DE3686351T2

DE3686351T2 - Fluessigkristallanzeigevorrichtung.

Info

Publication number: DE3686351T2
Application number: DE8686303579T
Authority: DE
Inventors: Mitsuya Suzuki
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2006-05-13
Also published as: JPS61260219A; DE3686351D1; EP0202092B1; CA1258547A; US4871234A; EP0202092A3; JPH0617957B2; EP0202092A2

Description

Die Erfindung bezieht sich generell auf Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen beispielsweise zur Verwendung als Anzeigeschirme von Meßinstrumenten, Armaturenbrettern von Motorfahrzeugen, Personalcomputer-Bildanzeigen, Fernsehempfänger usw.
Praktisch in großem Umfang anwendbare Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen sind kompakt, leicht und verbrauchen relativ wenig Leistung. Ein Typ einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung ist eine aktive Matrix-Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit drei Anschlüsse aufweisenden Dünnfilmtransistoren oder MOS-Transistoren auf einer einkristallinen Siliziumschicht. Ein anderer Typ einer aktiven Matrix-Flüssigkristall-Anzeigeanordnung verwendet nichtlineare Widerstandselemente, die zwei Anschlüsse besitzen und mit jedem Flüssigkristall-Bildpunkt in Serie geschaltet sind. Beide Typen von Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen haben in den letzten Jahren große Beachtung gefunden, da mit ihnen eine große Informationsmenge angezeigt werden kann.
Im Vergleich mit aktiven Matrix-Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen mit drei Anschlüsse aufweisenden Transistoren müssen bei Typen mit zwei Anschlüsse aufweisenden Widerstandseleinenten eine geringere Anzahl von Schichten hergestellt und eine geringere Anzahl von Fotoätzschritten bei der Herstellung durchgeführt werden, wobei lediglich eine relativ grobe Rastergenauigkeit erforderlich ist. Diese Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen sind daher billig und besitzen eine relativ große Anzeigefläche.
Für aktive Matrix-Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen mit zwei Anschlüsse aufweisenden Widerstandselementen sind die folgenden Systeme bekannt:
(1) Varistorsystem
(2) Metall-Isolatorschicht-Metallsystem (MIM-System)
(3) Diodensystem
Das Varistorsystem (1) und das MIM-System (2) sind in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 105285/1980 bzw. der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 161273/1980 beschrieben. Das Betriebssystem für derartige aktive Matrix-Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen wird beispielsweise anhand des MIM-Systems beschrieben.
Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt einer bekannten Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit nichtlinearen Widerstandselementen vom MIM-Typ des MIM-Systems (2). Fig. 9 zeigt lediglich einen Bildpunkt. Fig. 10 zeigt ein Schaltbild einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit einer großen Anzahl von Zeilen- und Spaltenelektroden unter Verwendung von Bildpunkten des in Fig. 9 gezeigten Typs.
Speziell gemäß Fig. 9 besitzt die Flüssigkristall-Anzeigeanordnung ein oberes und ein unteres transparentes Substrat 90, 91, eine Flüssigkristallschicht 92, eine transparente Anzeigeelektrode 93 auf dem oberen Substrat und eine metallische Tantalelektrode 94 auf dem unteren Substrat.
Die transparente Elektrode 93 und die Tantalelektrode 94 bilden zusammen Zeilen- und Spaltenelektroden, von denen mehr als 100 Elektrodengruppen vorhanden sind. Mit 95 ist eine Anzeigebildpunktelektrode und mit 96 eine durch anodische Oxidation der metallischen Tantalelektrode 94 gebildete Isolatorschicht bezeichnet. Das nichtlineare MIM-Widerstandselement besteht aus der Elektrode 94, der Isolationsschicht 96 und der Elektrode 95.
Fig. 10 zeigt ein Ersatzschaltbild der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß Fig. 9. Mit 100 sind die Zeilenelektrodengruppen und mit 101 die Spaltenelektrodengruppen bezeichnet. An der Schnittstelle jeder Zeilenelektrode und jeder Spaltenelektrode ist Flüssigkristallmaterial 102 und ein nichtlineares Widerstandselement 103 vorgesehen, welche in Serie geschaltet sind.
Die Funktion der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß den Fig. 9 und 10 ist die folgende. Bei Ausnutzung eines gewöhnlichen einfachen Matrixansteuerverfahrens wird eine große Anzahl von Zeilenelektroden 100 gemäß Fig. 10 von der oberen Zeile an von Zeile zu Zeile ausgewählt und es werden während einer Auswahlperiode unter Ausnutzung der Spaltenelektroden 101 Daten eingeschrieben. Die an die Zeilen- und Spaltenelektroden anzulegenden Spannungswerte werden durch ein System festgelegt das generell als "Spannungsmittelungsverfahren" bezeichnet wird. Dies gilt auch für eine Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit nichtlinearen Widerstandselementen gemäß Fig. 10 und einem Vorspannungsverhältnis von 1/3 bis 1/15.
Fig. 11a zeigt ein Ersatzschaltbild eines Bildpunktes der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach Fig. 9, wobei ein nichtlineares Widerstandselement und ein Flüssigkristallmaterial in Reihe geschaltet sind. Das Symbol CLC repräsentiert die Kapazität des Flüssigkristallmaterials, RLC dessen Widerstandswert, CI die Kapazität des nichtlinearen Widerstandselementes und RI dessen Widerstandswert. Der Widerstand RI ist eine Funktion der Spannung. Die Fig. 11b und 11c zeigen in den Bildpunkt eingespeiste Spannungsverläufe bei Ein- und Ausschaltung. Die ausgezogene Kurve reprasentiert den den Bildpunkt ausgeprägten Spannungsverlauf, wobei diese Spannung in der Praxis zwischen dem Punkt A und dem Punkt C in Fig. 11a angelegt wird. Die gestrichelte Kurve repräsentiert den Spannungsverlauf im Punkt B in Fig. 11a. Die schraffierten Teile in den Fig. 11b und 11c repräsentieren daher die effektive an das Flüssigkristallmaterial angelegte Spannung.
Um die Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit ausreichendem Kontrast zu betreiben, muß die an das Flüssigkristallmaterial angelegte effektive Spannung im Zeitpunkt des Einschaltens größer als die Sättigungsspannung VSAT des Flüssigkristallmaterials sein, während die an das Flüssigkristallmaterial im Zeitpunkt der Abspaltung angelegte effektive Spannung kleiner als die Schwellspannung VTH des Flüssigkristallmaterials, wobei der Wert des Widerstandes RI in der Nichtauswahlperiode wenigstens gleich dem Widerstandswert des Flüssigkristallmaterials ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, können die Zeitkonstante τ&sub1; für das Schreiben im Zeitpunkt des Einschaltens, die Zeitkonstante τ&sub2; für das Halten der elektrischen Ladung und die Zeitkonstante τ&sub3; für das Sperren des Schreibens durch die folgenden Gleichungen (1) bis (3) ausgedrückt werden. Dabei ist die Kapazität des Flüssigkristallmaterials zu 5x10&supmin;¹³F angenommen.
5x10&supmin;&sup6; < τ&sub1; < 1 x 10&supmin;&sup4; (1)
1,6 x 10&supmin;³ < τ&sub2; (2)
τ&sub3; > 1 x 10&supmin;&sup4; (3)
wobei
τ&sub1; = RI(VON)CLC (VON: Einschaltspannung)
τ&sub2; = RI(VNON)RLCCLC/[RI(VNON)+RLC] (VNON:Spannung während der Nichtauswahlperiode
τ&sub3; = RI(VOFF)CLC(VOFF :Abschaltspannung
und daher
10&sup7; < RI(VON) < 2 x 10&sup8; (4)
3 x 10&sup9;< RI(VNON)RLC/[RI(VNON)+RLC] (5)
R(VOFF) > 2 x 10&sup8; (6)
gilt
Generell muß die Beziehung CI < CLC/5 erfüllt sein, um an das nichtlineare Widerstandselement eine ausreichende Spannung anzulegen, wobei CI die Kapazität des nichtlinearen Widerstandselementes repräsentiert.
Im konventionellen MIM-System mit einer Isolatorschicht für das nichtlineare Widerstandselement muß die Isolatorschicht 96 gemäß Fig. 9 von 10 bis 60 nm dick sein.
Aus dieser beschränkenden Bedingung für das Kapazitätsverhältnis CI ≤ CLC /5 zwischen dem nichtlinearen Widerstandselement und dem Flüssigkristallmaterial ergibt sich, daß der Überlappbereich des nichtlinearen Widerstandselementes mit den Elektroden 93, 94 wenigstens etwa 6 Mikron mal 6 Mikron betragen muß, wobei die Dichte eines durch diesen Teil fließenden Stromes gemäß Gleichung 4 wenigstens 5A/cm² beträgt.
In einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung dieser Art, bei der die Isolatorschicht 96 von 10 bis 60 nm dick ist, kann das nichtlineare Widerstandselement leicht durch mechanische Belastungen zerstört werden, welche bei einer Reibbehandlung für die Flüssigkristallorientierung einwirken.
Wenn die das nichtlineare Widerstandselement bildenden Materialien des oberen und unteren Substrats unterschiedlich sind, so wird die Nichtlinearität der Spannungs-Stromcharakteristik in Bezug auf die positive und negative Polarität der eingeprägten Spannung aufgrund der Differenz der Potentialbarriere zwischen den entsprechenden Elektroden und der Isolatorschicht asymmetrisch, so daß die Flüssigkristall-Anzeigeanordnung schnell nachteilig beeinflußt wird, wenn sich eine elektrochemische Reaktion an der Grenzschicht zwischen dem Flüssigkristallmaterial und den Elektroden entwickelt.
Um dieses Problem zu vermeiden, müssen aus dem gleichen Material hergestellte Elektroden verwendet werden, so daß die Anzahl der Fotoätzschritte zunimmt, wenigstens vier Fotomasken verwendet werden müssen und daher die Produktionskosten der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung dieses Typs steigen.
Dies gilt auch für eine Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit Dioden als nichtlinearen Widerstandselementen. Werden Varistoren auf Zinkoxid-Basis (ZnO) verwendet, so muß das ZnO wenigstens 25 µm dick sein und die Sintertemperatur während des Herstellungsprozesses wenigstens 500º C betragen. Darüber hinaus ist das Ätzen einer extrem dicken Schicht erforderlich und es muß die Treiberspannung wenigstens 30 V betragen.
Die Probleme von bekannten Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen der oben beschriebenen Art sind zusammengefaßt die folgenden:
Ein Miniaturätzschritt unter 6 µm sowie die Herstellung einer Anzeigeanordnung mit einer Größe von größer A4 wird schwierig.
Die Anzahl von Fotoätzschritten beträgt wenigstens 3 und das Verhältnis des Auftretens von Defekten nimmt zu. Darüber hinaus nehmen die Produktionskosten aufgrund der Zunahme der Anzahl von Produktionsschritten zu.
Da die Dicke der verwendeten Isolatorschicht unter 60 nm liegt kann das nichtlineare Widerstandselement während einer Reibbehandlung zur Flüssigkristallorientierung leicht beschädigt werden.
Die die MIM-Anordnung bildenden Elektroden müssen eine elektrisch symmetrische Struktur besitzen, wozu für alle Elektroden das gleiche Material verwendet werden muß und daher die Anzahl der Produktionsschritte zunimmt.
Werden als nichtlineare Widerstandselemente Dioden verwendet, so müssen für jeden Bildpunkt wenigstens zwei Dioden entweder parallel oder in Serie angeordnet werden, um sowohl in Durchlaß- als auch in Sperrichtung die gleiche Spannungs-Stromcharakteristik zu erhalten. Daher nimmt die Anzahl der Produktionsschritte und das Verhältnis des Auftretens von Defekten zu.
Varistoren auf ZnO-Basis erfordern eine relativ dicke Schicht und eine hohe Sintertemperatur. Daher wird es schwierig, die Substratoberfläche eben zu gestalten, wodurch wiederum die Anzahl der Produktionsschritte zunimmt.
Eine erfindungsgemäße Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit sich gegenüberstehenden Substraten, einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial zwischen den Substraten, einer Vielzahl von auf der Innenfläche des einen Substrats ausgebildeten Zeilenelektroden, einer Vielzahl von auf der Innenfläche des anderen Substrats ausgebildeten Spaltenelektroden, einer Vielzahl von Bildpunktelektroden und einer auf wenigstens einem der Substrate ausgebildeten, eine elektrische Verbindung zwischen jeder Bildpunktelektrode und einer der Zeilen- oder Spaltenelektroden bildenden Schicht mit nichtlinearem Widerstand aus amorphem Siliziummaterial ist dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Siliziummaterial zusätzlich zu Silizium einen über den stoichiometrischen Verhältnis liegenden Anteil von Sauerstoff oder Stickstoff oder von sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff enthält.
Das amorphe Material ist vorzugsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid/Nitrid.
Das amorphe Material kann Wasserstoff, Phosphor oder Bor enthalten.
Das amorphe Material kann eine Schicht mit einer Dicke von 40 nm bis 1000 nm sein. Im Falle einer ebenen Struktur, bei der das amorphe Material in Horizontalrichtung zwischen den Leitern etwa gemäß Fig. 8 ausgebildet ist, kann die Schichtdicke 1000 nm betragen.
Bei einer Ausführungsform sind der erste Leiter, der zweite Leiter und das amorphe Material jedes nichtlinearen Widerstandselementes in einer Ebene parallel zur Ebene des Substrats angeordnet, auf dem sie ausgebildet sind, wobei der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Leiter wenigstens 1 µm beträgt.
Vorzugsweise sind der zweite Leiter, das amorphe Material und der erste Leiter jedes nichtlinearen Widerstandselementes aufeinanderfolgend auf das Substrat auflaminiert.
Es hat sich experimentell gezeigt, daß der nichtlineare Koeffizient α einen Wert von etwa 3 bis 20 annimmt, wenn die Strom-Feldintensität eines nichtlinearen Widerstandselementes gemäß Gleichung (7) ausgedrückt wird:
I = K I x d (αE) (7),
worin
I den Strom
K eine Konstante
α einen nichtlinearen Koeffizienten
E die Feldintensität von 10&sup6; V/cm
bedeuten.
Mit anderen Worten ausgedrückt kann die Überlappfläche von Leiter amorphem Material - Leiter bei einem nichtlinearen Widerstandselement des erfindungsgemäßen Typs etwa 100 µm² bis 1000 µm² betragen. Die elektrische Charakteristik der erfindungsgemäß verwendeten nichtlinearen Widerstandselemente hängt nicht vom Elektrodenmaterial ab, sondern besitzt eine hervorragende Symmetrie der Spannungs-Stromcharakteristik in Bezug auf die Polarität der den Elektroden aufgeprägten Spannung.
Die Anzahl der notwendigen Ätzschritte kann zwei oder drei betragen, während die minimale Rasterbreite bei der Fotoätzung 10 µm bis 40 µm betragen kann. Daher wird ein extrem grobes Raster möglich. Das amorphe Material des nichtlinearen Widerstandselementes ist grundsätzlich elektrisch leitend und gewöhnlich wenigstens 100 nm dick. Daher werden die nichtlinearen Widerstandselemente höchst selten durch Reiben bei der Orientierungsbehandlung zerstört und besitzen eine ausreichende Durchbruchsspannung für statische Elektrizität.
Wie bereits ausgeführt, sind erfindungsgemäß lediglich extrem einfache Herstellungsschritte erforderlich, so daß sich nichtlineare Widerstandselemente mit einer groben Auslegungsregel von wenigstens 10 nm ergeben. Da die Skala der Bildfläche leicht vergrößert werden und eine hohe Produktionsausbeute erhalten werden kann, ist eine Flüssigkristall-Anzeigeanordnung unter Verwendung dieser linearen Widerstandselemente realisierbar.
Die Erfindung wird beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Elektrodenstruktur einer Ausführungsform einer Flüssigkristall- Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 1b einen Längsschnitt eines Teils der Flüssigkristall- Anzeige gemäß Fig. 1a;
Fig. 2 die Strom-Spannungscharakteristik eines in der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung verwendeten nichtlinearen Widerstandselementes;
Fig. 3a und 3b Diagramme der Infrarotabsorptionscharakteristik einer Siliziumoxidschicht bzw. einer Siliziumnitridschicht in einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 4a und 4b Diagramme der Widerstands-Feldintensitätscharakteristik einer Siliziumoxidschicht in einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Anzeigeanordnung bzw. die Abhängigkeit der Schichteigenschaften vom Zusammensetzungsverhältnis O/Si;
Fig. 5a und 5b Diagramme der Widerstands-Feldintensitätscharakteristik der in einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung verwendeten Siliziumnitrid-Schicht bzw. die Abhängigkeit der Schichteigenschaften vom Zusammensetzungsverhältnis N/Si;
Fig. 6 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ein Diagramm der Widerstands-Feldintensitätscharakteristik einer mit Phosphor dotierten Siliziumoxidschicht in einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 8 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 9 einen Längsschnitt eines Teils einer bekannten MIM- Flüssigkristall-Anzeigeanordnung;
Fig. 10 ein Schaltbild der bekannten Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach Fig. 9;
Fig. 11a ein Ersatzschaltbild eines Bildpunktes der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach Fig. 9; und
Fig. 11b und 11c Spannungsverlaufdiagramme im Zeitpunkt des Einschaltens bzw. Abschaltens des Bildpunktes nach Fig. 11a
zeigen.
Fig. 1a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung und insbesondere eines Substrats 1, auf dem ein nichtlineares Widerstandselement ausgebildet ist.
Fig. 1a zeigt lediglich einen Bildpunkt, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen eine Flüssigkristallschicht auf einem gegenüberstehenden Substrat und ein Polarisator weggelassen sind.
Fig. 1b zeigt einen Schnitt eines Bildpunktes der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach Fig. 1a, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen ein Polarisator weggelassen ist. Das Substrat 1 ist transparent, wobei gewöhnliches Glas verwendet werden kann. Eine transparente leitende Schicht 2 mit einer Dicke von 10 nm bis 50 nm wird durch Zerstäuben von Indium- Zinn-Oxid mittels Magnetron gebildet. Die Formgebung der Schicht 2 erfolgt durch Fotoätzen. Für eine Schicht 3 wird ein prizipiell aus Silizium bestehendes amorphes Material verwendet. Im Falle von Siliziumoxid für die Schicht 3 wird das Material durch chemische Plasmaabscheidung aus der Gasphase (CVD) unter Verwendung einer gasförmigen Mischung von Silan, Kohlendioxid (Kohlendioxidgas), Stickstoffsuboxid (Stickstoffmonooxid) und Sauerstoff verwendet. Im Falle einer Siliziumnitridschicht erfolgt eine CVD-Abscheidung unter Verwendung einer gasförmigen Mischung von Silan, Ammoniak und Stickstoff.
Eine Elektrode 4 ist eine der Zeilen- und Spaltenelektroden. Bei dieser Ausführungsform wird die Metallelektrode 4 mit einer Dicke von etwa 300 nm durch Zerstäuben von metallischem Chrom hergestellt. Anstelle von Chrom ist auch die Verwendung von Al, Cu, NiCr, Ag, Au und Ta möglich. Die Metallelektrode 4 wird bei Vorhandensein einer Fotolackschicht selektiv fotogeätzt, wobei die prinzipiell aus Silizium bestehende amorphe Schicht 3 selektiv geätzt wird. Dabei wird durch zwei Fotomaskierungsschritte und drei Ätzschritte ein nichtlineares Widerstandselement hergestellt.
Gemäß Fig. 1b wird eine etwa 7 µm dicke Schicht 5 aus einem verdrillten nematischen Flüssigkristallmaterial hergestellt. Ein oberes transparentes Substrat 6 wird aus gewöhnlichem Glas hergestellt. Eine auf dem Substrat hergestellte transparente leitende Schicht 7 aus Indium-Zinn-Oxid dient entweder als Zeilenelektrode oder als Spaltenelektrode.
Fig. 2 zeigt die Strom-Spannungscharakteristik der amorphen Schicht 3, welche prinzipiell aus Silizium besteht und gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das Diagramm zeigt den Fall, in dem eine der Elektroden aus metallischem Chrom und die andere aus Indium-Zinn-Oxid hergestellt ist. Ersichtlich besitzt die Strom-Spannungscharakteristik eine ausgezeichnete Symmetrie.
Fig. 3a zeigt ein Diagramm der Infrarotsabsorptionscharakteristik der amorphen Siliziumschicht, welche durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung einer gasförmigen Mischung von Silan- und Stickstoffsuboxid-(Monooxid)-Gas hergestellt ist. Mit 30 ist die Infrarotabsorptionsspitze bezeichnet, welche sich aus der Si-H-Bindung im Bereich der Wellenzahl 2100 cm&supmin;¹ ergibt. Mit 31 ist die Infrarotabsorptionsspitze bezeichnet, welche sich aus der Si-O-Bindung um die Wellenzahl 1050 cm&supmin;¹ und 800 bzw. 900 cm&supmin;¹ ergibt. Aus einer Berechnung aus der Absorptionsspitze der Si-H-Bindung ergibt sich der Wasserstoffgehalt der amorphen Siliziumschicht zu 10²¹ bis 10²² pcs/cm³.
Fig. 3b zeigt ein Diagramm der Infrarotabsorptionscharakteristik eines durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung einer gasförmigen Mischung von Silan und Ammoniak oder Stickstoff gebildeten amorphen Materials ergibt. Mit 32 ist die Infrarotabsorptionsspitze im Bereich von 2100 cm&supmin;¹ aufgrund der Si-H-Bindung und mit 33 eine breite Absorptionsspitze im Bereich von 840 cm&supmin;¹ aufgrund der Si-N-Bindung bezeichnet. Der Wasserstoffgehalt der Siliziumnitridschicht liegt im Bereich von 10²¹ bis 10²² pcs/cm³.
Die Fig. 4a und 4b zeigen Diagramme der Charakteristik des nichtlinearen Widerstandselementes als Funktion des Atomzusammensetzungsverhältnisses [Sauerstoff (O)/Silizium(Si)] einer Siliziumoxidschicht, welche Siliziumatome in einer über dem stoichiometrischen Verhältnis liegenden Menge enthält und in einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung verwendet wird, bzw. der nichtlinearen Widerstandscharakteristik. Fig. 4a zeigt die Widerstands-Feldintensitätscharakteristik (im folgenden mit "R-E-Charakteristik" bezeichnet) der Siliziumoxidschicht.
Eine Kurve 40 in Fig. 4a repräsentiert die Dunkelstrom-R-E- Charakteristik von keine Sauerstoffatome enthaltendem amorphen Silizium. Kurven 41, 42 und 43 in Fig. 4a repräsentieren die R-E-Charakteristik bei erhöhtem Verhältnis O/Si. Die Kurven 42, 43 und 44 repräsentieren die R-E-Charakteristik von Siliziumoxid, wenn das Verhältnis O/Si 0,17, 0,75 bzw. 2 beträgt. Die sich aus der Änderung der Schichtzusammensetzung ergebende Änderung der R-E-Charakteristik kann auch durch Änderung der Schichtdicke der amorphen Schicht 3 realisiert werden. Es wird daher angenommen, daß sich die Eigenschaften der amorphen Schicht in der R-E-Charakteristik niederschlagen und daß es sich dabei um einen vom Tunnel-Effekt oder Schottky-Effekt verschiedenen Effekt handelt.
Fig. 4b zeigt ein Diagramm der Eigenschaften einer Siliziumoxidschicht, die Siliziumatome in einem über den stoichiometrischen Verhältnis liegenden Verhältnis enthält. Auf der Abszisse sind das Verhältnis O/Si und auf der Ordinate der durch die Gleichung (7) gegebenen Nichtlinearitätskoeffizient α, der Brechungsindex n und ein optischer Bandabstand Eg/opt aufgetragen. Fig. 4 zeigt experimentelle Ergebnisse. Wenn der optische Bandabstand Egopt wenigstens 2,5 eV beträgt, so wird die Siliziumoxidschicht im wesentlichen transparent, wobei das Verhältnis O/Si zwischen 0,4 und 0,5 liegt. Der Nichtlinearitätskoeffizient α ist wenigstens gleich 7.
Im folgenden wird das Anwendungsverfahren für das nichtlineare Widerstandsmaterial für eine Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung erläutert. Der Widerstand RI des nichtlinearen Widerstandselementes muß die Bedingungen gemäß den Gleichungen (4) bis (6) erfüllen. Zur Einschaltung wird eine Spannung VON angelegt wobei der Wert RI zu diesem Zeitpunkt zwischen 10&sup7; und 10&sup8; Ohm liegt. Wird die maximale Abschaltspannung VOFF angelegt, so beträgt der Wert RI wenigstens 10&sup8; Ohm. Weiterhin wird während der Nichtauswahlperiode die Spannung VNON angelegt wobei in dieser Zeit der Wert RI gleich dem Widerstand RLC der Schicht aus Flüssigkristallmaterial sein kann. Die Versorgungsspannung ist auf 20 V eingestellt, da der Stromverbrauch reduziert und eine bessere Anpassung an andere Anordnungen vorgenommen werden kann, wenn die Treiberspannung für den Flüssigkristall so klein wie möglich ist. Im Falle einer durch die Kurve 43 in Fig. 4a gegebenen nichtlinearen Widerstandscharakteristik liegt die Feldintensität zwischen 3 und 4 x 10&sup6; V/cm und der Wert RI bei 10&sup7; Ohm.
Mit anderen Worten ausgedrückt, kann eine Siliziumoxidschicht mit einem über dem stoichiometrischen Verhältnis liegenden Siliziumgehalt 50 nm dick sein, wenn ein Wert von RI von 10&sup7; Ohm erhalten werden soll. Im Falle einer durch die Kurve 41 repräsentierten nichtlinearen Charakteristik beträgt dagegen der Wert von RI bei einer Feldintensität von 1 x 10&sup6; V/cm 10&sup7; Ohm. Für einen Wert von RI von 10&sup7; Ohm kann daher die Siliziumoxidschicht eine Dicke von etwa 200 nm besitzen.
Wird die Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mittels eines durch das vorgenannte Spannungsmittelungsverfahren festgelegten 1/10-Vorspannungsverfahren betrieben, so liegt die bei Abschaltung der Anzeige angelegte maximale Spannung VOFF zwischen der Zeilenelektrode und der Spaltenelektrode bei 16 V. Dabei sind alle RI-Werte des nichtlinearen Widerstandselementes gemäß den Kurven 40 bis 43 größer als 10&sup8; Ohm, wobei bei einer Spannung VNON von 4 V alle RI-Werte des nichtlinearen Widerstandselementes wenigstens gleich 10¹&sup0; Ohm sind. Die Flüssigkristall-Anzeigeanordnung kann daher mit diesem Verfahren betrieben werden.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Atomzusammensetzungsverhältnis O/Si gleich 0,1, wobei das nichtlineare Widerstandselement gemäß der Kurve 41 nach Fig. 4a verwendet wird.
Eine Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit 400 Zeilen- und Spaltenelektroden (Taktverhältnis gleich 1/400) wird mit dem 1/10-Vorspannungsverfahren bei einer Treiberspannung von 10 bis 20 V betrieben. Dabei beträgt das Kontrastverhältnis der Anzeigefläche wenigstens 10:1.
Die Fig. 5a und 5b zeigen die Charakteristik einer nichtlinearen Widerstandsschicht als Funktion des Atomzusammensetzungsverhältnisses [Stickstoff(N)/Silizium(Si)] einer Siliziumnitridschicht für die erfindungsgemäße Flüssigkristall- Anzeigeanordnung mit einem über dem stoichiometrischen Verhältnis liegenden Menge von Siliziumatomen bzw. die nichtlineare Widerstandscharakteristik in Abhängigkeit von den Schichteigenschaften.
Fig. 5a zeigt ein Diagramm der R-E-Charakteristik in Abhängigkeit des Verhältnisses N/Si. Eine Kurve 50 gemäß Fig. 5a repräsentiert die R-E-Charakteristik von keinem Stickstoff enthaltendem amorphen Silizium, während Kurven 51, 52, 53, 54 die R-E-Charakteristik zeigen, wenn das Verhältnis N/Si kleiner als 0,3, 0,4, 0,8 bzw. größer als 1,0 ist.
In Fig. 5b sind auf der Abszisse das Verhältnis N/Si der Siliziumnitridschicht und auf der Ordinate der Nichtlinearitätskoeffizient α, der Brechungsindex n und der optische Bandabstand Egopt aufgetragen. Enthält die Siliziumnitridschicht Silizium in einer über dem stoichiometrischen Verhältnis liegenden Menge, so kann das gleiche Ergebnis auf die gleiche Weise wie im Falle der oben genannten Siliziumoxidschicht erhalten werden. Die Kurve 51 in Fig. 5a zeigt die R-E-Charakteristik von Stickstoff in Spuren enthaltendem amorphen Silizium. Ein Anzeigeschirm mit amorphem Naterial in einer Dicke von 500 bis 1000 nm kann zuverlässig bei den oben für die Siliziumoxidschicht angegebenen Ansteuerbedingungen betrieben werden.
Im folgenden wird die Elektrodenbreite des für die Flüssigkristall-Anzeigeanordnung verwendeten nichtlinearen Widerstandselementes beschrieben.
Die spezifische Dielektrizitätskonstante des prinzipiell aus Silizium bestehenden amorphem Materials liegt zwischen etwa 5 und etwa 7. Als für das Anlegen einer ausreichenden Spannung an das nichtlineare Widerstandselement notwendige Bedingung muß die Kapazität CI in Bezug auf die Kapazität CLC des Flüssigkristallmaterials hinreichend reduziert werden, wobei generell die Beziehung CLC ≥ 5CI erfüllt sein muß. Jedoch ist der Widerstand RI des nichtlinearen Widerstandselementes praktisch nicht wichtig. Wenn die Dielektrizitätskonstante des Flüssigkristallmaterials gleich 10 und die Fläche jedes Bildpunktes gleich 300 µm x 300 µm ist, so muß die Kapazität CI auf wenigstens 0,1 pF eingestellt werden, da die Kapazität CLC eines Bildpunktes der Beziehung CLC ungefähr gleich 0,5 pF gehorcht. Es sei angenommen, daß die Dicke der amorphen Schicht gleich 100 nm, die Überlappfläche der Elektroden 2,4 gemäß Fig. 1b gleich 226 µm² und die Linienbreite der Elektrode im Überlappteil der beiden Elektroden gleich etwa 15 µm ist. Beträgt die Dicke der amorphen Schicht 500 nm und die Größe des Überlappbereichs der Elektroden 2,4 etwa 1100 µm², so kann die Linienbreite der Elektrode im Überlappteil der Elektroden größer als 30 µm gemacht werden. Da die Linienbreite der im MIM-System verwendeten Elektrode etwa 6 µm beträgt, können die erfindungsgemäß verwendeten Elektroden mit einem extrem groben Rastermaß hergestellt werden. In Fig. 1b liegt die Elektrodenbreite im Überlappteil der beiden Elektroden zwischen 10 und 15 µm.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt eines Teils einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Anzeigeanordnung. Ein oberes und ein unteres Substrat 60, 61 bestehen aus Glas. Die Flüssigkristall-Anzeigeanordnung besitzt eine Flüssigkristallschicht 62, eine Metallelektrode 63, eine transparente Bildpunktelektrode 65 aus Indium-Zinn- Oxid, eine aus Silizium als Hauptkomponente bestehende amorphe Schicht 64 und eine der Elektrode 63 gegenüberstehende transparente Elektrode 66.
Im Vergleich zur Ausführungsform nach den Fig. 1a und 1b ist bei dieser Ausführungsform der Elektrodenaufbau des nichtlinearen Widerstandselementes umgekehrt, wobei jedoch die Funktion und die Ansteuerbedingungen die gleichen wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform sind.
Fig. 7 zeigt die R-E-Charakteristik einer aus Silizium als Hauptkomponente bestehenden amorphen Schicht, die mit Phosphor (P) dotiert ist und in einer Flüssigkristall-Anzeigeanordnung gemäß der Erfindung verwendet wird. Der Widerstand der P-dotierten Siliziumoxidschicht, welche durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung einer gasförmigen Mischung aus Silan und Stickstoffsuboxid (Monoxid), die 0,1 bis 1 % Phosphin enthält, hergestellt wird, fällt im Vergleich zum Widerstand einer Siliziumoxidschicht merklich ab. Kurven 70, 71 in Fig. 7 zeigen die R-E-Charakteristik einer Siliziumoxidschicht, bei der dem Silangas 1 % und 0,1 % Phosphin zugesetzt sind, während eine Kurve 72 die R-E-Charakteristik einer nicht mit Phosphor dotierten Siliziumoxidschicht zeigt.
Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt eines Teils einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Anzeigeanordnung unter Verwendung der oben beschriebenen P- dotierten amorphen Siliziumoxidschicht. Die Flüssigkristall- Anzeigeanordnung besitzt ein unteres transparentes Substrat 80 und ein oberes transparentes Substrat 81, die beide aus Glas hergestellt sind. Eine Chromelektrode 83 und eine transparente Elektrode 85 aus Indium-Zinn-Oxid bilden zusammen eine zweischichtige bzw. laminierte Elektrode. Der Elektrodenteil wird kontinuierlich durch Aufstäuben hergestellt, wobei ein Bildpunktteil 87 und die Elektroden 83, 85 durch Fotoätzung getrennt werden.
Sodann wird auf dem Substrat durch ein Plasma-CVD-Verfahren eine P-dotierte Siliziumoxidschicht 84 mit einer Dicke von 1 bis 5 µm hergestellt. Nach einer selektiven Entfernung der Siliziumoxidschicht durch Ätzen wird die Chromschicht 83 der Bildpunktelektrode kontinuierlich entfernt. Das nichtlineare Widerstandselement besteht aus den Elektroden 83, 85, der Bildpunktelektrode 87 und der dazwischenliegenden P-dotierten Siliziumoxidschicht 84. Das nichtlineare Widerstandselement besitzt eine Breite von etwa 300 µm in Längsrichtung der Zeilen- oder Spaltenelektrode. Eine auf diese Weise hergestellte Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit 200 Zeilen- und Spaltenelektrode wird durch ein 1/10 Vorspannungsverfahren (Spannungsmittelungsverfahren) bei einer Treiberspannung von 20 bis 50 V betrieben. In diesem Falle ist eine von Unregelmäßigkeiten freie gleichförmige Anzeige realisierbar, bei der das Kontrastverhältnis wenigstens 1:10 beträgt.
Die Silizium als Hauptbestandteil enthaltende Siliziumoxidschicht in der Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach den Fig. 7 und 8 ist mit Phosphor dotiert. Die gleichen Ergebnisse können auch durch Dotierung einer Siliziumnitridschicht mit einem über dem stoichiometrischen Verhältnis liegenden Siliziumgehalt als Hauptanteil mit Phosphor erreicht werden. Darüber hinaus kann das gleiche Ergebnis auch mit einer unter Verwendung von Diboran hergestellten mit Bor dotierten amorphen Schicht erreicht werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind amorphes Silizium sowie Siliziumoxid- und Siliziumnitridschichten als Beispiele für prinzipiell aus Silizium bestehende amorphe Schichten angegeben. Ein gutes Ergebnis wird auch mit anderen amorphen Schichten, wie beispielsweise einer hauptsächlich aus Silizium bestehenden Siliziumnitrid/Oxid- Schicht erzielt. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird das hauptsächlich Silizium enthaltende amorphe Material mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens hergestellt. Es kann jedoch in der gleichen Weise auch durch ein CVD-Verfahren mit normalem oder reduziertem Druck, durch Zerstäuben unter Verwendung von Wasserstoffgas, ein optisches CVD- Verfahren usw. hergestellt werden.
Wir vorstehend ausgeführt, werden in einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nichtlineare Widerstandselemente verwendet, die aus amorphem Material mit Silizium als Hauptkomponente bestehen. Es handelt sich dabei beispielsweise um Siliziumoxid oder Siliziumnitrid mit einem über dem stoichiometrischen Verhältnis liegenden Siliziumgehalt. Der durch die Gleichung (7) gegebene Nichtlinearitätsfaktor α liegt zwischen 3 und 20, während die Größe des Überlappbereichs zwischen den beiden einen Teil des nichtlinearen Elementes bildenden Elektroden zwischen 100 µm² und 1000 µm² leigen kann.
Die Elektroden können daher mit einer minimalen Rasterbreite von 10 µm bis 40 µm hergestellt werden. Eine Anzeigefläche, welche größer als das A4-format ist, kann in einfacher Weise mit einem extrem groben Rastermaß hergestellt werden. Die amorphe Schicht ist generell weinigstens 100 nm dick, so daß das nichtlineare Widerstandselement durch eine Reibbehandlung für die Flüssigkristallorientierung praktisch nicht zerstört werden kann. Gleichzeitig ergibt sich dabei eine extram hohe Durchbruchsspannung für statische Elektrizität. Die Anzahl von Produktionsschritten für ein die nichtlinearen Widerstandselemente tragendes Substrat ist extrem klein, wobei die Anzahl von Masken für den Fotoätzschritt 2 oder 3 betragen kann. Die Rastergenauigkeit und die Masengenauigkeit können bei ± 20 µm liegen.
Wie vorstehend beschrieben, können große Flüssigkristall- Anzeigeanordnungen mit hoher Ausbeute einfach und billig hergestellt werden.

Claims

1. Flüssigkristall-Anzeigeanordnung mit sich gegenüberstehenden Substraten (1, 6; 60, 61; 80, 81), einer Schicht (5; 62; 82) aus Flüssigkristallmaterial zwischen den Substraten, einer Vielzahl von auf der Innenseite des einen Substrats (1; 60; 80) ausgebildeten Zeilenelektroden (4; 63; 83, 85), einer Vielzahl von auf der Innenfläche des anderen Substrates (6; 61; 81) ausgebildeten Spaltenelektroden (7; 66; 86), einer Vielzahl von Bildpunktelektroden (2; 65; 87) und einer auf wenigstens einem der Substrate (1, 6; 60, 61; 80, 81) ausgebildeten, eine elektrische Verbindung zwischen jeder Bildpunktelektrode und einer der Zeilen- oder Spaltenelektroden bildenden Schicht (3; 64; 82) mit nichtlinearem Widerstand aus amorphem Siliziummaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Siliziummaterial zusätzlich zu Silizium einen über dem stoichiometrischen Verhältnis liegenden Anteil von Sauerstoff oder Stickstoff oder von sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff enthält.

2. Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Material Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid/Nitrid ist.

3. Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Material Wasserstoff enthält.

4. Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Material Phosphor oder Bor enthält.

5. Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Widerstandsschicht eine Dicke von 40 nm bis 1000 nm besitzt.

6. Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Widerstandsschicht mittels eines chemischen Plasma-Abscheideverfahrens aus der Gasphase bei kleinem Druck, durch chemische Abscheidung aus der Gasphase bei Normaldruck, durch optische chemische Abscheidung aus der Gasphase oder durch Zerstäuben hergestellt ist.

7. Flüssigkristall-Anzeigeanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildelektrode, jede entsprechende Elektrode und die Schicht mit nichtlinearem Widerstand in einer Ebene parallel zum zugeordneten Substrat angeordnet sind.