT不良的發生同面板面內光照漏電流Ioff(Vgl_GOUT-Vpixel_255-)強相關。

5 結 論

針對客戶端評價畫面CT-SEC發生V-CT不良進行了研究，得到以下結果：(1)對于正負向梯度,Ioff_total漸變規律均可較好匹配面板不良現象輕重梯度。說明漏電流同V-CT現象正相關。(2)對于正向梯度，正幀t1時序段為其主導工作狀態。對于負向梯度的2-2，2-3，2-4點位，負幀t1時序段為其主導工作狀態。對于2-1點位，當Vgl_TCON在(-20 V，-18 V)區間時，負幀t1時序段為其主導工作狀態；當Vgl_TCON在(-16 V，-14 V)區間時，正幀t1時序段為主導狀態。說明正負向梯度影響V-CT的主導狀態(Vgs,Vds)存在差異。(3)在實際大尺寸TFT-LCD產品設計中，Vgl電壓一般設置在正向梯度區間。所以，高溫初始及長期信賴性條件下，V-CT不良的發生同面板面內光照漏電流Ioff(Vgl_GOUT-Vpixel_255-)強相關。

通過本文的分析可以看出，影響CT-SEC畫面發生V-CT的主要因素為狀態(Vgs,Vds)=(Vgl_GOUT-Vpixel_255-,Vpixel_127+-Vpixel_255-)下的漏電流。后續通過調節TFT特性工藝條件，降低Id-Vg轉移特性曲線中光照漏電流Ioff(Vgl_GOUT-Vpixel_255-)的大小，進而達到解決V-CT不良的目的。