CN1103062C - 有源矩阵型液晶显示器件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种水平电场方案的有源矩阵型液晶显示器件，具有良好的保持特性和减小的馈通电压及令人满意的显示均匀性和可靠性，并保持一个孔径比。该液晶显示器件包括两个相对的透明绝缘衬底，液晶放在二者中间，其中，通过用一个加在象素电极和公共电极之间的电压产生一个大致平行于液晶层的电场来控制所述液晶，其中所述象素电极和公共电极都置于第一个所述衬底上，所述有源矩阵型显示器件的特征在于包括累积电容增大装置，采用了高介电常数的电介质材料，使得在所述象素电极和所述公共电极之间获得的累积电容比在所述层间绝缘膜具有均匀厚度和平坦结构的情况下产生的累积电容大。

Description

有源矩阵型液晶显示器件
发明领域
本发明涉及一种在水平电场驱动方案中的有源矩阵型液晶显示器件。
现有技术
在常规情况下，常用的液晶显示器件为这样一种类型，即，在垂直于衬底表面的方向上作用的电场改变液晶分子的引向器(director)(分子轴)的方向，从而控制光的透射比，以实现图象在屏面上的显示(在下文称之为垂直电场驱动类型)。TN(扭绞向列型)模式是垂直电场驱动类型的代表模式。
然而，在垂直电场驱动类型的液晶显示器件中，在电场的作用下，引向器被定向为垂直于衬底表面。结果，折射率根据观察方向而变化，导致对观看角度的高度依赖，使得这种类型的显示器件不适合于需要宽视角的应用。
为了解决这一点，近年来，对于液晶显示器件已经进行了研究和开发，其中，将液晶分子的引向器的方向确定为平行于衬底表面，电场在平行于衬底表面的方向上作用，以便在一个平行于衬底的平面内旋转引向器，从而控制光的透射比，以实现图象的显示(在下文称之为水平电场驱动类型)。由于水平电场驱动类型的液晶显示器件显示出在依赖于观察方向的折射率上的变化显著减小，所以可以获得具有高图象质量和宽观察区域的显示性能。
下面将参考图1至图9说明现有技术中的水平电场驱动类型的有源矩阵液晶显示器件。
参看图1，显示了一个显示象素，该显示象素包括与外部驱动电路连接的扫描线502、信号线103、公共电极106、用作开关元件的薄膜晶体管503、以及象素电极104。
如图2所示，在TFT侧的玻璃衬底102上，形成公共电极106，在其上形成象素电极104和信号线103，中间插入层间绝缘膜130。在形成时，象素电极104和公共电极106交替放置。这些电极由保护绝缘膜110覆盖，在该保护绝缘膜110上加上对准液晶107所需的TFT侧对准膜120并进行摩擦(rubbing)处理。以这种方式形成了TFT侧衬底100。
在相对侧的玻璃衬底101上，以矩阵形式提供遮光膜203，在其上形成显示彩色所需的彩色层142。另外，在彩色层142上提供的是平面化膜202，用于将相对侧衬底的表面平面化，在相对侧衬底上加上对准液晶107所需的相对侧对准膜122并进行摩擦处理。摩擦处理的方向与TFT侧衬底100的方向相反。以这种方式形成了相对侧衬底200。
液晶107和垫片(spacer)302填充在TFT侧衬底100和相对侧衬底200之间。在两个衬底之间的间隙是由垫片302的直径确定的。最后，将TFT侧偏光器145固定在其上没有形成电图案的TFT侧玻璃衬底102的表面，以使其透射轴与摩擦方向正交。相对侧偏光器143也固定在其上没有形成图案的相对侧玻璃衬底101的表面，以使其透射轴与TFT侧偏振片145的透射轴方向正交。应用上述过程完成了液晶显示屏300。
此后，如图3所示，将液晶显示屏300置于背景光400上，并与驱动电路500相连。
接着，参考图4和图5说明液晶显示器件的操作。图4是显示现有技术中的液晶显示器件的等效电路的电路图，而图5是显示加到扫描线、信号线和公共电极上的电压波形和象素电极电压波形的示图。应该注意，图5中的Vfd指的是馈通电压。调节加到公共电极上的电压，使得当视频信号的幅度对应于半色调时，代表象素电极电压的正负帧的幅值的ΔV+和ΔV-彼此相等。
下面说明在单元元件中的电荷流动和液晶中的光开关。与图1中的公共电极106在同一层提供的扫描线502上的ON/OFF信号使得薄膜晶体管503开关。当薄膜晶体管503为ON(导通)时，电荷从信号线103流入象素电极104。如参考图5所描述的，一个恒定直流电压总加在公共电极106上。按照电路的原理，象素电极104和公共电极106跨过液晶107、TFT侧玻璃衬底102和层间绝缘膜130分别形成了电容CLC、CGL和CSC，如图4所示。
此后，即使在薄膜晶体管503变为OFF(截止)之后，电荷也由电容保持。保持的电荷在象素电极104和公共电极106之间产生一个电位差，以生成平行于玻璃衬底的水平电场，旋转液晶107的引向器，以改变液晶显示屏300的延迟。变化的延迟导致从图3所示的背光400发射出的入射光在未提供遮光膜203、象素电极104、公共电极106、扫描线502和薄膜晶体管503的部分的屏面透射比的变化。图6显示了在公共电极和象素电极之间的电位差与屏面透射比之间的关系。
上述现有技术的液晶显示屏存在着下述的两个缺陷。
第一个缺陷是随着电荷保持时间减少，屏面透射比被降低，并且产生不均匀的显示。下面将说明其原因。
具体地说，在上述现有技术的液晶显示屏中，虽然希望在薄膜晶体管503变为OFF时由电容CLC、CGL和CSC保持的电荷是完全保持的，但从电路上来说，电荷量实际上是以一确定的时间常数减小的。时间常数τoff近似地由等式(1)表示：
τoff≌Roff(CLC+CGL+CSC+CGS)                  (1)其中，Roff代表如图7所示的薄膜晶体管503在OFF时的电阻，CGS代表薄膜晶体管503的栅源电容。
在水平电场方案的液晶显示器件中，CLC和CGL小于在垂直电场方案的液晶显示器件中的那些电容，因为它们是边缘(fringe)电容。Roff是由薄膜晶体管的工艺限制确定的恒定值，CGS是由薄膜晶体管的尺寸确定的，这二者都只具有很低程度的灵活性。另外，由于CSC对应于在象素电极104和公共电极106之间的重叠部分，所以重叠部分的面积增大会导致减小的孔径比。
在为背光设置高的光强度时，如图7所示，在薄膜晶体管的反向沟道(back channel)上的入射光和n-i-n寄生电阻部分中的空穴的形成导致光泄漏电流增大。象素电荷的泄漏导致在公共电极和象素电极之间的电位差减小，根据图6中的曲线，从而降低了屏面透射比。另外，因为光泄漏电流的量随薄膜晶体管的制造偏差而变化，则由于在显示表面上的光泄漏电流的变化，很可能出现不均匀的亮度。
除了电荷通过薄膜晶体管泄漏的情况之外，当采用具有低电阻系数的液晶材料时，即，当采用包括多个离子的液晶材料时，在电荷写入象素电极之后，液晶中的离子形成一个电气双层，以明显增大CLC。由于在薄膜晶体管截止之后在象素电极中保持的电荷可以被认为是恒定的，因此减少导致在象素电极和公共电极之间的电压下降。电压下降是与下面的参数x近似成正比的，其中参数x被称为象素电容比：
当不能设置足够高的CSC时，希望在这个模型中的电压下降增大，在这种情况下，屏面透射比也减小。
按这种方式，水平电场方案中的有源矩阵液晶显示器件导致一个缺陷，即，很难以维持的孔径比获得与垂直电场方案中的有源矩阵液晶显示器件一样的保持特性，从而很难抑制屏面透射比的减小和不均匀显示的产生。
第二个缺陷是在长时间连续使用后会产生彩饰和图象污迹。下面将说明其原因。
具体地说，薄膜晶体管的馈通电压可用等式(3)近似表示。由于在水平电场方案的液晶显示器件中等式(3)中的分母较小，所以显示出Vfd增大。另外，在整个电容中的CLC的比例高于垂直电场方案。由于这个原因，当灰度(gradation)级别改变时，即当CLC改变时，与垂直电场方案相比，Vfd变化很大。增大的Vfd表明，当扫描信号波形在大屏面等中被延迟时，显示单元的左右部分中的Vfd出现不同。 V fd = C GS C GS + C LC + C SC + C GL × ( V G - ON - V G - OFF ) - - - ( 3 )
如上所述，由于均匀和恒定的直流电压被加到显示表面上的公共电极上，所以上述现象导致在表面和灰度级别之间的象素电极和公共电极之间的电压的直流分量中的变化增大。这导致了一个问题，即由于由加到液晶材料上的直流电压引起的材料退化而产生彩饰和图象污迹，并且由于在加到显示表面中的液晶上的有效电压的差别而引起显示表面的不均匀亮度。
图8是显示另一个现有技术的单位象素的平面图，而图9是沿图8的b-b’线所取的剖面图。
图8和图9所示的单位象素与图1和图2中的有源矩阵液晶显示器件的单位象素类似，不同之处在于象素电极104的端口部分延伸到与公共电极106重叠。
发明内容
考虑到上述缺陷，作出了本发明，本发明的一个主要目的是提供一种有源矩阵型液晶显示器件，该器件提供了一个有利的保持特性和减小的馈通电压，以及令人满意的显示均匀性和可靠性，同时保持一个孔径比(aperture ratio)。
根据本发明，提供了一种有源矩阵型液晶显示器件，包括两个相对的透明绝缘衬底，液晶放在二者中间，其中，通过用一个加在象素电极和公共电极之间的电压产生一个大致平行于液晶层的电场来控制所述液晶，其中所述象素电极和公共电极都置于第一个所述衬底上，所述有源矩阵型显示器件的特征在于包括：
累积电容增大装置，采用了高介电常数的电介质材料，使得在所述象素电极和所述公共电极之间获得的累积电容比在所述层间绝缘膜具有均匀厚度和平坦结构的情况下产生的累积电容大。
通过下面结合附图对本发明的最佳实施例的说明，本发明的上述目的和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是显示现有技术的液晶显示器件的单位象素的平面图；
图2是显示现有技术的液晶显示器件的单位象素的剖面图；
图3是显示现有技术中发射型液晶显示器件的结构的原理图；
图4是显示在现有技术的水平电场方案中的液晶显示屏的等效电路的电路图；
图5是显示现有技术的有源矩阵型液晶显示器件的信号波形的时序图；
图6是显示现有技术的液晶显示器件的电压-亮度特性的示意图；
图7是显示现有技术的反向交错结构的薄膜晶体管的结构的剖面图；
图8是显示现有技术的另一个单位象素的平面图；
图9是显示现有技术的另一个单位象素的剖面图；
图10是显示依据本发明的第一个实施例的液晶显示器件的单位象素的平面图；
图11是显示沿图10的线c-c’所取的液晶显示器件的单位象素的剖面图；
图12是显示依据本发明的第一个实施例的液晶显示器件的保持特性的示意图；
图13是显示依据本发明的第一个实施例的液晶显示器件的显示表面中的馈通电压分布的示意图；
图14是显示依据本发明的第一个实施例的液晶显示器件的馈通电压依信号电压振幅变化的示意图；
图15是显示依据本发明的第二个实施例的液晶显示器件的单位象素的平面图；
图16是显示沿图15的线d-d’所取的液晶显示器件的单位象素的剖面图；
图17是显示依据本发明的第三个实施例的液晶显示器件的单位象素的平面图；
图18是显示沿图17的线d-d’所取的液晶显示器件的单位象素的剖面图；
图19是显示依据本发明的第四个实施例的液晶显示器件的单位象素的平面图；
图20是显示沿图19的线d-d’所取的液晶显示器件的单位象素的剖面图。
发明的实施方式
下面将参考图10说明依据本发明的有源矩阵型液晶显示器件的第一个实施例。依据本发明的有源矩阵型液晶显示器件采用水平电场方案，具有两个相对的透明绝缘衬底。
第一个衬底带有相互正交的多个扫描线502和多个信号线103、薄膜晶体管503、公共电极106、象素电极104、分离公共电极106和象素电极104的层间绝缘膜130，在其上形成一个第一对准膜(未显示)，插在保护绝缘膜110之间。薄膜晶体管503在扫描线502和信号线103的交点附近形成。公共电极106大致平行于扫描线502延伸，具有多个梳状凸起。象素电极104在公共电极106的相邻梳状凸起之间的间隙中形成。
与图2所示的现有技术一样，第二个衬底带有一个形成黑底的遮光膜、平面化膜和第二对准膜，所述黑底在相对于象素电极的区域内具有开口。
另外，依据本发明的水平电场方案的有源矩阵型液晶显示器件带有高介电常数绝缘膜230，所述高介电常数绝缘膜230包括从与衬底垂直的方向观察衬底、在TFT侧玻璃衬底(第一个衬底)的位于公共电极106的梳状凸起和象素电极104之间的区域中具有预定介电常数的透明电介质。
下面将参考图10至图14详细说明本发明的第一个实施例。
参考图11，TFT侧玻璃衬底100的在公共电极106与象素电极104之间的区域被蚀刻，以形成凹槽。此后，将具有高相对介电常数的透明电介质膜、例如二氧化钛(TiO2，相对介电常数ε≈85)淀积在凹槽中。绝缘膜指的是高介电常数绝缘膜230。对于薄膜晶体管的栅极绝缘膜，与现有技术中类似地淀积层间绝缘膜130，以便获得与现有技术相同的在下布线(扫描线502，公共电极106)和上布线(信号线103)之间的交叉电容和薄膜晶体管的相同电特性。其他制造步骤和结构与现有技术类似。
在如上述形成的液晶显示器件中，孔径比未降低，如图10所示，并且从信号线103通过薄膜晶体管503流入象素电极104的电荷由以象素电极104、公共电极106和绝缘层形成的累积电容来保持。由于在凹槽中形成的高介电常数绝缘膜230，累积电容与现有技术相比提高了。结果，根据现有技术中描述的机构，改进了保持特性，减小了馈通电压。
下面将参考图12至图14说明上述第一实施例的效果。图12是显示当一帧时间、即保持时间改变时测量屏面透射比的结果的示意图。图13是显示在显示表面中的馈通电压的变化的示意图。图14是显示馈通电压依信号电压变化的示意图。图12显示了当薄膜晶体管总是导通时假定屏面透射比为100％的结果。
如图12所示，可以看到，与现有技术相比，在实施例中即使用更长的保持时间也很难减小亮度。并且，如图13和图14所示，馈通电压在显示表面和对于各种信号电压比现有技术中显示出更小的变化量。换句话说，在本实施例中，对于显示表面的所有位置和对于所有灰度级别，在象素电极104与公共电极106之间的直流电压分量是可忽略的。由于这个原因，这个实施例能够消除最初的显示特性的缺陷，例如显示表面的亮度不均匀，还能消除可靠性缺陷，例如不均匀的显示或图象斑点。另外，在本实施例中，由于孔径比没有减小，所以液晶显示器件的亮度也没有降低。
如上所述，在本发明的第一个实施例中，在TFT侧玻璃衬底100上形成的具有高相对介电常数的透明电介质能够增大以象素电极104和公共电极106形成的累积电容。因此，能够获得具有良好的保持特性和低馈通电压的液晶显示屏。另外，该实施例能够以令人满意的显示均匀性和可靠性、以保持的常规孔径比提供一个有源矩阵型液晶显示器件。
下面将参考图15和图16说明本发明的第二个实施例。
与上述的第一个实施例不同，在第二个实施例中，象素电极104具有一个延伸至与公共电极106重叠的末端部分。当层间绝缘膜130形成时，从垂直的方向向TFT侧玻璃衬底100观察，在层间绝缘膜130中的象素电极104与公共电极106之间的重叠部分内形成一个缝隙。并且，与薄膜晶体管503的半导体薄膜的沉积同时执行布线图案制作，以便在缝隙部分内留下半导体薄膜504。其他结构与上述的第一个实施例相似。
在第二个实施例中，与现有技术相比，在象素电极104与公共电极106之间的具有较高的介电常数(介电常数ε≈12)的a-Si的形成能够增大累积电容。在对TFT侧衬底构图时，可以将a-Si制造为与现有技术具有相同数目的曝光。这使得液晶屏的孔径比不会显著减小，并具有良好的保持特性和低馈通电压，并且有源矩阵型液晶显示器件具有高亮度和令人满意的显示均匀性和可靠性。
虽然在上述实施例中半导体薄膜504是在层间绝缘膜130的缝隙部分内形成的，但是本发明并不限于上述结构。与上述第一个实施例类似，可以用具有一相对介电常数的透明电介质来代替半导体薄膜504。
接着，参考图17和图18说明本发明的第三个实施例。
与上述的第二个实施例不同，这个实施例的特征在于，缝隙形状的凹槽505是在形成公共电极106之前在TFT侧玻璃衬底100的低于象素电极104与公共电极106之间重叠部分的部分中进行蚀刻形成的。其他步骤与现有技术中的类似。
在这个实施例中，应用上述结构，象素电极104、层间绝缘膜130和公共电极106可以在凹槽505的壁表面上形成，如图18所示。这使得在象素电极104与公共电极106之间重叠部分的面积增大，从而有可能增大以象素电极104和公共电极106形成的保持电容。因此，能够获得与上述第一个实施例类似的效果。
虽然在这个实施例中缝隙形状的凹槽505是在TFT侧玻璃衬底100的低于象素电极104与公共电极106之间重叠部分的部分中形成的，但本发明并不限于上述结构。相反，本发明可以采用一种在TFT侧玻璃衬底100中具有凸起和下沉的结构，以增大在象素电极104与公共电极106之间的重叠部分的面积。
接着，参考图19和图20说明本发明的第四个实施例。
在这个实施例中，将具有大的腐蚀速率比的两种薄膜、即第一层间绝缘膜601和第二层间绝缘膜602叠放在一起，用作一个层间绝缘膜，如图20所示。在象素电极104与公共电极106之间的重叠部分中，只有第二层间绝缘膜602被蚀刻，以使得层间绝缘膜比其他区域薄。
由于与现有技术相比上述结构能够减小在象素电极104与公共电极106之间的重叠部分的层间绝缘膜的薄膜厚度，所以能够增大以象素电极104和公共电极106形成的保持电容，以达到与上述第一个实施例类似的效果。
虽然在这个实施例中层间绝缘膜具有由具有不同腐蚀速率的第一层间绝缘膜601和第二层间绝缘膜602形成的双层结构，但本发明并不限于上述结构。相反，可以采用任何结构，只要它能够减小在象素电极104与公共电极106之间的重叠部分的层间绝缘膜的薄膜厚度即可，并且例如可以使用带有三层或更多层的叠层结构。
如上所述，依据本发明，在不显著降低孔径比的情况下，能够提高将电荷写入象素电极的保持特性，并减小馈通电压，从而达到提高显示特性和可靠性的效果。
原因在于使用了上述方案中的任何一种或其组合来形成公共电极、象素电极和绝缘层，从而能够与液晶的介电常数无关地增大累积电容。
然而，应该理解，虽然在上述说明中已经陈述了本发明的特性和优点，但本公开只是例示性的，在所附的权利要求的范围内可以对部件的安排作出改变。

Claims (5)

1.一种有源矩阵型液晶显示器件，包括两个相对的透明绝缘衬底，液晶放在二者中间，其中，通过用一个加在象素电极和公共电极之间的电压产生一个大致平行于液晶层的电场来控制所述液晶，其中所述象素电极和公共电极都置于第一个所述衬底上，所述有源矩阵型显示器件的特征在于包括
累积电容增大装置，采用了高介电常数的电介质材料，使得在所述象素电极和所述公共电极之间获得的累积电容比在所述层间绝缘膜具有均匀厚度和平坦结构的情况下产生的累积电容大。
2.如权利要求1所述的有源矩阵型液晶显示器件，其特征在于，所述累积电容增大装置是设置在所述第一衬底中的具有预定介电常数的电介质，当从垂直于衬底的方向观察该衬底时，所述电介质设置在所述公共电极的梳状凸起和所述象素电极之间。
3.如权利要求1所述的有源矩阵型液晶显示器件，其特征在于，所述累积电容增大装置是用具有预定介电常数的电介质形成的层间绝缘膜，在从垂直于衬底的方向观察衬底时公共电极和象素电极重叠的区域的至少一个部分上，该层间绝缘膜将所述公共电极和象素电极的层间绝缘膜分隔开。
4.如权利要求3所述的有源矩阵型液晶显示器件，其特征在于，具有预定介电常数的电介质是以介电常数高于所述层间绝缘膜、保护绝缘膜和所述第一衬底的透明电介质形成的。
5.如权利要求4所述的有源矩阵型液晶显示器件，其特征在于，所述透明电介质是以二氧化钛形成的。
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