JP3204989B2 - アクティブマトリクス型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
リクス型液晶表示装置に関する。
素子を用いたアクティブマトリクス型液晶表示装置は、
OA機器等の表示端末として広く普及し始めている。この
液晶表示装置の表示方式には、大別して次の2通りがあ
る。一つは、透明電極が構成された2枚の基板により液
晶を挾み込み、透明電極に印加された電圧で動作させ、
透明電極を透過し液晶に入射した光を変調して表示する
方式である。もう一つは、2枚の基板により液晶を挾み
込み、一方の基板上に構成された二つの電極(画素電極
及び対向電極)の間の基板面にほぼ並行な電界により液
晶を動作させ、二つの電極の隙間から液晶に入射した光
を変調して表示する方式であり、広視野角,低負荷容量
等の特徴を持ち、アクティブマトリクス型液晶表示装置
に関して有望な技術である。以下、後者の方式を横電界
方式と呼ぶ。
極を櫛歯状に構成するため、光を透過できる開口面積が
小さく、表示画面が暗いため、消費電力が大きい明るい
バックライトを用いる必要があるという問題がある。
共通電極に外部から電圧を供給するという共通電極配線
の役割を、走査電極配線に兼用させることにより、共通
電極配線を省略し、横電界方式の開口面積を大きくする
方式を提案している。以下、上記方式技術を共通電極配
線レス(コモンレス)横電界方式と呼ぶことにする。
である薄膜トランジスタが、しきい値電圧が液晶の光学
的変調に要する液晶動作電圧の最大電圧よりも高い、完
全なエンハンスメント型のスイッチング特性を示す必要
がある。エンハンスメント型のスイッチング特性を示す
薄膜トランジスタを実現する方法としては、上述した特
願平6−199247号には、半導体層であるアモルファスシ
リコン半導体層を薄膜化する方法、または薄膜トランジ
スタのゲート走査電極に対向する位置に設けた背面電極
の電圧を制御する方法が記載されている。
値電圧のバラツキを十分小さくする必要がある。共通電
極配線レス横電界方式のアクティブマトリクス型液晶表
示装置は表示品質が低いという課題がある。
単純な構成の薄膜トランジスタを用いた、高画質の対向
電極配線レス横電界方式のアクティブマトリクス型液晶
表示装置を提供することにある。
ッチング素子に用いる薄膜トランジスタは、走査電極上
に形成された窒化シリコン膜と、この窒化シリコン膜上
に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成されたソー
ス領域及びドレイン領域とを有する半導体層とを有する
エンハンスメント型の薄膜トランジスタである。
の最大値より大きい。好ましい実施態様では、しきい値
電圧は10V以上である。
は酸化シリコン膜があり、また、この絶縁層の厚さは30
Å以上が好ましい。
レイン電極が接続された半導体層が形成される。
電極と対応する対向電極とに印加される電圧により前記
液晶層には前記基板に平行な電界が発生する。
Nitride Oxide Semiconductor)構造と呼ばれる薄膜メ
モリトランジスタ構造である。
を、次のように制御する。ドレイン電極またはドレイン
電極及びソース電極を接地した状態で、ゲート電極に液
晶動作電圧(±10V前後)よりも十分高い正のしきい値
制御電圧を印加する。また、アクティブマトリクス型液
晶表示装置における走査(ゲート)電極配線と信号(ド
レイン)電極配線の交点に、本発明の薄膜トランジスタ
がマトリクス上に配置されている場合は、各薄膜トラン
ジスタのしきい値電圧が等しくなるように、例えば線順
次駆動法を用いて各薄膜トランジスタのゲート/ドレイ
ン電極間に上記のしきい値制御電圧を個別に印加する。
この際、しきい値電圧のバラツキを低減するために、液
晶表示装置の輝度分布をモニタしながら制御することに
より、表示品質の均一性を確保する。
ト電極がドレイン電極に対して正電圧になるため、半導
体層中の電子が酸化シリコン膜を突き抜けて窒化シリコ
ン膜にトラップされる。窒化シリコン膜中にトラップさ
れた電子の作用により、薄膜トランジスタのしきい値電
圧がプラス側にシフトしてエンハンスメント型の特性を
示すようになる。しきい値制御電圧を増加すれば、窒化
シリコン膜中のトラップ電子量が増加してしきい値電圧
が増加する。従って、各薄膜トランジスタに印加するし
きい値制御電圧を個別に調製すれば、各薄膜トランジス
タのしきい値電圧を同じ値にシフトすることができるた
め、しきい値電圧のバラツキが大幅に低減できる。
酸化シリコン膜厚が30Å以上であるため、共通電極配線
レス横電界方式のスイッチング素子に用いた場合に、表
示動作中にしきい値変動をすることがなく、安定したエ
ンハンスメント型の特性を提供できる。以下、この作用
について詳しく説明する。
イン電極間にゲート電極が負となるように上記とは逆極
性の電圧を印加した場合、窒化シリコン膜中の電子が酸
化シリコン膜を突き抜けて半導体層中に放出されるか、
または半導体層中の正孔が酸化シリコン膜を突き抜けて
窒化シリコン膜中にトラップされるため、しきい値電圧
がマイナス側にシフトする。本発明の薄膜トランジスタ
を共通電極配線レス横電界方式のスイッチング素子とし
て用いる場合、表示動作中にゲート/ドレイン電極間に
は液晶動作電圧(±10V前後)程度の両極性電圧が印加
されるが、この印加電圧によって薄膜トランジスタのし
きい値電圧が変動しないことが要求される。
ドレイン間印加電圧の絶対値(以下、しきい値シフト開
始電圧と呼ぶ)の酸化シリコン膜厚依存性を示す。酸化
シリコン膜厚が20Å以下の場合、しきい値シフト開始電
圧は5V程度であるのに対して、酸化シリコン膜厚が30Å
以上の場合、しきい値シフト開始電圧は液晶動作電圧の
最大値以上になる。
電圧印加で電子または正孔が薄い酸化シリコン膜をトン
ネル効果により通り抜けてしまうのに対して、酸化シリ
コン膜厚が30Å以上では、電子または正孔が酸化シリコ
ン膜のエネルギー障壁を越えなければならず、より高い
電界が必要となるためである。
シフトさせたしきい値電圧は、表示動作中に変動するこ
となく一定に維持されるため、共通電極配線レス横電界
方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置において安
定したエンハンスメント型の特性を提供できる。
表示輝度をモニタしながらしきい値制御をすることによ
り、しきい値電圧を均一にすることが可能となる。ノー
マリーブラック表示の際には、輝度が低い部分に対して
しきい値制御電圧をさらに印加することにより、均一な
しきい値特性を有する高画質なアクティブマトリクス表
示装置を提供できる。
を示す図である。
特性を示す図である。
電圧の経時変化を示す図である。
面構成を示す図である。
電圧制御装置の構成を示す図である。
半導体トランジスタとのしきい値電圧分布を示す図であ
る。
始電圧の酸化シリコン膜厚依存性を示す図である。
図に、本発明に用いる薄膜トランジスタの断面構造を示
す。11はガラス基板、12はAlまたはCrからなるゲート電
極、13は窒化シリコン膜からなる第1のゲート絶縁層、
14は酸化シリコン膜からなる第2のゲート絶縁層、15は
アモルファスシリコンよりなる半導体層、16はリンをド
ープしたn+型アモルファスシリコンからなるコンタク
ト層、17,18はCrよりなるソース電極及びドレイン電
極、19は窒化シリコン膜よりなるパシベーション膜であ
る。
まず、コーニング7059ガラス基板11上に厚さ約300nmのA
l膜またはCr膜をスパッタリング法により形成する。ホ
トエッチングによりAlをパターニングしてゲート電極12
を形成する。その上にSiH4,NH3,N2等の混合ガスを用い
たプラズマ化学気相成長(CVD)法により、厚さ2500Å
の窒化シリコン膜からなる第1のゲート絶縁層13を形成
する。その上に、TEOS(テトラエチルオルソシリケー
ト)、O2等の混合ガスを用いたプラズマCVD法により、
厚さ100Åの酸化シリコン膜からなる第2のゲート絶縁
層14を形成する。その上に、SiH4ガスを用いたプラズマ
CVD法により厚さ2000Åのアモルファスシリコン膜、及
びSiH4,PH3混合ガスを用いたプラズマCVD法により厚さ3
00Åのn+型アモルファスシリコン膜を形成する。
空を維持して連続して行なうことが望ましい。ホトエッ
チングによりアモルファスシリコン膜をn+型アモルフ
ァスシリコン膜と同時に島状加工することにより、半導
体層15が形成される。この上にスパッタリング法を用い
て蒸着したCrをホトエッチングによりパターニングし
て、ソース電極17及びドレイン電極18が形成される。
スシリコン膜をエッチング除去することにより、ソース
電極17及びドレイン電極18と半導体層15の間にコンタク
ト層16が形成される。さらにこの上にプラズマCVD法に
より体積した厚さ5000Åの窒化シリコン膜をホトエッチ
ングによりパターニングして保護性絶縁膜19を形成する
ことにより、薄膜トランジスタが完成する。
値電圧は、次のようにして制御した。即ち、ドレイン電
極またはドレイン電極及びソース電極を接地した状態
で、ゲート電極に+80Vの正電圧を2秒間印加した。
値電圧制御前後のドレイン電流のゲート電圧依存性(I
d−V g特性)を示す。上記の電圧印加により、しきい値
電圧が2Vから10Vに増加し、エンハンスメント型の特性
を示すようになった。
ランジスタのしきい値電圧の経時変化を調べた。本発明
の薄膜トランジスタが、横電界方式アクティブマトリク
ス型液晶表示装置のスイッチング素子に使われる状況を
模擬するため、ゲート電極及びドレイン電極に各々±15
V及び±10Vの矩形交流電圧を印加し、一定時間毎にしき
い値電圧を測定した。
経時変化を示す。比較のため、酸化シリコン膜がない従
来構造の薄膜トランジスタ、及び酸化シリコン膜厚が20
Åの薄膜メモリトランジスタの結果も示す。本発明の薄
膜トランジスタでは104時間以上に渡ってしきい値電圧
が変化しないのに対して、酸化シリコン膜ないし薄膜ト
ランジスタでは短時間でしきい値電圧が単調減少する。
また、酸化シリコン膜の厚さが20Åの薄膜メモリトラン
ジスタでは、印加電圧によってしきい値電圧が大きく変
動してしまう。
ート絶縁層14の上に連続してアモルファスシリコンから
なる半導体層15を形成したが、酸化シリコン膜からなる
第2のゲート絶縁層14表面をN2プラズマに一定時間曝し
た後に半導体層15を形成したところ、第2図のドレイン
電流のゲート電圧依存性において、しきい値電圧以上で
のゲート電圧増加に伴うドレイン電流の立上りが急峻に
なり、薄膜トランジスタのスイッチング特性が改善され
た。
したが、正スタガ構造またはコプラナ構造でもよい。ま
た、半導体層もアモルファスシリコン以外の、例えばポ
リシリコンまたは微結晶シリコンでもよい。
素子に用いて構成した、共通電極配線レス横電界方式液
晶表示装置のTFT基板中における画素部の平面構成及び
断面構成を示す。図において、一画素は隣接する走査電
極と信号電極とによって囲まれた領域で構成される。薄
膜トランジスタ41は、走査電極(ゲート電極)42,信号
電極(ドレイン電)43,画素電極(ソース電極)44,酸化
シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜からなるゲート絶
縁膜45、及びアモルファスシリコンからなる半導体層46
から構成される。
導体層46を介して信号電極43と画素電極44を同一の金属
層をパターニングして形成した。保持容量47は、画素電
極44と前行の走査電極48で酸化シリコン膜と窒化シリコ
ン膜の積層膜からゲート絶縁膜45を挾む構造として形成
した。
方向に伸びた対向電極49と、この対向電極49の間に平行
に伸びた画素電極44の間に印加される電界によって制御
される。光は、対向電極49と画素電極44の間の通過し、
液晶層に入射して変調される。共通電極レス横電界方式
液晶表示装置においては、前行の走査電極48が共通電極
配線の役割を兼ねるため、共通電極配線がない。
素子に用いた、対向電極配線レスの横電界方式液晶表示
パネル、及び前記表示パネル中の薄膜トランジスタのし
きい値電圧制御装置の構成を示した図である。
晶及び保持容量、53は画素、54はゲート電極配線、55は
ドレイン電極配線、56は液晶表示パネル、57はしきい値
制御用走査回路(以下、走査回路と記す)、58はしきい
値制御用信号回路(以下、信号回路と記す)、59はプロ
ーブ針、510はコントローラ、511は2次元光センサ、51
2はバックライトを示す。
示パネルの薄膜トランジスタのしきい値電圧を、以下の
ようにして制御する。ここで、+80Vの電圧を2秒間印
加すると、薄膜トランジスタのしきい値電圧は、約+10
Vになるものとする。バックライト512上に配置された液
晶表示パネル56のゲート電極配線54及びドレイン電極配
線55に、プローブ針59を介して、走査回路57と信号回路
58を接続する。
置する本発明の薄膜トランジスタ51の各々に、いわゆる
線順次駆動法によって、個別にしきい値制御電圧が印加
する。即ち、走査回路57からゲート電極配線54の各々
に、振幅+20Vのゲート電圧が2秒間ずつ順次印加す
る。上記ゲート電圧印加期間(選択期間と呼ばれる)中
に信号回路58からドレイン電極配線55の各々に−60Vの
ドレイン電圧が2秒間印加する。
交点に位置する本発明の薄膜トランジスタ51の各々に
は、ゲート/ドレイン電極間にゲート電極が正となる向
きに約+80Vのしきい値制御電圧が2秒間印加される。
電圧を印加した後、各薄膜トランジスタ51のしきい値電
圧を、各薄膜トランジスタが位置する画素53の輝度を測
定することにより評価する。即ち、走査回路57から出力
される選択期間及び非選択期間における振幅が各々+10
V及び0Vのゲート電圧、及び信号回路58から出力される
振幅±10Vの液晶動作電圧を用いて、線順次駆動法によ
り液晶表示パネル56を全面点灯させる(本液晶パネルの
表示モードは、電圧無印加時に暗表示を示すノーマリー
ブラックとする)。
511で記録され、コントローラ510にフィードバックされ
る。しきい値電圧シフト不十分で、しきい値電圧が+10
V以下の薄膜トランジスタがあった場合、特願平6−199
247号に記載があるように、その位置の画素は非選択期
間中に−10Vの液晶動作電圧が保持できないため、しき
い値電圧が+10Vになった薄膜トランジスタが位置する
画素よりも輝度が低下する。
スタの位置は低輝度画素の位置として2次元光センサ51
1により検知される。コントローラ510は、2次元光セン
サ511から得た各画素の輝度分布に従って、しきい値電
圧の増加が不十分な薄膜トランジスタだけにしきい値制
御電圧が再印加されるように、走査回路57及び信号回路
58からの出力電圧を制御する。その際、ドレイン電圧の
増減により各薄膜トランジスタに印加されるしきい値制
御電圧を制御できる。しきい値制御電圧の再印加後、再
び液晶表示パネル56の各画素の輝度を2次元光センサ51
1で記録し、各画素の輝度が均一になるまで、上記動作
を繰り返す。
ト量を液晶表示装置の画素輝度の2次元分布として検知
し、検知したしきい値電圧シフト量に応じて各薄膜トラ
ンジスタへしきい値制御電圧を個別に印加することによ
り、対向電極配線レス横電界方式液晶表示パネル56に用
いられた本発明の薄膜トランジスタ51のしきい値電圧の
バラツキを抑制して均一にできる。
圧を制御した場合の対向電極レス横電界方式液晶表示パ
ネルにおける薄膜トランジスタのしきい値電圧分布を、
従来発明の場合と比較して示した図である。半導体層薄
膜化等の従来発明でしきい値制御した場合、しきい値電
圧の分布が大きく、しきい値電圧が液晶動作電圧以下の
薄膜トランジスタがある。
以下の薄膜トランジスタが位置する画素で輝度低下が起
きてしまうため、均一な表示ができない。一方、本発明
の場合は、全ての薄膜トランジスタのしきい値電圧が液
晶動作電圧以上であり、しきい値電圧分布が±1V以下と
なっている。このため、本発明のしきい値制御装置でし
きい値制御した薄膜トランジスタをスイッチング素子に
用いた対向電極レス横電界方式液晶表示パネルでは、表
示動作中に均一なスイッチング動作が行われるため、各
画素に印加される液晶動作電圧も均一となり表示品質が
向上した。
となると、スイッチング動作が不均一となり表示輝度が
不均一になった。
のしきい値シフトが最初から均一な場合は、本発明のよ
うなしきい値電圧制御装置は必要なく、全ての薄膜トラ
ンジスタに同時に等しいしきい値制御電圧を印加するだ
けで良い。
た共通電極レス横電界方式液晶表示装置では、薄膜トラ
ンジスタのしきい値電圧のバラツキがなく均一なため、
表示品質が向上する。
Claims (18)
- 【請求項1】一対の基板と、この一対の基板に挟持され
た液晶層とを有し、 前記一対の基板の一方の基板には複数の走査電極と、こ
の複数の走査電極にマトリクス状に交差する複数の信号
電極と、前記複数の走査電極と複数の信号電極とのそれ
ぞれの交点に対応して形成された複数の半導体スイッチ
ング素子と、この複数のスイッチング素子のそれぞれに
接続された複数の画素電極と、前記複数の走査電極のそ
れぞれに接続された複数の対向電極とが形成され、 前記複数の半導体スイッチング素子のそれぞれは対応す
る走査電極上に形成された窒化シリコン膜と、この窒化
シリコン膜上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形
成されたソース領域及びドレイン領域とを有する半導体
層とを有するエンハンスメント型の薄膜トランジスタで
あることを特徴とするアクティブマトリクス型液晶表示
装置。 - 【請求項2】請求項1において、前記薄膜トランジスタ
のしきい値電圧が前記液晶層の液晶動作電圧の最大値よ
り大きいことを特徴とするアクティブマトリクス型液晶
表示装置。 - 【請求項3】請求項2において、前記薄膜トランジスタ
のしきい値電圧は10V以上であることを特徴とするアク
ティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項4】請求項1において、前記画素電極と対応す
る前記対向電極とに印加される電圧により前記液晶層に
は前記基板に平行な電解が発生することを特徴とするア
クティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項5】請求項1において、前記薄膜トランジスタ
の前記絶縁層の厚さが30Å以上であることを特徴とする
アクティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項6】請求項5において、前記薄膜トランジスタ
の前記絶縁層は酸化シリコン膜であることを特徴とする
アクティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項7】請求項6において、前記薄膜トランジスタ
のしきい値電圧が前記液晶層の液晶動作電圧の最大値よ
り大きいことを特徴とするアクティブマトリクス型液晶
表示装置。 - 【請求項8】請求項1において、前記薄膜トランジスタ
は逆スタガ構造であることを特徴とするアクティブマト
リクス型液晶表示装置。 - 【請求項9】請求項1において、前記薄膜トランジスタ
は正スタガ構造であることを特徴とするアクティブマト
リクス型液晶表示装置。 - 【請求項10】請求項1において、前記薄膜トランジス
タはコプラナ構造であることを特徴とするアクティブマ
トリクス型液晶表示装置。 - 【請求項11】一対の基板と、この一対の基板に挟持さ
れた液晶層とを有し、 前記一対の基板の一方の基板には複数の走査電極と、こ
の複数の走査電極にマトリクス状に交差する複数の信号
電極と、前記複数の走査電極と複数の信号電極とのそれ
ぞれの交点に対応して形成された複数の薄膜トランジス
タとを有し、 前記複数の走査信号電極及び前記複数の信号電極とで囲
まれるそれぞれの領域で少なくとも一つの画素が構成さ
れ、 それぞれの画素には、対応する薄膜トランジスタに接続
された画素電極と、この画素電極と同一方向に形成され
対応する一方の走査電極に接続された対向電極とを有
し、 前記複数の薄膜トランジスタのそれぞれは対応する他方
の走査線電極上に形成された窒化シリコン膜と、この窒
化シリコン膜上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に
形成されたソース領域及びドレイン領域とを有する半導
体層とを有するエンハンスメント型の特性を有すること
を特徴とするアクティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項12】請求項11において、前記画素電極は前記
対応する一方の走査電極上に絶縁層を介してオーバラッ
プされていることを特徴とするアクティブマトリクス型
液晶表示装置。 - 【請求項13】請求項11において、前記薄膜トランジス
タのしきい値電圧が前記液晶層の液晶動作電圧の最大値
より大きいことを特徴とするアクティブマトリクス型液
晶表示装置。 - 【請求項14】請求項13において、前記薄膜トランジス
タのしきい値電圧は10V以上であることを特徴とするア
クティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項15】請求項11において、前記画素電極と前記
対向電極とに印加される電圧により前記液晶層には前記
基板に平行な電界が発生することを特徴とするアクティ
ブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項16】請求項11において、前記薄膜トランジス
タの前記絶縁層の厚さが30Å以上であることを特徴とす
るアクティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項17】請求項16において、前記薄膜トランジス
タの前記絶縁層は酸化シリコン膜であることを特徴とす
るアクティブマトリクス型液晶表示装置。 - 【請求項18】請求項17において、前記薄膜トランジス
タのしきい値電圧が前記液晶層の液晶動作電圧の最大値
より大きいことを特徴とするアクティブマトリクス型液
晶表示装置。
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