薄膜晶體管、具備該薄膜晶體管的光傳感器電路和顯示裝置的制作方法

專利名稱：薄膜晶體管、具備該薄膜晶體管的光傳感器電路和顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜晶體管、具備該薄膜晶體管的光傳感器電路和內置有該光傳 感器電路的顯示裝置。
背景技術：
近年來，正在開發一種顯示裝置，該顯示裝置構成為在具有多個像素的顯示面板 的顯示區域中以一定的間隔配置多個光傳感器，而且將該光傳感器設置在對應的像素的內 部。在這種顯示裝置中，除通常的顯示功能外，還能夠具有利用了上述光傳感器的例如如下 各種功能背光源的調光功能、觸摸面板功能、用于文字識別的OCR功能、或指紋認證等安 全性功能。(現有的光傳感器電路)圖7是表示上述的顯示裝置所具備的顯示區域的結構和驅動該顯示區域的電路 模塊的結構圖，記載在以下的專利文獻1中。構成顯示區域70的多個像素的各個均具備顯示像素86和光傳感器像素87。顯示像素86形成在縱橫地排列設置的源極信號線83與柵極信號線82a的各交點 或者其附近，包括薄膜晶體管(Thin Film Transistor，以下簡稱為“TFT”)92、在連接在 TFT92的一端上的像素電極101和與像素電極101對置的共用電極之間構成的液晶電容、和 在像素電極101與共用信號線91之間連接的輔助電容95。光傳感器像素87具備將三個TFT102a、102b、102c用作開關元件的公知的CMOS光 傳感器電路。該光傳感器電路包括作為光電二極管動作的TFT104 ；保持預充電電壓的積 分電容103 ；作為源極跟隨器(source follower)動作的TFT102b ；作為對積分電容103施 加上述預充電電壓的開關元件動作的TFT 102a ；和有選擇地向光傳感器輸出信號線85輸 出TFT102b的源極跟隨器的輸出的TFT102C。TFT102a的一端被連接到預充電電壓信號線84，另一端與TFT102b的柵極電極連 接。TFT102a的柵極電極被連接到柵極信號線82。作為光傳感器元件的TFT104、TFT102b和 積分電容103的一端被連接到共用信號線91。TFT104和積分電容103的另一端與TFT102b 的柵極電極連接。TFT102C的柵極電極被連接到柵極信號線82b。此外，選擇顯示像素86的柵極信號線82a由柵極驅動器電路72a驅動，使光傳感 器像素87動作的柵極信號線82b、82c由柵極驅動器電路72b驅動，預充電電壓信號線84和 光傳感器輸出信號線85由光傳感器處理電路78驅動，源極信號線83由源極驅動器74驅 動。當對柵極信號線82c施加導通電壓而TFT102a導通時，從光傳感器處理電路78施 加到預充電電壓信號線84的預充電電壓經由TFT102a施加于TFT104的一端和積分電容 103。由此，預充電電壓被積分電容103保持，并且對光傳感器元件即TFT104施加反向偏壓。 另外，預充電電壓為TFT102b導通的電壓(閾值電壓Vth以上)。
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當在該狀態下向TFT104照射光時，在TFT104引起與光的強度相對應的電流的漏 泄，因此積分電容103所保持的電荷通過TFT104的溝道間，與光的強度相對應地進行放電。 因此，通過向TFT104照射光而積分電容103的兩端的電壓發生變化，TFT102b的柵極電壓
發生變化。S卩，照射到TFT104的光越強，積分電容103所保持的電荷的放電量越大，因此在照 射到TFT104的光量為0的情況下，TFT102b成為導通狀態，當照射到TFT104的光量增加時， TFT102b的柵極逐漸關斷(close)，在照射到TFT104的光量充分大的情況下，TFT102b成為 斷開狀態。當從柵極驅動器電路72b向柵極信號線82b施加導通電壓時，TFT102c導通，因此， 此時若TFT102b為導通狀態(即，TFT104為未受光的暗狀態)，則光電傳感器輸出信號線85 的電荷經由TFT102c、102b向共用信號線91放電(有時也利用共用信號線91的電位進行 充電)。通過使TFT102b的輸出電壓變化、且使光電傳感器輸出信號線85的電荷變化，光電 傳感器輸出信號線85的電位發生變化。即使TFT102C導通，若TFT102b為斷開狀態(即， TFT104為受光的明狀態)，則光電傳感器輸出信號線85的電荷也不發生變化。這樣，來自光電傳感器像素87的輸出電壓在暗狀態下的電壓與明狀態下的電壓 之間發生變化，并經由光電傳感器輸出信號線85被光電傳感器處理電路78檢測。此外，在以下的非專利文獻1中公開了一種將上述三個TFT102a、102b、102c減少 為一個TFT的光傳感器電路。另外，關于該光傳感器電路的詳細說明，將在本發明的實施方 式中進行。(現有的TFT結構)但是，在起到根據光的強度來改變如上所述的光傳感器的輸出的作用的TFT102b 中，出于抑制TFT的特性隨時間的經過而劣化(例如，TFT成為導通的閾值電壓偏離設計值 等)、使TFT的特性穩定的目的，采用圖1 (c)所示的GOLD構造。S卩，在作為N型TFT構成的TFT102b中，以夾著溝道區域83的方式形成有一對高 濃度雜質區域(源極和漏極)81、82，該一對高濃度雜質區域81、82是在作為動作層的硅膜 中高濃度地引入N型雜質而形成的，在該高濃度雜質區域81、82各自與溝道區域83之間， 形成有低濃度地引入N型雜質而形成的低濃度雜質區域(以下，稱為“LDD (Lightly Doped Drain，輕摻雜漏區)區域”)84、85。進一步，TFT102b的柵極電極80具有不僅與溝道區域83相對，也與LDD區域 84、85相對且與LDD區域84、85重疊(overlap)的LDD構造。將這樣的LDD構造稱為 GOLD (Gate-drain OverlappedLDD，柵漏重疊輕摻雜漏區)構造(例如，參照專利文獻2)。另外，在為圖1(c)所示的構造的情況下，高濃度雜質區域81為被連接到圖7的共 用信號線91的漏極，高濃度雜質區域82為與圖7的TFT102C的漏極連接的源極。專利文獻1 日本公開專利公報“特開2006-267967號公報(
公開日2006年10 月5日)”專利文獻2 日本公開專利公報“特開2000-299469號公報(
公開日期2000年10 月24日)”非專利文獻 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)

發明內容
但是，在上述現有的光傳感器電路和TFT的結構中，存在如下問題對傳感器的輸 出電壓起到重要作用的源極跟隨器TFT (例如，上述TFT102b)的柵極電位易受到來自施加 于像素電極的顯示信號的影響，導致傳感器特性降低。這是由于，在TFT102b的柵極電極80與像素電極101之間產生的寄生電容105 (圖 7)因TFT102b的GOLD構造而變大。上述寄生電容105產生的根本原因是例如圖7所示的像素電極101實際上未收 納于顯示像素86的區域內，而是以覆蓋光電傳感器像素87的區域的方式形成，因此致使上 述TFT102b的柵極電極86與像素電極101對置。而且，在具有GOLD構造的TFT102b中，由于不得不增大柵極電極80與LDD區域 84、85重疊(overlap)的部分，因此柵極電極86與像素電極101的對置的面積變大。該情 況引起上述寄生電容105增大。在此，參照表示本發明的實施方式的圖5來確認源極跟隨器TFT的柵極電極和像 素電極相對的狀態。圖5是表示在俯視觀察進行彩色顯示的顯示裝置的R像素、G像素和B 像素時光傳感器電路的周邊部的平面圖，表示包括作為被G像素的像素電極35G覆蓋的源 極跟隨器TFT的TFT =Ml和被B像素的像素電極35B覆蓋的PIN型光電二極管30的光傳感 器電路。像這樣，由像素電極覆蓋內置在像素中的光傳感器電路的理由，是為了提供一種 確保像素的開口率且即使內置有光傳感器電路也能夠進行明亮的顯示的顯示裝置。像這樣，在源極跟隨器TFT的柵極電極與像素電極對置的結構中，由于向像素電 極輸入總是變動的顯示信號，因此在柵極電極上形成顯示信號一直變動的狀態。在該狀態 下，顯示信號通過寄生電容對源極跟隨器TFT的柵極電位施加影響，寄生電容越大則該影 響越大。這樣，寄生電容越大則傳感器的輸出電壓越低等特性劣化變得明顯。本發明是鑒于上述的問題而完成的，其目的在于提供一種薄膜晶體管，其涉及使 內置在構成顯示裝置的顯示畫面的像素中的光傳感器的輸出導通、斷開的薄膜晶體管，且 具有難以受到來自顯示信號的影響的構造，并且本發明還提供一種具備該薄膜晶體管從而 特性穩定的光傳感器電路和具有穩定的功能的顯示裝置。為解決上述的課題，本發明的薄膜晶體管，其在電流的方向被設定為單向的路徑 中使用，在溝道區域的兩側具有高濃度雜質區域，該薄膜晶體管的特征在于，構成為僅在 相應于電流的方向而流入與上述高濃度雜質區域的極性對應的載流子的一側的高濃度雜 質區域與溝道區域之間夾著低濃度雜質區域。根據上述的結構，在為電流的方向被設定為單向的路徑中使用的薄膜晶體管的情 況下，與上述高濃度雜質區域的極性對應的載流子的流入側被確定為一側。例如，若上述高 濃度雜質區域的極性為N型，則電子的流入側被確定為與上述電流流向相反的方向，若上 述高濃度雜質區域的極性為P型，則空穴的流入側被確定為與上述電流流向相同的方向。在與上述高濃度雜質區域的極性對應的載流子的流入側被確定為一側的結構中， 如果該被確定側的高濃度雜質區域和溝道區域以接觸的方式配置，則在該接觸的部位附近，生成使薄膜晶體管的特性劣化的熱載流子。換言之，在上述被確定側的相反側的高濃度 雜質區域與溝道區域之間幾乎不生成熱載流子。因此，為了抑制上述熱載流子的生成，本發明的薄膜晶體管具備該被確定的一側 的高濃度雜質區域與溝道區域之間夾著低濃度雜質區域的LDD構造(單側LDD構造)。艮口， 構成為在上述被確定側的相反側的高濃度雜質區域與溝道區域之間沒有夾著低濃度雜質 區域。具備上述結構的本發明的薄膜晶體管，在溝道區域的兩側具備低濃度雜質區域， 并且相比于具有柵極電極與兩個低濃度雜質區域以重疊的方式對置的GOLD構造的薄膜晶 體管，能夠縮小柵極電極的面積。S卩，能夠采用柵極電極與構成單側LDD構造的低濃度雜質區域以重疊的方式對置 的單側GOLD構造，或者采用柵極電極與低濃度雜質區域不重疊、而是僅與溝道區域以重疊 的方式對置的結構。其結果是，例如如本發明的薄膜晶體管內置于構成顯示裝置的顯示畫面的像素 中、由設置于該像素的像素電極覆蓋的情況那樣，在柵極電極與其他電路的電極、或與配線 對置的結構中所產生的寄生電容變得比現有技術小。因此，薄膜晶體管的動作不易受到施 加在其他電路的電極的信號的影響而達到穩定。另外，在采用柵極電極不僅與溝道區域對置、進而還以重疊的方式與低濃度雜質 區域對置的上述單側GOLD構造的情況下，能夠使薄膜晶體管的特性更加穩定。本發明的光傳感器電路，其具備光傳感器元件，該光傳感器電路的特征在于，作為 將與上述光傳感器元件的受光量對應的電壓從光傳感器電路輸出的開關部件，使用上述薄 膜晶體管。根據上述的結構，本發明的作為對象的光傳感器電路具備使與光傳感器元件的受 光量相對應的電壓從光傳感器電路輸出的開關部件即薄膜晶體管。上述薄膜晶體管設置在 電流單向地流動的路徑中，并且能夠輸出從柵極電位減去閾值電壓后得到的電壓，作為源 極跟隨器晶體管發揮作用。此外，上述薄膜晶體管也被稱為電壓跟隨器晶體管。這樣的光傳感器電路，由于構成電路的元件較少，因此具有易于內置在構成顯示 裝置的顯示畫面的像素中的優點。進一步，將像素的構造設計為對每個像素或每規定數量 的多個像素設置光傳感器電路，并且通過被輸入顯示信號的像素電極覆蓋光傳感器電路， 使得即使內置光傳感器電路也能夠確保像素的開口率。在這樣的像素構造的情況下，本發明的光傳感器電路，由于包括具有柵極電極面 積較小的單側LDD構造或單側GOLD構造的本發明的薄膜晶體管，因此能夠使光量的檢測動 作穩定。因此，能夠使內置有本發明的光傳感器電路的顯示裝置具有穩定的各種功能，例如 觸摸面板功能、OCR功能或指紋認證等安全性功能。進一步，由于在和與柵極電極對置的其他電極、配線之間產生的寄生電容變小，因 此光傳感器電路檢測受光量的反應速度加快，寄生電容的引入電壓變小，因此產生動態范 圍得以提高等各種效果。進一步，通過薄膜晶體管具有本發明的單側LDD構造或單側GOLD構造，薄膜晶體 管的電容變小，其結果是，能夠減輕向薄膜晶體管供給電源電壓的源極總線和從薄膜晶體 管讀出信號的源極總線的負荷。由此，能夠縮短光傳感器元件輸出的檢測信號的讀取時間。讀取時間的縮短對光檢測的高分辨率化是非常有利的。另外，就該效果的程度而言，單側LDD構造與單側GOLD構造相比，薄膜晶體管的電 容更小，其結果是，能夠進一步降低源極總線的負荷，從而能夠進一步縮短檢測信號的讀取 時間。本發明的上述光傳感器電路可以為第一結構上述光傳感器電路還包括具有被連接到選擇信號輸入線的第一電極的電容，上述光傳感器元件為光電二極管，該光電二極管包括與作為上述開關部件的上 述薄膜晶體管的柵極和上述電容的第二電極連接的第三電極、和連接到初始化信號輸入線 的第四電極，上述第四電極構成為在復位期間中，為了將上述電容充電到成為設定電壓，接收 對上述光電二極管施加正向偏壓的第一電壓，并且，在光檢測期間中接收對光電二極管施 加反向偏壓的第二電壓，上述電容的第一電極構成為在檢測信號讀取期間中從上述選擇信號輸入線接收 使上述柵極的電位上升的第三電壓。本發明的上述光傳感器電路可以為第二結構上述光傳感器電路還包括具有被施加一定電壓的第一電極的電容；和開關晶體管，其具有與作為上述開關部件的上述薄膜晶體管的漏-源極導電路串 聯連接的漏_源極導電路，并且具有連接到選擇信號輸入線的柵極，上述光傳感器元件為光電二極管，該光電二極管包括與上述薄膜晶體管的柵極 和上述電容的第二電極連接的第三電極；和連接到初始化信號輸入線的第四電極，上述第四電極構成為在復位期間中，為了將上述電容充電到成為設定電壓，接收 對上述光電二極管施加正向偏壓的第一電壓，并且，在光檢測期間中接收對光電二極管施 加反向偏壓的第二電壓，在檢測信號讀取期間中，通過從上述選擇信號輸入線施加使上述開關晶體管導通 的第三電壓，將與上述光電二極管的受光量對應的電壓從上述薄膜晶體管經由上述開關晶 體管輸出。本發明的上述光傳感器電路也可以為第三結構上述光傳感器電路，還包括開關晶體管，該開關晶體管具有與作為上述開關部件的上述薄膜晶體管的 漏-源極導電路串聯連接的漏-源極導電路，并且具有連接到選擇信號輸入線的柵極，上述光傳感器元件為與電容相對于地并聯連接的光電二極管，還包括初始化用晶體管，該初始化用晶體管構成為源-漏極連接在上述電容和光 電二極管的高電位側的端子、與電位高于地的電源電壓之間，并且柵極被連接到初始化信 號輸入線，在復位期間中，當利用從上述初始化信號輸入線輸入的信號使上述初始化用晶體 管導通時，上述電容被上述電源電壓充電，并且對上述光電二極管施加反向偏壓；在檢測信 號讀取期間中，當利用從上述選擇信號輸入線輸入的信號使上述開關晶體管導通時，將與 上述光電二極管的受光量對應的電壓從上述薄膜晶體管經由上述開關晶體管輸出。
在比較上述第一結構 第三結構的情況下，相比于第三結構，第二結構中構成光 傳感器電路的元件數量較少，相比于第二結構，第一結構中上述元件的數量更少即可。由于上述元件的數量越少各元件中產生的寄生電容越小，因此光傳感器電路的反 應速度加快。此外，由于上述元件的數量越少光傳感器電路的配置所需要的面積越小，因此 對裝置的小型化和成本降低有利，特別是在像素中內置有光傳感器電路的顯示裝置的情況 下，對盡可能大地確保開口率有利。本發明的顯示裝置，其特征在于在構成顯示畫面的多個像素的一部分或全部內 置有上述光傳感器電路中的任一個光傳感器電路，在內置有上述光傳感器電路的像素中， 上述光傳感器電路被以接收顯示信號的方式設置于各個像素的像素電極覆蓋。根據上述的結構，內置于顯示裝置的光傳感器電路包括柵極電極較小的薄膜晶體 管，該柵極電極具備本發明的單側LDD構造或單側GOLD構造，因此，覆蓋光傳感器電路的像 素電極與上述柵極電極之間產生的寄生電容較小。因此，如已說明的那樣，利用光傳感器電路進行的光量檢測動作變得穩定。因此， 附加于具備該光傳感器電路的顯示裝置的各種功能(觸摸面板功能、OCR功能或指紋認證 等安全性功能)變得穩定。進一步，由于寄生電容變小，因此上述各種功能的反應速度變快，寄生電容的引入 電壓變小，因此能夠提供一種具有動態范圍得以提高等各種優點的顯示裝置。另外，內置光傳感器電路的像素的數量、和其相對于全部像素數量的比例，根據上 述各種功能來適當決定即可。本發明的顯示裝置中的上述光傳感器電路，其特征在于上述光傳感器電路在相 鄰的每規定數量的多個像素中各設置一個，構成一個上述光傳感器電路的多個元件，分散 配置在上述規定數量的多個像素中。由此，相比于將構成一個光傳感器電路的多個元件配置在一個像素內的情況，能 夠縮小光傳感器電路在一個像素中占有的面積。因此，能夠提高開口率，使內置有光傳感器 電路的顯示裝置的畫面更加明亮。另外，在提高開口率并使反應速度加快方面最有利的光傳感器電路，為具有上述 的第一結構的光傳感器電路。另外，記載在某個被關注的權利要求中的結構與記載在其他權利要求中的結構的 組合，不僅限于與記載在該被關注的權利要求所引用的權利要求中的結構的組合，只要能 夠實現本發明的目的，也能夠是與記載在未被該被關注的權利要求引用的權利要求中的結 構的組合。本發明的其他目的、特征和優點，將通過以下所示的記載來充分理解。此外，本發 明的優點將通過參照了附圖的以下說明而變得更加明確。


圖1是示意性表示薄膜晶體管的結構的截面圖，(a)表示具備本發明的單側GOLD 構造的薄膜晶體管的結構，(b)表示具備本發明的單側LDD構造的薄膜晶體管的結構，(c) 表示具備現有的GOLD構造的薄膜晶體管的結構。圖2是表示本發明的顯示裝置的結構的概略方塊圖。
圖3是表示構成設置在上述顯示裝置的一個像素內的像素電路的顯示用電路和 光傳感器電路的結構的電路圖。圖4是表示上述光傳感器電路的動作的時序圖。圖5是具體表示在像素內配置有上述光傳感器電路的狀態的平面圖。圖6是表示使用了本發明的薄膜晶體管的光傳感器電路的變化的電路圖，(a)表 示3T方式光傳感器電路，(b)表示2T方式光傳感器電路，(c)表示IT方式光傳感器電路。圖7是表示構成設置于現有的顯示裝置的一個像素內的像素電路的顯示用電路 和光傳感器電路的結構的電路圖。附圖標記說明1 薄膜晶體管3 高濃度雜質區域4 高濃度雜質區域5 溝道區域6 低濃度雜質區域7 柵極電極18b:光傳感器電路30 光電二極管(光傳感器元件)31:積分電容(電容)32 復位信號線(初始化信號輸入線)33 行選擇信號線35R:像素電極35G:像素電極35B:像素電極64 =TFT (初始化用晶體管)65 :TFT(薄膜晶體管、開關部件、源極跟隨器晶體管)66:TFT (開關晶體管)Ml :TFT(薄膜晶體管、開關部件、源極跟隨器晶體管)
具體實施例方式下面，參照圖1 圖6對本發明的一個實施方式進行說明。另外，以下所參照的各 圖中，為了便于說明，僅簡略地表示本發明的一個實施方式的結構部件中用于說明本發明 所需的主要部件。因此，本發明的顯示裝置能夠具備未在本說明書所參照的各圖中示出的 任意的結構部件。此外，各圖中的部件的尺寸并非忠實地表示實際的結構部件的尺寸和各 部件的尺寸比率等。(薄膜晶體管的結構)圖1的(a)、(b)示意性表示作為本發明的一個實施方式的MOS (Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體)型薄膜晶體管1的截面構造。例如，在玻璃基板之上 形成基底絕緣膜之后，在該基底絕緣膜之上形成有作為TFT的動作層的多晶硅膜2。在該多 晶硅膜2的兩端部形成有TFT的源極和漏極即一對高濃度雜質區域3、4，高濃度雜質區域4
10與本征半導體區域(I區域)即溝道區域5相接。另一方面，高濃度雜質區域3與溝道區域5不相接，而是與溝道區域5 —起夾著低 濃度雜質區域6。因此，本發明的薄膜晶體管僅在高濃度雜質區域3側具有LDD構造。另外，在本實施方式中，通過對多晶硅膜2以高濃度注入磷、砷等N型雜質的離子， 形成高濃度雜質區域3、4，通過以低濃度注入N型雜質的離子，形成低濃度雜質區域6，因 此，圖1的(a)、(b)所示的薄膜晶體管為在本征半導體區域(I區域)的兩側具有N型雜質 區域的NIN型。但是，本發明不限定于NIN型，也能夠適用于NPN型、PIP型、PNP型。另外，當對高 濃度雜質區域為N型的情況與P型的情況進行比較時，N型的情況具有更易于生成熱載流 子的傾向。此外，M0S(Metal Oxide Semiconductor)型薄膜晶體管1具有在與玻璃基板的表 面平行的面內依次排列有各區域3 6的橫向構造。具有橫向構造的晶體管也具有自身的 寄生電容較小的優點。接著，在基底絕緣膜和多晶硅膜2之上形成有硅氧化膜(SiO2)等柵極絕緣膜，在 該柵極絕緣膜之上形成有柵極電極7。如圖1(a)所示，柵極電極7保持從高濃度雜質區域 3與低濃度雜質區域6的邊界到高濃度雜質區域4與溝道區域5的邊界為止的柵極長度， 且與低濃度雜質區域6和溝道區域5重疊(overlap)。即，本發明的薄膜晶體管，不同于 柵極電極與形成在溝道區域的兩側的低濃度雜質區域以重疊的方式對置的現有的GOLD構 造，具備柵極與僅形成在溝道區域的單側的低濃度雜質區域(6)以重疊的方式對置的單側 GOLD構造。或者，如圖1(b)所示，本發明的薄膜晶體管具備其柵極電極與低濃度雜質區域 (6)不重疊，而僅與溝道區域(5)以重疊的方式對置的單側LDD構造。因此，本發明的薄膜晶體管與現有的薄膜晶體管相比，柵極長度較短，柵極電極的 面積較小。于是，雖然在以后將進行具體說明，但是如薄膜晶體管內置在構成顯示裝置的顯 示畫面的像素中、并被設置于該像素的像素電極覆蓋的情況那樣，在柵極電極與其他電路 的電極或配線對置的結構中產生的寄生電容比現有技術小。因此，薄膜晶體管的動作不易 受到施加于其他電路的電極的信號的影響，變得穩定。(低濃度雜質區域為一個即可的理由)如上所述，低濃度雜質區域為一個即可的理由在于，本發明的薄膜晶體管是在電 流的方向被設定為單向的路徑中使用的。在圖1的(a)、(b)的例子中，雖然將在下面作為 光傳感器電路的動作再次進行說明，但是施加有一定的電源電壓VDD的端子的電位通常高 于輸出電流的端子(OUT)的電位。因此，流經薄膜晶體管1的電流的方向總是為從高濃度 雜質區域3流向高濃度雜質區域4的方向。在薄膜晶體管1中，雜質的極性為負極性即N型，因此電子成為載流子，向電流方 向的反方向流動。S卩，由于電子從高濃度雜質區域3向施加有電源電壓VDD的導線流出，因 此高濃度雜質區域3成為漏極，高濃度雜質區域4成為源極。另外，在使用P型雜質例如作為PIP構成薄膜晶體管1的情況下，施加有電源電壓 (VSS)的端子的電位通常低于輸出電流的端子(OUT)的電位。在該情況下，高濃度雜質區域3成為漏極，空穴成為載流子，從高濃度雜質區域4向施加有電源電壓(VSS)的導線流動。已知在薄膜晶體管1那樣的MOS型電場效應晶體管中，漏極附近的電場強度增大， 產生熱載流子現象。流入電場強度增大的區域中的載流子(電子或空穴)，被強電場加速而 獲得較大的能量，因此一部分載流子成為具有能夠越過在多晶硅膜2與上述柵極絕緣膜之 間存在的電位壁壘那樣大的能量的熱載流子。該熱載流子被注入柵極絕緣膜中，一部分被 捕集(捕獲)到柵極絕緣膜中，形成空間電荷，使薄膜晶體管的閾值電壓和傳輸電導等特性 隨著時間的經過而劣化。有時這些劣化也使得半導體器件的各種特性發生劣化，最終成為 故障。因此，為了抑制熱載流子的發生，當通過在漏極側設置LDD構造而使高濃度雜質 區域3與溝道區域5之間產生的雜質的濃度梯度緩和時，能夠緩和電場集中在漏極端的現 象。以上是低濃度雜質區域為一個即可的理由。(內置有光傳感器電路的顯示裝置)本發明的顯示裝置內置有使用了具備上述單側LDD構造或單側GOLD構造的薄膜 晶體管1的光傳感器電路。首先，對顯示裝置的概略結構進行說明。如圖2所示，本發明的顯示裝置10具備 集成有各種驅動器和構成像素的所有電路元件的透明基板12。透明基板12的材質例如為 玻璃。另外，顯示裝置10包括有源矩陣區域13、源極驅動器14、柵極驅動器15、傳感器行驅 動器16和傳感器讀取驅動器17。在有源矩陣區域13，源極信號線和掃描信號線呈矩陣狀形成，且與兩線的交叉位 置相對應地形成有驅動像素的開關元件和像素電極等構成像素的已知的要素。此外，在各 像素內設置有光傳感器電路。源極驅動器14經由源極信號線供給顯示信號，柵極驅動器15經由掃描信號線向 各像素供給像素選擇信號。傳感器行驅動器16對每行有選擇地驅動光傳感器電路，傳感器讀取驅動器17向 光傳感器電路施加上述恒定電位VDD，并且從光傳感器電路讀出光檢測信號。圖3表示設置在構成有源矩陣區域13的一個像素中的像素電路18的電路結構。 像素電路18具備顯示用電路18a和光傳感器電路18b。另外，顯示用電路18a設置在每個 像素中，與此相對，光傳感器電路18b未必需要設置在所有的像素中，只要與為了光檢測而 要求的分辨率平衡而設置在所需的像素(例如，對規定數量的多個像素)中即可。顯示用電路18a形成在排列設置成縱橫(列方向和行方向)的源極信號線21與 柵極信號線22的各交點或附近，包括TFT23 ；在與TFT23的一端連接的像素電極和與像素 電極對置的共用電極24之間構成的液晶電容25 ；和在液晶電容25與共用電極26之間連 接的輔助電容27。另一方面，光傳感器電路18b構成為僅使用一個晶體管的1T(晶體管的簡稱)方 式的電路。TFT:M1(開關部件，源極跟隨器晶體管)為具備圖1(a)所示的單側GOLD構造的 本發明的薄膜晶體管、或具備圖1(b)所示的單側LDD構造的本發明的薄膜晶體管(僅在漏 極側具有LDD構造的源極跟隨器TFT)，作為上述源極跟隨器晶體管發揮作用。TFT:M1的漏 極被連接到電源供給線28，源極被連接到輸出信號線29。上述電源供給線28和輸出信號 線29與傳感器讀取驅動器17連接，由傳感器讀取驅動器17向電源供給線28施加上述電
12源電壓VDD。此外，在TFT:Ml的柵極上連接有光電二極管30的陰極(第三電極)，并且連接有 與光電二極管30串聯連接的積分電容31的一端(第二電極)。另外，光電二極管30的陽極(第四電極)從傳感器行驅動器16被連接到傳送復位 信號RST的復位信號線(初始化信號輸入線)32，積分電容31的另一端(第一電極)被連 接到傳送行選擇信號RWS的行選擇信號線(選擇信號輸入線)33。另外，行選擇信號線RWS 具有選擇排列成矩陣狀的光傳感器電路的特定行、且從位于該特定行的光傳感器電路輸出 檢測信號的作用。(光傳感器電路的動作明狀態)下面，參照圖4說明光傳感器電路18b的動作。首先，為了使TFT:M1的柵極電位VINT復位，從傳感器行驅動器16向復位信號線 32傳送高電平的復位信號RST。由此，由于在復位期間(tl t2)中對光電二極管30施加 正向偏壓，因此對積分電容31充電，柵極電位VINT逐漸上升，最終達到初始化電位(Vddk)。在柵極電位VINT達到初始化電位之后，當復位信號RST回落到低電平時，光電二 極管30的陰極電位變得比陽極電位高，因此對光電二極管30施加反向偏壓。此時的柵極 電位VINT成為從上述初始化電位(Vddk)中減去光電二極管30的正向電壓降(Vf)和因光電 二極管30的寄生電容引起的電壓降(AVkst)所得到的值。在該狀態下，在對光電二極管30照射光的光檢測期間(t2 t3)中，根據光的強 度而由反向偏壓引起的光電流流向光電二極管30。其結果是，被積分電容31所保持的電荷 經由復位信號線32放電，因此柵極電位VINT逐漸下降，最終，下降至與光的強度相對應的 檢測電位。然后，進入光檢測結果的讀取期間、即檢測信號讀取期間(t3 t4)，其后，在積 分電容31的另一端從傳感器行驅動器16經由行選擇信號線33施加高電平的行選擇信號 RWS0由此，柵極電位VINT迅速上升而通過積分電容31，因此，柵極電位VINT變為在上述檢 測電位上追加行選擇信號RWS的高電平所得到的電位(例如，圖4所示的電位VI)。另外，圖4所示的電位Vl與當光電二極管30接收強光照射、并在t3柵極電位VINT 下落到最低的電平時的明狀態相對應。當柵極電位VINT迅速上升時，超過使TFT:M1變成導通的閾值電壓，因此TFT:M1 成為導通狀態。其結果是，以與柵極電位VINT的電平相對應即與光的強度相對應的放大率 來控制的電壓作為檢測信號(例如，圖4所示的明狀態的VPIX)從TFT:M1的源極輸出，經 由輸出信號線29被傳送到傳感器讀取驅動器17。(光傳感器電路的動作暗狀態)另一方面，在上述光檢測期間(t2 t3)中，在不對光電二極管30照射光的情況 下，由于光電二極管30不產生光電流，因此柵極電位VINT大致持續保持初始化電位。實際 上，由于產生少量漏泄電流，因此柵極電位VINT變為比初始化電位略低的檢測電流。然后，由于在上述檢測信號讀取期間(t3 t4)中，與上述同樣地，柵極電位VINT 迅速上升而通過積分電容31，因此柵極電位VINT成為與在上述初始化電位上追加行選擇 信號RWS的高電平的電位所得到的電位大致相等的電位(例如，圖4所示的電位V2)。此時，TFTiMl輸出的檢測信號(例如，圖4所示的暗狀態的VPIX)表現出最大電平。像這樣，生成具有與光電二極管30所接收的光的強度相對應的電平的檢測信號， 而且，該檢測信號在內置有光傳感器電路18b的各像素中生成。因此，圖2所示的顯示裝置 10能夠利用作為顯示用的光源而具備的背光源的光，對接近顯示裝置10的顯示畫面配置 的檢測對象物，進行顯示畫面上的坐標讀取、文字讀取或者指紋讀取等檢測動作。在TFT:M1具有已經說明的本發明的單側LDD構造或者單側GOLD構造的結果是， 該檢測動作穩定，檢測精度得以提高。其理由在于，在TFT:M1的柵極電極與形成上述液晶 電容25的像素電極之間所形成的寄生電容變小，因此TFT:M1的上述閾值電壓等特性穩定， 難以隨著時間的經過而變動。進一步，TFTiMl具有本發明的單側LDD構造或者單側GOLD構造，從而TFT:M1的 電容變小，其結果是連接有TFT:M1的上述電源供給線28和輸出信號線29的負荷降低。由 此，能夠縮短傳感器讀取驅動器17讀取光傳感器電路18b輸出的檢測信號的時間。讀取時 間的縮短在光檢測的高分辨率化上是非常有利的。相比于單側GOLD構造，上述的效果在柵極電極較小即可的單側LDD構造更大。即， 如圖1 (b)所示，柵極電極7不與低濃度雜質區域6重疊，其結果是，能夠使柵極電極7的大 小在圖1(b)的結構中比圖1(a)中的結構小。其結果是，能夠使柵極電極7與像素電極之 間產生的寄生電容變小。而且，如圖1(b)所示，在圖1(a)的結構中產生的柵極電極7和低濃度雜質區域6 之間的寄生電容(^在圖1(b)的結構中不產生。由此，如圖3所示，連接有TFT:M1的上述 電源供給線28與柵極電極7 (換言之，是與TFT:M1的柵極、光電二極管30的陰極、和積分 電容31的一端的連接部(結點))之間的寄生電容C2變小，因此能夠進一步降低顯示信號 對柵極電位VINT給予的影響。進一步，光傳感器電路18b與基于圖7說明的現有的CMOS光傳感器電路相比，由 非常少的數量的元件構成。因此，由于光傳感器電路18b在像素中所占有的面積變小，因此 IT方式的光傳感器電路18b對于提高像素的開口率而言非常有利。另外，由于上述寄生電 容變小，因此通過加快檢測動作的反應速度并且引入寄生電容，也能夠改善動態范圍降低 的問題。如上所述，當利用具有本發明的單側LDD構造或者單側GOLD構造的薄膜晶體管構 成IT方式的光傳感器電路，并將該光傳感器電路內置于像素而構成顯示裝置時，能夠提供 一種光檢測精度較高，檢測特性即使隨著時間的經過也穩定，并且能夠進行明亮的顯示的 優良的顯示裝置。(像素中的光傳感器電路的布局例)參照圖5說明將上述光傳感器電路18b設置在進行全彩色顯示的液晶顯示裝置的 像素內時元件布局的一個例子。圖5是由紅綠藍(RGB)三色的子像素35R、35G、35B構成的一個像素中的將光傳感 器電路18b附近放大并進行示意性表示的平面圖。子像素35R、35G、35B在圖5上未圖示，分別具備上述像素電路18。源極信號線21 在彼此在行方向上相鄰的子像素35R、35G、35B各個之間在列方向上延伸，向各像素電路18 的結構要素即TFT23(圖3)供給各色的顯示信號。
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另外，在圖5所示的結構例中，設置在子像素35R、35G之間的源極信號線21兼作 上述電源供給線28，設置在子像素35G、35B之間的源極信號線21兼作上述輸出信號線29。光傳感器電路18b利用子像素35R、35G、35B的列方向上的一端側區域而被設置。 該一端側區域被與源極信號線21正交的上述復位信號線32和行選擇信號線33區劃。另 外，復位信號線32和行選擇信號線33設置為彼此在列方向上隔開一定間隔。在圖5所示的結構例中，光傳感器電路18b的結構要素即TFT:M1設置于子像素 35G的上述一端側區域，光電二極管30設置在子像素35B的上述一端側區域。在子像素 35G、35B間的源極信號線21的例如底層，設置有連接TFT:M1的柵極和光電二極管30的陰 極(N層)的線36，在線36上延伸有作為行選擇信號線33的一部分的延伸部37。通過該 線36與延伸部37的重疊，形成有上述積分電容31。另外，能夠例如由Si形成上述線36。TFTiMl的漏極經由接觸部38a與兼作電源供給線28的源極信號線21連接， TFTiMl的源極經由接觸部38b與兼作輸出信號線29的源極信號線21連接。進一步，光電 二極管30的陽極(P層)經由接觸部38c與復位信號線32連接。如圖5所示，光傳感器電路18b與圖7所示的現有的CMOS光傳感器電路相比，由 非常少的結構要素構成，因此有助于開口率的提高，并且能夠進行明亮的顯示。另外，由低溫多晶硅(LPs =Low temperature Poly Silicon)制作的薄膜光電二極 管那樣的光傳感器元件，具有對于藍色光的靈敏度相對較高，對于紅色光的靈敏度相對較 低這一特性。由于該特性，當將光傳感器元件置于紅色像素時，靈敏度較差，因此具有動態 范圍變窄的缺點，但是，由于不讀出進入光傳感器元件的雜散光，因此具有信號品質變好的 優點。另一方面，當將光傳感器元件置于藍色像素中時，由于靈敏度較好，因此具有動態范 圍變寬的優點，但是，由于易于拾取雜散光，因此存在信號品質下降的缺點。(光傳感器電路的變形)圖6表示能夠適用作為具備本發明的GOLD構造的源極跟隨器的TFT的光傳感器 電路18b的變形。在圖6(a) (c)所示的光傳感器電路的任一個中，后述的TFT65都具備 本發明的單側LDD構造或者單側GOLD構造。圖6(c)表示與基于圖3 圖5已經說明的光傳感器電路18b相同結構的IT方式 的光傳感器電路。即，圖3所示的光傳感器電路18b的結構要素和圖6(c)所示的光傳感器 電路的結構要素按以下方式對應。光電二極管30—光電二極管62積分電容31-—積分電容63TFT =Ml—TFT65 (開關部件、源極跟隨器晶體管)另一方面，圖6(a)為具備與基于圖7已經說明了的現有的CMOS光傳感器電路同 等的結構的光傳感器電路，構成為使用了三個晶體管的3T方式的電路。如圖6(a)所示的 光傳感器電路的結構要素和圖7所示的光電傳感器像素87的結構要素按以下方式對應。光電二極管62-—TFT104積分電容63—積分電容103TFT64-—TFT102a (初始化用晶體管)TFT65—TFT102b (開關部件、源極跟隨器晶體管)TFT66-—TFT102c (開關晶體管)
另外，圖6(a)的電源電壓VDD和施加在圖7的共用信號線91上的一定電壓成為 同等的關系。對3T方式的光傳感器電路的動作已經基于圖7進行了說明，因此在此省略。圖6(b)表示使用兩個晶體管、結構要素比3T方式的光傳感器電路減少一個且實 現了開口率的提高的2T方式的光傳感器電路。在2T方式的光傳感器電路中，從3T方式的光傳感器電路中省略了利用復位信號 RST進行導通斷開控制的TFT64，將積分電容63的一個電極(第二電極)與TFT65的柵極和 光電二極管62的陰極(第三電極)連接，并且，將積分電容63的另一個電極(第一電極) 與供給電源電壓VDD的電源供給線連接。與IT方式的光電二極管62同樣地，將復位信號 RST供給到光電二極管62的陽極(第四電極)。下面，說明2T方式的光傳感器電路的動作。首先，為了將TFT65的柵極電位VINT復位，將與電源電壓VDD相等的高電平的復 位信號RST施加于光電二極管62的陽極。由此，在復位期間中，向光電二極管62施加正向 偏壓。柵極電位VINT成為從電源電壓VDD中減去光電二極管62的正向電壓降所得到的初 始化電位。柵極電位VINT達到初始化電位之后，當復位信號RST下落到低電平(例如0V)時， 由于光電二極管62的陰極電位變成比陽極電位高，因此對光電二極管62施加反向偏壓。在 該狀態下，在向光電二極管62照射光的光檢測期間，根據光的強度因反向偏壓引起的光電 流流向光電二極管62。其結果是，在積分電容63積存電荷，因此柵極電位VINT成為從電源 電壓VDD減去施加于積分電容63的電壓所得到的電壓。即，柵極電位VINT隨著光的強度 下降。接著，進入檢測信號讀取期間，然后，向TFT66的柵極施加高電平的行選擇信號 RWS0由此，TFT66變為導通，因此將以與柵極電位VINT的電平相對應、即與光的強度相對 應的放大率進行控制的電壓作為檢測信號從TFT66的源極輸出。像這樣，2T方式的光傳感器電路由個數比3T方式的光傳感器電路少的元件構成， 因此對于提高像素的開口率有利。另外，使用具備本發明的單側LDD構造或者單側GOLD構 造的薄膜晶體管，因此同樣能夠得到檢測動作的反應速度加快、動態范圍提高的效果。在發明的詳細說明中所說明的具體的實施方式或實施例，嚴格地說是用于使本發 明的技術內容變得明確，而不是只限于這樣的具體例來進行狹義地解釋，在本發明的精神 和記載的權利要求范圍內，能夠變更為各種方式加以實施。另外，將在不同的實施方式中分 別公開的技術手段進行適當組合而得到的實施方式也包含在本發明的技術范圍中。如上所述，本發明的薄膜晶體管是在電流方向被設定為單向的路徑中使用、在溝 道區域的兩側具有高濃度雜質區域的薄膜晶體管，構成為具有根據上述電流的方向僅在 流入與上述高濃度雜質區域的極性對應的載流子的一側的高濃度雜質區域與溝道區域之 間夾著低濃度雜質區域的構造，或者上述薄膜晶體管的柵極電極與上述低濃度雜質區域以 重疊的方式對置的構造。由此，較之具有在溝道區域的兩側具備低濃度雜質區域的GOLD構造的薄膜晶體 管，能夠縮小柵極電極的面積。其結果是，在柵極電極與其他電路的電極對置的結構中所產 生的寄生電容比現有技術小，因此起到了薄膜晶體管的動作穩定的效果。另外，如上所述，本發明的光傳感器電路構成為在具備光傳感器元件的光傳感器電路中，將上述薄膜晶體管用作使與上述光傳感器元件的受光量相對應的電壓從光傳感器 電路輸出的開關部件。由此，本發明的光傳感器電路包括具有柵極電極的面積較小的單側LDD構造或者 單側GOLD構造的薄膜晶體管，因此除能夠使光量的檢測動作穩定之外，在與柵極電極對置 的其他電極、配線之間產生的寄生電容變小，并且光傳感器電路檢測受光量的反應速度加 快、寄生電容的引入電壓變小，因此，提高了動態范圍。進一步，起到了能夠縮短光傳感器元 件輸出的檢測信號的讀取時間、有助于光檢測的高分辨率化的各種效果。另外，本發明的顯示裝置構成為在構成顯示畫面的多個像素的一部分或者全部 內置有上述光傳感器電路中的任一個，在內置有光傳感器電路的像素中，光傳感器電路被 以接收顯示信號的方式設置于各個像素的像素電極覆蓋。由此，在顯示裝置中，達到了如下效果，S卩，使使用了光傳感器電路的各種功能穩 定，并且各種功能的反應速度加快，各種功能的動態范圍提高。在發明的詳細說明中所說明的具體的實施方式或者實施例嚴格地說是用于使本 發明的技術內容變得明確，而并非只限于這樣的具體例來進行狹義地解釋，在本發明的精 神和所記載的權利要求的范圍內，能夠變更為各種方式加以實施。工業上的可利用性本發明能夠適用于要求有穩定的導通特性的薄膜晶體管，能夠適用于作為輸出控 制用晶體管而具備該薄膜晶體管的光傳感器電路、和將該光傳感器電路內置在像素中的顯 示裝置等。
權利要求
一種薄膜晶體管，其在電流的方向被設定為單向的路徑中使用，在溝道區域的兩側具有高濃度雜質區域，該薄膜晶體管的特征在于構成為僅在相應于電流的方向而流入與所述高濃度雜質區域的極性對應的載流子的一側的高濃度雜質區域與溝道區域之間夾著低濃度雜質區域。
2.如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于構成為所述薄膜晶體管的柵極電極僅與所述溝道區域重疊。
3.如權利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于構成為所述薄膜晶體管的柵極電極與所述低濃度雜質區域以重疊的方式對置。
4.一種光傳感器電路，其具備光傳感器元件，該光傳感器電路的特征在于作為將對應于所述光傳感器元件的受光量的電壓從光傳感器電路輸出的開關部件，使 用權利要求1 3中任一項所述的薄膜晶體管。
5.如權利要求4所述的光傳感器電路，其特征在于作為所述開關部件的薄膜晶體管作為源極跟隨器晶體管起作用。
6.如權利要求4或5所述的光傳感器電路，其特征在于所述光傳感器電路還包括具有連接到選擇信號輸入線的第一電極的電容，所述光傳感器元件為光電二極管，該光電二極管包括與作為所述開關部件的所述薄 膜晶體管的柵極和所述電容的第二電極連接的第三電極、和連接到初始化信號輸入線的第 四電極，所述第四電極構成為在復位期間中，為了將所述電容充電到成為設定電壓，接收對所 述光電二極管施加正向偏壓的第一電壓，并且，在光檢測期間中接收對光電二極管施加反 向偏壓的第二電壓，所述電容的第一電極構成為在檢測信號讀取期間中從所述選擇信號輸入線接收使所 述柵極的電位上升的第三電壓。
7.如權利要求4或5所述的光傳感器電路，其特征在于所述光傳感器電路還包括具有被施加一定電壓的第一電極的電容；和開關晶體管，其具有與作為所述開關部件的所述薄膜晶體管的漏源極導電路串聯連接 的漏源極導電路，并且具有連接到選擇信號輸入線的柵極，所述光傳感器元件為光電二極管，該光電二極管包括與所述薄膜晶體管的柵極和所 述電容的第二電極連接的第三電極；和連接到初始化信號輸入線的第四電極，所述第四電極構成為在復位期間中，為了將所述電容充電到成為設定電壓，接收對所 述光電二極管施加正向偏壓的第一電壓，并且，在光檢測期間中接收對光電二極管施加反 向偏壓的第二電壓，在檢測信號讀取期間中，通過從所述選擇信號輸入線施加使所述開關晶體管導通的第 三電壓，將對應于所述光電二極管的受光量的電壓從所述薄膜晶體管經由所述開關晶體管 輸出。
8.如權利要求4或者5所述的光傳感器電路，其特征在于所述光傳感器電路，還包括開關晶體管，該開關晶體管具有與作為所述開關部件的所述薄膜晶體管的漏源極導電路串聯連接的漏源極導電路，并且具有連接到選擇信號輸入線的柵極，所述光傳感器元件為與電容相對于地并聯連接的光電二極管，還包括初始化用晶體管，該初始化用晶體管構成為源漏極連接在所述電容和光電二極 管的高電位側的端子、與電位高于地的電源電壓之間，并且柵極連接到初始化信號輸入線，在復位期間中，當利用從所述初始化信號輸入線輸入的信號使所述初始化用晶體管導 通時，所述電容被所述電源電壓充電，并且對所述光電二極管施加反向偏壓；在檢測信號讀 取期間中，當利用從所述選擇信號輸入線輸入的信號使所述開關晶體管導通時，將對應于 所述光電二極管的受光量的電壓從所述薄膜晶體管經由所述開關晶體管輸出。
9.一種顯示裝置，其特征在于在構成顯示畫面的多個像素的一部分或全部內置有權利要求4 8中任一項所述的光 傳感器電路，在內置有上述光傳感器電路的像素中，上述光傳感器電路被以接收顯示信號的方式設 置于各個像素的像素電極覆蓋。
10.如權利要求9所述的顯示裝置，其特征在于所述光傳感器電路在相鄰的每規定數量的多個像素中各設置一個，構成一個上述光傳感器電路的多個元件，分散配置在上述規定數量的多個像素中。
全文摘要
本發明提供一種薄膜晶體管、具備該薄膜晶體管的光傳感器電路和內置有該光傳感器電路的顯示裝置。該薄膜晶體管(1)在電流的方向被設定為單向的路徑中使用，在溝道區域(5)的兩側具有高濃度雜質區域(3、4)，其中，構成為僅在相應于上述電流的方向而流入與上述高濃度雜質區域(3、4)的極性相對應的載流子的一側的高濃度雜質區域(3)與溝道區域(5)之間夾著低濃度雜質區域(6)。由此，關于對內置在構成顯示裝置的顯示畫面的像素中的光傳感器的輸出進行導通斷開控制的薄膜晶體管，提供具有難以受到來自顯示信號的影響的構造。
文檔編號G09F9/30GK101946328SQ20098010477
公開日2011年1月12日 申請日期2009年2月16日 優先權日2008年5月12日
發明者C·布朗, 加藤浩巳, 田中耕平 申請人:夏普株式會社