JP2016015404A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リーク電流が小さく、信頼性の高い、トップゲートでシングルゲートであるTFTを形成した、高精細表示装置を実現する。
【解決手段】半導体層103の延在方向に対して直角方向に交差する走査線10がゲート電極となってTFTが形成され、半導体層103はTFTの一方において、スルーホール140を介して映像信号線20と接続し、TFTの他方において、スルーホール120を介してコンタクト電極107と接続している。TFTとスルーホール140の間、または、TFTとスルーホール120の間において、ゲート電極と同じ材料で、同時に形成されたフローティング電極30が半導体層103の上層に存在していることを特徴とする表示装置。
【選択図】図2
【解決手段】半導体層103の延在方向に対して直角方向に交差する走査線10がゲート電極となってTFTが形成され、半導体層103はTFTの一方において、スルーホール140を介して映像信号線20と接続し、TFTの他方において、スルーホール120を介してコンタクト電極107と接続している。TFTとスルーホール140の間、または、TFTとスルーホール120の間において、ゲート電極と同じ材料で、同時に形成されたフローティング電極30が半導体層103の上層に存在していることを特徴とする表示装置。
【選択図】図2
Description
本発明は表示装置に係り、特に高精細画面を有する表示装置に関する。
表示装置の一種である液晶表示装置では画素電極および薄膜トランジスタ(TFT)等を有する画素がマトリクス状に形成されたTFT基板と、TFT基板に対向して対向基板が配置され、TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持されている。そして液晶分子による光の透過率を画素毎に制御することによって画像を形成している。液晶表示装置はフラットで軽量であることから、色々な分野で用途が広がっている。携帯電話やDSC(Digital Still Camera)等には、小型の液晶表示装置が広く使用されている。
中小型液晶表示装置では、TFTの構成として、トップゲートタイプで、半導体層としてpoly−Siが使用される。poly−Siはa−Siに比べて移動度が大きいために、駆動回路をTFT基板上に形成することが可能だからである。特許文献1には、このようなTFTを使用した液晶表示装置が記載されている。特許文献1には、TFTのリーク電流を低減するためにダブルゲートTFTを用いることが有効であることが記載されている。
中小型液晶表示装置では、高精細画面への要求が強くなっている。高精細画面になると、画素の大きさは例えば、17μm×51μm程度まで小さくなる。このように画素が小さくなと、ダブルゲートTFTを使用することが、スペース上困難になる。したがって、シングルゲートのTFTを使用せざるを得なくなる。
しかし、シングルゲートのTFTでは、1チャネル当たりの電圧が大きくなるので、リーク電流が多くなったり、絶縁破壊によってTFTが破壊されたりする恐れが出てくる。また、ダブルゲートの場合は、一方のTFTが不良となっても、他のTFTが働くので、直ちに画素が不良となることは無い。
本発明の課題は、シングルゲートのTFTを用いた液晶表示装置を、高い信頼性をもって製造することを可能とすることである。
本発明は上記課題を克服するものであり、主な具体的な手段は次のとおりである。
(1)走査線が第1の方向に延在して第2の方向に配列し、映像信号線が前記第2の方向に延在して前記第1の方向に配列し、前記走査線と前記映像信号線との間に画素電極が形成されたTFT基板と、対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、半導体層の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置し、前記半導体層と前記ゲート電極によってTFTが形成され、前記半導体層は、前記TFTの一方に側において、第1のスルーホールを介して前記映像信号線と接続し、前記半導体層は前記TFTの他方の側において、第2のスルーホールを介してコンタクト電極と接続し、前記コンタクト電極は前記画素電極と接続し、前記ゲート電極と前記第2のスルーホールの間に、前記ゲート電極と同じ材料で同時に形成されたフローティング電極が、前記半導体層の上層に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
(2)前記TFTは1画素当たり1個のみ形成されていることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(3)前記ゲート電極は前記走査線であることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(4)前記ゲート電極と前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向の間隔は1乃至3μmであることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(5)前記ゲート電極と前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向の間隔は1乃至2μmであることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(6)前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向の長さは前記ゲート電極の前記半導体層の延在方向の長さと同じかそれよりも大きいことを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(7)前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向と直角方向の幅は、前記映像信号線の幅以下であり、前記半導体層の幅以上であることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(8)表示領域と、前記表示領域の周辺に形成されたTFTを含む駆動回路を有する液晶表示装置であって、前記TFTは、半導体層の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置した構成であり、前記ゲート絶縁膜の上で、前記TFTよりも電位が高い側に、前記ゲート電極と同じ材料で同時に形成されたフローティング電極が、前記半導体層の上層に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
本発明の具体的な実施例を説明する前に、液晶表示装置の構造をIPS(In Plane Switching)方式の液晶表示装置を例にとって説明する。ただし、IPS方式は例として説明するものであり、本発明は、TN方式、VA方式等の他の方式の液晶表示装置についても適用することができる。
液晶表示装置では視野角特性が問題である。視野角特性は、画面を正面から見た場合と、斜め方向から見た場合に、輝度が変化したり、色度が変化したりする現象である。視野角特性は、液晶分子を水平方向の電界によって動作させるIPS方式が優れた特性を有している。
図1は、IPS方式の液晶表示装置の断面図である。図1におけるTFTは、いわゆるトップゲートタイプのTFTであり、使用される半導体としては、LTPS(Low Temperature Poli−Si)が使用されている。図1において、ガラス基板100の上にSiNからなる第1下地膜101およびSiO2からなる第2下地膜102がCVD(Chemical Vapor Deposition)によって形成される。第1下地膜101および第2下地膜102の役割はガラス基板100からの不純物が半導体層103を汚染することを防止することである。
第2下地膜102の上には半導体層103が形成される。この半導体層103は第2下地膜102の上にCVDによってa−Si膜を形成し、これをレーザアニールすることによってpoly−Si膜に変換したものである。このpoly−Si膜をフォトリソグラフィによってパターニングする。
半導体膜103の上にはゲート絶縁膜104が形成される。このゲート絶縁膜104はTEOS(テトラエトキシシラン)によるSiO2膜である。この膜もCVDによって形成される。その上にゲート電極105が形成される。ゲート電極105は図2に示す走査線10が兼ねている。ゲート電極105は例えば、MoW膜によって形成される。ゲート電極105あるいは走査線10の抵抗を小さくする必要があるときはAl合金が使用される。
ゲート電極105はフォトリソグラフィによってパターニングされるが、このパターニングの際に、イオンインプランテーションによって、リンあるいはボロン等の不純物をpoly−Si層にドープしてpoly−Si層にソースSあるいはドレインDを形成する。また、ゲート電極105のパターニングの際のフォトレジストを利用して、poly−Si層のチャネル層と、ソースSあるいはドレインDとの間にLDD(Lightly Doped Drain)層を形成する。局部的に電界強度が大きくなることを防止するためである。
また、ゲート電極105と後で説明するコンタクト電極107との間に、ゲート電極105と同層で同時にフローティング電極30を形成する。フローティング電極30は、文字通り、フローディングとなっている。このフローティング電極30を形成することによって、シングルゲートTFTでも、リーク電流を小さくすることが出来、また、TFTに過度の電界強度がかかることを防止することができる。また、フローティング電極は、場所的な制約が小さいので、スペースを大きくとることも無い。
その後、ゲート電極105およびフローティング電極30を覆って第1層間絶縁膜106をSiO2によって形成する。第1層間絶縁膜106はゲート電極105とコンタクト電極107を絶縁するためである。第1層間絶縁膜106およびゲート絶縁膜104には、半導体層103をコンタクト電極107と接続するためのスルーホール120が形成される。第1層間絶縁膜106とゲート絶縁膜104にスルーホール120を形成するためのフォトリソグラフィは同時に行われる。
第1層間絶縁膜106の上にコンタクト電極107が形成される。コンタクト電極107は、スルーホール130を介して画素電極112と接続する。半導体層103は、図示しない部分において図2に示す映像信号線20とスルーホール140を介して接続している。
コンタクト電極107および映像信号線は、同層で、同時に形成される。コンタクト電極107および映像信号線(以後コンタクト電極107で代表させる)は、抵抗を小さくするために、例えば、AlSi合金が使用される。AlSi合金はヒロックを発生したり、Alが他の層に拡散したりするので、例えば、図示しないMoWによるバリア層、およびキャップ層によってAlSiをサンドイッチする構造がとられている。
コンタクト電極107を覆って無機パッシベーション膜(絶縁膜)108が形成され、TFT全体を保護する。無機パッシベーション膜108は第1下地膜101と同様にCVDによって形成される。無機パッシベーション膜108を覆って有機パッシベーション膜109が形成される。有機パッシベーション膜109は感光性のアクリル樹脂で形成される。有機パッシベーション膜109は、アクリル樹脂の他、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等でも形成することが出来る。有機パッシベーション膜109は平坦化膜としての役割を持っているので、厚く形成される。有機パッシベーション膜109の膜厚は1〜4μmであるが、多くの場合は2μm程度である。
画素電極110とコンタクト電極107との導通を取るために、無機パッシベーション膜108および有機パッシベーション膜109にスルーホール130が形成される。有機パッシベーション膜109は感光性の樹脂を使用している。感光性の樹脂を塗付後、この樹脂を露光すると、光が当たった部分のみが特定の現像液に溶解する。すなわち、感光性樹脂を用いることによって、フォトレジストの形成を省略することが出来る。有機パッシベーション膜109にスルーホール130を形成したあと、230℃程度で有機パッシベーション膜を焼成することによって有機パッシベーション膜109が完成する。
その後コモン電極110となるITO(Indium Tin Oxide)をスパッタリングによって形成し、スルーホール130およびその周辺からITOを除去するようにパターニングする。コモン電極110は各画素共通に平面状に形成することが出来る。その後、第2層間絶縁膜111となるSiNをCVDによって全面に形成する。その後、スルーホール130内において、コンタクト電極107と画素電極112の導通をとるためのスルーホールを第2層間絶縁膜111および無機パッシベーション膜108に形成する。
その後、ITOをスパッタリングによって形成し、パターニングして画素電極112を形成する。図2、図5等に本発明における画素電極112の平面形状を示す。画素電極112の上に配向膜材料をフレキソ印刷あるいはインクジェット等によって塗布し、焼成して配向膜113を形成する。配向膜113の配向処理にはラビング法のほか偏光紫外線による光配向が用いられる。
画素電極112とコモン電極110の間に電圧が印加されると図1に示すような電気力線が発生する。この電界によって液晶分子301を回転させ、液晶層300を通過する光の量を画素毎に制御することによって画像を形成する。
図1において、液晶層300を挟んで対向基板200が配置されている。対向基板200の内側には、カラーフィルタ201が形成されている。カラーフィルタ201は画素毎に、赤、緑、青のカラーフィルタが形成されており、これによってカラー画像が形成される。カラーフィルタ201とカラーフィルタ201の間にはブラックマトリクス202が形成され、画像のコントラストを向上させている。なお、ブラックマトリクス202はTFTの遮光膜としての役割も有し、TFTに光電流が流れることを防止している。
カラーフィルタ201およびブラックマトリクス202を覆ってオーバーコート膜203が形成されている。カラーフィルタ201およびブラックマトリクス202の表面は凹凸となっているために、オーバーコート膜203によって表面を平らにしている。オーバーコート膜の上には、液晶の初期配向を決めるための配向膜113が形成される。配向膜113の配向処理はTFT基板100側の配向膜113と同様、ラビング法あるいは光配向法が用いられる。
なお、以上の構成は例であり、例えば、品種によってTFT基板100における無機パッシベーション膜108が形成されていない場合もある。また、スルーホール130の形成プロセスも品種によって異なる場合がある。また、トップゲート構造に限らず、ボトムゲート構造であってもよい。また、a−Siであっても本願発明を適用することは可能である。以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図2は本発明における画素部の平面図である。図2において、走査線10が横方向に延在し、縦方向に所定のピッチで配列している。また、映像信号線20が縦方向に延在し、横方向に所定のピッチで配列している。走査線10と映像信号線20で囲まれた領域に画素が形成されている。図2において、映像信号線20および走査線10の下側に半導体層103が形成されている。半導体層103はスルーホール140によって映像信号線20と接続している。
半導体層103は映像信号線20の下を延在し、屈曲して画素内に延在する。半導体層103は走査線10の下を通過する。この部分において、走査線10はTFTのゲート電極105の役割を持つ。すなわち、半導体層103が走査線10と交差する部分にTFTが形成されている。半導体層103は画素内において、スルーホール120を介してコンタクト電極107と接続する。コンタクト電極107はスルーホール130を介して画素電極112と接続する。画素電極112はスリット1121を有する櫛歯状の電極である。
本発明におけるTFTは図1に示すようにトップゲートであり、また、図2に示すようにシングルゲートである。従来例では、シングルゲートTFTはリーク電流が多く、また、TFT近傍の電界強度が大きくなるために、信頼性に問題があった。本発明では、TFTの両側あるいは一方の側にフローティング電極30を形成することによって、TFTにかかる電界強度を緩和し、リーク電流の増大を抑え、かつ、TFTの信頼性を確保している。
フローティング電極30は、他の電極と接続する必要が無いので、小さなスペースに設置することも可能であり、高精細画面となって、画素の面積が小さくなっても、容易に設置することが可能である。図2において、フローティング電極30はTFTの両側に形成されている。しかし、レイアウトによっては、TFTの片側のみに形成しても効果がある。
図3は、フローティング電極30をTFTよりもコンタクト電極107側に配置し、TFTよりもスルーホール140側には配置しない例である。図3において、フローティング電極30の幅はwで、半導体層103の延在方向の長さはLである。幅wは半導体層103の幅以上であり、映像信号線20の幅以下である。映像信号線20の幅よりも大きくすると、画素の透過率を減少させるからである。また、フローティング電極30の長さLは、走査線10の幅よりも大きいと、より効果が大きい。
図4は、図3とは逆に、フローティング電極30をTFTよりもスルーホール140側に配置し、TFTよりもコンタクト電極107側には配置しない例である。フローティング電極30の好ましい寸法は、図3で説明したのと同様である。また、フローティング電極30の好ましい寸法は、図2のように、フローティング電極30がTFTの両側に存在する場合も同様である。
図5は本発明の他の例を示す画素の平面図である。図5において、半導体層103は、映像信号線20の下方から、ゲート電極105の下を通ってコンタクト電極107の下に延在している。半導体層103はスルーホール140を介して映像信号線20と接続しており、スルーホール120を介してコンタクト電極107と接続している。コンタクト電極107はスルーホール130を介して画素電極112と接続している。画素電極112はスリット1121を有する櫛歯状の電極となっている。
ゲート電極105は走査線10から分岐したものであり、ゲート電極105の存在している部分にTFTが形成されている。TFTとスルーホール140との間にフローティング電極30がゲート電極105と同じ材料で同じ層に形成されている。また、TFTとスルーホール120の間にフローティング電極30がゲート電極105と材料で同じ層に形成されている。
フローティング電極30によって、TFTにかかる電界が緩和され、高電界によってTFTが破壊されることを防止し、また、TFTのリーク電流を抑制する。図5におけるフローティング電極30の好ましい寸法は、図3で説明したのと同様である。すなわち、フローティング電極30の半導体層103の延在方向の長さはゲート電極105の幅と同じかそれよりも大きいことが望ましい。また、フローティング電極30の半導体層103の延在方向と直角方向の幅は半導体層103の幅以上であることが望ましい。ただし、フローティング電極30の形状はレイアウトによって、フレキシブルに選択することができる。
図5では、TFTの両側にフローティング電極30が存在しているが、フローティング電極30は必ずしも両側に存在する必要は無い。図6は、フローティング電極30がスルーホール120側に存在するが、スルーホール140側には存在しない例である。また、図7は、フローティング電極30がスルーホール140側に存在するが、スルーホール120側には存在しない例である。
図8は、TFTのスルーホール140側にはフローティング電極が存在しないが、スルーホール120側にフローティング電極30を2個配置した例である。このように、レイアウトの都合等によって、フローティング電極30の配置をフレキシブルに変えることができる。
TFTにおける電界強度の緩和に対しては、ゲート電極105とフローティング電極30の間隔が大きな影響を持つ。図9は半導体層103、ゲート電極105、フローティング電極30の関係を示す平面図である。図9において、ゲート電極105とフローティング電極30の間隔はdである。図9において、ゲート電極105とフローティング電極30の、半導体層103の延在方向の幅は同じである。
図11乃至図15は、図9における距離dと、TFT近傍の電界強度の関係を示すグラフである。図10は従来例である、フローティング電極30が存在しない場合のTFT付近の電界強度を示すものである。図10において、横軸は位置、縦軸は電位を示す。横軸の単位はμm、縦軸の単位は相対値で任意である。図10において、点線で仕切られた領域Gがゲート電極105である。図10において、図9に示すスルーホール120側において電位勾配が付いている。
図11は、図9におけるゲート電極105とフローティング電極30の間隔dが1μmの場合の電位勾配を示す。図11において、丸で囲んだ領域がフローティング電極30によって電界が緩和した領域である。図11では、電位勾配が大きい領域の範囲が図10よりも減少している。すなわち、ゲート電極よりもスルーホール120側における平均電位勾配は、図10よりも小さくなっている。
図12は、図9におけるゲート電極105とフローティング電極30の間隔dが1.5μmの場合の電位勾配を示す。図12において、丸で囲んだ領域がフローティング電極30によって電界が緩和した領域である。図12では、電位勾配が大きい領域の範囲が図11よりも減少している。
図13は、図9におけるゲート電極105とフローティング電極30の間隔dが2μmの場合の電位勾配を示す。図13において、丸で囲んだ領域がフローティング電極30によって電界が緩和した領域である。図13では、電位が高い領域が図12の場合よりもゲート電極105から離れた位置に存在している。その分、ゲート電極105のスルーホール120側の平均電位勾配は図12の場合よりもさらに小さくなっている。
図14は、図9におけるゲート電極105とフローティング電極30の間隔dが3μmの場合の電位勾配を示す。図14において、丸で囲んだ領域がフローティング電極30によって電界が緩和した領域である。図14では、フローティング電極30がゲート電極105から比較的離れた場所にあるので、フローティング電極30の影響が図11乃至13の場合に比較して小さくなっている。しかし、ゲート電極105からスルーホール120側の平均電位勾配は、図10に示す従来例よりも小さくなっている。
図15は、図9におけるゲート電極105とフローティング電極30の間隔dが4μmの場合の電位勾配を示す。図15において、丸で囲んだ領域がフローティング電極30によって電界が緩和した領域である。図15では、フローティング電極30がゲート電極105からさらに離れた場所にあるので、フローティング電極30の影響はさらに小さくなっている。したがって、図15の場合は、フローティング電極の効果は限定的である。
図11乃至図15に示す結果から、ゲート電極105とフローティング電極30の半導体103の延在方向の間隔は、1乃至3μmの範囲が好ましく、より好ましくは1乃至2μmである。
以上は、図9に示すような電極配置をモデルに説明したが、図2乃至4に示すような構成であっても、ゲート電極105とフローティング電極30の間隔による電位勾配への影響は同じである。
なお、フローティング電極30は原則ゲート電極105の両側に配置した場合が最も効果が大きい。しかし、レイアウトの都合から、ゲート電極105の一方の側にのみフローティング電極30を配置しなければならない場合は、電圧の高い側に配置することが効果的である。しかし、画素に配置されたTFTは、反転駆動されるために、ゲート電極105のどちら側においても効果は同じになる。
一方、駆動回路として使用するために、表示領域の周辺に配置したTFTは、極性が反転しないので、TFTに対して電圧の高い側の半導体層の上層にフローティング電極を配置するのがよい。
本発明は液晶表示装置に限らず、有機EL表示装置等、TFTを使用する表示装置等電子機器全般に適用可能である。
本発明によれば、TFTの映像信号線側または画素電極側に、ゲート電極と同じ材料で同時に形成したフローティング電極を半導体層の上層に配置することによって、リーク電流が小さく、また、信頼性の高いトップゲートでシングルゲートのTFTを実現することができるので、高精細画面の表示装置を実現することができる。
10…走査線、 20…映像信号線、 30…フローティング電極、 100…TFT基板、 101…第1下地膜、 102…第2下地膜、 103…半導体層、 104…ゲート絶縁膜、 105…ゲート電極、 106…第1層間絶縁膜、 107…コンタクト電極、 108…無機パッシベーション膜、 109…有機パッシベーション膜、 110…コモン電極、 111…第2層間絶縁膜、 112…画素電極、 113…配向膜、 120…第1スルーホール、 130…第2スルーホール、 140…第3スルーホール、 200…対向基板、 201…カラーフィルタ、 202…ブラックマトリクス、 203…オーバーコート膜、 300…液晶層、 301…液晶分子、 1121…スリット
Claims (8)
- 走査線が第1の方向に延在して第2の方向に配列し、映像信号線が前記第2の方向に延在して前記第1の方向に配列し、前記走査線と前記映像信号線との間に画素電極が形成されたTFT基板と、対向基板との間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、
ゲート絶縁膜を介して半導体層とゲート電極とが配置し、前記半導体層と前記ゲート電極によってTFTが形成され、
前記半導体層は、前記TFTの一方の側において、前記映像信号線と接続し、前記半導体層は前記TFTの他方の側において、スルーホールを介してコンタクト電極と接続し、
前記コンタクト電極は前記画素電極と接続し、
前記ゲート電極と前記スルーホールとの間に、前記ゲート電極と同じ材料で同時に形成されたフローティング電極が、前記半導体層と重畳して形成されていることを特徴とする表示装置。 - 前記TFTは1画素当たり1個のみ形成されていることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 前記ゲート電極は前記走査線の一部であることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 前記ゲート電極と前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向の間隔は1乃至3μmであることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 前記ゲート電極と前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向の間隔は1乃至2μmであることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向の長さは前記ゲート電極の前記半導体層の延在方向の長さと同じかそれよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 前記フローティング電極の前記半導体層の延在方向と直角方向の幅は、は前記映像信号線の幅以下であり、前記半導体層の幅以上であることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 表示領域と、前記表示領域の周辺に形成されたTFTを含む駆動回路を有する表示装置であって、
前記TFTは、半導体層の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置した構成であり、
前記ゲート絶縁膜の上で、前記TFTよりも電位が高い側に、前記ゲート電極と同じ材料で同時に形成されたフローティング電極が、前記半導体層の上層に形成されていることを特徴とする表示装置。
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