薄膜晶体管、具备该薄膜晶体管的光传感器电路和显示装置的制作方法

专利名称：薄膜晶体管、具备该薄膜晶体管的光传感器电路和显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜晶体管、具备该薄膜晶体管的光传感器电路和内置有该光传 感器电路的显示装置。
背景技术：
近年来，正在开发一种显示装置，该显示装置构成为在具有多个像素的显示面板 的显示区域中以一定的间隔配置多个光传感器，而且将该光传感器设置在对应的像素的内 部。在这种显示装置中，除通常的显示功能外，还能够具有利用了上述光传感器的例如如下 各种功能背光源的调光功能、触摸面板功能、用于文字识别的OCR功能、或指纹认证等安 全性功能。(现有的光传感器电路)图7是表示上述的显示装置所具备的显示区域的结构和驱动该显示区域的电路 模块的结构图，记载在以下的专利文献1中。构成显示区域70的多个像素的各个均具备显示像素86和光传感器像素87。显示像素86形成在纵横地排列设置的源极信号线83与栅极信号线82a的各交点 或者其附近，包括薄膜晶体管(Thin Film Transistor，以下简称为“TFT”)92、在连接在 TFT92的一端上的像素电极101和与像素电极101对置的共用电极之间构成的液晶电容、和 在像素电极101与共用信号线91之间连接的辅助电容95。光传感器像素87具备将三个TFT102a、102b、102c用作开关元件的公知的CMOS光 传感器电路。该光传感器电路包括作为光电二极管动作的TFT104 ；保持预充电电压的积 分电容103 ；作为源极跟随器(source follower)动作的TFT102b ；作为对积分电容103施 加上述预充电电压的开关元件动作的TFT 102a ；和有选择地向光传感器输出信号线85输 出TFT102b的源极跟随器的输出的TFT102C。TFT102a的一端被连接到预充电电压信号线84，另一端与TFT102b的栅极电极连 接。TFT102a的栅极电极被连接到栅极信号线82。作为光传感器元件的TFT104、TFT102b和 积分电容103的一端被连接到共用信号线91。TFT104和积分电容103的另一端与TFT102b 的栅极电极连接。TFT102C的栅极电极被连接到栅极信号线82b。此外，选择显示像素86的栅极信号线82a由栅极驱动器电路72a驱动，使光传感 器像素87动作的栅极信号线82b、82c由栅极驱动器电路72b驱动，预充电电压信号线84和 光传感器输出信号线85由光传感器处理电路78驱动，源极信号线83由源极驱动器74驱 动。当对栅极信号线82c施加导通电压而TFT102a导通时，从光传感器处理电路78施 加到预充电电压信号线84的预充电电压经由TFT102a施加于TFT104的一端和积分电容 103。由此，预充电电压被积分电容103保持，并且对光传感器元件即TFT104施加反向偏压。 另外，预充电电压为TFT102b导通的电压(阈值电压Vth以上)。
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当在该状态下向TFT104照射光时，在TFT104引起与光的强度相对应的电流的漏 泄，因此积分电容103所保持的电荷通过TFT104的沟道间，与光的强度相对应地进行放电。 因此，通过向TFT104照射光而积分电容103的两端的电压发生变化，TFT102b的栅极电压
发生变化。S卩，照射到TFT104的光越强，积分电容103所保持的电荷的放电量越大，因此在照 射到TFT104的光量为0的情况下，TFT102b成为导通状态，当照射到TFT104的光量增加时， TFT102b的栅极逐渐关断(close)，在照射到TFT104的光量充分大的情况下，TFT102b成为 断开状态。当从栅极驱动器电路72b向栅极信号线82b施加导通电压时，TFT102c导通，因此， 此时若TFT102b为导通状态(即，TFT104为未受光的暗状态)，则光电传感器输出信号线85 的电荷经由TFT102c、102b向共用信号线91放电(有时也利用共用信号线91的电位进行 充电)。通过使TFT102b的输出电压变化、且使光电传感器输出信号线85的电荷变化，光电 传感器输出信号线85的电位发生变化。即使TFT102C导通，若TFT102b为断开状态(即， TFT104为受光的明状态)，则光电传感器输出信号线85的电荷也不发生变化。这样，来自光电传感器像素87的输出电压在暗状态下的电压与明状态下的电压 之间发生变化，并经由光电传感器输出信号线85被光电传感器处理电路78检测。此外，在以下的非专利文献1中公开了一种将上述三个TFT102a、102b、102c减少 为一个TFT的光传感器电路。另外，关于该光传感器电路的详细说明，将在本发明的实施方 式中进行。(现有的TFT结构)但是，在起到根据光的强度来改变如上所述的光传感器的输出的作用的TFT102b 中，出于抑制TFT的特性随时间的经过而劣化(例如，TFT成为导通的阈值电压偏离设计值 等)、使TFT的特性稳定的目的，采用图1 (c)所示的GOLD构造。S卩，在作为N型TFT构成的TFT102b中，以夹着沟道区域83的方式形成有一对高 浓度杂质区域(源极和漏极)81、82，该一对高浓度杂质区域81、82是在作为动作层的硅膜 中高浓度地引入N型杂质而形成的，在该高浓度杂质区域81、82各自与沟道区域83之间， 形成有低浓度地引入N型杂质而形成的低浓度杂质区域(以下，称为“LDD (Lightly Doped Drain，轻掺杂漏区)区域”)84、85。进一步，TFT102b的栅极电极80具有不仅与沟道区域83相对，也与LDD区域 84、85相对且与LDD区域84、85重叠(overlap)的LDD构造。将这样的LDD构造称为 GOLD (Gate-drain OverlappedLDD，栅漏重叠轻掺杂漏区)构造(例如，参照专利文献2)。另外，在为图1(c)所示的构造的情况下，高浓度杂质区域81为被连接到图7的共 用信号线91的漏极，高浓度杂质区域82为与图7的TFT102C的漏极连接的源极。专利文献1 日本公开专利公报“特开2006-267967号公报(
公开日2006年10 月5日)”专利文献2 日本公开专利公报“特开2000-299469号公报(
公开日期2000年10 月24日)”非专利文献 1 :A Continuous-Grain Silicon-System LCD With OpticalInput Function(IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL. 42，NO. 12,PP2904-2912DECEMBER2007 ；Chris J. Brown, Hiromi Kato, Kazuhiro Maeda, and Ben Hadwen)

发明内容
但是，在上述现有的光传感器电路和TFT的结构中，存在如下问题对传感器的输 出电压起到重要作用的源极跟随器TFT (例如，上述TFT102b)的栅极电位易受到来自施加 于像素电极的显示信号的影响，导致传感器特性降低。这是由于，在TFT102b的栅极电极80与像素电极101之间产生的寄生电容105 (图 7)因TFT102b的GOLD构造而变大。上述寄生电容105产生的根本原因是例如图7所示的像素电极101实际上未收 纳于显示像素86的区域内，而是以覆盖光电传感器像素87的区域的方式形成，因此致使上 述TFT102b的栅极电极86与像素电极101对置。而且，在具有GOLD构造的TFT102b中，由于不得不增大栅极电极80与LDD区域 84、85重叠(overlap)的部分，因此栅极电极86与像素电极101的对置的面积变大。该情 况引起上述寄生电容105增大。在此，参照表示本发明的实施方式的图5来确认源极跟随器TFT的栅极电极和像 素电极相对的状态。图5是表示在俯视观察进行彩色显示的显示装置的R像素、G像素和B 像素时光传感器电路的周边部的平面图，表示包括作为被G像素的像素电极35G覆盖的源 极跟随器TFT的TFT =Ml和被B像素的像素电极35B覆盖的PIN型光电二极管30的光传感 器电路。像这样，由像素电极覆盖内置在像素中的光传感器电路的理由，是为了提供一种 确保像素的开口率且即使内置有光传感器电路也能够进行明亮的显示的显示装置。像这样，在源极跟随器TFT的栅极电极与像素电极对置的结构中，由于向像素电 极输入总是变动的显示信号，因此在栅极电极上形成显示信号一直变动的状态。在该状态 下，显示信号通过寄生电容对源极跟随器TFT的栅极电位施加影响，寄生电容越大则该影 响越大。这样，寄生电容越大则传感器的输出电压越低等特性劣化变得明显。本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于提供一种薄膜晶体管，其涉及使 内置在构成显示装置的显示画面的像素中的光传感器的输出导通、断开的薄膜晶体管，且 具有难以受到来自显示信号的影响的构造，并且本发明还提供一种具备该薄膜晶体管从而 特性稳定的光传感器电路和具有稳定的功能的显示装置。为解决上述的课题，本发明的薄膜晶体管，其在电流的方向被设定为单向的路径 中使用，在沟道区域的两侧具有高浓度杂质区域，该薄膜晶体管的特征在于，构成为仅在 相应于电流的方向而流入与上述高浓度杂质区域的极性对应的载流子的一侧的高浓度杂 质区域与沟道区域之间夹着低浓度杂质区域。根据上述的结构，在为电流的方向被设定为单向的路径中使用的薄膜晶体管的情 况下，与上述高浓度杂质区域的极性对应的载流子的流入侧被确定为一侧。例如，若上述高 浓度杂质区域的极性为N型，则电子的流入侧被确定为与上述电流流向相反的方向，若上 述高浓度杂质区域的极性为P型，则空穴的流入侧被确定为与上述电流流向相同的方向。在与上述高浓度杂质区域的极性对应的载流子的流入侧被确定为一侧的结构中， 如果该被确定侧的高浓度杂质区域和沟道区域以接触的方式配置，则在该接触的部位附近，生成使薄膜晶体管的特性劣化的热载流子。换言之，在上述被确定侧的相反侧的高浓度 杂质区域与沟道区域之间几乎不生成热载流子。因此，为了抑制上述热载流子的生成，本发明的薄膜晶体管具备该被确定的一侧 的高浓度杂质区域与沟道区域之间夹着低浓度杂质区域的LDD构造(单侧LDD构造)。艮口， 构成为在上述被确定侧的相反侧的高浓度杂质区域与沟道区域之间没有夹着低浓度杂质 区域。具备上述结构的本发明的薄膜晶体管，在沟道区域的两侧具备低浓度杂质区域， 并且相比于具有栅极电极与两个低浓度杂质区域以重叠的方式对置的GOLD构造的薄膜晶 体管，能够缩小栅极电极的面积。S卩，能够采用栅极电极与构成单侧LDD构造的低浓度杂质区域以重叠的方式对置 的单侧GOLD构造，或者采用栅极电极与低浓度杂质区域不重叠、而是仅与沟道区域以重叠 的方式对置的结构。其结果是，例如如本发明的薄膜晶体管内置于构成显示装置的显示画面的像素 中、由设置于该像素的像素电极覆盖的情况那样，在栅极电极与其他电路的电极、或与配线 对置的结构中所产生的寄生电容变得比现有技术小。因此，薄膜晶体管的动作不易受到施 加在其他电路的电极的信号的影响而达到稳定。另外，在采用栅极电极不仅与沟道区域对置、进而还以重叠的方式与低浓度杂质 区域对置的上述单侧GOLD构造的情况下，能够使薄膜晶体管的特性更加稳定。本发明的光传感器电路，其具备光传感器元件，该光传感器电路的特征在于，作为 将与上述光传感器元件的受光量对应的电压从光传感器电路输出的开关部件，使用上述薄 膜晶体管。根据上述的结构，本发明的作为对象的光传感器电路具备使与光传感器元件的受 光量相对应的电压从光传感器电路输出的开关部件即薄膜晶体管。上述薄膜晶体管设置在 电流单向地流动的路径中，并且能够输出从栅极电位减去阈值电压后得到的电压，作为源 极跟随器晶体管发挥作用。此外，上述薄膜晶体管也被称为电压跟随器晶体管。这样的光传感器电路，由于构成电路的元件较少，因此具有易于内置在构成显示 装置的显示画面的像素中的优点。进一步，将像素的构造设计为对每个像素或每规定数量 的多个像素设置光传感器电路，并且通过被输入显示信号的像素电极覆盖光传感器电路， 使得即使内置光传感器电路也能够确保像素的开口率。在这样的像素构造的情况下，本发明的光传感器电路，由于包括具有栅极电极面 积较小的单侧LDD构造或单侧GOLD构造的本发明的薄膜晶体管，因此能够使光量的检测动 作稳定。因此，能够使内置有本发明的光传感器电路的显示装置具有稳定的各种功能，例如 触摸面板功能、OCR功能或指纹认证等安全性功能。进一步，由于在和与栅极电极对置的其他电极、配线之间产生的寄生电容变小，因 此光传感器电路检测受光量的反应速度加快，寄生电容的引入电压变小，因此产生动态范 围得以提高等各种效果。进一步，通过薄膜晶体管具有本发明的单侧LDD构造或单侧GOLD构造，薄膜晶体 管的电容变小，其结果是，能够减轻向薄膜晶体管供给电源电压的源极总线和从薄膜晶体 管读出信号的源极总线的负荷。由此，能够缩短光传感器元件输出的检测信号的读取时间。读取时间的缩短对光检测的高分辨率化是非常有利的。另外，就该效果的程度而言，单侧LDD构造与单侧GOLD构造相比，薄膜晶体管的电 容更小，其结果是，能够进一步降低源极总线的负荷，从而能够进一步缩短检测信号的读取 时间。本发明的上述光传感器电路可以为第一结构上述光传感器电路还包括具有被连接到选择信号输入线的第一电极的电容，上述光传感器元件为光电二极管，该光电二极管包括与作为上述开关部件的上 述薄膜晶体管的栅极和上述电容的第二电极连接的第三电极、和连接到初始化信号输入线 的第四电极，上述第四电极构成为在复位期间中，为了将上述电容充电到成为设定电压，接收 对上述光电二极管施加正向偏压的第一电压，并且，在光检测期间中接收对光电二极管施 加反向偏压的第二电压，上述电容的第一电极构成为在检测信号读取期间中从上述选择信号输入线接收 使上述栅极的电位上升的第三电压。本发明的上述光传感器电路可以为第二结构上述光传感器电路还包括具有被施加一定电压的第一电极的电容；和开关晶体管，其具有与作为上述开关部件的上述薄膜晶体管的漏-源极导电路串 联连接的漏_源极导电路，并且具有连接到选择信号输入线的栅极，上述光传感器元件为光电二极管，该光电二极管包括与上述薄膜晶体管的栅极 和上述电容的第二电极连接的第三电极；和连接到初始化信号输入线的第四电极，上述第四电极构成为在复位期间中，为了将上述电容充电到成为设定电压，接收 对上述光电二极管施加正向偏压的第一电压，并且，在光检测期间中接收对光电二极管施 加反向偏压的第二电压，在检测信号读取期间中，通过从上述选择信号输入线施加使上述开关晶体管导通 的第三电压，将与上述光电二极管的受光量对应的电压从上述薄膜晶体管经由上述开关晶 体管输出。本发明的上述光传感器电路也可以为第三结构上述光传感器电路，还包括开关晶体管，该开关晶体管具有与作为上述开关部件的上述薄膜晶体管的 漏-源极导电路串联连接的漏-源极导电路，并且具有连接到选择信号输入线的栅极，上述光传感器元件为与电容相对于地并联连接的光电二极管，还包括初始化用晶体管，该初始化用晶体管构成为源-漏极连接在上述电容和光 电二极管的高电位侧的端子、与电位高于地的电源电压之间，并且栅极被连接到初始化信 号输入线，在复位期间中，当利用从上述初始化信号输入线输入的信号使上述初始化用晶体 管导通时，上述电容被上述电源电压充电，并且对上述光电二极管施加反向偏压；在检测信 号读取期间中，当利用从上述选择信号输入线输入的信号使上述开关晶体管导通时，将与 上述光电二极管的受光量对应的电压从上述薄膜晶体管经由上述开关晶体管输出。
在比较上述第一结构 第三结构的情况下，相比于第三结构，第二结构中构成光 传感器电路的元件数量较少，相比于第二结构，第一结构中上述元件的数量更少即可。由于上述元件的数量越少各元件中产生的寄生电容越小，因此光传感器电路的反 应速度加快。此外，由于上述元件的数量越少光传感器电路的配置所需要的面积越小，因此 对装置的小型化和成本降低有利，特别是在像素中内置有光传感器电路的显示装置的情况 下，对尽可能大地确保开口率有利。本发明的显示装置，其特征在于在构成显示画面的多个像素的一部分或全部内 置有上述光传感器电路中的任一个光传感器电路，在内置有上述光传感器电路的像素中， 上述光传感器电路被以接收显示信号的方式设置于各个像素的像素电极覆盖。根据上述的结构，内置于显示装置的光传感器电路包括栅极电极较小的薄膜晶体 管，该栅极电极具备本发明的单侧LDD构造或单侧GOLD构造，因此，覆盖光传感器电路的像 素电极与上述栅极电极之间产生的寄生电容较小。因此，如已说明的那样，利用光传感器电路进行的光量检测动作变得稳定。因此， 附加于具备该光传感器电路的显示装置的各种功能(触摸面板功能、OCR功能或指纹认证 等安全性功能)变得稳定。进一步，由于寄生电容变小，因此上述各种功能的反应速度变快，寄生电容的引入 电压变小，因此能够提供一种具有动态范围得以提高等各种优点的显示装置。另外，内置光传感器电路的像素的数量、和其相对于全部像素数量的比例，根据上 述各种功能来适当决定即可。本发明的显示装置中的上述光传感器电路，其特征在于上述光传感器电路在相 邻的每规定数量的多个像素中各设置一个，构成一个上述光传感器电路的多个元件，分散 配置在上述规定数量的多个像素中。由此，相比于将构成一个光传感器电路的多个元件配置在一个像素内的情况，能 够缩小光传感器电路在一个像素中占有的面积。因此，能够提高开口率，使内置有光传感器 电路的显示装置的画面更加明亮。另外，在提高开口率并使反应速度加快方面最有利的光传感器电路，为具有上述 的第一结构的光传感器电路。另外，记载在某个被关注的权利要求中的结构与记载在其他权利要求中的结构的 组合，不仅限于与记载在该被关注的权利要求所引用的权利要求中的结构的组合，只要能 够实现本发明的目的，也能够是与记载在未被该被关注的权利要求引用的权利要求中的结 构的组合。本发明的其他目的、特征和优点，将通过以下所示的记载来充分理解。此外，本发 明的优点将通过参照了附图的以下说明而变得更加明确。


图1是示意性表示薄膜晶体管的结构的截面图，(a)表示具备本发明的单侧GOLD 构造的薄膜晶体管的结构，(b)表示具备本发明的单侧LDD构造的薄膜晶体管的结构，(c) 表示具备现有的GOLD构造的薄膜晶体管的结构。图2是表示本发明的显示装置的结构的概略方块图。
图3是表示构成设置在上述显示装置的一个像素内的像素电路的显示用电路和 光传感器电路的结构的电路图。图4是表示上述光传感器电路的动作的时序图。图5是具体表示在像素内配置有上述光传感器电路的状态的平面图。图6是表示使用了本发明的薄膜晶体管的光传感器电路的变化的电路图，(a)表 示3T方式光传感器电路，(b)表示2T方式光传感器电路，(c)表示IT方式光传感器电路。图7是表示构成设置于现有的显示装置的一个像素内的像素电路的显示用电路 和光传感器电路的结构的电路图。附图标记说明1 薄膜晶体管3 高浓度杂质区域4 高浓度杂质区域5 沟道区域6 低浓度杂质区域7 栅极电极18b:光传感器电路30 光电二极管(光传感器元件)31:积分电容(电容)32 复位信号线(初始化信号输入线)33 行选择信号线35R:像素电极35G:像素电极35B:像素电极64 =TFT (初始化用晶体管)65 :TFT(薄膜晶体管、开关部件、源极跟随器晶体管)66:TFT (开关晶体管)Ml :TFT(薄膜晶体管、开关部件、源极跟随器晶体管)
具体实施例方式下面，参照图1 图6对本发明的一个实施方式进行说明。另外，以下所参照的各 图中，为了便于说明，仅简略地表示本发明的一个实施方式的结构部件中用于说明本发明 所需的主要部件。因此，本发明的显示装置能够具备未在本说明书所参照的各图中示出的 任意的结构部件。此外，各图中的部件的尺寸并非忠实地表示实际的结构部件的尺寸和各 部件的尺寸比率等。(薄膜晶体管的结构)图1的(a)、(b)示意性表示作为本发明的一个实施方式的MOS (Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)型薄膜晶体管1的截面构造。例如，在玻璃基板之上 形成基底绝缘膜之后，在该基底绝缘膜之上形成有作为TFT的动作层的多晶硅膜2。在该多 晶硅膜2的两端部形成有TFT的源极和漏极即一对高浓度杂质区域3、4，高浓度杂质区域4
10与本征半导体区域(I区域)即沟道区域5相接。另一方面，高浓度杂质区域3与沟道区域5不相接，而是与沟道区域5 —起夹着低 浓度杂质区域6。因此，本发明的薄膜晶体管仅在高浓度杂质区域3侧具有LDD构造。另外，在本实施方式中，通过对多晶硅膜2以高浓度注入磷、砷等N型杂质的离子， 形成高浓度杂质区域3、4，通过以低浓度注入N型杂质的离子，形成低浓度杂质区域6，因 此，图1的(a)、(b)所示的薄膜晶体管为在本征半导体区域(I区域)的两侧具有N型杂质 区域的NIN型。但是，本发明不限定于NIN型，也能够适用于NPN型、PIP型、PNP型。另外，当对高 浓度杂质区域为N型的情况与P型的情况进行比较时，N型的情况具有更易于生成热载流 子的倾向。此外，M0S(Metal Oxide Semiconductor)型薄膜晶体管1具有在与玻璃基板的表 面平行的面内依次排列有各区域3 6的横向构造。具有横向构造的晶体管也具有自身的 寄生电容较小的优点。接着，在基底绝缘膜和多晶硅膜2之上形成有硅氧化膜(SiO2)等栅极绝缘膜，在 该栅极绝缘膜之上形成有栅极电极7。如图1(a)所示，栅极电极7保持从高浓度杂质区域 3与低浓度杂质区域6的边界到高浓度杂质区域4与沟道区域5的边界为止的栅极长度， 且与低浓度杂质区域6和沟道区域5重叠(overlap)。即，本发明的薄膜晶体管，不同于 栅极电极与形成在沟道区域的两侧的低浓度杂质区域以重叠的方式对置的现有的GOLD构 造，具备栅极与仅形成在沟道区域的单侧的低浓度杂质区域(6)以重叠的方式对置的单侧 GOLD构造。或者，如图1(b)所示，本发明的薄膜晶体管具备其栅极电极与低浓度杂质区域 (6)不重叠，而仅与沟道区域(5)以重叠的方式对置的单侧LDD构造。因此，本发明的薄膜晶体管与现有的薄膜晶体管相比，栅极长度较短，栅极电极的 面积较小。于是，虽然在以后将进行具体说明，但是如薄膜晶体管内置在构成显示装置的显 示画面的像素中、并被设置于该像素的像素电极覆盖的情况那样，在栅极电极与其他电路 的电极或配线对置的结构中产生的寄生电容比现有技术小。因此，薄膜晶体管的动作不易 受到施加于其他电路的电极的信号的影响，变得稳定。(低浓度杂质区域为一个即可的理由)如上所述，低浓度杂质区域为一个即可的理由在于，本发明的薄膜晶体管是在电 流的方向被设定为单向的路径中使用的。在图1的(a)、(b)的例子中，虽然将在下面作为 光传感器电路的动作再次进行说明，但是施加有一定的电源电压VDD的端子的电位通常高 于输出电流的端子(OUT)的电位。因此，流经薄膜晶体管1的电流的方向总是为从高浓度 杂质区域3流向高浓度杂质区域4的方向。在薄膜晶体管1中，杂质的极性为负极性即N型，因此电子成为载流子，向电流方 向的反方向流动。S卩，由于电子从高浓度杂质区域3向施加有电源电压VDD的导线流出，因 此高浓度杂质区域3成为漏极，高浓度杂质区域4成为源极。另外，在使用P型杂质例如作为PIP构成薄膜晶体管1的情况下，施加有电源电压 (VSS)的端子的电位通常低于输出电流的端子(OUT)的电位。在该情况下，高浓度杂质区域3成为漏极，空穴成为载流子，从高浓度杂质区域4向施加有电源电压(VSS)的导线流动。已知在薄膜晶体管1那样的MOS型电场效应晶体管中，漏极附近的电场强度增大， 产生热载流子现象。流入电场强度增大的区域中的载流子(电子或空穴)，被强电场加速而 获得较大的能量，因此一部分载流子成为具有能够越过在多晶硅膜2与上述栅极绝缘膜之 间存在的电位壁垒那样大的能量的热载流子。该热载流子被注入栅极绝缘膜中，一部分被 捕集(捕获)到栅极绝缘膜中，形成空间电荷，使薄膜晶体管的阈值电压和传输电导等特性 随着时间的经过而劣化。有时这些劣化也使得半导体器件的各种特性发生劣化，最终成为 故障。因此，为了抑制热载流子的发生，当通过在漏极侧设置LDD构造而使高浓度杂质 区域3与沟道区域5之间产生的杂质的浓度梯度缓和时，能够缓和电场集中在漏极端的现 象。以上是低浓度杂质区域为一个即可的理由。(内置有光传感器电路的显示装置)本发明的显示装置内置有使用了具备上述单侧LDD构造或单侧GOLD构造的薄膜 晶体管1的光传感器电路。首先，对显示装置的概略结构进行说明。如图2所示，本发明的显示装置10具备 集成有各种驱动器和构成像素的所有电路元件的透明基板12。透明基板12的材质例如为 玻璃。另外，显示装置10包括有源矩阵区域13、源极驱动器14、栅极驱动器15、传感器行驱 动器16和传感器读取驱动器17。在有源矩阵区域13，源极信号线和扫描信号线呈矩阵状形成，且与两线的交叉位 置相对应地形成有驱动像素的开关元件和像素电极等构成像素的已知的要素。此外，在各 像素内设置有光传感器电路。源极驱动器14经由源极信号线供给显示信号，栅极驱动器15经由扫描信号线向 各像素供给像素选择信号。传感器行驱动器16对每行有选择地驱动光传感器电路，传感器读取驱动器17向 光传感器电路施加上述恒定电位VDD，并且从光传感器电路读出光检测信号。图3表示设置在构成有源矩阵区域13的一个像素中的像素电路18的电路结构。 像素电路18具备显示用电路18a和光传感器电路18b。另外，显示用电路18a设置在每个 像素中，与此相对，光传感器电路18b未必需要设置在所有的像素中，只要与为了光检测而 要求的分辨率平衡而设置在所需的像素(例如，对规定数量的多个像素)中即可。显示用电路18a形成在排列设置成纵横(列方向和行方向)的源极信号线21与 栅极信号线22的各交点或附近，包括TFT23 ；在与TFT23的一端连接的像素电极和与像素 电极对置的共用电极24之间构成的液晶电容25 ；和在液晶电容25与共用电极26之间连 接的辅助电容27。另一方面，光传感器电路18b构成为仅使用一个晶体管的1T(晶体管的简称)方 式的电路。TFT:M1(开关部件，源极跟随器晶体管)为具备图1(a)所示的单侧GOLD构造的 本发明的薄膜晶体管、或具备图1(b)所示的单侧LDD构造的本发明的薄膜晶体管(仅在漏 极侧具有LDD构造的源极跟随器TFT)，作为上述源极跟随器晶体管发挥作用。TFT:M1的漏 极被连接到电源供给线28，源极被连接到输出信号线29。上述电源供给线28和输出信号 线29与传感器读取驱动器17连接，由传感器读取驱动器17向电源供给线28施加上述电
12源电压VDD。此外，在TFT:Ml的栅极上连接有光电二极管30的阴极(第三电极)，并且连接有 与光电二极管30串联连接的积分电容31的一端(第二电极)。另外，光电二极管30的阳极(第四电极)从传感器行驱动器16被连接到传送复位 信号RST的复位信号线(初始化信号输入线)32，积分电容31的另一端(第一电极)被连 接到传送行选择信号RWS的行选择信号线(选择信号输入线)33。另外，行选择信号线RWS 具有选择排列成矩阵状的光传感器电路的特定行、且从位于该特定行的光传感器电路输出 检测信号的作用。(光传感器电路的动作明状态)下面，参照图4说明光传感器电路18b的动作。首先，为了使TFT:M1的栅极电位VINT复位，从传感器行驱动器16向复位信号线 32传送高电平的复位信号RST。由此，由于在复位期间(tl t2)中对光电二极管30施加 正向偏压，因此对积分电容31充电，栅极电位VINT逐渐上升，最终达到初始化电位(Vddk)。在栅极电位VINT达到初始化电位之后，当复位信号RST回落到低电平时，光电二 极管30的阴极电位变得比阳极电位高，因此对光电二极管30施加反向偏压。此时的栅极 电位VINT成为从上述初始化电位(Vddk)中减去光电二极管30的正向电压降(Vf)和因光电 二极管30的寄生电容引起的电压降(AVkst)所得到的值。在该状态下，在对光电二极管30照射光的光检测期间(t2 t3)中，根据光的强 度而由反向偏压引起的光电流流向光电二极管30。其结果是，被积分电容31所保持的电荷 经由复位信号线32放电，因此栅极电位VINT逐渐下降，最终，下降至与光的强度相对应的 检测电位。然后，进入光检测结果的读取期间、即检测信号读取期间(t3 t4)，其后，在积 分电容31的另一端从传感器行驱动器16经由行选择信号线33施加高电平的行选择信号 RWS0由此，栅极电位VINT迅速上升而通过积分电容31，因此，栅极电位VINT变为在上述检 测电位上追加行选择信号RWS的高电平所得到的电位(例如，图4所示的电位VI)。另外，图4所示的电位Vl与当光电二极管30接收强光照射、并在t3栅极电位VINT 下落到最低的电平时的明状态相对应。当栅极电位VINT迅速上升时，超过使TFT:M1变成导通的阈值电压，因此TFT:M1 成为导通状态。其结果是，以与栅极电位VINT的电平相对应即与光的强度相对应的放大率 来控制的电压作为检测信号(例如，图4所示的明状态的VPIX)从TFT:M1的源极输出，经 由输出信号线29被传送到传感器读取驱动器17。(光传感器电路的动作暗状态)另一方面，在上述光检测期间(t2 t3)中，在不对光电二极管30照射光的情况 下，由于光电二极管30不产生光电流，因此栅极电位VINT大致持续保持初始化电位。实际 上，由于产生少量漏泄电流，因此栅极电位VINT变为比初始化电位略低的检测电流。然后，由于在上述检测信号读取期间(t3 t4)中，与上述同样地，栅极电位VINT 迅速上升而通过积分电容31，因此栅极电位VINT成为与在上述初始化电位上追加行选择 信号RWS的高电平的电位所得到的电位大致相等的电位(例如，图4所示的电位V2)。此时，TFTiMl输出的检测信号(例如，图4所示的暗状态的VPIX)表现出最大电平。像这样，生成具有与光电二极管30所接收的光的强度相对应的电平的检测信号， 而且，该检测信号在内置有光传感器电路18b的各像素中生成。因此，图2所示的显示装置 10能够利用作为显示用的光源而具备的背光源的光，对接近显示装置10的显示画面配置 的检测对象物，进行显示画面上的坐标读取、文字读取或者指纹读取等检测动作。在TFT:M1具有已经说明的本发明的单侧LDD构造或者单侧GOLD构造的结果是， 该检测动作稳定，检测精度得以提高。其理由在于，在TFT:M1的栅极电极与形成上述液晶 电容25的像素电极之间所形成的寄生电容变小，因此TFT:M1的上述阈值电压等特性稳定， 难以随着时间的经过而变动。进一步，TFTiMl具有本发明的单侧LDD构造或者单侧GOLD构造，从而TFT:M1的 电容变小，其结果是连接有TFT:M1的上述电源供给线28和输出信号线29的负荷降低。由 此，能够缩短传感器读取驱动器17读取光传感器电路18b输出的检测信号的时间。读取时 间的缩短在光检测的高分辨率化上是非常有利的。相比于单侧GOLD构造，上述的效果在栅极电极较小即可的单侧LDD构造更大。即， 如图1 (b)所示，栅极电极7不与低浓度杂质区域6重叠，其结果是，能够使栅极电极7的大 小在图1(b)的结构中比图1(a)中的结构小。其结果是，能够使栅极电极7与像素电极之 间产生的寄生电容变小。而且，如图1(b)所示，在图1(a)的结构中产生的栅极电极7和低浓度杂质区域6 之间的寄生电容(^在图1(b)的结构中不产生。由此，如图3所示，连接有TFT:M1的上述 电源供给线28与栅极电极7 (换言之，是与TFT:M1的栅极、光电二极管30的阴极、和积分 电容31的一端的连接部(结点))之间的寄生电容C2变小，因此能够进一步降低显示信号 对栅极电位VINT给予的影响。进一步，光传感器电路18b与基于图7说明的现有的CMOS光传感器电路相比，由 非常少的数量的元件构成。因此，由于光传感器电路18b在像素中所占有的面积变小，因此 IT方式的光传感器电路18b对于提高像素的开口率而言非常有利。另外，由于上述寄生电 容变小，因此通过加快检测动作的反应速度并且引入寄生电容，也能够改善动态范围降低 的问题。如上所述，当利用具有本发明的单侧LDD构造或者单侧GOLD构造的薄膜晶体管构 成IT方式的光传感器电路，并将该光传感器电路内置于像素而构成显示装置时，能够提供 一种光检测精度较高，检测特性即使随着时间的经过也稳定，并且能够进行明亮的显示的 优良的显示装置。(像素中的光传感器电路的布局例)参照图5说明将上述光传感器电路18b设置在进行全彩色显示的液晶显示装置的 像素内时元件布局的一个例子。图5是由红绿蓝(RGB)三色的子像素35R、35G、35B构成的一个像素中的将光传感 器电路18b附近放大并进行示意性表示的平面图。子像素35R、35G、35B在图5上未图示，分别具备上述像素电路18。源极信号线21 在彼此在行方向上相邻的子像素35R、35G、35B各个之间在列方向上延伸，向各像素电路18 的结构要素即TFT23(图3)供给各色的显示信号。
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另外，在图5所示的结构例中，设置在子像素35R、35G之间的源极信号线21兼作 上述电源供给线28，设置在子像素35G、35B之间的源极信号线21兼作上述输出信号线29。光传感器电路18b利用子像素35R、35G、35B的列方向上的一端侧区域而被设置。 该一端侧区域被与源极信号线21正交的上述复位信号线32和行选择信号线33区划。另 外，复位信号线32和行选择信号线33设置为彼此在列方向上隔开一定间隔。在图5所示的结构例中，光传感器电路18b的结构要素即TFT:M1设置于子像素 35G的上述一端侧区域，光电二极管30设置在子像素35B的上述一端侧区域。在子像素 35G、35B间的源极信号线21的例如底层，设置有连接TFT:M1的栅极和光电二极管30的阴 极(N层)的线36，在线36上延伸有作为行选择信号线33的一部分的延伸部37。通过该 线36与延伸部37的重叠，形成有上述积分电容31。另外，能够例如由Si形成上述线36。TFTiMl的漏极经由接触部38a与兼作电源供给线28的源极信号线21连接， TFTiMl的源极经由接触部38b与兼作输出信号线29的源极信号线21连接。进一步，光电 二极管30的阳极(P层)经由接触部38c与复位信号线32连接。如图5所示，光传感器电路18b与图7所示的现有的CMOS光传感器电路相比，由 非常少的结构要素构成，因此有助于开口率的提高，并且能够进行明亮的显示。另外，由低温多晶硅(LPs =Low temperature Poly Silicon)制作的薄膜光电二极 管那样的光传感器元件，具有对于蓝色光的灵敏度相对较高，对于红色光的灵敏度相对较 低这一特性。由于该特性，当将光传感器元件置于红色像素时，灵敏度较差，因此具有动态 范围变窄的缺点，但是，由于不读出进入光传感器元件的杂散光，因此具有信号品质变好的 优点。另一方面，当将光传感器元件置于蓝色像素中时，由于灵敏度较好，因此具有动态范 围变宽的优点，但是，由于易于拾取杂散光，因此存在信号品质下降的缺点。(光传感器电路的变形)图6表示能够适用作为具备本发明的GOLD构造的源极跟随器的TFT的光传感器 电路18b的变形。在图6(a) (c)所示的光传感器电路的任一个中，后述的TFT65都具备 本发明的单侧LDD构造或者单侧GOLD构造。图6(c)表示与基于图3 图5已经说明的光传感器电路18b相同结构的IT方式 的光传感器电路。即，图3所示的光传感器电路18b的结构要素和图6(c)所示的光传感器 电路的结构要素按以下方式对应。光电二极管30—光电二极管62积分电容31-—积分电容63TFT =Ml—TFT65 (开关部件、源极跟随器晶体管)另一方面，图6(a)为具备与基于图7已经说明了的现有的CMOS光传感器电路同 等的结构的光传感器电路，构成为使用了三个晶体管的3T方式的电路。如图6(a)所示的 光传感器电路的结构要素和图7所示的光电传感器像素87的结构要素按以下方式对应。光电二极管62-—TFT104积分电容63—积分电容103TFT64-—TFT102a (初始化用晶体管)TFT65—TFT102b (开关部件、源极跟随器晶体管)TFT66-—TFT102c (开关晶体管)
另外，图6(a)的电源电压VDD和施加在图7的共用信号线91上的一定电压成为 同等的关系。对3T方式的光传感器电路的动作已经基于图7进行了说明，因此在此省略。图6(b)表示使用两个晶体管、结构要素比3T方式的光传感器电路减少一个且实 现了开口率的提高的2T方式的光传感器电路。在2T方式的光传感器电路中，从3T方式的光传感器电路中省略了利用复位信号 RST进行导通断开控制的TFT64，将积分电容63的一个电极(第二电极)与TFT65的栅极和 光电二极管62的阴极(第三电极)连接，并且，将积分电容63的另一个电极(第一电极) 与供给电源电压VDD的电源供给线连接。与IT方式的光电二极管62同样地，将复位信号 RST供给到光电二极管62的阳极(第四电极)。下面，说明2T方式的光传感器电路的动作。首先，为了将TFT65的栅极电位VINT复位，将与电源电压VDD相等的高电平的复 位信号RST施加于光电二极管62的阳极。由此，在复位期间中，向光电二极管62施加正向 偏压。栅极电位VINT成为从电源电压VDD中减去光电二极管62的正向电压降所得到的初 始化电位。栅极电位VINT达到初始化电位之后，当复位信号RST下落到低电平(例如0V)时， 由于光电二极管62的阴极电位变成比阳极电位高，因此对光电二极管62施加反向偏压。在 该状态下，在向光电二极管62照射光的光检测期间，根据光的强度因反向偏压引起的光电 流流向光电二极管62。其结果是，在积分电容63积存电荷，因此栅极电位VINT成为从电源 电压VDD减去施加于积分电容63的电压所得到的电压。即，栅极电位VINT随着光的强度 下降。接着，进入检测信号读取期间，然后，向TFT66的栅极施加高电平的行选择信号 RWS0由此，TFT66变为导通，因此将以与栅极电位VINT的电平相对应、即与光的强度相对 应的放大率进行控制的电压作为检测信号从TFT66的源极输出。像这样，2T方式的光传感器电路由个数比3T方式的光传感器电路少的元件构成， 因此对于提高像素的开口率有利。另外，使用具备本发明的单侧LDD构造或者单侧GOLD构 造的薄膜晶体管，因此同样能够得到检测动作的反应速度加快、动态范围提高的效果。在发明的详细说明中所说明的具体的实施方式或实施例，严格地说是用于使本发 明的技术内容变得明确，而不是只限于这样的具体例来进行狭义地解释，在本发明的精神 和记载的权利要求范围内，能够变更为各种方式加以实施。另外，将在不同的实施方式中分 别公开的技术手段进行适当组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围中。如上所述，本发明的薄膜晶体管是在电流方向被设定为单向的路径中使用、在沟 道区域的两侧具有高浓度杂质区域的薄膜晶体管，构成为具有根据上述电流的方向仅在 流入与上述高浓度杂质区域的极性对应的载流子的一侧的高浓度杂质区域与沟道区域之 间夹着低浓度杂质区域的构造，或者上述薄膜晶体管的栅极电极与上述低浓度杂质区域以 重叠的方式对置的构造。由此，较之具有在沟道区域的两侧具备低浓度杂质区域的GOLD构造的薄膜晶体 管，能够缩小栅极电极的面积。其结果是，在栅极电极与其他电路的电极对置的结构中所产 生的寄生电容比现有技术小，因此起到了薄膜晶体管的动作稳定的效果。另外，如上所述，本发明的光传感器电路构成为在具备光传感器元件的光传感器电路中，将上述薄膜晶体管用作使与上述光传感器元件的受光量相对应的电压从光传感器 电路输出的开关部件。由此，本发明的光传感器电路包括具有栅极电极的面积较小的单侧LDD构造或者 单侧GOLD构造的薄膜晶体管，因此除能够使光量的检测动作稳定之外，在与栅极电极对置 的其他电极、配线之间产生的寄生电容变小，并且光传感器电路检测受光量的反应速度加 快、寄生电容的引入电压变小，因此，提高了动态范围。进一步，起到了能够缩短光传感器元 件输出的检测信号的读取时间、有助于光检测的高分辨率化的各种效果。另外，本发明的显示装置构成为在构成显示画面的多个像素的一部分或者全部 内置有上述光传感器电路中的任一个，在内置有光传感器电路的像素中，光传感器电路被 以接收显示信号的方式设置于各个像素的像素电极覆盖。由此，在显示装置中，达到了如下效果，S卩，使使用了光传感器电路的各种功能稳 定，并且各种功能的反应速度加快，各种功能的动态范围提高。在发明的详细说明中所说明的具体的实施方式或者实施例严格地说是用于使本 发明的技术内容变得明确，而并非只限于这样的具体例来进行狭义地解释，在本发明的精 神和所记载的权利要求的范围内，能够变更为各种方式加以实施。工业上的可利用性本发明能够适用于要求有稳定的导通特性的薄膜晶体管，能够适用于作为输出控 制用晶体管而具备该薄膜晶体管的光传感器电路、和将该光传感器电路内置在像素中的显 示装置等。
权利要求
一种薄膜晶体管，其在电流的方向被设定为单向的路径中使用，在沟道区域的两侧具有高浓度杂质区域，该薄膜晶体管的特征在于构成为仅在相应于电流的方向而流入与所述高浓度杂质区域的极性对应的载流子的一侧的高浓度杂质区域与沟道区域之间夹着低浓度杂质区域。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于构成为所述薄膜晶体管的栅极电极仅与所述沟道区域重叠。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于构成为所述薄膜晶体管的栅极电极与所述低浓度杂质区域以重叠的方式对置。
4.一种光传感器电路，其具备光传感器元件，该光传感器电路的特征在于作为将对应于所述光传感器元件的受光量的电压从光传感器电路输出的开关部件，使 用权利要求1 3中任一项所述的薄膜晶体管。
5.如权利要求4所述的光传感器电路，其特征在于作为所述开关部件的薄膜晶体管作为源极跟随器晶体管起作用。
6.如权利要求4或5所述的光传感器电路，其特征在于所述光传感器电路还包括具有连接到选择信号输入线的第一电极的电容，所述光传感器元件为光电二极管，该光电二极管包括与作为所述开关部件的所述薄 膜晶体管的栅极和所述电容的第二电极连接的第三电极、和连接到初始化信号输入线的第 四电极，所述第四电极构成为在复位期间中，为了将所述电容充电到成为设定电压，接收对所 述光电二极管施加正向偏压的第一电压，并且，在光检测期间中接收对光电二极管施加反 向偏压的第二电压，所述电容的第一电极构成为在检测信号读取期间中从所述选择信号输入线接收使所 述栅极的电位上升的第三电压。
7.如权利要求4或5所述的光传感器电路，其特征在于所述光传感器电路还包括具有被施加一定电压的第一电极的电容；和开关晶体管，其具有与作为所述开关部件的所述薄膜晶体管的漏源极导电路串联连接 的漏源极导电路，并且具有连接到选择信号输入线的栅极，所述光传感器元件为光电二极管，该光电二极管包括与所述薄膜晶体管的栅极和所 述电容的第二电极连接的第三电极；和连接到初始化信号输入线的第四电极，所述第四电极构成为在复位期间中，为了将所述电容充电到成为设定电压，接收对所 述光电二极管施加正向偏压的第一电压，并且，在光检测期间中接收对光电二极管施加反 向偏压的第二电压，在检测信号读取期间中，通过从所述选择信号输入线施加使所述开关晶体管导通的第 三电压，将对应于所述光电二极管的受光量的电压从所述薄膜晶体管经由所述开关晶体管 输出。
8.如权利要求4或者5所述的光传感器电路，其特征在于所述光传感器电路，还包括开关晶体管，该开关晶体管具有与作为所述开关部件的所述薄膜晶体管的漏源极导电路串联连接的漏源极导电路，并且具有连接到选择信号输入线的栅极，所述光传感器元件为与电容相对于地并联连接的光电二极管，还包括初始化用晶体管，该初始化用晶体管构成为源漏极连接在所述电容和光电二极 管的高电位侧的端子、与电位高于地的电源电压之间，并且栅极连接到初始化信号输入线，在复位期间中，当利用从所述初始化信号输入线输入的信号使所述初始化用晶体管导 通时，所述电容被所述电源电压充电，并且对所述光电二极管施加反向偏压；在检测信号读 取期间中，当利用从所述选择信号输入线输入的信号使所述开关晶体管导通时，将对应于 所述光电二极管的受光量的电压从所述薄膜晶体管经由所述开关晶体管输出。
9.一种显示装置，其特征在于在构成显示画面的多个像素的一部分或全部内置有权利要求4 8中任一项所述的光 传感器电路，在内置有上述光传感器电路的像素中，上述光传感器电路被以接收显示信号的方式设 置于各个像素的像素电极覆盖。
10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于所述光传感器电路在相邻的每规定数量的多个像素中各设置一个，构成一个上述光传感器电路的多个元件，分散配置在上述规定数量的多个像素中。
全文摘要
本发明提供一种薄膜晶体管、具备该薄膜晶体管的光传感器电路和内置有该光传感器电路的显示装置。该薄膜晶体管(1)在电流的方向被设定为单向的路径中使用，在沟道区域(5)的两侧具有高浓度杂质区域(3、4)，其中，构成为仅在相应于上述电流的方向而流入与上述高浓度杂质区域(3、4)的极性相对应的载流子的一侧的高浓度杂质区域(3)与沟道区域(5)之间夹着低浓度杂质区域(6)。由此，关于对内置在构成显示装置的显示画面的像素中的光传感器的输出进行导通断开控制的薄膜晶体管，提供具有难以受到来自显示信号的影响的构造。
文档编号G09F9/30GK101946328SQ20098010477
公开日2011年1月12日 申请日期2009年2月16日 优先权日2008年5月12日
发明者C·布朗, 加藤浩巳, 田中耕平 申请人:夏普株式会社