JP6031652B2 - 表示装置及び電子機器 - Google Patents

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Description

本開示は、表示装置及び電子機器に関し、特に、電気光学素子を含む画素が行列状(マトリクス状)に配置されて成る平面型(フラットパネル型)の表示装置及び当該表示装置を有する電子機器に関する。
平面型の表示装置の一つとして、デバイスに流れる電流値に応じて発光輝度が変化する、所謂、電流駆動型の電気光学素子を画素の発光部(発光素子)として用いる表示装置がある。電流駆動型の電気光学素子としては、例えば、有機材料のエレクトロルミネッセンス(Electro Luminescence:EL)を利用し、有機薄膜に電界をかけると発光する現象を用いた有機EL素子が知られている。
この有機EL表示装置に代表される平面型の表示装置は、電気光学素子の他に、書込みトランジスタ、容量素子、及び、駆動トランジスタを少なくとも有する画素(画素回路)が行列状に2次元配置された構成となっている(例えば、特許文献1参照)。
書込みトランジスタは、信号線を通して供給される映像信号の信号電圧をサンプリングし、画素内に書き込む。容量素子は、駆動トランジスタのゲート電極と一方のソース/ドレイン電極との間に接続され、書込みトランジスタが書き込んだ信号電圧を保持する。駆動トランジスタは、容量素子が保持した信号電圧に応じて電気光学素子を駆動する。
上記の画素回路では、駆動トランジスタのゲート電極と一方のソース/ドレイン電極との間に容量素子が接続されていることで、一方のソース/ドレイン電極の電位に応じてゲート電極の電位が変動するブートストラップ動作が行われる。このブートストラップ動作において、駆動トランジスタの一方のソース/ドレイン電極の電位の変動量に対するゲート電極の電位の変動量の割合(比率)がブートストラップゲインとなる。
特開2007−310311号公報
ここで、駆動トランジスタや書込みトランジスタなどの画素トランジスタをガラス基板のような絶縁体上でなく、シリコンのような半導体上に形成する場合を考える。駆動トランジスタを半導体上に形成する場合、絶縁体上に形成する場合に比べて、ブートストラップゲインが小さくなる傾向にある(その詳細については後述する)。
そして、ブートストラップゲインが小さくなることによって、画素回路の動作を正常に行うことが難しくなるため、表示画像の画質が悪化する。ブートストラップゲインが小さくなる現象は、駆動トランジスタなどを半導体上に形成する場合に限らず、金属などの導電体上に形成された絶縁体上に駆動トランジスタ等を形成する場合についても同様に発生する。
そこで、本開示は、駆動トランジスタの構造に工夫を加えることで、ブートストラップゲインの低下に伴う画質不良を軽減可能な画素構造を有する表示装置及び当該表示装置を有する電子機器を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の表示装置は、
電気光学素子を駆動する駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタのゲート電極と一方のソース/ドレイン電極との間に接続された容量素子とを含む画素回路が配置されて成り、
前記駆動トランジスタは、前記ゲート電極と前記ソース/ドレイン電極とが積層されて成り、
前記ソース/ドレイン電極には、前記ゲート電極側に突出する筒状部が形成されており、
前記ゲート電極は、前記ゲート電極と他層の金属との間に寄生容量が発生しないように前記ソース/ドレイン電極及び前記筒状部によって覆われている表示装置である。
本開示の表示装置は、表示部を備える各種の電子機器において、その表示部として用いることができる。
上記の構成の表示装置あるいは当該表示装置を有する電子機器において、駆動トランジスタのゲート電極の周囲がソース/ドレイン電極によって覆われていることで、駆動トランジスタのゲート電極と他層の金属との間には寄生容量が発生しない。その代わりに、駆動トランジスタのソース/ドレイン電極と他層の金属との間に寄生容量が発生することとなる。
ここで、ブートストラップゲインは、容量素子の容量値と、駆動トランジスタのゲート電極に付く寄生容量の容量値などによって決まる。そして、駆動トランジスタのゲート電極と他層の金属との間に寄生容量が発生しないことで、当該ゲート電極に付く寄生容量の容量値が小さくなるため、ブートストラップゲインを増加させることができる。
本開示によれば、駆動トランジスタの構造に工夫を加えることで、ブートストラップゲインを増加させることができるため、当該ブートストラップゲインの低下に伴う画質不良を軽減できる。
図1は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型表示装置の基本的な構成の概略を示すシステム構成図である。 図2は、画素(画素回路)の具体的な回路構成の一例を示す回路図である。 図3は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作を説明するためのタイミング波形図である。 図4は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その1)である。 図5は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その2)である。 図6は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その3)である。 図7は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その4)である。 図8は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その5)である。 図9は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その6)である。 図10は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その7)である。 図11は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の基本的な回路動作の動作説明図(その8)である。 図12は、TFTを半導体上に形成した場合についての説明図である。 図13は、TFTを半導体上に形成した場合のTFT特性についての説明図である。 図14は、駆動トランジスタ及び書込みトランジスタの寄生容量についての等価回路図である。 図15は、半導体上にTFTを形成した場合の動作説明に供するタイミング波形図である。 図16は、駆動トランジスタのゲート電極に付く寄生容量の容量値を小さくする手法の一例を示す回路図である。 図17は、半導体基板上にTFTを形成するプロセスで採られる多層配線構造を示す断面図である。 図18は、多層配線構造の場合に駆動トランジスタのゲート電極に付く寄生容量についての等価回路図である。 図19は、本開示の実施形態に係る多層配線構造の一例を示す断面図である。 図20は、本開示の実施形態に係る多層配線構造の場合の寄生容量についての等価回路図である。
以下、本開示の技術を実施するための形態(以下、「実施形態」と記述する)について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明及び各図において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は以下の順序で行う。
1.本開示の表示装置及び電子機器、全般に関する説明
2.本開示が適用されるアクティブマトリクス型表示装置
2−1.システム構成
2−2.画素回路
2−3.基本的な回路動作
2−4.TFTを半導体上に形成する場合について
3.実施形態に関する説明
4.変形例
5.電子機器
6.本開示の構成
<1.本開示の表示装置及び電子機器、全般に関する説明>
本開示の表示装置は、電気光学素子、電気光学素子を駆動する駆動トランジスタ、及び、駆動トランジスタのゲート電極と一方のソース/ドレイン電極との間に接続された容量素子を有する画素回路が配置されて成る平面型(フラットパネル型)の表示装置である。
平面型の表示装置としては、有機EL表示装置、液晶表示装置、プラズマ表示装置などを例示することができる。これらの表示装置のうち、有機EL表示装置は、有機材料のエレクトロルミネッセンスを利用し、有機薄膜に電界をかけると発光する現象を用いた有機EL素子を画素の発光素子(電気光学素子)として用いている。
画素の発光部として有機EL素子を用いた有機EL表示装置は次のような特長を持っている。すなわち、有機EL素子が10V以下の印加電圧で駆動できるために、有機EL表示装置は低消費電力である。有機EL素子が自発光素子であるために、有機EL表示装置は、同じ平面型の表示装置である液晶表示装置に比べて、画像の視認性が高く、しかも、バックライト等の照明部材を必要としないために軽量化及び薄型化が容易である。更に、有機EL素子の応答速度が数μsec程度と非常に高速であるために、有機EL表示装置は動画表示時の残像が発生しない。
有機EL素子は、電流駆動型の電気光学素子である。電流駆動型の電気光学素子としては、有機EL素子の他に、無機EL素子、LED素子、半導体レーザー素子などを例示することができる。
有機EL表示装置等の平面型の表示装置は、表示部を備える各種の電子機器において、その表示部(表示装置)として用いることができる。各種の電子機器としては、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ゲーム機、ノート型パーソナルコンピュータ、電子書籍等の携帯情報機器、PDA(Personal Digital Assistant)や携帯電話機等の携帯通信機器などを例示することができる。
上記構成の画素回路を有する表示装置において、駆動トランジスタは、ゲート電極とソース/ドレイン電極とが積層されて成り、ソース/ドレイン電極によって駆動トランジスタのゲート電極の周囲を覆う構造となっている。
上述した好ましい構成を含む本開示の表示装置及び電子機器にあっては、駆動トランジスタにおいて、チャネル形成層の周囲についてもソース/ドレイン電極によって覆う構造とすることができる。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の表示装置及び電子機器にあっては、駆動トランジスタについて、シリコンなどの半導体上に形成した構成とすることができる。半導体上にトランジスタを形成した場合、トランジスタは、ゲート/ソース/ドレイン/バックゲート(ベース)の4端子となる。そして、駆動トランジスタを半導体上に形成した場合、絶縁体上に形成する場合に比べて、ブートストラップゲインが小さくなる傾向にある。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の表示装置及び電子機器にあっては、駆動トランジスタについて、金属などの導電体上に形成された絶縁体上に形成した構成とすることができる。導電体上に形成された絶縁体上にトランジスタを形成した場合、トランジスタは4端子ではなく、ゲート/ソース/ドレインの3端子となる。
そして、駆動トランジスタを導電体上に形成された絶縁体上に形成した場合にも、半導体上に形成した場合と同様に、絶縁体上に形成する場合に比べて、ブートストラップゲインが小さくなる傾向にある。何故なら、例えばボトムゲート構造のトランジスタを導電体基板上に絶縁体を介して形成した場合、導電体基板とゲート電極との間が全体に亘って寄生容量となってしまうからである。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の表示装置及び電子機器にあっては、画素回路について、駆動トランジスタに電流を流しながら、映像信号の書込みと駆動トランジスタの移動度補正とを行う構成とすることができる。その際、駆動トランジスタの移動度補正について、駆動トランジスタに流れる電流に応じた補正量で駆動トランジスタのゲート−ソース間の電位差に負帰還をかけることによって行う構成とすることができる。
<2.本開示が適用されるアクティブマトリクス型表示装置>
[2−1.システム構成]
図1は、本開示が適用されるアクティブマトリクス型表示装置の基本的な構成の概略を示すシステム構成図である。
アクティブマトリクス型表示装置は、電気光学素子に流れる電流を、当該電気光学素子と同じ画素内に設けた能動素子、例えば絶縁ゲート型電界効果トランジスタによって制御する表示装置である。絶縁ゲート型電界効果トランジスタとしては、典型的には、TFT(Thin Film Transistor;薄膜トランジスタ)が用いられる。
ここでは、一例として、デバイスに流れる電流値に応じて発光輝度が変化する電流駆動型の電気光学素子である、例えば有機EL素子を、画素(画素回路)の発光素子として用いるアクティブマトリクス型有機EL表示装置の場合を例に挙げて説明するものとする。
図1に示すように、本開示の前提となる有機EL表示装置10は、有機EL素子を含む複数の画素20が行列状に2次元配置されてなる画素アレイ部30と、当該画素アレイ部30の周辺に配置される駆動回路部(駆動部)とを有する構成となっている。駆動回路部は、書込み走査回路40、電源供給走査回路50、及び、信号出力回路60等からなり、画素アレイ部30の各画素20を駆動する。
ここで、有機EL表示装置10がカラー表示対応の場合は、カラー画像を形成する単位となる1つの画素(単位画素/ピクセル)は複数の副画素(サブピクセル)から構成され、この副画素の各々が図1の画素20に相当することになる。より具体的には、カラー表示対応の表示装置では、1つの画素は、例えば、赤色(Red;R)光を発光する副画素、緑色(Green;G)光を発光する副画素、青色(Blue;B)光を発光する副画素の3つの副画素から構成される。
但し、1つの画素としては、RGBの3原色の副画素の組み合わせに限られるものではなく、3原色の副画素に更に1色あるいは複数色の副画素を加えて1つの画素を構成することも可能である。より具体的には、例えば、輝度向上のために白色(White;W)光を発光する副画素を加えて1つの画素を構成したり、色再現範囲を拡大するために補色光を発光する少なくとも1つの副画素を加えて1つの画素を構成したりすることも可能である。
画素アレイ部30には、m行n列の画素20の配列に対して、行方向(画素行の画素の配列方向)に沿って走査線311〜31mと電源供給線321〜32mとが画素行毎に配線されている。更に、m行n列の画素20の配列に対して、列方向(画素列の画素の配列方向)に沿って信号線331〜33nが画素列毎に配線されている。
走査線311〜31mは、書込み走査回路40の対応する行の出力端にそれぞれ接続されている。電源供給線321〜32mは、電源供給走査回路50の対応する行の出力端にそれぞれ接続されている。信号線331〜33nは、信号出力回路60の対応する列の出力端にそれぞれ接続されている。
書込み走査回路40は、クロックパルスckに同期してスタートパルスspを順にシフト(転送)するシフトレジスタ回路等によって構成されている。この書込み走査回路40は、画素アレイ部30の各画素20への映像信号の信号電圧の書込みに際して、走査線31(311〜31m)に対して書込み走査信号WS(WS1〜WSm)を順次供給することによって画素アレイ部30の各画素20を行単位で順番に走査(線順次走査)する。
電源供給走査回路50は、クロックパルスckに同期してスタートパルスspを順にシフトするシフトレジスタ回路等によって構成されている。この電源供給走査回路50は、書込み走査回路40による線順次走査に同期して、第1電源電位Vccpと当該第1電源電位Vccpよりも低い第2電源電位Viniとで切り替わることが可能な電源電位DS(DS1〜DSm)を電源供給線32(321〜32m)に供給する。後述するように、電源電位DSのVccp/Viniの切替えによって、画素20の発光/非発光(消光)の制御が行なわれる。
信号出力回路60は、信号供給源(図示せず)から供給される輝度情報に応じた映像信号の信号電圧(以下、単に「信号電圧」と記述する場合もある)Vsigと基準電圧Vofsとを選択的に出力する。ここで、基準電圧Vofsは、映像信号の信号電圧Vsigの基準となる電圧(例えば、映像信号の黒レベルに相当する電圧)であり、後述する閾値補正処理の際に用いられる。
信号出力回路60から出力される信号電圧Vsig/基準電圧Vofsは、信号線33(331〜33n)を介して画素アレイ部30の各画素20に対して、書込み走査回路40による走査によって選択された画素行の単位で書き込まれる。すなわち、信号出力回路60は、信号電圧Vsigを行(ライン)単位で書き込む線順次書込みの駆動形態を採っている。
[2−2.画素回路]
図2は、画素(画素回路)20の具体的な回路構成の一例を示す回路図である。画素20の発光部は、デバイスに流れる電流値に応じて発光輝度が変化する電流駆動型の電気光学素子である有機EL素子21から成る。
図2に示すように、画素20は、有機EL素子21と、有機EL素子21に電流を流すことによって当該有機EL素子21を駆動する駆動回路とによって構成されている。有機EL素子21は、全ての画素20に対して共通に配線された共通電源供給線34にカソード電極が接続されている。
有機EL素子21を駆動する駆動回路は、駆動トランジスタ22、書込みトランジスタ23、及び、保持容量24を有する構成となっている。駆動トランジスタ22及び書込みトランジスタ23としてNチャネル型のTFTを用いることができる。但し、ここで示した、駆動トランジスタ22及び書込みトランジスタ23の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの組み合わせに限られるものではない。
駆動トランジスタ22は、一方の電極(ソース/ドレイン電極)が有機EL素子21のアノード電極に接続され、他方の電極(ソース/ドレイン電極)が電源供給線32(321〜32m)に接続されている。
書込みトランジスタ23は、一方の電極(ソース/ドレイン電極)が信号線33(331〜33n)に接続され、他方の電極(ソース/ドレイン電極)が駆動トランジスタ22のゲート電極に接続されている。また、書込みトランジスタ23のゲート電極は、走査線31(311〜31m)に接続されている。
駆動トランジスタ22及び書込みトランジスタ23において、一方の電極とは、一方のソース/ドレイン領域に電気的に接続された金属配線を言い、他方の電極とは、他方のソース/ドレイン領域に電気的に接続された金属配線を言う。また、一方の電極と他方の電極との電位関係によって一方の電極がソース電極ともなればドレイン電極ともなり、他方の電極がドレイン電極ともなればソース電極ともなる。
保持容量24は、一方の電極が駆動トランジスタ22のゲート電極に接続され、他方の電極が駆動トランジスタ22の他方の電極、及び、有機EL素子21のアノード電極に接続されている。
尚、有機EL素子21の駆動回路としては、駆動トランジスタ22及び書込みトランジスタ23の2つのトランジスタと保持容量24の1つの容量素子とからなる回路構成のものに限られるものではない。例えば、一方の電極が有機EL素子21のアノード電極に、他方の電極が固定電位にそれぞれ接続されることで、有機EL素子21の容量不足分を補う補助容量を必要に応じて設けた回路構成を採ることも可能である。
上記構成の画素20において、書込みトランジスタ23は、書込み走査回路40から走査線31を通してゲート電極に印加されるHighアクティブの書込み走査信号WSに応答して導通状態となる。これにより、書込みトランジスタ23は、信号線33を通して信号出力回路60から供給される、輝度情報に応じた映像信号の信号電圧Vsigまたは基準電圧Vofsをサンプリングして画素20内に書き込む。書込みトランジスタ23によって書き込まれた信号電圧Vsigまたは基準電圧Vofsは、駆動トランジスタ22のゲート電極に印加されるとともに保持容量24に保持される。
駆動トランジスタ22は、電源供給線32(321〜32m)の電源電位DSが第1電源電位Vccpにあるときには、一方の電極がドレイン電極、他方の電極がソース電極となって飽和領域で動作する。これにより、駆動トランジスタ22は、電源供給線32から電流の供給を受けて有機EL素子21を電流駆動にて発光駆動する。より具体的には、駆動トランジスタ22は、飽和領域で動作することにより、保持容量24に保持された信号電圧Vsigの電圧値に応じた電流値の駆動電流を有機EL素子21に供給し、当該有機EL素子21を電流駆動することによって発光させる。
駆動トランジスタ22は更に、電源電位DSが第1電源電位Vccpから第2電源電位Viniに切り替わったときには、一方の電極がソース電極、他方の電極がドレイン電極となってスイッチングトランジスタとして動作する。これにより、駆動トランジスタ22は、有機EL素子21への駆動電流の供給を停止し、有機EL素子21を非発光状態にする。すなわち、駆動トランジスタ22は、有機EL素子21の発光/非発光を制御するトランジスタとしての機能をも併せ持っている。
この駆動トランジスタ22のスイッチング動作により、有機EL素子21が非発光状態となる期間(非発光期間)を設け、有機EL素子21の発光期間と非発光期間の割合(デューティ)を制御することができる。このデューティ制御により、1表示フレーム期間に亘って画素が発光することに伴う残像ボケを低減できるために、特に、動画の画品位をより優れたものとすることができる。
電源供給走査回路50から電源供給線32を通して選択的に供給される第1,第2電源電位Vccp,Viniのうち、第1電源電位Vccpは有機EL素子21を発光駆動する駆動電流を駆動トランジスタ22に供給するための電源電位である。また、第2電源電位Viniは、有機EL素子21に対して逆バイアスを掛けるための電源電位である。この第2電源電位Viniは、基準電圧Vofsよりも低い電位、例えば、駆動トランジスタ22の閾値電圧をVthとするときVofs−Vthよりも低い電位、好ましくは、Vofs−Vthよりも十分に低い電位に設定される。
[2−3.基本的な回路動作]
続いて、上記構成の有機EL表示装置10の基本的な回路動作について、図3のタイミング波形図を用いて、図4乃至図11の動作説明図を参照しつつ説明する。尚、図4乃至図11の動作説明図では、図面の簡略化のために、書込みトランジスタ23をスイッチのシンボルで図示し、また、有機EL素子21の等価容量25についても図示している。
図3のタイミング波形図には、走査線31の電位(書込み走査信号)WS、電源供給線32の電位(電源電位)DS、信号線33の電位(Vsig/Vofs)、及び、駆動トランジスタ22のゲート電位Vg、ソース電位Vsのそれぞれの変化を示している。
(前表示フレームの発光期間)
図3のタイミング波形図において、時刻t11以前は、前の表示フレームにおける有機EL素子21の発光期間となる。この前表示フレームの発光期間では、電源供給線32の電位DSが第1電源電位(以下、「高電位」と記述する)Vccpにあり、また、書込みトランジスタ23が非導通状態にある。
このとき、駆動トランジスタ22は飽和領域で動作するように設定されている。これにより、図4に示すように、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間電圧Vgsに応じた駆動電流(ドレイン−ソース間電流)Idsが、電源供給線32から駆動トランジスタ22を通して有機EL素子21に供給される。従って、有機EL素子21が駆動電流Idsの電流値に応じた輝度で発光する。
(閾値補正準備期間)
時刻t11になると、線順次走査の新しい表示フレーム(現表示フレーム)に入る。そして、図5に示すように、電源供給線32の電位DSが高電位Vccpから第2電源電位(以下、「低電位」と記述する)Viniに切り替わる。低電位Viniは、信号線33の基準電圧Vofsに対してVofs−Vthよりも十分に低い電位である。
ここで、有機EL素子21の閾値電圧をVthel、共通電源供給線34の電位(カソード電位)をVcathとする。このとき、低電位ViniをVini<Vthel+Vcathとすると、駆動トランジスタ22のソース電位Vsが低電位Viniにほぼ等しくなるために、有機EL素子21は逆バイアス状態となって消光する。
次に、時刻t12で走査線31の電位WSが低電位側から高電位側に遷移することで、図6に示すように、書込みトランジスタ23が導通状態となる。このとき、信号出力回路60から信号線33に対して基準電圧Vofsが供給された状態にあるために、駆動トランジスタ22のゲート電位Vgが基準電圧Vofsになる。また、駆動トランジスタ22のソース電位Vsは、基準電圧Vofsよりも十分に低い電位、即ち、低電位Viniにある。
このとき、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間電圧VgsはVofs−Viniとなる。ここで、Vofs−Viniが駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthよりも大きくないと、後述する閾値補正処理(動作)を行うことができないために、Vofs−Vini>Vthなる電位関係に設定する必要がある。
このように、駆動トランジスタ22のゲート電位Vgを基準電圧Vofsに固定し、かつ、ソース電位Vsを低電位Viniに固定して(確定させて)初期化する処理が、後述する閾値補正処理(閾値補正動作)を行う前の準備(閾値補正準備)の処理である。従って、基準電圧Vofs及び低電位Viniが、駆動トランジスタ22のゲート電位Vg及びソース電位Vsの各初期化電圧となる。
(閾値補正期間)
次に、時刻t13で、図7に示すように、電源供給線32の電位DSが低電位Viniから高電位Vccpに切り替わると、駆動トランジスタ22のゲート電位Vgが基準電圧Vofsに保たれた状態で閾値補正処理が開始される。すなわち、ゲート電位Vgから駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthを減じた電位に向けて駆動トランジスタ22のソース電位Vsが上昇を開始する。
ここでは、便宜上、駆動トランジスタ22のゲート電位Vの初期化電圧Vofsを基準とし、当該初期化電圧Vofsから駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthを減じた電位に向けてソース電位Vsを変化させる処理を閾値補正処理と呼んでいる。この閾値補正処理が進むと、やがて、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間電圧Vgsが駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthに収束する。この閾値電圧Vthに相当する電圧は保持容量24に保持される。
尚、閾値補正処理を行う期間(閾値補正期間)において、電流が専ら保持容量24側に流れ、有機EL素子21側には流れないようにするために、有機EL素子21がカットオフ状態となるように共通電源供給線34の電位Vcathを設定しておくこととする。
次に、時刻t14で、走査線31の電位WSが低電位側に遷移することで、図8に示すように、書込みトランジスタ23が非導通状態となる。このとき、駆動トランジスタ22のゲート電極が信号線33から電気的に切り離されることによってフローティング状態になる。しかし、ゲート−ソース間電圧Vgsが駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthに等しいために、当該駆動トランジスタ22はカットオフ状態にある。従って、駆動トランジスタ22にドレイン−ソース間電流Idsは流れない。
(信号書込み&移動度補正期間)
次に、時刻t15で、図9に示すように、信号線33の電位が基準電圧Vofsから映像信号の信号電圧Vsigに切り替わる。続いて、時刻t16で、走査線31の電位WSが高電位側に遷移することで、図10に示すように、書込みトランジスタ23が導通状態になって映像信号の信号電圧Vsigをサンプリングし、画素20内に書き込む。
この書込みトランジスタ23による信号電圧Vsigの書込みにより、駆動トランジスタ22のゲート電位Vgが信号電圧Vsigになる。そして、映像信号の信号電圧Vsigによる駆動トランジスタ22の駆動の際に、当該駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthが保持容量24に保持された閾値電圧Vthに相当する電圧と相殺される。
このとき、有機EL素子21は、カットオフ状態(ハイインピーダンス状態)にある。従って、映像信号の信号電圧Vsigに応じて電源供給線32から駆動トランジスタ22に流れる電流(ドレイン−ソース間電流Ids)は、有機EL素子21の等価容量25に流れ込む。これにより、有機EL素子21の等価容量25の充電が開始される。
有機EL素子21の等価容量25が充電されることにより、駆動トランジスタ22のソース電位Vsが時間の経過とともに上昇していく。このとき既に、駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthの画素毎のばらつきがキャンセルされており、駆動トランジスタ22のドレイン−ソース間電流Idsは当該駆動トランジスタ22の移動度μに依存したものとなる。尚、駆動トランジスタ22の移動度μは、当該駆動トランジスタ22のチャネルを構成する半導体薄膜の移動度である。
ここで、映像信号の信号電圧Vsigに対する保持容量24の保持電圧Vgsの比率、即ち、書込みゲインGが1(理想値)であると仮定する。すると、駆動トランジスタ22のソース電位VsがVofs−Vth+ΔVsの電位まで上昇することで、駆動トランジスタ22のゲート‐ソース間電圧VgsはVsig−Vofs+Vth−ΔVsとなる。
すなわち、駆動トランジスタ22のソース電位Vの上昇分ΔVsは、保持容量24に保持された電圧(Vsig−Vofs+Vth)から差し引かれるように、換言すれば、保持容量24の充電電荷を放電するように作用する。換言すれば、駆動トランジスタ22のソース電位Vsの上昇分(変化量)ΔVsは、保持容量24に対して負帰還がかけられたことになる。従って、ソース電位Vsの上昇分ΔVsは負帰還の帰還量となる。
このように、駆動トランジスタ22に流れるドレイン−ソース間電流Idsに応じた帰還量ΔVでゲート‐ソース間電圧Vgsに負帰還をかけることで、駆動トランジスタ22のドレイン−ソース間電流Idsの移動度μに対する依存性を打ち消すことができる。この打ち消す処理が、駆動トランジスタ22の移動度μの画素毎のばらつきを補正する移動度補正処理である。
より具体的には、駆動トランジスタ22のゲート電極に書き込まれる映像信号の信号振幅Vin(=Vsig−Vofs)が高い程ドレイン−ソース間電流Idsが大きくなるため、負帰還の帰還量ΔVsの絶対値も大きくなる。従って、発光輝度レベルに応じた移動度補正処理が行われる。
また、映像信号の信号振幅Vinを一定とした場合、駆動トランジスタ22の移動度μが大きいほど負帰還の帰還量ΔVsの絶対値も大きくなるため、画素毎の移動度μのばらつきを取り除くことができる。従って、負帰還の帰還量ΔVsは、移動度補正処理の補正量とも言える。
(発光期間)
次に、時刻t17で、走査線31の電位WSが低電位側に遷移することで、図11に示すように、書込みトランジスタ23が非導通状態となる。これにより、駆動トランジスタ22のゲート電極は、信号線33から電気的に切り離されるためにフローティング状態になる。
ここで、駆動トランジスタ22のゲート電極がフローティング状態にあるときは、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間に保持容量24が接続されていることにより、駆動トランジスタ22のソース電位Vsの変動に連動してゲート電位Vgも変動する。すなわち、駆動トランジスタ22のソース電位Vs及びゲート電位Vgは、保持容量24に保持されているゲート−ソース間電圧Vgsを保持したまま上昇する。そして、駆動トランジスタ22のソース電位Vsは、トランジスタの飽和電流Idsに応じた有機EL素子21の発光電圧Voledまで上昇する。
このように、駆動トランジスタ22のゲート電位Vgがソース電位Vsの変動に連動して変動する動作がブートストラップ動作である。換言すれば、ブートストラップ動作は、保持容量24に保持されたゲート−ソース間電圧Vgs、即ち、保持容量24の両端間電圧を保持したまま、ゲート電位Vg及びソース電位Vsが変動する動作である。
駆動トランジスタ22のゲート電極がフローティング状態になり、それと同時に、駆動トランジスタ22のドレイン−ソース間電流Idsが有機EL素子21に流れ始めることにより、当該電流Idsに応じて有機EL素子21のアノード電位が上昇する。そして、有機EL素子21のアノード電位がVthel+Vcathを越えると、有機EL素子21に駆動電流が流れ始めるため有機EL素子21が発光を開始する。
有機EL素子21の発光電流は、このときのゲート−ソース間電圧Vgsによって駆動トランジスタ22の飽和電流Idsにより規定される。このため、駆動トランジスタ22は、各信号電圧Vsigにおける定電流源となる。
また、有機EL素子21のアノード電位の上昇は、即ち、駆動トランジスタ22のソース電位Vsの上昇に他ならない。そして、駆動トランジスタ22のソース電位Vsが上昇すると、保持容量24のブートストラップ動作により、駆動トランジスタ22のゲート電位Vgも連動して上昇する。
このとき、ブートストラップゲインが1(理想値)であると仮定した場合に、ゲート電位Vgの上昇量はソース電位Vsの上昇量に等しくなる。故に、発光期間中、駆動トランジスタ22のゲート‐ソース間電圧Vgsは、Vsig−Vofs+Vth−ΔVsで一定に保持される。そして、時刻t18で信号線33の電位が映像信号の信号電圧Vsigから基準電圧Vofsに切り替わる。
以上説明した一連の回路動作において、閾値補正準備、閾値補正、信号電圧Vsigの書込み(信号書込み)、及び、移動度補正の各処理動作は、1水平期間(1H)において実行される。また、信号書込み及び移動度補正の各処理動作は、時刻t16−t17の期間において並行して実行される。
〔分割閾値補正〕
尚、ここでは、閾値補正処理を1回だけ実行する駆動法を採る場合を例に挙げて説明したが、この駆動法は一例に過ぎず、この駆動法に限られるものではない。例えば、閾値補正処理を移動度補正及び信号書込み処理と共に行う1H期間に加えて、当該1H期間に先行する複数の水平期間に亘って分割して閾値補正処理を複数回実行する、所謂、分割閾値補正を行う駆動法を採ることも可能である。
この分割閾値補正の駆動法によれば、高精細化に伴う多画素化によって1水平期間として割り当てられる時間が短くなったとしても、閾値補正期間として複数の水平期間に亘って十分な時間を確保することができる。従って、1水平期間として割り当てられる時間が短くなっても、閾値補正期間として十分な時間を確保できるため、閾値補正処理を確実に実行できることになる。
[2−4.TFTを半導体上に形成する場合について]
ここで、駆動トランジスタ22や書込みトランジスタ23として用いるTFTをガラス基板のような絶縁体上ではなく、シリコンのような半導体上に形成する場合について考える。
TFTを半導体上に形成する場合、図12に示すように、TFTは、ソース/ゲート/ドレインの3端子ではなく、ソース/ゲート/ドレイン/バックゲート(ベース)の4端子となる。また、ソース、ゲート、ドレイン端子(電極)と基板との間には、寄生容量が存在する。
半導体上に形成する場合、図13に示すように、TFTの特性は、基板電位によっても変化する。具体的には、基板電位とソース電位との差が正(基板電位>ソース電位)であれば、TFTの閾値電圧はエンハンスメント側にシフトし、逆に、基板電位とソース電位との差が負(基板電位<ソース電位)であれば、TFTの閾値電圧はデプレッション側にシフトする。
ここで、トランジスタの端子と基板との間に存在する寄生容量の効果、ソース電位と基板電位との電位差による特性変化の効果についてそれぞれ考える。
図12に示す4端子のトランジスタを図2の画素回路に用いる場合、駆動トランジスタ22のゲート電極(端子)には、図14に示すように寄生容量が発生する。このとき、駆動トランジスタ22のゲート電極に接続されている全容量の容量値をCall、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間の容量値をCsとすると、先述したブートストラップ動作におけるブートストラップゲインGは、G=Cs/Callとなる。
ここで、容量値Callは、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間容量Cgs_22、ゲート−ドレイン間容量Cgd_22、ゲート−バックゲート間容量Cgb_22、書込みトランジスタゲート−ドレイン間容量Cgd_23、ゲート−バックゲート間容量Cgb_23、及び、保持容量24の総容量値である。容量値Csは、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間容量Cgs_22及び保持容量24の総容量値である。
ブートストラップゲインGは、駆動トランジスタ22のソース電位の変化(変動量)に対するゲート電位の変化(変動量)の割合(比率)を示す。つまり、ブートストラップゲインGがG=1(理想値)であれば、駆動トランジスタ22のソース電位の変化に対してゲート電位の変化が一致することとなる。また、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間容量以外の容量がゲート−ソース間容量よりもかなり小さければ、有機EL素子21の発光時に駆動トランジスタ22のゲート−ソース間電圧Vgsはほぼ一定に保たれることとなる。
しかし、図14に示すように、トランジスタの各端子と基板との間に寄生容量が存在する場合、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間容量以外の容量が、ゲート−ソース間容量よりも大きくなってしまうためにブートストラップゲインGが小さくなる。これにより、図15に示すように、駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthに画素間で差(差分=ΔVth)があった場合、発光時の駆動トランジスタ22のゲート−ソース間電圧Vgsの差分(G×ΔVth)がΔVthよりも小さくなってしまい、ΔVthを完全に反映できなくなる。その結果、表示画像には輝度ムラやザラつきが発生し、表示画像の画質が悪化することになる。
このブートストラップゲインGを増加させるには、駆動トランジスタ22のゲート電極に付く寄生容量の容量値を小さくすればよい。一例として、図16に示すように、駆動トランジスタ22のソース電極と基板とを接続する、即ち、ソース電位Vsと基板電位とを同電位にすることによって、駆動トランジスタ22のゲート電極と基板との間の寄生容量を削減することが考えられる。
しかしながら、シリコン基板などの半導体基板上にTFTを形成するプロセスでは、図17に示すように、駆動トランジスタ22のゲート電極221及びソース/ドレイン電極222や信号線33を含む配線を多層化するのが一般的である。また、駆動トランジスタ22などの回路素子に対する外部からの光の影響を軽減するために、固定電源が供給される遮光層35が配される。しかし、多層配線構造とすると、駆動トランジスタ22のゲート電極221と他層の金属(図17の例では、信号線33や遮光層35)との間に寄生容量Cp1,Cp2が発生してしまう。
このように、半導体上にTFTを形成するに当たって多層配線構造とすると、駆動トランジスタ22のゲート電極に付く寄生容量Cp1,Cp2がブートストラップゲインGを小さくする原因となる。図18に、多層配線構造の場合に駆動トランジスタ22のゲート電極に付く寄生容量についての等価回路を示す。
そして、上述したように、駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthに差(差分=ΔVth)があった場合、発光時の駆動トランジスタ22のゲート−ソース間電圧Vgsの差分(G×ΔVth)がΔVthよりも小さくなってしまい、ΔVthを完全に反映できなくなる。その結果、表示画像には輝度ムラやザラつきが発生してしまう。
上述したブートストラップゲインGが小さくなる現象は、駆動トランジスタ22などを半導体上に形成する場合に限らず、金属などの導電体上に形成された絶縁体上に駆動トランジスタ22などを形成する場合についても同様に発生する。それは、前にも述べたように、例えばボトムゲート構造のTFTを導電体基板上に絶縁体を介して形成した場合、4端子にはならないものの、導電体基板とゲート電極との間が全体に亘って寄生容量となるからである。
<3.実施形態に関する説明>
本開示の実施形態に係る有機EL表示装置は、駆動トランジスタ22などを、例えば、シリコンのような半導体上、あるいは、導電体基板上に形成された絶縁体上に形成した場合に生ずる問題を解決すべく為されたものである。その問題とは、上述したように、半導体上に駆動トランジスタ22などを形成した場合の基板電位の効果及びブートストラップゲインGによる問題や、導電体基板上に形成された絶縁体上に駆動トランジスタ22などを形成した場合のブートストラップゲインGが小さくなることによる問題である。
当該問題を解決するために、本実施形態では、駆動トランジスタ22のゲート電極221とソース/ドレイン電極222とが積層されて成る多層配線構造、即ち、ゲートメタル層の上にソース/ドレインメタル層が配置されて成る多層配線構造において、次のような構成を採っている。
すなわち、図19に示すように、本実施形態では、ソース/ドレイン電極222によってゲート電極221の周囲を3次元的に覆う構造を採っている。より具体的には、ソース/ドレイン電極222に、ゲート電極221側に突出する筒状部222Aを形成し、当該筒状部222A及びソース/ドレイン電極222によってゲート電極221の周囲を覆う構造とする。
尚、ここで言うソース/ドレイン電極222は、駆動トランジスタ22の一方のソース/ドレイン電極である。多層配線構造では、駆動トランジスタ22のチャネル形成層や他方のソース/ドレイン電極は、ゲート電極221や一方のソース/ドレイン電極222と異なる層(他の層)に形成されることになる。
上述したように、多層配線構造において、ソース/ドレイン電極222によってゲート電極221の周囲を3次元的に覆う構造を採ることにより、駆動トランジスタ22のゲート電極221と他層の金属、例えば、信号線33や遮光層35との間には寄生容量が発生しない。その代わりに、図20に示すように、駆動トランジスタ22のソース/ドレイン電極222と他層の金属、例えば、信号線33や遮光層35との間に寄生容量Cp1,Cp2が発生することとなる。
ここで、先述したように、ブートストラップゲインGは、保持容量24の容量値と、駆動トランジスタ22のゲート電極に付く寄生容量の容量値などによって決まる。そして、多層配線構造において、駆動トランジスタ22のゲート電極22と他層の金属との間に寄生容量が発生しないことで、当該ゲート電極22に付く寄生容量の容量値が、ゲート電極221を3次元的に覆わない場合に比べて小さくなるため、ブートストラップゲインGを増加させることができる。
ブートストラップゲインGが増加することで、駆動トランジスタ22の閾値電圧Vthに画素間で差(差分=ΔVth)があった場合の閾値電圧Vthの差分ΔVthを、閾値補正動作後のブートストラップ期間中における駆動トランジスタ22のゲート電位Vg及びソース電位Vsに反映させることができる。これにより、最終的に、信号書込み終了後の発光時における駆動トランジスタ22のゲート−ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vthの差分ΔVthの影響を受けないようにすることができるため、輝度ムラやザラつきのない均一な画質を得ることができる。
駆動トランジスタ22のソース/ドレイン電極222と例えば信号線33や遮光層35との間に寄生容量Cp1,Cp2が発生することで、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間の容量値を大きくすることができる。そして、駆動トランジスタ22のゲート−ソース間の容量値が大きくなることで、移動度補正動作における駆動トランジスタ22のソース電位Vsの変化量ΔVsが緩やかになるため、信号書込み時間の画素間の差によるシェーディングのような画質不良を軽減することが可能になる。
<4.変形例>
本開示の技術は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、改変が可能である。すなわち、上記の実施形態では、多層配線構造において、駆動トランジスタ22のチャネル形成層を、ゲート電極221や一方のソース/ドレイン電極222と異なる層(他の層)に形成するとしたが、これに限られるものではない。
例えば、駆動トランジスタ22のチャネル形成層を、ゲートメタル層(ゲート電極221が形成される層)と同層か、あるいは、ソース/ドレインメタル層(一方のソース/ドレイン電極222が形成される層)によって周囲が覆われる領域に配置する構造を採ることも可能である。
このような構造を採ることで、駆動トランジスタ22のチャネル形成層をソース/ドレインメタル層によって遮光できる。従って、チャネル形成層を遮光するための遮光層35(図19参照)を削減することが可能となるため、低コスト化を図ることができる。
<5.電子機器>
以上説明した本開示の表示装置は、電子機器に入力された映像信号、若しくは、電子機器内で生成した映像信号を、画像若しくは映像として表示するあらゆる分野の電子機器において、その表示部(表示装置)として用いることが可能である。
上述した実施形態の説明から明らかなように、本開示の表示装置は、ブートストラップゲインを増加させることができるため、輝度ムラやザラつきのような画質不良を軽減することができる、という特徴を持っている。従って、あらゆる分野の電子機器において、その表示部として本開示の表示装置を用いることで、高画質の画像表示を実現できることになる。
本開示の表示装置を表示部に用いる電子機器としては、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ゲーム機器、ノート型パーソナルコンピュータなどを例示することができる。特に、本開示の表示装置は、電子書籍機器や電子腕時計等の携帯情報機器や、携帯電話機やPDA(Personal Digital Assistant)等の携帯通信機器などの電子機器において、その表示部として用いて好適なものである。
<6.本開示の構成>
尚、本開示は以下のような構成を採ることができる。
[1]電気光学素子を駆動する駆動トランジスタと、駆動トランジスタのゲート電極と一方のソース/ドレイン電極との間に接続された容量素子とを含む画素回路が配置されて成り、
駆動トランジスタは、ゲート電極とソース/ドレイン電極とが積層されて成り、ゲート電極の周囲がソース/ドレイン電極によって覆われている表示装置。
[2]駆動トランジスタは、チャネル形成層の周囲もソース/ドレイン電極によって覆われている上記[1]に記載の表示装置。
[3]駆動トランジスタは、半導体上に形成されている上記[1]または上記[2]に記載の表示装置。
[4]駆動トランジスタは、導電体上に形成された絶縁体上に形成されている上記[1]または上記[2]に記載の表示装置。
[5]画素回路は、駆動トランジスタに電流を流しながら、映像信号の書込みと駆動トランジスタの移動度補正とを行う上記[1]から上記[4]のいずれかに記載の表示装置。
[6]画素回路は、駆動トランジスタに流れる電流に応じた補正量で駆動トランジスタのゲート−ソース間の電位差に負帰還をかけることによって駆動トランジスタの移動度補正を行う上記[5]に記載の表示装置。
[7]電気光学素子を駆動する駆動トランジスタを含む画素回路が配置されて成る表示装置を有し、
駆動トランジスタは、ゲート電極とソース/ドレイン電極とが積層されて成り、ゲート電極の周囲がソース/ドレイン電極によって覆われている電子機器。
10・・・有機EL表示装置、20・・・画素、21・・・有機EL素子、22・・・駆動トランジスタ、23・・・書込みトランジスタ、24・・・保持容量、30・・・画素アレイ部、31(311〜31m)・・・走査線、32(321〜32m)・・・電源供給線、33(331〜33n)・・・信号線、34・・・共通電源供給線、35・・・遮光層、40・・・書込み走査回路、50・・・電源供給走査回路、60・・・信号出力回路、70・・・表示パネル

Claims (7)

  1. 電気光学素子を駆動する駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタのゲート電極と一方のソース/ドレイン電極との間に接続された容量素子とを含む画素回路が配置されて成り、
    前記駆動トランジスタは、前記ゲート電極と前記ソース/ドレイン電極とが積層されて成り、
    前記ソース/ドレイン電極には、前記ゲート電極側に突出する筒状部が形成されており、
    前記ゲート電極は、前記ゲート電極と他層の金属との間に寄生容量が発生しないように前記ソース/ドレイン電極及び前記筒状部によって覆われている表示装置。
  2. 前記駆動トランジスタチャネル形成層は、前記ソース/ドレイン電極及び前記筒状部によって覆われる領域に配置される請求項1に記載の表示装置。
  3. 前記駆動トランジスタは、半導体上に形成されている請求項1に記載の表示装置。
  4. 前記駆動トランジスタは、導電体上に形成された絶縁体上に形成されている請求項1に記載の表示装置。
  5. 前記画素回路は、前記駆動トランジスタに電流を流しながら、映像信号の書込みと駆動トランジスタの移動度補正とを行う請求項1に記載の表示装置。
  6. 前記画素回路は、前記駆動トランジスタに流れる電流に応じた補正量で前記駆動トランジスタのゲート−ソース間の電位差に負帰還をかけることによって前記駆動トランジスタの移動度補正を行う請求項5に記載の表示装置。
  7. 電気光学素子を駆動する駆動トランジスタを含む画素回路が配置されて成る表示装置を有し、
    前記駆動トランジスタは、ゲート電極とソース/ドレイン電極とが積層されて成り、
    前記ソース/ドレイン電極には、前記ゲート電極側に突出する筒状部が形成されており、
    前記ゲート電極は、前記ゲート電極と他層の金属との間に寄生容量が発生しないように前記ソース/ドレイン電極及び前記筒状部によって覆われている電子機器。
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