电光器件的制作方法

专利名称：电光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电光器件。
人们已经研究和开发了一种有源矩阵型液晶显示器件。这种有源矩阵型液晶显示器件中，各象素均配有薄膜晶体管(TFTs)作为开关，在需要的时候，给象素中的液晶加上电场。
图2表示众所周知的有源矩阵型液晶显示器件中一个象素的结构。该图中，使与液晶27相接的象素电极29与作为开关的薄膜晶体管23漏极25连在一起。当把所需的电压加在该薄膜晶体管23的源极24和漏极25之间，同时将一信号从栅级引线22加到薄膜晶体管23的栅极26上时，源极24与漏极25之间的电阻就减小，于是就有电荷从源极24流入象素电极29。另外，由于与液晶27相接的另一个象素电极30维持接地电位，也即电极30接地，所以就给液晶加上一个具有所需强度的电场。受到该电场的影响，液晶的状态发生变化，从而实现显示。采用固定电容器28，得到一个适当的电容量，作为薄膜晶体管的负载。
当采用图2所示的结构时，加给液晶27的最大适用电压将受薄膜晶体管23源极24与漏极25之间所加最大适用电压的限制。
通常，薄膜晶体管的耐压较低，而且很容易发生薄膜晶体管特性的变劣。这种变劣的程度会随着加在薄膜晶体管源、漏二极间的电压的减小而降低。因此，优选的是在薄膜晶体管的源极与漏极之间加上较低的电压。
另外，还需使配置于象素中的薄膜晶体管的关断电流比较小。例如，在图2的结构中，应使流入象素电极29的电荷维持一段必要的时间。也就是当需要维持电荷时，应当使薄膜晶体管断开，以阻止电流从漏极25流到源极24。然而，在薄膜晶体管断开的情况下，若有电流(关断电流)流过，象素电极29中所储存的电荷就要缓缓地流动，致使不能进行准确的显示。也就是说不能使帧显示保持一段必需的时间。
薄膜晶体管的关断电流与加在源极与漏极间的电压成正比。也就是说，当源极与漏极间所加电压比较低时，该关断电流也较低。所以，要减小关断电流，就需使工作电压较低。
一般地说，当采用扭曲向列(TN)型液晶或者超扭曲向列(STN)型液晶并由交流电驱动时，可以加到液晶上的最大电压是加到薄膜晶体管上最大电压之半或者更小。进而，使两个薄膜晶体管彼此可靠地连在一起，并使这两个相连的薄膜晶体管相应于一个多栅晶体管。所以，随着漏极耗尽层中泄漏电流的减小，就可使关断电流双倍地减小。
因此，通常是使加在薄膜晶体管23源极24与漏极25之间的电压为液晶27上所加电压最大值的一半。若源、漏极之间所加电压较低，则加到液晶上的电压就低。但是，为了改善液晶的响应和获得高质量的显示，通常需要使加到液晶上的电压高到一定的程度。
如上所述，为了减小薄膜晶体管的关断电流，就需要使加在与象素电极相连的薄膜晶体管的源极和漏极间的电压较低。另一方面，为改善液晶的响应和获得高质量显示，又必须给薄膜晶体管加一个需要的电压。但是，如果将薄膜晶体管的源、漏极间所加的电压确定成得到通常能够许可的关断电流值，则这样确定的电压值就变得比要驱动(加于)液晶所需要的电压小。
本发明的目的在于达到至少下列要素之一(1)改善有源矩阵型液晶显示器件的特性及其可靠性；(2)将配置于液晶显示器件之象素电极中(作为开关用)的薄膜晶体管源极和漏极间所加的电压设定得较低，同时将可以加于液晶上的电压设定得较高；(3)在对加于与薄膜晶体管相关的一对电极间电压实施控制的结构中，将加于薄膜晶体管源，漏极间的电压设定得较低，而加在一对电极间的电压设定得较高。
按照本发明，提供一种电光器件，它包括至少一对电极，设置于电极对之间的液晶、与电极之一相连的开关元件和与另一个电极相连的另一开关元件。
作为上述结构的一个例子，是一个有源矩阵型液晶显示器件的象素。在这种情况下，其特征在于一对构成象素的电极中的每一个均装有开关元件。作为开关元件，可采用P-型或者N-型的薄膜晶体管、非线性元件、具有二极管特性的元件等等。
可给一个象素配置多个开关元件。为了冗余度，还可以多配置几个开关元件。此外，可采用诸如由P-型薄膜晶体管与N-型薄膜晶体管组合而成的互补型元件。
按照本发明，提供一种电光器件，它具有一种将液晶布置于一对基板之间的结构，其中的每个相应的基板上都将多个开关元件布置成矩阵状，象素电极与各相应的开关元件相连。
上述结构的特点在于，将构成象素的一对对应电极中的每一个上的开关元件配置在排成矩阵状的各象素部分中。
按照本发明，提供一种电光器件，它具有一种将液晶布置于一对电极之间的结构，每个具有同样极性的薄膜晶体管与一对相应电极中的每一个相连，而且两个薄膜晶体管同时工作(被驱动)。
按照本发明，提供一种电光器件，它具有将液晶布置在一对电极之间的结构，其中一个N-沟道型薄膜晶体管与一个电极相连，一个P-沟道型薄膜晶体管与另一电极相连，该N-型和P-型薄膜晶体管同时工作。
按照本发明，提供一种电光器件，它具有将液晶布置在一对电极之间的结构，其中各薄膜晶体管与每个相应电极相连，将具有所需位相的信号加给与一个电极相连的一个薄膜晶体管的源极，而将具有与所需位相相反位相的信号加给与另一电极相连的另一薄膜晶体管的源极。
按照本发明，提供一种电光器件，它具有将液晶布置在一对电极之间的结构，其中各开关元件配置于每个相应的电极上，而且一个开关元件并不与另一个开关元件重叠。
按照本发明，提供一种电光器件，它具有将液晶布置在一对电极之间的结构，其中各开关元件配置于每个相应的电极上，而且一个开关元件错开另一个开关元件。
在将液晶布置(固定)在一对电极之间的结构中，各开关元件被配置在每个电极上。所以，当把具有交变波形的电压加于液晶时，可把将要加于该液晶上的最大电压设定为与加于开关元件上的同样电压。该电压是普通开关元件仅配置在一个电极上情况下的两倍。另外，当把所需的电压加于液晶时，加在开关元件上的电压同普通情况相比，可为其一半。
结果，当采用薄膜晶体管为开关元件时，由于加到薄膜晶体管上的电压(即加在源极和漏极之间的电压)可以是较低的，所以能够防止薄膜晶体管的变劣，并可降低关断电流。
另外，通过把各具有相反位相的电压加到配置在一对电极上的各薄膜晶体管的源极上，就能提高可加在液晶上的电压。当加在两个薄膜晶体管源极上的电压每个都具有幅度为V/2的矩形交变波形时，通过使彼此有位相差180°，则加在液晶上的电压就有一个幅度为V的波形。


图1表示本发明一种具体实施方式
的电光器件中，被配置成矩阵状的象素部分示意图；图2表示普通象素部分的示意图；图3A至3D表示按照该具体实施方式
形成薄膜晶体管(TFT)的过程；图4表示按照该具体实施方式
，采用两个薄膜晶体管的象素部分的示意图；图5A至5C和图6A至6C表示驱动图1结构用的时序图；图7表示另一种具体实施方式
的电光器件中，被配置成矩阵状的象素部分示意图；图8表示按照该种具体实施方式
的电光器件中排成矩阵状象素部分的电路布置；图9表示按照另一种具体实施方式
的电光器件中排成矩阵状象素部分的电路布置；
图10A至10C表示具有外部电路的液晶显示屏的结构示意图；图11表示按照该具体实施方式
的电光器件中排成矩阵状象素部分的电路布置。图1表示本发明一种具体实施方式
的示意结构，也就是一种有源矩阵型液晶显示器件中的一个象素的基本结构。图1中，在一对基板(未示出)中的一个上面形成源极引线101、栅极引线102和薄膜晶体管(TFT)106，而在另一基片上形成源极引线111、栅极引线109和薄膜晶体管114。作为这对基板，可采用玻璃基板，且液晶(材料)107就被固定在两基板之间。必要时，可平行于液晶107布置一附加电容器(未示出)。
在图1的结构中，薄膜晶体管106和114为N-沟道型薄膜晶体管。将加于液晶107上的一半电压加到每个薄膜晶体管106和114上。在此具体实施方式
中，关于图1的一个象素结构的形成过程将如下所述，不过象素的号码被排成矩阵形式。
图3A至3D表示一个形成过程。预备一块玻璃基板(如Corning7059玻璃基板)，在其上形成一层氧化硅膜(未示出)，作为基膜。采用等离子体化学气相淀积或者低压热化学气相淀积，在玻璃基板301上形成厚度为1000A的无定形硅膜，然后采用诸如激光照射和热处理等所需的方法使之晶化。进而，按照薄膜晶体管有效层的大小对晶化了的硅膜做图样，以得到有源层302。该有源层是一结晶硅半导体。(图3A)采用溅射化学气相淀积或等离子体化学气相淀积，形成厚度为1000的氧化硅膜303，作为栅极绝缘膜。另外，利用蒸发过程，形成厚度为5000的、主要含有铝的薄膜，并随之构成图样，形成栅极304。进而，利用栅极304作为阳极，在电解液中实行阳极氧化处理，形成厚度约为2000A的氧化层305。利用该氧化层厚形成偏移栅区。(图3B)利用离子注入技术或等离子体掺杂，掺入磷离子(P+)。再通过用激光或者强光(红外光)照射，就使离子被掺入的区域退火并被激活。于是，以自调整的方式形成源区306、漏区310、沟道形成区308，以及偏移栅区307和309。(图3C)利用等离子体化学气相淀积，形成氧化硅或者氧化硅薄膜311，作为层间绝缘膜。这个层间绝缘膜可由具有氧化硅膜和氮化硅膜的叠层形成，或者可由具有氧化硅膜、氮化硅膜以及诸如聚酰亚胺那样的树脂材料的叠层形成。
此后，形成透明电极(氧化铟锡，ITO)312，透明电极312构成象素电极。在形成接触孔后，就用诸如铝那样的金属材料形成源极313和漏极314。(图3D)结果，在一个基板上形成一个象素。图3D中所示的薄膜晶体管与譬如图1的薄膜晶体管114相当。那里的源极111相当于这里的源极313，那里的漏极112相当于这里的漏极314。透明电极312被用作液晶107一侧的象素电极。
本实施方式中示出了一个基板的结构，不过在另一基板上形成有相同的结构。将液晶充入两个基板间的空间中，从而构成一个液晶盒。图4表示在一则液晶显示器件结构举例中的一个象素电极。该图中，将液晶107布置于一对玻璃基板401和402之间。液晶107的种类不限。给液晶107配以由诸如聚酰亚胺那样的树脂材料制成的对准膜(定向膜)408。
借助一对透明电极(象素电极)406和407，给液晶107加上所需的电场。透明电极406和407与薄膜晶体管106和114的源极相连。薄膜晶体管106和114均有与图3D薄膜晶体管一样的结构。在图4的结构中，薄膜晶体管106与薄膜晶体管114对置。不过，薄膜晶体管106可错开薄膜晶体管114。一个象素部分的加工方法可由图1和图4描述。本实施方式涉及薄膜晶体管106为N-沟道型，而薄膜晶体管114为P-沟道型的情况下的工作情况。
图5A至5C表示一个时序图的例子，也即加到每个薄膜晶体管中的源极和栅极的电压时间。图5A的源极电压是由图1的源极接线101供给的电压；图5A的栅极电压是由图1的栅极接线102供给的电压。图5B的源极电压是由图1的源极接线110供给的电压；图5B的栅极电压是由图1的栅极接线109供给的电压。
图5C表示加于液晶107上的电压。具体地说，图5C表示通过矩形交变信号加到诸如扭曲向列(TN)型液晶那样的液晶上，使显示保持在黑或白(透明或不透明)状态的情况。在实际显示时，图5A和/或图5B的源极电压受到视频信号的调制，从而进行图象显示。
当V0＝10(V)时，也就是当把幅值为5(V)的矩形电压加到源极时，则在时间51的起始状态中，+5(V)电压被加到源极引线101上。在这种情况下，由于电压被加到栅极上，所以漏极104上的电压为+5(V)。另外，当把-5(V)电压加到源极引线110上时，漏极112的电压是-5(V)。所以，当源极112的电压为基准电压时，加到液晶107的电压是10(V)。
另外，在时间52的初始状态下，当把-5(V)的电压加给源极引线101时，由于电压加到栅极上，所以漏极104是-5(V)电压。还有，当把+5(V)的电压加给源极引线110时，漏极112的电压是+5(V)。所以，当源极112的电压为基准电压时，加到液晶107的电压是-10(V)。
结果，±10(V)的电压就被重复地加到液晶107上。所以，在这种情况下，可将与加在薄膜晶体管106和114的源漏极间的电压一样的电压加到液晶107上。
本实施方式中，加到一个薄膜晶体管源极和漏极上的电压与加到另一个薄膜晶体管源极和漏极上的电压相同。不过，也可以加给不同的电压。本实施例涉及薄膜晶体管106为N-沟道型而薄膜晶体管114为P-沟道型的情况下的工作情况。图6A至6C表示一个时序图的实例。图6A表示加给N-沟道型薄膜晶体管106的电压和由源极引线101供给的电压。图6B表示加给P-沟道型薄膜晶体管114的电压和由源极引线110供给的电压。图6C表示加给液晶107的电压。
在图6A至6C的时序图中，将具有矩形形状且在恒定频率下重复的高频电压加给液晶，从而保持黑色显示和白色显示。在实际显示中，图6A和/或6B的源电压受到视频信号的调制，从而可进行图象显示。图7表示一种在图1结构中配置以电容器701和702的结构。可以根据液晶的种类等因素，采用具有所需电容量的电容器701和702。而且，也可根据每个薄膜晶体管的配极等情况采用具有不同电容量的电容器701和702。本实施方式，一个处于将多个象素(每个象素均具有图1的结构)布置成矩阵形状的情况下的等效电路有如图8所示。该图中，Anm和Anm′表示一个基板上形成的电路布置，Bnm和Bum′表示另一个基板上形成的电路布置。也就是说，图8中的Anm和Anm′表示一个基板(后面的图)上形成的电路布置，Bnm和Bnm′表示另一个基板(前面的图)上形成的电路布置。
由布置在一个基板上的薄膜晶体管801和布置在另一个基板上的薄膜晶体管802驱动液晶803。图8中，A11是在一个基板上形成的源极引线，Am1是在同一基板上形成的栅极引线。B11是在另一个基板上形成的源基引线，Bm1是在同一基板上形成的栅极引线。
图9表示在图8结构中配置以附加电容器901和902的结构。根据液晶的种类、驱动的方法等设定附加电容器901和902的值。可采用不同的电容量；也可以只配置一个附加电容器。本实施方式表示一个单片式结构的例子，此结构在一对基板的每一个的表面上具有布置在构成矩阵状象素中的多个薄膜晶体管，还有用于驱动这些布置在象素中的薄膜晶体管的外部电路。
作为有源矩阵型液晶显示器件中的象素外电路，可采用移位寄存器系统或者解码激励系统。这些电路均由集成电路(ICs)构成，并由带式自动焊接(TAB)与象素的外部相连。不过，通过在玻璃基板上进一步集成化并形成这些电路，可以得到紧凑和轻小的器件。本实施方式中，通过同时形成布置于象素内的薄膜晶体管及外部电路，所需的电路就在一对玻璃基板内由薄膜集成电路所构成。
图10A至10C表示本实施方式的示意结构。将液晶布置于一对基板10和14之间，构成液晶显示装置。每个象素都具有如图1或图7结构一样的结构，并将这些象素排成矩阵形式。
相应于这些象素的薄膜晶体管被安排在每个基板上。驱动这些布置在各象素中的薄膜晶体管的外部电路也做为薄膜集成电路形成于这些基板上。
如果需要，可选择外部电路的种类。也就是说，当采用被配置在各象素附近，并在图象显示等过程中处理各种必要信号的电路时，则外部电路的种类就不受限制。譬如，可采用解码激励电路作为外部电路。
在图10A至10C的结构中，有如图10A所示那样，构成矩阵形式的象素区13以及外部电路11和12均布置在一块基板10上，又如图10B所示，构成矩形式的象素区15以及外部电路16和17则被布置在另一块基板14上。于是，如图10C所示，将两块基板互相粘在一起，以致不使其外部电路彼此重迭。
当采用图7的结构时，可将所需的电路都汇集在一对基板之间，因而无需采用很容易出疵点的带式自动焊接形成布线。另外，通过集成和排布采用特性好的结晶硅薄膜晶体管的所有电路，能够使总费用降低。本实施方式涉及布置诸如薄膜晶体管801和802的方法。图11表示本实施方式的一个示意结构，是从一侧表面观察已完成的液晶板的象素区的情况。图11中的一块基板(面向图)上形成有接线111a和112a以及象素电极113a。象素电极113a被构制成使两块基板上的象素电极互相交错。在该基板(面向图)上的区域114a中形成一些薄膜晶体管，而在另一块基板(背向图)上的区域115a中也形成一些薄膜晶体管。
图11所示的一个象素可以与图1的结构从图的上部观察情况下的象素相当。也就是说，可以认为薄膜晶体管106被安排在区域114a中，薄膜晶体管114被安排在区域115a中。
图11的结构的特点是，一对被布置在象素中的薄膜晶体管互相不重迭。形成这种结构时，各元件彼此不重迭，不必要的压力或者静电对各薄膜晶体管产生影响的可能性就可以被排除。另外，可将各薄膜晶体管的布局作为＂黑色矩阵＂。在这种情况下，液晶板中的开孔(外观)比率就减少了。
此外，可将各薄膜晶体管布置成从面板的一面看上去是互相重迭的。在这种情况下，由于一个区域中会出现元件重迭，就有可能有不必要的压力和静电影响各薄膜晶体管。开孔的比率可能要增加。
在将液晶置于一对电极之间的结构中，通过将作为开关的各薄膜晶体管配置于每个电极上，就能提高加到液晶上的电压。由于加给液晶的电压被两个薄膜晶体管所等分，所以与将薄膜晶体管只布置于一个电极上的情况相比，可降低加到各薄膜晶体管源极和漏极之间的电压。也由于此，各薄膜晶体管可以在关断电流较低的区域内工作，因而液晶能更好地进行工作。此外，通过降低加给拟使用的薄膜晶体管的电压，就能防止薄膜晶体管的变劣。
权利要求
1.一种电光器件，它包括至少一对电极；配置在所述电极间的液晶材料；与一个电极相连的第一开关元件；与另一个电极相连的第二开关元件。
2.一种电光器件，它包括一对基板；配置在所述基板间的液晶材料；用于将电压加给液晶材料的多个电极；在每块基板上形成矩阵形式并与每个相应电极相连的开关元件。
3.一种电光器件，它包括一对电极；配置在所述电极间的液晶材料；具有相同配极性并与每个相应的电极相连的薄膜晶体管，其中两个薄膜晶体管同时工作。
4.一种电光器件，它包括一对电极；配置在所述电极间的液晶材料；至少一个N-沟道型薄膜晶体管，它与一个电极相连；至少一个P-沟道型薄膜晶体管，它与另一个电极相连；其中N-沟道型薄膜晶体管和P-沟道型薄膜晶体管同时工作。
5.一种电光器件，它包括一对电极；配置在所述电极间的液晶材料；至少一个第一薄膜晶体管，它与一个电极相连；至少一个第二薄膜晶体管，它与一另一个电极相连；其中一个具有第一位相的信号被加到第一薄膜晶体管的源极，一个具有与第一位相相反的第二位相的信号被加到第二薄膜晶体管的源极。
6.一种电光器件，它包括一对基板；配置在所述基板间的液晶材料；每个基板上排成矩阵形式的多个电极；对每个相应电极形成的开关元件；用于驱动各开关元件的驱动电路。
7.一种电光器件，它包括一对电极；配置在所述电极间的液晶材料；对每个相应电极形成的开关元件；其中对一个电极的一个开关元件与对另一个电极的另外一个开关元件重迭。
8.一种电光器件，它包括一对电极；配置在所述电极间的液晶材料；对每个相应电极形成的开关元件；其中对一个电极的一个开关元件不与对另一个电极的另外一个开关元件重迭。
9.一种电光器件，它包括一对电极；配置在所述电极间的液晶材料；对每个相应电极形成的开关元件；其中一个象素电极与另一个象素电极错开。
10.一种有源矩阵型液晶显示器件，它包括一对基板；一对有源矩阵电路，它们每一个分别有至少一个开关元件，并分别形成在每个相应的基板上，多个象素电极被形成在所述基板上，而且与每个相应的开关元件相连；配置在所述象素电极之间的液晶材料。
11.一种如权利要求10所述的器件，其中的开关元件包括P-沟道型薄膜晶体管。
12.一种如权利要求10所述的器件，其中的开关元件包括N-沟道型薄膜晶体管。
13.一种有源矩阵型液晶显示器件，它包括一对基板；一对有源矩阵电路，它们每一个都有至少一个开关元件，并且被形成在每个相应的基板上；多个象素电极被形成在所述基板上，而且与每个相应的开关元件相连；配置在所述象素电极间的液晶材料；用来驱动所述矩阵电路的驱动器；其中一个驱动器将具有第一位相的电压供送给一个有源矩阵电路的开关元件，另一个驱动器将具有与第一位相相反之第二位相的电压供送给另一个有源矩阵电路。
14.一种如权利要求13所述的器件，其中开关元件包括P-沟道型薄膜晶体管。
15.一种如权利要求13所述的器件，其中开关元件包N-沟道型薄膜晶体管。
16.一种有源矩阵型液晶显示器件，它包括至少一对象素电极；配置在所述象素电极间的液晶材料；至少一对薄膜晶体管，它们与每一个相应的象素电极相连。
17.一种如权利要求16所述的器件，它还包括至少一对驱动器，分别用来驱动所述薄膜晶体管。
18.一种如权利要求17所述的器件，其中具有第一位相的电压被加给一个薄膜晶体管，具有与第一位相相反之第二位相的电压被加给另一个薄膜晶体管。
全文摘要
一种有源矩阵型液晶显示器件中，将液晶布置在一对基板间，两个薄膜晶体管与在所述基板上形成的每一个相应的电极(对于一个象素而言)相连。所述液晶由该二薄膜晶体管驱动并开关。由于加于液晶上的电压被该二薄膜晶体管平分，所以可给液晶加上比薄膜晶体管的耐压高的电压，因而加给薄膜晶体管的电压，也即加在每个薄膜晶体管源、漏极间的电压被减小了。所述电压各具相反的位相。
文档编号G09G3/36GK1144912SQ95107158
公开日1997年3月12日 申请日期1995年5月31日 优先权日1994年5月31日
发明者小山润, 河崎祐司, 寺本聪 申请人:株式会社半导体能源研究所