CN100397650C - 薄膜半导体器件、其驱动电路和使用它们的设备 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜半导体器件，包括：温度传感器，由薄膜半导体形成且用于将温度传感为电流；以及电流电压转换器，由薄膜半导体形成且具有其电流电压特性不同于所述温度传感器的电流电压特性的温度相关性。由所述电流电压转换器将由所述温度传感器传感到的温度转换为电压。

Description

薄膜半导体器件、其驱动电路和使用它们的设备
技术领域
本发明涉及一种薄膜半导体器件、其驱动电路和包括它们且在对它们进行操作时使用温度信息的设备。
背景技术
已经将温度传感器设置在显示设备的外部以允许对液晶显示器的驱动波形的温度相关校正。主要使用了热敏电阻、铂电阻温度计、热电偶、利用带隙的具有pn结二极管的温度传感器、SAW(表面声波)温度传感器、热敏磁性物质、以及利用红外线的辐射温度计。具有pn结二极管的温度传感器较为便宜且对温度具有高线性，其正在得到广泛地使用。正在进行用对透射率或反射率的光测量来替代温度传感器的尝试。光电二极管和光电导管正在用于这样的光测量。
现有技术的温度传感器具有一些问题。当温度传感器位于显示设备外部时，液晶部分的指示温度实际上仅为估计值，这是因为并未直接测量在支持衬底之间保持的液晶部分的温度。这将利用图1来详细描述。图1示出了将两个温度传感器83设置在通过将液晶908保持在玻璃衬底10和29之间而制造的液晶显示器的外部的结构。在该结构中，对玻璃衬底29的左下侧进行加热到100℃，玻璃衬底10侧到20℃，且玻璃衬底29的右上侧的背表面到35℃。作为温度分布的反映，25到65℃的温度分布出现在液晶908中。另一方面，温度传感器的输出处于20℃和35℃。不能够正确识别液晶部分的温度。问题显然在于将背光的光源设置在一侧处的侧光结构。在其他结构中，温度分布根据设备的一部分是不同的。将温度传感器置于显示器的外部难以在对液晶进行操作时正确地测量温度。
还已经考虑了将温度传感器包括在显示设备中。在JP2000-338518(对比文件1)中，使用了在与用于驱动液晶的薄膜晶体管相同的衬底上形成的温度传感器件。图2A和2B示出了其等效电路。图2A示出了由栅极电极与漏极电极或源极电极短路的薄膜晶体管4构成的等效电路。图2B示出了由薄膜二极管5构成的等效电路。在参考文献1中，位于外部的恒流源与温度传感器件的两端相连以对温度进行传感。通常的考虑是，使用在与形成温度传感器的相同衬底上形成的电流源能够消除任何噪声问题。当电流恒定时，施加到二极管两端上的电压取决于环境温度。该文献显示：能够根据漏极源极电压来传感温度。与显示器外部的温度传感器相比，使用在液晶显示设备中制造的薄膜二极管的该温度传感器测量非常接近于液晶自身温度的温度。然而，电流源位于设备的外部，易于受到来自外部设备的噪声的影响。温度传感器需要传感几个到几十纳安的非常小的电流。因此，不能够避免由于电流源的外部化而造成的精度降低。而且，与使用块硅的半导体相比，由非晶硅、多晶硅和CG硅表示的薄膜半导体不能够令人满意地形成pn结部分。参考电压易于发生改变，并且所传感的温度会发生改变。
通常的考虑是：在与温度传感器相同的衬底上形成电流源能够解决任何噪声问题。然而，当将电流源和温度传感器形成在相同的衬底上时，其具有与温度变化相等的电流变化，从而消除了彼此的变化。因此，难以对温度变化进行传感。
Yannis Tsividis在由其所写的“Operation and Modeling of TheMOS Transistor”第二版WCB/McGraw-Hill的第183到190页已经报告了：由块硅制成的晶体管的栅极电压-漏极电流特性表现为对栅极电压的不同温度相关性。如图3所示，作为示例，在0.9V的栅极电压附近(大约为0.5V的阈值的两倍)几乎看不到由块硅制成的晶体管的漏极电流的温度相关性。在低于栅极电压的区域中，随着温度的增加，漏极电流变高。在高于栅极电压的区域中，随着温度减小，漏极电流变高。在块硅中，在相同的衬底上制造作为温度传感器的晶体管和作为恒流源的晶体管。在具有温度相关性的栅极电压区域中，对作为温度传感器的晶体管进行驱动。由具有较小温度相关性的栅极电压区域来对作为恒流源的晶体管进行驱动。原则上，可以将温度变化传感为电压。
另一方面，用于液晶显示器的半导体层为非晶硅、多晶硅或CG硅，而非块硅。阈值分布在较宽的区域中，并且不能够唯一地确定。不同于由块硅制成的晶体管，难以根据阈值来设置栅极电压值。具有高精度的温度监视较为困难。
在薄膜半导体器件中，利用将温度传感器外部化、将温度传感器定位在内部而使电流电压转换器处于外部、或使温度传感器和恒流源均处于内部的方法任一个，仍旧难以以充分的精度来测量液晶的温度，从而控制液晶。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够取出温度作为电压的薄膜半导体器件。
本发明的另一目的是提出一种驱动薄膜半导体器件的方法。
本发明的另一目的是提出一种包括能够将温度传感为电压的薄膜半导体器件的设备，以便执行对与温度变化相对应的设备操作的控制。例如，提出了一种通过改变驱动电压以及根据温度的液晶显示器的光源驱动方法，在较宽的温度范围上执行令人满意的图像再现的液晶显示器。
根据本发明的薄膜半导体器件具有：温度传感器，由薄膜半导体形成且用于将温度传感为电流；以及电流电压转换器，由薄膜半导体形成且具有其电流电压特性不同于所述温度传感器的电流电压特性的温度相关性，其中由所述电流电压转换器将由所述温度传感器传感到的温度转换为电压。
根据本发明的这样构成的薄膜半导体器件能够通过由电流电压转换器将温度传感器中的温度相关电流转换为电压，表现出温度监视功能。根据本发明，温度传感器和电流电压转换器具有不同的温度相关性。尽管温度传感器和电流电压转换器均由相同的薄膜半导体制成，但是该配置能够以高精度来实现温度相关电压值。本发明人已经首先发现：在薄膜半导体器件中，其中栅极电压漏极电流特性与温度无关的栅极电压区域不仅存在于阈值附近，而且存在于其中使漏极电流饱和的饱和区域中，并且已经提出了本发明。
附图说明
图1是示出了在具有位于显示器外部的温度传感器的液晶显示器中的现有技术温度测量的问题的图；
图2A示出了现有技术温度传感器，其中图2A示出了二极管接法的薄膜晶体管，而图2B示出了薄膜二极管；
图3是示出了在改变由块硅技术制造的晶体管中的栅极电压时、漏极电压的温度相关性的图；
图4是示出了本发明第一实施例的薄膜半导体器件的图；
图5A、5B和5C是示出了本发明第一实施例的薄膜半导体器件的电路示例的图；
图6是示出了在改变由本发明第一实施例的薄膜半导体器件的多晶硅技术制成的薄膜晶体管中的栅极电压时、漏极电压的温度相关性的图；
图7是示出了在由根据本发明第一实施例的多晶硅技术制成的温度传感器的输入电压和输出电压之间的关系的温度相关性的图；
图8是示出了根据本发明的第一实施例，在5V的输入电压处、在温度传感器的温度和输出电压之间的关系的图；
图9是示出了使用比阈值大(或多)六倍的区域作为电流电压转换器2的控制电压，在薄膜晶体管器件的温度和输出电压之间的关系(15V的控制电压)的图；
图10是示出了在每一个温度处，在控制电压与阈值电压的比值和与5℃的温度变化相对应的输出电压变化之间的关系的图；
图11是示出了控制电压与阈值电压的比值、增益和线性度之间的关系的图；
图12是示出了由薄膜半导体器件对液晶显示器的驱动电路参考电压的反馈控制的功能方框图；
图13是示出了由薄膜半导体器件对液晶显示器的背光的控制的功能方框图；
图14是示出了在本发明第一实施例中使用的平面型多晶硅TFT开关的横截面结构的横截面图；
图15是示出了用于形成经由在漏极和源极电极中所使用的金属进行多晶硅和栅极电极的连接的、根据本发明第一实施例的薄膜晶体管器件的掩模图案的图；
图16是沿图15中的所制造的薄膜半导体器件的线A-A’所获取的横截面图；
图17是示出了用于形成直接进行多晶硅和栅极电极的连接的、根据本发明第一实施例的薄膜半导体器件的掩模图案的图；
图18是沿图17中的所制造的薄膜半导体器件的线B-B’所获取的横截面图；
图19是使用底部栅极TFT的薄膜半导体器件的横截面图；
图20A和20B是示出了在使用底部栅极TFT的薄膜半导体器件中制造源极和漏极区域的方法的图；
图21是示出了在改变由薄膜半导体器件的局部耗尽SOI技术制造的晶体管中的栅极电压时、漏极电压的温度相关性的图；
图22是示出了根据本发明第二实施例，在由局部耗尽SOI技术制成的温度传感器的输入电压和输出电压之间的关系的温度相关性的图；
图23是在改变由本发明第三实施例的薄膜半导体器件的全部耗尽SOI技术制造的晶体管中的栅极电压时、漏极电压的温度相关性的图；
图24是示出了根据本发明第三实施例，在由全部耗尽SOI技术制成的温度传感器的输入电压和输出电压之间的关系的温度相关性的图；
图25是示出了根据本发明第四实施例的放大部分的电路配置的图；
图26是示出了根据本发明第四实施例的放大部分的偏置电压和输出电压之间的关系的温度相关性的图；
图27是示出了在根据本发明第四实施例的放大部分的9.75V的偏置电压处，放大部分的温度和输出电压之间的关系的图；
图28示出了RF-ID设备的典型配置的顶视图；
图29示出了生物芯片的典型配置的顶视图；
图30是使用过驱动(overdrive)系统的液晶显示器的功能结构图；
图31是使用过驱动系统的液晶显示器的功能方框图；
图32是使用电容预测LUT(查找表)的过驱动电路的功能方框图；
图33是将薄膜半导体器件的反馈控制应用于场序彩色液晶显示器的功能结构图；
图34是场序彩色型液晶显示器的系统总体图；以及
图35是示出了在每一个温度处的输出电压与20℃处的输出电压的比值、以及在第一实施例和比较示例1中在水平轴上指示的温度的图。
具体实施方式
在典型的块硅技术中，将温度无关区域限制在等于阈值两倍的电压附近。另一方面，薄膜半导体晶体管的阈值在较宽的范围内变化。当使用阈值附近的区域作为电流电压转换器的操作电压时，电压的略微变化可以引起温度相关。当电压略微改变时，饱和区域中的温度无关特性不会发生改变。饱和区域的电压用作电流电压转换器的操作电压，而具有温度相关性的区域用作温度传感器的操作电压。可以由电流电压转换器将在温度传感器中所引起的电流变化传感为电压。
具体地，在根据本发明实施例的薄膜半导体器件中，电流电压转换器是薄膜晶体管，具有薄膜半导体层、将栅极电压施加到薄膜半导体层上的栅极电极、以及将电流传导到薄膜半导体层上的漏极电极和源极电极。为了将温度变化传感为电流，将栅极电压设置到饱和区域，其中使漏极电流饱和。优选地，栅极电压大于薄膜晶体管的阈值电压的三倍。作为温度传感器，可以使用二极管接法的薄膜晶体管或pn结二极管。
根据本发明的实施例，薄膜半导体器件在衬底上具有：用于驱动像素的薄膜晶体管阵列、温度传感器、以及与温度传感器相连且具有与温度传感器不同的温度相关性的电流电压转换器。能够获得以下薄膜半导体器件，该薄膜半导体器件能够将根据由温度传感器所传感的温度而改变的输出电流高精度地传感为电压，而不会由于电流电压转换器的温度特性而消除。利用这一点可以获得能够在较宽的温度范围上执行令人满意的图像再现的液晶显示器。
(第一实施例)
1、基本配置
如图4所示，本发明的该实施例具有以下基本特征：在相同的衬底上具有温度传感器1和电流电压转换器2。由电流电压转换器2将由于温度传感器1所传感的衬底的温度变化而引起的电流变化转换为电压。可以将衬底的温度变化观察为电压变化。
图5A是示出了这一点的示意图。温度传感器1和电流电压转换器2每一个均由薄膜晶体管(TFT)制成，并且形成在像素驱动TFT阵列衬底上。温度传感器1的栅极电极与源极电极短路，并且与电流电压转换器2的漏极电极相连。将恒定的负dc电压施加到温度传感器1的电源电极54。将恒定的输入电压施加到电流电压转换器2的输入电极52。然后，取决于衬底温度的电流流入温度传感器1。可以在输出电极53处将该电流监视为由控制电极51中的控制电压所确定的电压。
如图5B所示，使用薄膜半导体的pn结二极管作为温度传感器能够获得相同的功能。如图5C所示，没有使温度传感器1的栅极电极和源极电极短路，而将电压独立地施加到温度传感器1的栅极电极和电流电压转换器2的栅极电极以实现本发明。作为示例，薄膜晶体管的尺寸具有4μm的栅极长度和4μm的栅极宽度。使用多晶硅作为半导体层。
图6示出了这样的薄膜晶体管的漏极电流的栅极电压相关性示例。水平轴表示栅极电压而垂直轴以对数坐标图表示漏极电流。该薄膜晶体管具有0.9V的阈值电压。当将温度改变为-40℃、20℃和80℃时，在0.3V和12V的栅极电压处存在其中漏极电流与温度无关的区域。在0.3到12V的区域中，漏极电流随着温度的增加而减小。在大于12V的区域和小于0.3V的区域中，漏极电流随着温度的增加而增加。
2、当使用给出了与温度无关的漏极电流的控制电压时的特性
将与温度无关的区域用作用于驱动电流电压转换器2的薄膜晶体管的栅极电压(被称为控制电压)。0.3V处于阈值附近，从而该特性不能够稳定。因此，将控制电压设置在饱和区域的12V附近。
图7示出了当控制电压在图5A中为10V时的输入/输出电压特性。可以在2到8V的输入电压范围内获得温度相关性。在5V附近的温度灵敏度最高。图8示出了当将输入电压固定为5V时、输出电压对温度的变化。该输出电压对温度表现为令人满意的线性度。每开氏温度的电压上升值为1.5mV。由多晶硅技术制成的TFT的阈值会发生极大地变化。该实施例使用了充分大于该阈值的栅极电压，并且几乎不受阈值变化的影响。在图5B的配置中，可以获得几乎相同的结果。在图5C的配置中，控制电压为10V，而温度传感器1的栅极电压为3V，其中在图6中温度相关性较大。在这种情况下，能够获得几乎相同的结果。
3、当使用给出了其温度相关性与温度传感器的温度相关性相反的漏极电流的控制电压时的特性
作为电流电压转换器2的控制电压，将其中温度相关性与温度传感器1的温度相关性相反的等于阈值的六倍或更多倍的区域用于温度传感。作为示例，图9示出了当在图5C的配置中，将控制电压设置为15V，将温度传感器1的栅极电压设置到3V附近，且将输入电压设置为5V时，温度和输出电压之间的关系。电流电压转换器2的温度相关性与温度传感器1的温度相关性相反，如图6所示。由此，实现了具有与温度传感器1的温度相关性相反的温度相关性的温度传感。在这种情况下，输出电压也对温度表现出令人满意的线性度。每开氏温度的电压上升值为3.0mV。可以实现当使用给出了前一部分中的温度无关漏极电流的控制电压时所获得的灵敏度的大约两倍的灵敏度。
4、优化控制电压
为了确定温度传感器的最佳控制电压，检查温度灵敏度的控制电压相关性。通过改变控制电压与阈值电压的比值来测量输出电压相对于5℃的温度变化的改变。图10示出了其结果。水平轴表示控制电压与阈值电压的比值。垂直轴表示当温度以5℃改变时、输出电压的变化。其中控制电压与阈值电压的比值为2.0的条件是稍后所述的比较示例1的条件。当在该条件下改变温度时，几乎没有任何电压变化。在2.5的比值处，略微会出现电压变化；然而，该值太小而无法最佳用作温度传感器。在3.0的比值处，电压变化的平均值大约为0.5mV/K，并且能够实际作为温度传感器。在3.5的比值处，电压变化的平均值大约为1.1mV/K。在4.0的比值处，电压变化的平均值大约为1.5mV/K。当控制电压与阈值电压的比值为3或以上时，可以获得作为温度传感器的优选功能。进行增大改变控制电压与阈值电压的比值的范围的测量，用于回归分析处理。可以在更宽的范围内对电压比值和温度灵敏度之间的关系进行一般化。在该测量中，将输出电压变化与温度变化的平均比值定义为在测量到的温度范围中的增益。该增益对应于当将温度设置为水平轴而将输出电压设置为垂直轴时的回归系数，从而通过共线近似将回归分析应用于所获得的特性。在回归分析中的确定系数(被称为R2值)在回归线附近表现出测量值的发散。该确定系数表现出输出电压对温度的线性度。该值处于0到1的范围中。随着其接近于1，该线性度更为优选。
图11示出了当将控制电压与阈值电压的比值改变为0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、6.0和10.0时、增益和线性度之间的关系。当控制电压与阈值电压的比值为2.0时，输出电压值几乎是恒定的。在这种情况下，由水平轴来表示温度的回归分析不能够确定正确的确定系数。因此，并未绘制在2.0的比值处的线性度。如从图中可以理解，其中控制电压与阈值电压的比值小于1.0的区域获得了具有非常高的线性度的特性。如同在比值0.5中那样，存在其中获得了特定量的增益的条件。可以将该区域用作温度传感器。如以上所述，该区域明显地易于受到阈值电压的影响。当通过多晶硅技术来使用其时，测量误差变大。在比值2.5处，增益较低并且线性度并不这样令人满意。当控制电压与阈值电压的比值为3.0或以上时，该增益为每开氏温度0.5mV或以上，并且还获得了95％以上的线性度。在比值3.0或以上处，增益和线性度同时表现出令人满意的值。可以将该区域用作温度传感器。
不必连续施加控制电压，而作为替代，可以在需要温度信息的周期中，间歇地施加该控制电压。通过该间歇性访问，可以获得更低的功率消耗。在根据本发明的薄膜半导体器件中，当施加控制电压时，电流在输入电极和负电源电极之间流动。测量电流的温度变化以获得温度信息。作为控制电压的替代，施加使图5A的电流电压转换器的晶体管进入截止状态的电压。然后，在该电流电压转换器的晶体管中的电流几乎为零。同时，在温度传感器中并未流过电流，从而所消耗的电流几乎为零。当对象的温度变化几乎为每秒1℃时，每秒仅一个测量可以给出充分的温度信息。当在10毫秒的时间段中以每秒一次来测量温度时，间歇地施加控制电压将消耗电流减小为1/100。通过改变施加到控制电极上的电压而引起的截止状态的漏电流和电流消耗使实际电流消耗大约为1/25。
5、薄膜半导体器件的驱动控制
图12示出了将由薄膜半导体器件所获得的温度信息反馈到液晶显示驱动电路的参考电压的功能块的示例。液晶显示区由信号电极电路31和扫描电极电路32驱动。由控制电路36来控制这些电路的操作。由参考电压电路35所产生的参考电压来确定由信号电极驱动电路31所产生的信号的幅度。将本发明的薄膜半导体器件3设置在液晶显示区上。由来自薄膜半导体器件3的输出信号来控制参考电压35的信号幅度。可以根据温度来调节实际施加到液晶上的信号电压的幅度，以便获得与温度无关的图像质量。将由温度信息调节后的参考电压从参考电压电路35施加到液晶显示区和信号电极驱动电路31。可以根据温度来调节实际施加到液晶上的信号电压的幅度。
如图13所示，可以将从薄膜半导体器件3中输出的温度信息反馈到背光。为了使屏幕变亮，在该液晶显示器中，以从光源33中发出的光来照明该显示区。由控制电路36驱动的光源驱动电路34来控制光源33的亮度。将设置在液晶显示区上的薄膜半导体器件3的输出电压反馈到光源驱动电路34以根据温度变化来调节光源的亮度。当温度降低且液晶显示区的光效率减小时，该配置控制背光的亮度增加，以便减小降低的温度对图像再现的影响。
6、TFT制造方法
在该实施例中，将描述最广泛使用的利用多晶硅技术的TFT制造方法。这里，多晶硅技术是指在衬底上的绝缘膜上形成具有多晶硅结构的多晶硅薄膜的技术。
(1)基本制造方法
存在两种TFT结构：顶部栅极和底部栅极型。将利用图14来描述顶部栅极TFT的应用。将氧化硅膜28-1形成在玻璃衬底29上，然后形成非晶硅膜。在退火时使用准分子激光器来将非晶硅修改为多晶硅27。在对其进行图案之后，形成10nm的氧化硅膜28-2。对光刻胶形成图案，以使其略大于栅极形状(以便在稍后形成LDD区域23和24)。掺杂磷离子以形成源极区域和漏极区域。在使氧化硅膜28-2生长为栅极氧化膜之后，使作为栅极电极的非晶硅和硅化钨(WSi)生长。利用光刻胶掩模对这些膜形成图案形成了栅极电极。利用形成图案的光刻胶作为掩模，仅在所需区域中掺杂磷离子以形成LDD区域23和24。
使氧化硅膜28-3生长。形成通孔。通过溅射形成铝和钛，然后对其形成图案以形成源极电极26和漏极电极25。在整个衬底上形成氮化硅膜21，然后形成接触孔。在整个衬底上形成ITO膜，以便对其形成图案以形成透明像素电极22。
制造如图14所示的平面型TFT像素开关以形成TFT阵列。在玻璃衬底上形成具有TFT开关和扫描电路的像素阵列。可以通过现有技术的制造方法来形成阵列。在图14中，通过非晶硅的多晶化来形成TFT。可以通过在生长之后利用激光照射来提高多晶硅的颗粒尺寸的方法来形成该TFT。除了准分子激光器之外，可以使用连续波(CW)激光器。
(2)薄膜半导体器件制造方法
可以根据(1)中所述的处理来制造根据本发明的薄膜半导体器件。图15示出了这里所使用的掩模布局图的示例。图16示出了沿图15的线A-A’的、使用掩模制造的器件的横截面图。在该示例中，温度传感器的栅极电极和漏极电极和电流电压转换器的源极电极通过输出电极53的金属相连，并且等效于二极管。图17示出了另一掩模布局的示例。图18示出了沿线B-B’的、利用掩模制造的器件的横截面图。在该示例中，温度传感器的栅极电极和漏极电极和电流电压转换器的源极电极通过多晶硅膜相连，而非输出电极的金属材料。在该结构中，在二极管连接部分中仅存在栅极电极和掺杂的多晶硅膜之间的接触。
以上描述了其中栅极电极位于薄膜半导体层之上的顶部栅极TFT。本发明可以由将栅极电极设置在薄膜半导体层之下的底部栅极TFT来实现。将描述当使用底部栅极TFT时、制造根据本发明的薄膜半导体器件的方法。
图19是底部栅极TFT的根据本发明实施例的器件的横截面图。其与其中温度传感器的栅极电极和漏极电极和电流电压转换器的源极电极通过图15和16所述的输出电极的金属相连的薄膜半导体器件的布局相同，除了栅极电极为最低层之外。图20A和20B示出了在图19的制造方法中制造源极和漏极区域的方法。将并未示出的氧化硅设置在玻璃衬底29上，并且将铬(Cr)形成于其上，作为栅极电极30。通过PE-CVD方法将氮化硅膜21或氧化硅膜28形成为栅极绝缘膜，然后沉积非晶硅12。将光刻胶14的图案形成为非晶硅12的沟道区域上的掺杂掩模，以便通过离子掺杂方法将杂质(磷或硼)掺杂到源极和漏极区域中(图20A)。去除光刻胶14，随后，在真空中在400℃下热处理90分钟以减小非晶硅膜12的氢浓度，在其上以准分子激光器照射膜12以使非晶硅膜12结晶(图20B)。在结晶的同时激活杂质掺杂区。在形成源极和漏极电极之后，在氢等离子体气氛中，以300℃将氧化硅膜沉积并氢化处理90分钟，以减小在多晶硅薄膜的颗粒边界中存在的悬挂键。
根据本发明的第一实施例，将作为控制电压施加的电压设置到适当的范围。可以通过电流电压转换器2将由于温度传感器1所传感的温度变化所引起的电流变化传感为电压变化。将控制电压设置到漏极电流不会引起温度相关性的区域、或者其温度相关性不同于温度传感器的温度相关性的区域。电流电压转换器2和温度传感器1显示无关温度特性，并且能够实现这样的令人满意的温度传感器。
(第二实施例)
该实施例与第一实施例的不同在于：通过局部耗尽SOI技术而非多晶硅技术来形成TFT。
SOI技术是指在衬底上形成的绝缘膜上形成多晶硅薄膜的技术。SOI技术分类为局部耗尽SOI技术和全部耗尽SOI技术。这两者之间的差别是硅膜的耗尽程度，具体地，根据硅膜的厚度来划分。当硅膜的厚度是最厚耗尽层的厚度的两倍或以上时的处理被称为局部耗尽SOI技术。耗尽层的最大厚度取决于杂质量和费米能级，并且针对每一个器件技术而不同。局部耗尽和全部耗尽的硅膜厚度针对每一个器件技术而不同。通常，小于50nm的膜厚度被称为全部耗尽的，并且100到200nm(或以上)的膜厚度被称为局部耗尽。这里，按照相同的方式对其进行定义。
与块硅技术相比，SOI技术包括以下特征：
(1)由于较小的结电容，允许低电压和快速操作；
(2)提供了对辐射的高抵抗力；以及
(3)使具有较小串扰的电路密集地集成。
对于用于SOI技术的衬底，当前制造了氧离子注入的SIMOX衬底、通过氢离子键合和分离的UNIBOND(智能割离)衬底、以及通过利用多孔硅衬底的键合和喷水分离的ELTRAN衬底。
在局部耗尽SOI中，制造该设备的处理与典型块硅处理相同，除了使用了不同的硅衬底之外。键合衬底经常用于该局部耗尽SOI。以高精度来控制键合衬底的氧化膜的厚度。然而，对于在其上进行机械抛光且膜厚度容易变化的硅部分，局部耗尽SOI的膜厚度非常大，从而变化的膜厚度的影响较小。出于这些原因，经常使用键合衬底。
当硅膜的厚度小于耗尽层的最大厚度时的处理被称为全部耗尽SOI技术。这将在第三实施例中描述。
图21示出了由局部耗尽SOI技术制造的TFT的漏极电流栅极电压相关性的示例。SOI技术的半导体层的迁移率比图6所示的多晶硅技术高几乎十倍。在颗粒边界中没有陷阱现象，如在多晶硅技术中所看到的。在该实施例中并未使用LDD结构。以相对于图6的幅度几乎两个数量级的幅度来增加漏极电流。如上所述，水平轴表示栅极电压，垂直轴以对数坐标图来表示漏极电流。当将温度改变为-40℃、20℃和80℃时，识别其中漏极电流在1.9V的栅极电压附近和12V的栅极电压附近温度无关的区域。
图22示出了当控制电压为12V时，在该结构的薄膜半导体器件中的输入电压输出电压特性。与多晶硅技术相比，温度灵敏度相当低。每开氏温度的电压上升值为0.5mV。尽管如此，局部耗尽SOI技术可以在根据本发明的可接受温度传感器。
(第三实施例)
该实施例与第一和第二实施例的不同在于：TFT由全部耗尽SOI技术而非多晶硅技术形成。全部耗尽SOI技术是其中硅膜的厚度小于耗尽层的最大厚度的SOI技术。该厚度通常为50nm或更小。电流电压转换器通过全部耗尽SOI技术，调节在衬底方向上施加到栅极电极的电压(此后被称为背栅极电压)，从而允许以伪方式使主体区域的底部部分未耗尽。施加背栅极电压的电极被称为背栅极电极。该结构可以允许全部耗尽SOI技术的耗尽沟道的背栅极侧未耗尽。
图23示出了通过全部耗尽SOI技术制造的TFT的漏极电流栅极电压相关性的示例。获得高于图6的多晶硅技术的漏极电流。如上所述，水平轴表示栅极电压，而垂直轴以对数坐标图表示漏极电流。当将温度改变为-40℃、20℃和80℃时，存在漏极电流在1.9V的栅极电压附近和在12V的栅极电压附近温度无关的区域。可以获得与局部耗尽SOI技术几乎相同的结果。图24示出了当控制电压为12V时，图5A的结构的薄膜半导体器件中的输入电压输出电压特性。每开氏温度的电压上升值为0.6mV。温度灵敏度略高于局部耗尽SOI技术的电压上升值。灵敏度低于多晶硅技术的灵敏度；然而，尽管如此，全部耗尽SOI技术可以实现根据本发明的可接受薄膜半导体器件。
与第二和第三实施例相比，使用LDD结构的多晶硅技术的第一实施例被认为最优选地作为温度传感器，具体理由如下：1、高于SOI技术的温度灵敏度的温度灵敏度；以及2、在更低电流区域中获得温度无关特性以提供更低功率消耗。尽管使用多晶硅技术的电路通常具有阈值变化的问题，本发明使用了该阈值电压的三倍或更多倍的区域，并且相对不易受阈值的影响。
(第四实施例)
该实施例将薄膜半导体器件的电压输出与根据第一实施例的放大器相连。
图25示出了所制造的放大组件的电路配置。放大组件具有利用了电流镜像电路和差分输入电路的运算跨导放大器(OTA)配置。在该实施例中，将描述使用差分对的基本放大电路。可以使用其他放大电路。
图25的放大组件使用了七个晶体管。所有晶体管具有4微米的栅极长度。晶体管T1、T2、T5和T6是p沟道薄膜晶体管。晶体管T3、T4和T7是n沟道薄膜晶体管。T1和T2的栅极宽度为7微米。T3和T4的栅极宽度为11微米。T5的栅极宽度为22微米。T6和T7的栅极宽度为75微米。补偿电容Cf是35毫微微法(35fF)。由与栅极电极线和数据电极线的相同层的金属来提供补偿电容。期间的氧化膜的膜厚度为4000埃。电容器的电极尺寸为65微米乘以6微米。当连接1皮法(1pF)的负载时，放大组件可以获得40dB(分贝)的增益。
图25中的放大组件的差分输入端子63和图5A、5B或5C中的输出电极相连以构造薄膜半导体器件。对于温度传感器1和电流电压转换器2，栅极长度为4微米，而栅极宽度为12微米。将10V施加到图25中所示的正电源电压线61，并且将负电源电压线62接地。
根据施加到与恒流源相对应的晶体管T5和T6上的偏置电压的幅度来改变薄膜半导体器件的特性。图26示出了当改变偏置电压时，通过测量薄膜半导体器件的放大组件的输出电压而获得的结果。当将温度改变为-40℃、20℃和80℃时，发现输出电压的温度相关性在9.8V的偏置电压附近最为显著。根据该结果，测量在9.75V的偏置电压处的输出端子的输出电压的温度相关性。图27示出了该结果。温度从-40℃改变为80℃，以5℃递增。可以获得令人满意的对温度的线性度。每开氏温度的电压上升值大约为8毫伏。按照该方式，可以获得比没有放大组件的第一实施例大大约5倍的幅度输出。
[第五实施例]
本发明的第五实施例是利用射频来执行识别的RF-ID设备，并且包括本发明的薄膜半导体器件。图28示出了RF-ID设备的典型配置的顶视图。RF-ID设备包括设置在衬底73上的IC 71和天线72。射频识别(RF-ID)设备存在各种通信方法和频率带宽。作为示例，存在使用微波的微波方法、使用几十千赫兹到几十兆赫兹的带宽的电磁感应方法、以及使用几百千赫兹的带宽的电磁耦合方法。在本发明中，将薄膜半导体器件3包括在RF-ID设备中。可以在RF-ID设备中对设备的操作中的温度相关变化进行补偿。可以在外部以非接触的方式来监视RF-ID设备或具有RF-ID设备的对象的温度。
(第六实施例)
本发明的第六实施例是具有本发明的薄膜半导体器件的生物芯片或DNA芯片。图29示出了生物芯片的典型配置的顶视图。生物芯片广义地分类为光学型和电子型。在光学型生物芯片中，在与衬底化学耦合的预定位置处，正确定位从已知基因中获得的DNA片断(探头)。所评估的示例中的相应部分基于锁和钥匙的关系相连，并且由诸如发光染料的标记装置对光进行发射，以便由CCD检测。在电子型生物芯片中，由酶来标记要检查的物质，并且分离为两个电活性部分，从而可以由具有金电极的传感器来检测所产生的电流。根据电流随时间的变化来识别目标物质的浓度。多晶硅技术能够以低成本来实现各个光学和电子类型，并且还可以实现对两者进行合并的生物芯片。当在生物芯片上形成本发明的薄膜半导体器件3时，可以精确地监视当分析所制造的生物芯片时的温度以增加分析精度。通过设置本发明的薄膜半导体器件，可以精确地识别反应部分的温度。能够获得有助于观察活体的数据。
DNA芯片通常被认为是一种生物芯片。然而，由于市场上该类型的产品较大，因此其可以分类为其自身产品类型。对于大多数DNA芯片，由于荧光分析的需要，需要使用诸如滑动玻璃(slide glass)等玻璃衬底而非硅衬底。典型地，DNA芯片随后利用平版印刷术来综合衬底上的探头，这是正常昂贵的。利用该玻璃衬底，当执行电检查时，需要特殊的布线技术。难以添加电路。在多晶硅技术的应用中，可以使用玻璃衬底和塑料衬底，可以响应于荧光分析。可以将配线和电路插入在探头和玻璃衬底之间以使DNA芯片的性能较高。可以通过应用用于通过微型陶瓷泵打印DNA墨水溶液或打点的喷墨技术(或泡沫喷射(商标)技术)，以低成本来制造探头。这能够通过具有低于现有技术成本的1/10的成本的电路的多晶硅技术来提供非常高性能的DNA芯片。将本发明的薄膜半导体器件应用于生物芯片能够精确地监视在DNA分析的反应时的温度，以便提高DNA分析的精度。
(第七实施例)
在该实施例中，将本发明的薄膜半导体器件用于对液晶显示器的过驱驱动。
图30示出了将本发明应用于液晶显示器的过驱驱动的功能方框图。该基本配置与第一实施例所述的图13相同，除了该过驱电路与控制电路相连之外。该过驱将高于正常区域的电压的电压施加到液晶上，以增加用于促使状态变化的场强，这对于快速驱动液晶显示器非常有效。在该示例中，执行对光源的反馈。图31示出了在图30的过驱电路中的功能方框示例。在图31中，过驱电路将输入信号存储在帧缓冲器38中，从帧缓冲器38中读取紧挨在之前的帧的信号，并且将其与当前输入信号进行比较。使用该比较结果，从查找表(LUT)39中读取在过驱之后的视频信号电平以确定要实际用来将其作为输出信号输出的电压。在图30中，将利用薄膜半导体器件3的基于温度信息的校正同时输入参考电压电路35和过驱电路37，以便根据温度来执行电压校正。将来自薄膜半导体器件3的温度信息反馈到用于驱动光源33的光源驱动电路34，以便调节光源的亮度和光发射定时。在该实施例中，作为薄膜半导体器件3，电流电压转换器的控制电压为10V，其输入电压为5V。
当以过驱方法来执行电容预测时，作为图31的过驱电路的替代，使用图32的过驱电路。该电路基于输入信号和从电容帧缓冲器45中读取的紧挨在之前的帧的每一个像素的电容，利用电容预测LUT(查找表)44来确定下一帧的预测电容。将预测电容存储在电容帧缓冲器45中。电压LUT(查找表)43将其与输入信号进行比较，并且确定要实际用来将其作为输出信号输出的信号。利用该电路，当由于液晶响应较慢而不能够获得所需亮度时，可以调节所施加的电压，从而在所需时间内达到与所需亮度相对应的所需液晶电容。由此，能够实现过驱驱动。
液晶的响应受到温度的影响。针对每一个代表性温度准备电压LUT，以便根据测量到的温度来选择电压LUT。由该结构来执行在过驱电路中根据温度的电压校正。
(第八实施例)
示出了将本发明应用于驱动场序彩色系统(色彩分时)的液晶显示器的驱动的示例。在该场序彩色系统中，液晶的可用响应时间非常短。当温度降低时液晶响应速度降低的影响是显著的。在该实施例中，由薄膜半导体器件来监视温度以便在低温处增加过驱电压和背光的亮度，从而获得令人满意图像而与温度无关。
图33示出了当在场序系统的液晶显示器中根据温度信息给出反馈时的功能块的示例。基本结构与第一实施例所述的图13相同，除了场序驱动电路42与控制电路36相连而将场序光源40用作光源之外。
在场序彩色系统中，将显示图像分为一些/多个以后以顺序方式显示的彩色子图像，从而与其同步地点亮与子图像相同颜色的光源。对于场序光源40，可以使用LED、EL、具有多个波长带的冷阴极管。由控制电路36来驱动场序光源驱动电路41，并且该场序光源驱动电路41具有高速地切换场序光源40的颜色的功能。
图34更详细地示出了场序显示系统的示例。由场序控制器IC 103来处理图像数据110以便将其转换为针对每一个颜色(红色、蓝色和绿色)的图像数据。场序控制器IC 103具有控制电路36、脉冲发生器104和高速帧存储器106。图像数据110一次性存储在快速帧存储器中以将其分割为每一种颜色。基于与颜色有关的信息，从控制电路36中产生用于驱动LED 101的LED控制信号108。同时，控制电路36驱动脉冲发生器104以产生驱动脉冲109。将图像数据110通过数字模拟转换器(DAC)102输入到LCD 100。LCD 100接收驱动脉冲109以使每一种颜色的图像发光。由包括控制电路36、脉冲发生器104和高速帧存储器106的场序控制器IC 103来处理普通图像数据，以便将其转换为针对每一种颜色(红色、蓝色和绿色)的图像数据。将该图像数据通过DAC 102输入到LCD(液晶显示板)100。由来自控制器IC的脉冲发生器的驱动脉冲来控制LCD 100中的扫描电路。利用三种颜色的LED 101作为光源，由来自控制器IC的LED控制信号108来控制该LED。
图33示出了作为控制电路36和场序驱动电路42的两个功能块的图34的场序控制器IC 103。在该场序系统中，高速切换光源的颜色以实现彩色显示。滤色器对于液晶显示部分而言不是必要的。根据场序驱动电路41中的控制电路36的信号来处理颜色切换、发光时间和亮度。与过驱系统一样，将薄膜半导体器件3的温度信息反馈到参考电压电路35、场序驱动电路42和场序光源驱动电路41。可以保持与温度无关的恒定图像质量。在该实施例中，作为薄膜半导体器件3，电流电压转换器的TFT的控制电压为10V，而电流电压转换器的TFT的输入电压为5V。
已经发现：温度控制能够降低亮度变化和在现有技术中所看到的温度相关颜色，从而提高了图像质量。
(比较示例)
图35示出了当将电流电压转换器的控制电压设置为5V时的输出电压的温度相关性，其中电流电压转换器的温度相关性等于第一实施例的图5A所示结构的薄膜半导体器件的温度传感器的温度相关性。垂直轴表示在每一个温度处的测量值与在20℃处的测量值的比值。示出了在第一实施例中所使用的10V的控制电压的特性，用于比较(-·-)。如由-·-所示，在5V的控制电压处，薄膜半导体器件的输出几乎为恒定的而与温度无关。不能够获得任何与温度相关的输出。不能够实现作为温度传感器的功能。
尽管已经结合其多个优选实施例描述了本发明，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求所阐明的真实精神和范围的情况下，其各种修改均是可能的。

Claims (25)

1.一种薄膜半导体器件，包括：
温度传感器，由薄膜半导体形成且用于将温度传感为电流；以及
电流电压转换器，由薄膜半导体形成且具有其电流电压特性不同于所述温度传感器的电流电压特性的温度相关性；
其中，由所述电流电压转换器将由所述温度传感器传感到的温度转换为电压。
2.根据权利要求1所述的薄膜半导体器件，其特征在于所述电流电压转换器包括薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括：薄膜半导体层、用于将栅极电压施加到所述薄膜半导体层上的栅极电极、以及将电流传导到所述薄膜半导体层的漏极电极和源极电极。
3.根据权利要求2所述的薄膜半导体器件，其特征在于在所述薄膜晶体管的电流电压转换处，所述栅极电压等于或大于所述薄膜晶体管的阈值的三倍。
4.根据权利要求2所述的薄膜半导体器件，其特征在于在所述薄膜晶体管的电流电压转换处，所述栅极电压是给出了所述薄膜晶体管的漏极电流饱和区域的电压。
5.根据权利要求4所述的薄膜半导体器件，其特征在于还包括控制器，用于当将由所述温度传感器所传感的电流转换为电压时，将所述栅极电压控制为预定值。
6.根据权利要求1所述的薄膜半导体器件，其特征在于所述温度传感器包括薄膜半导体层、用于将栅极电压施加到所述薄膜半导体层上的栅极电极、以及用于将电流传导到所述薄膜半导体层的漏极电极和源极电极，其中所述漏极电极或所述源极电极与所述栅极电极电短路。
7.根据权利要求6所述的薄膜半导体器件，其特征在于所述电流电压转换器的薄膜晶体管的漏极电极或源极电极与所述温度传感器的漏极电极或源极电极相连。
8.根据权利要求2所述的薄膜半导体器件，其特征在于所述温度传感器包括薄膜半导体层、用于将栅极电压施加到所述薄膜半导体层上的栅极电极、以及用于将电流传导到所述薄膜半导体层的漏极电极和源极电极。
9.根据权利要求8所述的薄膜半导体器件，其特征在于所述温度传感器的栅极电压和所述电流电压转换器的栅极电压具有不同的值。
10.根据权利要求1所述的薄膜半导体器件，其特征在于所述温度传感器是由薄膜半导体形成的pn结二极管。
11.根据权利要求8所述的薄膜半导体器件，其特征在于还包括：第一电压源，用于在其中所述温度传感器的漏极电流具有相对较高的温度相关性的第一电压范围内，将第一栅极电压施加到所述温度传感器；以及第二电压源，用于在其中所述电流电压转换器的漏极电流具有相对较低的温度相关性的第二电压范围内，将第二栅极电压施加到所述电流电压转换器。
12.根据权利要求8所述的薄膜半导体器件，其特征在于还包括：第一电压源，用于在其中所述温度传感器的漏极电流具有温度相关性的第一电压范围内，将第一栅极电压施加到所述温度传感器；以及第二电压源，用于在其中所述电流电压转换器的漏极电流具有与所述温度传感器相反的温度相关性的第二电压范围内，将第二栅极电压施加到所述电流电压转换器。
13.根据权利要求1所述的薄膜半导体器件，其特征在于还包括放大器，用于放大由所述电流电压转换器转换的所述电压。
14.一种驱动薄膜半导体器件的方法，所述薄膜半导体器件包括：温度传感器，由薄膜半导体形成且用于将温度传感为电流；以及电流电压转换器，包括薄膜晶体管，所述薄膜晶体管具有薄膜半导体层、用于将栅极电压施加到所述薄膜半导体层上的栅极电极、以及用于将电流传导到所述薄膜半导体层的漏极电极和源极电极，并且所述电流电压转换器具有其电流电压特性不同于所述温度传感器的电流电压特性的温度相关性，所述方法包括：
将预定栅极电压施加到所述栅极电极上，以便由所述电流电压转换器将由所述温度传感器传感到的温度所改变的电流转换为电压。
15.一种驱动薄膜半导体器件的方法，所述薄膜半导体器件包括：温度传感器，包括薄膜半导体，所述所述薄膜晶体管具有薄膜半导体层、用于将用于驱动温度传感器的栅极电压施加到所述薄膜半导体层上的第一栅极电极、以及用于将电流传导到所述薄膜半导体层的漏极电极和源极电极，且用于将温度传感为电流；以及电流电压转换器，包括薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括薄膜半导体层、用于将栅极电压施加到所述薄膜半导体层上的第二栅极电极、以及用于将电流传导到所述薄膜半导体层的漏极电极和源极电极，并且所述电流电压转换器具有其电流电压特性不同于所述温度传感器的电流电压特性的温度相关性，所述方法包括：
将小于阈值的三倍且大于所述阈值的电压施加到所述第一栅极电极上；
将所述阈值的三倍或更多倍的电压施加到所述第二栅极电极上；以及
由所述电流电压转换器将由所述温度传感器传感到的温度所改变的电流转换为电压。
16.根据权利要求15所述的驱动薄膜半导体器件的方法，其特征在于间歇地施加所述电流电压转换器的所述栅极电压。
17.一种包括根据权利要求1所述的薄膜半导体器件的显示器，包括：
图像显示区；
信号电压驱动电路，用于驱动所述图像显示区；
参考电压电路，用于接收所述电流电压转换器的输出电压，并且确定提供给所述信号电压驱动电路的参考电压；
扫描电极驱动电路，用于扫描所述图像显示区的屏幕；以及
控制电路，用于控制所述信号电压驱动电路和所述扫描电极驱动电路。
18.根据权利要求17所述的显示器，其特征在于所述图像显示区是液晶板。
19.根据权利要求18所述的显示器，其特征在于还包括用于将大于普通视频信号电场的电场施加到所述液晶上的电路，其中所述电路由所述薄膜半导体器件的输出电压来控制。
20.根据权利要求17所述的显示器，其特征在于还包括用于通过所述电流电压转换器的输出电压来改变从所述参考电压电路中输出的参考电压的控制器。
21.根据权利要求17所述的驱动显示器的方法，其特征在于包括：
通过所述电流电压转换器的输出电压来改变从所述参考电压电路输出的参考电压。
22.一种利用射频来执行识别的RF-ID设备，所述RF-ID设备包括根据权利要求1所述的薄膜半导体器件。
23.一种包括根据权利要求1所述的薄膜半导体器件的生物芯片和DNA芯片。
24.一种薄膜半导体器件，包括：
用于将温度传感为电流的装置；以及
用于将电流转换为电压的装置；
其中用于将温度传感为电流的装置和用于将电流转换为电压的装置均由薄膜半导体形成，并且在与温度相关的电流电压特性上彼此不同。
25.根据权利要求24所述的薄膜半导体器件，其特征在于用于将电流转换为电压的所述装置包括薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括薄膜半导体层、用于将栅极电压施加到所述薄膜半导体层上的栅极电极、以及用于将电流传导到所述薄膜半导体层的漏极电极和源极电极，并且用于传感温度的所述装置的漏极电流具有温度相关性，且所述薄膜半导体器件还包括将栅极电压施加到用于将电流转换为预定电压范围内的电压的所述装置的电压源。
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