JP5116269B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気信号を音声に変換する音波発生デバイスからなるスピーカ、感圧センサを有するタッチパネルやペン入力などの直接入力機能を表示パネルと同一基板に備えた画像表示装置に関し、特にアクティブ・マトリクス方式の画像表示装置に好適なものである。

マトリクス配列された画素の駆動素子として薄膜トランジスタ等のアクティブ素子を用いたアクティブ・マトリクス方式の表示装置（または、アクティブ・マトリクス型駆動方式の画像表示装置、あるいは単にディスプレイ装置とも称する）が広く使用されている。

この種の画像表示装置の多くは、半導体膜としてシリコン膜を用いて形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のアクティブ素子で構成された多数の画素回路と、この画素回路に表示用信号を供給する駆動回路とを絶縁基板上に配置することで良質の画像を表示することができる。

一方、画像表示装置にスピーカシステムおよびスピーカシステムを備えた携帯端末装置および電子機器に関する従来技術を開示したものとして特許文献１がある。図２３は、スピーカシステムを備えた従来の画像表示装置を搭載した携帯端末装置を説明する断面図である。この携帯端末装置１０００は特許文献１に開示されたスピーカシステムである。図２３に示すように、画像を表示する表示パネル２１と、表示パネル２１に表示された画像が透けて見えるように配置された透明パネル２４と、振動板を有し電気信号に応じて振動板を振動させることにより音を放射する電気機械音響変換器２２と、透明パネル２４の周辺部に接続された弾性体２５と、透明パネル２４および表示パネル２１を支持する筐体２０とを備える。

表示パネル２１と透明パネル２４との間に形成された空間２６に電気機械音響変換器２２から放射された音を音孔２３を通して伝達する音響伝達部材とを備え、透明パネルは、音響伝達部材により電気機械音響変換器から空間に伝達された音によって振動可能なように構成されている。表示パネル２１と電気機械音響変換器２２は各々異なる基板に形成されている。

引用文献２では、熱導電性の基板と、その基板上の一方の面に形成された多数の孔が形成されているナノ結晶シリコンからなる断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを有する音波発生装置を提案している。これは空気に熱を与えることにより空気の粗密を作り、音波を発生する装置であって、超音波音源、スピーカ音源、アクチュエータなどに有用な新しい音波発生装置とその製造方法を提供する。
特開２００３−１７９９８８号公報 特開２００５−７３１９７号公報

上記引用文献１は表示パネルと電気機械音響変換器すなわちスピーカが別の基板に形成されていた。このため、小形、薄型が要求される携帯電話などの携帯端末において、配置の自由度が無い、機器が薄くするのが困難という問題があった。また、従来は圧電材料などによる機械的振動によって空気中のガスに粗密波を生じることによって音波を発生しているので、端末機器への振動が与える問題がある。さらに機械的な振動を伴うため共振点が存在し、共振点から入力周波数がずれると音圧が急減するという、共振型の周波数特性を示し、音域に制限がある。

一方、引用文献２に開示されたものは、シリコン単結晶ウエーハ基板に形成されるナノ結晶シリコンを用いているため、絶縁基板上への形成が困難であり、表示パネルとの一体形成に課題がある。

本発明は上記課題を解決することにあり、ユーザから見た画像が表示される位置と音が放射される位置とが同じで、スピーカの配置の自由度が高く、構造が簡素で集積度が高く、小型、薄型が容易で、幅広い帯域の出力を有する低消費電力のスピーカを備え、表示パネルと同一基板上に音源素子を駆動回路も内蔵可能に搭載した画像表示装置を置提供することを目的とする。

さらに本発明は、感圧センサを透明電極で構成して画素内に配置することにより、表示性能を低下されることなくタッチパネル機能を実現するアクチュエータを表示パネルと一体形成した画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、絶縁性基板上に形成された半導体薄膜をチャネルに用いた薄膜トランジスタで駆動される画像表示装置において、本発明は以下の手段を適用する。

（１）前記絶縁性基板と同一基板上に、放熱層と断熱層および該断熱層上に形成される発熱層から構成される音波発生デバイスを備える。音波発生デバイスはスピーカの機能を持つものとする。

前記放熱層には熱伝導率がＡの第1の多結晶半導体薄膜を用い、前記断熱層には前記放熱層上に形成された熱伝導率がＢの第２の多結晶あるいは非晶質半導体薄膜の何れかを用いる。そして、前記発熱層として前記断熱層上に金属薄膜を形成する。前記熱伝導率Ａを前記熱伝導率Ｂよりも大きくする。前記熱伝導率Ａを前記熱伝導率Ｂよりも２倍以上大きくするのが好ましい。

また、本発明は、前記放熱層には熱伝導率がＡの第1の金属薄膜とし、前記断熱層には前記放熱層上に形成された熱伝導率がＢの第２の多結晶あるいは非晶質半導体薄膜の何れかを用いる。前記発熱層として前記断熱層上に形成される金属薄膜を形成する。前記熱伝導率Ａは前記熱伝導率Ｂよりも大きくるる。前記熱伝導率Ａを前記熱伝導率Ｂよりも２倍以上大きくするのが好ましい。

また、本発明では、前記放熱層を次の（１）、（２）、（３）の何れかとすることができる。（１）前記薄膜トランジスタのチャネルを構成する半導体薄膜と同一の層で構成する。（２）前記薄膜トランジスタのゲート電極と同一の層から構成する。（３）前記薄膜トランジスタのソースまたはドレイン電極と同一の層から構成する。

また、本発明では、前記断熱層を、前記薄膜トランジスタのチャネルを構成する半導体薄膜と同一の層から構成することができる。

また、本発明は、前記音波発生デバイスを、画像表示装置の画素内あるいは当該画像表示装置の周辺端部から５ｍｍ以内に配置するのが好ましい。そして、音波発生デバイスを駆動する回路の少なくとも一部を、前記絶縁基板上に形成される前記薄膜トランジスタから構成することができる。

また、本発明は、前記絶縁性基板と同一基板上に感圧デバイスを備えることができる。この感圧デバイスは、空隙を介して可視光領域で透明の２層の導電性薄膜で容量を構成するダイヤフラムから構成され、圧力の変化を前記容量で検知する。感圧デバイスは、ダイヤフラムと相互に作用する電気信号に応じて振動して音響によるレスポンスを生成する機能を有し、表示領域にタッチパネルやペン入力による直接入力機能を内蔵するのに好適である。

また、本発明は、前記絶縁性基板上に、マトリクス状に配置された画素と前記画素をマトリクス駆動する走査線駆動回路及び信号線駆動回路とを設けて、少なくとも前記信号線駆動回路を薄膜トランジスタで構成する。

また、本発明の画像表示装置として、前記絶縁性基板に対して、所定の間隔で対向配置された対向基板と、前記絶縁性基板と前記対向基板との間に封入された液晶とで構成した液晶表示装置とすることができる。

また、本発明の画像表示装置として、前記画素が有機ＥＬ層を有する自発光素子で構成した有機ＥＬ表示装置とすることができる。

さらに、本発明による画像表示装置は、ガラスやプラスチックなどの安価な絶縁性基板上に高性能、高信頼で動作し、デバイス間の均一性が優れた、高特性の半導体薄膜トランジスタを有するアクティブ・マトリクス基板を備えたものとすることができる。

なお、本発明は、上記の構成および後述する本発明の詳細な説明に記載の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された発明の技術思想を逸脱することなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明によれば、画像表示装置のディスプレイ面の一部又はディスプレイ面全体を音響出力用のスピーカとして利用できる。特に、携帯電話機では、その受話音声出力用のスピーカとして利用できる。これにより、ディスプレイ面から音を放射できるため、映像と一致した自然で臨場感ある再生音を実現できる効果がある。

また、本発明によれば、ディスプレイ面におけるスピーカの配置の自由度が高く、構造が簡素で集積度が高く、小型、薄型が容易であり、幅広い帯域の出力を有する低消費電力のスピーカを表示の画質を保ったままディスプレイと同一基板上に形成でき、受話音が聞き取りやすくなるという効果を奏する。

さらに、感圧センサを透明電極で構成して画素内に配置することにより、表示性能を低下されることなくタッチパネル、ペン入力などの画面直接入力機能、検知圧力を用いたアクチュエータ（加速度センサなど）機能を表ディスプレイに内蔵することができ、薄型で小型で高画質の画像表示装置が得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。なお、ここでは半導体薄膜としては、主にシリコン（Ｓｉ）を用いることを想定しているが、Ｇｅ，ＳｉＧｅ，化合物半導体、カルコゲナイドなどの薄膜材料を用いても同様の効果がある。以下に示す実施の形態においては、一般的であるシリコンで説明する。

また、本発明は、画像表示装置の絶縁性基板はガラスに限るものではなく、他の絶縁性基板、例えばプラスチック基板、フィルム、シリコンウエハ上に形成された同様の半導体膜の改質等にも同様に適用できる。さらに、画像表示装置には、液晶表示装置を用いることを想定しているが、有機ＥＬ表示装置（有機ＥＬディスプレイ）、電気泳動ディスプレイなどに適用しても、同様の効果が得られる。

図１は、本発明の実施例１を説明する音波発生デバイス内蔵の液晶表示装置の断面構造図である。図２は、ポリシリコン薄膜トランジスタＰＴＦＴの構成を表す断面構造図である。図３は、本発明の音波発生デバイスの原理を説明する図で、図３（ａ）は構造説明用断面図、図３（ｂ）は動作波形図である。

図１に示すように、本発明の実施例１の液晶表示装置には、液晶を駆動する、あるいはドライバ回路を構成するポリシリコンからなる薄膜トランジスタＰＴＦＴが形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板５００とカラーフィルタ基板５０２とが対向している。カラーフィルタ基板５０２には、ブラックマトリクス５０３で区画されたカラーフィルタ５０４が形成され、その上にオーバコート層５０７を介して共通電極（対向電極）５０５が形成されている。ＴＦＴ基板５００には薄膜トランジスタＰＴＦＴと音波発生デバイスＳＰ０１が形成されている。

そして、ＴＦＴ基板５００とカラーフィルタ基板５０２の間に液晶層４０１が封入され、周辺をシール５０９で封止されている。液晶層４０１の液晶分子が電界の印加で配向が制御される様子を参照符号４０１Ａで模式的に示した。このＴＦＴ基板５００とカラーフィルタ基板５０２の液晶層４０１との界面には配向膜を有するが図示は省略した。また、参照符号５１４は音波発生デバイスＳＰ０１に給電するための配線で後述する音波発生デバイスＳＰ０１の発熱層も構成する。また、参照符号５１０は外部回路との接続用のパッドを示す。ＴＦＴ基板５００とカラーフィルタ基板５０２の各外面には偏光板５０１が積層されている。

図２に示すように、ポリシリコン薄膜トラジスタＰＴＦＴは、ガラス基板からなるＴＦＴ基板５００上に下地層とも言うバッファ膜ＢＵＦ、ポリシリコンからなるチャネルＣＨ、ゲート絶縁膜ＧＡＯＸを介してゲート電極ＧＡＴＥが形成されている。ポリシリコン膜の厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度であり、ソース領域/ドレイン領域ＳＳＥが形成されている。このソース領域/ドレイン領域ＳＳＥとコンタクトしてソース電極Ｓとドレイン電極Ｄがそれぞれ形成されている。なお、参照符号Ｂは層間絶縁膜である。ゲート電極ＧＡＴＥに印加する電圧で、ソース/ドレインに流れる電流を制御することができる。

図３（ａ）において、音波発生デバイスＳＰ０１は、低抵抗の金属配線あるいはＩＴＯやＺｎＯなどの透明導電膜からなり電気的に駆動される発熱体薄膜（以下、発熱層とも称する）７００、アモルファスシリコンからなる熱絶縁層（以下、断熱層とも称する）７０１、ポリシリコンからなる放熱層７０２の３層の薄膜から構成される熱励起型のデバイスである。

発熱層７００から熱が発生し、熱伝導率の極めて低い断熱層７０１を設けておくことで、発熱層７００の表面の空気層の温度変化が大きくなるため超音波を発生する。このデバイスは機械振動を伴わないため、周波数帯域が広い、周囲環境の影響を受け難い、微細なアレイ化も容易であるなどの特長を有している。発熱層７００の両端に交流電界を印加すると、発熱層７００の温度がジュールヒーティングにより交流的に変化する。このとき、断熱層７０１の断熱性によって断熱層７０１の側にはほとんど熱が伝わらないため、発熱層７００の表面近傍で空気との熱交換が効率的に行われ、空気を圧縮、膨張させて音響圧力が発生する。

音響圧力に変換できなかった熱は放熱層７０２から放熱される。図３（ｂ）に示すように、発生音波ｄは印加した交流電流周波数ａの２倍の周波数になる。印加した交流電流周波数ａと同じ周波数の発生音波を得たい場合は、交流電流の半分以上のエネルギーの直流電流を交流電流に重畳すればよい。発熱しても音波に変換されなかった熱は放熱層７０２を介して放熱されるため、発熱層７００に大電力を投入して大音量を発生させることができる。また、ジュールヒーティングを利用するので、本質的に高い音響変換効率と広い周波数特性を得ることができる。さらに、音波発生デバイスは薄型・軽量であり、携帯端末への搭載に適している。

以下、この熱誘起型音波発生デバイスの発生原理についてより詳細に説明する。電気的に駆動される発熱層７００に交流電流を印加した場合の表面温度の変化Ｔ（ω）は、断熱層７０１の熱伝導度（Ａ）をα１、体積当たりの熱容量をＣ１、角周波数をωとして単位面積当たりのエネルギーの出入りｑ（ω）[Ｗ／ｃｍ²]があったとき、次式（１）で与えられる。

Ｔ(ω) ＝(１−ｊ) / √２ ) (１ / √ωα１ Ｃ１ ) ｑ (ω) （１）
α１: 断熱層の熱伝導率
Ｃ１: 体積あたりの熱容量
ｑ (ω)：単位面積あたりのエネルギーの入出（＝入力電力）
発生する音圧Ｐ（ω）は（２）式のようになる。
Ｐ（ω） ＝Ａ ｘ (１ / √α１ Ｃ1 ) ｑ (ω) （２）

すなわち、図３（ｂ）に示すように超音波周波数の信号を発生する信号源から供給された周波数ｆの交流電流ａによって発熱体薄膜から発生する熱ｂが周囲の媒体である空気と熱交換することにより空気の温度変化ｃが起こる。これが空気の粗密波を生み出し、周波数２ｆの音波ｄを発生する。

ここで、上記の式（２）より、発生する音圧Ｐ（ω）は単位面積当たりのエネルギーの出入りｑ（ω）、すなわち入力電力に比例し、熱絶縁層の熱伝導度α、体積当たりの熱容量Ｃが小さいほど大きくなり、熱伝導度（α１）と熱容量（Ｃ１）の積の１／２乗に反比例することがわかる。さらに、断熱層７０１と放熱層７０２の熱的コントラストが重要な役割を果たす。すなわち、熱伝導率（α１）、体積当たりの熱容量（Ｃ１）を持つ断熱層７０１の厚さをＬとし、その下に熱伝導率（α２）、熱容量（Ｃ２）とも断熱層７０１より大きな放熱層７０２がある場合、次式（３）程度の断熱層７０１の厚み（交流成分の熱拡散長）をとると、発熱の交流成分は断熱し、発熱体の熱容量のため発生する直流成分の熱は、大きな熱伝導率（α２）の放熱層７０２に効率良く逃すことができる。
Ｌ＝√( 2 α１ / ω Ｃ１) （３）

断熱層７０１として熱伝導率(α１)と熱容量(Ｃ１)が小さい材料であるアモルファス半導体薄膜を適用し、直流成分の熱を逃すための放熱層７０２として熱伝導率(α２)と熱容量(Ｃ２)の大きな材料として結晶性の高い多結晶半導体薄膜を適用することにより、簡単な積層膜で熱誘起型の音波発生デバイスＳＰ０１を構成することができ、画像表示装置との一体形成が可能となる。

図４は、音波発生デバイスを構成する薄膜半導体材料の非晶質/結晶構造を示す図である。図４（ａ）はガラス基板上に形成された音波発生デバイスの層構造を示す断面図、図４（ｂ）は非晶質半導体薄膜、図４（ｃ）は粒状多結晶半導体薄膜、図４（ｄ）はラテラル成長結晶半導体を示す。なお、ガラス基板は図４（ａ）の放熱層７０２の下層にあるが、図示は省略した。

図示しないガラス基板上に低温で形成できる半導体薄膜として、半導体薄膜の結晶性の違いで、図４（ｂ）の非晶質半導体、図４（ｃ）の粒状多結晶半導体、粒状の膜よりも結晶欠陥が少なく、粒径が大きくより単結晶に近い図４（ｄ）のラテラル成長結晶半導体に分類される。熱伝導率αはこの順に大きくなり、熱容量Ｃはこの順に小さくなる。表１に材料の組み合わせを示す。

表１の（１）に示すように、断熱層７０１に非晶質半導体、放熱層７０２に粒状多結晶半導体を適用することにより、熱的コントラストを与えることができる。例えば、アモルファスシリコンの熱伝導率（α１）は１．０Ｗ／ｍＫ以下、熱容量（Ｃ１）は約５×１０⁵ Ｊ/ｍ³Ｋであり、粒状ポリシリコンの熱伝導率（α２）は約1０Ｗ／ｍＫ、熱容量（Ｃ２）は約１０⁶ Ｊ/ｍ³Ｋ程度より小さい。（２）に示すように、断熱層７０１に粒状多結晶半導体、放熱層７０２にラテラル成長結晶半導体を適用することによっても熱的コントラストをつけることができる。ラテラル成長シリコン膜の熱伝導率（α２）は約１００Ｗ／ｍＫと大きい。（３）に示すように、断熱層７０１に非晶半質導体、放熱層７０２にラテラル成長結晶半導体を適用することによって、最も大きな熱的コントラストをつけることができる。なお、熱的コントラストをつけるには、α２はα１の２倍以上であることが望ましい。これは、シリコンの結晶性をさせることで実現できる。

発熱層７００としては低抵抗の膜であれば材質は特に限定されない。例えば、金、アルミニウム、ニッケル、白金、タングステン、などを用いることができる。これらの材料を、真空蒸着、スパッタなどで成膜することができる。ＩＴＯやＺｎＯなどの透明な導電膜を適用することで、表示性能を低下させることなくスピーカを内蔵することができるので、これらＩＴＯやＺｎＯは発熱層７００として、より適していると言える。また、膜厚は熱容量を小さくするためにできるだけ薄くすることが好ましいが、適当な抵抗にするために１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で選択する。

なお、実施例１のＴＦＴ基板５００における音波発生デバイスＳＰ０１の配置は、後述する実施例２の音波発生デバイスＳＰ０１の配置と同様に説明される。

図５は、本発明の実施例２を説明する音波発生デバイス内蔵の液晶表示装置の断面構造図である。画像表示装置としての液晶表示装置の構成は図１で説明した実施例１と同様である。実施例２では、実施例１で説明した音波発生デバイスＳＰ０１に加えて、音波発生デバイスＳＰ０２をＴＦＴ基板５００側の周辺に内蔵した画像表示装置である。液晶表示装置は、外部回路と接続するために、ＴＦＴ基板５００側の方がカラーフィルタ基板５０２よりも大きい。すなわちＴＦＴ基板５００の周辺に音声発生デバイスＳＰ０２を配置することができ、より空気の振動への変換効率を高めることが可能となる。

なお、図５には音波発生デバイスＳＰ０１と音波発生デバイスＳＰ０２を画像表示装置に内臓させたものとして示したが、ＴＦＴ基板５００の周辺に配置される音声発生デバイスＳＰ０２のみとすることもできる。

図６は、本発明の実施例２の画像表示装置の構成を説明する要部平面図である。図６（ａ）はＴＦＴ基板、図６（ｂ）はカラーフィルタ基板を示す。ＴＦＴ基板５００には、垂直系周辺回路ＤＲＶに接続する複数の走査（ゲート）線ＧＬと、水平系周辺回路ＤＲＨに接続する複数の信号（データ）線ＤＬが設けられている。ゲート線ＧＬとデータ線ＤＬで囲まれた部分のそれぞれに画素ＧＡＳＯが形成されている。垂直系周辺回路ＤＲＶにはゲート線駆動回路を有し、水平系周辺回路ＤＲＨにはデータ線駆動回路を有している。

図５に示したように、スピーカとなる音声発生デバイスＳＰ０１は画素内に配置、音声発生デバイスＳＰ０２はＴＦＴ基板５００の周辺領域に配置されている。ここでは、各ゲート線に関して、あるいは各データ線に関して斜め方向に隣接する画素に音声発生デバイスＳＰ０１を配置している。なお、音声発生デバイスＳＰ０１は全ての画素に配置してもよく、表示領域内に任意に点在させることもできる。また、音声発生デバイスＳＰ０２はＴＦＴ基板５００の周辺において、他の回路が形成されない空部分の任意箇所に形成することができる。

このように、実施例２ではスピーカの配置の自由度が高く、構造が簡素で集積度が高い。音波発生デバイスを駆動する音声出力回路の少なくとも一部を、例えば垂直系周辺回路ＤＲＶに作り込むことができる。音声出力回路は薄膜トランジスタから構成され、ＴＦＴ基板５００に周辺回路と共に形成される。この音声出力回路への音声信号はパッド５１０から供給される。

カラーフィルタ基板５０２には３色のカラーフィルタ（Ｒ、Ｇ、Ｂ）５０４がＴＦＴ基板５００の各画素に対応して配置されている。なお、通常、３色のカラーフィルタ（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の間にはブラックマトリクスが充填されている。縦電界（ＴＮ）方式の液晶表示装置では、このカラーフィルタ（Ｒ、Ｇ、Ｂ）５０４の上に共通電極（あるいは、対向電極）が形成される。横電界（ＩＰＳ）方式では、対向電極はＴＦＴ基板側の各画素内に形成される。

次に、本発明の画像表示装置の製造方法の実施例について図７Ａから図７Ｇを参照して説明する。先ず、アクティブ・マトリクス基板となる絶縁基板として、厚さが０．３ｍｍ乃至１．０ｍｍ程度で、好ましくは４００°Ｃ乃至６００°Ｃの熱処理で変形や収縮の少ない耐熱性のガラス基板５００を準備する。好ましくは、このガラス基板５００の上に熱的、化学的なバリア膜として機能するおよそ約１４０ｎｍ厚のＳｉＮ膜および約１００ｎｍ厚のＳｉＯ膜をＣＶＤ法で連続かつ均一に堆積して、下地膜ＢＵＦとする。このガラス基板５００と下地層ＢＵＦ上にＣＶＤ等の手段でアモルファスシリコン膜ＡＳＩを形成する。・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・図７Ａ。

次に、エキシマレーザなどのレーザ光を矢印方向に走査し、アモルファスシリコン膜ＡＳＩを溶解し、結晶化してガラス基板５００上のアモルファスシリコン膜ＡＳＩ全体をポリシリコン膜ＰＳＩに改質する。・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・図７Ｂ。

なお、エキシマレーザ光ＥＬＡに替えて、他の方法、例えば固体パルスレーザアニールによる結晶化、パルス変調レーザによる結晶化、ランプによる結晶化、シリコン膜の形成時にポリシリコン膜となるＣａｔ−ＣＶＤ膜、ＳｉＧｅ膜なども採用することもできる。

ホトリソグラフィー法を用いてポリシリコン膜のタイルＰＳＩに加工し、薄膜トランジスタを作り込むアイランドを形成する。さらに、ゲート絶縁膜ＧＡＯＸを形成する。・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・図７Ｃ。

ここで、ポリシリコン膜で音波発生デバイスＳＰＩ０１の放熱層７０２を構成する。この上に断熱層７０１としてアモルファスシリコン膜を形成する。・・・・・・・図７Ｄ。

薄膜トランジスタを形成する領域に閾値を制御するため、不純物のイオン注入を行なった後、スパッタリング法またはＣＶＤ法を用いて薄膜トランジスタのゲート電極ＧＡＴＥ、および発熱層７００を形成する。・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・図７Ｅ。

不純物のイオン注入によりソース・ドレイン領域ＳＳＥを形成する。・・・・図７Ｆ。

不純物を活性化した後、ＣＶＤ法等で層間絶縁膜Ｂを形成し、ホトリソグラフィー法により層間絶縁膜Ｂとゲート絶縁膜ＧＡＯＸにコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを介してトランジスタのソース・ドレインＳＳＥに配線用の金属層を接続し、配線Ｓ，Ｄを形成する。図示しないが、この上に、層間絶縁膜を形成し、さらに保護絶縁膜を形成する。・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・図７Ｇ。

以上のプロセスにより、ポリシリコンからなる薄膜トランジスタＰＴＦＴと音波発生デバイスＳＰＩ０１を同一ＴＦＴ基板５００上に形成することができる。

実施例２によれば、画面全体から音を放射できるため、映像と一致した自然で臨場感ある再生音を実現できる効果がある。またスピーカの配置の自由度が高く、構造が簡素で集積度が高く、小型、薄型が容易であり、幅広い帯域の出力を有する、低消費電力のスピーカを、表示性能を犠牲にすることなく表示パネルと同一基板上に形成できる。音波発生デバイスの配置は図６での説明と同様である。

図８は、本発明の実施例３を説明する音波発生デバイス内蔵の液晶表示装置の断面構造図である。図９は、アモルファスシリコン薄膜トランジスタＡＴＦＴの構成を表す断面構造図である。図１０は、本発明の音波発生デバイスの原理を説明するための断面構造図である。図８に示すように、実施例３の液晶表示装置は、液晶を駆動するためのアモルファスシリコンからなる薄膜トランジスタＡＴＦＴが形成されたＴＦＴ基板５００とカラーフィルタ基板５０２が対向しており、その間に液晶層４０１が封入されている。ＴＦＴ音波発生デバイスＳＰ０１は、薄膜トランジスタＡＴＦＴと同一のＴＦＴ基板５００上に形成されている。カラーフィルタ基板の構成は実施例１、実施例２と同様である。

図９に示すように、アモルファスシリコン薄膜トラジスタＡＴＦＴは、ガラス基板からなるＴＦＴ基板５００上に、モリブデンからなるゲート電極ＧＡＴＥを形成したあと、シリコンナイトライド膜からなるゲート絶縁膜ＧＡＯＸ、ノンドープのアモルファスシリコン膜ＡＳＩＩ、ｎ型にドーピングされたアモルファスシリコン膜ＡＳＩＮをＣＶＤにより連続して製膜する。ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを形成しアモルファスシリコン薄膜トラジスタが完成する。チャネルの厚さは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度である。ゲート電極ＧＡＴＥに印加する電圧でソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間に流れる電流を制御することができる。

図１０において、音波発生デバイスＳＰ０１は、低抵抗の金属配線あるいはＩＴＯやＺｎＯなどの透明な導電膜からなり電気的に駆動される発熱層７００、アモルファスシリコンからなる断熱層７０１、ゲート電極ＧＡＴＥと同じ材料からなる放熱層７０２の３層の薄膜から構成される熱励起型の音波発生デバイスである。発熱層７００から熱が発生し、熱伝導率の極めて低い断熱層７０１を設けておくことで、発熱層の表面の空気層の温度変化が大きくなるようにして音波を発生するものである。この音波発生デバイスは機械振動を伴わないため、周波数帯域が広く、周囲環境の影響を受け難い、微細・アレイ化も容易であるなどの特長を有している。

発熱層７００の両端に交流電界を印加すると、発熱層７００の温度がジュールヒーティングにより交流的に変化する。このとき、断熱層７０１の断熱性によって断熱層７０１の側にはほとんど熱が伝わらないため、発熱層７００の表面近傍で空気との熱交換が効率的に行われ、空気を圧縮、膨張させ音響圧力が発生する。音響圧力に変換できなかった熱は放熱層７０２から放熱される。音波発生デバイスの配置は図６での説明と同様である。

実施例３によれば、画面全体から音を放射できるため、映像と一致した自然で臨場感ある再生音を実現できる効果がある。スピーカ機能を有する音波発生デバイスの配置の自由度が高く、構造が簡素で集積度が高く、TFTと同じプロセスで作製できる、小型、薄型が容易であり、幅広い帯域の出力を有する、低消費電力のスピーカ表示性能を犠牲にすることなく表示パネルと同一基板上に形成できる。

図１１は、本発明の実施例４である感圧デバイス内蔵の画像表示装置を構成する薄膜トランジスタ基板の断面図である。この画像表示装置の表示方式はＩＰＳ方式であるが、他の方式にも対応可能であることは言うまでもない。そして、感圧デバイスＤＰ０１が液晶素子の補助容量上層部に形成されているのも特徴である。図１１中の薄膜トランジスタＴＦＴは、画素を駆動するための薄膜トランジスタに対応し、ソース電極Ｓと接続された画素電極となる透明電極ＩＴＯ０２、並びに共通電極としての役割をしている透明電極ＩＴＯ０１、その二つの電極の間に形成された絶縁層ＣＳＴからなる。

透明電極ＩＴＯ０１と透明電極ＩＴＯ０２の間に印加する電界によって、液晶層４０１の液晶分子を回転させることができる。また、透明電極ＩＴＯ０１と透明電極ＩＴＯ０２を絶縁層ＣＳＴを介して対向させた構造で液晶素子の補助容量を構成している。感圧デバイスＤＰ０１は、透明電極ＩＴＯ０１と透明電極ＩＴＯ０２の間に空隙ＧＡＰを設けたダイヤフラムで構成されている。空隙ＧＡＰは絶縁層ＣＳＴをエッチングで除去することにより得ることができる。すなわち層数を増やすことなく、薄膜トランジスタＴＦＴの作製プロセスと同じ工程で、ダイヤフラムを作製することができる。また、透明電極ＩＴＯ０１、透明電極ＩＴＯ０２にＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明な導電膜を適用することにより、感圧デバイスＤＰ０１のダイヤフラムが透明であるという特徴を有する。これは表示装置と一体化する上で、開口率、透過率を低下することなく、感圧デバイスを内蔵できるので優位である。

図１２は、感圧デバイスＤＰ０１の動作原理を説明する図である。図１２（ａ）に示したように、圧力「Pressure」により空隙ＧＡＰが変わるため、感圧デバイスＤＰ０１の容量を変化させることができる。図１２（ｂ）は、横軸に圧力（Pressure）を、縦軸に容量（Capacitance）をとって、圧力に対する容量変化を示す。このように電気的な容量変化をモニタすることにより、どれくらいの圧力がかかっているかを知ることができる高感度な圧力センサを薄膜で実現することができる。

図１３は、感圧デバイスＤＰ０１を画素に内蔵した本発明の画像表示装置の模式図である。図１３（ａ）はＴＦＴ基板、図１３（ｂ）はカラーフィルタ基板を示す。ＴＦＴ基板とカラーフィルタ基板の構成は前記実施例と同様である。感圧デバイスＤＰ０１は透明であるため、画像表示装置の表示性能の低下を抑制することができる。このため画素の任意な場所に感圧デバイスＤＰ０１を配置することができる。タッチパネル、ペン入力などによる表示画面への直接入力機能、音声入力のためのマイク機能をＴＦＴ基板と同じ基板上に形成できる。また、前記実施例で説明したスピーカ機能を組み合わせることも容易である。さらに、感圧デバイスＤＰ０１はアクチュエータの機能も有するため、加速度センサを内臓させることができる。

実施例４によれば、感圧センサを透明電極で構成し、画素内に配置することにより、高画質な表示性能を維持した状態で、感度が高く、薄型・軽量・狭額縁の入力機能、アクチュエータ機能などを表示パネルと一体形成した画像表示装置が得られる。

図１４は、本発明の画像表示装置の第１例としての液晶表示装置の構成を説明する展開斜視図である。また、図１５は、図１４のＺ−Ｚ線方向で切断した断面図である。この液晶表示装置は前記した薄膜トランジスタ基板であるアクティブ・マトリクス基板を用いて液晶表示装置を製造する。図１４と図１５において、参照符号ＰＮＬはアクティブ・マトリクス基板ＳＵＢ１とカラーフィルタ基板ＳＵＢ２の貼り合わせ間隙に液晶層を封入した液晶セルで、その表裏に偏光板ＰＯＬ１，ＰＯＬ２が積層されている。また、参照符号ＯＰＳは拡散シートやプリズムシートからなる光学補償部材、ＧＬＢは導光板、ＣＦＬは冷陰極蛍光ランプ、ＲＦＳは反射シート、ＬＦＳはランプ反射シート、ＳＨＤはシールドフレーム、ＭＤＬはモールドケースである。

前記した実施例の何れかの構成を有するアクティブ・マトリクス基板ＳＵＢ１上に液晶配向膜層を形成し、これにラビング等の手法で配向規制力を付与する。画素領域ＡＲの周辺にシール剤を形成した後、同様に配向膜層を形成したカラーフィルタ基板ＳＵＢ２を所定のギャップで対向配置させ、このギャップ内に液晶を封入し、シール剤の封入口を封止材で閉鎖する。こうして構成した液晶セルＰＮＬの表裏に偏光板ＰＯＬ１，ＰＯＬ２を積層し、導光板ＧＬＢと冷陰極蛍光ランプＣＦＬ等からなるバックライト等を光学補償部材ＯＰＳを介して実装することで液晶表示装置を製造する。なお、液晶セルの周辺に有する駆動回路を含む周辺回路にはフレキシブルプリント基板ＦＰＣ１，ＦＰＣ２を介してデータやタイミング信号が供給される。参照符号ＰＣＢは外部信号源と各フレキシブルプリント基板ＦＰＣ１，ＦＰＣ２の間において、当該外部信号源から入力する表示信号を液晶表示装置で表示する信号形式に変換するタイミングコンバータ等が搭載されている。

このアクティブ・マトリクス基板を使用した液晶表示装置は、その画素回路に上記した優れたポリシリコン薄膜トランジスタ回路を配置することで、電流駆動能力に優れることから高速動作に適している。さらに、閾値電圧のバラツキが小さいために画質の均一性に優れ液晶表示装置を安価に提供できるのが特長である。

また、このアクティブ・マトリクス基板を用いて有機ＥＬ表示装置を製造することができる。図１６は、本発明の画像表示装置の第２例としての有機ＥＬ表示装置の構成例を説明する展開斜視図である。また、図１７は、図１６に示された構成要素を一体化した有機ＥＬ表示装置の平面図である。前記した各実施例の何れかのアクティブ・マトリクス基板ＳＵＢ１に有する画素電極上に有機ＥＬ素子を形成する。有機ＥＬ素子は、画素電極表面から順次、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、陰極金属層などを蒸着した積層体から構成される。このような積層層を形成したアクティブ・マトリクス基板ＳＵＢ１の画素領域ＰＡＲの周囲にシール材を配置し、封止基板ＳＵＢＸまたは封止缶で封止する。また、これらの代わりに、保護フィルムを用いても良い。

この有機ＥＬ表示装置は、その駆動回路領域ＤＤＲに外部信号源からの表示用信号をプリント回路基板ＰＬＢで供給する。このプリント回路基板ＰＬＢにはインターフェース回路チップＣＴＬが搭載されている。そして、上側ケースであるシールドフレームＳＨＤと下側ケースＣＡＳで一体化して有機ＥＬ表示装置とする。

有機ＥＬ表示装置用のアクティブ・マトリクス駆動では、有機ＥＬ素子が電流駆動発光方式であるために高性能の画素回路の採用が良質な画像の提供には必須であり、ＣＭＯＳ型薄膜トランジスタの画素回路を用いるのが望ましい。また、駆動回路領域に形成する薄膜トランジスタ回路も高速、高精細化には必須である。本構成例のアクティブ・マトリクス基板ＳＵＢ１は、このような要求を満たす高い性能を有している。本発明のアクティブ・マトリクス基板を用いた有機ＥＬ表示装置は本構成例の特長を最大限に発揮する表示装置の１つである。

本発明は上記した画像表示装置のアクティブ・マトリクス基板に限るものではなく、また、本発明は特許請求の範囲に記載の構成および実施例に記載の構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変更が可能である。また、画像表示装置に限るものでなく、同一のウエーハに半導体回路と音波発生デバイス、マイクロフォン、圧力センサなどを形成した半導体装置を構成できる。

図１８は、本発明の画像表示装置を搭載したディスプレイパネルの外観図である。このディスプレイパネル４４には、前記した本発明の実施例１〜３の何れかの画像表示装置４３が組み込まれており、コンピュータ用モニタまたはテレビなどに利用される。

図１９は、本発明の画像表示装置を搭載した携帯電話の外観図である。この携帯電話４５には、本発明の実施例１〜４の画像表示装置４３が組み込まれている。

図２０は、本発明の画像表示装置を搭載した携帯端末の外観図である。この携帯端末４６の表示装置４３には、本発明の実施例４の画像表示装置が組み込まれている。この画像表示装置は実施例４で説明したペン入力機能のみでもよいが、実施例１〜３で説明したスピーカ機能などをも併せ持つものとすることができる。

図２１は、本発明の画像表示装置を搭載したデジタルビデオレコーダの外観図である。このデジタルビデオレコーダ４７のモニタ４３には、本発明の実施例１〜４の画像表示装置が組み込まれている。

図２２は、本発明の画像表示装置を搭載した個人認証ＩＣカードの外観図である。この個人認証ＩＣカード４９には、本発明の実施例の薄膜半導体装置４８が組み込まれている。ＩＣカード４９には認証用のデバイスが必要であるが、薄膜半導体装置４８からなる感圧式指紋センサにより認証するデバイスの実現が可能である。

画像表示装置に限らず、薄膜半導体デバイスからなるスピーカ機能、マイクロフォン機能、直接入力機能を半導体装置に内蔵することにより、コンパクト、低電力が必要な電子機器を実現できる。

本発明の実施例１を説明する音波発生デバイス内蔵の液晶表示装置の断面構造図である。 ポリシリコン薄膜トランジスタの構成を表す断面構造図である。 本発明の音波発生デバイスの原理を説明する図である。 音波発生デバイスを構成する薄膜半導体材料の非晶質/結晶構造を示す図である。 本発明の実施例２を説明する音波発生デバイス内蔵の液晶表示装置の断面構造図である。 本発明の実施例２の画像表示装置の構成を説明する要部平面図である。 本発明の画像表示装置の製造方法を説明する図である。 本発明の画像表示装置の製造方法を説明する図７Ａに続く図である。 本発明の画像表示装置の製造方法を説明する図７Ｂに続く図である。 本発明の画像表示装置の製造方法を説明する図７Ｃに続く図である。 本発明の画像表示装置の製造方法を説明する図７Ｄに続く図である。 本発明の画像表示装置の製造方法を説明する図７Ｅに続く図である。 本発明の画像表示装置の製造方法を説明する図７Ｆに続く図である。 本発明の実施例３を説明する音波発生デバイス内蔵の液晶表示装置の断面構造図である。 アモルファスシリコン薄膜トランジスタの構成を表す断面構造図である。 本発明の音波発生デバイスの原理を説明するための断面構造図である。 本発明の実施例４である感圧デバイス内蔵の画像表示装置を構成する薄膜トランジスタ基板の断面図である。 感圧デバイスの動作原理を説明する図である。 感圧デバイスを画素に内蔵した本発明の画像表示装置の模式図である。 本発明の画像表示装置の第１例としての液晶表示装置の構成を説明する展開斜視図である。 図１４のＺ−Ｚ線方向で切断した断面図である。 本発明の画像表示装置の第２例としての有機ＥＬ表示装置の構成例を説明する展開斜視図である。 図１６に示された構成要素を一体化した有機ＥＬ表示装置の平面図である。 本発明の画像表示装置を搭載したディスプレイパネルの外観図である。 本発明の画像表示装置を搭載した携帯電話の外観図である。 本発明の画像表示装置を搭載した携帯端末の外観図である。 本発明の画像表示装置を搭載したデジタルビデオレコーダの外観図である。 本発明の画像表示装置を搭載した個人認証ＩＣカードの外観図である。 スピーカシステムを備えた従来の画像表示装置を搭載した携帯端末装置を説明する断面図である。

符号の説明

ＡＴＦＴ・・・・アモルファスシリコンＴＦＴ、ＰＴＦＴ・・・・ポリシリコンＴＦＴ、ＳＰ０１,ＳＰ０２・・・・音波発生デバイス、５００・・・・ＴＦＴ基板、５０１・・・・偏光板、５０２・・・・カラーフィルタ基板、５０３・・・・ブラックマトリックス、５０４・・・カラーフィルタ、５０５・・・・コモン電極、５０７・・・・オーバコート、５０９・・・・シール、５１０・・・接続パッド、５１３・・・・画素電極、５１４・・・・配線、Ｓ・・・・ソース電極、Ｄ・・・・ドレイン電極、ＡＳＩＩ・・・・非結晶シリコン（ノンドープ）、ＡＳＩＮ・・・・非結晶シリコン（ｎドープ）、ＧＡＴＥ・・・・ゲート電極、ＧＡＯＸ・・・・ゲート絶縁膜、ＢＵＦ・・・・バッファ層、Ｂ・・・層間絶縁膜、７００・・・発熱層、７０１・・・・断熱層、７０２・・・・放熱層、４０１・・・・液晶層、ＧＡＳＯ・・・・画素、ＤＲＨ・・・・水平（Ｈ）系周辺回路ＴＦＴ、ＤＲＶ・・・・垂直（Ｖ）系周辺回路ＴＦＴ、ＤＰ０１・・・・ダイヤフラム、ＩＴＯ０１、ＩＴＯ０２・・・・透明電極、ＣＳＴ・・・・絶縁膜、ＧＡＰ・・・・空洞。

Claims (18)

1. 絶縁性基板上に形成された半導体薄膜をチャネルに用いた薄膜トランジスタで駆動される画像表示装置であって、
   前記絶縁性基板と同一基板上に、放熱層と断熱層および該断熱層上に形成される発熱層から構成される音波発生デバイスを備え、
   前記放熱層は熱伝導率がＡの第1の多結晶半導体薄膜からなり、
   前記断熱層は前記放熱層上に形成された熱伝導率がＢの第２の多結晶あるいは非晶質半導体薄膜の何れかからなり、
   前記発熱層は前記断熱層上に形成される金属薄膜からなり、
   前記熱伝導率Ａは前記熱伝導率Ｂよりも大きいことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１において、
   前記熱伝導率Ａは前記熱伝導率Ｂよりも２倍以上大きいことを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１において、
   前記放熱層は熱伝導率がＡの第1の金属薄膜からなり、
   前記断熱層は前記放熱層上に形成された熱伝導率がＢの第２の多結晶あるいは非晶質半導体薄膜の何れかからなり、
   前記発熱層は前記断熱層上に形成される金属薄膜からなり、
   前記熱伝導率Ａは前記熱伝導率Ｂよりも大きいことを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１において、
   前記放熱層は熱伝導率がＡの第1の金属薄膜からなり、
   前記断熱層は前記放熱層上に形成された熱伝導率がＢの第２の多結晶あるいは非晶質半導体薄膜の何れかからなり、
   前記発熱層は前記断熱層上に形成される金属薄膜からなり、
   前記熱伝導率Ａは前記熱伝導率Ｂより２倍以上大きいことを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１において、
   前記音波発生デバイスは、スピーカの機能を有することを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１において、
   前記放熱層は、前記薄膜トランジスタのチャネルを構成する半導体薄膜と同一の層から構成されることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１において、
   前記発熱層は、前記薄膜トランジスタのゲート電極と同一の層から構成されることを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１において、
   前記発熱層は、前記薄膜トランジスタのソースまたはドレイン電極と同一の層から構成されることを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１において、
   前記断熱層は、前記薄膜トランジスタのチャネルを構成する半導体薄膜と同一の層から構成されることを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項１において、
    前記音波発生デバイスは、画素内に配置あるいは画像表示装置の周辺端部から５ｍｍ以内に配置されることを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項１において、
    前記音波発生デバイスを駆動する回路の少なくとも一部は、前記絶縁基板上に形成される前記薄膜トランジスタから構成されることを特徴とする画像表示装置。
12. 請求項１において、
    前記絶縁性基板と同一基板上に感圧デバイスを備えることを特徴とする画像表示装置。
13. 請求項１２において、
    前記感圧デバイスは、空隙を介して可視光領域で透明の２層の導電性薄膜で容量を構成するダイヤフラムからなり、圧力の変化を前記容量で検知することを特徴とする画像表示装置。
14. 請求項１２において、
    前記感圧デバイスは、ダイヤフラムと相互に作用する電気信号に応じて振動して音響によるレスポンスを生成するように設けられていることを特徴とする画像表示装置。
15. 請求項１２において、
    前記感圧デバイスは、タッチパネルやペン入力による直接入力機能を表示領域に内蔵されることを特徴とする画像表示装置。
16. 請求項１において、
    前記絶縁性基板上に、マトリクス状に配置された画素と、前記画素をマトリクス駆動する走査線駆動回路及び信号線駆動回路とを備え、少なくとも前記信号線駆動回路は薄膜トランジスタを有することを特徴とする画像表示装置。
17. 請求項１６において、
    前記絶縁性基板に対して、所定の間隔で対向配置された対向基板と、前記絶縁性基板と前記対向基板との間に封入された液晶とを有することを特徴とする画像表示装置。
18. 請求項１６において、
    前記画素が有機ＥＬ層を有する自発光素子で構成されることを特徴とする画像表示装置。
    
    
    

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