JP3193844B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえばパーソナルコ
ンピュータ等のＯＡ機器に用いられる、非線形素子を備
えた表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータ等のＯＡ
機器のダウンサイジング化に伴って、高機能フラットパ
ネルディスプレイに対する要求が高まっている。このよ
うなフラットパネルディスプレイとしては液晶パネル、
ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネル、プラズマパ
ネル等の研究開発が進められている。特に、液晶パネル
は、時計や電卓からパーソナルコンピュータ、テレビ等
までの幅広い範囲に応用できる表示装置として既に商品
化されている。しかし、今後において、マルチメディア
化が進むにつれて、ディスプレイの高解像度化、高コン
トラスト化、フルカラー化、省電力駆動化等の高機能化
が要求されている。

【０００３】これらの要求を満たす表示装置としては、
個々の画素にアクティブ素子を設けたアクティブマトリ
ックス型表示装置が挙げられる。このアクティブマトリ
ックス方式の液晶表示装置においては、マトリックス状
に設けられた画素電極と、画素電極の近傍を通る走査線
とが、アクティブ素子を介して電気的に接続された構成
になっている。このアクティブ素子としては、２端子の
非線形素子および３端子の能動素子について、開発が精
力的に進められている。このうち、２端子の非線形素子
は、ＴＦＴに代表される３端子の能動素子に比べて、製
造工程に必要なマスク枚数が少ないため製造工程を簡略
化でき、低価格化が期待できる。

【０００４】現在、２端子の非線形素子として、非線形
抵抗層に酸化タンタルを用いた非線形素子（特公昭６１
−３２６７４号）、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜を
用いた非線形素子（特公平６−１７９５７号）または硫
化亜鉛膜を用いた非線形素子（特開平６−３１３８９９
号）等が開発されている。中でも、非線形抵抗層として
硫化亜鉛を用いた非線形素子は、Ｉ−Ｖ特性の非線形性
が大きいばかりでなく、硫化亜鉛膜中に不純物をドーピ
ングすることによりＩ−Ｖ特性を制御することが可能で
ある。このため、表示媒体の電気光学特性に応じたＩ−
Ｖ特性を持つ非線形素子を設計でき、その結果、高コン
トラストの表示装置を提供することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、硫化亜
鉛（ＺｎＳ）を用いると、Ｉ−Ｖ特性の非線形性が大き
く、しかも不純物のドーピングにより表示媒体の特性に
応じたＩ−Ｖ特性を持つ非線形素子が得られる。しか
し、用いられるＺｎＳの結晶構造によっては、表示装置
の非線形素子としては不適当なＩ−Ｖ特性を示す場合も
ある。例えば、応用物理第４６巻第７号（１９７７）６
９０ｐに報告されているように、アモルファスＺｎＳに
おいては、特異なＩ−Ｖ特性を示すことが知られてい
る。以下、アモルファスＺｎＳを用いた非線形素子のＩ
−Ｖ特性の特異性について詳しく説明する。

【０００６】図７（ａ）は、アモルファスＺｎＳを非線
形抵抗層として用いた非線形素子の構造を示す断面図で
ある。この非線形素子は、ガラス基板５１上に、Ｃｕか
らなる第１電極５２、アモルファスＺｎＳからなる非線
形抵抗層５４、Ａｌからなる第２電極５５が順次積層さ
れた構造となっている。

【０００７】この非線形素子は、図７（ｂ）に示すよう
に、不連続なＩ−Ｖ特性を示す。ここで、第２電極５５
に正電圧を加えた場合を順方向とする。この順方向に電
圧を印加すると、低抵抗状態（以下、ｏｎ状態と称す
る）となっており、印加電圧がＶａ１を越すと１→２の
状態に変化して電流が急激に減少し、高抵抗状態（以
下、ｏｆｆ状態と称する）に転移する。このｏｆｆ状態
は、逆方向にＶｃ１以上の電圧を印加しない限り、たと
えば２→２’→２→０→３の状態としない限り保持され
る。しかし、印加電圧がＶｃ１を越すと、３→４の状態
に変化し、またｏｎ状態に転移する。このｏｎ状態は、
順方向にＶａ１以上の電圧をしない限り、たとえば４→
４’→４→０→１の状態としない限り保持される。

【０００８】さらに、この非線形素子は、図７（ｃ）に
示すように、Ｉ−Ｖ特性の温度依存性が大きい。上述の
ように、順方向に電圧を印加すると初めにｏｎ状態とな
り、ある印加電圧を越すとｏｆｆ状態になるが、温度が
低い場合にはＶａ２でｏｆｆ状態に転移し、温度が高く
なるに従ってＶａ３、Ｖａ４と高い印加電圧で転移する
ようになる。また、逆方向に電圧を印加すると初めにｏ
ｆｆ状態となり、ある印加電圧を越すとｏｎ状態になる
が、温度が低い場合にはＶｃ４でｏｎ状態に転移し、温
度が高くなるに従ってＶｃ３、Ｖｃ４と低い印加電圧で
転移するようになる。したがって、アモルファスＺｎＳ
を用いた非線形素子は、不連続なＩ−Ｖ特性を示し、信
頼性が無いため、表示装置に用いるには適さない。

【０００９】本発明は上記従来技術の問題点を解決すべ
くなされたものであり、Ｉ−Ｖ特性が連続的で非線形特
性が大きく、しかも経時変化や温度変化に対して安定な
非線形素子を備えた表示装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の表示装置は、マ
トリックス状に画素が設けられ、各画素をスイッチング
する非線形素子が一対の電極の間に非線形抵抗層を有す
る構成となっている表示装置であって、該非線形抵抗層
が硫化亜鉛を主成分とし、該硫化亜鉛の結晶構造が（１
１１）配向した閃亜鉛鉱型多結晶柱状構造であり、その
ことにより上記目的が達成される。

【００１１】

【００１２】本発明の表示装置において、前記非線形素
子が、電気光学的特性を有する表示媒体を挟んで設けら
れた一対の基板の少なくとも一方に、１画素に１つ以上
設けられた構成とすることができる。また、前記表示媒
体が液晶からなる構成とすることができる。

【００１３】

【作用】本発明においては、非線形抵抗層がＺｎＳを主
成分とし、そのＺｎＳの結晶構造が閃亜鉛鉱型構造を含
む多結晶である。この非線形抵抗層を用いた非線形素子
のＩ−Ｖ特性は、図１に示すように連続的であり、非線
形特性が大きく、しかも経時変化や温度変化に対して安
定である。

【００１４】また、ＺｎＳが多結晶であっても、粒状の
多結晶状態では、外からの電界に対して有効に電流が流
れない、所謂デッドレイヤーと称される層になるので、
柱状構造であるのが望ましい。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１６】本発明の非線形素子は、第１電極と第２電
極とで挟まれた非線形抵抗層が、ＺｎＳを主成分とし、
そのＺｎＳの結晶構造が閃亜鉛鉱型構造を含む多結晶で
ある。この非線形抵抗層は、ＥＢ（Electron Beam）蒸
着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapour De
position）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等
により作製することができる。

【００１７】また、非線形抵抗層の膜厚は、用いられる
用途により異なるが、一般的に５０ｎｍ〜５００ｎｍで
あるのが好ましい。

【００１８】図１に、閃亜鉛鉱型を含む多結晶ＺｎＳを
非線形抵抗層として用いた非線形素子のＩ−Ｖ特性を示
す。この非線形素子のＩ−Ｖ特性は、連続的であり、非
線形特性が大きい。つまり、Ｉ−Ｖ特性の急峻性は電圧
２０Ｖと５Ｖを印加させた時に流れる電流値の比をとれ
ば、１０⁵以上となり、大きい非線形特性を示す。ま
た、経時変化や温度変化に対して安定である。このこと
は、図８および図９に基づいて理解される。

【００１９】図８に、温度が２５度におけるＩ−Ｖ特性
８１、温度が４０度におけるＩ−Ｖ特性８２、温度が６
０度におけるＩ−Ｖ特性８３を示す。温度が上がること
によって、電流値がやや増加する傾向はあるが、Ｉ−Ｖ
特性の連続性は失われない。図９に、非線形素子に電圧
を印加した回数と電流との関係を示す。ここで、電流の
変化率は、電圧２０Ｖにおける電流の変化の割合を、初
期の電流値を１として表している。つまり、経時変化に
より電流値が増えれば変化率が１以上を示し、減少すれ
ば１以下を示す。また、経時変化が無ければ１を示す。
よって、経時変化に対して安定であることがわかる。

【００２０】また、この非線形素子の非線形抵抗層は、
図２のＸ線回折結果に示すように、ブラッグの反射角２
θが２８．５゜付近にビークを有し、閃亜鉛鉱型（１１
１）配向のＺｎＳ膜であることが確認された。また、断
面ＴＥＭ観察の結果、図３に示すように、柱状構造に成
長したものであることが観察され、Ｔａからなる第１電
極７１上に柱状構造のＺｎＳ膜７２が成長していた。こ
のように、ＺｎＳを柱状構造とした場合には、前記デッ
ドレイヤーとはならないので、省電力駆動とすることが
できる。

【００２１】以下、本発明を液晶表示装置に適用した具
体的な実施例について図面を参照しながら説明する。

【００２２】（実施例１）この実施例では、ホワイトテ
ーラー型ゲストホスト液晶を用いた反射型液晶表示装置
について説明する。

【００２３】図４（ａ）は、本実施例の液晶表示装置に
おける素子側基板の１画素分を示す平面図であり、図４
（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。ま
た、図５は、本実施例の液晶表示装置の２画素分を示す
斜視図である。この液晶表示装置は、各々電極形成側表
面に配向膜３３が形成された非線形素子側基板２７と対
向側基板２９との間に、ホワイトテーラー型ゲストホス
ト液晶３４が挟まれた構成となっている。

【００２４】上記素子側基板２７は、絶縁性基板２１上
に走査電極配線２２およびその一部である第１電極２２
ａが形成され、その上に絶縁膜２３が形成されている。
この絶縁膜２３は、第１電極２２ａの上部分にコンタク
トホール２３ａが形成され、その上に、コンタクトホー
ル２３ａに一部充填されて、閃亜鉛鉱型を含む多結晶Ｚ
ｎＳを主成分とする非線形抵抗層２４が形成されてい
る。さらにその上に、画素電極２５が形成され、コンタ
クトホール２３ａ近傍部分が非線形素子の第２電極２５
ａとなっている。非線形素子は、非線形抵抗層２４と、
非線形抵抗層２４を挟んで対向する第１電極２２ａと第
２電極２５ａとから構成されている。

【００２５】一方、上記対向側基板２９は、ガラス基板
２８上に対向電極３０が形成されている。この対向電極
３０は、上記画素電極２５と対向配設されている。

【００２６】以下に、この液晶表示装置の作製工程につ
いて説明する。まず、素子側基板２７の作製手順につい
て説明する。

【００２７】まず、絶縁性基板２１上に導電性薄膜を形
成し、これを所定の形状にパターン形成して走査電極配
線２２および走査電極配線２２の一部である第１電極２
２ａを形成する。この実施例では、ガラス基板２１上に
厚み約２００ｎｍのＴａをスパッタリング法により成膜
し、所定のパターニングを行って走査電極配線２２およ
び第１電極２２ａを形成した。

【００２８】次に、絶縁膜２３を形成し、第１電極２２
ａと非線形抵抗層２４との接続を行うためのコンタクト
ホール２３ａを設ける。この実施例では、有機系感光性
樹脂を用い、スピンコート法により約１．４μｍの厚み
に塗布した後、露光・現像工程を通してコンタクトホー
ル２３ａを設けた絶縁膜２３を形成した。このように有
機系感光性樹脂を用いることにより、パターニング工程
を簡略化できるという利点がある。その後、ＲＩＥによ
り絶縁膜２３表面を軽く処理して絶縁膜表面に凹凸を形
成した。この処理により、絶縁膜２３上に形成される画
素電極２５に凹凸が形成されるので、反射型液晶表示装
置の散乱効果を生じさせることができる。

【００２９】その後、閃亜鉛鉱型を含む多結晶ＺｎＳを
主成分とする非線形抵抗層２４を形成する。この実施例
では、Ｎｉを混合したＺｎＳ焼成ターゲットを用いて、
Ｎｉを含んだＺｎＳからなる非線形抵抗層２４を膜厚８
０ｎｍに成膜した。この非線形抵抗層２４をＸ線回折し
た結果、閃亜鉛鉱型（１１１）配向のＺｎＳ膜であるこ
とが確認された。また、断面ＴＥＭ観察の結果、柱状構
造に成長したものであることが観察された。さらに、フ
レームレス原子吸光法によりニッケルの定量を行ったと
ころ、硫化亜鉛膜中のニッケル量は０．４ｗｔ％であっ
た。このように非線形抵抗層にニッケル等の不純物を混
合した硫化亜鉛を用いることにより、Ｉ−Ｖ特性の急峻
性を保った状態で、ニッケルの混合量に応じて非線形素
子を流れる電流を制御することができる。また、閃亜鉛
鉱型のＺｎＳ多結晶であるので、連続的で非線形特性が
大きく、経時変化や温度変化に対して安定なＩ−Ｖ特性
が得られ、表示装置に適している。さらに、結晶構造が
柱状構造であるので、外からの電流に対して有効に電流
を流すことができる。

【００３０】さらに、反射性を有する材料からなる導電
性薄膜を形成し、これをパターニングして第２電極２５
ａとしても用いられる画素電極２５を形成する。この実
施例では、スパッタリング法によりアルミニウムを厚み
約２００ｎｍに成膜し、パターニングを行って画素電極
２５および第２電極２５ａを形成した。

【００３１】以上により、第１電極２２ａ、非線形抵抗
層２４および第２電極２５ａの重畳部が非線形素子とな
って、反射型液晶表示装置の素子側基板２７が作製され
た。次に、対向側基板２９の作製手順について説明す
る。対向側基板２９は、絶縁性基板２８上に対向電極３
０を形成する。この実施例では、ガラス基板２８上に厚
み約２００ｎｍのＩＴＯをスパッタリング法により成膜
した。その後、フォト工程を施して臭化水素酸によりエ
ッチングを行い、フォトレジストを剥離することにより
ストライプ状の対向電極３０を得た。

【００３２】以上のようにして作製した素子側基板２７
と対向側基板２９における素子や電極形成側面に、各々
配向膜３３を塗布し、配向膜３３が形成されている面が
内側となるように両基板２７、２９の貼り合わせを行っ
た。そして、両基板の間隙にホワイトテーラー型ゲスト
ホスト液晶３４を注入し、注入口を封止して反射型液晶
表示装置を完成した。

【００３３】本実施例においては、非線形素子の非線形
抵抗層が、閃亜鉛鉱型のＺｎＳ多結晶であり、結晶構造
が柱状構造であるので、連続的で非線形特性が大きく、
経時変化や温度変化に対して安定なＩ−Ｖ特性が得ら
れ、省電力駆動を行うことができる。このように表示装
置に適した特性の非線形素子を備えた本実施例の反射型
液晶表示装置は、表示品位が高く、信頼性の高いものと
することができ、低コストで作製することができる。

【００３４】（実施例２）この実施例では、表示媒体と
して液晶を用いた透過型液晶表示装置について説明す
る。

【００３５】図６（ａ）は、本実施例に係る非線形素子
が形成された素子側基板の１画素分を示す平面図であ
り、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図であ
る。

【００３６】上記素子側基板は、絶縁性基板４１上に走
査電極配線４２およびその一部である第１電極４２ａが
形成され、その上に絶縁膜４３が形成されている。第１
電極４２ａの上部分にはコンタクトホール４３ａが形成
され、その上に、コンタクトホール４３ａに一部充填さ
れて、閃亜鉛鉱型を含む多結晶ＺｎＳを主成分とする非
線形抵抗層４４が形成されている。さらにその上に第２
電極４６が形成され、第２電極４６と一部接するように
画素電極４５が形成されている。非線形素子は、非線形
抵抗層４４と、非線形抵抗層４４を挟んで対向する第１
電極４２ａと第２電極４６とから構成されている。

【００３７】以下に、この液晶表示装置の素子側基板の
作製手順について説明する。

【００３８】まず、絶縁性基板４１上に導電性薄膜を形
成し、これを所定の形状にパターン形成して走査電極配
線４２および走査電極配線４２の一部である第１電極４
２ａを形成する。この実施例では、ガラス基板４１上に
厚み約３００ｎｍのＴａをスパッタリング法により成膜
し、所定のパターニングを行って走査電極配線４２およ
び第１電極４２ａを形成した。

【００３９】次に、絶縁膜４３を形成し、第１電極４２
ａと非線形抵抗層４４との接続を行うためのコンタクト
ホール４３ａを設ける。この絶縁膜４３およびコンタク
トホール４３ａは膜厚を５００ｎｍにした以外は実施例
１の絶縁膜２３およびコンタクトホール２３ａと同様に
して形成した。

【００４０】その後、閃亜鉛鉱型を含む多結晶ＺｎＳを
主成分とする非線形抵抗層４４を形成する。この非線形
抵抗層４４は、実施例１の非線形抵抗層２４と同様のス
パッタリング条件で成膜した。

【００４１】さらにその上に、導電性薄膜を形成し、こ
れを所定の形状にパターン形成して第２電極４６とす
る。この実施例では、非線形抵抗層４４の成膜に続いて
厚み約２００ｎｍのＣｒをスパッタリング法により成膜
し、非線形抵抗層４４と同時にパターニングを行って非
線形抵抗層４４および第２電極４６をパターン形成し
た。

【００４２】最後に、導電性薄膜を形成し、これをパタ
ーニングして画素電極４５を形成する。この実施例で
は、スパッタリング法によりＩＴＯを成膜し、パターニ
ングを行って第２電極４６と一部接するように画素電極
４５を形成した。

【００４３】以上により、第１電極４２ａ、非線形抵抗
層４４および第２電極４６の重畳部が非線形素子となっ
て、透過型液晶表示装置の素子側基板が作製された。

【００４４】次に、実施例１と同様にして対向側基板を
作製し、素子側基板と対向側基板における素子や電極形
成側面に各々垂直配向膜を塗布して配向処理を行って、
配向膜が形成されている面が内側となるように両基板の
貼り合わせを行った。その後、両基板の間隙に液晶を注
入し、注入口を封止して透過型液晶表示装置を完成し
た。

【００４５】本実施例においても、非線形素子の非線形
抵抗層が、閃亜鉛鉱型のＺｎＳ多結晶であり、結晶構造
が柱状構造であるので、連続的で非線形特性が大きく、
経時変化や温度変化に対して安定なＩ−Ｖ特性が得ら
れ、省電力駆動を行うことができる。このように表示装
置に適した特性の非線形素子を備えた本実施例の透過型
液晶表示装置は、実施例１の反射型液晶表示装置と同様
に、表示品位が高く、信頼性の高いものとすることがで
き、低コストで作製することができる。

【００４６】上記実施例１、２において、表示媒体とし
ては、ホワイトテーラー型ゲストホスト液晶を用いた
が、ツイストネマティック液晶やホモジニアス配向のネ
マティック液晶と偏光板とを組み合わせて用いてもよ
く、さらに、その他の液晶モードを用いることもでき
る。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、非線形素子の非線形抵抗層が、閃亜鉛鉱型の
ＺｎＳ多結晶であるので、連続的で非線形特性が大き
く、経時変化や温度変化に対して安定なＩ−Ｖ特性が得
られる。また、ＺｎＳ多結晶の結晶構造を柱状構造にす
る場合は省電力駆動を行うことができる。このように表
示装置に適した特性の非線形素子を備えているので、表
示品位が高く、信頼性の高い表示装置を低コストで作製
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非線形素子のＩ−Ｖ特性を示すグ
ラフである。

【図２】本発明に係る非線形素子のＺｎＳ膜のＸ線回折
図である。

【図３】本発明に係る非線形素子のＺｎＳ膜の断面構造
図である。

【図４】（ａ）は、実施例１の液晶表示装置における素
子側基板の１画素分の平面図であり、（ｂ）は（ａ）の
Ａ−Ａ’線断面図である。

【図５】実施例１の液晶表示装置の２画素分の斜視図で
ある。

【図６】（ａ）は、実施例２の液晶表示装置における素
子側基板の１画素分の平面図であり、（ｂ）は（ａ）の
Ｂ−Ｂ’線断面図である。

【図７】（ａ）は、従来の非線形素子を示す断面図であ
り、（ｂ）は、（ａ）に示した非線形素子のＩ−Ｖ特性
を示すグラフであり、（ｃ）は（ａ）に示した非線形素
子のＩ−Ｖ特性の温度依存性を示すグラフである。

【図８】横軸に電圧、縦軸に電流をとって、Ｉ−Ｖ特性
の温度特性を示すグラフである。

【図９】ＩＶ特性の経時変化を示すグラフである。

【符号の説明】

２１、４１ 基板 ２２、４２ 走査電極配線 ２２ａ、４２ａ、７１ 第１電極 ２３、４３ 層間絶縁膜 ２３ａ、４３ａ コンタクトホール ２４、４４、７２ 非線形抵抗層 ２５、４５ 画素電極 ２５ａ、４６ 第２電極 ２７ 素子側基板 ２９ 対向側基板 ２８ ガラス基板 ３０ 対向電極 ３３ 配向膜 ３４ 液晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 孝夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 坪田 耕次郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−273805（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−160694（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−88872（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−243345（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−114482（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−313899（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1365

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリックス状に画素が設けられ、各画
   素をスイッチングする非線形素子が一対の電極の間に非
   線形抵抗層を有する構成となっている表示装置であっ
   て、 該非線形抵抗層が硫化亜鉛を主成分とし、該硫化亜鉛の
   結晶構造が（１１１）配向した閃亜鉛鉱型多結晶柱状構
   造である表示装置。