DE69022010T2

DE69022010T2 - Elektrooptische Anzeigevorrichtung mit aktiver Matrix und Speicherkondensatoren sowie Farbprojektionsapparat, der diese verwendet.

Info

Publication number: DE69022010T2
Application number: DE69022010T
Authority: DE
Inventors: Babar Khan; Edward Henry Stupp
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: EP0434161A3; DE69022010D1; US6235546B1; EP0434161B1; EP0434161A2; JPH0446321A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Anzeigeanordnung mit aktiver Matrix und mit einem Wändepaar, von denen wenigstens eine optisch transparent ist, mit einem Feld von Bildelementelektroden, einem Feld von mit den Bildelektroden verknüpften Schaltern und einem Feld sich orthogonal verhaltender Zeilen- und Spaltenelektroden zur Verbindung des Feldes der Schalter und der Bildelementelektroden, wobei die Felder auf der Innenfläche einer der Wände angebracht ist, eine Gegenelektrode auf der Innenfläche der anderen Wand angebracht ist, Orientationsschichten die Felder und die Gegenelektrode auf den Wänden bedecken und ein elektrooptisches Material den Raum zwischen den Wänden ausfüllt und die Orientationsschichten miteinander kontaktiert, die Anzeige einen Feld von Speicherkondensatoren enthält, die aus Inseln aus einem ersten Material bestehen, die je in elektrischem Kontakt mit einer Bildelektrode stehen, die Inseln unter den Zeilenelektroden neben dem Bildelement liegen, und eine Schicht aus dielektrischem Material zwischen den Inseln des ersten Materials und den aufliegenden Zeilenelektroden vorhanden ist.
Ein zweidimensionales Feld derartiger Zellen, wobei jede Zelle über eine Matrix von Zeilen- und Spaltenelektroden einzeln adressierbar sind, kann zum Aufbauen einer Anzeige, wie zum Beispiel eines Videobildes, verwendet werden, wobei jede Zelle ein Informationsbildelement darstellt. Beim wiederholten "Abtasten" (sequentielles Adressieren) der Bildelementzeilen, zum Beispiel Ionenbeantwortung auf ein Videosignal, wurde es vorteilhaft gefunden, daß Übersprechen zwischen den Bildelementen durch Anbringen eines getrennten Schalters für jedes Bildelement zu reduzieren. Dieser sog. Adressierplan mit aktiver Matrix ist für seinen Erfolg auf die Fähigkeit der Bildelemente abhängig, um ihre beim Adressieren empfangene Ladung durch ihre innenwohnenden Kapazitäten, bis zu ihrer Adressierung festzuhalten.
Jedoch kann aus den Bildelementen beispielsweise durch das Flüssigkristallmaterial oder durch den Schalter Ladung entweichen. Also ist es im Entwurf des Bildelements gemeinsam, zusätzliche Kapazität hinzuzufügen, um seine Ladungsspeicherkapazität zu verbessern. Eine Weise der Einführung der Zusatzkapazität, dabei ist die Erweiterung der transparenten Bildelementelektrode zum Überlappen der benachbarten Zeilenelektrode über dem Überkreuzungsdielektrikum zwischen den Zeilen- und Spaltenelektroden. Da die Zeilenelektrode auf einem festen Potential bleibt, mit der Ausnahme bei der Adressierung, bildet sie eine geeignete Grundplatte für den Zusatzkondensator.
Die Menge der Zusatzkapazität, die auf diese Weise erhältlich ist, ist ungefähr gleich der Kapazität des Flüssigkristallbildelements. Im Projektionsfernsehen kann dies beispielsweise nicht hinlänglich sein, da die Bildelemente typisch sehr schmal sind (beispielsweise können 250.000 Bildelemente in einem 2 Quadratzollbereich angeordnet werden) und dies gilt auch daher für die LC-Kapazität jedes Bildelements.
Eine Anordnung eingangs erwähnter Art ist aus JP-A-63 070 832 bekannt. Im dargestellten Beispiel ist das Material der Inseln gleich dem zur Verwendung für die Schaltungselemente, und zwar Halbleitersilizium (amorphes oder polykristallines Silizium). Da dieses Material halbleitend ist, sind die Kapazitäten spannungsabhängig und beispielsweise für Projektionsfernsehanwendungen zu niedrig. Die Spannungsabhängigkeit bedeutet ebenfalls, daß die Bildelementspannung sich nach der Wahl ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrooptische Anordnung mit aktiver Matrix und mit höherer Kapazität zu schaffen.
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine derartige Anzeigeanordnung mit konstanter Kapazität zu schaffen.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Anzeigeanordnung mit höherer Kapazität ohne wesentliche Reduktion der optischen Übertragung der Anzeige zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Farbprojektionsapparat mit einer oder mehreren derartigen elektrooptischen Anordnungen mit aktiver Matrix zu schaffen.
Eine erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus einem Leitwerkstoff besteht.
Erfindungsgemäß wird die Kapazität eines Bildelements einer elektrooptischen Wiedergabeanordnung mit aktiver Matrix in einer Struktur mit einer leitenden Insel aus einem Leitwerkstoff erhöht, der unter allen Betriebsumständen leitet und unter der Zeilenelektrode neben dem Bildelement liegt, wobei die leitende Insel mit dem Bildelement elektrisch verbunden ist, und eine dünne dielektrische Schicht zwischen der leitenden Insel und der aufliegenden Zeilenelektrode zur Bildung eines Kondensators außerhalb des Perimeters der Bildelementelektrode vorhanden ist, so daß die Transmission der Bildelementelektrode im wesentlichen dabei nicht beeinflußt wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält das Dielektrikum ein oberes Flächenbereich der leitenden Insel, der durch Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Wärmeoxidierung der Insel in einen dielektrisehen Zustand gebracht wird.
In einem besonderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Elemente in der Definition von Elektroden aus einem transparenten Leitwerkstoff wie ITO einem Feld von TFT-Schaltern zugeordnet, deren Quellen mit Spaltenelektroden verbunden sind, deren Steuerelektroden mit orthogonal zusammenhängenden Zeilenelektroden verbunden sind und deren Drain-Elektroden mit den Bildelementelektroden verbunden sind.
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist, daß die Kapazität eines Bildelements einer elektrooptischen Wiedergabeanordnung mit aktiver Matrix mit einem Verfahren mit folgenden Schritten erhöht wird:
a) mit Hilfe einer leitenden Insel aus einem Leitwerkstoff, der unter allen Betriebsbedingungen der Wiedergabeanordnung leitet,
b) mit einer dielektrischen Schicht zwischen der Leitinsel und der aufliegenden Zeilenelektrode, und
c) durch elektrisches Verbinden der Leitinsel mit der Bildelementelektrode, wenigstens über den Inseln aus Leitwerkstoff.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die elektrooptische Wiedergabeanordnung mit aktiver Matrix eine TFT- geschaltete LCD, wird die Leitinsel zunächst durch Abscheiden von Polysilizium und anschließend durch degeneratives Dotieren eines n- oder eines p-Typs angebracht, und wird die dielektrische Schicht durch Wärmeoxidierung der Oberfläche der dotierten Polysiliziuminsel zum Umsetzen in eine Siliziumoxidschicht angebracht.
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist, daß ein Farbprojektionsapparat eine oder mehrere derartige Wiedergabeanordnungen mit erhöhter Kapazität umfaßt. Vorzugsweise ist der Apparat ein Fernseher, und es ist eine Wiedergabeanordnung für jeden der einzelnen roten, blauen und grünen Kanäle eines Fernsehsignals angeordnet, wobei durch Überlagerung der drei getrennten Bilder an einem Projektionsschirm ein Mehrfarbenbild gebildet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische persspektivische Darstellung mit einem Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Versorgen einer höheren Kapazität an ein Bildelement einer erfindungsgemäßen TFT-geschalteten LCD mit aktiver Matrix,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine LCD vom Typ nach Fig. 1, und
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein LCD-Farb-PTV-System unter Verwendung von drei erfindungsgemäßen LCD.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zum Versorgen zusätzlicher Kapazität nach einem derartigen erfindungsgemäßen Bildelement dargestellt. Die n-te Bildelementelektrode in einer Spalte eines Feldes 10 derartiger Elektroden wird über TFT 18 mittels seiner elektrischer Verbindung nach dem Draingebiet 28 der Polysiliziumschicht adressiert. Ein Kondensator 300 für dieses Bildelement wird durch Anbringen einer Leitinsel 301 unterhalb der benachbarten Gate-Elektrode 12 und durch Anbringen einer dünnen dielektrischen Schicht 302 auf der Oberfläche der Leitschicht 301 unter der Gate-Elektrode gebildet. Die elektrische Verbindung der n-ten Bildelementelektrode 10 nach dem Kondensator 300 wird im Feld 303 mit herkömmlichen Mitteln angebracht. Vorzugsweise ist die Leitinsel 301 eine dünne Schicht aus Polysilizium, die auf dem unterliegenden Substrat bei gleichzeitiger Abscheidung des Polysiliziumkanalgebiets 20 für TFT 18 abgeschieden wird. Da die Polaritäten der Spannungen im Bildelement während des Betriebs derart sein müssen, daß eine derartige dünne Polysiliziuminsel 301 verarmt und daher gesperrt wird, ist die Insel mit n- oder p-Typ degenerativ dotiert, um sie unter allen Betriebsumständen leitend zu halten.
Ein großer Vorteil der Verwendung einer derartigen Polysiliziuminsel 301 ist, daß das Dielektrikum für den Kondensator durch Wärmeoxidierung der Oberfläche der Insel 301 bei gleichzeitiger Wärmeoxidierung der Oberfläche des Polysiliziumkanalbereichs 20 zur Bildung des Gate-Dielektrikums für den TFT 18 gebildet werden kann. Bekanntlich kann das Dotierungsmittel für die Insel 301 vor oder nach der Wärmeoxidierung eindiffundiert oder implantiert werden.
Eine Weise zum Erhalten der verlangten Struktur ist das homogene Ablagern einer dünnen Polysiliziumschicht auf dem ganzen Substrat, das Ablagern einer dicken Photoresistschicht auf der dünnen Polysiliziumschicht, die Mustergabe der Photoresistschicht zum Abdecken der Gebiete, in denen die TFT gebildet werden, und das Implantieren der exponierten Bereiche aus Polysilizium zum Erhalten degenerativer Dotierung, wobei das Photoresist als Implantierungsmaske für die TFT-Gebiete dient. Das Resist wird dabei gestrippt und die Polysiliziumschicht wird zur Definition der Kanalgebiete 20 für die TFT und die Leitinseln 301 für die Kondensatoren geätzt. Nach dieser Definition werden die zurückgebliebenen Polysiliziumstrukturen thermisch oxidiert, wobei die Implantierungen der Insel 301 aktiviert werden.
Da die dünne Polysiliziuminsel 301 für den Kondensator 301 degenerativ dotiert wird, kann er im Betrieb nicht in die Verarmung vorgespannt werden und kann also als Kondensatorelektrode arbeiten. Die möglicherweise ebenfalls aus Polysilizium bestehenden Steuerleitungen 12 werden dabei auf der dielektrischen Schicht 302 zum Vervollständigen des Kondensators 301 gebildet. In diesem Aufbau belegen die Kondensatoren keine der normalerweise transparenten Gebiete der von den Perimetern der Bildelementelektroden 10 definierten Bildelemente und beeinflussen also nicht die Transparität der Bildelemente.
Ein Querschnitt durch die Anordnung vom Typ nach Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Von zwei Glasträgerplatten 41 und 42 trägt die Trägerplatte 41 an ihrer Innenfläche ein Muster von Zeilen- und Spaltenelektroden und ein Feld von Bildelementelektroden und zugeordneten TFT, die schematisch mit der Schicht 43 veranschaulicht sind. Die Trägerplatte 42 trägt eine transparente Gegenelektrode 44. Die Orientationsschichten 45 und 46 sind auf der Innenfläche der Schicht 43 und auf der Gegenelektrode 44 vorhanden, wobei diese Orientationsschichten beispielsweise durch Aufdampfen von Siliziumoxid (SiO) unter einem schrägen Winkel mit der Senkrechte der Oberflächen gebildet werden. Ein nematisches Flüssigkristallmaterial 47, wie das unter der Herstellungsmarke ZLI 84-460 der Firma E. Merck von Darmstadt, Deutschland, mit einem Chiralitätszusatz beispielsweise von n Cyan 4'-(2-Methyl)- Isobytyl-Biphenyl (im Handel erhältlich als CB15 von DBH Chemicals Polle, England) befindet sich zwischen den Trägerplatten. Der Raum zwischen den Platten beträgt typisch etwa 6 bis 8 Mikrometer und wird durch Distanzperlen aufrechterhalten, die in regelmäßigen Abständen über die Oberflächen der Platten verteilt und in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Ein Abdichtrand 48 verbindet die Platten miteinander an ihrem Umfang. Durch die schräg aufgedampften Siliziumoxidschichten erfahren die Flüssigkristallmoleküle eine Drehung von etwa 90º über die Zellendicke. Der Chiralitätszusatz bestimmt die Richtung der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle, wobei CB15 eine Verdrillung im Gegenuhrzeigersinn bietet.
Die Außenflächen der Trägerplatten 41 und 42 tragen je außerdem einen Linearpolarisator. Der Polarisator 49 fängt das einfallende Licht ein, das in der Zeichnung mit der Pfeilspitze angegeben ist, und der Analysator 50 fängt das von der Anordnung ausgesandte Licht ein.
Die Anzeigezelle kann aus einem ersten stabilen Zustand in einen zweiten stabilen Zustand geschaltet werden, der optisch sich von dem ersten durch Antreiben der Elektroden auf eine geeignete bekannte Weise unterscheidet. Mit einer Parallelorientation des Polarisators und des Analysators ist eine ausgewählte Anzeigezelle oder Anzeigebildelement in AUS-Zustand (keine Spannung zugeführt) dunkel (lichtabsorbierend). Durch Drehung eines der Polarisatoren über 90º gegeneinander (gekreuzte Orientation) kann ein weißer (lichtsendender) AUS-Zustand erhalten werden.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines LCD-Farb-PTV-System unter Verwendung eines Frontprojektionsschirms dargestellt. In der dargestellten Anordnung wird Licht von einer Wolframhalogenlampe 51 von einem Kreuzpaar dichroitischer Spiegel 52 und benachbarter Spiegel 53 zum Durchlassen durch drei TFT- geschaltete LCD 54, 55 und 56 mit aktiver Matrix abwechselnd ausgesandt und reflektiert. Diese drei LCD, die als Lichtventile in der Übertragungsbetriebsart dienen, modulieren drei Kanäle zum Schaffen der roten, grünen und blauen Anteile eines Fernsehbildes. Die dichroitischen Spiegel 52 brechen das weiße Licht von der Quelle 51 in rote, blaue und grüne Anteile des Spektrums. Diese drei Farbanteile werden danach mittels eines dichroitischen Prismas 57 wieder zusammengesetzt. Das zusammengesetzte Licht wird über eine Projektionslinse 58 auf einer Projektionsachse P nach einem Projektionsschirm 59 geworfen.
Diese Anordnung umfaßt ebenfalls eine Kondensoranordnung, die aus einer Kondensorlinse 60 und einem Reflektor 61 besteht. Die Kondensorlinse 60 ist für maximalen Sammelwirkungsgrad zum Einfangen von in der +X-Richtung emittierten Licht ausgelegt. Der sphärische Reflektor 61 fängt in der -X-Richtung emittiertes Licht ein und bildet das Licht der Lampe zurück auf sichselbst ab.
Die Erfindung wurde anhand einer begrenzten Anzahl von Ausführungsbeispielen beschrieben. Andere Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung und der angehängten Ansprüche werden erwogen. Beispielsweise kann die dielektrische Schicht des Zusatzkondensators auf der Leitinsel gebildetes Siliziumnitrid beispielsweise durch chemisches Aufdampfen sein. Die Bildelemente des Feldes brauchen nicht unbedingt von einer Dreiklemmenanordnung geschaltet zu werden, wie beispielsweise von einem Dünnschichttransistor, sondern können ebenfalls von einer Zweiklemmenanordnung geschaltet werden, beispielsweise von einem nichtlinearen Schalter wie einer Diode oder MIM-Schicht. Außerdem braucht das elektrooptische Medium kein nematischer Flüssigkristall zu sein, sondern kann auch ein anderes Flüssigkristallmaterial wie superverdrillter Flüssigkristall oder ein anderes elektrooptisches Material sein, wie ein ferroelektrisches oder elektrolumineszierendes Material. Außerdem braucht die Wiedergabeanordnung kein Lichtventil im Übertragungsbetrieb sein sondern kann ebenfalls im Reflexionsbetrieb arbeiten.

Claims

1. Elektrooptische Wiedergabeanordnung mit aktiver Matrix, mit einem Wändepaar (41, 42) von denen wenigstens eine optisch transparent ist, mit einem Feld von Bildelementelektroden (10), mit einem Feld von den Bildelementelektroden zugeordneten Schaltern (18) und mit einem Feld sich orthogonal zueinander verhaltender Zeilen- (12) und Spaltenelektroden (14), das unter allen Betriebsbedingungen leitend ist, wobei die Felder auf der Innenfläche einer der Wände angeordnet sind, eine Gegenelektrode (44) auf der Innenfläche der anderen Wand angeordnet ist, Orientationsschichten auf den Feldern und auf der Gegenelektrode auf den Wänden angeordnet sind, und ein elektrooptisches Material (47) den Raum zwischen den Wänden ausfüllt und die Orientationsschichten kontaktiert, die Anzeige ein Feld von Speicherkondensatoren (300) mit Inseln (301) aus einem ersten Material enthält, die je in elektrischem Kontakt mit einer Bildelementelektrode (10) stehen, jede Insel (301) unter der Zeilenelektrode (12) neben dem Bildelement liegt, und eine Schicht aus einem dielektrischen Material (302) zwischen der Insel aus dem ersten Material und der aufliegenden Zeilenelektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus einem Leitmaterial besteht, das unter allen Betriebsbedingungen leitet.

2. Wiedergabeanordnung nach Anspruch 1, in der die Schalter TFT, sind, die Zeilenelektroden die Steuerelektroden der TFT miteinander verbinden, die Spaltenelektroden die Source-Elektroden der TFT miteinander verbinden und die Bildelementelektroden mit je einer zugeordneten TFT-Drain-Elektrode verbunden sind.

3. Wiedergabeanordnung nach Anspruch 2, in der das elektrooptische Material ein Flüssigkristallmaterial ist.

4. Wiedergabeanordnung nach Anspruch 2, in der das Leitmaterial degenerativ dotiertes Polysilizium ist.

5. Wiedergabeanordnung nach Anspruch 4, in der die dielektrische Schicht durch Wärmeoxidierung eines Oberflächenbereichs des Leitmaterials gebildet wird.

6. Verfahren zum Herstellen einer elektrooptischen Wiedergabeanordnung mit aktiver Matrix, mit einem Wändepaar, von denen wenigstens eine optisch transparent ist, mit einem Feld von Bildelementelektroden, mit einem Feld von den Bildelementelektroden zugeordneten Schaltern, und mit einem Feld orthogonal sich zueinander verhaltender Zeilen- und Spaltenelektroden, wobei das Feld der Schalter das Feld der Bildelementelektroden und das Feld der Zeilen- und Spaltenelektroden miteinander verbindet, die Felder auf der Innenfläche einer der Wände angeordnet sind, eine Gegenelektrode auf der Innenfläche der anderen Wand angeordnet ist, Orientationsschichten auf den Feldern und der Gegenelektrode liegen, und ein elektrooptisches Mittel den Raum zwischen den Wänden ausfüllt und die Orientationsschichten kontaktiert, und dieses Verfahren folgende Schritte umfaßt:

a) die Bildung von Inseln aus leitfähigem Material, das unter allen Betriebsbedingungen der Wiedergabeanordnung leitet,

b) die Bildung von Schichten aus einem diektrischen Material auf den Leitinseln,

c) die Bildung von Zeilenelektroden auf den dielektrische Schichten, wenigstens über den Inseln aus Leitmaterial, und

d) die elektrische Verbindung der Leitinseln mit den benachbarten Bildelementelektroden,

wobei ein Speicherkondensator für jedes Bildelement des Feldes gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, mit dem die Schalter TFT sind, die Zeilenelektroden die Steuerelektroden der TFT miteinander verbinden, die Spaltenelektroden die Source-Elektroden der TFT miteinander verbinden und die Bildelementelektroden mit je einer TFT-Drain-Elektrode verbunden sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, mit dem das elektrooptische Material ein Flüssigkristallmaterial ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, mit dem die Leitinseln degenerativ dotiertes Polysilizium enthalten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, mit dem die Inseln aus Leitmaterial durch homogenes Bedecken einer der Wände mit einer Polysiliziumschicht, durch Maskierung der Gebiete, in denen die TFT mit einem Photoresist gebildet werden muß, durch degeneratives Dotieren der exponierten Anteile des Polysiliziums, durch Wegstrippen des Photoresists, und durch selektives Ätchen des Polysiliziums gebildet werden, um undotierte Polysilizumgebiete entsprechend den Kanalgebieten der TFT und dotierte Polysiliziuminseln entsprechend den Speicherkondensatoren zurückzulassen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, mit dem die Kanalgebiete und die dotierten Inselgebiete gleichzeitig wärmeoxidiert werden, um eine dünne Oxidschicht zu bilden, die dem Gate-Dielektrikum für die TFT und dem Kondensatordielektrikum für die Speicherkondensatoren entspricht.

12. Farbprojektionsapparat mit folgenden Elementen:

drei elektrooptischen Wiedergabeanordnungen, die je ein Wändepaar, von denen wenigstens eine optisch transparent ist, ein Feld aus Bildelementelektroden, ein Feld von den Bildelementelektroden zugeordneten Schaltern und ein Feld sich orthogonal zueinander verhaltender Zeilen- und Spaltenelektroden enthalten, wobei die in den Ansprüchen 1 + 6 die Felder auf der Innenfläche einer der Wände, eine Gegenelektrode auf der Innenfläche der anderen Wand angeordnet werden, Orientationsschichten auf den Feldern und auf der Gegenelektrode auf den Wänden liegen und ein elektrooptisches Material den Raum zwischen den Wänden ausfüllt und die Orientationsschichten kontaktiert;

Mitteln zum Erzeugen getrennter Monomchromkomponenten eines Farbbildes, die je einer der drei Primärfarben Rot, Blau und Grün auf den Wiedergabeanordnungen entsprechen;

einem Projektionsschirm;

und Mitteln zum Projizieren der Bildkomponenten auf dem Schirm zur Bildung einer Mehrfarbenwiedergabe,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Wiedergabeanordnungen eine Anordnung nach Anspruch 1...6 enthält.