JP2814161B2 - アクティブマトリクス表示装置およびその駆動方法 - Google Patents
アクティブマトリクス表示装置およびその駆動方法Info
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Description
電表示装置、特にアクティブマトリクスを有する表示装
置に関する。
クティブマトリクスがさかんに研究され、また、実用化
されている。アクティブ素子としては、画素に1つの導
電型の薄膜トランジスタ(TFT)を使用したものが提
案されている。このようなアクティブマトリクス回路
は、画素電極と対向電極の間に液晶をはさんだコンデン
サーを形成し、TFTによって、このコンデンサーに出
入りする電荷を制御するものであった。画像を安定に表
示する為には、このコンデンサーの両極の電圧が一定に
保たれることが要求されていたが、いくつかの理由によ
って困難があった。
デンサーから電荷がリークすることであった。その他に
も、コンデンサー内部のリークもあったが、一般には前
者のTFTからのリークの方が1桁程度大きかった。そ
して、このリークがはなはだしい場合には、フレーム周
波数と同じ周期で画像の明暗が変化するフリッカーとよ
ばれる現象が生じた。また、TFTのゲイト電極と画素
電極との寄生容量によってゲイト信号が画素電位と容量
結合し、電圧が変動する現象(ΔV)もその原因の1つ
であった。
平行に補助の容量(付加容量とも言う)を付けることが
なされてきた。このような補助容量によって、画素容量
の電荷の放電の時定数が増加する。また、ΔVは、ゲイ
トパルス(信号電圧)をVG、画素容量をCLC、補助容
量をC、ゲイト電極と画素電極の寄生容量をC’とした
ときには、 ΔV=C’VG /(CLC+C’+C) で表され、CがC’やCLCに比べて大きければΔVを低
下させることが出来た。
助容量は図2(A)もしくは図2(B)に示されるよう
な回路配置をしていた。これらを回路図で示せば、それ
ぞれ図2(C)、(D)となる。図2(B)の方法で
は、ゲイト線Xn (あるいはデータ線Ym )と並行に接
地線、例えば図示するようなXn ’を形成し、この上に
画素電極をオーバーラップさせて容量Cを形成するとい
うものであった。図2(B)において補助容量Cは斜線
部に示される。なお、以下の図においてCLCは画素電極
である。しかしこの方法では、新たに配線を形成しなけ
ればならないので、開口率が低下し、画面が暗くなると
いう欠点を有していた。
ト線Xn に接続した画素の一部を次のゲイト線Xn+1 に
オーバーラップさせて、これを補助容量C(図中の斜線
部)とするものが提案される。この場合には新たに配線
を形成することがないので、開口率は低下しない。しか
し、ゲイト線に容量が付加されるのでゲイトパルスにそ
の影響が及ぶことが知られている。
ΔVに関しては、本質的な解決ではなかった。画素の放
電の時定数を長くするという点ではそれなりの効果があ
ったが、ΔVが非対象に生じるということについては全
く解決できなかった。従来のTFTアクティブマトリク
スの駆動例を図3(C)に示す。この場合は、画素の対
向電極の電位を0とし、さらに非選択時のゲイト線の電
位も0としてあるが、通常におこなわれるように対向電
極の電位に適当なオフセット電位を付加し、データ線の
電位にも同じだけのオフセット電位を付加してもよい。
実際には図3と同じような結果が得られる。特に図3の
ように、ゲイト線の電位も対向電極の電位も0とすると
きには、データ線の信号が、TFTのしきい値電圧を越
えないことが必要であり、この条件が満たされない場合
には安定したマトリクス駆動ができない。
対し、その電位を下げる方向に動くので、例えば、補助
容量を追加してΔVが小さくなったとしても非対称な応
答であることには変わりがない。その意味では補助容量
を設けるということは消極的な対応である。本発明はこ
のような点を鑑みてなされたものであり、従来の考えと
は全く異なり、積極的にΔVを減らすことを目的とし、
そのための表示方法、表示装置、より詳細にはそのため
の効率的な表示画素の配置および回路配置を提案するも
のである。
電極にのみパルスが印加されるから生じるものである。
もし、1つの画素の中に同じだけの寄生容量を有する同
じ第2のTFTがあり、ゲイトパルスとは極性が異なる
が同じだけの波高を有するパルスが、ゲイトパルスと同
時に印加された場合には、ゲイトパルスの画素電極に対
する寄与は打ち消されてしまう。本発明人はこのことに
気付き、この理論をさらに発展させた結果、何も余分な
第2のTFTを設けずとも、等価的に同じ容量を有する
回路を構成すればよいことに気がついた。
容量をC1 、ゲイト電極とは異なる第2の配線と画素電
極間の寄生容量をC2 としたとき、ゲイト電極のパルス
の波高をV1 、第2の配線の波高をV2 としたときに
は、ΔVは、 ΔV = −(C1 V1 +C2 V2 )/(C1 +C2 ) となる。もし、V2 =0であれば、これは従来と同じ
で、データ信号をΔVだけ下げることとなる。しかし、
V2 =−C1 V1 /C2 という条件が満たされればΔV
は0となる。例えば、C1 =C2 ならば、V2 =V1 と
すればΔVは、互いに打ち消しあって0である。このよ
うに、従来の補助容量を設けてΔVを相対的に小さくす
る方法に対して、本発明はΔVに対抗する電圧上昇をつ
くり出し、これによってΔVを打ち消すという意味で積
極的な方法である。
ルスと第2の配線のパルスは正確に同期しなくとも、ゲ
イトパルスが切れた後に、第2の配線のパルスが切れる
ように設計してあれば、一時的に画素電極の電位が変動
することはあっても、同期した場合と同じ効果が得られ
ることがわかった。パルスの開始時に関しては、ゲイト
パルスの方が速くても遅くてもよい。なぜならば、ΔV
はゲイトパルスのOFF時に生じるからである。
配線を設けてもよいが、他のゲイト線を利用してもよ
い。さらに突き詰めれば、本発明では、当該画素を駆動
するゲイト線に画素電極を重ねても、その部分の容量と
同じだけの容量を第2の配線によって得られれば何ら問
題がないことが明らかになった。むしろ、このときに形
成される容量は補助容量として画素の放電の時定数を大
きくするという意味で有効である。
はそれが設計事項として盛り込めれば何ら問題がないと
いうことを意味する。従来の方法(図2)では、当該画
素を駆動するゲイト線に画素電極を重ねるなどというこ
とは、寄生容量を著しく増加させるということで禁じ手
とされてきたが、本発明は従来の因習を打ち破る画期的
なものである。このことは後で詳細に説明するように、
開口率を向上させるうえで理想的なものである。という
のも、従来はゲイト電極・配線と画素電極の寄生容量が
問題となっていたので、画素電極はできるだけTFTや
ゲイト配線から離れるように形成され、結果的に有効に
活用されない面積がかなりあったからである。特に1画
素に割り当てられる面積が小さくなった場合には、開口
率が低下してゆく傾向がある。
同じ(ただし、極性は逆)とする場合には、上記C1 と
C2 の許容される範囲が計算される。もし、画素電極が
非常に小さな場合を考えると、画素の容量自体は極めて
小さなものとなる。一方、TFTのサイズを小さくする
ことは技術的に困難であるので、寄生容量は変わらない
であろう。従来のように、補助容量を設けることで対処
しても、補助容量と寄生容量の比率は10:1程度であ
る。もし、本発明を適用して、同じだけの効果を得る場
合には、C1 とC2 (TFTの寄生容量はC1 あるいは
C2 に含まれる)の和がC1 とC2 の差の10倍以上で
あればよく、これは比較的容易に達成される。
近づける場合であるが、むしろ、他の比率に近づける方
が簡単な場合もある。その場合には、V1 とV2 の比率
を制御することによって最小のΔVを得ることが出来
る。例えば、C1 :C2 =1:2の場合にはV1 :V2
=2:−1とすればよい。
従来と同じものでも、その当該画素を駆動しないゲイト
線(Xn+1 )や接地線(Xn ’)に本発明の条件を満た
す電圧を印加すればよい。セルフアライン方式を採用で
きないアモルファスシリコンTFT等では、寄生容量は
かなり大きくなるが、そのばらつきはかなりの精度で制
御できる。例えば、10%以内とできる。これをC1 と
し、別に幾何学的な方法で、制御よくC1 の5倍の容量
を有する補助容量C2 を形成することも出来る。この場
合には、キャパシターの絶縁膜の厚さを同じとすれば、
1%以内の精度で形成できるであろう。従来の方法で
は、ΔV=(0.17±0.017)V1である。しか
し、本発明を適用して、V2 =−0.2V1 とすれば、
ΔV=±0.017V1 である。すなわち、ΔVのばら
つきは本発明を適用してもしなくても変わらないが、Δ
Vの大きさそのものは10分の1以下(平均的には0)
に削減することができた。
号はゲイトパルスと逆極性であることが必要とされる
が、このことは、ゲイトパルスが正であれば第2の信号
が負であることをのみ意味するのではない。すなわち、
本発明では、第2の配線の印加される最適な信号の波高
は、非選択時に第2の配線の電位に−C1 V1 /C2 だ
け電位を加えたものである。つまり、本発明では逆の極
性とは、ゲイトパルスの電位の遷移する方向と逆の方向
に向かうことを意味している。したがって、例えば、非
選択時のゲイトと第2の配線の電位がそれぞれ、0V、
10Vで、選択時のゲイト線の電位が8Vになれば、第
2の配線の電位は10V以下になることは要求される
が、負になることは必ずしも要求されない。
の(A)、(B)に示したようにできる。ここで、
C1 、C2 はいずれも配線と画素電極の重なりによって
できた容量である。いずれも当該画素を駆動するゲイト
線に画素を重ねていることが本発明の特徴である。
n+1 とは別に専用の配線Xn ’、Xn+1 ’が設けられて
おり、もし、Xn とXn ’に逆の極性の波高の同じパル
スを印可する場合には、C1 とC2 は出来る限り等しく
形成されることが要求される。図1(A)の回路図は図
1(C)に示される。
するゲイト線(Xn )と次行のゲイト線(Xn+1 )の両
方に重ねて容量C1 、C2 とするものである。もちろ
ん、この場合にもXn とXn+1 に逆の極性の波高の同じ
パルスをほぼ同時に印加する場合には、C1 とC2 は出
来る限り等しく形成されることが要求される。また、こ
のような場合には面積を有効利用するために図に示した
ようにたがいちがいに配置するとよい。また、このよう
にたがいちがいに配置された場合には、画素をそのまま
カラー配置する上でも都合がよかった。
めに、画素の配置を蜂の巣状あるいは六角形状にするこ
とがなされていたが、その際には、配線をそれに応じて
曲げていた。このことは配線抵抗の増大につながり、ま
た、作製の困難さから不良が増加する原因となった。し
かしながら、本発明ではわざわざ配線を曲げなくとも理
想的な六角形状の構造が得られる。
る。この場合には、ゲイト線には、図に示すように、正
のパルスと負のパルスの組み合わされたバイポーラパル
スが印加される必要がある。これは、1つのゲイト線を
選択しているときには、他のゲイト線には逆極性の電圧
が印加される必要があるからである。また、画素Zn,m
においては、C2 には画素Zn+1,m を駆動するためのパ
ルスが印加されるので、一時的に画素の電圧に影響があ
る。
(B)に示される。図3(A)は図1(A)および
(C)における駆動例であり、図3(B)は図1(B)
および(D)における駆動例である。当該画素(TF
T)を駆動する目的で印加されるパルスとΔVをキャン
セルする目的で印加されるパルスに時間的なずれがある
場合には、一時的に電圧が変動するが、ただちに本来の
状態に復帰する。したがって、このような電圧の変動が
画像に与える影響は極めて軽微であり、視覚的には判別
しえないものである。
そのまま援用して形成できるが、さらに好ましいことに
は、従来のようにゲイト線と画素電極との寄生容量を気
にする必要がないので、金属配線をマスクとする裏面露
光技術によって、工程数を削減することができる。その
ような回路の例を図4に示す。図において画素電極41
2はちょうど金属配線、すなわちゲイト線402とデー
タ線408で区切られている。しかし、露光の際の光の
回り込みによって、金属配線との幾何学的な重なりが生
じる。このとき、画素電極とゲイト線の重なりについて
は、本発明の主旨からして何ら問題がないことは上記の
説明で明らかであろう。
いても特に問題はない。もちろん、データ線の信号が絶
えず当該画素に漏れてくるのでノイズとなり、いわばク
ロストークのような現象が生じることは否定できない
が、その程度は充分に低減できる。例えば、補助容量C
1 、C2 に比較してデータ線と画素電極の重なりによっ
て生じる容量が小さくなるようにゲイト線の間隔を狭め
ればよい。
こなえば、さらにクロストーク現象は低減できる。これ
は、例えばデータ線Ym に、画素の対向電極に対して正
の信号を印加しているときにはデータ線Ym+1 には画素
の対向電極に対して負の信号を印加することである。す
なわち、データ線Ym とYm+1 の信号の極性を逆にする
ことである。もちろん、各データ線の映像信号は独立で
あるが、一般的な画像表示においては、隣接する画素の
映像信号は似ているので、実質的には同じ映像信号がこ
れらのデータ線に印加されているものと見なせる。する
と、データ線Ym とYm+1 に印加される信号は波高はほ
ぼ同じで逆の極性であるので、画素電極に対しては相互
が打ち消しあい、結果的にデータ線と画素電極のカップ
リングによるクロストークは無くなる。
5に示す。この例はアモルファスシリコンTFTで使用
される逆スタガー型のものであるが、プレーナー型のも
のであっても裏面露光の技術は同じである。
成し、必要によっては、陽極酸化法によって、その表面
に酸化物403を形成する。そして、ゲイト絶縁膜40
4を形成し、半導体チャネル領域405とドレイン領域
406、ソース領域407を形成し、データ線408を
形成する(図5(A))。さらに、ポリイミド等の絶縁
平坦化膜409を形成し、これに電極穴を設けて、透明
導電膜410を前面に形成する。さらに前面にフォトレ
ジストを塗布する(図5(B))。ここまでは従来のT
FT作製と同じ方法である。
トの露光をおこなう。このときには半導体領域を光が透
過するように、光の波長や半導体領域406、407の
厚さを制御することが望まれる。結果として、金属配線
の部分のレジストは除去され、他の部分のレジスト41
1のみが残る。もちろん、光の回折の効果のために、金
属配線の上でも一部のレジストが残存する。ここまでの
工程が図5(C)に示される。
して透明導電膜をエッチングすれば、画素電極412が
得られる。以上の工程では、従来、マスク合わせが必要
であった透明導電膜のエッチング工程ではマスク合わせ
が不要となる。特に、マスク合わせをおこなって透明導
電膜をエッチングする場合にはマスクのずれによって、
例えばC1 とC2 の大きさを厳密に制御することは難し
かったが、本方法ではC1 とC2 の大きさはほとんど同
じであり、本発明の主旨からして好適である。さらに、
画素電極とデータ線の重なりについても左右対称であ
り、上述のデータ線の交流化を適切におこなうことによ
って、クロストークを完全に除去することが可能であ
る。
量を有する回路の上面から見た概略図を示す。この回路
は原理的には図1(B)に示すものと同じで、その動作
は図3(B)に示される方法によっておこなえばよい。
る。また、Ym 、Ym+1 はデータ線である。各画素電極
CLCには必ず、ゲイト線が2本横断し、そのうちの1つ
は画素の駆動のためのもので、TFTのゲイト電極とな
るが、他のものはそうでない。画素電極はTFTのゲイ
ト電極(G)、ソース領域(S)、ドレイン領域(D)
等の上に形成され、コンタクトホールを通じてTFTの
ソース領域にコンタクトする。この場合には図1(B)
の場合と異なり、TFTのゲイト電極が画素内に出っ張
っていないので、C1 とC2 の容量を等しくする上では
極めて都合がよい。
来の技術を用いればよい。例えば、セルフアラインプロ
セスでプレーナー型TFTを作製せんとしたら特願平4
−30220や同4−38637、同3−273377
に記述されている方法を用いればよい。
の断面の構造においては、金属配線(アルミニウム)/
陽極酸化物(酸化アルミニウム)/画素電極(ITO)
という構造をもちいた。このような構造を得るには、ゲ
イト線をアルミニウムで構成し、その表面に陽極酸化法
で酸化アルミニウムを形成し、その上に画素電極を形成
すればよい。この場合には酸化アルミニウムは比誘電率
が、酸化珪素の3倍もあるので、補助容量を大きくする
ことに寄与する。さらに大きな補助容量が必要とされる
場合には、ゲイト線をタンタルやチタンとして、陽極酸
化をおこない、それらの酸化物を補助容量の誘電体とす
ればよい。
らずに、従来よく用いられたような金属配線/酸化物
(酸化珪素、窒化珪素等CVD法やスパッタ法で形成で
きる)/画素電極という方法を使用してもよい。
製した補助容量を有する回路の上面から見た概略図を示
す。この回路も原理的には図1(B)に示すものと同じ
で、その動作は図3(B)に示される方法によっておこ
なえばよい。
る。また、Ym 、Ym+1 はデータ線である。各画素電極
CLCには必ず、ゲイト線が2本横断し、そのうちの1つ
は画素の駆動のためのもので、TFTのゲイト電極とな
るが、他のものはそうでない。画素電極はTFTのゲイ
ト電極(G)、ソース領域(S)、ドレイン領域(D)
等の上に形成され、コンタクトホールを通じてTFTの
ソース領域にコンタクトする。この場合には図1(B)
の場合と異なり、TFTのゲイト電極が画素内に出っ張
っていないので、C1 とC2 の容量を等しくする上では
極めて都合がよい。
半導体領域が接合されている。例えば、データ線と半導
体領域(ドレイン領域)のコンタクトをおこなう場合
に、複数のコンタクトホールを形成でき、かりにそのう
ちのいくらかが不良であっても、1つが正常であれば2
つのTFTが正常となるという利点を持っている。な
お、作製方法と補助容量C1 、C2 の構造については実
施例1と同じとした。
キャンセルすることができた。このような積極的な方法
によってΔVの効果を取り除くことは従来にはなく、そ
の意味で画期的な発明であると言える。また、その目的
のために効率的な画素の配置を提案した。このような画
素の配置ではカラーの表示をおこなう上でも効果的であ
った。以上の記述は、ポリシリコンTFでよく使用され
るプレーナー型のTFTに関するものであったが、アモ
ルファスシリコンTFTで良く使用される逆スタガー型
のTFTであっても同じ効果が得られることは明らかで
ある。
スの具体的な動作方法については記述しなかったが、従
来のアナログ階調方式以外に、本発明人らの発明である
デジタル階調方式(例えば、特願平3−163873に
記述される)によって階調表示をおこなうことも何ら差
し障りがあるわけではない。
および回路図を示す。
び回路図を示す。
駆動方法を示す。
を示す。
Claims (3)
- 【請求項1】 基板上に、 第1の画素電極と第2の画素電極が隣接して第1の列に
設けられ、 第3の画素電極が第2の列に設けられ、 前記第1の画素電極に接続された第1のTFT、前記第
2の画素電極に接続された第2のTFT、および前記第
3の画素電極に接続された第3のTFTと、 互いに平行に設けられた、前記第1のTFTに接続され
た第1のゲイト線、前記第2のTFTに接続された第2
のゲイト線、および前記第3のTFTに接続された第3
のゲイト線と、 を有するアクティブマトリクス表示装置において、 前記第3のゲイト線と前記第1の画素電極は絶縁物を介
して重ねて設けられ、前記第3のゲイト線と前記第1の
画素電極とで容量を形成し、 前記第2のゲイト線と前記第3の画素電極は絶縁膜を介
して重ねて設けられ、前記第2のゲイト線と前記第3の
画素電極とで容量を形成し、 前記第1のゲイト線にパルスが印加されている間は、前
記第3のゲイト線に逆の極性のパルスが印加され、 前記第3のゲイト線にパルスが印加されている間は、前
記第2のゲイト線に逆の極性のパルスが印加されている
ことを特徴とするアクティブマトリクス表示装置。 - 【請求項2】 請求項1において、前記第1のゲイト線
と前記第1の画素電極は絶縁物を介して重ねて設けら
れ、前記第1のゲイト線と前記第1の画素電極とで容量
を形成し、 前記第2のゲイト線と前記第2の画素電極は絶縁物を介
して重ねて設けられ、前記第2のゲイト線と前記第2の
画素電極とで容量を形成し、 前記第3のゲイト線と前記第3の画素電極は絶縁物を介
して重ねて設けられ、前記第3のゲイト線と前記第3の
画素電極とで容量を形成していることを特徴とするアク
ティブマトリクス表示装置。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載の表示装
置は液晶表示装置または静電表示装置であることを特徴
とする表示装置。
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