DE2210387A1

DE2210387A1 - Anzeigeschirm mit einer fluessigkristallschicht und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2210387A1
Application number: DE19722210387
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Phys Krueger; Heinrich Dr Rer N Schloetterer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1973-09-13
Also published as: IT979532B; LU67139A1; JPS48104561A; BE796223A; NL7302894A; DE2210387C3; CH554575A; DE2210387B2; FR2175432A5

Description

SIEKEHS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den ^; Berlin und München Witteisbacherplatz 2

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Anzeigeschirm mit einer Flüssigkristallschicht und Verfahren zu dessen Herstellung .

Die Erfindung betrifft einen Anzeigeschirm, bestehend aus einer .flüssigkristallinen Schicht mit einem ersten Leiterbahnsystem auf einer Seite der Schicht und einem zweiten zu dem ersten senkrecht stehenden Leiterbahnsystem auf der anderen Seite der Schicht und einer dazwischenliegenden Diodenanordnung.

Ein Flüssigkristall ist eine organisch-chemische Substanz, die im interessierenden Zustand flüssig ist, aber im Gegensatz zu den Flüssigkeiten des täglichen Lebens gewisse Eigenschaften von Kristallen aufweist. Sie ist einer, in manchen Fällen auch mehrerer Zwischenphasen i^-ischen dein festen kristallinen Zustand einerseits und dem isctropf&üssigen Zustand andererseits fähig (smektische, nematische, cholesterisch^ Mesophase). Im folgenden sollen nur nematische und cholesterische Flüssigkeiten betrachtet werden. Bei diesen Flüssigkeiten sind eine Reihe von elektrooptischen Effekten bekannt, die beim Aufbau von Flüssigkristall-Matrixbildschirmen Anwendung finden können. Dazu gehören die dynamische Streuung, welche von G.H. Heilmeier, L.A. Zanoni u. I.A. Barton in Proc. IEEE 56, 1968 ausführlich beschrieben ist.

Ein weiterer in Betracht kommender elektrooptischer Effekt ist der Speichereffekt. Eine ursprünglich transparente Schicht (planare cholesterische Textur) bestehend aus einer Mischung einer nematischen und einer cholesterischen Substanz wird beim Anlegen einer elektrischen Gleichspannung milchig trüb. (Entstehung einer fokal konischen Textur). Dieser Zustand ist

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metastabil und kann durch Anlegen einer NF-Spannung genügend hoher Frequenz v/ieder in den transparenten Zustand übergeführt werden. Als Flüssigkristalle eignen sich z.B. Mischungen von MBBA mit 8$t Cholesterylchlorid bzw. N IV mit 8 % Cholesterylchlorid. Einzelheiten sind in Appl. Phys. Letters 13, 132 - 133 (1968), Proc. IEEE, 57, 34 (1969) von G.H. Heilmeier, J.E. Goldmacher beschrieben worden.

Eine nematische Flüssigkristallschicht kann durch geeignete Vorbehandlung der Glasplatten, zwischen denen sie sich befindet, so ausgerichtet werden, daß die Moleküllängsachsen des Flüssigkristalls entweder parallel oder senkrecht zu der Glasoberfläche stehen. Im elektrischen Feld werden die Moleküllängsaohsen gedreht. Zusätzlich kann bei höheren Feldstärken eine Domänenbildung bzw. die dynamische Streuung auftreten. Die Änderung der Transmissionseigens.chaften der Flüssigkristallschicht mit und ohne angelegtes elektrisches Feld zwischen Polarisatoren kann in Displays ausgenutzt werden. Als Flüssigkristalle eignen sich z.B. MBBA, N IV und PEBAB. Dieser Orientierungseffekt wurde von R.A. Soref in Laser Focus 45 - 49, Sept. 1970 beschrieben.

G.H. Heilmeier, L.A. Zanoni berichtet in Appl. Phys. Letters 13, 91 (1968), daß ein Farbeffekt beobachtet wird, wenn in einer nematischen Flüssigkeit dichroitische Farbstoffe gelöst sind. Durch Ausrichtung der Moleküle der nematischen Flüssigkeit in einem elektrischen Feld wird der dichroitische Farbstoff mit ausgerichtet. Da die Absorption in einem dichroitischen Farbstoff eine Funktion der Orientierung der Moleküllängsachse zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes ist, kann durch ein elektrisches Feld die Farbe der nematischen Schicht geändert werden.

Aus einem neueren Artikel von M.Schadt u. W.Helfrich (Appl. Phys. Letters 18 (1971) 127) ist die spannungsabhängige optische

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Aktivität einer verdrillten nenatischen Flüssigkristallschicht bekannt. Zwischen.:zwei Glasplatten befindet sich eine Flüssigkristallschicht. Die Flüssigkristallinoleküle sind parallel zu den Glasplatten orientiert, wobei sich die Orientierungsrichtung der Moleküle von Glasplatte zu Glasplatte um 90° ändert. Die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, das senkrecht auf die Glasplatte auftrifft, wird dadurch ebenfalls um 90° gedreht. Wenn die Flüssigkristallmoleküle eine positive DK-Anisotropie besitzen, werden in elektrischen Feldern genügender Feldstärke die S'lüssigkristallmoleküle praktisch parallel zum elektrischen Feld stehen. Die Polarisationsebene von Licht, das senkrecht auf die Platten auftrifft, wird nicht mehr gedreht. Als Flüssigkristall eignet sich z.3. PEBAB
( n(4'- äthoxybenzyliden) 4-amino-benzonitrid).

Auf Grund dieser Eigenschaften der flüssigen Kristalle kann eine Schicht eines Flüssigkristalles als Bildschirm verwendet werden. Ein solcher Bildschirm kann insbesondere zwei auf beiden Seiten der Flüssigkristallschicht angeordnete Trägerplatten umfassen, auf deren Innenseiten je ein System paralleler Leiterbahnen angeordnet ist, wobei das auf der einen Trägerplattenoberfläche angeordnete Leiterbahnsystem auf deia auf der anderen Trägerplatte angeordneten Leiterbahnsystem senkrecht steht. V/ird an eine waagrechte und eine senkrechte Leiterbahn eine elektrische Spannung angelegt, so entsteht am Kreuzungspunkt ein elektrisches Feld, das sich durch die Flüssigkristallschicht hindurch erstreckt, die en dieser Stelle dadurch ihr elektrooptisches Verhalten ändert.

Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht jedoch darin, daß nicht nur an dem ausgewählten Kreuzungspunkt, sondern wegen des bekannten Übersprechens, auch an anderen Kreuzungspunkten ein elektrooptischer Effekt auftritt, da hier' maximal die Hälfte der Ansteuerungsspannung abfällt. iTun zeich-

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nen sich alle aufgeführten Effekte durch ein gewisses Schwellverhalten aus: d.h. unterhalb einer Schwellfeldstärke E^, tritt kein elektrooptischer Effekt auf, während oberhalb der Schwellfeldstärke ein mehr oder minder starker elektrooptischer Effekt einsetzt, der bei einer Feldstärke E_g seine Sättigung erreicht. Für den Aufbau einer Matrix ohne Entkopplungselemente ist es nun wesentlich, daß E™ > %„/ 2 ist, da dann ein Übersprechen in der Matrix vermieden werden kann. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, daß die Ansprechzeiten für den elektrooptischen Effekt bei Eg schnell genug sind, so daß möglichst viele Bildpunkte bzw. Bildzeilen in der Zeiteinheit angesteuert werden können. Für Katrixsysteme mit sehr vielen Bildpunkten und großer Bildwiederholfrequenz können mit den heute bekannten flüssigen Kristallen und elektrooptischen Effekten mit flüssigen Kristallen beide Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllt v/erden, so daß zusätzliche externe Entkopplungseinrichtungen vorgesehen werden müssen.

Zur Entkopplung einer Flüssigkristall-Matrix ist vorgeschlagen worden, daß zwischen der Flüssigkristallschicht und den Leiterbahnen des einen Leiterbahnsystems eine Schicht aus ferroelektrischem Keramikmaterial angeordnet wird, die eine variable, durch die Größe des angelegten Feldes steuerbare Kapazität darstellt.

Der unerwünschte elektrooptische Effekt an nicht angesteuerten Punkten kann auch durch den Einbau von Dioden verhindert werden. B.J. Lechner u.a. (Liquid Crystal Matrix Displays, IEEE International Solid-state Circuits Conference, 1969 52 f) hat eine 2 χ 18 Matrix angegeben, bei der Jedem Matrixpunkt je eine Diode zugeordnet ist, die alle außerhalb des Anzeigeschirms angeordnet sind. Der Aufbau eines Anzeigeschirms mit einer Vielzahl von Zeilen und Spalten ist auf diese Weise jedoch sehr umständlich und unwirtschaftlich; die Dioden und ihre Anschlüsse benötigen außerdem sehr viel Raum.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen großflächigen Flüssigkristallanzeigeschirm anzugeben, bei dem nur an den angesteuerten Punkten eleittrcoptische Effekte auftreten, der mit hoher Geschwindigkeit angesteuert und der mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Diodenanordnung in Form einer integrierten Diodenmatrix ausgebildet und zwischen dem ersten Leiterbahnsystem und der flüssigkristallinen Schicht angeordnet ist. Die beiden Leiterbahnsys t eise sind auf Je einem Isolator träger angeordnet.

Der Isolatorträger, der die Diodenmatrix trägt, besteht vorzugsweise aus Spinell, Saphir, Glas oder einem hochohmigen Halbleiter. Der andere Isolatorträger und das Leiterbahnsystem darauf müssen lichtdurchlässig sein. Diese Leiterbahnen v/erden deshalb vorzugsweise aus einer transparenten elektrisch/ieitenden Schicht aus Zinnoxid oder Indium : id bestehen. — ■

Es ist von Vorteil, eine Diodenschicht vom p-n oder Schottkytyp aufzubauen, wobei die p-oder die n- Teilschichten streifenförmig ausgebildet sind. Diese Halbleiterstreifen bilden das erste Leiterbahnsystem. Es besteht vorzugsweise aus Si und ist mit Phosphor oder Antimon dotiert, wenn es vom η-Typ sein soll, oder ist' mit Bor, Aluminium dotiert, wenn es vom p-Typ sein soll.

Weiterhin sind zwischen den Dioden und der flüssigkristallinen Schicht Metallspiegel, z.B. Aluminiumspiegel oder Chromspiegel, angeordnet. Vorteilhafterveise sind diese als Elektroden wirkenden Spiegel voneinander und die Halbleiterstreifen von der flüssigkristallinen Schicht durch Isolierschichten getrennt. Die Isolierschichten bestehen vorzugsweise aus Siliziumoxid bzw. Siliziumnitrid. Sie ergeben außerdem eine ebene Unterlage für die Spiegel.

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Der Sinn dieses Aufbaus und die Wirkungsweise dieses Anzeigeschirms wird an Hand der folgenden Figuren noch näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen einfachen Anzeigeschirm mit flüssigen Kristallen, Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines solchen Anzeigeschirms, Fig. 3 das Ersatzschaltbild eines Anzeigeschirms mit einer

integrierten Diodenschicht,
Fig. 4 den Aufbau eines Anzeigeschirms mit einer integrierten

Diodenschicht und
Fig. 5 ein Schnittbild zu Figur 4.

Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Anzeigeschims, der mit flüssigen Kristallen arbeitet. 1 und 2 bedeuten zwei Trägerplatten, z.B. aus Glas, auf deren Innenseiten sich Je ein System von parallelen Leiterstreifen 3 und 4 befindet. Zwischen diesen Trägerplatten mit ihren Leiterstreifen ist der flüssige Kristall 5 angeordnet.

In dem Ersatzschaltbild einer Matrix der Figur 2 sind die Leiterbahnen der beiden Systeme x., bis χ und y₁ bis y aufgetragen. Zwischen den beiden senkrecht aufeinanderstellenden Leiterbahnen bestehen sowohl Kapazitäten C₁₁ bis c als auch infolge der vorhandenen Leitfähigkeit des Flüssigkristalls eine galvanische Kopplung in Form der Kopplungsv/iderstände T₁₁ bis r . Wird nun durch Anlegen einer Potentialdifferenz U zwischen die Leiterbahnen x₂ und y₂ der Kreuzungspunkt dieser beiden Leiterbahnen angesteuert, so erhalten alle übrigen Kreuzungspunkte der Leiterbahn X₂ mit den Leiterbahnen y, und der Leiterbahn y₂ mit den Leiterbahnen x. ebenfalls, wenn auch geringere, Potentialdifferenzen S. U/2. Der elektrooptische Effekt wird deshalb nicht nur an dem Kreuzungspunkt Xo^v2' ^sondern auch in geringerem Maße an den Kreuzungspunkten Xp^vv- ^un(* ^xi^v2 (^ f ^) auftreten. Am angesteuerten Kreuzungspunkt wird beispielsweise ein Strom durch r₂₂ in der eingezeichneten Richtung fließen. Aber

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ebenso wird zwischen den Leiterbahnen y^ und Xp ein Strom über die Widerstände r?3' ^ri3 ^{und r}12 il^ießen· Diese drei Widerstände werden jedoch nicht in der gleichen Richtung vom Strom durchflossen. Allgemein gilt, daß die parasitären Ströme immer über mehrere Widerstände fließen, wobei die Stromrichtung in mindestens einem Widerstand entgegengesetzt ist zu der durch die anderen.

Um diesen Störeffekt der Ansteuerung von nicht gewünschten Kreuzungspunkten zu vermeiden, werden vor alle Kreuzungspunkte Dioden geschaltet, die bekanntlich den Strom nur in einer Richtung durchlassen. Außerdem werden mit Dioden die in Figur 2 und 3 gezeichneten Kapazitäten c..., bis c mit kurzen Impulsen aufgeladen, wobei sich die Kapazitäten dann langsam (mit der Zeitkonstanten RC) über die Plüssigkristallschicht entladen. Dadurch wird es möglich, den Bildschirm mit Impulsen einer Impulsdauer anzusteuern, die weit unterhalb der Ansprechzeit des flüssigen Kristalls liegt. Man erhält so einen Bildschirm mit schneller Einschreibgeschwindigkeit. Die Anforderungen an die Sperreigenschaften der verwendeten Dioden sind dabei sehr groß, da

1. der Flüssigkristall sehr hochohmig ist und sich das Flüssigkristallelement im wesentlichen nur durch den Flüssigkristall entladen darf,

2. beim möglichen Übersprechen viele in Sperrichtung liegende Dioden parallel geschaltet sind. Um kapazitives Übersprechen zu vermeiden, ist die Kapazität der Dioden hinreichend klein.

Die Figur 4 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Anzeigeschirmes, welcher der Übersichtlichkeit halber mit jeweils nur drei Leiterbahnen in jedem Leiterbahnsystem gezeichnet wurde·.· Zu der Figur 5 ist ein zugehöriges Schnittbild in Höhe des Pfeiles dargestellt. Die erste Trägerplatte 1 besteht aus dem Isolatormaterial Spinell. Auf ihr sind die drei Leiterbahnen 2, 3 und 4 angeordnet, von denen jede nehrere Seitenarme 5 auf-

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weist. Diese Leiterbahnen 2, 3» 4 sowie ihre Seitenarme 5 bestehen aus Silizium. Die geradlinig von rechts nach links durchlaufenden Teile der Leiterbahnen sind durch Eindiffusion von Phosphor η-leitend gemacht, die Seitenarme der Leiterbahnen durch Eindiffusion von Bor p-leitend. Zwischen diesen beiden hochdotierten Gebieten wird ein geringer dotiertes Gebiet ausgebildet, so daß eine n⁺pp⁺-Diodenanordnung entsteht, welche eine hohe Sperrwirkung aufweist. Zwischen den Leiterbahnen 2, 3 und 4 sind Aluminiuinspiegel 6 angeordnet. Zur Isolation der Leiterbahnen 2, 3und 4 bzw. Spiegel 6 gegenüber einer Plüssigkristallschicht ist auf den bisher geschilderten Teil der Anordnung eine Isolationsschicht 7 aus Siliziumnitrid aufgebracht worden, welche die ganze Fläche mit Ausnahme dor Kontaktöffnungen 11 über den Seitenarmen 5 überdeckt. Anschliessend an diese Isolatorschicht 7 bzw. die Aluminiumspiegel 6 ist eine Plüssigkristallschicht 8 angeordnet. An die Flüssigkristallschicht 8 anschließend folgt wiederum eine Trägerplatte 9, auf deren Unterseite ein weiteres System von Leiterbahnen 10 aus Zinndioxid so angeordnet ist, daß die Leiterbahnen 10 genau über die Spiegel 6 hinweggeführt sind.

Der so entstandene Anzeigeschirm enthält integriert angeordnete Dioden, die alle den Strom in der gleichen Richtung durchlassen. Bei Ansteuerung vorgegebener Elektroden der beiden Leiterbahnsysteme entsteht nur an den ausgewählten Kreuzungspunkten der Leiterbahnen der gewünschte elektrooptische Effekt.

9- Figuren
H Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

,j Anzeigeschirm bestehend aus einer flüssigkristallinen Schicht mit einem ersten Leiterbahnsystem auf einer Seite der Schicht und einem zweiten zu dem ersten senkrecht stehenden Leiterbahnsystem auf der anderen Seite der Schicht und einer Diodenanordnung, dadurch ge kennzeich net , daß die Diodenanordnung in Form einer integrierten Diodenmatrix ausgebildet und zwischen dem ersten Leiterbahnsystem und der flüssigkristallinen Schicht angeordnet ist.
2. Anzeigeschirm nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die beiden Leiterbahnsysteme auf je einem Isolatorträger angeordnet sind.
3. Anzeigeschirm nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß mindestens ein Isolatorträger aus Spinell, Saphir oder Glas oder aus sehr hochohmigem oder ßemiisolierendem Halbleitermaterial besteht.
Anzeigeschirm nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Dioden vom p-n-Typ sind, wobei die p- oder n-Teilschicht streifenförmig ausgebildet ist, und daß diese Halbleiterstreifen das erste Leiterbahnsystem bilden.
5. Anzeigeschirm nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Leiterstreifen aus hochdotiertem Silizium bestehen.
6. Anzeigeschirm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet _s daß die p-n- Diodenschicht ein schwach dotiertes Gebiet zwischen den hochdotierten p⁺- und n⁺ - Bereichen aufweisen.

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7. Anzeigeschirm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Diodenanordnung mit Schottky-Dioden ausgebildet ist.
8. Anzeigeschirm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Dioden und der flüssigkristallinen Schicht Aluminium- oder Chromspiegel angeordnet sind.
9. Anzeigeschirm nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Halbleiterstreifen von der flüssigkristallinen Schicht durch Isolierschichten getrennt sind.
10. Anzeigeschirm nach Anspruch 9» dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Isolierschichten aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen.
11. Verfahren zur Herstellung eines Anzeigeschirmes nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Leiterbahnsystem aus einem für einen Leitfähigkeitstyp dotierten Halbleitermaterial aufgebaut wird und daß an den Kreuzungspunkten zur Bildung der Dioden eine Dotierung für den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp vorgenommen wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Anzeigeschirms nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem einen Isolatorträger Siliziumleiterstreifen und Diodenbereiche über eine Maske aufgebracht werden. ·
13. Verfahren zur Herstellung eines Anzeigeschirms nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet , daß auf dem Isolatorträger eine Siliziumschicht aufgedampft wird und die zwischen den für die Leiterbahnen und Dioden vorgesehenen Streifen befindlichen Teile der Siliziumschicht durch Ätzen entfernt werden.

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14. Verfahren zur Herstellung eines Anzeigeschirms nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet , daß neben "bzw. auf diesen Leiterstreifen an den Kreuzungspunkten durch epitaxiales Wachstum eine Siliziumschicht mit einer entgegengesetzten Dotierung aufgebracht wird.

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