[PENDING] 15 2.1.2 ∆οµή και Ιδιότητες των poly-Si TFT

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΤΜΗΜΑ :

ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

& ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

ΤΟΜΕΑΣ :

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

∆Ι∆ΑΚΤΟΡΙΚΗ ∆ΙΑΤΡΙΒΗ

—————–

¨Μελέτη τρανζίστορ λεπτού υµενίου (πολυκρυσταλλικών και οργανικών) και σχεδιασµού κυκλωµάτων οδήγησης

εικονοστοιχείων¨

Νικόλαος Π. Παπαδόπουλος

∆ιπλωµατούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός ΑΠΘ,niikos@ee.auth.gr Επιβλέπων Καθηγητής :

Αλκιβιάδης Χατζόπουλος

Τριµελής συµβουλευτική επιτροπή : Αλκιβιάδης Χατζόπουλος

Χαράλαµπος ∆ηµητριάδης Στυλιανός Σίσκος

1 Ιουλίου 2010

1

¨..¨

Στην Οικογένεια µου : Παύλο, Σταυρούλα, Ελένη και Βάλια..

Σας ευχαριστώ για την συµπαράσταση σας όλα αυτά τα χρόνια..

Περιεχόµενα

1 Αντικείµενο και Συµβολή της ∆ιατριβής 6

1.1 Εισαγωγικά . . . 6

1.2 Η Συµβολή της ∆ιατριβής . . . 10

1.3 Οργάνωση της ∆ιατριβής . . . 13

2 Επίδραση Φωτός στα poly-Si TFT 15 2.1 Πολυκρυσταλλικά Τρανζίστορ Λεπτού Υµενίου . . . 15

2.1.1 Ιστορικά . . . 15

2.1.2 ∆οµή και Ιδιότητες των poly-Si TFT . . . 17

2.2 Επίδραση Φωτός στο Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο . . . 21

2.3 Μετρήσεις Χαρακτηριστικώνpoly-Si TFT . . . 24

2.3.1 Ο τρόπος κατασκευής των poly-Si TFT . . . 24

2.3.2 Ο τρόπος και οι συνθήκες µετρήσεων . . . 25

2.3.3 Οι χαρακτηριστικές των µετρήσεων . . . 26

2.4 Μοντέλα Επίδρασης Φωτός Τρανζίστορ Λεπτού Υµενίου Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου 30 2.4.1 Επηρεασµός παραµέτρων . . . 30

2.4.2 Μαθηµατικό Μοντέλο . . . 32

2.4.3 Ηµι-εµπειρικό Μοντέλο . . . 38

2.4.4 Κυκλωµατικό ισοδύναµο για χρήση στοSPICE . . . 45

3 Σχεδίαση Κυκλωµάτων Οδήγησης Εικονοστοιχείων 51 3.1 Τι είναι ταAMOLED . . . 51

3.1.1 Παθητική και Ενεργή Μήτρα . . . 52

3.1.2 Οργανικές Φωτοδίοδοι . . . 54

3.2 Κυκλώµατα Οδήγησης ΕικονοστοιχείωνOLED . . . 63

3.2.1 Μετρήσεις οµοιοµορϕίας οθονών . . . 65

3.3 Κυκλώµατα Οδήγησης ΕικονοστοιχείωνOLEDµε ανάδραση Φωτός . . . 69

3.3.1 Τυπικό κύκλωµα OFPD. . . 69

3.3.2 Κυκλώµατα 2ης γενιάς OFPD. . . 71

3.3.3 ΠροσοµοίωσηOLEDκαιpoly-Si TFT . . . 75

3.3.4 Βελτιωµένο κύκλωµαOFPD . . . 78

3.3.5 Κύκλωµα αντιστάθµισηςV_tτου Φώτο-αισθητήρα τουOFPD . . . 86

4 Ανίχνευση Βλαβών σε κυκλώµατα Οδήγησης Εικονοστοιχείων 91 4.1 Εισαγωγικά . . . 91

4.1.1 Μεγέθη Υποστρώµατος, Παραγωγικότητα . . . 92

4.1.2 Ελαττωµατικά εικονοστοιχεία . . . 93

4.2 Κατηγορίες Μεθόδων ∆οκιµής Οθονών . . . 93

2

ΠΕΡΙΕןΟΜΕΝΑ 3

4.2.1 Μέθοδος ∆έσµης Ηλεκτρονίων . . . 94

4.2.2 Μέθοδος Ηλεκτρό-Οπτικής Αίσθησης Τάσεων . . . 97

4.2.3 Μέθοδος δοκιµής µε Ηλεκτρικές Μετρήσεις . . . 100

4.3 Μέθοδοι ∆οκιµής ΟθονώνAMOLED . . . 105

4.3.1 Προσθήκη επιπλέον Πυκνωτή στο κάθε Εικονοστοιχείο . . . 105

4.3.2 Πριν την εναπόθεση τουOLED . . . 109

4.4 Προτεινόµενη Μέθοδος ∆οκιµής γιαOFPD . . . 111

4.4.1 Η ∆ιάταξη της Μήτρας . . . 112

4.4.2 Ο Αλγόριθµος ∆οκιµής . . . 113

4.5 Αποτελέσµατα εϕαρµογής της προτεινόµενης µεθόδου δοκιµής . . . 116

4.5.1 ∆οκιµή για τ=17msec . . . 116

4.5.2 ∆οκιµή για 0.5msec. . . 120

4.5.3 Μετρητικό Σύστηµα . . . 124

5 Κατασκευή και Προσοµοίωση Κυκλωµάτων µε Οργανικά TFTs 128 5.1 Η Αναδυόµενη Τεχνολογία . . . 128

5.1.1 Τεχνικές Κατασκευής Οργανικών Λεπτών Υµενίων . . . 129

5.1.2 Οργανικά Τρανζίστορ Λεπτού Υµενίου . . . 131

5.1.3 Κυκλώµατα Οργανικών Τρανζίστορ Λεπτού Υµενίου . . . 135

5.2 Κατασκευή και µετρήσεις Οργανικών Ηλεκτρονικών στοUPC . . . 137

5.2.1 Κατασκευή τρανζίστορ λεπτού Υµενίου . . . 139

5.2.2 Οργανικοί Αντιστροϕείς Συµπληρωµατικής λογικής µε διαϕορετικά µεγέθη πλάτους και µήκους καναλιού . . . 144

5.3 Προσοµοίωση Οργανικών Ηλεκτρονικών . . . 154

5.3.1 ΜοντέλαOTFT και προσαρµογή των Παραµέτρων τους . . . 154

5.3.2 Προσοµοίωση Οργανικών Τρανζίστορ και Αντιστροϕέων . . . 157

6 Συµπεράσµατα και προτάσεις ΄Ερευνας 164 6.1 Μοντέλα επίδρασης οπτικής ακτινοβολίας . . . 164

6.2 OFPD . . . 164

6.3 Ακόµα µικρότερο διάστηµα δοκιµής ; . . . 165

6.4 Οργανικά Κυκλώµατα . . . 166

7 Παραρτήµατα 167 7.1 ΄Αλϕα . . . 167

7.1.1 Τυπικό Κύκλωµα οδήγησης εικονοστοιχείουOLED . . . 167

7.1.2 Τυπικό κύκλωµα OFPD. . . 168

7.1.3 OFPD2ης γενιάς . . . 169

7.1.4 Προτεινόµενο ΒελτιωµένοOFPD . . . 171

7.2 Βήτα . . . 173

7.2.1 Μέθοδος κατασκευής µασκών νικελίου . . . 173

7.2.2 ΚώδικαςMATLABγια παραγωγή χαρακτηριστικών τρανζίστορ . . . 174

8 ∆ηµοσιεύσεις 176

9 Ορολογία 178

ΠΕΡΙΕןΟΜΕΝΑ 4

Περίληψη

Η διδακτορική διατριβή έχει ως ϐασικό της αντικείµενο τα πολυκρυσταλλικά (poly-Si TFT) και οργανικά τρανζίστορ λεπτού υµενίου (OTFT). Αρχικά µελετήθηκαν σαν ξεχωριστά στοιχεία, έ- γιναν µετρήσεις και παρατηρήθηκε η συµπεριϕορά τους υπό διάϕορες συνθήκες. Αργότερα αϕού µοντελοποιήθηκαν κάποια φαινόµενα, ϐάσει µετρήσεων και ϑεωρίας, σχεδιάστηκε και προσοµοιώθηκε επιτυχώς ένα κύκλωµα οδήγησης εικονοστοιχείου (pixel) οθόνης. Το πρώτο µέρος ολοκληρώνεται µε την ανάπτυξη µεθόδου ανίχνευσης σϕαλµάτων σε κυκλώµατα οδήγη- σης εικονοστοιχείων. Στο δεύτερο µέρος της διατριβής παρουσιάζεται η µελέτη και κατασκευή των οργανικών τρανζίστορ λεπτού υµενίου. Κατασκευάσθηκαν, µετρήθηκαν και προσοµοιώ- ϑηκαν µεµονωµένα τρανζίστορ λεπτού υµενίου, τύπου p αλλά και n, και συµπληρωµατικοί αντιστροϕείς (Complemetary Inverter) χρησιµοποιώντας µια νέα µάσκα που δίνει την δυνατό- τητα κατασκευής αντιστροϕέων διαϕορετικών λόγων πλάτους και µήκους καναλιού (W/L).

Στο πρώτο µέρος η µελέτη, οι µετρήσεις και η µοντελοποίηση της επίδρασης του λευκού φωτός επάνω στα πολυκρυσταλλικά τρανζίστορ λεπτού υµενίου είναι αυτό που ϑα µας απασχο- λήσουν αρχικά. Το φως µπορεί να επηρεάσει έως και 600% το ϱεύµα του πολυκρυσταλλικού υλικού, φαινόµενο που µπορεί να αξιοποιηθεί στην σχεδίαση κυκλωµάτων. Με την χρήση λοι- πόν της επίδρασης αυτής σχεδιάστηκε κύκλωµα οδήγησης εικονοστοιχείων οθονών ενεργούς µήτρας (Active Matrix) µε οργανικές φωτοδιόδους (AMOLED) µε ανάδραση φωτός. Τα κυκλώ- µατα αυτά των τρανζίστορ λεπτού υµενίου χρησιµοποιούνται στις ¨λεπτές¨ οθόνες, πχ υγρών κρυστάλλων (LCD), πλάσµατος (plasma) και πλέον και στις οθόνες οργανικών φωτοδιόδων που από τις αρχές του 2009 έχουν αρχίσει να εµϕανίζονται όλο και περισσότερο σε κινητές συ- σκευές όπως κινητά τηλέϕωνα, συσκευές αναπαραγωγής µουσικής (mp3 players) κ.α. Τέλος, παρουσιάζεται µια νέα µέθοδο ανίχνευσης ϐλαβών για ενεργές µήτρες εικονοστοιχείων µε ικανο- ποιητικά αποτελέσµατα. Η ανίχνευση ϐλαβών αποτελεί ϐασικό στάδιο στην κατασκευή οθονών και αν γίνεται αποτελεσµατικά µειώνει το γενικό κόστος.

Στο δεύτερο µέρος παρουσιάζεται η κατασκευή και µέτρηση σε συνθήκες κενού οργανικών τρανζίστορ λεπτού υµενίου και των δυο τύπων. Η κατασκευή έγινε µε την µέθοδο εξάχνωσης σε κενό µε ϑέρµανση (Thermal Vacuum Evaporation) διαϕόρων οργανικών υλικών (Pentacene, PTCDI-C13, DP-PTCD). Στην συνέχεια αϕού κατασκευάστηκε µια νέα µάσκα επιτεύχθηκε και η κατασκευή αντιστροϕέων συµπληρωµατικής λογικής διαϕόρων µεγεθών καναλιού. Ακολούθη- σε, η µέτρηση µε την χρήση ακίδων σε κενό και τέλος η προσοµοίωση µε το πρόγραµµαCade- nce. Λόγω έλλειψης τεχνολογίας οργανικών τρανζίστορ στο προαναϕερθέν λογισµικό, εισήχθει µοντέλο οργανικών τρανζίστορ για να διεκπεραιωθεί η προσοµοίωση, αϕού είχε προηγηθεί η εξαγωγή, προσαρµογή και ϐελτιστοποίηση των παραµέτρων του µοντέλου για την συγκεκριµένη τεχνολογία.

ΠΕΡΙΕןΟΜΕΝΑ 5

abstract

The impact of the light illumination on the drain current of polycrystalline silicon thin-film transistors (TFT) is studied in this work. The increase of the output current as a result of raised light intensity is modeled, based on measured experimental data for differentV_ds and Vgs values and transistor sizes W/L.

Also, a new semi-empirical light impact model (LIM) for both p-type and n-type pol- ycrystalline thin-film transistors (poly-Si TFTs) is introduced and verified. The ratio of the produced current under a specific light intensity(Id)over the dark current(Idark)is calcula- ted. The new model has been also implemented in the circuit simulation program HSPICE.

For both models comparative results between measurements and simulated characteristics are presented for different sizes of Widths/Lengths, different values of the Vds,Vgs voltages and of light intensities.

Furthermore, an improved optical feedback circuit is proposed with only a few compo- nents and a wide range of Vdata voltages. Its operation is verified by simulation using the HSPICE simulator, PSIA2 TFT model and our previously published light-impact model (LIM) of polycrystalline TFTs. Additionally, the new optical feedback pixel driver (OFPD) is compa- red with previously published OFPDs and its advatanges are pointed out and discussed.

A testing scheme of an optical feedback pixel driver is proposed, discussed and simulated by HSPICE. A basic characteristic of the specific circuit is that the gray scales of the pixel are created by pulse width modulation. So, the integral of the output Ipixel current (which is proportional to I_oled) has to be measured or calculated and used for testing. The testing procedure that is proposed enables the detection and identification of common processing defects up to 96%, as verified from simulation results. Although Ipixel current is tend to be very low, the measuring system used, using special instrumentation ICs, is successfully simulated and verified by HSPICE.

Pentacene and PTCDI-C13 have been used as organic semiconductors for the fabrication of p- and n-type organic thin-film transistors (OTFTs). Both types of semiconductors are well- established and demonstrate good performance in devices separately, but few competitive results have been reported in complementary designs. In this manuscript, we show the fabrication, electrical characterization and simulation of an organic complementary inverter using pentacene and PTCDI-C13 as active semiconductors. Simulation was done using a model with physical aspects. We report good fitting of p-type and n-type parameters for the OTFT model and good results for DC transfer characteristics of the organic complementary inverter. The fitting of the parameters of the OTFT model is performed using an optimized parameter extraction technique which is using fuzzy logic to adjust the parameters to its optimal value.

Κεϕάλαιο 1

Αντικείµενο και Συµβολή της

∆ιατριβής

1.1 Εισαγωγικά

Αντικείµενο της διατριβής είναι τα πολυκρυσταλλικά (poly-Si TFT) και οργανικά (OTFT) τρανζί- στορ λεπτού υµενίου και οι εϕαρµογές τους σε κυκλώµατα, αναλογικά και ψηϕιακά. Η διατριβή ξεκίνησε από τα πολυκρυσταλλικά τρανζίστορ λεπτού υµενίου. Η µελέτη της επίδρασης του λευ- κού φωτός στα τρανζίστορ αυτά ήταν η πρώτη φάση. Ταυτόχρονα, έγινε η µοντελοποίηση του φαινοµένου, ώστε να µπορεί να χρησιµοποιηθεί η επίδραση αυτή σε προσοµοίωση αναλογικών κυκλωµάτων. Στην συνέχεια, έγινε µελέτη, σχεδίαση και προσοµοίωση κυκλώµατος οδήγησης εικονοστοιχείου µε ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας και χρήση των µοντέλων επίδρασης οπτι- κής ακτινοβολίας στα poly-Si TFT, τα οποία προέκυψαν από την προηγούµενη φάση. Τέλος, στα πλαίσια του πρώτου µέρους, αναπτύχθηκε µέθοδος ανίχνευσης ϐλαβών σε κυκλώµατα οδή- γησης εικονοστοιχείων οργανικών φωτοδιόδων (OLED). Στο δεύτερο µέρος της διατριβής έγινε εργασία επάνω στα πρωτοεµϕανιζόµενα οργανικά τρανζίστορ : κατασκευή µε την µέθοδο της εξάχνωσης µε ϑέρµανση εν κενώ του οργανικού υλικού και προσαρµογή παραµέτρων µοντέλου OTFT σε πραγµατικές µετρήσεις τρανζίστορ καθώς και προσοµοίωση µε το πρόγραµµα Ca- dence και την περιγραϕική γλώσσα υλικού Verilog-A οργανικών τρανζίστορ και κυκλωµάτων αντιστροϕέων σε σύγκριση πάντα µε τα πειραµατικά δεδοµένα.

Τα τρανζίστορ λεπτού υµενίου είναι ένα ξεχωριστό είδος τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (field- effect transistor), το οποίο κατασκευάζεται µε απόθεση ενός ηµιαγωγού σαν ενεργό κανάλι, ενός διηλεκτρικού για την πύλη και µεταλλικών επαϕών για τον ορισµό των ακροδεκτών επάνω όµως σε ένα υπόστρωµα είτε γυαλιού είτε πλαστικού. Τα τρανζίστορ αυτά χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα µε το υλικό που κατασκευάζεται το κανάλι τους : άµορϕο πυρίτιο, πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, νανοκρυσταλλικό πυρίτιο, οργανικό υλικό (πολυµερές ή µικρο-µορίων). Ο διαχωρι- σµός αυτός αντικατοπτρίζει και τις ϐασικές ιδιότητες αλλά και την απόδοση του τρανζίστορ.

Επίσης έχουν εµϕανιστεί διάϕορες δοµές των τρανζίστορ, ανάλογα µε το που ϐρίσκεται η πύλη του αλλά και το πως και που είναι το κανάλι χωροταξικά και µορϕολογικά. Ασϕαλώς, δια- φοροποιήσεις υπάρχουν και για τα υλικά των υπόλοιπων µερών του : υποστρώµατος, οξειδίου της πύλης (SiO₂, Al₂O₃, PMMA (Poly-methyl methacrylate) (για τα οργανικά) κ.α.), µέταλλα διασυνδέσεων και επαϕής (αλουµίνιο, χρυσός, χρώµιο κ.α.).

Τα τρανζίστορ λεπτού υµενίου (TFT), άµορϕου αρχικά αλλά και πολυκρυσταλλικού πυρι- τίου στην συνέχεια, χρησιµοποιήθηκαν κυρίως µε µεγάλη επιτυχία στις λεπτές οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD) αλλά και σε αισθητήρες εικόνων [1]. Η κύρια χρήση τους είναι µέσα στην

6

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 7

εµπρόσθια µήτρα της οθόνης και συγκεκριµένα στα κυκλώµατα οδήγησης του κάθε εικονο- στοιχείου (pixel). ΄Εχουν παρουσιαστεί και εξωτερικά ψηϕιακά κυκλώµατα οδήγησης αλλά δεν έχουν χρησιµοποιηθεί σε εµπορικά προϊόντα ακόµα. Στην εµπρόσθια µήτρα µικρό-οθονών (microdisplays) έχουν χρησιµοποιηθεί και µονοκρυσταλλικά τρανζίστορ (c-silicon MOSFET), τα οποία είναι ανώτερα σε ευκινησία και απόδοση γενικότερα από τα τρανζίστορ λεπτού υµενίου αλλά όχι σε κόστος και ευκολία κατασκευής.

Τα µη µονοκρυσταλλικά τρανζίστορ παρουσιάζουν και άλλα δύο σοβαρά µειονεκτήµατα έναντι των κλασσικών µονοκρυσταλλικών τρανζίστορ πυριτίου επίδρασης πεδίου. Πρώτον, η διαϕορετική τάση κατωϕλίου ακόµα και σε τρανζίστορ κατασκευασµένα στο ίδιο πλακίδιο το ένα δίπλα στο άλλο, αλλά και ακόµα τρανζίστορ σε ίδια ϑέση σε διαϕορετικά πλακίδια, και δεύτερον, η αύξηση του ϱεύµατος για µεγάλες πολώσεις εκροής-πηγής (V_DS), που ονοµάζεται φαινόµενο Kink[2]-[4]. Τα προβλήµατα αυτά πυροδότησαν το µεγαλύτερο µέρος της έρευνας για την σχεδίαση κυκλωµάτων και τεχνικών που να τα εξαλείϕουν. Το πρόβληµα της µεγάλης διασποράς της τάσης κατωϕλίου (+-20%) οϕείλεται στην µορϕολογία του κρυστάλλου, που δεν µπορεί να προβλεϕθεί παρά µόνο να µειωθεί η διασπορά του µέσα στο κανάλι µε την κατασκευή µεγάλων κόκκων.

Στα ψηϕιακά κυκλώµατα το φαινόµενοKink αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας και επη- ϱεάζει αρνητικά τις ικανότητες µεταγωγής τους. Στα αναλογικά κυκλώµατα, µειώνει το µέγιστο εϕικτό κέρδος και το λόγο απόρριψης κοινού σήµατος (CMRR). Η συνήθης προσέγγιση για να λυθεί το πρόβληµα αυτό, είναι να περιοριστεί ο ιονισµός λόγω συγκρούσεων (impact ionization) µειώνοντας το ηλεκτρικό πεδίο στην εκροή [5]. Αυτό επιτυγχάνεται µε µεταβολές στην δοµή του τρανζίστορ στην περιοχή της εκροής : εκροή µε µικρό ποσοστό προσµίξεων (LDD) [6], µε περιοχή αποµόνωσης-µείωσης πεδίου µεταξύ εκροής και καναλιού [7], µε πολλαπλές πύλες [8], µε υπέρ-καλυµµένη πύλη LDD [9], µε χωρισµένοLDD [10], όπου ο έλεγχος του Kinkε- πιτυγχάνεται µε την µείωση του παρασιτικού ϱεύµατος διπολικού τρανζίστορ, και τέλος µε την ασύµµετρη-δακτυλοειδή δοµή που έχει τα καλύτερα αποτελέσµατα [11, 12].

Η µελέτη των τρανζίστορ λεπτού υµενίου έχει ενταθεί την τελευταία εικοσαετία, κυρίως για τα άµορϕου και πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Τα τελευταία χρόνια µάλιστα ξεκίνησαν έντονες προσπάθειες και για τα οργανικά τρανζίστορ λεπτού υµενίου. Αποτελέσµατα για τα πρώτα είναι εµϕανή και σε εµπορικές εϕαρµογές που έχουν κατακλύσει την αγορά, ενώ για τα δεύτερα κάποια πρωτότυπα µοντέλα έχουν κάνει την εµϕάνιση τους το τελευταίο διάστηµα, υπερτονίζοντας τα πλεονεκτήµατα τους έναντι των πρώτων. Τα άµορϕα τρανζίστορ κυριάρχησαν στα πάνελ των LCDοθονών έναντι των πολυκρυσταλλικών αν και τα τελευταία έχουν καλύτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που οϕείλονται στην µεγαλύτερη ευκινησία. ΄Οµως το τοπίο είναι πιθανόν να αλλάξει µιας και η νέα τεχνολογία OLED χρειάζεται ϱεύµα για να οδηγηθεί και όχι τάση όπως τα LCD. Τα πολυκρυσταλλικά λοιπόν τρανζίστορ υπερτερούν στην οδήγηση των πηγών εκποµπής φωτός στην περίπτωση τωνOLED[13, 14].

Η οδήγηση των στοιχείων εκποµπής φωτός, είτε πρόκειται για LCDείτε γιαOLED, γίνεται µε εξειδικευµένα κυκλώµατα που ονοµάζονται κυκλώµατα οδηγοί (pixel driver) εικονοστοιχεί- ων. Ο ϐασικός τους διαχωρισµός είναι σε 2 κατηγορίες και εξαρτάται από το πως πηγαίνει η πληροϕορία στο οδηγό : σε αυτά που οδηγούνται από ϱεύµα και σε αυτά που οδηγούνται από τάση. Επιπλέον µπορούν να χωριστούν και σε επιµέρους κατηγορίες : σε αυτά που οδηγούν στο χρόνο [18], σε αυτά που οδηγούν µε διαµόρϕωση πλάτους του παλµού [19], δηλαδή κατά κάποιο τρόπο σε ψηϕιακές µεθόδους [20] όπως και οι TRG,SESκαι DPSπου ϑα αναλυθούν αργότερα. Σηµαντικό ϱόλο στο είδος του κυκλώµατος οδήγησης παίζει και το είδος της µήτρας των εικονοστοιχείων επάνω στο πάνελ της οθόνης. Η µήτρα των εικονοστοιχείων µπορεί να είναι παθητικού ή ενεργού τύπου. Παρόλο που οι παθητικές µήτρες έχουν µικρότερο κόστος, απλή κατασκευή και εύκολη οδήγηση οι ενεργές µήτρες είναι αυτές που έχουν επικρατήσει [18].

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 8

Αυτό οϕείλεται στις συνεχώς αυξανόµενες ανάγκες για µεγαλύτερου µεγέθους και ανάλυσης οθόνες.

Τα περισσότερα κυκλώµατα οδήγησης ανήκουν στις δυο ϐασικές κατηγορίες οδήγησης µε ϱεύµα ή τάση. Το καθένα έχει τα µειονεκτήµατα και τα πλεονεκτήµατα του. Τα κυκλώµα- τα οδήγησης µε τάση δεν κάνουν συνήθως αντιστάθµιση στην διασπορά της ευκινησίας, που παρουσιάζεται από τρανζίστορ σε τρανζίστορ κάθε εικονοστοιχείου, µε εξαίρεση µια τεχνική µε ανάδραση που το επιτυγχάνει [21]. Οι οδηγοί, που έχουν σαν είσοδο ϱεύµα, εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από κάποιο είδος καθρέπτη, οπότε οι ανοµοιοµορϕίες στα Ϲεύγη των τρανζίστορ αυτών δηµιουργούν πρόβληµα στην αναπαραγωγή του ϱεύµατος [22]. Επίσης, έχουν µεγά- λο χρόνο αποκατάστασης για µικρά ϱεύµατα εισόδου γεγονός, που τα καθιστά ακατάλληλα για µήτρες µεγάλων αναλύσεων, λόγω της µεγάλης παρασιτικής χωρητικότητας των γραµµών δεδοµένων τους [23]. ΄Ολα τα προαναϕερθέντα δεν κάνουν αντιστάθµιση, στην γενική µορϕή τους, στην γήρανση τουOLED. Κάποιοι οδηγοί µε είσοδο τάση [24]-[28] και κάποιοι άλλοι µε ανάδραση φωτός [29]-[33] έχουν αυτό το χαρακτηριστικό πλεονέκτηµα.

Βασικό κοµµάτι της παραγωγικής διαδικασίας αποτελεί η δοκιµή (Testing) καλής λειτουρ- γίας των µητρών TFT, ο εντοπισµός δηλαδή και η διόρθωση [15],[16] αν είναι δυνατή, ϐλαβών που προκαλούν την κακή λειτουργία των µητρών τρανζίστορ λεπτού υµενίου (TFT arrays). Οι δοκιµές των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων είναι απαραίτητες για την ποιότητα των προϊόντων που διατίθενται στην αγορά. Τα ελαττωµατικά προϊόντα δεν πρέπει να φτάνουν στις προθήκες των καταστηµάτων και στην κατοχή των καταναλωτών. Ο ϐαθµός και η σχολαστικότητα των δοκι- µών εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Κυρίως όµως από τα εξής : από την συνολική δαπάνη (budget) της εϕαρµογής και της εταιρίας/οργανισµού, από την κρισιµότητα της εϕαρµογής, (πχ εάν προορίζεται για στρατιωτική, διαστηµική ή ιατρική εϕαρµογή η αξιοπιστία της είναι στον υψηλότερο ϐαθµό), από την πιθανότητα εµϕάνισης συγκεκριµένων λαθών-δυσλειτουργιών.

Η δοκιµή µιας ψηϕίδας µπορεί να γίνει σε διάϕορα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας [17]:

• στο επίπεδο δισκίου

• στο επίπεδο συσκευασµένου ολοκληρωµένου

• στο επίπεδο πλακέτας

• στο επίπεδο συστήµατος

• στο χώρο εϕαρµογής του

Εντοπίζοντας ένα δυσλειτουργικό κύκλωµα στα πρώτα στάδια κατασκευής του µειώνεται το κόστος του. Ενδεικτικά το κόστος δοκιµής του στα πρώτα στάδια είναι της τάξης των∼^{0.5$, µε} ελάχιστο τα 0.01$στο χαµηλότερο επίπεδο δοκιµής, ενώ αν φτάσει στα τελευταία τότε ξεπερνάει τα ∼500$, µε µέγιστο τα 1000$ στο υψηλότερο επίπεδο δοκιµής. ∆ηλαδή το κόστος µπορεί να φτάσει και εκατό αλλά και χίλιες φορές µεγαλύτερο, σε µια αισιόδοξη πρόβλεψη. Ασϕαλώς πρέπει να αποϕευχθεί να γίνει τελικά η δοκιµή στο τελικό στάδιο για τους παραπάνω προϕανή οικονοµικούς λόγους, αλλά και για το όνοµα και την ¨καλή εικόνα¨ της εταιρίας.

Τέλος, οι δοκιµές κατατάσσονται σε δύο γενικές κατηγορίες [17]: δοκιµές λειτουργικότητας και δοκιµές κατασκευής. Πολλές φορές τα όρια τους είναι αρκετά δυσδιάκριτα µε αποτέλεσµα να εκτελούνται και οι δυο ταυτόχρονα. Στις πρώτες δοκιµές ελέγχεται η λειτουργία του ολοκλη- ϱωµένου, αν δηλ. κάνει αυτό για το οποίο σχεδιάστηκε. Στις δεύτερες ελέγχονται τα φυσικά εξαρτήµατα ξεχωριστά, αν δηλ. η φυσική κατασκευή τους (layout) είναι το επιδιωκόµενο.

Στην κλασσική πλέον ϐιοµηχανία AMLCD, ένας λόγος παραπάνω υπάρχει για να εντο- πίσουν ϐλάβες : έχουν την δυνατότητα πολλά από αυτά να τα επιδιορθώσουν. ΄Ετσι, έχουν

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 9

αναπτυχθεί αρκετές µεθοδολογίες/τεχνολογίες διερεύνησης ϐλαβών για τις µήτρεςTFT. Συγκε- κριµένα, µπορούν να κατηγοριοποιηθούν στις εξής :

• Μέθοδος ∆έσµης Ηλεκτρονίων (Electron Beam Scheme)

• Μέθοδος Ηλεκτρό-Οπτικής Ανίχνευσης Τάσεων (Voltage Imaging Scheme)

• Μέθοδος δοκιµής µε Ηλεκτρικές µετρήσεις (Electrical testing scheme)

Αν και µε τις δύο πρώτες µεθόδους είναι δυνατόν να ελεγχθούν όλα τα TFT σε ολόκληρο το υπόστρωµα, ανεξάρτητα από την κυκλωµατική τοπολογία του ολοκληρωµένου, µπορούν να εν- τοπίσουν µόνο ένα περιορισµένο αριθµό και συγκεκριµένο είδος ϐλαβών. Επιπλέον, για την σωστή λειτουργία τους απαιτείται µεγάλη ακρίβεια των οργάνων που χρησιµοποιούνται. Τέλος ο αυξηµένος χρόνος λειτουργίας τους περιορίζει την απόδοσή τους. Από την άλλη, αν και η µέθοδος ηλεκτρικού ελέγχου απαιτεί έναν µεγάλο αριθµό επαϕών (pin), αυτή η άµεση επαϕή και οι µετρήσεις που επιτυγχάνονται, µειώνουν τον χρόνο που απαιτείται για το έλεγχο και ταυ- τόχρονα επιτυγχάνεται ανάλυση περισσότερων παραµέτρων των τρανζίστορ και του κυκλώµατος [34].

Οι οργανικές φωτοδίοδοι έχουν κεντρίσει το ενδιαϕέρουν της ερευνητικής κοινότητας αλλά και της ϐιοµηχανίας, λόγω της δυνατότητας κατασκευής οθονών µε µικρούς χρόνους απόκρι- σης, µεγάλης γωνίας ϑέασης, µεγάλου λόγου αντίθεσης και χαµηλότερης κατανάλωσης. Επι- πρόσθετα, στην περίπτωση κατασκευής εύκαµπτων οθονών οι οργανικές φωτοδίοδοι φαίνεται να είναι η καλύτερη λύση λόγω της χαµηλής ϑερµοκρασίας επεξεργασίας και κατασκευής τους και φυσικά της ευκαµψίας τους [35].

Αν και υπάρχουν υλοποιήσεις όπου άµορϕα ή πολυκρυσταλλικά τρανζίστορ οδηγούν ορ- γανικές φωτοδιόδους [36, 37], η τεχνολογία τους δεν είναι απόλυτα συµβατή για κατασκευή εύκαµπτων οθονών ενεργής µήτρας µε οργανικές φωτοδιόδους, µιας και τα ανόργανα τραν- Ϲίστορ απαιτούν σχετικά υψηλές ϑερµοκρασίες (>250^oC) για την επεξεργασία και κατασκευή τους. Το ¨πλαστικό¨ όµως, που χρησιµοποιείται σαν υπόστρωµα, δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε τέτοιες ϑερµοκρασίες, και για αυτό τα οργανικά τρανζίστορ γίνονται απαραίτητα µιας και η ϑερµοκρασία κατασκευής τους είναι αρκετά χαµηλότερες (<180^oC).

΄Εχουν παρουσιαστεί οθόνες µε οργανικές φωτοδιόδους, οι οποίες οδηγούνται από οργα- νικά τρανζίστορ πάνω σε γυαλί [35] αλλά και σε πλαστικό [38]-[40]. Αυτά τα τρανζίστορ δεν έχουν εϕαρµογή µόνο σε οθόνες αλλά µπορούν να χρησιµοποιηθούν γενικότερα σε εύκαµπτες, µεγάλων διαστάσεων και χαµηλού κόστους ηλεκτρονικές συσκευές [41, 42]. Η ευκινησία των οργανικών τρανζίστορ έχει αυξηθεί σηµαντικά µε αποτέλεσµα να φτάσει αυτή του τρανζίστορ άµορϕου πυριτίου [43, 44]. Σε αυτά τα πλαίσια, τα οργανικά τρανζίστορ έχουν χρησιµοποιηθεί στην σχεδίαση και κατασκευή µονολιθικών κυκλωµάτων. Τα κυκλώµατα συµπληρωµατικής λογικής (CMOS) έχουν εύκολη σχεδίαση και µικρότερη κατανάλωση [45]-[46].

΄Εχουν προταθεί τον τελευταίο καιρό πολλά ψηϕιακά κυκλώµατα συµπληρωµατικής λο- γικής : Αντιστροϕείς [47]-[50] κατά πλειοψηϕία, αλλά και πύλες NANDκαι NOT, 5-επιπέδων ταλαντωτής [51]. Είναι εντυπωσιακό το γεγονός µάλιστα, ότι έχουν παρουσιαστεί κυκλώµατα που χρησιµοποιούν οργανικά παράγωγά για το διηλεκτρικό της πύλης, καθιστώντας τα πλήρως συµβατά µε εύκαµπτα υποστρώµατα. Τα κυκλώµατα λειτουργούν µε 3V και 5V και έχουν πολύ χαµηλή κατανάλωση 1nWανά πύλη [52]. Είναι προϕανές λοιπόν ότι τα οργανικά κυκλώ- µατα συµπληρωµατικής λογικής έχουν µεγάλες πιθανότητες να συµπεριληϕθούν σε φορητές συσκευές µε ανεξάρτητη τροϕοδοσία µικρών διαστάσεων µπαταριών.

Οι αντιστροϕείς συµπληρωµατικής λογικής είναι το ϐασικό κύκλωµα των ψηϕιακών υ- λοποιήσεων. Οι οργανικοί αντιστροϕείς απαιτούν υψηλό κέρδος, χαµηλή τάση τροϕοδοσίας, απουσία υστέρησης και υψηλές ταχύτητες εναλλαγής, ώστε να είναι χρήσιµα σε ολοκληρωµένα

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 10

κυκλώµατα. Το κέρδος του αντιστροϕέα υπολογίζεται ως η παράγωγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου : -dV_out/dV_in. Κατά συνέπεια, µεγαλύτερο κέρδος δίνει και µεγαλύτερο πε- ϱιθώριο ϑορύβου. Η ταχύτητα εναλλαγής των τρανζίστορ καθορίζεται από τον χρόνο µετάβασης των φορτίων χώρου του καναλιού και των χρόνων φόρτισης και εκϕόρτισης της χωρητικότητας πύλης. Εποµένως, η επίτευξη µεγάλης ευκινησίας από τα τρανζίστορ και η σµίκρυνση των διαστάσεών τους είναι πρώτη προτεραιότητα.

Επιπρόσθετα, λόγω της διαϕοράς στην απόδοση των οργανικών τρανζίστορ τύπου nκαι p υπάρχει στους περισσότερους αντιστροϕείς, που έχουν παρουσιαστεί, µη συµµετρική µετάβαση από την’ON’κατάσταση στην’OFF’. Γενικά, ενώ είναι σήµερα παραδεκτό ότι τα τύπουpοργα- νικά τρανζίστορ ϑα κατασκευάζονται από πεντακένιο (Pentacene), στα τύπουnυπάρχει ακόµα µεγάλο πρόβληµα και γίνεται εκτεταµένη έρευνα για την εύρεση του κατάλληλου οργανικού υλικού. Μικρές ευκινησίες και µικρά ϱεύµατα είναι σε γενικές γραµµές τα προβληµατικά χαρακτηριστικά των τύπουnοργανικών τρανζίστορ, που έχουν προταθεί.

1.2 Η Συµβολή της ∆ιατριβής

Η συµβολή της διατριβής εκτείνεται σε τέσσερις ενότητες. Στην πρώτη, µελετήθηκε, µετρήθηκε και µοντελοποιήθηκε η επίδραση της οπτικής ακτινοβολίας στην συµπεριϕορά (λειτουργία) των πολυκρυσταλλικών τρανζίστορ λεπτού υµενίου. Στη δεύτερη σχεδιάστηκε και προσοµοιώθηκε ένα νέο κύκλωµα οδήγησης οργανικής φωτοδιόδου µε ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας και την χρήση του µοντέλου επίδρασης οπτικής ακτινοβολίας στα poly-Si TFT. Στη τρίτη µελετήθηκε και προτάθηκε µια νέα µέθοδος ανίχνευσης ϐλαβών για κυκλώµατα οδήγησης εικονοστοιχείων και στη τέταρτη κατασκευάσθηκαν και προσοµοιώθηκαν οργανικά τρανζίστορ τύπου n και p καθώς και οργανικοί αντιστροϕείς συµπληρωµατικής λογικής.

Μελέτες της επίδρασης της οπτικής ακτινοβολίας στο πολυκρυσταλλικό υλικό έχουν δηµο- σιευτεί στο παρελθόν. Η κάθε µία αντιµετωπίζει το φαινόµενο µε διαϕορετικά δεδοµένα και υποθέσεις και δίνει κάποιες σχέσεις που περιγράϕουν την συµπεριϕορά της ευκινησίας των φορέων [53]-[55], του ϱεύµατος [56], της αγωγιµότητας [53, 57, 58], τις συγκεντρώσεις φορέων [59] και άλλων φυσικών µεγεθών [60, 61] κυρίως συναρτήσει του ϱυθµού ¨ϕωτοπαραγωγής¨

(photogeneration) ανά µοναδιαίο µέγεθος ή γενικότερα σε συγκεκριµένη ένταση οπτικής ακτι- νοβολίας (32000 µε 130000lx) αντίστοιχης αυτής του ήλιου. Είναι λοιπόν φανερό ότι οι µελέτες αυτές είχαν κυρίως απώτερο σκοπό την ανάπτυξη των ηλιακών κυψελών. Το κενό της µελέτης της επίδρασης της οπτικής ακτινοβολίας ειδικότερα σε τρανζίστορ λεπτού υµενίου µε κανάλι από πολυκρυσταλλικού πυριτίου (poly-Si) αλλά και την προσοµοίωση του σε πρόγραµµα προ- σοµοίωσης ηλεκτρικών κυκλωµάτων καλύπτεται από αυτά που παρουσιάζονται στην συνέχεια.

Η επίδραση του λευκού φωτός στο πολυκρυσταλλικό κανάλι των υπό µελέτη τρανζίστορ εκ- φράζεται µακροσκοπικά µε την αύξηση του ϱεύµατος εκροής-πηγής (Drain-Source). Η µελέτη αυτή επικεντρώνεται στον χαρακτηρισµό του ϱεύµατος αυτού και στην µοντελοποίηση του µε µια ενιαία µαθηµατική σχέση. Οι µετρήσεις έγιναν υπό διαϕορετικές συνθήκες πόλωσης του τρανζίστορ αλλά και σε διάϕορα επίπεδα φωτισµού. Επίσης, χρησιµοποιήθηκαν διαϕορετικού µεγέθους τρανζίστορ, ώστε να µελετηθεί και η εξάρτηση της αύξησης του ϱεύµατος από την επιϕάνεια του καναλιού. Αρχικά, η επίδραση αυτή εκϕράζεται µε ένα καθαρά µαθηµατικό µοντέλο ακριβούς αποτύπωσης της αύξησης του ϱεύµατος για τα πολυκρυσταλλικά τρανζίστορ τύπου n. Αργότερα, αϕού έγιναν και µετρήσεις σε τύπου pπολυκρυσταλλικά τρανζίστορ, υπό τις ίδιες συνθήκες, διατυπώνεται µια νέα ηµι-εµπειρική σχέση, η οποία περιλαµβάνει και τους δύο τύπους για ένα µεγάλο εύρος πολώσεων, φωτισµού αλλά και µεγεθών των τρανζίστορ. Η δεύτερη σχέση που προκύπτει γίνεται απλούστερη και πιο κατανοητή από φυσικής άποψης.

Τα επίπεδα οπτικής ακτινοβολίας µετρήθηκαν µε φορητό µετρητή LUX που τοποθετήθηκε δί-

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 11

πλα στα δείγµατα των τρανζίστορ και κάτω από την πηγή του φωτός. Και οι δύο σχέσεις που προκύπτουν επαληθεύονται µε τις µετρήσεις και εισήχθηκαν σε κώδικα προγράµµατος ανάλυ- σης κυκλωµάτων (SPICE) ώστε να χρησιµοποιηθούν σε προσοµοίωση αναλογικών κυκλωµάτων.

Η σωστή λειτουργία του επαληθεύεται αρχικά µε απλά κυκλώµατα οδήγησης µε ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας και αργότερα µε πιο σύνθετα.

Στη δεύτερη ενότητα, και αϕού έχει επαληθευτεί η σωστή λειτουργία του µοντέλου επί- δρασης οπτικής ακτινοβολίας για τα πολυκρυσταλλικά τρανζίστορ στο προσοµοιωτή SPICE, σχεδιάζεται ϐελτιωµένο κύκλωµα οδηγού εικονοστοιχείου OLEDµε ανάδραση οπτικής ακτινο- ϐολίας. Τα κυκλώµατα οδήγησης εικονοστοιχείου OLED µε ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας έχουν τα πλεονεκτήµατα των προγενέστερων κυκλωµάτων οδήγησης µε τάση (αντιστάθµιση της διακύµανσης της τάσης κατωϕλίου) συν του ότι αντισταθµίζουν την γήρανση της οργανικής φω- τοδιόδου. Η γήρανση της φωτοδιόδου µε το οξυγόνο, το φως και την υγρασία [62] είναι ϐασικό πρόβληµα, που παρουσιάζεται σε αυτά τα στοιχεία και είναι απαραίτητο να αντιµετωπισθεί, λόγω του ότι µειώνει την ποιότητα εκποµπής φωτός και τον χρόνο Ϲωής τους. Σηµειώνεται εδώ ότι και το ¨πακετάρισµα¨ τουOLEDδεν είναι µια εύκολη διαδικασία και δεν έχει πάντα τα επιθυµητά αποτελέσµατα. Για την προσοµοίωση της επίδρασης της οπτικής ακτινοβολίας στο τρανζίστορ- αισθητήρα του κυκλώµατος χρησιµοποιείται το µοντέλο επίδρασης οπτικής ακτινοβολίας στα poly-Si TFT που προτείνεται.

Το ϐασικό πρόβληµα, που εντοπίστηκε σε όλα τα κυκλώµατα οδήγησης εικονοστοιχείου OLED µε ανάδραση φωτός [30]-[31], είναι ότι το εύρος εισόδου τους είναι περιορισµένο. Ο περιορισµός τίθεται από την τάση κατωϕλίου του τρανζίστορ ¨εισόδου¨. ∆ηλαδή, το πρόβλη- µα προκύπτει από τα φυσικά χαρακτηριστικά των τρανζίστορ, γεγονός το οποίο µεγιστοποιεί το πρόβληµα για την λειτουργία των κυκλωµάτων αυτών µε την ϐελτίωση των πολυκρυσταλλι- κών τρανζίστορ και την αναµενόµενη µείωση της τάσης κατωϕλίου τους. Με την σχεδίαση που προτάθηκε παραµερίζεται το πρόβληµα που µόλις επισηµάνθηκε. Με την νέα σχεδίαση διατη- ϱείται επίσης και το πλεονέκτηµα των παλιότερων : γραµµικότητα εισόδου-εξόδου, αντιστάθµιση στην διακύµανση της τάση κατωϕλίου του τρανζίστορ εξόδου, ανοχή σε γενικές µεταβολές τε- χνολογικών παραµέτρων. Επιπρόσθετα, µειώνεται η πολυπλοκότητα του κυκλώµατος, αϕού χρησιµοποιούνται λιγότερα τρανζίστορ αλλά και γραµµές ελέγχου. Η οργανική φωτοδίοδος χρησιµοποιείται σε διαϕορετική ϑέση και µε διαϕορετική µορϕολογία. Το κύκλωµα ελέγχεται εξονυχιστικά µε προσοµοιώσεις Monte Carloγια διάϕορα κρίσιµα µεγέθη : διαστάσεις τρανζί- στορ, διακύµανση τάσης κατωϕλίου, ϑερµοκρασίες και επαληθεύεται η σωστή λειτουργία του.

Τέλος, η προσοµοίωση της οργανικής φωτοδιόδου γίνεται µε πηγή ϱεύµατος εξαρτώµενη α- πό τάση. Η σχέση που δίνει το ϱεύµα είναι πολυωνυµική και προέκυψε από προσαρµογή παραµέτρων (fitting) σε πραγµατικές µετρήσεις στοιχείουOLED.

Στην τρίτη ενότητα της διατριβής γίνεται προσπάθεια ανάπτυξης µεθόδου ανίχνευσης ϐλα- ϐών σε κυκλώµατα οδήγησης για εικονοστοιχεία οργανικών φωτοδιόδων. Η µέθοδος που ανα- πτύχθηκε ανήκει στην κατηγόρια των µεθόδων δοκιµής µε ηλεκτρικές µετρήσεις, όπως ορίστη- καν παραπάνω. ∆υο ακόµα µέθοδοι έχουν παρουσιαστεί σε αυτήν την κατηγορία αποκλειστικά για µήτρες οργανικών φωτοδιόδων [63, 64].

Στην πρώτη µέθοδο ανίχνευσης ϐλαβών [63] προστίθεται ένας επιπλέον πυκνωτής σε κάθε εικονοστοιχείο της µήτρας. Η µέθοδος εϕαρµόζεται πριν την απόθεση της οργανικής φωτοδιό- δου. ΄Ετσι ναι µεν το κόστος ϑα είναι µικρότερο, εάν προκύψει ελαττωµατικό εικονοστοιχείο, αλλά στην περίπτωση όπου χρησιµοποιείται ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας είναι αδύνατο να ελεγχθεί πλήρως η λειτουργικότητα του κυκλώµατος οδήγησης. Η λειτουργία του κυκλώµατος µε ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας εξαρτάται πλήρως από την σωστή λειτουργία της ανάδρα- σης. Επιπλέον, εκτός αυτού, είναι προϕανές ότι µε την προσθήκη του πυκνωτή, όσο µικρός και αν είναι, χάνεται πολύτιµος χώρος σε κάθε εικονοστοιχείο οποιοδήποτε τύπου. Η εξοικο-

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 12

νόµηση χώρου σε κάθε εικονοστοιχείο είναι κρίσιµος παράγοντας µιας και στις µήτρες στις οποίες οι οργανικές φωτοδίοδοι ϐρίσκονται δίπλα και στο ίδιο επίπεδο µε τα κυκλώµατα οδή- γησης το κάθε ηµιαγωγικό στοιχείο επιπλέον µειώνει αντίστοιχα την επιϕάνεια της οργανικής φωτοδιόδου, δηλαδή την επιϕάνεια εκποµπής φωτός, δηλαδή την παραγόµενη φωτεινότητα.

Το λεγόµενο ΄aspect ratio΄ είναι ο λόγος της επιϕάνειας της οργανικής φωτοδιόδου έναντι της συνολικής επιϕάνειας του εικονοστοιχείου, και αποτελεί µετρήσιµο δείκτη. Ακόµα και στην νέα τεχνολογία όπου οι οργανικές φωτοδίοδοι ϐρίσκονται ¨επάνω¨ από τα κυκλώµατα οδήγησης, η συνεχώς αυξανοµένη ανάγκη για µεγαλύτερες αναλύσεις οδηγεί σε µικρότερα εικονοστοιχεία που επιτάσσει χρήση λιγότερων και µικρότερων στοιχείων : τρανζίστορ και πυκνωτών. Τέλος, ο πυκνωτής µεγαλώνει την χωρητικότητα της γραµµής όταν αυτή διευθυνσιοδοτείται από τις γραµµές δεδοµένων, οπότε µεγαλώνει και την ανάγκη για ϱεύµα που είτε σηµαίνει µεγαλύτερο χρόνο διευθυνσιοδότησης, που έρχεται σε αντίθεση µε την αύξηση της ανάλυσης, είτε µεγαλύ- τερες απόλυτες τιµές ϱευµάτων. Το τελευταίο ϑα προκαλέσει την επανασχεδίαση της οργανικής φωτοδιόδου, µιας και ο κανόνας λέει ότι όσο µεγαλύτερα ϱεύµατα οδηγούν µια φωτοδίοδο τόσο µεγαλύτερη είναι η φθορά της.

Στην δεύτερη µέθοδο ανίχνευσης ϐλαβών [64] εξακολουθεί να είναι απαραίτητη προϋπό- ϑεση η εϕαρµογή της πριν την απόθεση της οργανικής φωτοδιόδου, οπότε κρίνεται γενικά ακατάλληλη για την περίπτωση που µελετήθηκε. Επιπλέον, η µέθοδος εϕαρµόζεται ανά ο- µάδες εικονοστοιχείων, γεγονός που ελαχιστοποιεί πολύ τις ανοχές των ορίων της ανίχνευσης, κάτι το οποίο δεν το υπολογίζουν οι συγγραϕείς. Αναϕέρονται και υπολογίζουν απόλυτες τι- µές ϱευµάτων χωρίς να µελετούν τυχόν διακυµάνσεις σε κάθε ένα χωριστό εικονοστοιχείο, το οποίο µπορεί να προκαλέσει λανθασµένο χαρακτηρισµό µιας συσκευής υπό δοκιµή. Ασϕαλώς το κόστος για κάτι τέτοιο είναι πολύ µικρότερο απ΄ ότι να ϐγει στην αγορά µια ελαττωµατική συσκευή.

Η µέθοδος που προτείνεται στο πλαίσιο της διατριβής πληρεί τις ανάγκες για ανίχνευση ϐλα- ϐών, µε διαγνωσιµότητα µέχρι και 96%, σε µήτρες µε εικονοστοιχεία οργανικές φωτοδιόδους µε ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας. Η µέθοδος περιλαµβάνει δυο φάσεις : την φάση προετοι- µασίας (offline), στην οποία συλλέγονται οι µετρήσεις ή προσοµοιώσεις ώστε να καθοριστούν τα όρια των µετρήσεων για την ανίχνευση των ϐλαβών και στην κύρια φάση (online), στην οποία γίνεται η εξέταση των εικονοστοιχείων της κάθε µήτρας. Η µέθοδος ϐασίζεται στην µέτρηση του ϱεύµατος εξόδου (Ipixel) του κάθε εικονοστοιχείου και τον υπολογισµού του ολοκληρώµατος του σε ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα (τ). Επίσης, προτείνεται ένα πρακτικό κύκλωµα µέτρησης του ϱεύµατος εξόδου του εικονοστοιχείου και υπολογισµού του ολοκληρώµατος, µε δεδοµένη την ιδιαιτερότητα του κυκλώµατος να παράγει πολύ µικρά ϱεύµατα (µικρότερα από 60µΑ). Το µέγιστο της διαγνωσιµότητας που επιτυγχάνεται είναι 96% χρησιµοποιώντας µόνο 2 τάσεις εισόδου για το κύκλωµα και στο 1/35 (0.5ms) του καρέ µιας µήτρας (17ms) µε ϱυθµό ανανέωσης 60Hzκαι ανάλυση 1024x768.

Στο τελευταίο µέρος της διατριβής µελετούνται τα οργανικά τρανζίστορ και εϕαρµογές τους.

Λόγω της επερχόµενης ανάγκης για εύκαµπτες συσκευές, και όχι µόνο, η Ϲήτηση τους έχει αυξηθεί. Μετά λοιπόν την παρουσίαση κυκλωµάτων οδηγών µέσα σε εικονοστοιχεία για εϕαρ- µογές οθονών, η έρευνα στρέϕεται και στα περιϕερειακά κυκλώµατα, τα οποία είναι πιθανόν να χρειαστούν, όχι µόνο σε οθόνες, αλλά και σε άλλες φορητές, κυρίως, εϕαρµογές. ΄Οπως αναϕέρθηκε και παραπάνω, για κατασκευή κυκλωµάτων επάνω σε πλαστικό είναι απαραίτητο η ϑερµοκρασία επεξεργασίας να είναι µικρότερη από 250^oC, γεγονός, που καθιστά τα οργανι- κά τρανζίστορ ιδανικά για τέτοιες κατασκευές. Η χρήση οργανικών συσκευών δεν περιορίζεται µόνο σε ηλεκτρονικές συσκευές, αλλά και σε ηλιακές κυψέλες [65]-[67], σε µπαταρίες [68]-[70]

κ.α.

Ο απώτερος σκοπός της έρευνας ήταν η κατασκευή οργανικών αντιστροϕέων συµπληρωµα-

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 13

τικής λογικής µε διάϕορες διαστάσεις µήκους και πλάτους καναλιού αλλά και µε συµµετρική dcκαµπύλη εξόδου-εισόδου (µετάβασης απόONσεOFF). Αρχικά, γίνεται επιτυχής κατασκευή οργανικών τρανζίστορ µε ϑερµική εξάχνωση και εναπόθεση σε κενό (thermal vapor deposition) των υλικώνPentaceneκαιDP-PTCDI, PTCDI-C13για τύπουpκαιnαντίστοιχα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των τρανζίστορ ήταν µέτριας απόδοσης όπως δίνεται. Σε δεύτερη φάση, επιχει- ϱείται η κατασκευή µε τα ίδια υλικά, στο ίδιο πλακίδιο, µε τις ίδιες τεχνικές και µε µια νέα µάσκα ειδικά σχεδιασµένη για την ολοκλήρωση όλων των ϐηµάτων της κατασκευής, οργανικών αντιστροϕέων µε διαϕορετικά µήκη και πλάτη καναλιών. Η κατασκευή είναι επιτυχής και οι µετρήσεις δείχνουν την συµµετρική συµπεριϕορά των αντιστροϕέων.

Επιπρόσθετα, δεν υπάρχει καµία αναϕορά σε προσπάθεια προσοµοίωσης οργανικών κυ- κλωµάτων µε την χρήση µοντέλου για οργανικά τρανζίστορ. ΄Ετσι µε την χρήση σχετικά απλού µοντέλου (αποτελείται µόνο από 15 παραµέτρους [118]) για οργανικά τρανζίστορ, γίνεται αρχι- κά ο χαρακτηρισµός της τεχνολογίας από µετρήσεις των χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου των τρανζίστορ µε χρήση κλασσικών µεθόδων αλλά και µε την χρήση µιας τεχνικής ασαϕούς λογικής [119] για την ϐελτιστοποίησης των τιµών τους. Στην συνέχεια, το µοντέλο αυτό εισάγε- ται στο πρόγραµµα προσοµοίωσης κυκλωµάτωνCADENCE [71] χρησιµοποιώντας την γλώσσα περιγραϕής υλικού Verilog-A [72]. Οι προσοµοιώσεις που εκτελέστηκαν ήταν επιτυχείς, µιας και οι παράµετροι ήταν οι κατάλληλες. Υπάρχει πολύ καλή συµϕωνία των προσοµοιώσεων του οργανικού αντιστροϕέα, µε την χρήση των παραµέτρων που εξάγονται από τα µεµονωµένα ορ- γανικά τρανζίστορ, µε τα πειραµατικά δεδοµένα και τις πραγµατικές µετρήσεις του οργανικού αντιστροϕέα.

1.3 Οργάνωση της ∆ιατριβής

Η οργάνωση της διατριβής ακολουθεί την φυσική σειρά ολόκληρης της εργασίας που έγινε στα πλαίσια της και που ακολουθήθηκε και µέχρι τώρα στο αντικείµενο και την συµβολή της. Το κάθε αντικείµενο αποτελεί ένα κεϕάλαιο. Το κάθε κεϕάλαιο ξεκινάει µε αναλυτική αναϕορά και σχολιασµό ϐασικών προγενέστερων παρουσιάσεων σχετικά µε το αντικείµενο της ενότητας και ακολουθεί η πρωτότυπη εργασία της διατριβής. Η παρουσίαση της πρωτότυπης εργασίας γίνεται µε τα εξής ϐήµατα : εντοπίζονται τα κενά και τα µειονεκτήµατα προγενέστερων εργασιών, παρουσιάζεται η νέα ιδέα, αναλύεται και επαληθεύεται η λειτουργία της και δίνονται τα τελικά αποτελέσµατα και συµπεράσµατα από την εϕαρµογή της. ΄Ετσι, στην συνέχεια δίνεται µια σύνοψη για το τι περιέχουν τα κεϕάλαια της διατριβής.

Στο αµέσως επόµενο κεϕάλαιο, το δεύτερο, αναπτύσσονται τα µοντέλα που προέκυψαν από την µελέτη της επίδρασης τη οπτικής ακτινοβολίας στα poly-TFT. Οι µετρήσεις έγιναν και σε τύπου p αλλά και σε τύπου n TFT σε διάϕορα µεγέθη και υπό διάϕορες συνθήκες φωτισµού µετρηµένες σε LUX. Η µελέτη των δεδοµένων έγιναν µε MATLAB και κώδικα που αναπτύχθηκε για την επεξεργασία και µε το πρόγραµµα επεξεργασίας µετρήσεωνTableCurve 2D, ώστε να προκύψουν τα µαθηµατικά µοντέλα που περιγράϕουν την επίδραση του φωτός στα τρανζίστορ. Στην συνέχεια, προτείνεται µια κυκλωµατική δοµή για την εύκολη χρήση του µοντέλου στον προσοµοιωτή SPICE και στο τέλος δίνονται παραδείγµατα προσοµοίωσης µε απλά και πολύπλοκα κυκλώµατα οδήγησης εικονοστοιχείου, ώστε να επαληθευτεί η σωστή λειτουργία του µοντέλου σε σύγκριση πάντα µε πειραµατικά δεδοµένα αλλά και µε µαθηµατική προσοµοίωση στοMATLAB.

Στο τρίτο κεϕάλαιο παρουσιάζεται το νέο κύκλωµα οδήγησης εικονοστοιχείων φωτοδιόδων µε ανάδραση φωτός που σχεδιάστηκε. Αναϕέρονται τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα του έναντι των παλαιότερων κυκλωµάτων οδήγησης εικονοστοιχείου φωτοδιόδου µε ανάδραση ο- πτικής ακτινοβολίας. Βασικό του πλεονέκτηµα είναι ότι δεν εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά

ΚΕ֟ΑΛΑΙΟ 1. ΑΝΤΙΚşΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΥΜΒΟΛŸΗ ΤΗΣ ∆ΙΑΤΡΙŸΗΣ 14

της τεχνολογίας που χρησιµοποιείται, όπως τουλάχιστον οι προκάτοχοί του. Ταυτόχρονα δια- τηρεί την γραµµικότητα εισόδο-εξόδου, χαρακτηριστικό πολύ σηµαντικό για την λειτουργία του εικονοστοιχείου αλλά και ολόκληρης της ενεργής µήτρας και οθόνης. ∆ίνονται αναλυτικά ό- λα τα διαγράµµατα λειτουργίας και οι λεπτοµέρειες που αναδεικνύουν την ιδιαιτερότητα του κυκλώµατος.

Στο τέταρτο κεϕάλαιο αναλύονται οι µέθοδοι ανίχνευσης ϐλαβών που έχουν αναπτυχθεί µέ- χρι σήµερα και αναϕέρονται τα µειονεκτήµατα και τα πλεονεκτήµατά που παρουσιάζουν. Είναι προϕανές ότι η συνεχής εξέλιξη των τεχνολογιών και η συνεχής αύξηση της πολυπλοκότητας των κυκλωµάτων δυσκολεύει ακόµα περισσότερο την δουλειά του µηχανικού δοκιµών. Ταυτό- χρονα γίνεται και ακόµα πιο επιτακτική η ανάγκη για νέες µεθόδους, πιο εύχρηστες, γρήγορες αλλά και αξιόπιστες. ΄Ετσι, στο πλαίσιο της διατριβής παρουσιάζεται µια νέα µεθοδολογία για την ανίχνευση σϕαλµάτων σε κυκλώµατα οδήγησης εικονοστοιχείων OLED. Στην συνέχεια, δί- νονται αναλυτικά τα ϐήµατα που χρειάζονται να ακολουθηθούν για την εϕαρµογή της. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσµατα της σε εϕαρµογή στο κυκλώµατα οδήγησης OLEDµε ανάδραση οπτικής ακτινοβολίας που παρουσιάζεται στο τέταρτο κεϕάλαιο.

Στον πέµπτο κεϕάλαιο παρουσιάζεται η εργασία επάνω στα οργανικά ηλεκτρονικά. Παρου- σιάζονται αναλυτικά η διαδικασία κατασκευής των οργανικών στοιχείων και κυκλωµάτων : τραν- Ϲίστορ τύπου pκαιnκαι οργανικός αντιστροϕέας συµπληρωµατικής λογικής (complementary inverter) µε διάϕορα µεγέθη πλάτους και µήκους καναλιού. Η κατασκευή έγινε στο εργα- στήριο της Πολυτεχνικής Σχολής της Καταλωνίας στη Βαρκελώνη (Universitat Polytecnica de Catalunya [117]).

Στο έκτο κεϕάλαιο παρατίθενται εν συντοµία τα συµπεράσµατα των επιµέρους εργασιών και δίνεται µια γενική εκτίµηση για το σύνολο της διατριβής και τις πιθανές προεκτάσεις της.

Βασιζόµενη στις προεκτάσεις αυτές γίνονται προτάσεις για µελλοντικές εργασίες και ερευνη- τικές δραστηριότητες στο πεδίο των τρανζίστορ λεπτού υµενίου και ηλεκτρονικών στοιχείων.

Ακολουθούν τα Παραρτήµατα µε τους κώδικέςSPICEπου χρησιµοποιήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής και της µεθόδου κατασκευής της µάσκας για την κατασκευή του αντιστροϕέα, οι δη- µοσιεύσεις που έγιναν από την διατριβή και κάποια ορολογία που χρησιµοποιήθηκε στο σύνολο της διατριβής. Στο τέλος ϐρίσκεται η ϐιβλιογραϕία, ο κατάλογος σχηµάτων αλλά και πινάκων.

Κεϕάλαιο 2

Επίδραση Φωτός στα poly-Si TFT

Στο κεϕάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι µετρήσεις πολυκρυσταλλικών τρανζίστορ λεπτού υµε- νίου (poly-Si TFT) στο σκοτάδι αλλά και σε διάϕορα επίπεδα φωτισµού (οπτικής ακτινοβολί- ας). Τα τρανζίστορ που χρησιµοποιήθηκαν ήταν διαϕόρων µεγεθών, από 10/4µm µέχρι και 100/50µm, και των δύο τύπωνp και n. Επίσης, παρουσιάζεται το µοντέλο επίδρασης φωτός στα poly-Si TFTπου ϐασίζεται στην ανάλυση των µετρήσεων.

Εισαγωγικά γίνεται αναϕορά γενικότερα για ταpoly-Si TFT, τις ιδιαιτερότητές τους έναντι των κλασσικών µονοκρυσταλλικού πυριτίου (MOSFET) τρανζίστορ αλλά και των άλλων κατηγο- ϱιών τρανζίστορ λεπτού υµενίου : άµορϕου πυριτίου, νανοκρυσταλλικού πυριτίου. Στη δεύτερη παράγραϕο 2.2 γίνεται αναϕορά στις υπάρχουσες µελέτες για την επίδραση φωτός στο πολυ- κρυσταλλικό πυρίτιο. Στην τρίτη παράγραϕο 2.3 παρουσιάζονται οι µετρήσεις που έγιναν σε τρανζίστορ poly-Si και στην τελευταία παράγραϕο 2.4 παρουσιάζονται τα µοντέλα επίδρασης οπτικής ακτινοβολίας στα poly-Si TFTπου αναπτύχθηκε και γίνεται ο αναλυτικός σχολιασµός του.

2.1 Πολυκρυσταλλικά Τρανζίστορ Λεπτού Υµενίου

2.1.1 Ιστορικά

Την τελευταία 20ετία τα τρανζίστορ λεπτού υµενίου (TFT) έχουν γίνει το αλατοπίπερο της ϐιο- µηχανίας των επίπεδων οθονών, όπως και τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα (chips) πυριτίου στην επανάσταση των ηλεκτρονικών υπολογιστών. ∆εκάδες ϐιοµηχανίες παράγουν σήµερα εκατον- τάδες εκατοµµύρια οθόνες