JPH02198432A - 薄膜二端子素子型アクティブマトリクス液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属−絶縁体−金属からなる薄膜二端子素子
をマトリクス状に配したアクティブマトリクス液晶表示
装置に関する。

〔従来の技術〕

近年ツィステッド・ネマチック型を中心とした液晶表示
装置（ＬＣＤ）の応用が発展し、腕時計や電卓の分野で
大量に用いられている。それに加え、近年、画素をマト
リクス状に配して文字・図形等の任意の表示が可能にな
ったマトリクス型ＬＣＤも使われ始めている。このマト
リクス型ＬＣＤの応用分野を広げるためには、表示容量
の増大が必要である。しかし、従来のＬＣＤの電圧透過
率変化特性の立ち上がりはあまり急峻ではないので、表
示容量を増加させるためにマルチプレックス駆動の走査
本数を増加させると、選択画素と非選択画素との各々に
かかる実効電圧比は低下し、選択画素の透過率低下と非
選択画素の透過率増加というクロストークが生じる。そ
の結果、表示コントラストが著しく低下し、ある程度の
コントラストが得られる視野角も狭くなり、従来のＬＣ
Ｄでは、走査本数は６０本ぐらいが限界である。

このマトリクス型ＬＣＤの表示容量を大幅に増加させる
ために、ＬＣＤの各画素にスイッチング素子を直列に配
置したアクティブマトリクスＬＣＤが考案されている。

これまでに発表されたアクティブマトリクスＬＣＤの試
作品のスイッチング素子には、アモルファスＳｉや多結
晶Ｓｉを半導体材料とした薄膜トランジスタ素子（ＴＰ
Ｔ）が多く用いられている。また一方では、製造及び構
造が比較的簡単であるため、製造工程が簡略化でき、高
歩留まり、低コストかが期待される薄膜二端子素子（以
下ＴＦＤと略す）を用いたアクティブマトリクスＬＣＤ
も注目されている。

このような薄膜二端子素子型アクティブマトリクスＬＣ
Ｄ　（以下ＴＦＤ−ＬＣＤと略す）において一番実用化
に近いと考えられているＬＣＤはＴＦＤに金属−絶縁体
−金属構造を有する素子（以下ＭＩＭ素子またはＭＩＭ
と略す）を用いたＬＣＤである。ＭＩＭのようなＴＦＤ
を液晶と直列に接続することにより、ＴＦＤの電圧−電
流特性の高非線形性により、ＴＦＤ−液晶素子の電圧−
透過率変化特性の立ち上がりは急峻になり、液晶表示装
置の走査本数を大幅に増やすことが可能になる。

このようなＭＩＭをもちいたＬＣＤの従来例は論文では
デイ・アールバラフ他著（ジ・オプチマイゼイション・
オフ・メタル・インシュレータ・メタル・ノンリニア・
デバイシズ・フォア・ユース・イン・マルチプレクスド
・リキッド・クリスタル・ディスプレイズ）、アイ・イ
ー・イー・イー・トランザクション・オン・エレクトロ
ン・デバイシズ、２８巻、６号１頁７３６−７３９゜１
９８１年発行）　　（Ｄ、Ｒ，Ｂａｒａｆｆ、ｅｔ　ａ
ｌ、、”　ＴｈｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍ
ｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ　Ｎｏｎ−
ｌ１ｎｅａｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　Ｕｓｅ　ｉｎ
　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａ
ｌ　Ｄｉｓｐｌａｙｓ”ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖ−ｉｃｅｓ、　ｖ　ｏ　ｌ　Ｅ　Ｄ
−２８、ｐＰ　７３６−７３９（１９８１））に代表的
に示される。

ＭＩＭ素子において、最も重要な材料は絶縁体層の材料
である。最も知られている絶縁体材料としては酸化タン
タルがある（例えば、両角伸治、他、著　２５０Ｘ２４
０画素のラテラルＭＩＭＬＣＤテレビシン学会技術報告
（ＩＰＤ８Ｂ−８）、ｐ３９−４４．１９８３年１２月
発行）。

このようなＭＩＭ素子を大容量の表示装置に適用すると
きに要求される特性は、素子を流れる電流（Ｉ）と印加
電圧（Ｖ）をＩ＝Ａ・■３と表わしたときの非線形係数
ａが大きいこと、電流−電圧特性が印加電圧の極性に無
関係に正負対称であること、及びＭＩＭ素子の容量が小
さいことである。ところが、酸化タンタルを用いたＭＩ
ＩＶＩ素子は対称性はよいが非線形係数ａが５〜６とそ
れほど大きくなく、また誘電率も大きいため素子容量が
大きい等の欠点を有している。そこで、誘電率の小さい
窒化シリコンがＭＩＭ素子用絶縁体材料として開発され
ている（例えばエム　スズキ他（アニ二一　アクティブ
　ダイオード　マトリクスエルシープイー　ユージング
　オフ　ストイキオメトリツク　５ＩＮｘ　　レイヤー
、プロシーデインゲス　オフ　ザ　ニスアイデイ−２８
巻１０１−１０４頁、１９８７年発行）　　（Ｍ、５ｕ
ｚｕｋｉｅｔ　ａｔ”　Ａ　Ｎｅｗ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｄ
ｉｏｄｅ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｌ　ＣＤｕｓｉｎｇ　Ｏｆ　
ｆ　−ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ　　Ｓ　ｉ　Ｎ　
ｘ　　Ｌａｙｅｒ　　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　
ｔｈｅ　Ｓ　Ｉ　Ｄ、　Ｖｏ　１　、２８ｐｌｏ１−１
０４．１９８７）’）。

〔発明が解決しようとする課題〕

この窒化シリコンを用いたＭＩＭ素子は非線形係数ａが
７〜９と酸化タンタルに比べて大きいものの、第５図、
第６図の破線で示されるよう（こ電圧印加により急激に
電流が流れすぎてしまいダイオード素子が破壊されてし
まうことが多く、表示画像に点欠陥が生じる原因になっ
ていた。

本発明の目的は、このような画像品質の低下をもたらす
ＭＩＭ素子特性の耐電流特性を改善し、画像欠陥の無い
大容量液晶表示装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、帯状の透明電極が複数本形成されている基板
と、金属−窒化シリコン膜−金属積層構造を有する薄膜
二端子素子がマトリクス状に形成されている基板との間
に液晶を挾持して成る薄膜二端子素子型アクティブマト
リクス液晶表示装置において、前記窒化シリコン膜の間
にｐ型になる不純物がドープされたシコンまたは窒化シ
リコンとｎ型になる不純物がドープされたシリコンまた
は窒化シリコンとから成る２層構造を挾んだことを特徴
とする構成になっている。

また、もう一つの本発明は、上述の窒化シリコンに挾ま
れた２層構造の部分が第１導電型となる不純物がドープ
されたシリコンまたは窒化シリコンで第２導電型となる
不純物がドープされたシリコンまたは窒化シリコンを挾
んだ３層構造になっている薄膜二端子素子型アクティブ
マトリクス液晶表示装置である。

〔作用〕

本発明において使用される不純物ドープの窒化シリコン
またはシリコンの２層構造はリーク電流がおおく抵抗成
分とみなすことができる。従って、過電圧によって電流
が多く流れようとするとこの抵抗成分により電流制限が
行なわれダイオード素子の破壊がなくなる。

さらに、不純物ドープの窒化シリコンまたはシリコンの
３層構造は制限の機能を持つばかりかダイオードの電圧
電流特性の電圧極性依存性が少なくなる。

また上記構造は２回に分けて窒化シリコンを形成できる
ので、大容量でフリッカ−の少なく、無欠陥、高歩留り
、高コントラスト、高諧調の液晶表示装置を提供するこ
とができる。

以下に本発明の実施例を示す。

〔実施例１〕 本実施例によりえられるＴＦＤ素子の代表例の断面図を
第１図に示す。

まず下部ガラス基板１を５ｉ０２等のガラス保護層２で
被覆する。この保護層２は不可欠なものではないので被
覆を省略することもできる。

次にこの上に金属電極としてＣｒを１００ＯＡ形成し、
フォトリソグラフィ法により島状にパターン化してリー
ド電極３を形成する。この後、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガ
スから窒化シリコン層４を１２０ＯＡを形成したのち、
Ｓ　ｉ　Ｈ４ガスにＢ２Ｈ６を１％混合したガスを用い
てグロー放電分解法によりホウ素をドープした厚さ１０
０〜３００Ａのｐ型シリコン非晶質層５、Ｓ　ｉ　Ｈ４
ガスにＰＨ３ガスまたはＡｓＨ３を１％混合したガスを
用いてグロー放電分解法によりリンまたはヒ素をドープ
した圧さ１００〜３００へのｎ型シリコン非晶質層６、
つづいてＳｉＨ４とＮ２の混合ガスから窒化シリコン層
１３を１２０ＯＡ形成することにより５ｉＨＸ／ｐ−９
ｉ／ＳｉＮｘの４層構造を形成する。このときの窒化シ
リコン層を形成するときのガス混合比５ｉＨ４７Ｎ２は
０．０８であった。その後上部電極７としてＣｒを１０
０ＯＡ形成しフォトリソグラフィ法によりパターン化し
、ＴＦＤ素子アレイを形成する。

その後画素電極となる下部透明電極１２としてＩＴＯを
パターン化形成する。上部ガラス基板８上のガラス保護
層９、上部透明電極１０の膜形成、パターン化は通常の
単純マルチプレックスＬＣＤと同じようにして形成した
。

電極やＴＦＤ素子アレイが形成された下部ガラス基板１
と上部ガラス基板とは配向処理を施したのちガラスファ
イバ等のスペーサを介して張り合わされ、通常のエポキ
シ系接着剤によりシールした。セル厚は５ミクロンとし
た。その後ＴＮ形液晶１１であるＺＬＩ−１５６５（メ
ルク社製）を注入しＴＦＤ−ＬＣＤを完成した。

本発明により形成した二端子素子の電圧−電流特性（Ｉ
−Ｖ特性）を測定したところ第５図の実線で示されるよ
うに電圧の極性に対して対称であり、従来の窒化シリコ
ンの単層構造より得られた二端子素子の電圧−電流特性
（破線）に比べて高電圧時の電流が制限され、破壊が起
きにくいことがわかった。また、非線形係数も８と太き
く１０００本以上の高走査線を有するＴＦＤＬＣＤへの
適応も可能なことがわかった。

この二端子素子の窒化シリコン層を形成するときのガス
混合比ＳｉＨ４／Ｎ２は０．０２以上０．２以下が非線
形性の大きい二端子素子をつくるために必要である。ま
たホウ素、リン、ヒ素のいずれかをドープしたシリコン
非晶質層を形成するときのドープされる元素の混合比は
１０ｐｐｍ以上であれば電圧−電流特性の対称性、及び
高電圧印加時の電流制限に効果があった。本実施例にお
いてはＳ　ｉ　Ｈ４とＮ２の混合ガスを用いて窒化シリ
コンを成膜しているが、ＳｉＨ４とＮＨ３の混合ガス、
Ｓｉ２Ｈ６とＮ２の混合ガス等を用いても良好なダイオ
ード特性が得られた。

また、本実施例においては、グロー放電分解法を用いて
積層構造を形成しているが、スパッタ法、ＣＶＤ法等の
他の成膜方法においても本発明は有効である。

本実施例においては電極としてクロム電極を用いている
が、ＡＩ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ等他の金属及びシリサイドを
上部電極及びリード電極に用いても本発明は有効である
。また、画素電極として使用しているＩＴＯ等の透明電
極を二端子素子の上部電極及び下部電極と兼ねても本発
明は有効である。又、透明電極の形成後、ＴＦＤを形成
してもよい。

本実施例を用いて形成された６４０Ｘ４００素子のＴＦ
Ｄ−ＬＣＤの画像評価を行なったところコントラスト２
０：１以上、フリッカー−３０ｄＢと従来の窒化シリコ
ンの単層構造のＴＦＤ−ＬＣＤの一２０ｄＢに比べて改
善されていることが明らかになった。

〔実施例２〕 本実施例によりえられるＴＦＤ素子の代表例の断面図を
第２図に示す。

実施例１中で、ガラス基板１上、またはガラス保護層２
上に、金属電極としてＣｒを１００ＯＡ形成し、フォト
リソグラフィ法により島状にパターン化しリード電極３
を形成した後の工程を以下のように変更する。ＳｉＨ４
とＮ２の混合ガスから窒化シリコン層４を１２００Ａ形
成したのち、ＳｉＨ４ガスにＰＨ３ガスまたはＡｓＨ３
を１％混合したガスを用いてグロー放電分解法により１
００〜３００Ａのリンまたはヒ素をドープしたｎ型シリ
コン非晶質層６、Ｓ　ｉ　Ｈ４ガスにＢ２Ｈ６を１％混
合したガスを用いてグロー放電分解法によりガラス基板
上に１００〜３００Ａのホウ素をドープしたｎ型シリコ
ン非晶質層５、つづいてＳｉＨ４とＮ２の混合ガスがら
窒化シリコン層１３を１２０ＯＡ形成することにより、
ＳｉＮｘ／　ｎ　−Ｓ　ｉ　／　ｐ　−Ｓ　ｉ　／　Ｓ
　ｉ　Ｎ　ｘの４層構造を形成する。このときの窒化シ
リコン層を形成するときのガス混合比ＳｉＨ４／Ｎ２は
０．０８であった。その後上部電極７としてＣｒを１０
０ＯＡ形成しフォトリソグラフィ法によりパターン化し
、ＴＦＤ素子アレイを形成する。この後の工程は実施例
１と同様である。ＴＦＤ素子のＩ−Ｖ特性は、第５図に
示すように、実施例１とほぼ同じでる。

本実施例を用いて形成された６４０Ｘ４００素子のＴＦ
Ｄ−ＬＣＤの画像評価を行なったところコントラスト２
０：１以上、フリッカー−３０ｄＢと従来の窒化シリコ
ンの単層構造のＴＦＤ−ＬＣＤの一２０ｄＢに比べて改
善されていることが明らかになった。

〔実施例３〕 本実施例によりえられるＴＦＤ素子の代表例の断面図を
第３図に示す。この実施例は第１導電型をｎ型、第２導
電型をｎ型とした例である。

実施例１中で、ガラス基板１上、またはガラス保護層２
上に、金属電極としてＣｒを１００ＯＡ形成し、フォト
リソグラフィ法により島状にパタ＝１４ −ン化し、リード電極３を形成した後の工程を以下のよ
うに変更する。Ｓ　ｉ　Ｈ４とＮ２の混合ガスから窒化
シリコン層４を１２０ＯＡ形成したのち、ＳｉＨ４ガス
にＰＨ９ガスまたはＡ　ｓ　Ｈ３を１％混合したガスを
用いてグロー放電分解法によりリンまたはヒ素をドープ
した厚さ１００〜３００Ａのｎ型シリコン非晶質層６、
ＳｉＨ４ガスにＢ２Ｈ６を１％混合したガスを用いてグ
ロー放電分解法によりホウ素をドープした厚さ１００〜
３００へのｐ型シリコン非晶質層５、ＳｉＨ４ガスにＰ
Ｈ，ガスまたはＡｓＨ３を１％混合したガスを用いてグ
ロー放電分解法によりリンまたはヒ素をドープした厚さ
１００〜３００Ａのｎ型シリコン非晶質層１４、つづい
てＳ　ｉ　Ｈ４とＮ２の混合ガスから窒化シリコン層１
３を１２００人形成することにより、Ｓ　ｉ　Ｎｘ　／
ｎ−３ｉ／ｐＳ　ｉ　／　ｎ　−Ｓ　ｉ　／　Ｓ　ｉ　
Ｎ　Ｘの５層構造を形成する。このときの窒化シリコン
層を形成するときのガス混合比ＳｉＨ４／Ｎ２は０．０
８であった。その後上部電極７としてＣｒを１０００人
形成しフォトリソグラフィ法によりパターン化し、ＴＦ
Ｄ素子アレイを形成する。この後の工程は実施例１と同
様である。ＴＦＤ素子のＩ−Ｖ特性は、第６図に示すよ
うに、実施例１の特性に比べて、電圧極性に対して、電
流の大きさがほぼ同じであり、又、非線形性も高い。

本実施例を用いて形成された６４０Ｘ４００素子のＴＦ
Ｄ−ＬＣＤの画像評価を行なったところコントラスト３
０：１以上、フリッカー−４０ｄＢと従来の窒化シリコ
ンの単層構造のＴＦＤＬＣＤの一２０ｄＢに比べて大幅
に改善されていることが明らかになった。

〔実施例４〕 本実施例によりえられるＴＦＤ素子の代表例の断面図を
第４図に示す。この実施例は第１導電型をｐ型、第２導
電型をｎ型とした例である。

実施例１中で、ガラス基板１上、またはガラス保護層２
上に、金属電極としてＣｒを１０００人形成し、フォト
リソグラフィ法により島状にパターン化し、リード電極
３を形成した後の工程を以下のように変更する。Ｓ　ｉ
　Ｈ４とＮ２の混合ガスから窒化シリコン層４を１２０
　ＯＡ影形成たのち、Ｓ　ｉ　Ｈ４ガスにＢ２Ｈ６を１
％混合したガスを用いてグロー放電分解法によりホウ素
をドープした厚さ１００〜３００Ａのｐ型シリコン非晶
質層５、ＳｉＨ４ガスにＰＨ，ガスまたはＡＳＨ３を１
％混合したガスを用いてグロー放電分解法によりリンま
たはヒ素をドープした厚さ１００〜３００Ａのｎ型シリ
コン非晶質層６、Ｓ　ｉ　Ｈ４ガスにＢ２Ｈ６を１％混
合したガスを用いてグロー放電分解法によりホウ素をド
ープした厚さ１００〜３００Ａのｐ型シリコン非晶質層
１５、つづいてＳｉＨ４とＮ２の混合ガスから窒化シリ
コン層１３を１２００Ａ形成することにより、５ｉＮＸ
／　ｐ　−Ｓ　ｉ　／　ｎ　−Ｓ　ｉ　／　Ｓ　ｉ　Ｎ
　Ｘの５層構造を形成する。このときの窒化シリコン層
を形成するときのガス混合比ＳｉＨ４／Ｎ２は０．０８
であった。その後上部電極７としてＣｒを１００ＯＡ形
成し、フォトリソグラフィ法によりパターン化し、ＴＦ
Ｄ素子アレイを形成する。この後の工程は実施例１と同
様である。ＴＦＤ　　Ｉ−Ｖ特性は、第６図に示すよう
に、実施例３とほぼ同じである。

本実施例を用いて形成された６４０Ｘ４００素子のＴＦ
Ｄ−ＬＣＤの画像評価を行なったところコントラスト３
０：１以上、フリッカー−４０ｄＢと従来の窒化シリコ
ンの単層構造のＴＦＤ−ＬＣＤの一２０ｄＢに比べて大
幅に改善されていることが明らかになった。

尚、実施例では電極に接した窒化シリコン膜の間に挾ま
れた２層構造や３層構造を構成する材料は非晶質シリコ
ンを用いたが、この非晶質シリコンに替えて窒化シリコ
ンを用いてもよい。すなわち、窒化シリコンは製造条件
によりＳｉ３Ｎ４にはならず、窒素が多く含まれるもの
、あるいはシリコンが多く含まれるもの等ができる。こ
のうちシリコンを多く含むものは導電性があり上述の非
晶質シリコンと同じような特性を得られるので不純物を
ドープした窒化シリコンで前述の２層構造、３層構造を
形成しても非晶質シリコンの場合と同じような効果が得
られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば対称性がよく、非
線形性が高く、高電圧印加時の電流制限効果の優れた薄
膜二端子素子特性が得られるので大容量でフリッカ−の
少なく、画像欠陥がなく、高歩留り、高コントラスト、
高諧調の液晶表示装置を提供することができる。

・・・下部透明電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）帯状の透明電極が複数本形成されている基板と、
   金属−窒化シリコン膜−金属積層構造を有する薄膜二端
   子素子がマトリクス状に形成されている基板との間に液
   晶を挾持して成る薄膜二端子素子型アクティブマトリク
   ス液晶表示装置において、前記窒化シリコン膜の間に、
   第１導電型を示す不純物がドープされたシリコンまたは
   窒化シリコンと、第２導電型を示す不純物がドープされ
   たシリコンまたは窒化シリコンとから成る２層構造を挾
   んだことを特徴とする薄膜二端子素子型アクティブマト
   リクス液晶表示装置。
2. （２）帯状の透明電極が複数本形成されている基板と、
   金属−窒化シリコン膜−金属積層構造を有する薄膜二端
   子素子がマトリクス状に形成されている基板との間に液
   晶を挾持して成る薄膜二端子素子型アクィブマトリクス
   液晶装置において、前記窒化シリコン膜の間に、第１導
   電型を示す不純物をドープしたシリコンまたは窒化シリ
   コンで第２導電型を示す不純物をドープしたシリコンま
   たは窒化シリコンを挾んだ３層構造を挾んだことを特徴
   とする薄膜二端子素子型アクティブマトリクス液晶表示
   装置。