DE69510793T2

DE69510793T2 - Struktur für flüssigkristall-anzeigevorrichtungen mit grossem öffnungsverhältnis

Info

Publication number: DE69510793T2
Application number: DE69510793T
Authority: DE
Inventors: Roger Ellis
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2015-05-27
Also published as: EP0760966B1; EP0760966A1; WO1995033225A1; JP3869463B2; US5546204A; DE69510793D1; JPH10501347A; CA2189661A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Aktivmatrix-Flüssigkristall-Displays (AMLCD's), und insbesondere die Bereitstellung eines größeren Apertur-Verhältnisses in einem AMLCD.
Die LCD-Technologie wurde als ein möglicher Nachfolger der Kathoden-Strahlröhren- Technologie (CRT) für viele Anwendungen entwickelt. Die LCD-Technologie bietet wichtige Vorteile, wie z. B. eine hohe Zuverlässigkeit, reduzierte Leistungsaufnahme, reduzierte Größe und reduziertes Gewicht. Nach dem gegenwärtigen Stand der Entwicklungen sind jedoch die Eigenschaften eines LCD in der Wiedergabe gering im Vergleich zu den Möglichkeiten bei der Verwendung von CRT's.
Es gibt es großes Bedürfnis für hochauflösende Dünnfilm-Transistor/Flüssigkristall- Displays in einem weiten Bereich von möglichen Anwendungen, wie z. B. bei tragbaren Computern und Testausrüstungen für hochauflösende Projektions-TV's. Solche Displays bestehen typischerweise aus einer großen Anzahl von Bildelementen (Pixeln), die in einer Aktivmatrix angeordnet sind. Für ein Anzeigesystem, in dem das elektro-optische Medium ein Flüssigkristall ist, wird jedes Pixel durch eine bestimmte Elektrode auf einer Seite von zwei gegenüberliegenden transparenten Substraten oder einer anderen Elektrode definiert, die für alle Pixel und Betrachtungen des Betrachters gleich ist.
Fig. 1 zeigt einen Schaltkreis nach dem Stand der Technik für ein TFT-Flüssigkristall- Display. Jedes Pixel der Aktivmatrix verfügt über einen TFT-Schalter und einen Flüssigkristall-Kondensator. Die TFT-Gate-Elektroden für alle in einer Reihe angeordneten Zellen sind an einen gemeinsamen horizontalen Gate-Bus angeschlossen, während die TFT-Quellen in allen Zellen für jede Spalte an einen vertikalen Datenbus angeschlossen sind. Die Zellen sind entweder in einem "Line-At-A-Time" oder in einem Linie-By-Linie-Betriebsmodus addressiert. Durch Anlegen eines Gate-Bus an ein positives Potential relativ zum Quell-Potential während eines Adressierintervalls für eine spezielle Reihe, werden die TFT's in dieser Reihe angeschaltet. Zur selben Zeit werden die Datensignal-Spannungen an den Quell-Bussen an die TFT-Ausgangselektroden (Drains) und an die Flüssigkristall-Kondensatoren übertragen. Wenn der Gate-Bus bei Adressierung der nächsten Reihe ausgeschaltet wird, werden die Datensignale in den Kondensatoren gespeichert, bis der nächste Adressierzyklus für eine spezielle Reihe im folgenden Bilderneuerungszyklus stattfindet.
In dem oben beschriebenen Anzeigesystem müssen die Anzahl der Reihen- und Spalten- Leiter mit der Anzahl der Reihen n und Spalten m für n x m Pixel korrespondieren. Zusätzlich zu der Notwendigkeit, einen Teil des Displaybereichs für die Anordnung der Reihen- und Spalten-Leiter zuzuordnen, besteht auch die Möglichkeit, daß infolge der großen Anzahl der verwendeten Leiter eine oder mehrere dieser Leiter defekt sein können, und daß dadurch die Anzeigeeinrichtung unbrauchbar sein kann. Dieses Problem ist ziemlich geläufig bei der Überkreuzung der Reihen- und Spaltenleiter. Demgemäß ist diese Möglichkeit umso größer, je mehr Leiter eingesetzt werden, was das Ziel einer großen Fläche der Displayeinrichtung negativ beeinflussen kann.
Des weiteren verursacht die große Anzahl von Reihen- und Spalten-Leitern Probleme bei der Produktion kleinflächiger Anzeigeeinrichtungen, die als Projektionsdisplays Verwendung finden. Großflächige Displays können aus kleinflächigen TFT- Flüssigkristalldisplays durch Verwendung eines Projektionssystems erreicht werden, in welchen das durch ein kleinflächiges Display erzeugte Bild auf einen großflächigen Schirm projiziert wird. Um jedoch die gewünschte Displayauflösung nach der Projektion zu erzielen, muß die Displayeinrichtung, die das Bild erzeugt, eine angemessene Anzahl von Reihen- und Spalten-Pixeldichten aufweisen. Falls die Anzahl der Reihen- und Spalten-Leiter groß ist, wird ein großer Abschnitt des Displays durch die Leiter besetzt und das Apertur-Verhältnis des Displays ist klein (Apertur-Verhältnis gleich Displayfläche, an der Licht austreten kann/totale Fläche). Das Display läßt dann nur geringe Lichtpegel durch.
Fig. 2 zeigt eine Konfiguration eines typischen Flüssigkristalldiplay-Arrays nach dem Stand der Technik. In dem Array sind Gate-Busleitungen 4 und Quell-Busleitungen 6 in einem gitternetzartigen Muster zwischengeschaltet. Zwischen den Busleitungen befinden sich Bildelemente, die typischerweise über einen Flüssigkristall zwischen zwei transparenten Elektroden 2 gehalten werden. In der Ecke des Bildelements befindet sich ein Schaltelement, ein Dünnfilm-Transistor (TFT) 5, der entweder die Spannung vom Flüsigkristall entfernt oder hinzuaddiert, und hierdurch entweder das Bildelement lichtundurchlässig oder klar macht. Das TFT verfügt über eine Gate-Elektrode 8 und eine Drain-Elektrode 7, ebenso wie das Drain. Bei dieser Konfiguration überlagern die Verbindungen für das TFT das normale rechtwinklige Bildelement. Aufgrund des Erfordernisses fester Kontakte zwischen den unterschiedlichen Busleitungen, ist eine große Struktur erforderlich.
Die größte Reduktion des Apertur-Bereichs bei konventionellen AMLCD-Layouts ergibt sich infolge der Notwendigkeit von Zwischenverbindungen und Kontakten. Insbesondere reduzieren der Quellen-Datenbus und der Gate-Datenbus dramatisch die Pixel-Apertur. Diese Busse müssen größer gemacht werden als die minimale photolithographische Dimension, infolge der Anwesenheit von Quell- und Drain-Kontakten in jedem Pixel. Ein weiterer Hauptfehler der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik über ihre Betriebszeit hinweg liegt in dem Auftrennen von Kontakten.
Ein weiterer Nachteil der Methoden nach dem Stand der Technik liegt in der Bearbeitungsmethode, die zur Herstellung der Arrays verwendet wird. Um gut leitende Busleitungen bereitzustellen, muß Metall zum Abschließen des Arrays verwendet werden. Metall/Indium-Zinn-Oxyd-(ITO)-Verunreinigungen sind eine Hauptquelle von Leistungsverlusten. Darüber hinaus werden die Entwürfe nach dem Stand der Technik durch das Bedürfnis von mehreren Metallschichten verkompliziert.
Die US-4,563,806, welche EP 0 103 523 A1 entspricht, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Displayschirms, der auf Dünnfilm-Transistoren und Widerständen basiert, der die Eigenschaften des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 umfaßt. Zu diesem Zweck ist eine erste leitende Schicht auf einem Substrat angeordnet, und durch einen ersten Photogravur-Prozeß werden die Platten der zukünftigen Widerstände ebenso wie die Quelleitungen und Drain-Gebiete für zukünftige Transistoren bereitgestellt. Danach wird eine wasserstoff-verbundene, amorphe Siliziumschicht auf einer Isolatorschicht angeordnet, und der nächste Schritt besteht darin, daß eine Schicht auf ein zweites leitendes Material aufgebracht wird, um die Gate-Leitungen zu bilden.
Gemäß der im Patentanspruch 1 definierten, vorliegenden Erfindung, wird die Ausbildung der Daten-Quelleitungen und der Drain-Mittel für die Dünnfilm-Transistoren dadurch erzielt, daß eine einzelne Schicht eines einzelnen Siliziumkristalls verwendet wird, welches auf dem Substrat angeordnet wurde und welches geätzt wurde und selektiv dotiert wurde. Dieses Verfahren reduziert die Anzahl der erforderlichen Verfahrensschritte und stellt des weiteren den Vorteil bereit, daß ein größeres Apertur-Verhältnis der Aktivmatrix- Flüssigkristall-Anzeige bereitgestellt wird. Die Überkreuzungen der Gate-Leitungen, Daten-Quelleitungen und Drain-Mittel formen ein Array von TFT's.
Ein großes Apertur-Verhältnis ist aus verschiedenen Gründen für das AMLCD möglich. Zuerst können die Quell- und Gate-Leitungen für die Schaltelemente im Array unter Verwendung minimaler photolithographischer Dimensionen hergestellt werden. Weiterhin kann das Gate und die Quelle aus transparenten, leitenden Materialien hergestellt werden, wodurch die Lichtdurchlässigkeit verbessert wird. Des weiteren eliminiert die Entfernung der Metallkontakte die Überlagerung der Schaltelemente in das Bildelement, wodurch das Apertur-Verhältnis verbessert wird. Die Verringerung der Kontakte im Array verbessert auch die Display-Zuverlässigkeit. Diese Verbesserungen steigern die Leistungsfähigkeit des Aktivmatrix-Flüssigkristall-Displays von hoher Leistung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt ein Schaltkreis-Diagramm für eine AMLCD-Einrichtung nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine Pixel-Konfiguration für eine AMLCD-Einrichtung nach dem Stand der Technik
Fig. 3a ist eine Draufsicht auf ein kontaktloses Array, Fig. 3b ist eine Darstellung des kontaktlosen Arrays entlang des Gate-Busses, Fig. 3c ist eine Darstellung des kontaktlosen Arrays parallel zum Gate-Bus, Fig. 3d ist eine Darstellung des kontaktlosen Arrays entlang des Drains, und Fig. 3e ist eine Darstellung des Gate-Busses entlang des Quell-Busses.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Quell- und Drain-Region in einer einzelnen Siliziumkristall-Schicht des kontaktlosen Arrays.
Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Pixels in einem AMLCD mit einem großen Apertur- Verhältnis.
Fig. 6a ist eine Draufsicht des kontaktlosen Arrays in einer Halbton-Konfiguration, und Fig. 6b ist ein Querschnitt der Halbton-Version des kontaktlosen Arrays entlang des Gate-Busses.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die Source- und Quell-Bereiche in einer einzelnen Silizium-Kristall-Schicht für das kontaktlose Halbton-Array.
Fig. 8a ist eine Draufsicht auf das geteilte Kontaktarray, Fig. 8b ist eine Querschnittdarstellung des geteilten Kontakts, und Fig. 8c ist eine Querschnittdarstellung des Quellbusses.
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf die Quell- und Drain-Bereiche in einer einzelnen Siliziumkristall-Schicht für das geteilte Quell-Array.
Fig. 10 ist eine Draufsicht auf das geteilte Quell-Array in einer Halbton- Konfiguration.
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf die Quell- und Drain-Bereiche in einer einzelnen Siliziumkristall-Schicht für das geteilte Halbton-Quellarray.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 3a zeigt eine partielle Draufsicht auf eine kontaktlose Array-Architektur für ein Aktivmatrix-Flüssigkristall-Display (AMLCD) mit einem großen Apertur-Verhältnis. Das Array im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verfügt über Quell-Busse 12, die sich vertikal erstrecken, und die sich in elektrischem Kontakt mit (nicht-gezeigten) Display- Ansteuerungsmittel verbinden, die die Bildsignale bereitstellen. Die Quell-Busse 12 überkreuzen die Gate-Busse 14, die sich horizontal erstrecken. Die Gate-Busse befinden sich ebenfalls in elektrischem Kontakt mit den (nicht-gezeigten) Display- Ansteuerungsmitteln. Zwischen den Überschneidungen der Gate- und Quell-Busse sind transparente Elektroden 18 für jedes Pixel im Flüssigkristall-Display angeordnet. Die Pixel-Elektroden 80 befinden sich in elektrischem Kontakt mit den Drain-Bereichen 16. Alle in Fig. 3a gezeigten Elemente sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Die Überschneidung des Quell-Busses, der Drain-Region und des Gate-Busses bildet einen Dünnfilm-Transistor (TFT), der ein Schaltelement für die Pixel des Displays bildet. Ein besseres Verständnis der Konstruktion des TFT's ergibt sich aus dem Studium der Fig. 4 sowie 3b bis 3e. Fig. 4 ist eine Darstellung lediglich des Quell-Busses und der Drains, die auf einem Substrat aus klarem Glas aufgebracht sind, welches als Basisschicht für die gesamte Aktivmatrix dient. Die Quell-Busse 12 sind in einer versenkten Schicht des einzelnen Siliziumkristalls 10 definiert, welches intensiv mit n+ dotiert wurde, um den Leitungswiderstand zu reduzieren. Die durch das Drain 16 definierte Region wurde auch intensiv mit n+ dotiert. Das Gebiet zwischen der Quelle 12 und dem Drain 16, welches ein Teil der Siliziumschicht 10 ist, wurde undotiert belassen. Die Gate-Busse können auch aus übertragenem Silizium hergestellt werden, mit Hilfe einer Technologie, die von der Kopin Corporation bereitgestellt wird. Unter wiederholter Bezugnahme auf Fig. 3a soll angemerkt werden, daß die Gate-Busse über den Quell-Bussen angeordnet sind und daß die transparenten Elektroden zwischen den Überschneidungen der Busse beabstandet sind. Der Gate-Bus ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Indium-Zinn-Oxyd (ITO) hergestellt, wobei dieses Material transparent und leitend ist. Dieses Material verfügt über eine geeignete Leitfähigkeit, um das Gate-Signal zu leiten. Andere Möglichkeiten für Gate-Bus-Materialien sind Polysilizium oder ein Metallsilizid wie Titanium oder Wolfram. Die Gate-Busse können auch eine Schicht aus hitzebeständigem Metallsilizid wie Titan umfassen, welches oben auf dem Silizium angebracht werden könnte. Dies kann dann vorgenommen werden, wenn geringere Widerstände erfordert werden.
Aus dem Querschnitt entlang des Gate-Busses, was in Fig. 3d dargestellt ist, ergibt sich die Konstruktion des TFT. Nach der Silizium-Schicht, die den Quell-Bus und den Drain- Bus definiert, ist eine Schicht aus Oxyd über diesen Komponenten angeordnet. Der Gate- Bus ist dann auf der Oxyd-Schicht angeordnet, um so den Quell-Bus zu kreuzen. Die Quell-Region 12 der Silizium-Schicht 10 ist benachbart zum Drain-Bereich 16, und der Strom durch den Transistor wird durch ein Signal gesteuert, welches über den Gate-Bus 14 wandert. Der in Fig. 3c dargestellte Querschnitt, der entlang der transparenten Elektrode geschnitten ist, zeigt die Nähe der Pixel-Elektrode 18 zum Quell-Bus 12.
Der in Fig. 3d gezeigte Querschnitt ist in einer Richtung genommen, die parallel zum Drain 16 verläuft. Insbesondere ist der elektrische Kontakt zwischen dem Drain und der Pixel-Elektrode 18 gezeigt, ebenso wie die Nähe des Drains zum Gate-Bus. Die Natur der Verbindung zwischen dem Drain und der Pixel-Elektrode ergibt sich naheliegend. Dieser Kontakt wird durch gut bekannte Halbleiter-Herstell-Techniken erzielt, eher als durch einen Metallkontakt. Der in Fig. 3e gezeigte Querschnitt verläuft entlang des Quell- Busses. Insbesondere ist die Beziehung zwischen dem Quell-Bus und dem Gate-Bus dargestellt.
Die Elemente der Fig. 3a bilden zusammen die Aktivmatrix für ein Flüssigkristall- Display. Bildsignale werden entlang der Gate- und Quell-Busse übertragen, um so eine Ladung selektiv den Pixel-Elektroden bereitzustellen. Wie weiter unten in größerem Detail beschrieben werden wird, steuert die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Ladung an den Pixel-Elektroden, ob das Pixel an oder aus ist. Wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, ergibt sich das Anschalten oder Ausschalten des Pixels in Antwort auf das Schalten eines Transistors, der in Nähe zum Pixel angeordnet ist. Bei AMLCD's nach dem Stand der Technik benötigen diese Transistoren Metallverbindungen zwischen der Quell- Busleitung und den Transistoren, ebenso wie Metallkontakte zwischen dem Drain und dem Transistor und der Drainelektrode. Diese Metallkontakte sind schwache Verbindungen im LCD, weil es in der CMOS-Technologie gut bekannt ist, daß bei Transistoren die Metallkontakte zuerst als Fehlerquellen in Erscheinung treten. Die in Fig. 3a gezeigte Matrix verfügt über keine Metallkontakte, die die Busleitungen und den Transistor und den Transistor und die Drain-Elektrode verbinden. Weiterhin erfordert die Verwendung von Transistoren mit Metallkontakten, daß der Transistor in einer Ecke der Pixel-Apertur angeordnet ist. Die Überlagerung des Transistors in der Apertur kann klar aus der in Fig. 2 gezeigten Matrix nach dem Stand der Technik erkannt werden. In der vorliegenden Erfindung ist die Konstruktion des Transistors in die Konstruktion der Bus-Leitungen eingeschlossen, wodurch die Pixel-Apertur maximiert wird.
Das Einschließen der in Fig. 3a gezeigten Matrix in ein Flüssigkristall-Display- Bildelement ist in Fig. 5 gezeigt. Fig. 5 ist ein Querschnitt des aktiven Bereichs eines Flüssigkristall-Displays durch die Mitte eines einzelnen Pixels. Im aktiven Bereich des Pixels sind Glas-Substrate 30 eingeschlossen, welche die oben beschriebenen Elemente umfassen. Über dem unteren Substrat 30 ist eine Schicht eines einzelnen Siliziumkristalls 10 angeordnet. Die Siliziumschicht ist durch das in der Fig. 4 gezeigte Muster abgedeckt, und der nicht-abgedeckte Bereich wird oxydiert und das Nitrid entfernt. Mit den definierten Quell- und Drain-Bereichen werden diese Bereiche durch phosphorartige Implantate stark dotiert. Eine Gate-Oxydschicht wird dann über den Quell- und Drain- Bereichen überlagert, und ein aus ITO oder Polysilizium hergestelltes Gate wird dann diesem Gateoxyd überlagert. In das Gatematerial wird dann Bor eingelagert, und die Quelleitungen werden gegensinnig dotiert. Die transparente Elektrode ITO wird dann dem Oxyd überlagert, so daß sie zwischen den Überschneidungen der Gate- und Bus-Leitungen angeordnet ist, und um in elektrischem Kontakt mit der Drain-Region zu stehen. Wie auch aus Fig. 5 erkannt werden kann, wird dann eine Oxyd-Schicht über den Gate-Leitungen und über dem Pixel-ITO angeordnet. Um das Pixel zu definieren, wird ein Abstandsmittel 32 über den Gate-Leitungen und Quell-Leitungen angeordnet. Ein Chrom-Nickel-Block 34 wird zwischen dem Abstandsmittel und der gemeinsamen Elektrode 36 angeordnet, der ebenfalls aus ITO hergestellt ist. Die gemeinsame Elektrode wurde zuvor auf dem oberen Glas-Substrat 30 angeordnet. Wie in allen Flüssigkristall-Displays wird der Spalt zwischen der unteren Elektrode 18 und der oberen Elektrode 36 durch Flüssigkristall ausgefüllt.
Wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, ergibt sich die größte Verringerung des Apertur-Bereichs eines konventionellen AMLCD-Layouts infolge der Überschneidungen und Kontakte. Insbesondere verringern die Quell- und Gate-Busleitungen dramatisch die Pixel-Apertur. Diese Busse müssen größer gemacht werden als die minimale photolithographische Dimension, aufgrund der Anwesenheit der Quell- und Drain- Kontakte in jedem Pixel. Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Kontakte im Array eliminiert. Als Folge ergibt sich ein merklich größeres Apertur-Verhältnis, wie es in den meisten konventionellen Architekturen verfügbar ist.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel hat auch wesentliche Verfahrens-Vorteile. Einer liegt darin, daß alles Metall aus dem Array eliminiert wird. Die Metall/ITO- Verunreinigung ist eine Hauptquelle von Leistungsverlusten. Des weiteren gibt es keine weitere Notwendigkeit für zwei Metallschichten im Herstellungsprozeß. Dies vereinfacht den Entwurf und die Herstellung der AMLCD's wesentlich.
Die oben offenbarte, einzigartige TFT-Konfiguration benötigt eine Betriebsart für eine Aktivmatrix, die sich von dem unterscheidet, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Betrieb wird für ein einzelnes Pixel beschrieben, welche Signale über Gate- und Quell- Busleitungen empfängt. Wie es aus der Flüssigkristall-Technologie gut bekannt ist, steuert in einem Pixel die Ladung über dem Flüssigkristall das Pixel dahin gehend, ob dieses angeschaltet oder ausgeschaltet ist. Für das Biasschema des TFT's nach dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Pixel angeschaltet, indem zuerst die Quell-Datenleitung auf eine Spannung von -5 V und die Gate-Leitung auf eine Spannung von +5 V gesetzt wird. Mit dem angeschalteten Transistor fließt Strom von der Quelle zum Drain, und dann, wenn die Drainspannung negativer wird, verändert sich das Potential zwischen der Quelle und dem Drain in Richtung auf Null. Bei einer Spannungsdifferenz von 0 V stoppt der Prozeß. Um ein Pixel auszuschalten oder zu entladen, wird die Spannung der Quelleitung auf +SV und die Spannung der Gate-Leitung auf+ V5 gesetzt. Mit einem wiederum eingeschalteten Transistor fließt der Strom vom Drain zur Quelle des Transistors. Wenn die Drainspannung positiver wird, reduziert sich die Differenz zwischen der Quellspannung und der Gatespannung auf Null. Wenn dies stattfindet, wird der Transistor ausgeschaltet, und es fließt kein weiterer Strom.
Diese Betriebsart unterscheidet sich vom Stand der Technik, da zwei unterschiedliche physikalische Mechanismen zur Steuerung des Ladungsbetrags verwendet werden, der zum speziellen Pixel bewegt wird oder von diesem wegbewegt wird. Diese beiden Spannungen werden gesteuert, was eine überragende Leistungsfähigkeit des Pixels ergibt. Um eine Veränderung umgebender Pixel während des Schaltens eines speziellen Pixels zu vermeiden, sind der Gate-Quell-Bus oder die Datenleitungen der umgebenden Pixel entsprechend gesetzt. Das Bias der umgebenden Pixel-Transistoren ist eingestellt, um den Stromfluß im Hinblick auf Leckagestrom zu begrenzen, wodurch nicht der Status der umgebenden Pixel beeinflußt wird. Diese Art der Transistor-Leistung ist überragend, weil es eine besser gleichförmige Ladungsbewegung während beider Phasen des AMLCD- Betriebs garantiert, es einfacher herzustellen ist, weil nur zwei Maskenschichten erforderlich sind, und die Entfernung der Kontakte die Transistor-Zuverlässigkeit erhöht.
Das oben beschriebene, kontaktlose Array kann modifiziert werden, um Graustufen im AMLCD zu gewährleisten. Eine Halbton-Konfiguration des ersten Ausführungsbeispiels der Aktivmatrix ist in Fig. 6a gezeigt. In dieser Konfiguration werden Halbtöne durch Aufbrechen eines Pixels in kleinere Unterpixel bereitgestellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die transparente Elektrode für jedes Pixel in vier Elektroden 48, 50, 56 und 58 aufgebrochen. Jede Elektrode verfügt über eine Drain-Elektrode 48, 50, 52 und 46. Wie bei der oben beschriebenen Konfiguration überschneiden sich die Quell- Busleitungen 44 mit dem Gate-Bus 42. Die Konstruktion dieser Matrix entspricht im wesentlichen der oben beschriebenen Konstruktion. Bei der Herstellung dieser Konfiguration ist jedoch die Abdeckung der einzelnen Siliziumkristall-Schicht 44 komplizierter. Wie in Fig. 7 gezeigt, erstrecken sich vier unterschiedliche Elektroden 46, 48 und 50 aus einer einzelnen Quelleitung 44. Die Quelle und die Drains sind stark dotiert, um eine geeignete Leitfähigkeit bereitzustellen. Undotierte Bereiche der Siliziumschicht 26 werden zwischen den Drain-Elektroden und der Quelle belassen.
Die relative Anordnung der Drain-Elektroden, der Quell- und Gate-Busleitungen sind in Fig. 6b gezeigt, welche ein Querschnitt parallel zur Gate-Leitung ist. Die Gate-Busse sind den Quell- und Drain-Bereichen überlagert, mit einer dazwischen angeordneten Gate- Oxydschicht. Die Darstellung in Fig. 6b kann dahin gehend erweitert werden, daß sie die Drains 46 und 50 einschließt. Bei der Halbton-Konfiguration hat jedes Unterpixel seinen eigenen Transistor, um den Stromfluß zur Unterelektrode zu steuern. Die Konfiguration des Drain-Kontakts und der Unterelektrode ITO ist identisch mit der oben beschriebenen kontaktlosen Architektur.
Der relative Bereich jeder Unterelektrode bestimmt die letztendliche Schaltspannung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Pixelspannung durch das Breite-zu-Länge- Verhältnis des aktiven Schaltelements gesteuert. Dieses Verhältnis ist als Formfaktor des Transistors bekannt. Durch Veränderung dieses Länge-zu-Breite-Verhältnisses verändert sich der Strom, den der Transistor zur Verfügung stellt. In der vorliegenden Erfindung ist dies ausgeführt, damit die Bildelemente, die die Unterelektroden 56 und 58 umfassen, bei einer speziellen Quellspannung anschalten und die Bildelemente, die die Unterelektroden 54 und 58 umfassen, bei einer höheren Spannung anschalten. Die Quell- und Gate- Spannungen werden variiert, um den gewünschten Halbton für jedes Pixel bereitzustellen. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist dadurch vorteilhaft, daß es die Verwendung von Halbtönen in einem AMLCD ermöglicht, während gleichzeitig das maximale Pixel- Apertur-Verhältnis aufrechterhalten wird, welches ein Vorteil der kontaktlosen Architektur darstellt. In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine geteilte Quellkontakt- Architektur für großflächige AMLCD's offenbart. In einigen AMLCD-Architekturen kann es notwendig sein, das Aperturverhältnis für jedes Pixel zu maximieren, während gleichzeitig der Widerstand der Quell-Busleitungen reduziert wird. Eine Lösung für dieses Problem liegt in der Bereitstellung einer Reihe von gleichmäßig beabstandeten Kontakten entlang des Quell-Busses, um den individuellen Pixel-Transistoren Strom bereitzustellen. Diese Konfiguration bietet wesentliche Vorteile gegenüber den Stand der Technik, der elektrische Kontakte in jedem Pixeltransistor aufweist.
Eine Draufsicht auf das dritte Ausfluhrungsbeispiel der Aktivmatrix-Architektur ist in Fig. 8a gezeigt. In dieser Matrix ist ein Quellbus 70 eingeschlossen, der durch den Gate-Bus 74 durchkreuzt wird. Benachbart zu dieser Durchkreuzung der Quell- und Gate-Leitungen befinden sich Pixelelektroden 76, die in elektrischem Kontakt mit der Drain-Elektrode 78 stehen. Der Hauptunterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung und dem oben beschriebenen ersten Ausfluhrungsbeispiel sind die elektrischen Kontakte 72, die entlang des Quellbusses gleich voneinander beabstandet sind. Wie oben erwähnt, sind diese Kontakte in gleichmäßigen Intervallen entlang der Quelleitung angeordnet, um den Widerstand der Quelleitung zu reduzieren. Die Anzahl der Gateleitungen zwischen den Quellkontakten liegt typischerweise in einer Größenordnung von 32. Die aktuelle Anzahl hängt ab von der kapazitiven Zeitkonstante während des Ladens der Quell-Busleitungen während des AMLCD-Betriebs.
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf eine einzelne Siliziumkristall-Schicht 80, die durch Abdecken und Dotieren so verändert wurde, daß sie die Quell-Bus-Anordnung 70 ebenso enthält wie die Drain-Elektrode 78. Ebenfalls eingeschlossen sind elektrische Kontakte 72, die entlang der Quelleitung gleich beabstandet sind. Aus Fig. 8b kann erkannt werden, daß diese elektrischen Kontakte 72 eine elektrische Verbindung zwischen einem Aluminiumstreifen 75 und der Quell-Busanordnung 70 bereitstellen, die sich von der (nicht-gezeigten) LCD-Ansteuereinrichtung über die einzelne Siliziumkristall-Schicht 77 erstreckt. Eine isolierende Schicht ist zwischen der Siliziumschicht und dem Aluminiumstreifen angeordnet. Die Beziehung zwischen dem Aluminiumstreifen 75 und der einzelnen Silizium-Kristall-Schicht 77 kann klar in Fig. 8c erkannt werden. Die Transistor-Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels ist identisch mit derjenigen, die im oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Der einzige Unterschied zwischen dem dritten Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Einschluß des Kontakts 72 entlang der Quelleitung. Die Kontakte 72 beeinflussen nur die Pixel-Apertur in einem Voreinstell-Intervall, während das maximale Apertur-Verhältnis für die übrigen Pixel ermöglicht wird. Hierdurch wird das maximale Apertur-Verhältnis für eine gegebene photolithographische Auflösung bereitgestellt, während eine überragende dynamische Leistung aufrechterhalten wird.
Im vierten und letzten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschriebene geteilte Quellen-Kontakt-Architektur mit der Halbton-Konfiguration, die im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kombiniert. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, ist jede Elektrode in vier Unterelektroden 102, 104, 106 und 108 aufgebrochen. Jede Unterelektrode steht in Kontakt mit einem Drain 96, 94, 100 sowie 98. Entlang der Quelleitung 90 und der Gateleitung 92 bilden die Drain- Gebiete eine Reihe von Transistoren für jede Unterelektrode, wie dies beim zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. In dieser Konfiguration sind geteilte Kontakte 93 eingeschlossen, die zwischen den Gate-Leitungen gleichförmig beabstandet sind, gewöhnlich in einer Größenordnung von 32. Wie oben beschrieben, reduziert diese geteilte Quell-Kontakt-Lösung die Leitungswiderstände, während der für Verbindungen dotierte Bereich minimiert wird.
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf eine einzelne Silizium-Kristall-Schicht 110, die zur Bildung der unterschiedlichen Drain-Bereiche ebenso wie zur Bildung des Quellbusses abgedeckt und dotiert wurde. Es kann erkannt werden, daß die elektrischen Kontakte 93 entlang des Quellbusses beabstandet sind. Wie beim dritten Ausführungsbeispiel erstreckt sich ein Aluminiumstreifen von der Ansteuereinrichtung über eine isolierende Schicht, die auf dem Quellbus angeordnet wurde, und dieser Kontakt erlaubt eine Übertragung der Datensignale von der Ansteuervorrichtung auf die individuellen Unterpixel-Transistoren. Diese geteilte Quelle-Halbton-Konfiguration erzielt ein maximales Pixel-Apertur- Verhältnis für eine gegebene photolithographische Auflösung, während überragende große Displayleistungen bereitgestellt werden.

Claims

1. Aktivmatrix für ein Flüssigkristall-Display mit:

a) einem Substrat:

b) einer Vielzahl von auf dem Substrat angeordneten, parallelen Datenquell- Leitungen (12);

c) einer Vielzahl von Drain-Mitteln (16), die benachbart zu den Datenquell- Leitungen (12) angeordnet sind;

d) einer transparenten isolierenden Schicht (20), die über den Datenquell- Leitungen (12), dem Substrat und einem Bereich der Drain-Mittel (16) angeordnet ist;

e) einer Vielzahl von Gate-Leitungen (14), die über der isolierenden Schicht (20) angeordnet sind, um die Datenquell-Leitungen (12) und die Drain- Mittel (16) zu durchkreuzen, um so eine Vielzahl kontaktloser Dünn- Filmtransistoren (TFT's) zu bilden;

f) einer Vielzahl transparenter Elektroden (18), wobei jede der transparenten Elektroden in elektrischem Kontakt mit einem der Vielzahl von Drain- Mitteln (16) steht;

dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Elektroden (18) über der isolierenden Schicht (20) angeordnet sind, und

h) die Vielzahl der Daten-Quelleitungen (12) und Drain-Mittel (16) aus einer Schicht aus einkristallinem Silicium gebildet sind, wobei die Schicht auf dem Substrat aufgebracht wurde, geätzt wurde und selektiv dotiert wurde.

2. Aktivmatrix nach Anspruch 1, wobei jede der Quelleitungen (12) parallel zu einer Stromleiter-Leitung verläuft, und wobei elektrische Kontakte zwischen der Stromleiter-Leitung und der Vielzahl von Quelleitungen (12) bei vorbestimmten Abständen vorgesehen sind.

3. Aktivmatrix nach Anspruch 1 oder 2, wobei vier der Drain-Mittel (16) benachbart zu einer Kreuzung der Gate-Leitungen (14) und Quelleitungen (12) angeordnet sind, um vier der TFT's zu bilden, wobei jedes der Drain-Mittel (16) mit einem der Vielzahl von transparenten Elektroden (18) in elektrischem Kontakt steht, um eine Halb-Farben-Konfiguration für das Flüssigkristall-Display zu gewährleisten.

4. Aktivmatrix nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kaskadeneffekt zur Schaltung der TFT's dadurch erzielt wird, daß Weiten- zu Längen-Verhältnisse der Drain-Mittel (16) eingestellt werden.

5. Aktivmatrix nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Vielzahl der Gate- Leitungen (14) aus übertragenem Silicium gebildet sind.

6. Aktivmatrix nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Vielzahl der Gate- Leitungen (14) aus Indium-Zinn-Oxyd (ITO) hergestellt sind.

7. Aktivmatrix nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vielzahl der Gate- Leitungen (14) aus Polysilicium hergestellt Sind.

8. Aktivmatrix nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vielzahl der Gate- Leitungen (14) aus widerstandsfähigem Metall-Silizit hergestellt sind.