JP3412171B2 - 薄膜スイッチング素子 - Google Patents

薄膜スイッチング素子

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JP3412171B2 JP27988392A JP27988392A JP3412171B2 JP 3412171 B2 JP3412171 B2 JP 3412171B2 JP 27988392 A JP27988392 A JP 27988392A JP 27988392 A JP27988392 A JP 27988392A JP 3412171 B2 JP3412171 B2 JP 3412171B2
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宏一 小寺
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はLCD等の表示デバイス
のアクティブマトリクス駆動に使用できる薄膜スイッチ
ング素子に関する。
【0002】
【従来の技術】液晶ディスプレイ等の表示デバイスにお
いて、高精細度な画面を得るためには走査線数を増やし
た高密度なマトリクス構成が必要である。このようなマ
トリクスを有効に駆動させるため、各画素にスイッチン
グ素子を取り付けたアクティブマトリクス駆動方式が注
目されている。
【0003】このアクティブマトリクス駆動に使用され
るスイッチング素子として、通常、薄膜トランジスタ
(TFT)を代表とした3端子型素子と、半導体ダイオ
ードを代表とした2端子型素子が一般的である。2端子
型素子は3端子型素子に比べて構造が簡単で、製造しや
すいため、大画面用、そして低コスト化を実現するスイ
ッチング素子として注目されており、特にPをドープし
たN型シリコン層、ノンドープのI型シリコン層、Pを
ドープしたN型シリコン層を順次積層したNIN素子は
非線形抵抗性に優れたスイッチング素子である(W.DEN B
OER et al.:Mat.Res.Soc.Proc.Vol.49 p.385)。
【0004】図5は従来のNIN素子を液晶ディスプレ
イのスイッチング素子に適用した場合の断面構成の一例
を示す。ガラスより成る絶縁性基板51上に下部電極層5
2、n+a-Si:Hより成るN型の第一半導体層53、ノンドー
プのa-Si:Hより成るI型の第二半導体層54、n+a-Si:Hよ
り成るN型の第三半導体層55を順次積層したのち、SiO2
より成る保護絶縁層56を積層する。電極引出し窓57が形
成された保護絶縁層56に上部電極層58を積層してスイッ
チング素子を構成し、これをITOより成る透明画素電
極層59に接続させる。このような構成によって作製した
NIN素子は図6にそのV−I特性を示すが5V程度の
閾値電圧を示すスイッチング素子として機能する。
【0005】ところが第一半導体層53と第二半導体層54
との間で形成される界面と、第二半導体層54と第三半導
体層55との間で構成される界面とがプロセスにおける誤
差で全く同一にすることは困難であり、正電圧と負電圧
印加時で完全対称なV−I特性が得られない。そのた
め、DCバイアスが液晶層に印加される結果となり、フ
リッカ発生の問題を引き起こす。
【0006】そこで特開平02−154230号公報に
記載されているような改良型のNIN素子の構成が提案
されている。その断面構成を図7に示す。絶縁性基板71
上に間隙部74を有して第一電極層72と第二電極層73が対
向して形成され、第一電極層72と第二電極層73の上にN
型シリコンより成る第一半導体層75、76が個々に積層さ
れ、さらに個々に形成された第一半導体層群75、76と間
隙部74を覆う形でノンドープのI型シリコンから成る第
二半導体層77、第二半導体層77との接触界面においてオ
ーミック接触性を有する導電体層78を順次積層して素子
を構成するものである。
【0007】第一電極層72は走査信号あるいはデータ信
号を印加するラインを兼ねるようにし、第二電極層73は
ITOより成る透明画素電極層79に接続させる。第一電
極層72と第二電極層73の間には導電体層78を介してNI
Nの素子形態が構成され、5V程度の閾値電圧を示す。
個々に形成された第一半導体層75、76と第二半導体層77
との間で形成される界面は同一の薄膜層群に基づくため
同じであり、両極性電圧に対して対称なV−I特性を提
供することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】図5に示したNIN素
子、そして図7に示した改良型のNIN素子は前述の如
く、閾値電圧が5V程度の非線形抵抗性を示す薄膜スイ
ッチング素子である。このようなスイッチング素子を液
晶ディスプレイのマトリクス駆動に適用する場合、液晶
層の動作電圧よりも十分高い閾値電圧を素子が有し、そ
のスイッチング機能によりクロストークの解消を実現す
る必要がある。しかし、現状のNIN素子の閾値電圧は
前述の如く5V程度とやや低く、高い画質を得るために
はまだ不十分というのが現状である。
【0009】本発明は、上記従来の問題点に鑑み成され
たものであり、両極性電圧に対して対称なV−I特性を
示しつつ、より高い閾値電圧を有する薄膜スイッチング
素子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】上記課題を解決するため
に、本願発明は、絶縁性基板の上に間隙部を有して第一
電極層と第二電極層を対向して形成し、第一電極層と第
二電極層の上にN型シリコンよりなる第一半導体層を個
々に積層し、さらに第一電極層上の第一半導体層と間隙
部と第二電極層上の第一半導体層を覆う形で第二半導体
層とN型シリコンよりなる第三半導体層と上部電極層を
順次積層し、第二半導体層はノンドープのI型シリコ
ン、ドーピング濃度が10ー5以下のN型シリコン、ドーピ
ング濃度が10ー4以下のP型シリコンの中から一種を選択
して薄膜スイッチング素子を構成するものである。
【0011】あるいは、絶縁性基板の上に間隙部を有し
て第一電極層と第二電極層を対向して形成し、第一電極
層と第二電極層の上にN型シリコンよりなる第一半導体
層を個々に積層し、さらに第一電極層上の第一半導体層
と間隙部と第二電極層上の第一半導体層を覆う形で第二
半導体層と上部電極層を順次積層し、第二半導体層はノ
ンドープのI型シリコン、ドーピング濃度が10ー5以下の
N型シリコン、ドーピング濃度が10ー4以下のP型シリコ
ンの中から選択された一種より構成し、上部電極層は第
二半導体層との接触界面においてショットキー障壁を形
成する金属材料を選択して薄膜スイッチング素子を構成
するものである。
【0012】
【作用】本発明の上記の構成によれば、第一電極層と第
二電極層の間に電圧を印加することにより、電子の流れ
は第一電極層と上部電極層とが対向している領域と第二
電極層と上部電極層とが対向している領域に限定され、
この二つの領域が上部電極層によって直列につながれる
形態となる。
【0013】上記の第一の手段によれば、第一電極層と
上部電極層とが対向している領域ではN型シリコンより
成る第一半導体層、ノンドーップのI型シリコンより成
る第二半導体層、N型シリコンより成る第三半導体層が
積層され、NIN素子が形成される。また第二電極層と
上部電極層とが対向している領域でも同様にNIN素子
が形成され、素子全体として上部電極層を介して“NI
N−NIN”の形態を採ることができ、閾値電圧の向上
が可能となる。
【0014】また第二の手段では、第一電極層と上部電
極層とが対向している領域、および第二電極層と上部電
極層とが対向している領域ではN型シリコンより成る第
一半導体層、ノンドープのI型シリコンより成る第二半
導体層が積層され、各々でNI素子が形成され、その両
者の合体によりNIN素子が構成される。さらに両領域
の第二半導体層と上部電極層との接触界面ではショット
キー障壁が形成され、素子全体として両極性電圧におい
て対称な非線形抵抗性を有するショットキ−接合素子と
前述のNIN素子とが合わさった形態を採ることがで
き、閾値電圧の向上が可能となる。
【0015】また第一の手段、第二の手段とも、各界面
は同一の薄膜層群に基づいて形成されるため同じであ
り、両極性電圧に対して対称なV−I特性を示すことが
できる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面をもとに説明す
る。
【0017】図1は、第一の手段に基づく実施例を説明
する薄膜スイッチング素子の断面構成図である。ガラス
より成る絶縁性基板1上にスパッタ法によりCr膜を10
0nmの膜厚で形成し、間隙部4を有して第一電極層2と
第二電極層3にパターニング工程により分割する。第一
電極層2は走査信号ラインあるいはデータ信号ラインを
兼ねるものである。第二電極層3にはITOより成る透
明画素電極層10(膜厚100nm)を接続させる。
【0018】次に、第一電極層2と第二電極層3の上に
プラズマCVD法でPをドープしたN型のa-Si:Hより成
る第一半導体層5、6を膜厚50nmとして個々に積層し、
さらに第一電極層2上の第一半導体層5と間隙部4と第
二電極層3上の第一半導体層6を覆う形で、プラズマC
VD法でノンドープのI型a-Si:Hより成る第二半導体層
7(膜厚150nm)と、PをドープしたN型のa-Si:Hより
成る第三半導体層8(膜厚50nm)と、第三半導体層8と
オーミック接触するMoSi2より成る上部電極層9
(膜厚10nm)を順次積層してスイッチング素子を構成す
る。
【0019】上部電極層9としてMoSi2を用いてい
るが、Ti,Cr等でも第三半導体層8であるN型のa-
Si:Hとの接触界面においてオーミック接触性を得ること
ができる。
【0020】図2は本実施例に基づく素子のV−I特性
を示している。第一電極層2と第二電極層3の間に電圧
Vを印加したときの電流値Iを測定したものであり、電
流が流れ始める閾値電圧が10Vであり、両極性電圧に対
して対称な非線形性を示している。このように従来のN
IN素子に比べて閾値電圧の向上が図られている。ま
た、その非線形抵抗性に基づくON/OFF比は106 が得ら
れ、高画質を得るアクティブマトリクス駆動に用いるこ
とができる。
【0021】図3は第二の手段に基づく実施例を説明す
る素子断面図である。ガラスより成る絶縁性基板1上に
スパッタ法によりCr膜を100nmの膜厚で形成し、間隙
部4を有して第一電極層2と第二電極層3にパターニン
グ工程により分割する。第一電極層2は走査信号ライン
あるいはデータ信号ラインを兼ねるものである。第二電
極層3にはITOより成る透明画素電極層(膜厚100n
m)を接続させる。次に、第一電極層2と第二電極層3
の上にプラズマCVD法でPをドープしたN型のa-Si:H
より成る第一半導体層5、6を膜厚50nmとして個々に積
層し、さらに第一電極層2上の第一半導体層5と間隙部
4と第二電極層3上の第一半導体層6を覆う形で、プラ
ズマCVD法でノンドープのI型a-Si:Hより成る第二半
導体層7(膜厚150nm)と、Pdより成る上部電極層9
(膜厚10nm)を順次積層してスイッチング素子を構成す
る。
【0022】Pdより成る上部電極層9とI型a-Si:Hよ
り成る第二半導体層7との界面においてショットキー障
壁が形成されて非線形抵抗性が得られる。上部電極層9
はPdに限定されるものでなく、Pt,Niでもショッ
トキー障壁が形成され有効である。
【0023】図4は本実施例に基づく素子のV−I特性
を示しており、14V程度の閾値電圧が得られ、高画質の
マトリクス駆動に適用することができる。
【0024】なお、本実施例では、第二半導体層7はノ
ンドープのI型シリコンを適用しているが、ドーピング
濃度が10ー5以下のN型シリコン、あるいはドーピング濃
度が10ー4以下のP型シリコンを適用しても、I型シリコ
ンに匹敵する良好な非線形抵抗性が得られ有効である。
しかし、ドーピング濃度が10ー5以上のN型シリコン、あ
るいはドーピング濃度が10ー4以上のP型シリコンを第二
半導体層に適用した場合、第二半導体層7は低抵抗にな
るため、電子の流れは“第一電極層2−第一半導体層5
−第二半導体層7−第一半導体層6−第二電極層3”と
いう短絡した経路が支配的となるため、低電圧でもこの
経路によって電流が流れてしまう。この結果、非線形抵
抗性の悪化を招き、十分なスイッチング機能が発揮でき
ず、クロストーク発生の防止ができない。
【0025】本実施例において第一電極層、第二電極層
をCrで構成しているが、これに限定するものでなく、
Al、Ti等を適用してもよい。
【0026】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、両極性電
圧に対して対称なV−I特性を示しつつ、より高い閾値
電圧を有する薄膜スイッチング素子を提供することがで
き、その工業的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜スイッチング素子の第一の実施例
における断面構成図
【図2】同実施例の薄膜スイッチング素子のV−I特性
を示す特性図
【図3】本発明の薄膜スイッチング素子の他の実施例に
おける断面構成図
【図4】同実施例の薄膜スイッチング素子のV−I特性
を示す特性図
【図5】従来の薄膜スイッチング素子の断面構成図
【図6】従来の薄膜スイッチング素子の特性図
【図7】従来の薄膜スイッチング素子の断面構成図
【符号の説明】
1 絶縁性基板 2 第一電極層 3 第二電極層 4 間隙部 5、6 第一半導体層 7 第二半導体層 8 第三半導体層 9 上部電極層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−154230(JP,A) 特開 昭62−272228(JP,A) 特開 平1−243031(JP,A) 特開 平4−233777(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 49/02 G02F 1/1365

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性基板の上に間隙部を有して第一電
    極層と第二電極層を対向して形成し、前記第一電極層と
    前記第二電極層の上にN型シリコンよりなる第一半導体
    層を個々に積層し、さらに前記第一電極層上の前記第一
    半導体層と前記間隙部と前記第二電極層上の前記第一半
    導体層を覆う形でNI素子を形成するように第二半導体
    を形成し、さらに前記第二半導体層とNI結合を形成
    するようにN型シリコンよりなる第三半導体層を積層
    し、前記第三半導体層上に上部電極層を積層し、前記第
    二半導体層はノンドープのI型シリコン、ドーピング濃
    度が10-5以下のN型シリコン、ドーピング濃度が10-4
    下のP型シリコンの中から選択された一種より構成した
    薄膜スイッチング素子。
  2. 【請求項2】 上部電極層はN型シリコンよりなる前記
    第三半導体層と接触界面においてオーミック接触性を有
    する金属材料より選択された請求項1記載の薄膜スイッ
    チング素子。
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