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Transparente Elektronik für Aktiv-Matrix-Displays
Kurzbeschreibung
„Transparente Elektronik für Aktiv-Matrixdisplays“
Die Realisierung großflächiger Displays auf Basis organischer Leuchtdioden erfordert eine Aktiv-Matrix-Ansteuerung. Anders als in Flüssigkristall-Displays (LCDs), muss die Elektronik dabei nicht nur als Schalter wirken, sondern darüber hinaus als Treiber den Pixelstrom zur Verfügung stellen. Dadurch ergeben sich hohe Anforderungen an die Dünnschichttransistoren (TFTs).
TFTs auf Basis transparenter Metalloxid-Halbleiter erreichen Sättigungs-Feldeffekt-beweglichkeiten, die mit etwa μsat = 10 cm2/Vs eine Größenordnung über denen amorphen Siliziums liegen. Gleichzeitig können sie eine Transmission von über 80% im sichtbaren Spektralbereich erreichen. Damit werden Anwendungen ermöglicht, die mit amorphem Silizium undenkbar wären, wie z.B. vollständig transparente Aktiv-Matrix OLED-Displays.
In dieser Arbeit werden TFTs mit einem aktiven Kanal bestehend aus einem Metalloxid-Halbleiter studiert. Die Grundlage für die Abscheidung des aktiven Kanals ist die Sauerstoff-Plasma unterstützte gepulster Laserdeposition (PAPLD). Diese Technologie stellt radikale Sauerstoff-Spezies zur Verfügung, um die Qualität der Schicht zu verbessern und ein Sauerstoff-Defizit zu vermeiden. Transparente, leitfähige Schichten aus mit Aluminium dotiertem Zinkoxid (AZO) werden durch PLD abgeschieden, Atomlagendeposition (ALD) wird zur Herstellung dichter dielektrischer Schichten niedriger Pinhole-Dichte genutzt.
Neben exzellenten Transistoreigenschaften, wie Feldeffektbeweglichkeiten im Bereich μsat=10 cm2/Vs und einer Schwellspannung nahe 0 V weisen TFTs auf Basis von Zink-Zinnoxid (ZTO) auch eine besondere Stabilität auf. Daher werden sie für die Anwendung in transparenten Aktiv-Matrix-Displays als bestens geeignet betrachtet. Die Grundlagen der Schwellenverschiebung der Oxid-TFTs unter Bias-Stress werden in Abhängigkeit von der Komposition des Kanalmaterials studiert Bei [Zn]:[Sn] von etwa 36:64 wird eine optimierte Stabilität erreicht. Bei 450 °C abgeschiedene ZTO-TFTs zeigen darüberhinaus eine extrem niedrige Lichtempfindlichkeit. Sogar sehr hohe Beleuchtungsintensitäten bei den kürzesten in einem transparenten Display notwendigen Wellenlängen führen zu einer Verringerung der TFT-Schwelle um weniger als 1,7 V. Die Empfindlichkeit des ZTO-Kanals gegen Sauerstoffmoleküle ist deutlich niedriger als es für andere Oxid-Halbleiter berichtet wurde. In ersten Experimenten wird die Kompatibilität der Bauelemente mit einer Dünnschichtverkapselung mit Barriereschichten für Wasser und Sauerstoff demonstriert. Dies ist für eine Anwendung der TFTs in OLED-Displays von entscheidender Bedeutung. Die ersten transparenten OLED-Pixel aus monolithisch integrierten transparenten OLEDs und TFTs werden vorgestellt. Sie weisen eine mittlere Transmission von 70% im sichtbaren Spektralbereich auf. Darüber hinaus werden aktive Pixeltreiber auf Basis von ZTO realisiert, die hochauflösende OLED-Displays ermöglichen. Sie zeigen exzellente Eigenschaften hinsichtlich erreichbarer Auflösung (Full HD) und Bildwiederholrate (100 Hz), Pixel-Nebensprechen sowie der erreichbaren Display-Helligkeit (2.200 cd/ m2). Diese Ergebnisse demonstrieren die Realisierbarkeit eines transparenten, hochauflösenden OLED-Displays.
Description
„Transparent Electronics for Active Matrix Displays“
For the realization of large area, high-resolution organic light-emitting diode (OLED) displays an active-matrix-addressing scheme is needed. Unlike in liquid crystal displays (LCDs), the pixel circuits are not only used as switches but rather as analog current drivers for the OLED pixels. Therefore, high-performance thin film transistors (TFTs) are required as essential building blocks.
Thin TFTs based on transparent metal oxide semiconductors show saturation mobilities around μsat=10 cm2/Vs, an order of magnitude larger than that of established TFTs based on amorphous silicon. At the same time, they can be highly transparent (>80%) in the visible part of the spectrum and thus enable the realization of applications beyond reach for amorphous silicon such as entirely transparent active matrix OLED displays.
In this thesis transparent TFTs based on oxide semiconductors are studied. The active channel is deposited by oxygen-plasma-assisted pulsed-laser deposition (PAPLD). This deposition technique relies on the supply of radical oxygen species, which improve the overall material quality and prevent oxygen deficiency. In addition, highly transparent and conductive aluminum doped zinc oxide (AZO) layers are fabricated by PLD. Atomic layer deposition (ALD) is used for the realization of dense dielectric layers with low pinhole density.
Aside from excellent transistor characteristics like μsat=10 cm2/Vs and threshold voltages near 0 V, zinc tin oxide (ZTO) TFTs are found to show an exceptional device stability under bias stress. Therefore, they appear as highly attractive candidates for the use as drivers in transparent active matrix displays. Details of the stability of the TFTs under bias stress upon variation of the semiconductor composition are studied. In optimized devices with a ratio of [Zn]:[Sn] around 36:64 the stability under bias stress is higher than that ever reported for any amorphous TFT. Moreover, ZTO-TFTs deposited at 450 °C show a very small light sensitivity. Even very high intensities at the shortest wavelengths required in transparent displays applications decrease the threshold voltage by not more than 1.7 V. The sensitivity of the ZTO channel to oxygen molecules is much lower than that reported for other metal oxide semiconductors. Initial results of TFTs encapsulated with thin film permeation barriers for oxygen and water show only weak changes of the device characteristics. This is a key requirement for the application as drivers on OLED displays.
The first fully transparent OLED pixels are demonstrated by monolithically integrating transparent OLEDs on top of transparent TFTs. The devices exhibit an average transmittance of more than 70% in the visible part of the spectrum. Moreover active pixel drivers based on ZTO suitable for transparent and high resolution OLED displays have been realized. They show a very good performance in terms of resolution (Full HD) and refresh rate (100 Hz), pixel cross-talk, and support display brightness (2,200 cd/ m2). These results pave the way towards fully transparent OLED displays.
Stichwörter
transparente Displays transparente organische Leuchtdioden (OLEDs) transparente Dünnschichttransistoren (TFTs) transparente leitfähige Oxide (TCOs) transparente amorphe Oxid-Halbleiter (TAOS) Stabilität von TFTs Lichtempfindlichkeit von transparenten TFTs gepulste Laserdeposition (PLD) Atomlagendeposition (ALD) Dünnschichtverkapselung
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