CN1372242A - 有源点阵装置和显示器 - Google Patents

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Abstract

一种有源点阵装置包括一个图像元件阵列。每个图像元件包括一个成像元件,例如连接到第一存储电容器12的LCD元件(11)。当由扫描线6上的扫描信号激活时,通过一个薄膜晶体管10将该元件(11)安排连接到一条数据线4上。需要时,通过另一个薄膜晶体管20将第二存储电容器21并接到第一电容器12上,以增加象素的存储能力。

Description

有源点阵装置和显示器
发明背景
发明领域
本发明涉及一种例如用作显示器的有源点阵装置。该装置可包括一个动态液晶点阵显示器，该液晶示器由薄膜晶体管(TFT)技术实现，例如，基于非晶硅，或高温或低温聚合硅的技术。这种显示器可适用于电池供电的便携式设备。
相关技术描述
附图1描述一种传统型的有源点阵装置。该有源点阵装置包括一个N行和M列图像元素(象素)如2的有源点阵1。每列象素经各自的数据线(如4所示)连接到数据线驱动器3。数据线驱动器3有一个输入端5，用于接收定时信号，控制信号和数据信号。
每行象素经各自的扫描线，例如6，连接到扫描线驱动器7。扫描线驱动器7由输入端5来的定时信号同步，并按一个重复时序每次激活一条扫描线6。
附图2描述四个已知类型的有源点阵象素。每个象素包括一个TFT(薄膜晶体管)10。其栅极连接至扫描线6，而其源极连接至数据线4。该TFT10的漏极连接至一个象素电极11和存储电容器12的第一连接端。该电容器的第二连接端连接到公共电极线13，同一行象素的所有存储电容器12共享该公共电极线13。所有行的公共电极线13连接至共用直流电压源。
在使用中，象素的TFT10作用像开关，由扫描线6上的信号控制其开关切换。然后，有源点阵的每个象素2按称作为帧频的某一频率更新。一帧图像数据的更新通常是逐行进行的。对于每一行象素，数据线驱动器3接收要显示的一行图像数据，并将M数据线4充电至相应的模拟电压。扫描线驱动器7激活一条扫描线6，以致接通所有连接在该激活扫描线上的晶体管TFT 10。TFT 10将电荷从数据线4迁移至存储电容器12，直到每个电容器上的电压等于数据线上的电压。然后，扫描线驱动器7释放该行的TFT 10。它们的源-漏极通路恢复到高阻状态。
有源点阵寻址可进一步分成两种类型，也就是面采样-保持(panel-sample-and-hold)寻址(也称为每次点(point-at-a-time)寻址)和每次线(line-at-a-time)寻址。在前一种方案中，每激活一条扫描线时，数据线通常是与数据线驱动器3的数据线充电电路隔离的。在后一种方案中，在扫描线激活期间，继续驱动数据线。
当每个TFT10断开时，TFT管的非无穷大阻抗将导致那列中每个存储电容器12和数据线4之间的充电电流或漏电流。这将导致象素电极11上电压产生不希望的变化，随之损害了图像质量。电压的变化幅度取决于漏电流的大小，存储电容器12的电容和象素更新的持续时间，即帧频。
通过修改装置的设计能够减少TFT管的漏电流，这要求改变制造工艺。例如，可以引入轻掺杂的漏极(LDD)，该漏极除了减小高漏电场(high drainfields)外，还增加沟道的电阻。可以将每个TFT开关实现为一个双栅极或三栅极装置，有效地在数据线和象素电极间串接入两个或三个开关。这将增加沟道电阻，并降低TFT管“导通”(on)性能。
美国专利申请5517150公布一种如图3中所示的配置。该象素配置不同于附图2所示，另外还提供了一个TFT15，其源-漏极通路连接在TFT10管的漏极和象素电极11之间。并且，另一个电容16连接在公共线13与TFT10和15的连接点之间。
当激活某一特殊象素的扫描线6时。两个晶体管10和15都导通，因此，从数据线4对两个电容器12和16进行充电。当扫描线释放(deactivate)时，两个晶体管都被断开。如上所述，通过晶体管10的电荷泄漏将导致电容器16上的电压变化。然而，晶体管15上的电压下降很小，因此漏电流也很小。所以电容器12上的电压变化很小，因此象素电极11的电压变化也很小。
通过增加存储电容器12的电容可减少由电荷泄漏引起的象素电压变化。然而，存储电容器的电容不能任意变大。例如，如果显示器是传递型(transmissive type)，一个大容量的存储电容器可能减小象素的孔径比，并因此减小显示亮度。用一个相对较小的TFT晶体管也不可能在扫描线的有效激活期内，将一个相对较大的存储电容器完全充电。对于面采样和保持(panel-sample-and-hold)显示器，带有电容C1的数据线上的电荷与存储电容器共享，其电容为Cs。结果，写入象素的电压与数据线4上的采样电压(V1)不相同。该电压差ΔV随存储电容器的电容变大而增加，如果假定存储电容器最初没有充电，电压差ΔV用下式表示： Δv = Cs Cs + Cl vl
虽然可能增加帧频，以最小化象素电压保持恒定的持续时间，这不是一种实用的选择。例如，这不可能在减小的寻址周期内对数据线或存储电容器进行充电，或可能增加功耗至超过可以接受的程度。对于低功耗应用情况，希望为了减小功耗，以相对较低的帧频更新有源点阵。
美国专利申请6023074公布一种相似于美国专利申请5517150中公布的一个象素TFT的配置。然而，该存储电容器是金属氧化物半导体(MOS)电容器。如附图4所示，由一个晶体管18构成一个MOS电容器，该晶体管的栅极g构成电容器的一个连接端，而它的源极和漏极连接在一起构成另一个连接端。通过重掺杂半导体而不是通过对隔离内部互连层的“电驵”型接触连接实现源极和漏极间的连接。该装置的有效电容是依赖电压，如图4中的曲线所示。低于MOS装置的阈值电压Vt时，其电容等于栅-源极与栅-漏极的叠加电容总和。高于阈值电压Vt时，该电容变成除了叠加电容外，还包括MOS氧化物电容。
美国专利申请5835170公布一种如附图5所示的配置，其中省略了公共电极线13，并且将电容器12的第二连接端连接至邻近一行象素的扫描线6。这种栅极上电容器(capacitor-on-gate)配置的优点是，横越有源点阵1的水平信号总数比图2所示的配置小一半。因此可达到更高的象素孔径比。然而，有源点阵1的扫描方向是固定的。特别是，必须从图5中的底部行起向上扫描有源点阵行。
发明概述
按照本发明，提供一种有源点阵装置，该装置包括一列图像元件，每个图像元件包括一个成像元件，一个连接于该成像元件的第一电荷存储元件，和一个将数据线连接到第一电荷存储元件和该成像元件的第一半导体开关。其特征在于，每个图像元件包括一个第二电荷存储元件和一个第二半导体开关。该开关的切换与第一开关无关，并将第二电荷存储元件连接到第一电荷存储元件和成像元件，以致增加电荷存储能力。
每个成像元件可以是一个光调节元件并且可以传递或反射。例如，每个成像元件可以是液晶元件。
每个图像元件可以是一个光发射元件。
第一和第二开关中的每一个可以是薄膜晶体管。
第二电荷存储元件的电荷存储能力可以大于第一电荷存储元件。
对于每个图像元件，第二电荷存储元件和第二开关可以串联后并接在第一个电荷存储元件的两端。
图像元件可排列成行和列，其中每列的图像元件连接至一条各自的数据线，而每行的图像元件连接至一条各自的扫描线。
每行图像元件的第二开关可以有连接于一条各自控制线的控制端。这些控制线可以连接在一起。
对于每个图像元件，第二开关可以有一个连接于第一和第二电荷存储元件第一连接端的控制端。
每行图像元件的第一和第二电荷存储元件可以有连接于一条各自公共线的第一连接端。
邻近的每对图像元件行的第一和第二电荷存储元件可以有连接于一条各自公共线的第一连接端。
每行图像元件的第一和第二电荷存储元件可以有连接于邻近行扫描线的第一连接端。
每个图像元件的第一和第二电荷存储元件可分别包括第一和第二电容器。每个图像元件的第一和第二电容器可有一个公共极板。该公共极板可包括一部分栅极金属互连层。每个图像元件的第一电容器可以有另外一块极板，该极板包括一部分源极金属互连层。每个图像元件的第二电容器可以有另外一块极板，该极板包括一部分重掺杂硅层。
每个图像元件的第二电容器可以有包含栅极氧化物的电介质。每个图像元件的第二电容器可以包括一个金属氧化硅电容器。该金属氧化硅电容器可构成第二开关，并可有连接于第一开关和图像元件的源极和漏极连接端。每个图像元件的第一电容器包括金属氧化硅电容器的栅/源极叠加电容和栅/漏极叠加电容。金属氧化硅电容器可以有一个在栅电极下面的轻掺杂漏极。
按照本发明的另外一个方面，提供一种显示器。该显示器包括按照本发明的第一个方面的装置。
这样就可能提供一种可改变每个象素的存储能力的装置，以致允许有源点阵按不同方式工作，例如只要优化图像质量和功耗性能。例如，这种装置可以以低存储能力工作，允许快速和更精确地更新，以致能工作于相对高的帧频，并具有高质量的图像。对于低功耗，可选择低帧频方式，该方式的象素具有较高的存储能力，以致减少或防止在象素更新之间的间隔期间由电荷泄漏引起的图像劣化。
附图简述
以下参照附图和实例进一步描述本发明，其中：
图1示意性表示一种已知的有源点阵显示器；
图2是一个电路图，示出一种已知显示器类型的有源点阵象素；
图3是一个电路图，示出另一种已知显示器类型的有源点阵象素；
图4表示一种MOS电容器，以及这种装置中相对于栅/源极电压的电容；
图5是一个电路图，进一步示出一种已知类型装置的象素；
图6是一个电路图，示出构成本发明第一实施例的装置的象素；
图7是一个波形图，表示如图6中所示的象素以两种工作方式时的模拟工作；
图8是一个波形图，表示图6所示的象素在面采样和保持装置中模拟工作的结果；
图9是一个电路图，示出构成本发明第二实施例的装置的四个象素；
图10是一个电路图，示出构成本发明第三实施例的装置的四个象素；
图11是一个电路图，示出构成本发明第四实施例的装置的四个象素；
图12是一个电路图，示出构成本发明第五实施例的装置的四个象素；
图13是一个电路图，示出构成本发明第六实施例的装置的四个象素；
图14表示一个图13所示装置的一个象素的掩模版图设计例子；
图15是一个电路图，示出构成本发明第七实施例的装置的四个象素；
图16表示一个图15所示类型的一个象素的掩模版图设计例子；
图17示意性表示MOS电容器的工作；
图18是一个电路图，示出构成本发明第八实施例的装置的四个象素；
图19表示图18所示一个象素的掩模版图设计例子；及
图20是一个电路图，示出构成本发明第八实施例的装置的四个象素。
全部图中，相同的参照号涉及相同的部件。
较佳实施例描述
图6示出一种有源点阵装置的四个象素，例如按液晶显示板的格式。每个象素包括一个TFT10，一个存储电容器12，和一个如上文中描述的象素电极11，例如根据图2所示。另外，每个象素包括另外一个TFT20，它的漏极(或源极)连接到象素电极11，而它的源极(或漏极)连接到另一个存储电容器21的第一极，该电容器的另一极连接到公共电极线13。TFT20的栅极连接到一条电容器选择线，该选择线通常接至该行象素。电容器21的电容Cs2不需与电容器12的电容Cs1相同，而且实际上，例如可以更高，例如为5倍的电容值。
每个象素有与它相关的一条垂直信号线和三条水平信号线。垂直线由源极金属互连层构成，而水平线用栅极金属互连层构成。
有源点阵装置可以以两种方式中任一种方式工作。在第一种方式，电容器选择线连接至一个相对较低的电压。在这种方式中，所有象素的TFT20都断开，因此电容器21有效地断开与象素电极11的连接。这是一种电容相对较小的方式，在该方式中，每个象素的存储电容实际上等于存储电容器12的电容值Cs1。在另一种大电容的方式，线22连接至一个相对较高的电压，因此所有象素上的晶体管20都导通，而电容器21并行地连接于每个象素的电容器12。在这种方式，存储电容等于电容器12和21的电容值Cs1和C s2的总和。
图7是一张波形图，示出对应于时间(以微秒为单位)的电压(以伏为单位)波形，表示图6的装置以两种小电容和大电容方式工作时的模拟结果。该模拟表示一个液晶象素单元接收某一帧中的-3.5V电压和下一帧中的+3.5V电压的情况。象素电压与一个6伏的计数器电极电位有关，所以供给象素电极11的电压为第一帧的2.5伏和第二帧的9.5伏。调节扫描线的激励频率和泄漏，以使在一个合理的模拟时间内观测到相对的影响。电容器12的电容值Cs1为100fF，为小型直视有源点阵液晶显示器的典型值。电容器21的电容值CS2为500fF。
在小电容工作方式，象素充电非常快。然而，当扫描线变低时，存在从TFT10的叠加电容注入的相当多的电荷。从存储电容器12的泄漏也非常大。因为在大电容工作方式，象素电极电压要升高至数据线电压，象素的充电时间需更长。当晶体管10断开时，电荷注入较少，而泄漏实际上较少。
模拟结果没有说明在面采样和保持型显示器中，由于共享充电对数据线电压所产生的劣化现象。对于小型直视有源点阵液晶显示器，数据线电容通常为10pF。对于相等的存储电容，在小电容方式，象素上发生的电压变化约为所需数据线电压的1％。在大电容方式，电压变化接近6％。这种影响在图8中描述。恰好在第二个扫描期之前，数据线最初在9.5伏。当扫描线激活时，数据线与电容器12和21共享充电。该纯影响是象素电极11达到9.1伏，而不是所需的9.5伏。
在每个象素中实施的500fF额外电容器21和额外TFT20，实际上减少了小型传递液晶显示器中的象素孔径比，尤其是，如果用栅极和源极金属互连层构成平板存储电容器。然而，象素孔径比实际上不影响反射或传递反射型显示器。在显示器中，额外元件20和21可安排在反射电极下面。
要求仔细地考虑大电容方式工作中增加的象素充电时间，特别是在TFT10和20为非晶体硅时。这种装置的迁移率非常低，例如1cm2/Vs，限止了数据线4到存储电容器12和21的充电速率。因此，为了使象素完全充电，必须或希望放慢有源点阵寻址。换句话说，可能连续几帧将相同的图像数据写入有源点阵，以致保证象素的良好充电。通过修改数据线驱动器3和扫描线驱动器7中的定时时序可实现这种技术。在用高性能聚合硅TFT10和20晶体管制作的显示器中，具有超过50cm2/Vs的迁移率，不必需要用大电容方式来延长象素的充电周期。
在大电容方式的每次点(point-at-a-time)显示寻址中减少的精度可在数据线驱动器或在连接于显示器的液晶驱动控制器(未示出)中进行补偿。这种补偿是一种规范措施，因为通常需要对液晶象素的非线性电压/传递响应进行补偿；即通常称为“伽马校正(gamma correction)”。在大电容和小电容方式的驱动电路间实施两种补偿方案需要一笔额外开销(overhead)。很可能是显示器工作于减少帧频的大电容方式，主要是为了减少功耗。在这种场合时，达到高灰度(high grey-scale)精度是不重要的。例如，显示器可以以低帧频1比特颜色方式工作。任何在这种1比特颜色方式中共享充电引起的误差，实际上未必存在图像质量问题。
图9描述的实施例不同于图6中描述的实施例在于TFT20和电容器21的位置已经互换了。然而这种互换不影响工作。
图10描述的实施例不同于图6中描述的实施例在于图5描述的栅极上电容器类型的技术用于减少若干横过每行有源点阵的水平信号之一。这样，电容器12和21的下面极板连接到邻近象素行的扫描线6上，因此不需要公共线13。扫描线用于将一个直流电压供给电容器12和21的下边连接端，并且扫描线大部分时间为零伏。然而，扫描线6依次接通一个高直流电压，以激活该行象素中的TFT10。为了避免损坏储存于电容器12和21中的电压，应当在电容器充电之前，进行这种开关操作。这样，图10描述的有源点阵应当从低层行向上扫描。
图11描述的装置不同于在图6中描述的装置在于由连接于电容器12和21另一极板和TFT20晶体管的栅极的一条线24代替公共电极线13和电容器选择线22。因为一旦选择了工作方式，电容器选择信号基本上是一个直流信号，就能允许这种代替。在小电容方式，线24连接到地，因此TFT20切断，并由电容器12提供有效存储电容。在大电容方式，线24连接到正电源电压Vdd，因此TFT20晶体管导通，将电容器21并接在电容器12上。这种技术也可应用在下文中描述的实施例中。
图12描述的装置不同于在图11中描述的装置在于，每个电容器的选择和公共电极线24由邻近一对象素行共享。这样平均只有1.5个通过每行象素运行的水平信号。这种技术也可应用在下文描述的实施例中。
图13描述的装置类似于图6描述的装置在于，每行象素有一条公共线13和一条电容器选择线22。然而，电容器12和21共享一块公共极板，该极板形成完整结构的栅极金属互连层的一部分，在该金属互连层中构成TFT10和20。电容器12的另一块极板包括一部分源极金属互连层，而电容器21的另一块极板构成一部分重掺杂非晶体或聚合硅层，例如N型材料。在典型的TFT结构中，电容器21的电介质是栅极氧化物，因此，对于电容器21的每单位基层面积的电容，实际上大于电容器12的电容。这允许电容器21的电容Cs2达到较大值。
图14示出在图13中所示的类型的装置的掩膜设计，用聚合硅双栅极TFT结构组成一种反射液晶显示器。在源极金属互连层(SL)上实现数据线4。该数据线4通过通孔30与TFT10的源极相连接，在象素的右手边垂直地通过。该TFT10为双栅极结构。扫描线6横越过TFT10两次。该扫描线6在栅极金属互连层GL上构成，因此，两个串行连接的TFT通道互相形成为直角。这种排列使该装置更结实，以避免掩膜校正误差。
在TFT10的漏极，一个通孔31将该连接端连接到一个大型SL电极，该SL电极形成电容器12的一块极板，电容器的另一极板由部分GL电极线形成。电极SL也与反射电极(RE)32接触。TFT10的漏极也连接到构成晶体管20的聚合硅轨道(track)，由电容器选择线22交叉地穿过形成该晶体管20。然后，聚合硅轨道连接到重掺杂聚合硅电极，该电极连同GL公共电极线13形成电容器21。
栅极层下的非晶硅或聚合硅层的重掺杂通常不能用传统TFT工艺流程来达到，并且似乎需要另一个掩膜来确定重掺杂区域。
图15描述的装置具有与图13描述相类似的类型，但是用图11所示的单个电容器选择和公共电极线24，并配备有MOS电容器型的电容器12和21。当该线24连接至低电压时，例如接至地，TFT20晶体管切断，而电容器12是由SL和GL层间一个平板电容器构成。当该线24上的选择信号为高电平时，例如为Vdd时，TFT20接通，而电容值为Cs2的MOS电容器并行于电容器12。由栅极电极下的非晶硅或聚合硅层构成MOS电容器35。由分布在GL层上的电容器选择信号线形成栅极电极，并因此处于高电位。该电位大于MOS结构35的阈值电压Vt。那时，总电容等于氧化物电容和上文中参考图4所述的叠加电容的总和。
图16描述在图15装置中的掩膜设计，该设计按反射聚合硅双栅极TFT结构实施。只有两个水平信号通过象素。MOS电容器的聚合硅层延伸到电容器的栅极金属层外面。在普通的自对准TFT制作流程中，该区域被重掺杂。如同33所指，为了形成必需的源-漏极连接，该区域连续围绕MOS电容器的三边。
MOS结构的电容依施加到公共电极上的电压而变化。图17描述两种情况下，MOS电容器35的端电压。在图17的上部框图中，公共电极为15伏，为有源点阵装置典型的电源电压。在典型装置中，象素电极11可以为1.5伏到10.5伏之间的任意值。为了使电容器处于大电容状态，MOS的阈值电压必须小于4.5伏，该值一般适合于非晶硅或聚合硅象素TFT的情况。
在图17底部框图描述的配置中，公共电极为零伏。为了使电容器处于小电容状态，MOS阈值电压必须大于-1.5伏，该值一般适合于非晶硅或聚合硅象素TFT的情况。这样，通过切换公共电极本身的电压，就可能在两个MOS电容器状态间，改变选择两种不同的存储电容。
图18所示的装置利用这种能力，并且不同于在图15中所示，在于，因为MOS结构35执行电容的切换，省略了TFT20。该装置的一个象素的掩膜设计在图19中描述。
图20描述的装置不同于在图18中描述的装置在于，省略了由互连层形成的平板电容器。因此不需要在互连层SL上形成一个电极，并且这将构成一个非常简单的象素电路。由叠加电容提供固定连接的存储电容器，而自动开关电容器是由氧化物电容产生，并且仅在该线24切换到高电压时，如Vdd时，该自动开关电容器经切换连接到电路。可用已知的TFT沟道工程技术选择该固定连接的存储电容器的电容值Cs1，例如通过在栅极电极下并入一个轻掺杂漏极(LDD)的技术。

Claims (27)

1.一种有源点阵装置，其特征在于，该装置包括一个图像元件阵列，每个图像元件包括一个成像元件，一个连接于该成像元件的第一电荷存储元件，和一个将数据线连接到第一电荷存储元件和该成像元件的第一半导体开关，其特征在于，每个图像元件包括一个第二电荷存储元件和一个第二半导体开关，该开关的切换与第一开关无关，并将第二电荷存储元件连接到第一电荷存储元件和成像元件，以致增加电荷存储能力。
2.如权利要求1的装置，其特征在于，每个成像元件是一个光调节元件。
3.如权利要求2的装置，其特征在于，每个图像元件是透射型的。
4，如权利要求2的装置，其特征在于，每个图像元件是反射型的。
5.如权利要求2的装置，其特征在于，每个图像元件是液晶元件。
6.如权利要求1的装置，其特征在于，每个图像元件是光发射元件。
7.如权利要求1的装置，其特征在于，第一和第二开关中的每一个都是薄膜晶体管。
8.如权利要求1的装置，其特征在于，第二电荷存储元件的电荷存储能力大于第一电荷存储元件。
9.如权利要求1的装置，其特征在于，对于每个象素，第二电荷存储元件和第二开关可以串行后并接在第一电荷存储元件的两端。
10.如权利要求1的装置，其特征在于，图像元件可排列成行和列，其中每列的图像元件连接至一条各自的数据线，而每行的图像元件连接至一条各自的扫描线。
11.如权利要求10的装置，其特征在于，每行图像元件的第二开关有连接于一条各自控制线的控制端。
12.如权利要求11的装置，其特征在于，所述的控制线可以连接在一起。
13.如权利要求1的装置，其特征在于，对于每个图像元件，第二开关有一个连接于第一和第二电荷存储元件第一连接端的控制端。
14.如权利要求10的装置，其特征在于，每行图像元件的第一和第二电荷存储元件有连接于一条各自公共线的第一连接端。
15.如权利要求10的装置，其特征在于，邻近的每对图像元件行的第一和第二电荷存储元件有连接于一条各自公共线的第一连接端。
16.如权利要求10的装置，其特征在于，每行图像元件的第一和第二电荷存储元件可以有连接于邻近行扫描线的第一连接端。
17.如权利要求1的装置，其特征在于，每个图像元件的第一和第二电荷存储元件可分别包括第一和第二电容器。
18.如权利要求17的装置，其特征在于，每个图像元件的第一和第二电容器可有一个公共极板。
19.如权利要求18的装置，其特征在于，该公共极板包括一部分栅极金属互连层(GL)。
20.如权利要求19的装置，其特征在于，每个图像元件的第一电容器有另外一块极板，该极板包括一部分源极金属互连层(SL)。
21.如权利要求19的装置，其特征在于，每个图像元件的第二电容器可以有另外一块极板，该极板包括部分重掺杂硅层。
22.如权利要求17的装置，其特征在于，每个图像元件的第二电容器有包含栅极氧化物的电介质。
23.如权利要求22的装置，其特征在于，每个图像元件的第二电容器可以包括一个金属氧化硅电容器。
24.如权利要求23的装置，其特征在于，该金属氧化硅电容器构成第二开关，并有连接于第一开关和成像元件的源极和漏极连接端。
25.如权利要求23的装置，其特征在于，每个图像元件的第一电容器包括金属氧化硅电容器的栅/源极叠加电容和栅/漏极叠加电容。
26.如权利要求25的装置，其特征在于，该金属氧化硅电容器(35)有一个在栅电极下面的轻掺杂漏极。
27.一种显示器，其特征在于，该显示器包括如权利要求1的装置。
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