CN101523277B - 液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液晶显示装置，其能够抑制光电二极管中暗电流的发生。因此，在具有有源矩阵基板的液晶显示面板(1)和对液晶显示面板照明的背光源(13)的液晶显示装置中，在有源矩阵基板(1)具备，利用设置在基底基板(5)的硅膜形成的光电二极管(7)和对光电二极管(7)遮蔽来自背光源(13)的照明光(29)的遮光膜(8)。遮光膜(8)由半导体或者绝缘体形成。优选光电二极管(7)例如由多晶硅或连续晶界结晶硅形成，使其具有入射光的波长越短灵敏度越高的特性。遮光膜(8)由入射光的波长越短入射光的透过率越低的硅膜，例如非晶硅形成。

Description

液晶显示装置
技术领域
本发明涉及具备光电二极管的液晶显示装置，上述光电二极管对从显示画面的观察者一侧入射的光作出反应。 
背景技术
近年来，液晶显示装置由于具有省电、机型薄、重量轻等特点，作为电脑、手机、PDA、游戏机的显示装置广泛应用。一般来说，液晶显示装置包括液晶显示面板和从背面对液晶显示面板照明的背光源。液晶显示面板构成为由有源矩阵基板和对置基板夹住液晶层。 
有源矩阵基板构成为在玻璃基板上矩阵状地形成多个像素。像素由TFT和像素电极构成。对置基板构成为在玻璃基板上形成对置电极和与各像素对应的彩色滤光片。通过这种构成，在液晶显示装置中调整各像素电极与对置电极之间施加的电压，对每个像素调整液晶层的透过率。其结果是，利用透过液晶层的背光源的照明光，在显示画面上显示图像。 
像这样，现有的液晶显示装置具备显示图像的功能，然而近年来，提出了具有图像获取(取り込み)功能的显示装置(例如，参照专利文献1)。在专利文献1公开的液晶显示装置中，在有源矩阵基板上矩阵状地形成多个光电二极管，液晶显示面板作为区域传感器(areasensor)发挥功能。 
另外，在专利文献1中，作为各光电二极管，使用横向(lateral)构造的PIN二极管。各PIN二极管利用TFT的工艺，在与TFT共同的硅膜上依次形成p层、i层、n层。 
上述PIN二极管在构造上不仅从观察者一侧入射的光，也利用来自背光源的照明光作出反应。因此，为了阻止来自背光源的照明光入射到PIN二极管，在PIN二极管的背光源一侧通常设置有遮光膜。利用该遮光膜，各PIN二极管仅对从观察者一侧入射到液晶显示面板的 光作出反应并发出信号。 
专利文献1：特开2006-3857号公报(第11页-第12页，第20页-第21页，图20，图38) 
发明内容
但是，在专利文献1记载的技术中，遮光膜由金属材料形成，另外，在构成PIN二极管的硅膜和遮光膜之间，仅存在薄的绝缘层，所以i层中很难生成耗尽层。因此，专利文献1的液晶显示装置存在以下问题：在PIN二极管中容易产生暗电流，只能得到画质较低的摄影图像。 
此外，如果遮光膜由金属材料形成，那么在构成PIN二极管的硅膜的表面产生的电荷会被遮光膜捕获(trap)。在PIN二极管的持续使用过程中，这种现象会成为损害PIN二极管输出值的再现性的主要原因。 
另外，在利用TFT栅极电极形成遮光膜时，构成PIN二极管的硅膜和遮光膜之间的绝缘层变得更薄，因此上述问题十分显著。 
而且，虽然通过扩大构成PIN二极管的硅膜和遮光膜之间的距离能够抑制暗电流和捕获，但在这种情况下，必须增大遮光膜面积，从而降低液晶显示面板的开口率。 
本发明的目的在于消除上述问题，提供一种能够抑制光电二极管中发生暗电流和输出值变动的液晶显示装置。 
为了实现上述目的，本发明的液晶显示装置包括：具有有源矩阵基板的液晶显示面板和对上述液晶显示面板照明的背光源，其特征在于：上述有源矩阵基板包括：由硅膜形成的光电二极管和对上述光电二极管遮蔽来自上述背光源的照明光的遮光膜，上述遮光膜由半导体或绝缘体形成。 
如上所述，在本发明的液晶显示装置中，遮蔽照明光的遮光膜由比金属材料电阻率高的半导体或绝缘体形成。因此，与现有技术相比，本发明的液晶显示装置能够抑制光电二极管中的暗电流的发生和输出值的变动。 
附图说明
图1为概括表示本发明的实施方式的液晶显示装置整体结构的截面图。 
图2为放大表示图1所示的液晶显示装置的有源矩阵基板的一部分的截面图。 
图3为表示图1和图2所示的光电二极管的光谱灵敏度的图表。 
图4为表示图1及图2所示的遮光膜的光谱透过率的图表。 
图5为表示设置有遮光膜时的光电二极管的光谱灵敏度的图表。 
图6为表示本发明实施方式的液晶显示装置的主要制造工序的截面图。图6(a)～(d)表示有源矩阵基板制造初期的一系列主要制造工序。 
图7为表示本发明实施方式的液晶显示装置的主要制造工序的截面图。图7(a)～(c)表示在图6(d)所示的工序实施之后实施的有源矩阵基板的一系列的主要制造工序。 
图8为表示本发明实施方式的液晶显示装置的主要制造工序的截面图。图8(a)～(c)表示在图7(c)所示的工序实施之后实施的有源矩阵基板的一系列的主要制造工序。 
具体实施方式
本发明的液晶显示装置包括：具有有源矩阵基板的液晶显示面板和对上述液晶显示面板照明的背光源，其特征在于：上述有源矩阵基板包括：由硅膜形成的光电二极管和对上述光电二极管遮蔽来自上述背光源的照明光的遮光膜，上述遮光膜由半导体或绝缘体形成。 
在上文所述的本发明的液晶显示装置中，上述光电二极管具有入射到上述光电二极管的入射光的波长越短灵敏度越高的特性，上述遮光膜优选由入射到上述遮光膜的入射光的波长越短上述入射光的透过率越低的硅膜形成。在这种情况下，能够可靠地抑制光电二极管由于背光源的照明光而做出反应。具体来说，采用多晶硅或连续晶界结晶硅形成构成上述二极管的硅膜，采用非晶质硅形成上述遮光膜。 
另外，在本发明的液晶显示装置中，上述有源矩阵基板具备配置为矩阵状的多个有源元件，上述光电二极管能够矩阵状地形成有多个。 另外，上述光电二极管包括：第一导电型的半导体区域、本征半导体区域、和与上述第一导电型相反的第二导电型半导体区域，上述第一导电型半导体区域、上述本征半导体区域和上述第二导电型的半导体区域可以呈以下形式：即沿形成上述光电二极管的上述硅膜的面方向依次设置。 
(实施方式) 
以下参照图1～图8对本发明实施方式的液晶显示装置进行说明。首先参照图1～图5对本发明实施方式的液晶显示装置的结构进行说明。图1为概括表示本发明实施方式的液晶显示装置整体结构的截面图。图2为放大表示图1所示的液晶显示装置的有源矩阵基板的一部分的截面图。另外，在图1和图2中关于绝缘材料省略影线(hatching)。 
如图1所示，本实施方式的液晶显示装置与背景技术栏中论述的现有的液晶显示装置(现有技术例)同样，包括液晶显示面板1和对液晶显示面板1照明的背光源13。液晶显示面板1包括：有源矩阵基板2、液晶层3和滤光片(filter)基板4，构成为在有源矩阵基板2和滤光片基板4之间夹有液晶层3的结构。 
如图1所示，有源矩阵基板2包括，在作为基底基板的玻璃基板5上呈矩阵状配置的多个有源元件6和像素电极9。一组有源元件6和像素电极9构成一个像素。在本实施方式中，有源元件6为薄膜晶体管(TFT：Thin Film Transistor)。而且在以下的说明中，将有源元件记为“TFT6”。 
另外，滤光片基板4构成为，在作为基底基板的玻璃基板10上设置有彩色滤光片和对置电极12。彩色滤光片由与任一个像素对应的红色(R)着色层11a、绿色(G)着色层11b、蓝色(B)着色层11c构成。 
如图2所示，TFT6包括硅膜14和栅极电极18。硅膜14形成于覆盖玻璃基板5的上表面的第一层间绝缘膜26上。栅极电极18形成于覆盖硅膜14的第二层间绝缘膜27上。第二层间绝缘膜27和栅极电极18重叠的部分作为栅极绝缘膜发挥作用。另外，栅极电极18由第三层间绝缘膜28覆盖。在本实施方式中，硅膜14由电荷移动速度方面比较优异的连续晶界结晶硅(CGS)形成。 
另外，硅膜14上形成有作为源极区域15的n型扩散层和作为漏极区域17的n型扩散层。硅膜14的栅极电极18的正下方的区域，即在源极区域15和漏极区域17之间的区域成为通道区域16。另外，源极区域15与贯通第二层间绝缘膜27和第三层间绝缘膜28的源极配线19a相连接，漏极区域17与贯通第二层间绝缘膜27和第三层间绝缘膜28的漏极配线19b相连接。栅极电极18与贯通第三层间绝缘膜28的栅极配线20相连接。 
另外，以覆盖第三层间绝缘膜28、源极配线19a、漏极配线19b和栅极配线20的方式形成绝缘性保护膜43。并且在保护膜43的上层形成由ITO等形成的像素电极9。在本实施方式中，像素电极9通过贯通保护膜43的导通路与漏极配线19b电连接。 
此外，如图1和图2所示，与现有的例子相同，在本实施方式中，有源矩阵基板2包括：光电二极管7和对光电二极管7遮蔽来自背光源13的照明光29的遮光膜8。呈矩阵状地设置有多个光电二极管7和遮光膜8。另外，在本实施方式中，对一个或多个像素的每一个设置光电二极管7和遮光膜8，由多个光电二极管7构成区域传感器。 
另外，如图2所示，光电二极管7由设置在第一层间绝缘膜26上的硅膜形成。在本实施方式中，光电二极管7为具有横向结构的PIN二极管，包括：沿面方向依次设置的p型半导体区域(p层)21、本征半导体区域(i层)22和n型半导体区域(n层)23。 
在本实施方式中，i层22与相邻的p层21和n层22相比可以是接近电中性的区域。i层22优选设置为完全不含杂质的区域或者传导电子密度和空穴密度相等的区域。另外在图2中，24表示与p层21相连接的配线，25表示与n层22相连接的配线。配线24及配线25也由保护膜43覆盖。 
如上所述，本实施方式的液晶显示装置与现有例具有同样的结构，但是，在本实施方式中遮光膜8由半导体或绝缘体形成，这一点与现有例不同。 
在此，半导体是指电阻率在10-6[Ω-m]以上107[Ω-m]以下的范围内的物质。作为半导体可以列举硅(Si)、锗(Ge)元素半导体、GaAs、GaP化合物半导体、SiO2、ZnO金属氧化物半导体等。另外，所谓绝 缘体是指电阻率超过107[Ω-m]的物质。作为绝缘体可以列举橡胶、树脂、玻璃等。 
在本实施方式中，因为遮光膜8由半导体或绝缘体形成，与现有例相比，在光电二极管7的i层22中容易形成耗尽层。因此光电二极管7中的暗电流的产生受到抑制，能够实现提高通过多个光电二极管7得到的摄影图像的画质。 
另外，在本发明中遮光膜8由上述半导体或绝缘体形成即可，但是在本实施方式中，遮光膜8优选由非晶硅形成。其原因在于，构成TFT6的硅膜14是由连续晶界结晶硅形成的。这一点可以参照图3～图5进行说明。 
图3为表示图1和图2中所示的光电二极管的光谱灵敏度的图表。图4为表示图1和图2中所示的遮光膜的光谱透过率的图表。图5为表示配置遮光膜时的光电二极管的光谱灵敏度的图表。 
如图3所示，由连续晶界结晶硅形成的光电二极管7具有入射光的波长越短灵敏度越高的特性。也就是说，光电二极管7具有对于波长短的蓝色光容易作出反应，但是对于波长长的红色光难以作出反应的特性。 
另一方面，如图4所示，由非晶硅形成的遮光膜8具有入射到遮光膜8的入射光的波长越短越使得入射光的透过率变低的特性。也就是说，遮光膜8具有使波长短的蓝色光难以通过而使波长长的红色光易于通过的特性。 
因此，如果在光电二极管7和背光源13之间配置遮光膜8，则背光源13的照明光29(参照图1和图2)中包含的蓝色成分几乎被遮光膜8遮蔽，很难入射到光电二极管7。而且如图3所示，照明光29中包含的红色成分虽然透过遮光膜8，但很难被光电二极管7感光。 
因此，如果设置遮光膜8，则光电二极管7对照明光29的光谱灵敏度如图5所示。从而，在遮光膜8的作用下，光电二极管7对背光源13的照明光29几乎不作反应，只检测到从观察者一侧入射到液晶显示面板1的外部光。 
另外，根据图3～图5所示的特性，光电二极管7从观察者一侧看时判别为红色的物体。因此，光电二极管7优选配置为在液晶显示面 板1的厚度方向上与红色的彩色滤光片重叠。这样配置的情况下，观察者很难察觉到光电二极管7的存在，因此能够提高液晶显示装置的显示品质。 
接下来参照图6～图8对本实施方式的液晶显示装置的制造工序进行说明。图6～图8为表示本发明的实施方式的液晶显示装置的主要制造工序的截面图。图6(a)～(d)表示有源矩阵基板制造初期阶段的一系列主要制造工序。图7(a)～(c)表示在实施图6(d)所示的工序之后实施的有源矩阵基板的一系列主要制造工序。图8(a)～(c)表示在实施图7(c)所示的工序之后实施的有源矩阵基板的一系列主要制造工序。 
另外，除构成像素的TFT和光电二极管的制造工序之外，图6～图8还表示构成周边电路的TFT的制造工序。在图6～图8中关于绝缘材料省略影线。 
如图6(a)所示，首先采用CVD(Chemical Vapor Deposition)法、溅射法等方法，在作为有源矩阵基板(参照图1和图2)的基底基板的玻璃基板5的一个面上形成成为遮光膜8的硅膜30。如上所述，硅膜30由非晶硅形成。另外，膜的厚度例如达到50nm以上即可，在图6～图8的例子中设定为200nm。接下来，如图6(a)所示，采用光刻(Photolithography)法在与硅膜30上的遮光膜8的形成区域重叠的部分形成抗蚀图形31。 
然后，如图6(b)所示，以抗蚀图形31作为掩膜，对非晶硅膜30进行蚀刻，得到遮光膜8。接下来，如图6(c)所示，形成第一层间绝缘膜26，覆盖遮光膜8。第一层间绝缘膜26的成膜能够通过利用CVD法形成氧化硅膜、氮化硅膜进行。另外，第一层间绝缘膜26可以为单层或多层。厚度可设定为例如100nm～500nm。 
另外，如图6(c)所示，利用CVD法等方法使构成TFT和光电二极管的硅膜32在第一层间绝缘膜26上成膜。如上所述，硅膜32由连续晶界结晶硅形成。具体来说，硅膜32经以下工序形成。 
首先，在第一层间绝缘膜26上依次形成氧化硅膜和非晶硅(amorphous silicon)膜。然后，在非晶硅膜的表层形成作为促进结晶化的催化剂的镍薄膜。接下来，利用激光退火(laser anneal)使镍薄膜 与非晶硅膜发生反应，在这些界面形成结晶硅层。然后，通过蚀刻等除去未反应的镍膜和硅化镍的层。接着对剩余的硅膜进行激光退火使其结晶化，得到由连续晶界结晶硅形成的硅膜32。 
接下来，在硅膜32上的TFT(包括像素和周边电路两者的TFT)的形成区域和光电二极管的形成区域的重合部分形成抗蚀图形(图中没有标明)，并以此为掩模进行蚀刻。这样，如图6(d)所示，能够得到构成像素驱动用的TFT6(参照图1和图2)的硅膜14、构成光电二极管的硅膜33、构成周边电路用的TFT的硅膜34。 
接下来，如图7(a)所示，以覆盖硅膜14、33和34的方式形成第二层间绝缘膜27。第二层间绝缘膜27也作为TFT的栅极绝缘膜发挥作用。 
第二层间绝缘膜27的成膜与第一层间绝缘膜26的情况相同，也是通过CVD法形成氧化硅膜、氮化硅膜而成膜。具体来说，形成氧化硅膜时作为原料气体使用SiH4和N2O(或O2)，实施等离子体CVD法即可。另外，第二层间绝缘膜27与第一层间绝缘膜26同样，也可以为单层或多层。第二层间绝缘膜27的厚度可设定为例如10nm～120nm。 
然后，如图7(b)所示，形成像素驱动用TFT6的栅极电极18和周边电路用的TFT的栅极电极35。具体来说，先使用以Ta、Ti、W、Mo、Al等元素为主要成分的金属材料，实施溅射法、真空蒸镀法等方法形成导电层。在本实施方式中，例如形成W/TaN合金的导电层。接下来，在与导电层上的栅极电极的形成区域重叠的部分使用光刻法形成抗蚀图形，以此作为掩膜进行蚀刻，形成栅极电极18和35。 
接下来，如图7(c)所示，进行用于形成p型的扩散层的离子注入。在本实施方式中，在光电二极管7(参照图1和图2)和周边电路用TFT形成有p型的扩散层。具体来说，首先，如图7(c)所示形成抗蚀图形36。抗蚀图形36在与光电二极管7的p层21(参照图2)的形成区域重叠的部分、和与周边电路用TFT的源极区域37和漏极区域38重叠的部分，具有开口。40表示周边电路用TFT的通道区域。 
然后，用硼(B)、铟(In)等p型杂质例如进行离子注入，例如注入能量设定为10[KeV]～80[KeV]，用量设定为5×1014[ion]～2×1016[ion]。这时注入后的杂质浓度优选成为1.5×1020～3×1021[个/cm3]。 离子注入结束后，进行抗蚀图形36的除去。 
接下来，如图8(a)所示，进行用于形成n型扩散层的离子注入。本实施方式中，在光电二极管7和像素驱动用TFT6中形成n型扩散层。具体来说，如图8(a)所示，首先形成抗蚀图形39。抗蚀图形39，在与光电二极管7的n层23(参照图2)的形成区域重叠的部分、和与像素驱动用TFT6的源极区域15和漏极区域17重叠的部分，具有开口。 
然后，用磷(P)、砷(As)等的n型杂质进行离子注入，例如注入能量设定为10[KeV]～100[KeV]，用量设定为5×1014[ion]～1×1016[ion]。这时，注入后的杂质浓度优选为1.5×1020～3×1021[个/cm3]。离子注入结束后，进行抗蚀图形39的消除。 
另外，虽然未图示，但是在本实施方式中，对光电二极管7的i层22也能够进行离子注入。该离子注入，以i层22比p层21和n层23更接近电中性的方式进行。此外，向i层22的离子注入，既可以利用如图7(c)或图8(a)所示的离子注入分多次进行的情况的任一种进行，也可以通过与上述方式不同的离子注入进行。 
另外，在本实施方式中，在离子注入结束后为了使杂质活性化而进行热处理。该情况下的热处理例如能够采用炉退火(furnace anneal)法、激光退火法、高速加热退火(rapid thermal anneal)法等方法进行。具体而言，利用炉退火法进行热处理的情况下，热处理在氮气氛围中进行，温度设定为300℃～650℃，优选设定为550℃；处理时间设定为大约4小时。 
接下来，如图8(b)所示，以覆盖第二层间绝缘膜27、栅极电极18和35的方式形成第三层间绝缘膜28。第三层间绝缘膜28的成膜与第一层间绝缘膜26的情况同样，通过利用CVD法形成氧化硅膜、氮化硅膜进行。另外，第三层间绝缘膜28也与第一层间绝缘膜26同样，可以为单层或多层。第三层间绝缘膜28的厚度例如能够设定为200nm～2000nm，优选设定为1μm。 
接下来，如图8(c)所示，形成贯通第二层间绝缘膜27和第三层间绝缘膜28(或仅第三层间绝缘膜28)的接触孔之后，形成与像素驱动用TFT6相连接的源极配线19a、漏极配线19b和栅极配线20。同时形成与光电二极管7相连接的配线24和配线25，与周边电路用TFT 相连接的配线41和配线42。 
另外，各配线，在向接触孔内填充导电材料后，在第三层间绝缘膜28上形成导电膜，并且通过进行抗蚀图形的形成和蚀刻而形成。在本实施方式中，作为配线用的导电膜，使用利用溅射法依次形成Ti膜(厚度：200nm)、含Ti铝膜(厚度：600nm)、Ti膜(厚度：100nm)所得的叠层膜。 
之后，以覆盖源极配线19a、漏极配线19b、栅极配线20、配线24、25、41及42还有第三层间绝缘膜28的方式形成保护膜43。保护膜43的成膜能够通过利用涂布法等形成有机膜进行。另外，保护膜43也可为单层或多层。保护膜的厚度例如设定为1μm～5μm，优选设定为2μm～3μm。 
接下来，在形成贯通保护膜43的接触孔之后，形成像素电极9。像素电极9的形成通过基于CVD法的ITO膜的成膜、抗蚀图形的形成和蚀刻进行。 
另外，如上所述，在本实施方式中，像素驱动用TFT6、周边电路用TFT和光电二极管7由连续晶界结晶硅形成，但并不仅限于此。由于多晶硅也具有与图3所示的连续晶界结晶硅同样的特性，在本实施方式中，像素驱动用TFT6、周边电路用TFT和光电二极管7也能够由多晶硅形成。 
如图6(c)所示的工序，在使用多晶硅的情况下，形成多晶硅的硅膜32。由多晶硅形成硅膜32的形成过程如下，首先，形成非晶质硅的硅膜，然后对非晶质硅的硅膜进行例如500℃、2小时的加热等脱氢化处理，进而进行退火使其结晶化。作为退火方法能够选用公知的激光退火法。具体来说，能够使用利用准分子激光器(excimer laser)对非晶质硅膜照射激光电子束(laser beam)的方法。 
工业中的利用可能性 
如上所述，本发明的液晶显示装置能够抑制光电二极管中暗电流的发生，有助于提高具有摄像功能的液晶显示装置的画质。因此，本发明中的液晶显示装置在工业中具有利用可能性。 

Claims (5)

1.一种液晶显示装置，包括：具有有源矩阵基板的液晶显示面板和对所述液晶显示面板照明的背光源，其特征在于：
所述有源矩阵基板包括：由硅膜形成的光电二极管和对所述光电二极管遮蔽来自所述背光源的照明光的遮光膜，
所述光电二极管和所述遮光膜设置在所述有源矩阵基板的液晶层侧，
所述遮光膜由半导体或绝缘体形成。
2.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于：
所述光电二极管具有入射到所述光电二极管的入射光的波长越短灵敏度越高的特性，
所述遮光膜由入射到所述遮光膜的入射光的波长越短所述入射光的透过率越低的硅膜形成。
3.如权利要求2所述的液晶显示装置，其特征在于：
形成所述光电二极管的硅膜由多晶硅或连续晶界结晶硅形成，
所述遮光膜由非晶硅形成。
4.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于：
所述有源矩阵基板包括配置为矩阵状的多个有源元件，
所述光电二极管矩阵状地形成有多个。
5.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于：
所述光电二极管包括：第一导电型半导体区域、本征半导体区域和与所述第一导电型相反的第二导电型的半导体区域，
所述第一导电型半导体区域、所述本征半导体区域和所述第二导电型的半导体区域沿形成所述光电二极管的所述硅膜的面方向依次设置。
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