CN1146057C - 有源矩阵显示装置 - Google Patents

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Abstract

在一个有源矩阵显示器中，采用这样一个电路作为开关元件，该电路包括至少5个薄膜晶体管(TFT)，这些晶体管设置有一个用于一个单独象素电极和一个栅电极线的近似呈M形的半导体区域和一个与该M形半导体区域交叉的电容线。因而，通过向栅电极线供应一个选择信号，可以操作TFT，从而向象素写入数据，同时如果向电容线提供一个合适的电压，在其下可形成一个沟道，并且它会变成一个电容器。

Description

有源矩阵显示装置
技术领域
本发明涉及用于比如液晶显示装置、等离子体显示装置或EL(电发光)显示装置中用来改善有源矩阵型显示装置的显示屏图像质量的电路和元件。
背景技术
图2A示意地表示一种常规有源矩阵显示装置。由虚线表示的区域104是一个显示区。在区域104中以矩阵形式布置薄膜晶体管(TFT)101。连接到TFT101源极的接线是一个图像(数据)信号线106，并且连接到TFT101栅电极的接线是一个栅极(选择)信号线105。多个栅电极信号线和图像信号线大致彼此垂直地布置。
在驱动元件中，TFT101进行数据转换并且驱动象素单元103。一个辅助电容102用于保持象素单元103的电容量并且存储图象数据。TFT101用于对应于施加到象素单元103上的电压转换图象数据。
通常在一个TFT中，如果向栅电极施加一个反向偏置电压，则会出现已知的这种现象，即在源极和漏极之间没有电流流动(关断状态)，但是有漏电流(关断电流)流动。这种漏电流改变象素单元的电压。
在一个N-沟道型TFT中，当栅电极负偏置时，在一个产生于半导体薄膜表面的P型层和一个源极区及漏极区的N型层之间形成一个PN结。然而，由于在半导体膜中存在大量陷阱，该PN结有缺陷并容易有结漏电流流动。当栅电极上施加负偏压时断电流增加的事实是由于形成于半导体膜表面中的P型层中的载流子浓度增加以及PN结处的能垒的宽度变窄，因而导致电场集中和结漏电流的增加。
以此方式产生的关断电流很大程度依靠源、漏电压。据知，比如当施加于TFT的源极和漏极之间的电压增加时，关断电流随之迅速增加。即在源极和漏极之间施加5V电压的情况下，以及在其间施加10V电压的情况下，后者的″断电流不是前者的2倍，而是前者的10倍或者甚至100倍。这种非线性还依赖于栅电压。通常如果栅电极的反向偏置值大(对于N沟道型为一个大负电压)，则两种情形之间差别显著。
为了克服这个问题，如在日本专利(已审查)No.5-44195和5-44196中所描述，已经提出了一种串联连接TFT的方法(一种多栅极方法)。此举目的在于通过减小施加于每个TFT的源极/漏极电压而降低每个TFT的漏电流。当如图2B所示串联连接两个TFT时，施加于每个TFT的源极/漏极的电压折半。如上所述，如果施加于源极/漏极的电压折半，则关断电流会减少至1/10或者甚至1/100。
然而，当液晶显示装置的图象显示所需的特性变得更严格时，既使采用上面的多栅极方法也很难充分地降低关断电流。这是因为：既使栅电极的数目(TFT数目)增至3、4或5，施加于每个TFT的源极/漏极的电压只轻微地减至1/3，1/4或1/5。还存在一个问题就是电路变的复杂且所占面积大。
发明内容
本发明的目的是提供一个具有这样结构的象素电路，其中通过减小施加于连接到象素电极的TFT源/漏极上的电压而将关断电流降低至低于其正常值的1/10，最好是低于其正常值的1/100。此时的特征是用于上述目的的TFT得以有效地布置。在本发明中，用5个TFT达到上述目的。在本发明中不限制TFT的数目。
说明书公开的本发明的特征是：一个装置包括以矩阵形式安排的栅极信号线和图象信号线，在由门脉冲信号线和图象信号线包围的区域中布置的象素电极，以及彼此相互串联的、邻近每个象素电极的、具有相同导电型的薄膜晶体管(TFT)(TFT的数目是n)，其中一个第一TFT(n＝1)的源极区或漏极区连接到其中一个图象信号线上，一个第几个TFT的源极区域漏极区连接到其中一个象素电极上，TFT的栅电极(TFT的数目是n-m(n＞m))共同连接到其中一个栅极信号线，并且将TFT(TFT数目是m)中的栅电极电压维持在这样一个值，使得沟道形成区域的导电型与源极区和漏极区相同。
上述结构的例子如图2C所示。在图2C中，布置5个TFT121-125，即n＝5，m＝2。TFT121(n＝1)的源极区连接于一个图象信号线129。第几个TFT(n＝5)的漏极区连接于一个象素单元127的一个电极(象素电极)上。TFT121-123的栅电极(TFT的数目是n-m(n＞m))连接于一个公共栅极信号线128上。TFT124-125(TFT的数目是m)的栅电极连接至一个维持于一个理想电压的公共电容线130上。
在图2C中，本发明的基本特征是串联连接这些TFT121、122、123、124及125，把TFT121-123的栅电极连接到栅极信号线128上，以及把其它TFT124与125的栅电极连接到电容线130上。因此，当维持象素电压时，通过将电容线维持于一个合适的电压而在TFT124和125的沟道和栅电极之间形成电容。
因此，降低了在TFT122和123的源极和漏极之间产生的电压，使得有可能降低这些TFT的关断电流。图中所示的辅助电容126并非绝对必要。另外，由于在数据写入过程中辅助电容增加了负载，存在这样的情况，即如果象素单元的电容与TFT124和125中产生的电容之间的比率是最佳的话，则最好不包括辅助电容。
详细描述该动作：当向栅极信号线128施加一个选择信号时，所有TFT121-123导通。为了也导通TFT124和125，有必要向电容线施加一个信号。因此，象素单元127根据图象信号线129上的信号充电，并且同时TFT124和125也充电。在已经进行了充分充电的阶段(平衡状态)，在TFT122和123的源极和漏极之间的电压大致相同。
在这种状态下如果没有施加或没有连通选择信号，则所有TFT121至123都截止。在此状态，TFT124和125仍处于导通状态。接着把另一个象素信号施加于图象信号线129，并且由于TFT121有一定的关断电流，贮存于TFT124中的电荷释放掉，这样电压下降。然而，其速度与图2A的正常有源矩阵电路中的电容102中的电压下降速度大致相同。
在TFT122中，由于最初源极和漏极之间的电压几乎为零，关断电流极其小，但接着TFT124的电压下降，并且因此TFT122的源极和漏极之间的电压逐渐增加，并接着关断电流也增加。还有，在TFT123中，关断电流也以相同方式逐渐增加，而且其速率甚至比TFT122的更小。由此可见，由于TFT的关断电流的增加，象素单元127的电压降比图2A的正常有源矩阵电路中的小得多。
应进一步理解到：如果在TFT121-125的沟道中形成LDD(轻掺杂漏极)区或衬偿区，则这些区变成一个漏极电阻和一个源极电阻，并且有可能在漏极结处减弱电场强度，并降低关断电流。
通过图1A中的电路布置可以增加这样电路的集成度，使得在一个近似M型的半导体区域100上重叠栅极信号线128和电容线130。图1B-1D表示此时可能的组合安排，并且无论采用那种均可达到相同的效果。
图1B是最正统的形式。TFT121-125在半导体区100与栅极信号线128及电容线130的交叉处形成(3个与栅极信号线的交叉点和2个与电容线的交叉点：总共5个交叉点)。如果向由栅极信号线及电容线分割的半导体区域的区(在图1A中为4个区)以及在半导体区域端部的区中引入N型或P型杂质，则它们会变成TFT的源极和漏极。应当形成图象信号线和象素电极，使得它们连接于半导体区的任一个端部(图1B)。
在图1C中点a和b有可能不为电容线所覆盖。这是因为TFT124和125仅作为电容就足够了。
在图1D中，有可能通过形成与半导体区100的6个交叉点而构成TFT131-136。电路如图2D所示，并且图2C中的TFT122仅由2个串联的TFT代替。因而与图2C相比有可能降低关断电流。
附图简述
图1A-1D表示在本发明中半导体区，栅极信号线和电容线的布置；
图2A和2B是现有技术；
图2C-2D表示有源矩阵电路的略图；
图3A-3F表示在一个实施例中开关元件的制造过程(剖面图)；
图4A-4F表示在一个实施例中开关元件的制造过程(上视图)；
图5表示在一个实施例中一个开关元件的剖视图；
图6表示在一个实施例中开关元件的电路；
图7A和7B表示在一个实施例中半导体区、栅极信号线和电容线的布置；以及
图8表示在一个实施例中栅极信号线和电容线等，以及辅助电路的布置。
具体实施方式
(实施例1)
通过描述电路的制造过程有助于理解本发明。图1A-1D表示从上看该实施例的电路图，图3A-3D是制造过程的横剖视图。在图A-3D中，左侧表示通过由图1A中的虚线X-Y指示的部分的剖视图，右侧表示由X′-Y′指示的部分的横剖视图。还有，它们还得是邻近的，但应理解到X-Y和X′-Y′并不在同一直线上。
该实施例的特征在于通过阳极氧化处理栅电极来构制一个偏置栅电极以便进一步降低关断电流。在日本公开专利No.5-267667中公开了一个用来进行阳极氧化处理栅电极的技术。在本发明中还可采用一个带有通常使用的结构的栅电极。
在衬底(Corning 7059，100mm×100mm)上形成厚度为1000至5000，比如3000的氧化硅膜152作为基层膜。通过等离子体CVD(化学蒸汽沉积)来分离和沉积TEOS(四乙氧硅烷)以形成氧化硅膜。还可以通过溅射来进行该过程。
通过等离子体CVD或低压CVD(LPCVD)沉积具有300至1500，比如500厚度的非晶硅膜，然后将该膜在550至600℃的环境中放置8至24小时，并且结晶。此时通过添加少量的镍或类似物则会促进结晶。在日本公开专利No.6-244104中提供了一种通过添加镍或类似物来促进结晶、降低结晶温度及缩短结晶时间的技术。
通过用激光照射作光热处理或类似技术也可以完成该过程。通过热处理与光热处理结合可以完成该过程。
光刻结晶硅膜以形成大致呈M形的岛形区100。在其上形成栅电极绝缘膜153。即通过等离子体CVD形成具有厚度为700至1500，比如1200的氧化硅膜。也可通过溅射完成该过程(图1A和3A)。
通过溅射形成厚度为1000A至3μm，比如5000A的铝(按重量计含1％硅，或0.1-0.3％的钪)膜，然后对其光刻以形成栅信号线128和电容线130。这些都是薄膜晶体管(TFT)的栅电极。(图1B和3B)。
在此阶段，在图8中，把在衬底176上的所有其它栅极信号线和电容线(铝接线171)连接到形成在有源矩阵区175周围的铝膜区172上。然而，如果此时设计栅电极的铝接线或周围电路(栅电极驱动器173和源电极驱动器174)的类似物使它们与铝区域172绝缘，则在周围电路中不会发生阳极氧化并有可能改善集成化。(图8)。
在电解液中电流通过栅电极来进行阳极氧化处理，这样形成了厚度为500至2500，比如2000的阳极氧化物。通过用甘醇把L-酒石酸稀释至5％的浓度并且用氨水把pH值调至7.0±0.2可以获得电解液。把衬底浸入溶液中。恒流源的正极连接至衬底上的栅电极上并且负极连接到铂电极上。施加具有20mA恒定电流的电压，并且继续进行氧化，直到电压达到150V为止。用150V的恒定电压继续进行氧化，直到电流降至0.1mA以下为止。因而，在栅极信号线128和电容线130上得到厚度为2000的氧化铝膜154和155。(图3C)。
用栅电极部分(栅电极和其周围的阳极氧化物膜)作为掩膜通过离子掺杂以自取向方式向岛形区100植入杂质(在此例中是发光物质)，以形成N形杂质区。掺杂气体是磷化氢(pH3)。剂量为1×1014和1×1015个原子/cm2，加速电压是60至90KV，例如剂量是1×1015个原子/cm2和加速电压是80KV。因而形成了N型杂质区156至159。(图3D)
发射KrF激态准分子激光(波长248nm，脉冲宽度20ms)激发掺杂了的杂质区156至159。激光的合适的能量密度是200至400mJ/cm2，最好是250至300mJ/cm2。用热处理也可进行该过程。特别地，通过添加催化元素(镍)可以以低于正常情况的温度由热处理进行激发(日本公开专利No.6-267989)。
以此方式形成N型杂质区，但在本实施例中由阳极氧化物的厚度把杂质区域与栅电极分隔开，因而可以看出它们是所谓的偏置栅电极。可以看出已经形成了TFT121，123，124和125。另一个TFT122也以相同方式形成。
然后通过等离子体CVD形成厚度为5000的氧化硅膜160作为层间绝缘膜。此时TEOS和氧气用作原气体。然后光刻层间绝缘膜160和栅电极绝缘膜153以在N型杂质区156中形成一个接头孔。通过溅射形成铝膜并且光刻以形成源电极/接线161。这是图象信号线129的延伸。(图3E)
然后形成一个钝化膜162。通过等离子体CVD采用NH3/SiH4/H2作为混合气体来形成厚度为2000至8000，比如4000的氮化硅膜作为钝化膜。然后光刻钝化膜162、层间绝缘膜160和栅电极绝缘膜153以形成一个用于N型杂质区159中象素电极的接头孔。
通过溅射形成一个铟锡氧化物(ITO)膜，并且光刻以形成一个象素电极163。象素电极是象素单元127的一个电极。通过上述过程，形成了一个具有N沟道型TFT121至125的有源矩阵电路元件。在图2C中示出了没有辅助电容126的本实施例的开关元件电路。(图3F)(实施例2)
图4A-4F表示形成本实施例中的电路的过程。由于使用一种已知的技术(或实施例1中的技术)，则不给出具体过程的详细描述。
如在实施例1(或图1A)那样形成近似于M形的半导体区(有源层)201和202。在形成栅电极绝缘层(未示出)之后，形成栅极信号线203至205和电容线206至208。栅极信号线、电容线和有源层之间的位置关系与实施例1中的相同。(图4A)
然后，在掺杂有源层之后，形成一个层间绝缘体，在有源层的左端形成接头孔210和211，并且形成一个图象信号线209。(图4B)
之后，在由栅极信号线和图象信号线包围的区域中形成象素电极212、213和214。然后形成用于有源矩阵电路的开关元件。在该实施例中，在图4C中，这样布置电容线207使得它与对应行的象素电极213不重迭，但是与上一行的象素电极212重迭。这样，在电容线207和象素电极212之间形成对应于图2C的辅助电容126的电容215。这同样适用于其它行。(图4C)
这样，通过这样安排，即栅极信号线与上一行(或下一行)的象素电极重迭，而不是与对应行重迭，则构制了一个如图6所示的电路，但是电容215形成在电容线上，因而有可能增加电容而没有实际上降低孔径率，并且有效地改进了电路的集成度。
为了增加电容器215的电容，应当光刻在重迭部分的层间绝缘体。这样可以降低电极间的距离并且增加电容量。为此目的，电容线的表面最好象在实施例1中那样由阳极氧化物覆盖。阳极氧化物是不导电的。其横截面如图5所示。
为了得到电容215而对相应部分进行光刻不会增加过程的数目。即当光刻层间绝缘体以形成接头孔210和211或用于象素电极的接头孔时，同时在电容线上也形成一个孔。图5表示后一种情况的一个实例。在合适的光刻条件下，铝阳极氧化物及类似物一点也不被光刻(例如，氧化硅不被光刻的干光刻条件)，并因而可以继续光刻直到形成接头孔为止。
半导体区域216和部分TFT与象素信号线219重迭(如图4D至4F所示)有效地改进了孔径率。
在图7A和7B中，通过增加岛形半导体区域221(图7A)弯曲处的复杂性，以及在该区域(图7B)中重迭栅极信号线222和电容线223，有可能形成较大数目的晶体管。这样有可能进一步降低关断电流。
本发明中，通过将多个TFT的栅电极连接到每个象素中的一个栅极信号线和一个电容线，有可能抑制液晶盒电压的下降。特别是在整个驱动过程中把图2C中的TFT122和123的源极和漏极之间的电压保持于低电压。通常，TFT性能变差与否取决于源极和漏极之间的电压，并且因而在本发明中有可能避免性能变差。
本发明在需要高清晰度图象显示的应用方面非常有效。即为了显示256个或更非常精细的明暗灰度，液晶盒的放电必须抑制到在一帧期间为10％或更少。对于常规系统，图2A和图2B都不适于此目的。
另外，本发明适于一个采用结晶硅半导体TFT的有源矩阵显示器，其适于矩阵显示和具有特别多数目行的类似物。通常，对于具有许多行的矩阵来说，每行的选择周期短，并且因而非晶硅半导体TFT不适宜。然而，采用结晶硅半导体的TFF存在关断电流大的问题。
因而可以降低关断电流的本发明在该领域方面贡献很大。采用非晶硅半导体的TFT也有优点。
根据具有顶栅电极型结构的TFT来主要描述这些实施例，但是如果采用底栅电极型或其它结构，本发明的优点不变。
根据本发明，有可能以最小的变化获得最大效果。特别地，对于顶栅电极型TFT，尽管薄半导体区(有源层)的形状复杂，栅电极和类似物具有极其简单的形状，因而有可能避免切断(断开)上层的接线。相反，如果栅电极具有复杂的形状，则会造成孔径率降低。因此本发明对工业有益。

Claims (9)

1.一种有源矩阵显示器包括：
图象信号线；
栅极信号线，在一个矩阵中形成的图象信号线和栅极信号线；
与所述栅极信号线平行的电容线；
一个象素电极；和
至少三个薄膜晶体管，所述象素电极和所述至少三个薄膜晶体管相互串联，
其中位于所述三个薄膜晶体管中央的所述三个薄膜晶体管中的一个与所述电容线相连，
其中位于所述三个薄膜晶体管的一端的所述三个薄膜晶体管中的一个与所述图象信号线中的一条和所述栅极信号线中的一条相连，以及
其中位于所述三个薄膜晶体管的另一端的所述三个薄膜晶体管中的另一个与所述象素电极和所述栅极信号线中的一条相连。
2.一种有源矩阵显示器包括：
多条图象信号线；
多条垂直于图象信号线的栅极信号线；
多条电容线，每条电容线相互平行并且在栅极信号线之间；
在由栅极信号线和图象信号线包围的区域内设置的象素电极；和
连接于每个象素电极的开关元件，
其中每个开关元件包括一个半导体膜，该半导体膜包括至少三个与一条栅极信号线重迭的部分，和至少两个与一条电容线重迭的部分；并且
其中所述半导体膜具有至少三个弯曲的部分。
3.根据权利要求2的有源矩阵显示器，其中所述半导体膜是M形的。
4.一种有源矩阵型显示设备包括：
多条图象信号线；
多条垂直于图象信号线的栅极信号线；
多条电容线，每条电容线相互平行并且在栅极信号线之间；
在由栅极信号线和图象信号线包围的区域内设置的象素电极；和
连接于每个象素电极的开关元件，
其中每个开关元件包括一个半导体膜，该半导体膜包括一个与一个图象信号线接触的区域，一个与象素电极接触的区域，和至少四个由电容线及栅极信号线分割的区域，所有这些区域具有N型或P型导电型；并且
其中所述半导体膜具有至少三个弯曲的部分。
5.根据权利要求4的有源矩阵显示设备，其中所述半导体膜是M形的。
6.一种有源矩阵型显示器包括：
多条图象信号线；
多条垂直于图象信号线的栅极信号线；
多条电容线，每条电容线相互平行并且在栅极信号线之间；
在由栅极信号线和图象信号线包围的区域内设置的象素电极；和
连接于每个象素电极的开关元件，
其中每个开关元件包括一个半导体膜，该半导体膜包括至少三个与一条栅极信号线重迭的部分，和至少两个与一条电容线重迭的部分，并且其中每条电容线不与对应行的一个象素重迭，而与一个邻近对应行的行中的一个象素重迭；并且
其中所述半导体膜具有至少三个弯曲的部分。
7.根据权利要求6的有源矩阵显示器，其中所述半导体膜是M形的。
8.一种有源矩阵显示设备包括：
多条图象信号线；
多条垂直于图象信号线的栅极信号线；
多条电容线，每条电容线相互平行并且在栅极信号线之间；
在由栅极信号线和图象信号线包围的区域内设置的象素电极；和
连接于每个象素电极的开关元件；
其中每个开关元件包括一个半导体膜，该半导体膜包括一个与一条图象信号线接触的区域，一个与象素电极接触的区域，和至少四个由电容线和栅极信号线分割的区域，所有这些区域具有N型或P型导电型，并且其中每条电容线不与对应行的一个象素重迭，而是与邻近于对应行的一行中的一个象素重迭；并且
其中所述半导体膜具有至少三个弯曲的部分。
9.根据权利要求8的有源矩阵显示设备，其中所述半导体膜是M形的。
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