JP2004087682A - 薄膜トランジスタ、画像表示素子および画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】中心付近に配設されたソース/ドレイン領域1と、ソース/ドレイン領域1の外周に接触し、ソース/ドレイン領域1の外周を覆うよう配設された半導体層2と、半導体層2の外周に接触し、半導体層2の外周を覆うよう配設され、ソース/ドレイン領域1の電位よりも高電位の状態に維持されたソース/ドレイン領域3とを備えた構造を有する。また、ソース/ドレイン領域1の外周と、ソース/ドレイン領域3の内周は、互いが同心円となるような形状を有する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、主に有機EL素子を発光素子とした画像表示素子に用いられる薄膜トランジスタ、画像表示素子および画像表示装置に関し、特に、閾値電圧の経年変化を抑制した薄膜トランジスタ、画像表示素子および画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、画像表示等を行うディスプレイの分野において、液晶表示装置にかわって有機EL素子を用いた画像表示装置が注目されている。液晶表示装置と比較すると、有機EL素子は、自発光性のためバックライトが不要であり、優れた応答速度とコントラスト、視認性を有するなど、液晶をしのぐ機能を有し、構造も比較的単純なことから製造コストの面からも有利と見られている。
【0003】
図9(a)は、従来開発されてきた有機EL素子を用いた画像表示装置において、有機EL素子による発光の制御の態様を示す回路図である。従来開発されてきた画像表示装置では、図9(a)に示すように、有機EL素子101のアノード電極側にドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ102が接続され、薄膜トランジスタ102のゲート電極に印加する電位を調整することによって、有機EL素子101中を流れる電流値を調整する構造を有する。有機EL素子101から発せられる光の輝度は電流値によって変動するため、薄膜トランジスタ102のゲート電位を制御することで所望の輝度の光を得ることができる。
【0004】
薄膜トランジスタ102のゲート電位は、図示を省略した第2の薄膜トランジスタによって制御される。かかる第2の薄膜トランジスタは、スイッチング素子として機能し、所定の信号線および走査線からの表示信号および走査信号を受けて薄膜トランジスタ102のゲート電位を制御する。かかる構造を画素数に対応して複数設けることで、自発光性の画像表示装置を実現している。
【0005】
図9(b)は、薄膜トランジスタ102の構造を示す上面図である。図9(b)に示すように、薄膜トランジスタ102は、動作時にソース/ドレイン電極103、105の間にゲート電極から所定の電位を与えられることによって誘起されるチャネル104を有する。チャネル104は、ソース/ドレイン電極103、105の下部に配設されるソース/ドレイン領域と同一の導電型を有する半導体層によって形成されるため、ソース/ドレイン電極103、105間が導通し、電流が流れることとなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、有機EL素子を用いた画像表示装置を実現するには、解決すべき課題も多い。課題の1つとして、有機EL素子のオン・オフを制御する薄膜トランジスタの経年劣化の問題がある。
【0007】
上記したように、有機EL素子を用いた画像表示素子は、液晶表示素子等と異なり各画素に対応して配設される有機EL素子が直接点灯することによって画像が表示される。そのため、画像表示時には図9(a)、図9(b)に示す薄膜トランジスタ102は常にオンの状態に維持され、有機EL素子が所望の輝度で発光するためにはチャネル104には必要な値の電流が流され続けることとなる。
【0008】
ここで、チャネル104中を流れる電流の密度は一様ではなく、端部における電界集中に起因して電流も端部に集中して流れることが一般に知られている。液晶表示装置におけるスイッチング素子のように電圧駆動素子として機能する場合にはかかる電流密度の異方性は問題にならないが、有機EL素子を用いた画像表示装置では、長時間に渡ってチャネル104中を電流が流れるため、かかる電流集中によって薄膜トランジスタ102が物理的に損傷し、閾値電圧が変動することとなる。
【0009】
閾値電圧が変化すると、有機EL素子101の発光状態を制御する薄膜トランジスタ102のゲート電極に対して同一の電位を与えても、チャネル104中を流れる電流の値が所望の値から変動する。チャネル104中を流れる電流が変動することに対応して有機EL素子101中を流れる電流の値も変化することから、薄膜トランジスタ102の閾値電圧の変化は有機EL素子101の輝度に直接影響を与え、画像品位が劣化するという問題を有する。具体的には、薄膜トランジスタ102の閾値電圧が変動することで、画面の焼き付き、輝度の変化等が生じ、画像表示装置としての寿命が短くなるという問題が生じる。
【0010】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、閾値電圧の経年変化を抑制し、長寿命の薄膜トランジスタ、画像表示素子および画像表示装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1にかかる薄膜トランジスタは、第1のソース/ドレイン電極に接続され、所定の電位を有する第1のソース/ドレイン領域と、第2のソース/ドレイン電極に接続され、前記第1のソース/ドレイン領域の外周全体を覆うよう配設され、かつ少なくとも動作時に前記第1のソース/ドレイン領域よりも高い電位を有する第2のソース/ドレイン領域と、前記第1のソース/ドレイン領域と前記第2のソース/ドレイン領域との間に配設される半導体層と、前記半導体層中にチャネルを誘起させるゲート電極とを備えたことを特徴とする。
【0012】
この請求項1の発明によれば、第1のソース/ドレイン領域の外周全体を覆うように第2のソース/ドレイン領域を配設し、少なくとも動作時において第2のソース/ドレイン領域の電位を第1のソース/ドレイン領域の電位よりも高くすることで、継続的にソース/ドレイン領域間に電流を流しても閾値電圧の変動が抑制される薄膜トランジスタを提供することができる。
【0013】
また、請求項2にかかる薄膜トランジスタは、上記の発明において、前記第1のソース/ドレイン領域の外周と前記第2のソース/ドレイン領域の内周とが同心円形状を有することを特徴とする。
【0014】
また、請求項3にかかる薄膜トランジスタは、上記の発明において、前記第1のソース/ドレイン領域の外周と前記第2のソース領域の内周とがそれぞれ楕円形状を有することを特徴とする。
【0015】
また、請求項4にかかる薄膜トランジスタは、上記の発明において、前記半導体層は、非単結晶性のSiによって形成されることを特徴とする。
【0016】
また、請求項5にかかる画像表示素子は、発光素子と、前記発光素子の発光状態を制御する請求項1〜4のいずれか一つに記載の第1の薄膜トランジスタと、前記第1の薄膜トランジスタのゲート電位を制御する第2の薄膜トランジスタと、前記第2の薄膜トランジスタによって制御される前記第1の薄膜トランジスタのゲート電位を保持するコンデンサとを備えたことを特徴とする。
【0017】
また、請求項6にかかる画像表示素子は、前記発光素子は有機EL素子であって、前記第1の薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン電極が前記有機EL素子と接続され、前記有機EL素子に流入する電流値を制御することを特徴とする。
【0018】
また、請求項7にかかる画像表示素子は、走査信号を供給する走査線および表示信号を供給する信号線とをさらに備え、前記第2の薄膜トランジスタのゲート電極が走査線に接続され、ソース/ドレイン電極が信号線に接続されたことを特徴とする。
【0019】
また、請求項8にかかる画像表示装置は、マトリックス状に配設され、それぞれが駆動回路に接続された複数の走査線および複数の信号線と、表示画素に対応して配設された発光素子と、該発光素子に電流を供給する電源線と、前記発光素子と前記電源線との間に配設され、前記発光素子の発光状態を制御する請求項1〜4のいずれか一つに記載の第1の薄膜トランジスタと、該第1の薄膜トランジスタのゲート電極と所定の信号線との間に配設され、前記第1の薄膜トランジスタのゲート電位を制御する第2の薄膜トランジスタとを備えたことを特徴とする。
【0020】
また、請求項9にかかる画像表示装置は、前記発光素子は、有機EL素子であって、前記第1の薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン電極を介して前記発光素子に接続されることを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態である薄膜トランジスタ、画像表示素子および画像表示装置について説明する。図面の記載において、同一または類似部分には同一あるいは類似の符号、名称を付している。なお、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意が必要である。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。さらに、薄膜トランジスタを構成する電極について、ソース電極、ドレイン電極の区別をする必要性に乏しいため、ゲート電極を除いた2つの電極を共にソース/ドレイン電極と称し、同様の理由によりソース領域、ドレイン領域についても共にソース/ドレイン領域と称する。
【0022】
(実施の形態1)
まず、この発明の実施の形態1にかかる薄膜トランジスタについて説明する。本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタは、一方のソース/ドレイン領域の外周を覆うように他方のソース/ドレイン領域が配設され、少なくとも動作時において外側に配設された他方のソース/ドレイン領域の電位が内側に配設されたソース/ドレイン領域の電位よりも高い値となる構造を有する。
【0023】
図1は、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの水平断面構造を示す図である。図1に示すように、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタは、中心付近に配設されたソース/ドレイン領域1と、ソース/ドレイン領域1の外周に接触し、ソース/ドレイン領域1の外周を覆うよう配設された半導体層2と、半導体層2の外周に接触し、半導体層2の外周を覆うよう配設され、ソース/ドレイン領域1の電位よりも高電位の状態に維持されたソース/ドレイン領域3とを備えた構造を有する。また、ソース/ドレイン領域1の外周と、ソース/ドレイン領域3の内周は、互いが同心円となるような形状を有する。
【0024】
図2は、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの断面図である。図2に示すように、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの断面構造は、基板4上に積層され、水平断面構造が円環状となるゲート電極5と、基板4およびゲート電極5の表面を覆うよう積層されたゲート絶縁層6と、ゲート絶縁層上に積層された半導体層2とを有する。また、半導体層2の一部領域上に積層されたソース/ドレイン領域1、3と、ソース/ドレイン領域1、3上にそれぞれ積層されたソース/ドレイン電極7、8を有する。さらに、ソース/ドレイン電極7、8および半導体層2上には、平坦化層11が積層され、ソース/ドレイン電極7の表面の一部は、電極を取り出すための配線層12と接続されている。
【0025】
ソース/ドレイン電極7、8およびゲート電極5は、Al等の金属材料によって形成される。なお、ソース/ドレイン電極7、8およびゲート電極5は、導電性を示す材料によって形成されていれば良く、金属材料以外でも例えば高濃度の不純物をドープしたポリシリコン等によって形成しても良い。
【0026】
ゲート絶縁層6は、ゲート電極5と半導体層2とを電気的に絶縁するためのものである。具体的には、ゲート絶縁層6は、SiO2、SiNx等の絶縁性の薄膜構造によって形成されている。なお、図2に示すゲート絶縁層6は、単層構造として図示されているが、SiNx、SiO2双方を積層した多層構造からなるものとしても良い。
【0027】
半導体層2は、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の非単結晶性のSiに対して、必要に応じて一定濃度の不純物をドープした半導体層によって形成される。例えば、ポリシリコンの場合にはドープする不純物について、nチャネルの薄膜トランジスタの場合は、例えばB(ボロン)等のIII族元素を用いてp型の半導体層2を形成する。また、アモルファスシリコンの場合には、切断されたSi結合がドナーとして機能することから不純物のドープを省略可能である。pチャネルの薄膜トランジスタを形成する場合には、例えばポリシリコンに対してP(燐)、As(砒素)等のV族元素をドープしてn型の半導体層2を形成する。なお、以下の説明において、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタは動作時にnチャネルを誘起するnチャネル薄膜トランジスタとして扱うこととする。ただし、このことは本発明をnチャネル薄膜トランジスタに限定して解釈する意図ではなく、pチャネル薄膜トランジスタであっても同様の議論が成立することはもちろんである。
【0028】
ソース/ドレイン領域1、3は、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の非単結晶性のSiに対してn型の不純物を高濃度にドープした半導体層によって形成される。なお、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタがpチャネル薄膜トランジスタの場合には、ソース/ドレイン領域1、3はp型の不純物が高濃度にドープされた半導体層によって形成される。
【0029】
平坦化層11は、薄膜トランジスタの上面を平坦化するための膜構造である。かかる平坦化層11を備えることで、例えば薄膜トランジスタ上に有機EL素子等の他の回路素子を容易に配設できるという利点を有する。平坦化層11は、上部に配設される配線層12とソース/ドレイン電極8とを絶縁する機能をも果たすため、絶縁性を示すポリマー等の材料によって形成される。
【0030】
配線層12は、ソース/ドレイン領域1を外部に取り出すためのものである。具体的には、配線層12はソース/ドレイン領域1と電気的に接続された構造を有し、導電性の材料によって形成される。
【0031】
つぎに、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの動作について簡単に説明する。図3は、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの動作を説明するための模式図である。ゲート電極5に対して閾値電位Vthよりも高い電位V3を印加すると、半導体層2に対して電界が印加され、図3に示すように半導体層2内部においてnチャネル13が誘起される。かかるnチャネル13は、ソース/ドレイン領域1とソース/ドレイン領域3とを電気的に接続するため、電位V2(V2>V1)を与えられたソース/ドレイン領域3から、半導体層2内部に誘起したnチャネル13を介して電位V1を与えられたソース/ドレイン領域1に対して電流が流入することとなる。ソース/ドレイン領域3は、ソース/ドレイン領域1の外周を覆うよう配設されていることから、誘起されるnチャネル13には従来技術において説明したような端部が存在せず、電界集中も生じないことから、nチャネル13中を流れる電流の密度は一様なものとなる。
【0032】
つぎに、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタが、チャネルに対して長時間に渡って電流を流した場合であっても、従来の薄膜トランジスタに比して閾値電圧の変動を抑制できることについて示す。本願発明者等は、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタを実際に作製し、その寿命について測定を行っている。
【0033】
図4は、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの閾値電圧の変動を測定した結果を示すグラフである。図4に示すように、測定は本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタについてのみならず、図9(b)に示すような従来構造の薄膜トランジスタについて測定を行っている。また、構造は実施の形態1と同様で、内側に配設されたソース・ドレイン領域の電位が外側に配設されたソース/ドレイン領域よりも高くなるようソース/ドレイン電極に電位を印加したものについても測定を行っている。
【0034】
本測定は、ソース/ドレイン領域間の電位差を5Vに保持した状態で行っている。かかる電位差の下で所定の電圧をゲート電極5に印加した状態で所定時間経過させ、閾値電圧の変動を測定している。本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタは、いずれの経過時間であっても閾値電圧の変動値が従来構造の薄膜トランジスタの値を下回っている。そのため、ある一定の値だけ閾値電圧が変動した時点を装置の寿命とすると、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの寿命は、従来構造の薄膜トランジスタに比して長くなることとなる。
【0035】
また、図4のグラフから明らかなように、ソース/ドレイン領域3をソース/ドレイン領域1よりも高電位に維持した状態で動作させる方が閾値電圧の変動値が小さくなる。外側に位置するソース/ドレイン領域3の電位を高めることによって閾値電圧の変動を抑制できる理由については現時点では明らかではない。しかし、電位差を反転した際の閾値電圧の変動が従来構造の薄膜トランジスタよりも大きくなることに鑑みると、外側に配設されたソース/ドレイン領域3の電位を内側のソース/ドレイン領域1の電位よりも高い状態で動作させることが閾値電圧の変動を抑制するためには必須となることは明らかである。
【0036】
このように、本実施の形態1にかかる薄膜トランジスタは、継続的に導通状態にして使用した場合であっても閾値電圧の変動を抑制することができ、従来よりも長期に渡って使用可能という利点を有する。
【0037】
(変形例)
つぎに、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの変形例について説明する。実施の形態1では、図1に示すように、ソース/ドレイン領域1の外周とソース/ドレイン領域3の内周が同心円を形成するよう配設された例について説明したが、これらの形状を楕円形状としても良い。図5は、変形例にかかる薄膜トランジスタの水平構造を示す図である。なお、断面構造については実施の形態1と同様に構成されるため、その説明を省略する。
【0038】
変形例にかかる薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン領域15の外周全体を覆うように配設されたソース/ドレイン領域17と、ソース/ドレイン領域15、17間に配設された半導体層16とを備えた構造を有する。また、図示は省略するが、ソース/ドレイン領域15、17に対応してソース・ドレイン電極がそれぞれ配設され、動作時に所定の電圧を印加することで半導体層16中にチャネルを誘起させるゲート電極を備える。
【0039】
また、ソース/ドレイン領域15、17の電位については、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタと同様に外側に配設されたソース/ドレイン領域17の電位が内側に配設されたソース/ドレイン領域15の電位よりも高い値に維持されている。かかる構造をとることで、変形例にかかる薄膜トランジスタは、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタ同様、長期の使用に対して閾値電圧の変動を抑制することができる。詳細な測定結果については省略するが、本願発明者等は変形例にかかる薄膜トランジスタについても実際に作製し、閾値電圧の変動値が実施の形態1にかかる薄膜トランジスタとほぼ同等の値に抑制されることを確認している。
【0040】
以上、実施の形態1およびその変形例について説明したが、本発明にかかる薄膜トランジスタは上記の構造に限定されるものではない。例えば、内側に配設されるソース/ドレイン領域の外周および外側に配設されるソース/ドレイン領域の内周の形状は、同心円、楕円以外でも、例えば矩形となっていても良いし、これ以外の形状を有していても良い。具体的には、内側に配設されるソース/ドレイン領域の外周全体を覆うように外側のソース/ドレイン領域が配設され、動作時に外側のソース/ドレイン領域の電位が高い状態となるのであれば形状については任意のものを採用することが可能である。ただし、チャネルを流れる電流の密度をほぼ一定にする観点からは、チャネルの構造において特異点が発生しない同心円形状を備えることが好ましい。
【0041】
また、ソース/ドレイン領域間に配設される半導体層について、非単結晶性のSiによって形成されることとしたが、単結晶Siを用いることも可能である。さらに、GaAs、AlGaAs等の他の半導体材料を用いて半導体層を形成しても良く、ソース/ドレイン領域を形成する半導体材料についても、単結晶Siや、Si以外の半導体材料を用いても良い。
【0042】
さらに、実施の形態1およびその変形例にかかる薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン領域に対してゲート電極が下層に配設された、いわゆる逆スタガ型の構造を有するが、ソース/ドレイン領域に対して上層にゲート電極を配設する、いわゆる正スタガ型の構造としても良い。また、半導体層を保護するために半導体層上部に保護層を設けた構造としても良い。
【0043】
(実施の形態2)
つぎに、実施の形態2にかかる画像表示装置について説明する。本実施の形態2にかかる画像表示装置は、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタをドライバ素子として使用し、かかるドライバ素子によって電流駆動する発光素子を備えた構造を有する。
【0044】
図6は、実施の形態2にかかる画像表示装置の等価回路の一部を示す。図6に示すように、実施の形態2にかかる画像表示装置は、有機EL素子21と、有機EL素子21と一方のソース/ドレイン電極を介して接続され、有機EL素子21の発光状態を制御するドライバ素子として機能する薄膜トランジスタ22と、薄膜トランジスタ22のゲート電極に対して一方のソース/ドレイン電極が接続され、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタ23とを有する。さらに、本実施の形態2にかかる画像表示装置は、走査線24、信号線25および電源線26を備え、薄膜トランジスタ23のゲート電極は走査線24に接続され、他方のソース/ドレイン電極は信号線25に接続される。また、電源線26に対しては有機EL素子21が接続されると共に、薄膜トランジスタ22の他方のソース/ドレイン電極との間にコンデンサ27が配設された回路構造を有する。また、走査線24、信号線25および電源線26は、それぞれ所定の駆動回路に接続されている。
【0045】
有機EL素子21は、本実施の形態2にかかる画像表示装置において発光素子として機能するためのものである。有機EL素子21は、ホール輸送層、電子輸送層の少なくとも一方と発光層とを備えた構造を有し、発光層に注入されるホールと電子が発光再結合することによって所定の光を発光する。
【0046】
薄膜トランジスタ22は、本実施の形態2にかかる画像表示装置においてドライバ素子として機能するためのものである。具体的には、薄膜トランジスタ22は、実施の形態1に記載した構造を有し、長時間に渡ってオン状態が維持されても閾値電圧の変動が抑制される特性を有する。薄膜トランジスタ22は、ゲート電極に与えられる電位によってチャネルに流れる電流値が規定することで直列接続された有機EL素子21に流入する電流値を制御し、有機EL素子21から発せられる光の点滅、発光時の輝度等を制御する。
【0047】
薄膜トランジスタ23は、本実施の形態2にかかる画像表示装置においてスイッチング素子として機能するためのものである。薄膜トランジスタ23は、走査線24の電位によってオン・オフが制御され、オン動作時には信号線25から供給される電位を薄膜トランジスタ22のゲート電極に印加する機能を有する。
【0048】
本実施の形態2にかかる画像表示装置は、複数の信号線、走査線を有し、それぞれの信号線、走査線に対して図6に示す各回路素子が接続された構造を有する。そして、画素に対応して多数の有機EL素子が配設され、各有機EL素子の発光状態を制御することによって全体として所定の画像パターンを表示する機能を有する。
【0049】
つぎに、本実施の形態2にかかる画像表示装置の具体的構造について説明する。図7は、本実施の形態2にかかる画像表示装置の構造の一部を示す断面図である。実施の形態2にかかる画像表示装置は、基板28上に薄膜トランジスタ22、23が配設され、薄膜トランジスタ22、23間を接続するための導電層29および薄膜トランジスタ22と有機EL素子21とを接続するための導電層30とが配設されている。また、基板28の表面、薄膜トランジスタ22、34および導電層29、30上には、導電層30上の一部領域を除いてポリマー等を材料とする平坦化層31が積層されている。さらに、平坦化層31上には電源線から延伸した導電層26が配設され、導電層26の一部領域上には有機EL素子21が配設されている。有機EL素子21上には導電層33が配設され、導電層33は有機EL素子21上から水平方向に延伸し、導電層32を介して導電層30と接続した構造を有する。
【0050】
図7に示すように、本実施の形態2にかかる画像表示装置は、薄膜トランジスタ22、23等と有機EL素子21とが平坦化層31を介して3次元的に配設された構造を有する。本実施の形態2にかかる画像表示素子は、液晶表示装置等と異なり自発光により画像表示を行う構造を有するため、有機EL素子21の下層に配設された回路素子が表示画像に影響を及ぼすことはない。従って、本実施の形態2にかかる画像表示装置では、各回路素子を3次元的に配設することが可能となり、実効的な画素領域を十分に確保することができる。
【0051】
つぎに、本実施の形態2にかかる画像表示装置の動作について説明する。以下では簡単のため、複数備えられた有機EL素子のうち、図6に示す有機EL素子21を点灯させる場合について説明する。
【0052】
まず、走査線24に接続する駆動回路によって走査線24に薄膜トランジスタ23がオンするのに十分な電位が印加される。それとほぼ同時に、信号線25に接続する駆動回路によって信号線25に所定の電位が印加される。
【0053】
走査線24からゲート電極に所定の電位が印加されるため、薄膜トランジスタ23はオンし、ソース/ドレイン電極間にチャネルが誘起され、電気的に導通する。そのため、信号線25の電位に起因してチャネル中を電流が流れることとなり、薄膜トランジスタ22のゲート電極に電位が印加されると同時に、コンデンサ27に所定の電荷が蓄積される。薄膜トランジスタ22のゲート電極に電位を印加した後、走査線24の電位が低下することで薄膜トランジスタ23はオフ状態となるが、コンデンサ27に蓄積された電荷によって薄膜トランジスタ22の電位は維持される。
【0054】
ゲート電極に対して所定の電位が印加されたことにより、薄膜トランジスタ22がオン状態となり、薄膜トランジスタ22のソース/ドレイン電極間が導通する。薄膜トランジスタ22は、有機EL素子21に接続されていることから、ソース/ドレイン電極間が導通することで電源線26から有機EL素子21に対して電流が流れ、発光する。なお、有機EL素子21から発せられる光の輝度は、薄膜トランジスタ22のゲート電極の電位によって制御される。
【0055】
このように、本実施の形態2にかかる画像表示装置は、自発光性の有機EL素子を用いて画像表示を行うため、バックライト等の光源を必要とせず、バックライトの点灯に要する消費電力の低減およびバックライトユニットを設けることによる装置の大型化、複雑化を回避することができる。また、有機EL素子は視認性、応答速度、コントラスト等についても液晶表示素子よりも優れ、高品位の画像を表示することができる。
【0056】
本実施の形態2では、薄膜トランジスタ22に実施の形態1に記載した薄膜トランジスタを用いている。ドライバ素子として実施の形態1にかかる薄膜トランジスタを用いたことによる利点について以下に説明する。
【0057】
図6に示す回路図からも明らかなように、薄膜トランジスタ22は、有機EL素子21に接続し、有機EL素子21に流れる電流は薄膜トランジスタ22のチャネル中を流れる構造となっている。また、画像表示時には有機EL素子21には電流を継続的に流す必要があるため、薄膜トランジスタ22のチャネルにも電流が継続的に流れる。従って、従来構造のものを薄膜トランジスタ22として使用した場合、経年劣化により閾値電圧が変動し、有機EL素子21の輝度調整等が困難となる。しかし、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタは、上記したように一方のソース/ドレイン領域の外周を覆うように他方のソース/ドレイン領域が配設され、他方のソース/ドレイン領域が動作時に高電位となる構造を有するため、長時間に渡って導通させても閾値電圧の変動を抑制することができる。
【0058】
このため、本実施の形態2にかかる画像表示装置は、従来の画像表示装置と異なり、画像表示を長時間行っても画面の焼き付き、輝度の変化等を抑制することが可能である。このため、長期に渡って高品位の画像表示が可能であり、画像品位の劣化を抑制することができる。
【0059】
なお、本実施の形態2にかかる画像表示装置に関して、有機EL素子によって画像を表示することとしたが、有機EL素子以外に、例えば、無機EL素子を用いることも可能であり、発光ダイオード等を用いることも可能である。これらの発光素子も電流駆動によって発光するが、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタをドライバ素子として使用することで、長期に渡って高品位の画像表示が可能である。
【0060】
また、本実施の形態2にかかる画像表示装置では、図6および図8(a)に示すように、有機EL素子21のアノード側と薄膜トランジスタ22が接続されているが、図8(b)に示すように、有機EL素子21のカソード側と薄膜トランジスタ22が接続された構造としても良い。なお、図6および図8(a)の場合には有機EL素子21と接続するソース/ドレイン電極は図1におけるソース/ドレイン領域3に接続するものとし、図8(b)の場合には接続するソース/ドレイン電極が図1におけるソース/ドレイン領域1に接続するものを用いる必要がある。
【0061】
また、本実施の形態2にかかる画像表示装置では、薄膜トランジスタ23の具体的構造については特に言及していないが、薄膜トランジスタ23についても実施の形態1に記載した薄膜トランジスタを用いても良い。実施の形態1にかかる薄膜トランジスタは、従来構造の薄膜トランジスタが有する特性に加えて、長期の使用に対する閾値電圧の変動を抑制するという利点を有するのであって、継続的に通電するもののみならず、電圧駆動素子等に利用することは何ら問題とならない。さらに、実施の形態2は、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの利用例を示したものであるが、実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの用途は画像表示装置に限定されないのはもちろんである。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第1のソース/ドレイン領域の外周を覆うように第2のソース/ドレイン領域を配設する構造を有し、少なくとも動作時において第2のソース/ドレイン領域の電位を第1のソース/ドレイン領域の電位よりも高い値に維持する構成としたため、継続的にオン状態を維持し、電流を流し続けて使用した場合であっても閾値電圧の変動を従来よりも抑制することができるという効果を奏する。
【0063】
また、かかる薄膜トランジスタをドライバ素子として電流駆動方式の発光素子を備えた画像表示装置を構成することで、発光素子およびドライバ素子に継続的に電流が流れるにもかかわらず、画像品位の劣化が抑制され、長寿命の画像表示装置を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの水平構造を示す図である。
【図2】図1のA−A線における断面図である。
【図3】実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの動作を説明するための図である。
【図4】実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの閾値電圧の変動を測定した結果を示すグラフである。
【図5】実施の形態1にかかる薄膜トランジスタの変形例の水平構造を示す図である。
【図6】実施の形態2にかかる画像表示装置の配線回路の一部を示す等価回路図である。
【図7】実施の形態2にかかる画像表示装置の構造を示す断面図である。
【図8】(a)、(b)は、実施の形態2にかかる画像表示装置において、有機EL素子と薄膜トランジスタとの接続態様を示す等価回路図である。
【図9】(a)は、従来の有機EL素子を用いた画像表示装置の動作原理を示す回路図であり、(b)は、従来の薄膜トランジスタの構造を示す図である。
【符号の説明】
1、3 ソース/ドレイン領域
2 半導体層
4 基板
5 ゲート電極
6 ゲート絶縁層
7、8 ソース/ドレイン電極
11 平坦化層
12 配線層
13 nチャネル
15、17 ソース/ドレイン領域
16 半導体層
21 有機EL素子
22、23 薄膜トランジスタ
24 走査線
25 信号線
26 電源線
27 コンデンサ
28 基板
29、30、32、33 導電層
31 平坦化層
101 素子
102 薄膜トランジスタ
103、105 ソース/ドレイン電極
104 チャネル
Claims (9)
- 第1のソース/ドレイン電極に接続され、所定の電位を有する第1のソース/ドレイン領域と、
第2のソース/ドレイン電極に接続され、前記第1のソース/ドレイン領域の外周全体を覆うよう配設され、かつ少なくとも動作時に前記第1のソース/ドレイン領域よりも高い電位を有する第2のソース/ドレイン領域と、
前記第1のソース/ドレイン領域と前記第2のソース/ドレイン領域との間に配設される半導体層と、
前記半導体層中にチャネルを誘起させるゲート電極と、
を備えたことを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 前記第1のソース/ドレイン領域の外周と前記第2のソース/ドレイン領域の内周とが同心円形状を有することを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記第1のソース/ドレイン領域の外周と前記第2のソース領域の内周とがそれぞれ楕円形状を有することを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記半導体層は、非単結晶性のSiによって形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の薄膜トランジスタ。
- 発光素子と、
前記発光素子の発光状態を制御する請求項1〜4のいずれか一つに記載の第1の薄膜トランジスタと、
前記第1の薄膜トランジスタのゲート電位を制御する第2の薄膜トランジスタと、
前記第2の薄膜トランジスタによって制御される前記第1の薄膜トランジスタのゲート電位を保持するコンデンサと、
を備えたことを特徴とする画像表示素子。 - 前記発光素子は有機EL素子であって、前記第1の薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン電極が前記有機EL素子と接続され、前記有機EL素子に流入する電流値を制御することを特徴とする請求項5に記載の画像表示素子。
- 走査信号を供給する走査線および表示信号を供給する信号線とをさらに備え、
前記第2の薄膜トランジスタのゲート電極が走査線に接続され、ソース/ドレイン電極が信号線に接続されたことを特徴とする請求項5または6に記載の画像表示素子。 - マトリックス状に配設され、それぞれが駆動回路に接続された複数の走査線および複数の信号線と、
表示画素に対応して配設された発光素子と、
該発光素子に電流を供給する電源線と、
前記発光素子と前記電源線との間に配設され、前記発光素子の発光状態を制御する請求項1〜4のいずれか一つに記載の第1の薄膜トランジスタと、
該第1の薄膜トランジスタのゲート電極と所定の信号線との間に配設され、前記第1の薄膜トランジスタのゲート電位を制御する第2の薄膜トランジスタと、
を備えたことを特徴とする画像表示装置。 - 前記発光素子は、有機EL素子であって、
前記第1の薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン電極を介して前記発光素子に接続されることを特徴とする請求項8に記載の画像表示装置。
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