光開關元件及顯示面板的制作方法
【專利摘要】本發明揭露一種光開關元件及一種顯示面板。其中，所述光開關元件包括一柵極、一通道層、至少一介電層、一第一電極以及一第二電極。柵極設置于基板之上。通道層設置于基板之上，通道層為一氧化物半導體。介電層設置于柵極與通道層之間。第一電極設置于通道層上，并與通道層接觸。第二電極設置于通道層上，并與通道層接觸而具有一接觸區，第二電極與第一電極之間具有一間隔。接觸區與柵極之間具有一偏移距離。
【專利說明】光開關元件及顯示面板
【技術領域】
[0001] 本發明是關于一種光開關元件及具有該光開關元件的一顯示面板。
【背景技術】
[0002] 平面顯示裝置（flat panel display apparatus),例如液晶顯示裝置、或有機發 光顯示裝置以其耗電量低、發熱量少、重量輕以及非輻射性等優點，已經被使用于各式各樣 的電子產品中，并且逐漸地取代傳統的陰極射線管（cathode ray tube，CRT)顯示裝置。
[0003] 其中，薄膜晶體管（thin film transistor,TFT)已廣泛的應用在各種高階顯示裝 置中，由于顯示裝置的尺寸與解析度提升，顯示色彩飽和度的需求快速增加，同時也增加對 薄膜晶體管電性表現與穩定度的要求。金屬氧化物半導體（Metal oxide semiconductors, MOSs)薄膜晶體管擁有良好的電流輸出特性，較低的漏電流與高于非晶娃（amorphous silicon，a-Si)薄膜晶體管十倍以上的電子遷移率，故可降低顯示裝置的功率消耗與提升 顯示裝置的操作頻率，有機會取代傳統的非晶硅薄膜晶體管，成為下個時代的顯示器中主 流的驅動元件。
[0004] 另外，現有一種光感應器是由一光電二極管與一晶體管所組成，因此，若于顯示面 板的薄膜晶體管工藝中制作光感應器(或稱光感測元件）時，將會引入其它的材料而增加工 藝的花費，也會增加顯示面板工藝的復雜性與不穩定性。
[0005] 因此，如何提出一種可檢測是否受到光線照射的光開關元件及顯示面板，亦可將 光開關元件整合于顯示面板的工藝中，進而提升顯示面板的附加價值，已成為重要課題之 〇
【發明內容】
[0006] 本發明的目的為提供一種可檢測是否受到光線照射的光開關元件及顯示面板。于 本發明的另一目的中，亦可將光開關元件整合于顯示面板的工藝中，進而提升顯示面板的 附加價值。
[0007] 為達上述目的，依據本發明的一種光開關元件包括一柵極、一通道層、至少一介電 層、一第一電極以及一第二電極。柵極設置于基板之上。通道層設置于基板之上，通道層為 一氧化物半導體。介電層設置于柵極與通道層之間。第一電極設置于通道層上，并與通道 層接觸。第二電極設置于通道層上，并與通道層接觸而具有一接觸區，第二電極與第一電極 之間具有一間隔。于光開關元件的投影方向上，接觸區與柵極之間具有一偏移距離。
[0008] 為達上述目的，依據本發明的一種顯示面板包括至少一光開關元件，光開關元件 具有一柵極、一通道層、至少一介電層、一第一電極以及一第二電極。柵極設置于基板之上。 通道層設置于基板之上，通道層為一氧化物半導體。介電層設置于柵極與通道層之間。第 一電極設置于通道層上，并與通道層接觸。第二電極設置于通道層上，并與通道層接觸而具 有一接觸區，第二電極與第一電極之間具有一間隔。于光開關元件的投影方向上，接觸區與 柵極之間具有一偏移距離。
[0009] 在一實施例中，氧化物半導體包括一金屬氧化物，且金屬氧化物包括銦、鋅、鎵、錫 及鉿的至少其中之一。
[0010] 在一實施例中，柵極的一中心面的延伸穿過通道層，通道層位于中心面兩側的結 構不對稱。
[0011] 在一實施例中，偏移距離介于2微米至20微米之間。
[0012] 在一實施例中，光開關元件可感測一光線，光線的波長介于0. 01納米至500納米 之間。
[0013] 承上所述，因本發明的顯示面板包括至少一光開關元件，光開關元件的柵極設置 于基板之上，通道層設置于基板之上，通道層為一氧化物半導體，而介電層設置于柵極與通 道層之間。另外，第一電極設置于通道層上，并與通道層接觸，且第二電極設置于通道層上， 并與通道層接觸而具有一接觸區。此外，于光開關元件的投影方向上，接觸區與柵極之間具 有一偏移距離。藉此，本發明可使光開關元件與顯示面板的驅動元件使用同一薄膜晶體管 工藝制作，故可將光開關元件整合于顯示面板的工藝中，因此不僅不會引入其它的材料而 增加工藝的花費，也可提升顯示面板的附加價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，并不 構成對本發明的限定。在附圖中：
[0015] 圖1A為本發明較佳實施例的一種光開關元件的剖視示意圖。
[0016] 圖1B為圖1A中，光開關元件的柵極、通道層、第一電極及第二電極的相對位置示 意圖。
[0017] 圖2A及圖3A分別為本發明較佳實施例的不同態樣的光開關元件的剖視示意圖。
[0018] 圖2B為圖2A中，圖3B為圖3A中，光開關元件的柵極、通道層、第一電極及第二電 極的相對位置示意圖。
[0019] 圖4A及圖4B分別為本發明的光開關元件中，于不同的偏移距離之下，柵極電壓與 漏極電流的特性曲線圖。
[0020] 圖5A為本發明的光開關元件處于施加偏壓狀態下，于照射紫外光與不照射紫外 光時，其漏極電流與時間的變化不意圖。
[0021] 圖5B為本發明的光開關元件處于施加偏壓狀態下，于照射藍光與不照射藍光時， 其漏極電流與時間的變化示意圖。
[0022] 附圖標號說明：
[0023] 1、la、lb :光開關元件
[0024] 11 :基板
[0025] 12 :柵極
[0026] 13 :通道層
[0027] 14:第一電極
[0028] 15:第二電極
[0029] 16、161、162 :介電層
[0030] 17 :刻蝕終止層
[0031] C1、C2:接觸區
[0032] D1 :距離
[0033] D2 :偏移距離
[0034] HI ?H4 :通孔
[0035] L:中心面
【具體實施方式】
[0036] 以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例的光開關元件及具有光開關元件 的顯示面板，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。另外，本發明所有實施態樣的 圖示只是示意，不代表真實尺寸與比例。
[0037] 請參照圖1A及圖1B所示，其中，圖1A為本發明較佳實施例的一種光開關元件1 的剖視示意圖，而圖1B為圖1A中，光開關元件1的柵極12、通道層13、第一電極14及第二 電極15的相對位置示意圖。其中，光開關元件1具有下柵極（bottom gate)的薄膜晶體管 結構，并可使用薄膜晶體管工藝制作。
[0038] 光開關兀件1包括一基板11、一柵極12、一通道層13、一第一電極14以及一第二 電極15。另外，光開關兀件1更包括一介電層16。
[0039] 在實施上，基板11可為一可透光的材質，例如是玻璃、石英或類似物、塑膠、橡 膠、玻璃纖維或其他高分子材料，較佳的可為一硼酸鹽無堿玻璃基板（alumino silicate glass substrate)。另外，基板11亦可為一不透光的材質，例如是金屬-玻璃纖維復合板、 金屬-陶瓷復合板。另外，基板11亦可為一可撓性基板，端視設計需求。
[0040] 柵極12設置于基板11之上，且柵極12的材質例如是金屬(例如鋁、銅、銀、鑰、鈦） 或其合金所構成的單層或多層結構。部分用以傳輸驅動信號之導線，可以使用與柵極12同 層且同一工藝之結構，彼此電性相連，例如掃描線（scan line)。另外，在本實施例中，介電 層16設置于柵極12上，并位于柵極12與通道層13之間，且介電層16可為有機材質如有 機硅氧化合物，或無機材質如氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鉿、或上述材 質之多層結構。于此，介電層16完整覆蓋柵極12,并可選擇部分或全部覆蓋基板11。
[0041] 通道層13設置于基板11之上，且通道層13與柵極12之間夾設介電層16。于此， 通道層13相對于柵極12的位置設置于介電層16之上。在實施上，通道層13包括一氧化 物半導體。其中，前述的氧化物半導體包括金屬氧化物，且金屬氧化物包括銦、鋅、鎵、錫及 鉿的至少其中之一，或其它材料。其中，氧化物半導體例如但不限于為氧化銦鎵鋅、氧化銦 鉿鋅、氧化鋅或氧化銦，只要能隙（Energy Gap)在3?4電子伏特（eV)的金屬氧化物半導 體材料均可，本發明并不特別限定。因金屬氧化物半導體對光線的敏感度相當大，當光線照 射到通道層的金屬氧化物半導體時，會使得通道層的電子電洞（hole)對增加，通過讀取光 線照射前后的信號強度的差異，可分辨元件是否感光。因此，光開關元件1是利用此特性來 作為一光感應兀件。
[0042] 第一電極14與第二電極15分別設置于通道層13上，且第一電極14和第二電極 15分別與通道層13接觸。其中，于薄膜晶體管的通道層13未導通時，是指于薄膜晶體管沒 有施加偏壓的狀況下，通道層13沒有被導通，則第一電極14與第二電極15兩者是電性分 離。其中，第一電極14若為源極（Source )，貝U第二電極15為漏極（Drain);反之，第一電極 14若為漏極，則第二電極15為源極。于此，是以第一電極14為漏極，而第二電極15為源極 為例。另外，第一電極14與第二電極15的材質可為金屬(例如鋁、銅、銀、鑰、鈦）或其合金 所構成的單層或多層結構。此外，第一電極14與第二電極15之間具有一間隔。其中，部分 用以傳輸驅動信號的導線，可以使用與第一電極14與第二電極15同層且同一工藝的結構， 例如數據線（data line)。另外，于本實施例中，如圖1A及圖1B所示，第一電極14與通道 層13具有一接觸區C1，而第二電極15與通道層13具有一接觸區C2。
[0043] 再一提的是，本實施例是以第一電極14與第二電極15直接設置于通道層13上， 并與通道層13接觸為例，然而，如圖2A及圖2B所示，在其他的工藝方式下，光開關元件la 更可包括一刻蝕終止（etch stop)層17,刻蝕終止層17設置于通道層13上，且第一電極14 與第二電極15的一端分別自刻蝕終止層17的一通孔H1、H2與通道層13接觸。換言之，第 一電極14通過通孔H1與通道層13接觸，而第二電極15通過通孔H2與通道層13接觸，且 第一電極14通過通孔H1與通道層13接觸之處即為接觸區C1，而第二電極15通過通孔H2 與通道層13接觸之處即為接觸區C2。其中，刻蝕終止層17可為單層無機材質如氮化硅、氧 化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鉿、或上述材質的多層結構。刻蝕終止層17亦可為有 機絕緣層材料，例如有機硅氧化合物。
[0044] 此外，光開關元件1更可包括一保護層（圖末顯示)，保護層設置于第一電極14及 第二電極15之上。于此，保護層可保護光開關元件1 (或la)，避免受外界水氣或異物而影 響其作用。
[0045] 請再參照圖1A及圖1B所示，于光開關元件1的投影方向上(亦可視為俯視方向）， 亦即將光開關元件1投影于基板11上時，接觸區C2與柵極12之間不重疊而具有一偏移 (offset)距離D2。換言之，于光開關元件1的投影方向上，接觸區C2與柵極12是分離而 不重疊，且兩者之間具有偏移距離D2。其中，偏移距離D2可介于2微米（μ m)至20微米之 間，較佳者為6?10微米。此外，于光開關兀件1的投影方向上，第一電極14與柵極12是 具有重疊的，且接觸區C1的邊緣與柵極12的邊緣之間具有一距離D1。
[0046] 另外，柵極12具有一中心面L，相對于中心面L的兩側的柵極12為對稱結構。另 夕卜，中心面L的延伸可穿過通道層13,且通道層13位于中心面L兩側的結構不對稱。換言 之，通道層13相對于柵極12的中心面L而言，其為不對稱的結構，亦即中心面L兩側的通道 層13的長度不相同。于此，如圖1B所示，于中心面L的右側的通道層13大于左側的通道 層13。除了通道層13相對于柵極12的中心面L而言為不對稱的結構之外，第一電極14、 第二電極15及刻蝕終止層17相對于柵極12的中心面L而言亦分別為不對稱的結構。
[0047] 接著，請參照圖3A及圖3B，其中，圖3A為本發明一實施例不同態樣的光開關元件 lb的剖視示意圖，而圖3B為圖3A中，光開關元件lb于投影方向上的柵極12、通道層13、第 一電極14及第二電極15的相對位置不意圖。
[0048] 光開關元件lb與光開關元件1相較，其區別在于：光開關元件lb具有上柵極（top gate)的薄膜晶體管結構，因此，柵極12位于通道層13之上，且柵極12與通道層13之間 依序具有二介電層161、162。另外，介電層161具有二通孔H3、H4,且第一電極14通過通孔 H3與通道層13接觸而具有一接觸區C1，而第二電極15通過通孔H4與通道層13接觸而具 有一接觸區C2,同樣地，光開關兀件lb于投影于基板11的投影方向上，接觸區C2 -樣與柵 極12之間不重疊而具有一偏移距離D2。
[0049] 以下，以圖2A及圖2B的光開關元件la及對應的圖示來說明光開關元件la的光 感測原理及其特性(光開關元件1、lb具有相同的原理及其特性)。
[0050] 請分別參照圖4A及圖4B所示，其分別為本發明的光開關元件la中，于不同的偏 移距離D2之下，柵極電壓（V)與漏極（即第一電極14)電流（A)的特性曲線圖。于圖4A中， 距離6/3 (暗）表示，圖2B的偏移距離D2為6微米，而距離D1為3微米，且光開關元件la 于不照光時，其柵極電壓與漏極電流的特性曲線。另外，距離6/3 (亮）表示，圖2B的偏移 距離D2為6微米，而距離D1為3微米，且光開關元件la于照光時(例如照射紫外光UV，波 長375nm)，其柵極電壓與漏極電流的特性曲線。另外，于圖4B中，距離8/3 (暗)表示，圖2B 的偏移距離D2為8微米，而距離D1為3微米，且光開關元件la于不照光時，其柵極電壓與 漏極電流的特性曲線。此外，距離8/3 (亮)表示，圖2B的偏移距離D2為8微米，而距離D1 為3微米，且光開關元件la于照光時(例如照射紫外光UV，波長375nm)，其柵極電壓與漏極 電流的特性曲線。
[0051] 如圖4A及圖4B所示，由于光開關元件la的第二電極15于光開關元件la的投影 方向上，其與通道層13接觸的接觸區C2與柵極12之間不重疊而具有偏移距離D2,因此， 光開關元件la的輸出電流特性將會隨著偏移距離D2的增加，通道層13 (金屬氧化物半導 體）距離柵極12可控制范圍越來越遠而呈現越來越不易導通的情況，故而在同樣的光線照 射條件與電性條件下，接觸區C2與柵極12之間的不重疊區域無法通過柵極12的電壓來有 效控制，且源極與漏極之間電流的通過量會隨著偏移距離D2的增加而越來越小。所以當不 照射光線時，雖輸入柵極12電壓，仍無法有效控制光開關元件la，也就是沒有辦法讓足夠 的電流通過第一電極14與第二電極15,如圖4B的不照光曲線所示。
[0052] 但是，如圖4A及圖4B的距離6/3 (亮)及距離8/3 (亮)的曲線所示，當偏移距離D2 內的金屬氧化物半導體區域照射光線，也就是與接觸區C2和柵極12之間的不重疊區域的 金屬氧化物半導體照射光線時，于相同的柵極12電壓下，由于金屬氧化物半導體于照光時 會產生大量的電子電洞對，電流可通過此偏移距離D2的區域(不重疊的區域)，進而使漏極 電流顯著地增加。在本實施例中，以柵極12與漏極之間施加正電壓的NM0S晶體管為例，不 過，于其他實施例時，于PM0S晶體管時，則可施加負電壓的偏壓，端視晶體管的種類而定。
[0053] 另外，請分別參照圖5A及圖5B所示，其中，圖5A為本發明的光開關元件la處于 施加偏壓狀態下，于照射紫外光（375nm)與不照射紫外光時，其漏極電流與時間的變化示意 圖，而圖5B為本發明的光開關元件la于照射藍光（470nm)與不照射藍光時，其漏極電流與 時間的變化示意圖。因此，于量測時，柵極12的電壓固定為2伏特，而漏極的電壓固定為10 伏特。
[0054] 如圖5A所示，當光開關元件la處于施加偏壓狀態下且照射紫外光時，其輸出的漏 極電流大約比不照射紫外光時增加了 1〇4?1〇5倍，而且當紫外光關閉后，漏極電流也迅速 地回到原始狀態，因此，通過漏極電流的差異可以很容易地判讀感光的狀態，也就是通過照 光時有較高的電流通過與不照光時則僅較低電流通過的差異特性來進行控制，故光開關元 件la可成為一良好的光開關或光感測器。另外，如圖5B所示，光開關元件la在照射藍光 與不照射藍光時，其漏極電流仍然具有明顯差異，其差異比例約有10?100倍。此外，相較 于照射藍光，光開關元件la在照射紫外光時的漏極電流有大于照射藍光時的漏極電流接 近1〇 3倍以上的明顯差異，故可應用于鑒別照射不同波長光線的設計。
[0055] 另外，本發明較佳實施例的一種顯示面板包括至少一光開關元件，光開關元件具 有一柵極、一通道層、至少一介電層、一第一電極以及一第二電極。柵極設置于基板之上。 通道層設置于基板之上，通道層為一氧化物半導體。介電層設置于柵極與通道層之間。第 一電極設置于通道層上，并與通道層接觸。第二電極設置于通道層上，并與通道層接觸而具 有一接觸區，第二電極與第一電極之間具有一間隔。于光開關元件的投影方向上，接觸區與 柵極之間具有一偏移距離。其中，該光開關元件可為上述光開關元件l、la、lb的其中之一， 光開關元件l、la、lb已于上述中詳細說明，不再贅述。于實際制作上，當光開關元件為多個 時，可將多個光開關元件制作于同一基板上。
[0056] 本發明的顯示面板可為一液晶顯示面板或一有機發光二極管顯示面板。其中，若 為液晶顯示面板時，則可將光開關元件制作于顯示面板中兩個基板中的其中一個基板上， 于此，并不限定將光開關元件設置于薄膜晶體管基板或彩色濾光片基板，或設置于彩色濾 光層位于薄膜晶體管基板側的基板上（color filter on array)。于一實施例中，光開關元 件可制作于薄膜晶體管基板上。光開關元件與薄膜晶體管基板的驅動元件可使用同一薄膜 晶體管工藝制作，使液晶顯示面板除了具有畫面顯示的功能外，亦具有光感測或光開關的 功能。另外，若顯示面板為有機發光二極管顯示面板，則可將光開關元件制作于有機發光二 極管顯示面板上。光開關元件與有機發光二極管基板的驅動元件可使用同一薄膜晶體管工 藝制作，使有機發光二極管顯示面板除了具有畫面顯示的功能外，亦具有光感測或光開關 的功能。當然，若將本發明具有光開關元件的顯示面板與一觸控面板結合時，則結合后的觸 控顯示面板除了具有顯示、觸控的功能之外，亦可具有光感測的功能。
[0057] 此外，本發明的光感測元件及顯示面板可應用于任何電子設備，例如電視的光線 檢測、鐘表或手表的感光檢測、醫療設備的紫外光或X光的檢測、電子游樂器或3C產品的光 線檢測，或其它可檢測光線以進行控制的電子設備上。
[0058] 綜上所述，因本發明的顯示面板包括至少一光開關元件，光開關元件的柵極設置 于基板之上，通道層設置于基板之上，通道層為一氧化物半導體，而介電層設置于柵極與通 道層之間。另外，第一電極設置于通道層上，并與通道層接觸，且第二電極設置于通道層上， 并與通道層接觸而具有一接觸區。此外，于光開關元件的投影方向上，接觸區與柵極之間具 有一偏移距離。另外，本發明可使光開關元件與顯示面板的驅動元件使用同一薄膜晶體管 工藝制作，故可將光開關元件整合于顯示面板的工藝中，因此不僅不會引入其它的材料而 增加工藝的花費，也可提升顯示面板的附加價值。
[0059] 以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明的精神與范疇，而對其 進行的等效修改或變更，均應包含于本申請專利范圍中。
【權利要求】
1. 一種光開關元件，其特征在于，包括： 一基板； 一柵極，設置于所述基板之上； 一通道層，設置于所述基板之上，所述通道層為一氧化物半導體； 至少一介電層，設置于所述柵極與所述通道層之間； 一第一電極，設置于所述通道層上，并與所述通道層接觸；以及 一第二電極，設置于所述通道層上，并與所述通道層接觸而具有一接觸區，所述第二電 極與所述第一電極之間具有一間隔，于所述光開關元件的投影方向上，所述接觸區與所述 柵極之間具有一偏移距離。
2. 根據權利要求1所述的光開關元件，其特征在于，所述氧化物半導體包括一金屬氧 化物，且所述金屬氧化物包括銦、鋅、鎵、錫及鉿的至少其中之一。
3. 根據權利要求1所述的光開關元件，其特征在于，所述柵極一中心面的延伸穿過所 述通道層，所述通道層位于所述中心面兩側的結構不對稱。
4. 根據權利要求1所述的光開關元件，其特征在于，所述偏移距離介于2微米至20微 米之間。
5. 根據權利要求1所述的光開關元件，其特征在于，所述光開關元件可感測一光線，所 述光線的波長介于〇. 01納米至500納米之間。
6. -種顯示面板，其特征在于，包括： 至少一光開關元件，具有： 一基板； 一柵極，設置于所述基板之上； 一通道層，設置于所述基板之上，所述通道層為一氧化物半導體； 至少一介電層，所述介電層設置于所述柵極與所述通道層之間； 一第一電極，設置于所述通道層上，并與所述通道層接觸；以及 一第二電極，設置于所述通道層上，并與所述通道層接觸而具有一接觸區，所述第二電 極與所述第一電極之間具有一間隔，于所述光開關元件的投影方向上，所述接觸區與所述 柵極具有一偏移距離。
7. 根據權利要求6所述的顯示面板，其特征在于，所述氧化物半導體包括一金屬氧化 物，且所述金屬氧化物包括銦、鋅、鎵、錫及鉿的至少其中之一。
8. 根據權利要求6所述的顯示面板，其特征在于，所述柵極一中心面的延伸穿過所述 通道層，所述通道層位于所述中心面兩側的結構不對稱。
9. 根據權利要求6所述的顯示面板，其特征在于，所述偏移距離介于2微米至20微米 之間。
10. 根據權利要求6所述的顯示面板，其特征在于，所述光開關元件可感測一光線，所 述光線的波長介于〇. 01納米至500納米之間。
【文檔編號】H01L29/417GK104143573SQ201310166640
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月8日 優先權日:2013年5月8日
【發明者】張鼎張, 陳禹鈞, 謝天宇, 周政旭, 鐘旺成, 張榮芳 申請人:群創光電股份有限公司