Thin film semiconductor device and a driving circuit and device using thereof |
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申请号 | JP2004257897 | 申请日 | 2004-09-06 | 公开(公告)号 | JP4771043B2 | 公开(公告)日 | 2011-09-14 |
申请人 | 日本電気株式会社; | 发明人 | 憲一 高取; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | 薄膜半導体により形成され、温度を電流変化として感知する温度感知部と、 薄膜半導体により形成され、その電流電圧特性が前記温度感知部と異なる温度依存性を有する電流−電圧変換部とを有し、 前記温度感知部で検知した温度を前記電流−電圧変換部 が電圧に変換し、 前記電流−電圧変換部 は 、薄膜半導体層と、該薄膜半導体層にゲート電圧を印加するゲート電極と、該薄膜半導体層に電流を導通するドレイン電極 およびソース電極とを備える薄膜トランジスタであり、且つ、前記温度感知部の検知した電流を電圧に変換する際に、該ゲート電圧を一定値に制御する制御手段を有 し、 前記温度感知部は、薄膜半導体層と、該薄膜半導体層にゲート電圧を印加するゲート電極と、該薄膜半導体層に電流を導通するドレイン電極およびソース電極とを備える薄膜トランジスタであり、 前記電流−電圧変換部の薄膜トランジスタのドレイン電極またはソース電極と前記温度感知部のドレイン電極またはソース電極とが短絡され、短絡された部位の電圧を出力する出力電圧端子が設けられ、 前記電流−電圧変換部の薄膜トランジスタの電流電圧変換時において、該電流−電圧変換部の前記ゲート電極に印加されるゲート電圧である制御電圧は該薄膜トランジスタのしきい値電圧の3倍より大きく、 前記温度感知部の前記ゲート電極に前記制御電圧の0.3倍の電圧が印加されることを特徴とする薄膜半導体素子。 前記薄膜トランジスタの電流電圧変換時において、前記 制御電圧は 該薄膜トランジスタのドレイン電流飽和領域を与える電圧であることを特徴とする請求項 1に記載の薄膜半導体素子。 前記出力電圧端子からの出力電圧を、増幅部を介して読み出す手段を有する請求項 1または2に記載の薄膜半導体素子。 薄膜半導体層と、該薄膜半導体層に温度感知部駆動用ゲート電圧を印加する第1のゲート電極と、該薄膜半導体層に電流を導通するドレイン電極 およびソース電極と を含む薄膜トランジスタを備え、温度を電流変化として感知する温度感知部と、薄膜半導体層と、該薄膜半導体層にゲート電圧を印加する第2のゲート電極と、該薄膜半導体層に電流を導通するドレイン電極 およびソース電極と を含む薄膜トランジスタを備え、電流電圧特性の温度依存性が前記温度感知部と異なる電流−電圧変換部とからなる温度センサの駆動方法であって、 前記第2のゲート電極には 前記薄膜トランジスタのしきい値 電圧の3倍以上の電圧を印加し、 前記第1のゲート電極には前記第2のゲート電極に印加される電圧の0.3倍の電圧を印加し、前記温度感知部で検知した温度によって変化する電流を、前記電流−電圧変換部において電圧に変換することを特徴とする温度センサ駆動方法。 前記電流−電圧変換部 の前記第2のゲート電極に前記電圧を断続的に印加することを特徴とする、請求項 4に記載の温度センサ駆動方法。 温度センサとして請求項1から請求項 3のいずれか一項に記載の薄膜半導体素子と、 画像の表示部と、 前記表示部を駆動する信号電極駆動回路と、 前記電流−電圧変換部の 前記出力電圧端子の出力電圧を受け、前記信号電極駆動回路に与える基準電圧を決定する基準電圧回路と、 前記表示部の画面を走査する走査電極駆動回路と、 前記信号電極駆動回路と前記走査電極駆動回路を制御する制御回路と、 を有することを特徴とする表示装置。 前記表示部の表示物質が液晶からなることを特徴とする請求項 6に記載の表示装置。 前記液晶の応答速度を速めるために、通常の映像信号による電界より大きな電界を前記液晶に印加する電気回路を有し、前記温度センサの出力電圧で前記電気回路を制御することを特徴とする請求項 7に記載の表示装置。 前記電流−電圧変換部の出力電圧によって前記基準電圧回路から出力する基準電圧を変化させる手段を有する請求項 6から請求項 8のいずれか一項に記載の表示装置。 請求項 6から 9のいずれか一項に記載の表示装置の駆動方法であって、 前記電流−電圧変換部の出力電圧によって前記基準電圧回路から出力する基準電圧を変化させることを特徴とする、表示装置駆動方法。 無線周波数を利用して認識を行うRF−ID素子であって、 請求項1から請求項 3のいずれか一項に記載の薄膜半導体素子を内蔵したことを特徴とするRF−ID素子。 請求項1から請求項 3のいずれか一項に記載の薄膜半導体素子を内蔵したことを特徴とするバイオチップもしくはDNAチップ。 |
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说明书全文 | 本発明は、薄膜半導体素子並びにそれを用いた温度センサ及びその駆動回路、並びにそれらを用いて温度情報を利用する装置に関する。 液晶表示装置等の温度測定には、通常、表示素子の外部に設けた温度センサが利用され、検出の結果を駆動波形の補正に反映している。 温度センサとしては、サーミスタ、白金抵抗温度計、熱電対、バンドギャップを利用するpn接合ダイオードによる温度センサ、表面弾性波温度センサ、感温磁性体、赤外線を利用する放射温度計が、主に利用されている。 この中でもpn接合ダイオードによる温度センサは、安価で温度に対する線形性が高く、特に広く利用され始めている。 一方、透過率や反射率の光測定によって、温度センサの代用とする試みもなされている。 このような光測定にはフォトダイオードや光導電セルが用いられる。 しかしながら、従来の温度センサには、いくつかの問題点がある。 まず、表示素子の外部に温度検出部を設ける場合、支持基板間に狭持された液晶部分の温度を直接測定していないので、液晶部分の温度は推定値でしかない。 このことを図33を用いて詳細に説明する。 図33は、ガラス基板10,29の間に液晶908を狭持して作製した液晶表示装置の外部に温度センサ3を二つ取り付けた構造を示す。 この構造において、ガラス基板29の左下は100℃で熱され、ガラス基板10側は20℃、ガラス基板29の右上裏面は35℃である。 この温度分布を反映して液晶908の中にも25〜65℃の温度分布を発生する。 これに対して温度センサの出力は、20℃と35℃であり、液晶部の温度を正しく知る事が出来ない。 バックライトの光源が一端に配置されるサイドライト構造の場合にこの問題は特に顕著であるが、それ以外の構造でも、装置の部位に応じて温度分布が異なるため、外部に温度検出部を設ける方式では液晶動作時の温度を正しく測定する事は困難である。 これに対して、表示素子の内部に温度センサを設ける方式も検討されている。 特許文献1は、液晶駆動用薄膜トランジスタと同一基板上に形成した温度検出素子を用いている。 図32にその等価回路を示す。 (a)はゲート電極とドレイン電極もしくはソース電極が短絡した薄膜トランジスタ4で構成されたものであり、(b)は薄膜ダイオード5で構成されたものである。 この特許文献1では、外部に設置した定電流源をこの温度検出素子の両端に接続して温度を検出している。 電流源を温度センサと同一の基板に用いれば、ノイズの問題は解消すると一般には考えられる。 電流を一定とした場合ダイオードの両端にかかる電圧は周囲の温度に依存するので、ドレイン−ソース間電圧から逆に温度を検出することが可能であることを、この公報は示している。 液晶表示素子の内部に作製された薄膜ダイオードを利用した温度センサの場合、外部に温度センサを設ける場合に比べて、液晶自体の温度に極めて近い温度を測ることになる。 しかし、電流源は素子外部に設置するので、外部の機器からのノイズの影響を受けやすい。 この温度センサでは数ナノアンペアから数十ナノアンペアという非常に小さい電流を検出する必要があるため、電流源を外部に設置することによる精度の低下は免れない。 また、アモルファスシリコン、ポリシリコン、CGシリコンに代表される薄膜半導体では、バルクシリコンを使う場合に比べてpn接合の接合部が良好に形成されないために、基準電圧等が変動しやすい。 その結果、温度の検出がさらにばらつく事になる。 電流源を温度センサと同一の基板に設ければ、ノイズの問題は解消すると一般には考えられる。 しかし、同一の基板上に設けた電流源と温度センサは、温度変化に対する電流変化が同等なため、互いに変化を打ち消しあう。 したがって温度変化を検出することは困難である。 一方、バルクシリコンで作成したトランジスタにおいては、ゲート電圧−ドレイン電流特性がゲート電圧によって異なる温度依存性を示すことが、非特許文献1にヤニス・シビイにより報告されている。 図13に一例として示すようにバルクシリコンで作成したトランジスタは、ゲート電圧がしきい値0.5Vの約2倍にあたる0.9V近傍では、ドレイン電流の温度依存性はほとんど見られない。 このゲート電圧より低い領域では、高温になるほどドレイン電流が高く、このゲート電圧より高い領域では低温になるほどドレイン電流が高い。 すなわちバルクシリコンにおいては、同一基板上に温度センサとなるトランジスタと定電流源となるトランジスタを作成し、前者を温度依存性を有するゲート電圧領域で駆動させ、後者を温度依存性が小さいゲート電圧領域で駆動させることにより、温度変化を電圧として検出することが原理的に可能である。 しかし、液晶表示装置に用いられる半導体層はバルクシリコンではなく、アモルファスシリコンやポリシリコン、CGシリコンなので、しきい値は広い範囲に分布しており、しきい値を一意に決めることができない。 したがってバルクシリコンで作成したトランジスタのように、しきい値を基準としてゲート電圧値を設定することが難しく、精度の高い温度モニタは難しい。 ヤニス・シビディ(Yannis Tsividis)著、「オペレーション・アンド・モデリング・オブ・ザ・モス・トランジスタ(Operation and Modeling of The MOS Transistor)」、 第2版、 ダブリュシービー/マックグロウヒル(WCB/McGraw-Hill)、p183-190 このように、薄膜半導体デバイスにおいては、外部に温度センサを設置する方式、内部に温度感知部を設け外部に電流−電圧変換部を有する方式、内部に温度感知部と定電流源との両方を有する方式、のいずれをとっても、液晶の温度を、液晶制御のために十分な精度で測定することは困難であった。 本発明の目的は、薄膜半導体素子に内蔵でき、温度を電圧として取り出すことの出来る薄膜半導体素子を提供することにある。 本発明の他の目的は、薄膜半導体素子に内蔵でき、TFTのしきい値の3倍以上のゲート電圧をTFTのゲート電極に印加する手段を有し、温度感知部と異なる温度依存性を示す定電流源、すなわち、電流−電圧変換部を有する薄膜半導体素子を提供する事にある。 本発明の他の目的は、温度を電圧として取り出すことの出来る薄膜半導体素子及びそれを用いた温度センサの駆動方法を提供する事にある。 本発明の他の目的は、温度を電圧として検出できる薄膜半導体素子並びにそれを用いた温度センサを内蔵する事によって、温度変化に対応して装置の動作の制御を行える装置を提供する事である。 例えば、液晶表示装置の駆動電圧並びに光源の駆動方法を温度に応じて変える事によって広い温度範囲で良好な表示が行える液晶表示装置を提供する事である。 本発明の薄膜半導体素子は、薄膜半導体により形成され、温度を電流変化として感知する温度感知部と、薄膜半導体により形成され、その電流電圧特性が前記温度感知部と異なる温度依存性を有する電流−電圧変換部とを有し、前記温度感知部で検知した温度を前記電流−電圧変換部が電圧に変換し、前記電流−電圧変換部は 、薄膜半導体層と、該薄膜半導体層にゲート電圧を印加するゲート電極と、該薄膜半導体層に電流を導通するドレイン電極およびソース電極とを備える薄膜トランジスタであり、且つ、前記温度感知部の検知した電流を電圧に変換する際に、該ゲート電圧を一定値に制御する制御手段を有し、前記温度感知部は、薄膜半導体層と、該薄膜半導体層にゲート電圧を印加するゲート電極と、該薄膜半導体層に電流を導通するドレイン電極およびソース電極とを備える薄膜トランジスタであり、前記電流−電圧変換部の薄膜トランジスタのドレイン電極またはソース電極と前記温度感知部のドレイン電極またはソース電極とが短絡され、短絡された部位の電圧を出力する出力電圧端子が設けられ、前記電流−電圧変換部の薄膜トランジスタの電流電圧変換時において、該電流−電圧変換部の前記ゲート電極に印加されるゲート電圧である制御電圧は該薄膜トランジスタのしきい値電圧の3倍より大きく、前記温度感知部の前記ゲート電極に前記制御電圧の0.3倍の電圧が印加されることを特徴とする。 上記の構成をとることで、本発明の薄膜半導体素子は、温度感知部において温度に依存して変化する電流を電流電圧変換部において電圧に変換することにより、温度モニタの機能を発揮することができる。 本発明においては温度感知部と電流−電圧変換部とが異なる温度依存性を有するため、温度感知部と電流−電圧変換部の双方を同じ薄膜半導体で作製しても、温度変化に依存した電圧値を、十分な精度で取り出すことができる。 本発明者らは、薄膜半導体素子では、ゲート電圧ドレイン電流特性が温度に依存しないゲート電圧領域がしきい値近傍と、ドレイン電流が飽和する飽和領域の2箇所に存在することを初めて見出し、本発明に至ったものである。 通常のバルクシリコンでは温度無依存の領域はしきい値の2倍の電圧近傍に限られているのに対し、薄膜半導体トランジスタのしきい値はばらつきが大きく、電流―電圧変換部の動作電圧としてしきい値近傍を利用すると、わずかに電圧が変動しただけで、温度依存性が発生する事態が起こり得るが、飽和領域は多少電圧が変動しても温度無依存性は変化しない。 したがって電流―電圧変換部の動作電圧として飽和領域の電圧を用い、温度感知部の動作電圧として温度依存性を有する領域を用いることにより、温度感知部で生じた電流変化を電流−電圧変換部において電圧として検出することができる。 具体的には、本発明の薄膜半導体素子は、電流−電圧変換部が、薄膜半導体層と、該薄膜半導体層にゲート電圧を印加するゲート電極と、該薄膜半導体層に電流を導通するドレイン電極とソース電極を備える薄膜トランジスタであり、且つ、温度変化を電流として検出するために、該ゲート電圧が、ドレイン電流が飽和する飽和領域に設定されている。 好ましくは、該ゲート電圧は、該薄膜トランジスタのしきい値電圧の3倍より大きい。 温度感知部としては、ダイオード接続された薄膜トランジスタ、もしくはpn接合ダイオードを用いることができる。 また、電流−電圧変換部の薄膜トランジスタのドレイン電極もしくはソース電極が、前記温度感知部のゲート電極並びにドレイン電極もしくはソース電極と短絡されている。 また、電流電圧変換部と温度感知部にそれぞれ薄膜トランジスタを用い、両ゲート電極に互いに異なる電圧を印加することもできる。 また、本発明の薄膜半導体素子は、電流−電圧変換部に断続的にゲート電圧を印加する駆動部を有する。 このように断続的にゲート電圧を印加することによって、低消費電力化を図ることができる。 本発明の表示装置は、液晶等の表示物質からなる表示部と、表示部を駆動する信号電圧駆動回路と、前記信号電圧駆動回路に基準電圧を与える基準電圧回路と、前記表示部の画面を走査する走査電極駆動回路と、前記信号駆動回路と前記走査電極駆動回路を制御する制御回路とからなり、温度を検出可能な薄膜半導体素子、もしくは温度センサを内蔵し、前記薄膜半導体素子、もしくは温度センサの出力電圧を、前記基準電圧回路に入力することによって、基準電圧を調整することができるので、温度によらず一定な表示状態を維持することができる。 本発明の表示装置は、通常の映像信号による電界より大きな電界を印加する手段を有する。 したがって、温度センサが検出した温度が通常より低い場合には、この手段により液晶の応答速度を高めることができ、温度によらず一定の表示状態を維持することができる。 本発明の表示装置は、温度センサによって感知された温度に応じて基準電圧、光源輝度を調整することができる。 したがって温度によらず一定の表示状態を維持することができる。 本発明の表示装置の駆動素子は、温度を検出可能な薄膜半導体素子、もしくは温度センサを内蔵する。 このような構成をとることによって、温度変化に応じて、映像信号、光源輝度を制御することが可能となるので、温度に依存しない装置特性を維持することが可能となる。 本発明によれば、画素駆動用薄膜トランジスタアレイを有する基板上に、温度感知部と、この温度感知部に接続され、この温度感知部とは温度依存性の異なる電流−電圧変換部とを有することにより、温度感知部で検出した温度に依存して変化する出力電流を、電流−電圧変換部の温度特性で相殺することなく電圧として精度よく検出できる温度センサを得ることができ、これを利用することにより広い温度範囲で良好な表示が行える液晶表示装置を得ることができる。 (第1の実施の形態) 2 温度無依存のドレイン電流を与える制御電圧を使用した場合の特性 電流―電圧変換部2の薄膜トランジスタを駆動するゲート電圧(これを制御電圧と呼ぶ)としては温度無依存の領域を用いるが、0.3Vはしきい値付近であり、特性の安定が得られないので、飽和領域の12V近傍に制御電圧を設定した。 図6は図2(a)において制御電圧を10Vとした場合の入出力電圧特性である。 入力電圧2〜8Vの範囲で温度依存性が得られ、5V近傍での温度感受性が最も大きい。 入力電圧を5Vに固定した場合の温度に対する出力電圧の変化を図7に示す。 出力電圧は温度に対して良好な直線性を示し1ケルビン当たりの電圧上昇値は1.5mVである。 ポリシリコン技術で作成したTFTはしきい値のばらつきが大きいが、本実施例ではしきい値より十分に大きいゲート電圧を用いているのでしきい値ばらつきの影響はほとんどない。 図2(b)の構成においても、ほぼ同様の結果を得ることができた。 また、図2(c)の構成においては制御電圧を10Vとし、温度感知部1のゲート電極に図3において温度依存性が大きいことが確認されている3Vを印加することによって、やはりほぼ同様の結果を得ることができた。 3 温度依存性が温度感知部とは逆のドレイン電流を与える制御電圧を使用した場合の特性 電流−電圧変換部2の制御電圧として、温度依存性が温度感知部1と逆になるしきい値の6倍以上の領域を使用することによっても、温度センサとしての機能を実現できる。 一例として図2(c)の構成において、制御電圧を15V、温度感知部1のゲート電圧を3V近傍、入力電圧を5ボルトに設定した場合の温度と出力電圧の関係を図17に示す。 電流−電圧変換部2の温度依存性と温度感知部1の温度依存性が図3に示したように、逆の特性となるために、温度依存性が温度感知部1と逆になる温度センサとしての動作が可能である。 この場合も出力電圧は温度に対して良好な直線性を示している。 1ケルビン当たりの電圧上昇値は3.0mVで、前項の温度無依存のドレイン電流を与える制御電圧を使用した場合に比べて約2倍の高い感度を得ることができる。 4 制御電圧の最適化 温度センサとして最適な制御電圧を決定するため、温度感度の制御電圧依存性を調べた。 制御電圧としきい値電圧の比を変えた幾つかの条件に対し、5℃の温度変化に対する出力電圧の変化を測定した。 結果を図18に示す。 横軸は、制御電圧としきい値電圧の比、縦軸は、温度が5℃変化した時の出力電圧の変化(mV/K:ミリボルト/ケルビン)である。 制御電圧としきい値電圧の比が2.0の条件は後述する比較例1の条件であり、温度を変えても電圧変化がほとんどない。 2.5で電圧変化が若干現れるが、その値は小さく、温度センサとして使用するには不十分である。 3.0になると、電圧変化の平均値が0.5mV/K程度となり、温度センサとして実用可能となる。 比が3.5では電圧変化の平均値が1.1mV/K程度、比が4.0では電圧変化の平均値が1.5mV/K程度である。 このように、制御電圧としきい値電圧の比が3以上になると温度センサとして良好な機能が得られる。 制御電圧としきい値電圧の比を変化させる範囲を更に拡大した測定を行い、回帰分析処理することにより、温度感受性との関係をより広い範囲で一般化することができた。 この測定では、出力電圧の変化と温度の変化の比の測定温度範囲での平均値をゲインとして定義した。 このゲインは、温度を横軸に、出力電圧を縦軸に表し、得られた特性を直線で近似し回帰分析した場合の回帰係数に相当する。 また、この回帰分析における決定係数(R2値と呼ばれる)は、回帰直線の回りでの測定値の散らばり度を示す。 すなわち、決定係数は、出力電圧の温度に対する直線性を示す。 この値は、0から1の範囲を取り、1に近いほど直線性が良い事になる。 さて、制御電圧としきい値電圧の比を、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、6.0、10.0と変化させた時のゲインと直線性の関係を図19に示す。 制御電圧としきい値電圧の比が2.0の場合は、出力電圧値がほぼ一定値となるため、温度を横軸とした回帰分析では正確な決定係数を求められない。 そのため、比が2.0での直線性はプロットしていない。 図から分かるように、制御電圧としきい値電圧の比が1.0より小さい領域では、非常に直線性が高い特性が得られ、また、比が0.5の場合のように、ある程度のゲインが得られる条件が存在し、温度センサとして使用可能である。 しかしながら、この領域は、前述のように、しきい値電圧の影響を大きく受けるため、ポリシリコン技術で使用する場合、測定誤差が大きくなってしまう。 比が2.5の時は、ゲインが低く、また、直線性があまり良くない。 一方、制御電圧としきい値電圧の比が3.0以上では、ゲインは1ケルビンあたり0.5mV以上となり、また、95%を超える直線性が得られる。 このように、比が3.0以上では、ゲイン・直線性共に良好な値を示し、温度センサとして使用が可能である。 制御電圧は常時印加する必要は無く、温度情報が必要である周期で、断続的に印加してもよい。 このようにすることによって、低消費電力の効果を得ることができる。 本発明の温度センサでは、制御電圧を印加すると、入力電圧と負の電源電圧間に電流が流れる。 この電流の温度変化を測定することで温度情報を得る。 制御電圧の代わりに図2(a)の電流−電圧変換部のトランジスタがオフ状態となる電圧を印加することで、電流―電圧変換部のトランジスタでの電流の流れがほぼ0となる。 同時に、温度センサ部分での電流の流れも生じなくなり、ほぼ消費電流が0となる。 対象物の温度の変化が例えば、1秒当たり1℃程度である場合、1秒に一回の測定でも、十分な温度情報が得られる。 例えば、1秒間に一回10ミリ秒の期間に温度測定をする場合、このような制御電圧の断続的な印加方法を使えば電流消費を100分の一にする事が出来る。 実際は、オフ時のリーク電流並びに、制御電圧部に印加する電圧を変化させる事による電流消費が存在するために、25分の一程度の消費電流となる。 5 温度センサによる駆動制御 図26に、温度センサで得られた温度情報を、液晶表示装置駆動回路の基準電圧にフィードバックする機能ブロックの一例を示す。 液晶表示部は信号電極駆動回路31と走査電極駆動回路32によって駆動される。 これらは制御回路36でその動作が制御されている。 信号電極駆動回路31が発する信号は基準電圧回路35で発生した基準電圧によってその振幅が決定される。 液晶表示部には本発明の温度センサ3が配設され、温度センサ3からの出力信号によって基準電圧35の信号振幅が制御される。 その結果として液晶に実際に印加する信号電圧の振幅を温度に応じて調整することが可能となるので、温度に依存しない画像品質を得ることができる。 この温度情報で調整された基準電圧は、基準電圧回路35から液晶表示部並びに信号電極駆動回路31に印加され、その結果として液晶に実際に印加する信号電圧の振幅を温度に応じて調整する事が可能となる。 同様に、図27のように、温度センサ3から出力された温度情報を、バックライトにフィードバックする事も可能である。 画面を明るくするために、液晶表示装置では液晶表示部を光源33から放射される光で照らす。 光源33は制御回路36で駆動される光源駆動回路34で光源輝度を調整する。 液晶表示部に配設された温度センサ3の出力電圧を光源駆動回路34にフィードバックすることにより温度変化に応じて光源輝度を調整することが可能となる。 この構成では、例えば低温になって液晶表示部の光利用効率が低下する場合、バックライトの輝度を上げる制御を行うことによって、温度低下の表示に与える影響を抑制することができる。 6 TFTの製造方法 この実施形態では、もっとも広く利用されている、ポリシリコン技術によるTFTの製法について説明する。 ここで、ポリシリコン技術とは、基板上に絶縁膜を介し多結晶構造を有するポリシリコン薄膜を形成する技術をいう。 (1)基本的作成方法 TFTの構造にはトップゲート型とボトムゲート型の2種類がある。 まず、トップゲート型のTFTを適用した場合について図15を用いて説明する。 ガラス基板29上に酸化シリコン膜28を形成した後、アモルファスシリコンを成長させた。 次にエキシマレーザを用いアニールしアモルファスシリコンをポリシリコン27に改質し、パターニングした後、更に10nmの酸化シリコン膜28を成長させた。 フォトレジストをゲート形状より若干大きく(後にLDD領域23、24を形成するため)パターニングし、リンイオンをドーピングすることによりソース領域とドレイン領域を形成した。 その後、ゲート酸化膜となる酸化シリコン膜28を成長させた後、ゲート電極となるアモルファスシリコンとタングステンシリサイド(WSi)を成長させ、フォトレジストをマスクとしてこれをパターニングし、ゲート電極を形成した。 更に、パターニングしたフォトレジストをマスクとして必要領域にのみリンイオンをドーピングすることによりLDD領域23、24を形成した。 その後、酸化シリコン膜28と窒化シリコン膜21を連続成長させた後、コンタクト用の穴をあけ、アルミニウムとチタンをスパッタで形成した後パターニングしソース電極26、ドレイン電極25を形成した。 その後、全面に窒化シリコン膜21を形成し、コンタクト用の穴をあけ、全面にITO膜を形成し、パターニングすることで透明な画素電極22を形成した。 このようにして図15に示すようなプレーナ型のTFT画素スイッチを作成し、TFTアレイを形成することで、ガラス基板上にTFTスイッチによる画素アレイ並びに走査回路を設けた。 なお、アレイ化に関しては従来通りの製法で作成できる。 図15では、アモルファスシリコンをポリシリコン化したTFTを形成しているが、ポリシリコンを成長後、レーザ照射によりポリシリコンの粒径を改善する方法でTFTを形成しても良い。 また、レーザはエキシマレーザ以外にも連続発振(CW)レーザを用いても良い。 (2)温度センサ作成方法 (1)で説明した工程を基本として本発明の温度センサを作成することができる。 ここで用いたマスクレイアウト図の一例を図20に示す。 また、このマスクを用いて作成した素子の図20の線A−A'での断面図を図21に示す。 この例では、温度感知部のゲート電極、ドレイン電極、及び電流−電圧変換部のソース電極は出力電極の金属を介して接続されダイオードと等価となる。 また他のマスクレイアウトの例を図22に、このマスクを用いて作成した素子のB−B'での断面図を図23に示す。 この例では、温度感知部のゲート電極、ドレイン電極、及び電流−電圧変換部のソース電極は出力電極の金属材料ではなくポリシリコン膜を介して接続される。 この構造では、ダイオード接続部分には、ゲート電極とドーピングされたポリシリコン膜との間のコンタクトのみが存在する。 なお、ここまでの説明はゲート電極を薄膜半導体層より上部に有するトップゲート型TFTに関して行ったが、ゲート電極を薄膜半導体層より下側に有するボトムゲート型TFTでも本発明は実現できる。 ボトムゲート型のTFTを使った場合の本発明の温度センサの製法について説明する。 図24はボトムゲート型TFTによる本発明の実施例の素子の断面図である。 ゲート電極が最下層となっている点以外は、図20図21で説明した温度感知部のゲート電極、ドレイン電極及び電流−電圧変換部のソース電極を出力電極の金属を介して接続する温度センサのレイアウトと同様である。 また、図25に、図24の製造方法のうち、ソース・ドレイン領域の作製方法を示す。 ガラス基板29上に酸化シリコン(不図示)を堆積し、その上にクロミウム(Cr)をゲート電極30として形成する。 続いてPE−CVD法により窒化シリコン膜21、または酸化シリコン膜28をゲート絶縁膜として形成し、連続してアモルファスシリコン12を成膜した。 アモルファスシリコン12のチャネル領域上にドーピング用マスクとしてのフォトレジスト14のパターンを形成し、イオンドーピング法により不純物(リンもしくはボロンなど)をソース・ドレイン領域に注入した(a)。 フォトレジスト14を除去し、アモルファスシリコン膜12の水素濃度を低減するために真空中で400℃、90分の加熱処理を行い、エキシマレーザを照射しアモルファスシリコン膜12を結晶化した(b)。 不純物をドーピングした領域は結晶化と同時に活性化された。 ソース・ドレイン電極を形成した後、酸化シリコン膜を堆積し、poly-Si薄膜の粒界に存在するダングリングボンドを減らすために300℃の水素プラズマ雰囲気中で90分間の水素化処理を行い、TFTを作製した。 以上、本発明の第一の実施の形態では、制御電圧として印加する電圧を適当な範囲に設定することによって、温度感知部1で検出した温度変化による電流変化を、電流−電圧変換部2において電圧変化として検出することが可能である。 制御電圧を、ドレイン電流が温度依存性を生じない領域、または、温度感知部の温度依存性と異なる領域に設定することによって、電流−電圧変換部2と温度感知部1は温度に対して独立した特性を示すことができ、良好な温度センサを構成することができる。 (第2の実施の形態) 図4に部分空乏型SOI技術で作成したTFTのドレイン電流−ゲート電圧依存性の一例を示す。 図3のポリシリコン技術と比べると、SOI技術の半導体層の移動度は10倍近く高く、且つ、ポリシリコンで見られるような結晶粒界でのトラップ現象が無い事に加え、本実施例ではLDD構造を用いなかったために、ドレイン電流は図3より二桁近く上昇している。 前述のように、横軸はゲート電圧、縦軸は対数表示でのドレイン電流であり、温度を−40℃、20℃、80℃と変えた場合、ゲート電圧1.9V近辺と、ゲート電圧が12V近辺で温度によるドレイン電流が温度無依存となる領域が存在する。 図8は制御電圧を12Vとした場合の図2(a)の構造の温度センサにおける入力電圧―出力電圧特性である。 ポリシリコン技術と比べると、温度への感受性はかなり低く、1ケルビン当たりの電圧上昇値は0.5mVではあったが、部分空乏型SOI技術においても、本発明の温度センサが実現できた。 (第3の実施の形態) 第2、第3の実施の形態と比較すると、LDD構造を用いたポリシリコン技術による第一の実施の形態は、1. SOI技術に比べ温度感受性が高い事、2. より低電流の領域で温度依存のない特性が得られ低消費電力である事、から、温度センサとして最も良好であると考えられる。 通常、ポリシリコン技術による回路では、しきい値のばらつきが問題となるが、本発明では、しきい値電圧の3倍以上の領域を使用するので、しきい値の影響を極めて受けにくい。 (第4の実施の形態) 作製した増幅部の回路構成を、図10に示す。 この増幅部は、カレントミラー回路と差動入力回路を用いたオペレーショナル・トランスコンダクタンス・アンプ(OTA)構成である。 本実施の形態では差動対による基本的な増幅回路について説明するが、他の増幅回路を用いても構わない。 この図10の増幅部では、トランジスタを7個使用している。 全てのトランジスタは、ゲート長を4ミクロンとした。 トランジスタT1、T2、T5、T6はpチャンネル薄膜トランジスタであり、トランジスタT3,T4,T7はnチャンネル薄膜トランジスタである。 ゲート幅は、T1とT2が7ミクロン、T3とT4が11ミクロン、T5が22ミクロン、T6とT7は75ミクロンとした。 また、補償容量Cfは35フェムトファラド(35fF)とした。 補償容量は、ゲート電極線とデータ電極線の各々と同層の金属で作製し、この間の酸化膜の膜厚は4000オングストロームとし、容量の電極のサイズは縦65ミクロン、横6ミクロンとした。 この増幅部は、1ピコファラド(1pF)の負荷を接続した場合に、40dB(デシベル)のゲインが得られた。 この図10による増幅部と、図2の温度感知部1と電流−電圧変換部2を出力電圧端子と差動入力端子で接続する事で、温度センサを構成した。 温度感知部1と電流−電圧変換部2、ゲート長4ミクロン、ゲート幅12ミクロンで作製した。 図10に示す正の電源電圧線には10Vを印加し、負の電源電圧線は接地した。 この温度センサは、定電流源に相当するトランジスタT5とT6に印加するバイアス電圧の大きさによって、特性が変化する。 バイアス電圧を変えた時の、温度センサの増幅部の出力電圧を測定した結果を図11に示す。 温度を−40℃、20℃、80℃と変えた場合、バイアス電圧9.8V近傍で、出力電圧の温度依存性がもっとも顕著になることが分かる。 この結果に基づき、バイアス電圧を9.75Vとした時の増幅部の出力電圧の温度依存性を測定した。 結果を図12に示す。 温度は、−40℃から80℃まで5℃刻みで変化させた。 温度に対し比較的良好な直線性が得られ、1ケルビン当たりの電圧上昇値は8ミリボルト程度であり、増幅部を有さない第1の実施の形態に比べて、約5倍の振幅の出力が得られている。 (第5の実施の形態) (第6の実施の形態) DNAチップはバイオチップの1種として位置づけられることが多いが、市場規模が大きいため別のものとして分類されることもある。 DNAチップの多くは蛍光分析の必要性等から、シリコン基板を用いるよりスライドガラス等のガラス基板を用いることが望まれる。 DNAチップは通常、フォトリソグラフィ技術を利用して基板上で逐次、プローブを合成するため、非常に高価となっている。 更に、ガラス基板を用いると、電気的な検査をする場合は、特殊な配線技術が必要であり、回路等を付加的に作りこむことは困難である。 一方、ポリシリコン技術を応用すると、ガラス基板やプラスチック基板を使用できるため、蛍光分析等に対応できると共に、プローブとガラス基板の間に、配線や回路を作りこむことが出来るため、DNAチップを非常に高性能化することができる。 プローブの作製には、インクジェット技術(もしくはバブルジェット(登録商標)技術)を応用しDNAインク溶液を印刷することや、マイクロセラミックスポンプによってスポットすることで、安価に作成すること出来る。 これにより、ポリシリコン技術によるDNAチップは、従来の10分の1以下の価格で、電気回路も有するきわめて高性能なチップを提供できる。 本発明の温度センサをバイオチップに適用すれば、DNA分析の反応時の温度を正確にモニタできるので、DNA解析の精度を向上させられる。 (第7の実施の形態) また、オーバードライブ方式において、容量予測を行う場合は、図29のオーバードライブ回路の代わりに、図30のオーバードライブ回路を用いる。 この回路では、入力信号と、容量用フレームバッファ45から読み出した1フレーム前の各画素の容量とから、容量予測用LUT(ルックアップテーブル)44を用いて、次のフレームの予測容量を決定する。 予測容量は、容量用フレームバッファ45に蓄積されると共に、電圧用LUT(ルックアップテーブル)43で入力信号と比較し、実際に印加する信号を決定し、出力信号として出力する。 この回路を用いる事により、液晶の応答が遅い等の理由によって所望の輝度が得られない場合に、所望の輝度に対応する必要な液晶容量に所望の時間内に達するように印加電圧を調整する事が可能となる。 この結果、オーバードライブ駆動が実現できる。 液晶の応答は温度の影響を受ける。 そこで、この電圧用LUTを代表的な温度毎に用意し、測定された温度に応じて電圧用LUTを選択した。 この構造により、オーバードライブ回路内での温度に応じた電圧補正を行った。 (第8の実施の形態) 温度制御により、従来見られていた温度に依存した輝度変化や色の混色が低減され、画質の改善を確認することができた。 (比較例) 1 温度感知部 |