(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配置された複数の信号検出電極と発光素子とが一方向において交互となるように同一基板の同一平面側に形成され、前記信号検出電極と前記発光素子とが指を接触させることのできる保護層により被覆されており、表示モードと指紋画像入力モードとを切り替えて用いる表示機能を備えた指紋画像入力装置であって、指と前記各信号検出電極との間に形成される静電容量を検出することにより指紋画像を得ることを特徴とする表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項２】
指紋画像入力モードにおいては、前記発光素子を駆動するための配線の一部が前記静電容量を検出するための信号用配線として用いられることを特徴とする請求項１記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項３】
前記基板上に互いに直交する走査信号配線およびデータ信号配線がそれぞれ複数本配置され、前記走査信号配線前記データ信号配線との各交点に対応して前記発光素子と前記信号検出電極とが配置されていることを特徴とする請求項１記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項４】
前記信号検出電極が、前記走査信号配線と前記データ信号配線とに接続された第１のスイッチ素子に接続され、前記発光素子が、前記走査信号配線と前記データ信号配線とに接続された第２のスイッチ素子に制御端子が接続された電流制御素子と直列に接続されていることを特徴とする請求項３記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項５】
前記基板上に電源配線と接地配線が配置され、前記発光素子と前記電流制御素子との直列接続体の一方の側が前記電源配線に接続され、他方の側が前記接地配線に接続されていることを特徴とする請求項４記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項６】
指紋画像入力モードにおいては、前記電源配線または前記接地配線のいずれかが信号発生電極に切り替えられ、該信号発生電極に高周波信号が印加されることを特徴とする請求項５記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項７】
指紋画像入力モードにおいては、各走査信号配線には隣接する他の走査信号配線とある一定の時間重複する走査信号が順次印加されることを特徴とする請求項４または５記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項８】
前記データ信号配線の一端は表示用駆動回路に、その他端は画像入力用検出回路にそれぞれモード切り替え用のスイッチ素子を介して接続され、前記走査信号配線の一端は表示／画像入力用駆動回路に接続されていることを特徴とする請求項４または５記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項９】
前記表示用駆動回路、前記画像入力用検出回路および前記表示／画像入力用駆動回路は、前記基板上に薄膜トランジスタを用いて形成されていることを特徴とする請求項８記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項１０】
前記発光素子は、有機のエレクトロルミネセンス材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項１１】
前記基板は透明基板であり、前記発光素子の下部電極は透明導電膜によって形成されており、表示光が基板裏面より放射されることを特徴とする請求項１０記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項１２】
前記発光素子の上部電極は透明導電膜によって形成されており、表示光が前記保護層を通して放射されることを特徴とする請求項１０記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【請求項１３】
前記発光素子の前記透明導電膜の電極と反対側の電極は、光の反射率が高い金属材料によって形成されていることを特徴とする請求項１１または１２記載の表示機能を備えた指紋画像入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示機能を備えた指紋画像入力装置に関し、特に携帯情報端末、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の機器への適用に適した画像表示機能を内蔵した指紋画像入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人を個別に識別する手段の一つに指紋を用いる方法が従来から広く用いられており、その方式の一つとして静電型の指紋画像入力方法が知られている。従来の静電容量検出方式の指紋画像入力装置の例として、特許２９５９５３２号公報に開示されている装置の斜視図を図１７に示す。この指紋画像入力装置は、絶縁性基板１０１上に信号発生電極１０２、信号検出電極１０３、シフトレジスタ回路１０９、信号検出回路１１０等を形成した信号発生・検出基板１００と、その信号発生電極１０２に接続された高周波発生源１０８とで構成される。
【０００３】
図１８は、従来の静電容量検出方式の指紋画像入力装置の概略構成図である。更に、図１９は、従来の静電容量検出方式の指紋画像入力装置の構成要素に形成される静電容量を説明する断面図である。図１８、図１９に示すように、絶縁性基板１０１上には、複数の薄膜トランジスタ（以下、適宜ＴＦＴと記す）Ｔｒが２次元配列されており、その上には第１絶縁層１０６が形成され、更にその上には網状の信号発生電極１０２が形成され、その信号発生電極１０２の網目部分にはトランジスタＴｒのソース電極に接続された信号検出電極１０３が形成されている。そして、その上には第２絶縁層１０７が形成されている。
また、同一行の全てのトランジスタＴｒのゲート電極は、シフトレジスタ回路１０９の出力端子に接続されたゲート電極用配線１０４に接続され、また、同一列の全てのトランジスタＴｒのドレイン電極は、信号検出回路１１０の入力端子に接続されたドレイン電極用配線１０５に接続されている。
【０００４】
次に、図１８、図１９を参照しながら従来の指紋画像入力装置の動作を説明する。指紋を入力するときには、信号発生・検出基板１００の表面に入力したい指Ｆの先端領域を接触させる。
まず、シフトレジスタ回路１０９の一番目の出力をＨレベルにして、第１行目の全ての信号検出電極１０３をドレイン電極用配線１０５を介して信号検出回路１１０に電気的に接続する。ここで、高周波発生源１０８により信号発生電極１０２に高周波を印加すると、図１９に示した３つの静電容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃｄを通して信号検出電極１０３に電荷が投入される。これらは、それぞれ、指と信号検出電極１０３、信号発生電極１０２と指、信号発生電極１０２と信号検出電極１０３の間に形成される静電容量である。ここで、Ｃ２≫Ｃ１となるようにこれらの構成要素を設計すれば、信号検出電極１０３に投入される電荷量はほぼＣ１に比例する。Ｃ１は信号検出電極１０３の近傍における指の起伏により決定されるので、信号検出回路１１０の出力は、第１行における指の起伏の情報、即ち、隆線、谷線の情報を反映する。こうして第１行の指紋情報を外部に記録した後、第２行目以降のＴＦＴについて同様の操作を繰り返すことにより、指紋画像を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
指紋画像入力装置を携帯電話、携帯情報端末等の機器に搭載する場合、入力装置の体積、すなわち面積および厚さはできる限り小さいことが望ましい。ところが、静電型の入力装置の面積は指の大きさが必要であり、そして指を押し当てる行為の容易さを考慮すると、入力装置の面積は入力すべき指紋の面積よりも十分に大きいことが望ましい。
このように互いに矛盾する要求に対する解決策として、液晶ディスプレイ等の表示装置の表面に、指紋画像入力装置を積層する構成が提案されている。これは、表示した指の図形に実際の指を重ねるという動作により、指紋入力の動作を確実にするという利点があり、使い勝手の面も優れている。前述の静電型指紋画像入力装置の絶縁性基板をガラス等の透明基板とすることにより、このような積層型の表示／画像入力装置を実現することができる。しかし、この積層型装置には以下に述べる課題がある。
【０００６】
第１に、例えば図１８に示すように、たとえ信号発生電極１０２、信号検出電極１０３等の構成要素を透明材料で形成したとしても、配線１０４、１０５は不透明な金属材料で形成されるため、画像入力装置の光の透過率を１００％とすることは困難である。従って、表示装置から発せられた光の一部は画像入力装置の構成要素により遮られて、観察者に至らない。そのため、表示画像が暗いのを容認するか、光源の出力を上げて消費電力の増大を容認するかの２者択一に迫られる。即ち、積層型の表示／画像入力装置には、光の利用効率が低いという課題がある。
第２に、表示／画像入力装置の厚さは各構成要素の和になり、それ以上の薄型化は困難である。例えば、液晶ディスプレイが１．４ｍｍ、指紋入力装置が１ｍｍの厚さの場合、表示／画像入力装置の厚さは２．４ｍｍとなり、これ以上の薄型化は無理である。
第３に、高画質の画像表示が可能なＴＦＴ方式の液晶ディスプレイを採用する場合、指紋画像入力装置のためにもＴＦＴを多数配列した透明基板が必要なため、ＴＦＴの製造工程を経た基板が合計２枚必要となる。従って、ＴＦＴ製作に起因した製造コストの上昇を回避できない。
【０００７】
本発明の課題は、上述した従来例の問題点を解決することであって、その目的は、光の利用効率が高く、低消費電力で駆動できる薄型の表示機能を内蔵した画像入力装置を低コストで提供できるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、マトリクス状に配置された複数の信号検出電極と発光素子とが一方向において交互となるように同一基板の同一平面側に形成され、前記信号検出電極と前記発光素子とが指を接触させることのできる保護層により被覆されており、表示モードと指紋画像入力モードとを切り替えて用いる表示機能を備えた指紋画像入力装置であって、指と前記各信号検出電極との間に形成される静電容量を検出することにより指紋画像を得ることを特徴とする表示機能を備えた指紋画像入力装置、が提供される。
【０００９】
そして、好ましくは、前記基板上に互いに直交する走査信号配線およびデータ信号配線がそれぞれ複数本配置され、前記走査信号配線前記データ信号配線との各交点に対応して前記発光素子と前記信号検出電極とが配置され、前記信号検出電極が、前記走査信号配線と前記データ信号配線とに接続された第１のスイッチ素子に接続され、前記発光素子が、前記走査信号配線と前記データ信号配線とに接続された第２のスイッチ素子に制御端子が接続された電流制御素子と直列に接続される。また、好ましくは、前記基板上に電源配線と接地配線が配置され、前記発光素子と前記電流制御素子との直列接続体の一方の側が前記電源配線に接続され、そして他方の側が前記接地配線に接続され、指紋画像入力モードにおいては、前記電源配線または前記接地配線のいずれかが信号発生電極に切り替えられ、該信号発生電極に高周波信号が印加される。
【００１０】
また、好ましくは、前記発光素子は、有機のエレクトロルミネセンス材料を用いて形成されており、そして、前記基板は透明基板であり、前記発光素子の下部電極は透明導電膜によって形成されており、表示光が基板裏面より放射される。あるいは、前記発光素子は、有機のエレクトロルミネセンス材料を用いて形成されており、そして、前記発光素子の上部電極は透明導電膜によって形成されており、表示光が前記保護層を通して放射される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(第１の実施の形態)
図１は、本発明の表示機能を備えた指紋画像入力装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。この表示機能付き指紋画像入力装置１０おいては、透明基板１１の上に複数の信号検出電極２８と複数の発光素子１とが規則正しく配列して形成されており、透明基板１１の周辺部には、表示用駆動回路２と、表示／画像入力用駆動回路３と、画像入力用検出回路４とが形成されている。そして、信号検出電極２８と発光素子１の形成領域を区画するように、回路２〜４から導出されたゲート線１８、データ線２３が形成されている。さらに、これらは保護層２９により被覆されている。なお、発光素子１上にはＧＮＤ線が形成され、またデータ線２３に並んで信号発生電極兼用電源線が形成されているが、図を見やすくするためにそれらの図示は省略されている。図１において、表示装置としての１画素は、赤色１素子、緑色１素子、青色２素子の発光素子を正方配列して構成される。図１において、参照番号の１の後に括弧付きでＲ、Ｇ、Ｂを付すことにより発光素子の発する色を表している（以下、同様）。ここで、青色素子を２素子にする理由は、青色は他の赤色、緑色に比較して光量あるいは輝度が低いため、他の色とのバランスをとるために２素子としている。また、信号検出電極２８は発光素子１に１対１に対応して配置される。透明基板１１の周辺部に形成される表示用駆動回路２、表示／画像入力用駆動回路３および画像入力用検出回路４は、多結晶シリコン(poly-Si) ＴＦＴを用いて形成されるが、特に、ｎ型ＴＦＴとｐ型ＴＦＴの両者を用いてＣＭＯＳ回路に構成されることが望ましい。
【００１２】
図２（ａ）は、図１に示される画素の１発光素子単位を示したレイアウト図であり、図２（ｂ）は、その等価回路図である。
図２（ａ）に示すように、画素の１発光素子単位内にはトランジスタＴｒ１〜３の３つのトランジスタが形成されている。Ｔｒ２のソースに接続されＴｒ３のゲート電極となるゲート配線１７と信号発生電極兼用電源線２０とは一部で重なるように形成されており、その重なり部分においてキャパシタＣが形成されている。また、発光素子１は、透明電極２５と、発光材料層２６と、ＧＮＤ線２７の一部により構成されている。
【００１３】
信号検出電極２８に投入される電荷を検出するためのトランジスタＴｒ１のゲートはゲート線１８に、そのドレインはデータ線２３に、そのソースは信号検出電極２８にそれぞれ接続されている。また、キャパシタＣを充電するためのＴｒ２のゲートはゲート線１８に、そのドレインはデータ線２３にそれぞれ接続されており、そのソースは上述したように、キャパシタＣの一方の端子とＴｒ３のゲートとに接続されている。キャパシタＣの他方の端子とＴｒ３のソースとは信号発生電極兼用電源線２０に接続され、Ｔｒ３のドレインは発光素子１の陽極に接続されている。また、発光素子１の陰極はＧＮＤ線２７に接続される。
【００１４】
画素部の回路は、４種類の配線、ＧＮＤ線２７、ゲート線１８、信号発生電極兼用電源線２０、データ線２３に接続されるが、一部の配線、すなわちゲート線１８とデータ線２３は、発光素子１により表示を行わせる表示モード時と信号検出電極２８の電荷を検出する画像入力モード時の両方において共通に用いられる。また、信号発生電極兼用電源線２０は、表示モード時には電源線として、画像入力モード時においては信号発生電極として用いられる。このようにレイアウトするのは、配線の占める面積を低減して、信号検出電極２８と発光素子１の面積を大きく設定するためである。
【００１５】
表示解像度２００ppi (pixel/inch、即ち、赤色、緑色、青色の３色の発光素子を一画素と見るときの１インチ当りの画素数)（７．８７pixel/ｍｍ）、指紋入力の解像度４００dpi (dot/inch、即ち、１インチ当りの画像入力素子数)（１５．７５dot/ｍｍ）の例の場合、図２（ａ）のレイアウトの横方向および縦方向の配列ピッチは６３．５μｍとなる。
【００１６】
図３は、本発明の第１の実施の形態の主要構成部を示す断面図である。但し、図３は、発光素子１および信号検出電極２８とそれらに接続されたトランジスタの状態を分かりやすく示すための図であって、図２（ａ）に示したレイアウト図の構成とは一致はしていない。以下では発光素子１として、有機エレクトロルミネセンス(ＥＬ)材料を用いた構成を例に挙げて説明する。図３に示すように、発光素子１は、有機ＥＬ材料で形成される発光材料層２６を発光層とし、これに接する透明電極２５を一方の電極（陽極）、ＧＮＤ線２７を他方の電極（陰極）として構成される。透明電極２５とＧＮＤ線２７の間に陽極側が正となる電位差を設けると、両方の電極で挟まれた領域の発光材料層２６に電流が流れ、この領域から透明電極２５、第２層間絶縁膜２４、第１層間絶縁膜１９および透明基板１１を通して光が放射される。発光素子１の下部電極である透明電極２５は、ソース電極２１を介してトランジスタＴｒ３の一方のソース・ドレイン領域１５へ接続される。また、信号検出電極２８は、ソース電極２２を介してトランジスタＴｒ１の一方のソース・ドレイン領域１５へ接続される。Ｔｒ１、Ｔｒ３の他方のソース・ドレイン領域１５はデータ線２３、信号発生電極兼用電源線２０に接続されている。トランジスタとしては、ここでは一般的な、ゲート電極がチャネル領域の上に形成されるトップゲート型の多結晶シリコン(poly-Si)ＴＦＴの構造を採用している。
図３には示されていないが、この実施の形態ではゲート配線１７と信号発生電極兼用電源線２０とが図２（ａ）に示す領域において第１層間絶縁膜１９を挟んで重なることにより、キャパシタＣが形成されている。ＴＦＴ、発光素子等の主要な構成要素の詳細な構成と製造方法については後述する。
【００１７】
図４（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態の構成を示す回路図である。ゲート線１８は、表示／画像入力用駆動回路３から導出されており、データ線２３の一端は表示用駆動回路２内のトランジスタＴｒ６に、その他端は画像入力用検出回路４内のトランジスタＴｒ７に接続されている。なお、説明の便のために、ゲート線１８には＃２ｎ〜＃２（ｎ＋１）、データ線関連回路には＃２ｍ〜＃２（ｍ＋１）の番号が付されている。
表示用駆動回路２と画像入力用検出回路４に設けられたＴｒ６、Ｔｒ７は、表示モードと画像入力モードとを切り替えるためのスイッチであって、モード切り替え信号ＤＩＳＰ、ＤＩＳＰｂａｒにより、いずれか一方の駆動回路のみがデータ線２３に電気的に接続される構成となっている。例えば表示モードのとき、モード切り替え信号ＤＩＳＰをＨレベルとし、全てのデータ線２３を表示用駆動回路２側に接続した上で表示用駆動回路２より表示すべき映像信号を１行分ずつデータ線＃２ｍ〜＃２（ｍ＋１）に供給する。
【００１８】
一方、画像入力モード時にはモード切り替え信号ＤＩＳＰｂａｒがＨレベルとなり、全てのデータ線２３は画像入力用検出回路４に電気的に接続される。画像入力用検出回路４には、個々のデータ線に１対１に対応してアンプＡＭＰが設けられ、これらのアンプの出力を読み出し走査信号ＣＬＭ＃２ｍ〜＃２（ｍ＋１）により端から順に外部へ出力できるように構成されている。また、表示／画像入力用駆動回路３は、いずれのモードにおいても、ゲート線を共有するＴｒ１、Ｔｒ２を１行ずつ順番に選択することができる。この実施の形態の構成において特徴的な点は、ＰＯＷＥＲ（電源電圧）とＣＨＡＲＧＥ（高周波信号）の２種類の電圧を、Ｔｒ４、Ｔｒ５で切り替えて、信号発生電極兼用電源線２０に印加する構成になっている点である。
【００１９】
図４（ａ）は、本発明の第１の実施の形態において形成される静電容量を説明するための断面図である。図５は、本発明の第１の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。図４、図５を参照しながら、この指紋画像入力装置の動作を説明する。この実施の形態においては、信号発生電極兼用電源線２０には、表示モード時においては電源電圧ＰＯＷＥＲが印加され、画像入力モード時には高周波信号ＣＨＡＲＧＥが印加される。
まず、この実施の形態の表示動作について説明する。図４（ｂ）のモード切り替え信号ＤＩＳＰをＨレベルに設定して表示モードとすると、Ｔｒ４がＯＮ、Ｔｒ５がＯＦＦとなり、全ての信号発生電極兼用電源線２０にはＰＯＷＥＲが印加される。ＰＯＷＥＲは全ての発光素子１（Ｒ）、１（Ｇ）、１（Ｂ）に対する電源電圧となる。通常は５Ｖ〜１０Ｖ程度の一定のＤＣ電圧である。また、表示用駆動回路２の全ての出力回路は、それぞれに対応するデータ線に電気的に接続される。
【００２０】
図５のタイミングチャートに示すように、まず、表示／画像入力用駆動回路３により、ゲート線に順に行走査信号ＲＯＷを供給し、ゲート線を共有する全ての画素のＴｒ２を導通させる。図５のタイミングチャートではＲＯＷ＃２ｎ〜＃２（ｎ＋１）を選択する前後の信号を示している。これに同期して表示すべき映像信号をそれぞれのデータ線＃２ｍ〜＃２（ｍ＋１）に与えると、それぞれのキャパシタＣに映像信号が記憶される。こうしてゲート線＃２ｎ〜２（ｎ＋１）で選択された全ての画素のキャパシタＣに映像信号が記憶されると、キャパシタＣの両端の電圧により、Ｔｒ３が一定の抵抗値を有する素子に固定される。
行走査信号ＲＯＷがＬレベルになると、これらの画素の発光素子にそれぞれのＴｒ３の抵抗値（映像信号に対応した抵抗値）に応じて電流が信号発生電極兼用電源線２０から供給されて、発光素子１（Ｒ）、１（Ｇ）、１（Ｂ）から光が発せられる。全てのゲート線１８について上述の操作を繰り返すことにより、所望の画像が表示される。
【００２１】
次に、指紋画像入力の動作について説明する。回路動作の説明の前に、図４（ａ）を参照しながら指と画素の構成要素との間に形成される静電容量について説明する。図４（ａ）に示すように、信号発生電極兼用電源線２０と指Ｆとの間にはＣ２、指Ｆと信号検出電極２８との間にはＣ１がそれぞれ形成される。また、これら２つの電極の間にも静電容量Ｃｄが形成される。仮に信号発生電極兼用電源線２０の電位をΔＶだけ瞬間的に変化させると、これら３つの静電容量の合成容量［（１／Ｃ１＋１／Ｃ２）−１＋Ｃｄ］にΔＶを乗じた電荷量が信号検出電極２８に投入される。ここで、信号発生電極兼用電源線２０は入力面のほぼ全域に渡って形成されているが、信号検出電極２８は画素１箇所に存在するのみである。従ってＣ１≪Ｃ２となり、信号検出電極２８と信号発生電極兼用電源線２０間の合成容量は、ほぼ（Ｃ１＋Ｃｄ）に等しくなる。
【００２２】
以上の静電容量に関する考察を踏まえて、指紋画像入力時の回路動作を以下に説明する。図４（ｂ）のモード切り替え信号ＤＩＳＰをＬレベルに設定して画像入力モードとすると、Ｔｒ４がＯＦＦ、Ｔｒ５がＯＮとなり、全ての信号発生電極兼用電源線２０にはＣＨＡＲＧＥが印加される。また同時に、Ｔｒ７がＯＮとなって、画像入力用検出回路４の全てのアンプＡＭＰがそれぞれに対応するデータ線＃２ｍ〜＃２（ｍ＋１）に電気的に接続される。ここで図５のタイミングチャートに示すように、高周波信号ＣＨＡＲＧＥとして矩形波が全ての信号発生電極兼用電源線２０に印加される。ゲート線＃２ｎ〜２（ｎ＋１）の走査信号に同期して、リセット信号ＲＳＴがＨレベル、Ｔｒ８がＯＮとなり画像入力用検出回路４のアンプＡＭＰの出力がリセットされる。
【００２３】
まず、図５のタイミングチャートにおいてＲＯＷ＃２ｎ＋１がＨレベルになった瞬間に、画像入力用検出回路４の中のアンプＡＭＰは全てゲート線＃２ｎ＋１によって選択された信号検出電極２８に電気的に接続される。次の瞬間にリセット信号ＲＳＴがＬレベルになり、更にその次の瞬間に高周波信号ＣＨＡＲＧＥがΔＶだけ上昇する。このとき、個々のアンプの出力は、ゲート線＃２ｎ＋１によって選択された、それぞれに対応した信号検出電極２８に投入される電荷量(Ｃ１＋Ｃｄ)ΔＶに比例した電圧値となる。従って、入力画像データを得るには、これらのアンプの出力を外部の回路へ転送すればよいことになる。
【００２４】
これは、図５のタイミングチャートに示すように、画像入力用検出回路４の内部に備えたシフトレジスタ回路によって生成された読み出し走査信号ＣＬＭ＃２ｍ〜＃２（ｍ＋１）を、アンプＡＭＰの出力端に接続されたＴｒ９に順に与えることにより実現される。その結果、図５に示すように、ゲート線＃２ｎ〜２（ｎ＋１）が選択されたときの画像入力用検出回路４の出力ＯＵＴは、ゲート線＃２ｎ〜２（ｎ＋１）に近接した領域の指の凹凸情報を反映することになる。全てのゲート線についてこの動作を繰り返すことにより指の凹凸情報、即ち指紋画像が得られる。
【００２５】
次に、本発明の表示機能付き指紋画像入力装置の製造方法について説明する。図６〜図９は、本発明の第１の実施の形態の画素部の主な構成要素の製造工程を工程順に示す断面図〔各図において（ａ）にて示す〕と平面図〔各図において（ｂ）にて示す〕である。なお、断面図はＴｒ１、Ｔｒ３の付近の状態を分かりやすく図示したものであり、必ずしも実際のレイアウトに合致するようには描かれていない。製造工程は、ＴＦＴと検出素子を形成する前工程と、有機ＥＬ材料を用いて発光素子を形成する後工程とに大別される。ＴＦＴ製造工程では、様々な種類のＴＦＴを採用することができる。この実施の形態では、トップゲート型の多結晶シリコン(poly-Si)ＴＦＴの例を取り上げて説明する。
【００２６】
まず、タングステンシリサイド(WSi)等の高融点金属シリサイド材料を、ガラス等の透明基板１１上にスパッタ法等により成膜し、これをフォトリソグラフィ法によりパターニングして、遮光層１２を形成する。 WSiの場合は遮光層の厚さとして１００〜２００ｎｍもあれば十分である。
次に、酸素とシラン(SiH4)等のSiを含むガスとをプラズマ中で分解して基板上に堆積するＣＶＤ法等により、SiO2からなるバリア層１３を一面に形成する。これは、後続のプロセス中に透明基板１１の中に含まれる不純物元素がこれより上の層に拡散するのを防ぐための層で、厚さは３００〜５００ｎｍとする。
【００２７】
次に、poly-Si層の前駆膜であるアモルファスSi (a-Si)層を、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、スパッタ法等のいずれかの成膜方法により、厚さ１００ｎｍ程度に成膜する。これにエキシマレーザから数１０ｎｓの非常に短いパルス光を照射して瞬間的に溶融し、poly-Si層に改質する。このときの照射エネルギー密度が４００ｍＪ／ｃｍ２前後であると、特性の良いpoly-SiＴＦＴが得られることが知られている。このpoly-Si層をフォトリソグラフィ法によりパターニングしてＴＦＴ形成領域に島状poly-Si層を形成する。
【００２８】
次に、厚さ５０ｎｍ程度のSiO2膜を堆積してゲート絶縁膜１６を形成し、その上に厚さ２００ｎｍ程度のWSi層をスパッタ法等により形成し、フォトリソグラフィ法によりWSi層をパターニングしてゲート配線１７とゲート線１８を形成する。
次に、イオンドーピング法等により、島状poly-Si層に選択的に高濃度のリン(P)またはボロン(B)を導入する。その後に５００℃程度の温度に基板を加熱することにより、導入した不純物元素を活性化する。このときの不純物元素の濃度、加熱時間、温度等のプロセス条件は重要で、後の配線材料との間にオーミックコンタクトが得られるようにこれらのプロセス条件を決定する。こうして、高濃度に不純物がドーピングされた領域がソース・ドレイン領域１５となり、不純物元素がドーピングされていない領域はチャネル領域１４となる。
以上の工程により形成された状態が図６に示されている。なお、平面図ではＴＦＴ下にある遮光層と絶縁膜は図示されていない。ここで、Ｔｒ３のゲート電極となるゲート配線１７は、後にキャパシタＣの下部電極となる領域にまで引き延ばされている。
【００２９】
次に、SiO2等をプラズマＣＶＤ法等により全面に堆積して第１層間絶縁膜１９を形成する。この第１層間絶縁膜１９およびゲート絶縁膜１６にコンタクトホールを開けた後、Cr等の金属材料を堆積しこれをパターニングして、信号発生電極兼用電源線２０、ソース電極２１、２２およびデータ線２３を形成する。また、このときＴｒ２のソース領域とゲート配線１７との接続が達成される。以上の工程により、前工程のＴＦＴ製造工程が完了する〔図７〕。
【００３０】
後工程の製造工程では、まず、全面に第２層間絶縁膜２４を形成した後に、リソグラフィとエッチングによりソース電極２１、２２上等にコンタクトホールを開口し、インジウム錫酸化物(ＩＴＯ)を全面にスパッタし、再びリソグラフィとエッチングによりＩＴＯをパターン化して発光素子の下部電極(陽極)となる領域に透明電極２５を形成する。ここで透明電極２５として使用するＩＴＯは、シート抵抗２０Ω／□程度、厚さは１００ｎｍ程度とする。
【００３１】
次に、有機ＥＬ材料からなる発光材料層２６を形成する。発光材料層２６としては、発光材料層と正孔注入輸送層からなる２層構成、これに電子注入輸送層を加えた３層構成、更に金属電極との界面に薄い絶縁膜を配置した構成等が知られており、これらの構成のどれでも発光材料層２６として採用できる。即ち、図では単に発光材料層２６として示してあるが、多層膜によって構成されることが可能な有機膜である。発光材料層２６の製造方法は、スピン塗布法、真空蒸着法、インクジェット印刷法等が知られており、それぞれの製造方法に対応して、高分子系か低分子系か等の有機ＥＬ材料の選択、下地の構造、上部電極の製造方法等の製造条件が決められる。
【００３２】
この実施の形態においては、発光材料層２６は、正孔注入輸送層の材料としては、トリアリールアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ポルフィリン誘導体等を、発光材料層の材料として、８-ヒドロキシキノリンおよびその誘導体の金属錯体、テトラフェニルブタジエン誘導体、ジスチリルアリール誘導体等をそれぞれ真空蒸着法により各々５０ｎｍ程度の厚さに積層して形成したものを用いることができる。
尚、図においては、発光材料層２６が透明電極２５をほぼ覆うようにパターン化されて描かれているが、これらの発光材料層２６は絶縁材料なので、必ずしもパターン化は必要ではなく、全面を覆っていても構わないこともある。但し、カラーディスプレイへ応用するには少なくとも３種類の発光材料層とその分離が必要であるので、発光材料層２６のパターン化が必要となる〔図８〕。
【００３３】
次に、発光素子の陰極として、アルミニウム−リチウム合金ＡｌＬｉ等の仕事関数が低い材料を、金属のシャドウマスクを通して厚さ２００ｎｍ程度に真空蒸着する等して、発光素子の陰極となるＧＮＤ線２７を形成する。このとき、同時にＴｒ１側には信号検出電極２８が形成される。発光素子の陰極に用いられる材料は、仕事関数が低い外に光の反射率が高いことがより好ましい。最後に、プラズマＣＶＤ法等の成膜方法により、全面にSiON、SiNx、SiO2等の無機材料を約１μmの厚さに堆積して保護層２９を形成する。これらの無機材料に加えて、エチレン・ビニルアルコール・コポリマー、シラン変性フッ素樹脂、等の酸素透過度の低い有機材料を用いて保護層２９を形成してもよい〔図９〕。
【００３４】
以上に説明したように、この実施の形態の構成では、発光素子から放射された光の殆ど１００％を表示に用いることができる。従って、ガラス等の透明基板に形成した指紋画像入力装置を液晶ディスプレイ等の表示装置に積層した構成の積層型表示／画像入力装置に比較して、光利用効率が高く、その結果として消費電力が小さいという効果が得られる。更に、前述のように、指紋画像入力に必要な構成要素と画像表示に必要な構成要素とに配線の一部を共有させることにより、配線の占める面積を低減している。その結果、発光素子の面積を大きくすることができ、明るい表示を実現できる。
【００３５】
また、本発明の装置の厚さは殆ど基板の厚さで決まり、通常のＴＦＴ工程で用いられるガラス基板を用いる場合には約０．７ｍｍの厚さになる。すなわち、従来技術による積層型表示／画像入力装置の厚さが２．４ｍｍ程度であるのに比べて大幅な薄型化が達成されている。これは、本構成を携帯機器などに内蔵する場合に大きな利点になる。また、積層型表示／画像入力装置では、ＴＦＴ方式の液晶ディスプレイを採用する場合、指紋画像入力装置のためにもＴＦＴを多数配列した透明基板が必要となるため、ＴＦＴの製造工程を経た基板が合計２枚必要となる。これに対して、本発明の構成ではＴＦＴ製造工程を経た基板は１枚のみで足りる。従って、本発明によれば製造コストを大幅に削減することができる。
【００３６】
(第２の実施の形態)
第１の実施の形態においては、信号発生電極として電源線を用いたが、装置のほぼ全面に形成された配線は電源線の他にもＧＮＤ線とゲート線とがある。第２の実施の形態においては、ＧＮＤ線を信号発生電極として兼用する。
図１０（ａ）は、本発明の第２の実施の形態において形成される静電容量を説明する断面図である。ここでもＣ１は指Ｆと信号検出電極２８との間に形成される静電容量である。この実施の形態では、指Ｆと信号発生電極兼用ＧＮＤ線２７ａとの間に静電容量Ｃ２が形成される。また、静電容量Ｃｄは信号発生電極兼用ＧＮＤ線２７ａと信号検出電極２８との間の静電容量である。
図１０（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態の構成を示す回路図である。本実施の形態の第１の実施の形態と異なる点は、電源線２０ａには常に電源電圧ＰＯＷＥＲが印加され、信号発生電極兼用ＧＮＤ線２７ａには、表示モードか画像入力モードかに応じてグランド電圧ＧＮＤか高周波信号ＣＨＡＲＧＥのいずれかが印加されるという点だけである。従って、その動作は第１の実施の形態と殆ど同様であり、その説明において信号発生電極兼用電源線を信号発生電極兼用ＧＮＤ線と読み変えればよい。
【００３７】
(第３の実施の形態)
第３の実施の形態においては、ゲート線を信号発生電極として使用する。図１１（ａ）は、本発明の第３の実施の形態において形成される静電容量を説明する断面図である。ここでもＣ１は指Ｆと信号検出電極２８との間に形成される静電容量である。この実施の形態では、Ｃ２は指Ｆと特定のゲート線１８との間に形成される静電容量である。また、静電容量Ｃｄはこの特定のゲート線１８と信号検出電極２８との間の静電容量である。
図１１（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態の構成を示す回路図である。本実施の形態回路は、第１の実施の形態と異なり、電源線２０ａとＧＮＤ線２７には常に一定の電位が印加されている。この実施の形態では、ゲート線１８に印加される行走査信号の波形に特徴があり、図１２のタイミングチャートに示すように、隣り合うゲート線には互いにパルス幅の１／２ずつ重なり合う走査信号が印加される。
【００３８】
図１２は、本発明の第３の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。動作は以下の通りである。ゲート線＃２ｎがＨレベルのときには、画像入力用検出回路４のアンプＡＭＰは全てゲート線＃２ｎによって選択された信号検出電極２８に電気的に接続されている。更に次のゲート線＃２ｎ＋１がＨレベルになった瞬間に、ゲート線＃２ｎ＋１と指との間の静電容量Ｃ２と、指と信号検出電極との間の静電容量Ｃ１と、ゲート線＃２ｎ＋１と信号検出電極との間の静電容量Ｃｄとの合成容量を介して、ゲート線＃２ｎによって選択された信号検出電極へゲート線＃２ｎ＋１から電荷が投入される。
【００３９】
第１、第２の実施の形態と同様にＣ１≪Ｃ２であるので、個々のアンプの出力は電荷量(Ｃ１＋Ｃｄ)ΔＶに比例した電圧値となる。従って、前述の実施の形態と同様にしてこれらのアンプの出力を外部の回路へ転送することにより、ゲート線＃２ｎに近接した領域の指の凹凸情報が得られる。全てのゲート線についてこの動作を繰り返すことにより指の凹凸情報、即ち指紋画像が得られる。本実施の形態では、高周波信号ＣＨＡＲＧＥを省略するとともにＣＨＡＲＧＥと定電位との選択を行うためのスイッチングトランジスタ（Ｔｒ４、Ｔｒ５）を省略し、隣り合うゲート線に印加される走査信号が互いにパルス幅の１／２ずつ重なるようにして、その切り替わりのタイミングで、信号検出電極の合成容量に応じた電圧を読むようにしたものである。従って、本実施の形態によれば、より簡素な構成により表示機能付き指紋画像入力装置を実現することができる。
【００４０】
(第４の実施の形態)
以上に説明した実施の形態においては、発光素子は透明基板の方向へ光を発するように構成されていた。従って、表示面は指紋を入力する面と反対側の面になる。後述するように、応用形態によっては同じ面で画像表示と指紋画像入力を実現したい場合がある。有機ＥＬ材料を挟む透明電極と金属電極の配置を入れ替えて上面発光型の素子を形成すれば、そのような装置を実現することができる。
図１３は、本発明の第４の実施の形態の平面図と断面図である。ここで、第１の実施の形態と同一の機能を有するものには同一の参照番号が付されている。
【００４１】
図１３の断面図において、絶縁性基板１１ａ上に形成される発光素子１は、金属電極３０、有機ＥＬ材料層２６、透明電極２５の順に積層されて形成される。ここで光は透明電極２５へ発せられるので、基板は透明である必要は無い。また透明電極２５はＧＮＤ線を兼ねている。従って、回路的には前述の実施の形態の場合と同様の構成である。
【００４２】
（第５の実施の形態）
以上に説明した実施の形態においては、発光素子はＧＮＤ線側に接続される構成となっていたが、電源線側に接続することもできる。この第５の実施の形態においては、第４の実施の形態と同様に画像表示面と指紋画像入力面とを一致させた構成を、発光素子を電源線側に接続するものにおいて実現している。
図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明の第５の実施の形態の主要部を示す平面図と回路図と断面図である。ここで、第４の実施の形態と同一の構成要素には同一の番号が付されている。図１４に示されるように、第５の実施の形態においては、Ｔｒ３のソースには信号発生電極兼用ＧＮＤ線２７ｂが接続される。そして、この信号発生電極兼用ＧＮＤ線２７ｂとゲート配線１７との重なり部において、第１層間絶縁膜１９を誘電体層としてキャパシタＣが形成されている。また、発光材料層２６の下層には陰極となる金属電極３０が形成され、素子の上層には陽極となる透明電極２５が形成されている。この透明電極２５は行方向の延びて電源線２０ａとなっている。すなわち、本実施の形態においては、ＧＮＤ線が列方向に延在しており、電源線２０ａが行方向に延在している。
本実施の形態の動作は、第２の実施の形態のそれと同様である。
【００４３】
本実施の形態においては、ＧＮＤ線が信号発生電極を兼ねていたが、電源線（透明電極）に信号発生電極を兼ねさせるようにしてもよい。また、電源線とＧＮＤ線とにモード切り替えに関係なく一定電位を印加するようにし、画像入力モードにおいては、図１２に示されるように、隣り合うゲート線に印加される走査信号が互いにパルス幅の１／２ずつ重なるようにして、指紋画像を得るようにしてもよい。
また、発光素子が電源線側に接続される場合においても、上部電極を金属電極、下部電極を透明透明電極として基板裏面側へ表示光が放出されるようにしてもよい。
【００４４】
(第６、第７の実施の形態)
本実施の形態の表示機能を内蔵した画像入力装置は薄型で光の利用効率が高いので、携帯電話のような携帯機器への搭載に有利である。図１５、図１６は、それぞれ本発明の第６、第７の実施の形態を示す指紋画像入力装置を搭載した携帯電話の斜視図である。
第６の実施の形態では、図１５に示すように、折畳式の携帯電話３１のカバー側の筐体に、電話を折り畳んだ状態で指紋の画像入力面３２が外側に、表示面３３が内側になるように、本発明に係る表示機能付き指紋画像入力装置を実装している。これにより以下の使い方が可能になる。例えば、電話を折り畳んだ状態で入力面に指を密着させて指紋画像を入力し、電話の持ち主と照合された場合に限り、電話を使用可能とする。あるいは、携帯電話を通して各種のサービスの提供を受けるときに、サービスを提供する側が課金する際の個人の認証に指紋を用いることができる。
更に、指紋を様々な決済の手段として用いることも可能である。表示面と入力面が別になっているので、表示面に指を密着させる必要が無い。従って、残留指紋により表示の画質が劣化するという問題を回避できる。
【００４５】
第７の実施の形態では、表示面と指紋画像入力面とが一致している表示機能付き指紋画像入力装置を携帯電話に実装している。すなわち、本実施の形態では、図１６に示すように、折畳式の携帯電話３１のカバー側の筐体に、電話を折り畳んだ状態で画像入力面兼用表示面３４が内側になるように、本発明に係る表示機能付き指紋画像入力装置を実装している。このように、表示面と指紋画像入力面が一致している場合には、表示した指の図形に実際の指を重ねるという動作により指紋入力の動作を確実にすることができる。従って、指紋画像入力の安定性が増し、個人認証の精度が向上する可能性がある。なお、このような機能は、表示された指の図形に実際の指を重ねた状態で画像モードに切り替えることにより、若しくは表示モードと画像入力モードとに交互に高速に切り替えることによって実現することができる。
【００４６】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、これら実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することのない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、本発明の第１の実施の形態においては、２００ppi（７．８７pixel/ｍｍ)のカラー表示と４００dpi（１５．７５dot/ｍｍ）の指紋画像入力を実現する例を挙げたが、表示と画像入力の解像度および画素レイアウトはこれらの例に限られるものではなく、画素レイアウトを工夫することにより様々な解像度の組合せが実現できる。
【００４７】
また、以上では、トップゲート型のpoly-Si TFTの例を挙げて説明したが、その逆の、ボトムゲート型poly-Si TFTを用いて回路を構成してもよい。あるいは、液晶ディスプレイで多用されているa-Si TFTを用いてもよい。但し、a-Siにおけるキャリア移動度はpoly-Si の１／１００程度なので、特に発光素子に電流を供給するＴＦＴとして用いる場合には、その抵抗を十分に低くするためにＴＦＴの幅を大きく設定したり、ゲート絶縁膜の厚さを低減する等の設計上の工夫が必要になる。
【００４８】
また、以上では、表示用駆動回路２等を、poly-Si ＴＦＴを用いて透明基板１１上に形成する構成を説明したが、駆動回路、検出回路の実装形態はこれに限るものではない。例えば、ＴＡＢ (Tape Automated Bonding)接続、ＣＯＧ (Chip On Glass) 接続として、液晶ディスプレイの製造工程等で一般的に実施されているように、同様の機能を結晶半導体で形成した集積回路により実現し、この集積回路を透明基板１１上に固定して電気的に接続してもよい。
【００４９】
また、以上では３色の発光材料を正方配置する構成を示したが、各色をストライプ状に配置する構成も採用することができる。また、カラーフィルタと白色発光材料とを組合せる構成、あるいは、青色発光材料と色変換材料とを組合せる構成を採用してもカラー表示を実現できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による指紋画像入力装置は、発光素子から放射された光の略１００％を表示に用いることができるので、光利用効率が高く、その結果として消費電力を低く抑えることができる。更に、指紋画像入力に必要な構成要素と画像表示に必要な構成要素とに必要な配線の一部を共有させることにより、配線の占める面積を低減することが可能になり、その結果、発光素子の面積を大きくすることができ、明るい表示を実現できる。
また、本発明の装置の厚さは殆ど基板の厚さで決まり、通常のＴＦＴ工程で用いられるガラス基板を用いる場合には約０．７ｍｍの厚さにすることが可能であり、大幅な薄型化を達成することができる。この薄型化は、表示機能付き指紋画像入力装置を携帯機器などに内蔵する場合に大きな利点になる。
また、高画質の画像表示が可能なＴＦＴ方式のディスプレイを採用する場合、本発明によれば、ＴＦＴ製造工程を１枚の基板に対して行うのみで足りるため、製造コストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の斜視図。
【図２】  本発明の第１の実施の形態の基本単位を示す平面図と回路図。
【図３】  本発明の第１の実施の形態の主要部の断面図。
【図４】  本発明の第１の実施の形態において形成される静電容量を説明する断面図と回路図。
【図５】  本発明の第１の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図６】  本発明の第１の実施の形態の主要部の一製造工程段階を示す断面図と平面図（その１）。
【図７】  本発明の第１の実施の形態の主要部の一製造工程段階を示す断面図と平面図（その２）。
【図８】  本発明の第１の実施の形態の主要部の一製造工程段階を示す断面図と平面図（その３）。
【図９】  本発明の第１の実施の形態の主要部の一製造工程段階を示す断面図と平面図（その４）。
【図１０】  本発明の第２の実施の形態において形成される静電容量を説明する断面図と回路図。
【図１１】  本発明の第３の実施の形態において形成される静電容量を説明する断面図と回路図。
【図１２】  本発明の第３の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図１３】  本発明の第４の実施の形態の主要部の平面図と断面図。
【図１４】  本発明の第５の実施の形態の主要部の平面図と回路図と断面図。
【図１５】  本発明の第６の実施の形態を示す携帯電話の斜視図。
【図１６】  本発明の第７の実施の形態を示す携帯電話の斜視図。
【図１７】  従来の静電容量検出方式の指紋画像入力装置の斜視図。
【図１８】  従来の静電容量検出方式の指紋画像入力装置の概略構成図。
【図１９】  従来の静電容量検出方式の指紋画像入力装置において形成される静電容量を説明する断面図。
【符号の説明】
１、１(R)、１(G)、１(B)  発光素子
２  表示用駆動回路
３  表示／画像入力用駆動回路
４  画像入力用検出回路
１０  表示機能付き指紋画像入力装置
１１  透明基板
１１ａ  絶縁性基板
１２  遮光層
１３  バリア層
１４  チャネル領域
１５  ソース・ドレイン領域
１６  ゲート絶縁膜
１７  ゲート配線
１８  ゲート線
１９  第1層間絶縁膜
２０  信号発生電極兼用電源線
２０ａ  電源線
２３  データ線
２４  第２層間絶縁膜
２５  透明電極
２６  発光材料層
２７  ＧＮＤ線
２７ａ、２７ｂ  信号発生電極兼用ＧＮＤ線
２８  信号検出電極
２９  保護層
３０  金属電極
３１  携帯電話
３２  画像入力面
３３  表示面
３４  画像入力面兼用表示面
１００  信号発生・検出基板
１０１  絶縁性基板
１０２  信号発生電極
１０３  信号検出電極
１０４  ゲート電極用配線
１０５  ドレイン電極用配線
１０６  第１絶縁層
１０７  第２絶縁層
１０８  高周波発生源
１０９  シフトレジスタ回路
１１０  信号検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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