JPH0293433A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は液晶表示装置に関するものであり、特にＭＩ
Ｍ形の非線形抵抗素子を用いた液晶表示装置に関する８ （従来の技術） 液晶表示装置は小型、軽量、低消費電力を武器に表示装
置としてさらに発展を遂げるためには、情報処理量の増
大に対処しなＵればならない。特に、ＯＡ機器やテレビ
などの画像表示に対応するためには、表示面積の拡大、
フルカラー化は不可欠である。

この大容量液晶表示の開発の主流は３端子の能動素子を
用いる方式であった。このアクティブ・マトリクス方式
により、液晶に閾値特性を付与することが可能となった
。単純マｌ−リクス方式しコ比して構造が複雑であるが
、各画素毎にスイッチを有しているので、時分割駆動登
行っても、選択時の電圧を保持することができる。これ
により、コントラスト、階調、視野角などの画像特性が
改首され、大表示容量への足掛りが得られるようになっ
た・ アクティブ・マトリクス方式による液晶表示装置として
、現在、ガラス基板上に非晶質のＳｉ＄導体層を形成し
たＴＦＴ型液晶表示装置、金属−絶縁体−金属からなる
ＭＩＭ型液晶表示装置などが実用化されている。薄膜ト
ランジスタを用いた液晶表示装置は表示画質や応答速度
に優れているが、５層以上の薄膜形成、バターニングを
必要とし、画素欠陥率が高く、歩留が低く、製造コスト
を下げることが困難である。一方、非線形の電流−電圧
特性をもつ２端子素子を用いたアクティブ・マトリクス
方式は３回の薄膜形成、パターンニングでよく、低コス
ト、量産向きの素子と考えられ、今後の発展が期待され
ている。

２端子素子として、　ＺｎＯバリスタ、ＭＩＭ、バック
・トウ・バックダイオードあるいはダイオード　リング
などが提案されている。特に、Ｔａアノード酸化膜やシ
リコン窒化膜を絶縁膜とするＭＩＭ構造の２端子素子が
注目されている。第３図は非線形抵抗素子を利用した、
マトリクス駆動の表示装置の等価回路であるａＤｘ＋ｏ
ｘｒ・・・は信号電極母線、５ＩＩＳ！ｌ・・・は走査
電極母線、ＬＣは液晶画素セル、ＮＬは非線形抵抗素子
である６両電極線の交差点には液晶画素セルと非線形抵
抗素子とが直列に接続されている。液晶画素セルには透
明電極ＩＴＯが用いられ、ＩＴＯと非線形抵抗素子が非
線形抵抗素子の上部電極により接続されている。

ＭＩＭ系２端子素子を流れる電流は絶縁膜と金属−絶縁
膜界面の特性に依存するが、近似的にはｉ＝　ａＶｌｌ
で与えられる。従って、非線形性はｎ値により評価する
ことができる。

こ・のＭＩＭ素子を用いた各画素の等価回路は第４図に
示した０時分割による駆動のばあい、走査電極数が増大
すると、リフレッシュ時間に対する画素への書込み時間
が必然的に短くなる。このデユーティ比の減少に対処す
るためには、電荷保持特性の良い素子が必要である。選
択画素への書込み時間ｔｏｎはｔｏｎ　＝　ｃｔ、ｃ　
Ｘ　Ｉ（Ｎｔ、　＋　Ｏｎ　）、保持時間１ｏｆｆ＝Ｃ
ｔｃＸＲＮＬ（ｏｆｆ＋である・ここで、ＲＮＬ（ｏｎ
）、　ＲＮＬ、。ｆｆ＋はオン、オフ状態における非線
形抵抗素子の抵抗値を表している。コントラストを確保
するために、ｔｏｎ＝　１ｏｆｆに対して、ｔｏｎ＜ｔ
ｐｕＪｓｅ　（ｔｐｕＪｓｅ　：書込みパルス幅）、ｔ
ｏｆｆ＜ｔｒｅｆａｅｓｈ（ｔｒｅｆＪｅｇｈ　：リフ
レッシュ時間）、の関係が要求される。これらの必要条
件をＭＩＭ素子の特性に置換えると、オン状態とオフ状
態における抵抗値の比Ｒ０ｎ／Ｒｏｆｆをできるだけ小
さく。

ＣＬＣ／ＣＮＬを大きくして、上記の関係式を満足する
ようにしなければならない。すなわち、非線形性を大き
く、容量が小さいＭＩＭ素子が望ましいことになる。

画素数の増大とともに、デユーティ比が減少することは
すでに述べたが、これに対処するためにパルス電圧を大
きくして、書込み電荷を確保しなければならない。しか
し、パルス電圧をあまり大きくすると、非選択画素にか
かるパルス電圧も大きくなり、いわゆるクロストークが
生ずることになる。すなわち、この非選択画素に印加さ
れる電圧が閾値電圧を超えると、選択画素に変化してし
まうことになる。このクロストークに対しても、十分の
マージンが必要となる。

（発明が解決しようとする課題） 現在、実用化または検討されているＴａアノード酸化膜
やシリコン窒化膜を絶縁膜とする非線形抵抗素子はその
特性面において、未だ、十分なものとなっていない、す
なわち、液晶表示装置に利用しうる非線形抵抗素子とし
て具備すべき特性は、■電流−電圧特性における大きな
非線形性（オン状態とオフ状態にける電流比βは少なく
とも５桁以上のものが要求される）、■この電流−電圧
特性が極性をもたず対称性のよいこと、■液晶画素セル
の容量に対して、十分小さな容量値であること、に）全
画素に対して安定した電流−電圧特性を有していること
、■配線材料を兼ねている非線形抵抗素子の電極は高い
伝導性を有していることなどである。

現在、主に使用されているのは、絶縁耐圧、電流−電圧
特性に対する信頼性、再現性などから、Ｔａ−Ｔａ、Ｏ
，−Ｃｒ系からなるＭＩＭ素子とバターニングされた金
属電極上に形成されたシリコン酸化膜またはシリコン窒
化膜を絶縁膜とするＭＩＭ素子がある。前者は上記の非
線形抵抗素子として、基本特性の面において、やや不足
している。Ｔａ−Ｔａ、　０．−Ｃｒ系ＭＩＭ素子の電
流−電圧特性の一例を第２図に示した。これより、電流
の急峻性を示すβ値は約１０３〜１０’であり、また、
極性反転による対称性にもかなり大きなずれがみられる
。急峻性、対称性は画像特性、液晶寿命に深く関係して
おり、この改善が急務となっている。さらに駆動電圧を
２０Ｖ以下にして、オン電流を１０′″７Ａ以上、オフ
電流を１０−”　Ａ以下にするためには、絶縁膜の膜厚
制御も極めて大切である。このため、２端子素子の電気
容量を液晶セルの容量より小さい、所定の値に抑え込む
ことが困難であった。

後者のばあい、基本性能では、改善がみられるものの、
バラツキが多く、素子特性の均一性の点に問題が多い。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記欠点を除去し、高品質、低コストの液晶表
示装置を提供するために、ＭＩＭ素子の電流−電圧特性
の急峻性、対称性の向上を図るとともに素子容量を低減
化する方法を提供する。特に、タンタルアノード酸化皮
膜の改質により上記目標を達成するものである。その手
段として、タンタル薄膜中に、アノード酸化工程におい
て、絶縁性の酸化物を形成しない第２の元素あるいは化
合物を含むものを利用する。これにより、絶縁膜中に非
絶縁性の元素または化合物を含む結果となり上記目標が
達せられる。

（作　　用） タンタルアノード酸化皮膜中を流れる電流は内部ショッ
トキ効果によるプール・フレンケル電流が支配的である
といわれている。その結果、その電流特性は温度依存性
を有し、また、その急峻性は酸化皮膜の誘電率、膜厚に
低存する。

これに対して、非絶縁性の元素、化合物を含む絶縁膜の
ばあい、酸化膜中におけるトンネル電子電流が支配的と
なり、その結果、顕著急化峻性の改善が得られるものと
考えられる。これにより、絶縁膜の膜厚を大きくするこ
とが可能となり、容量の低減化につながった。また、Ｍ
ＩＭ素子における伝導機構はより一層バルク・リミテッ
ドとなり、その結果、金属／絶縁膜界面における空間電
荷層形成に基づく電流制限因子による効果が大幅に低下
し、極性反転に伴う非対称性が緩和されたものと考えら
れた。

（実　施　例） 以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例である液晶表示装置の要部を
拡大して示す斜視図である。この液晶表示装置は、硝子
基板５の表面に、Ｓｉを含むＴａからなる突起部６を有
する走査電極１、突起部６に一部重なり合い、リング状
の上部電極３およびこの上部電極３に重なり合って接線
されている画素電極４を形成し、走査電極１の表面には
陽極酸化処理によって酸化皮膜２が形成されていて、こ
の酸化皮膜２の施された突起部６とこれに一部重なり合
っている上部電極３とで非線形抵抗素子７を構成した構
造になっている。

実施例−１ 硝子基板５全面に、アルゴン雰囲気中でＴａとＳＬを同
時スパッタすることにより、Ｓｉが１０原子％以下の丁
ａ　−Ｓｉ薄膜を形成した。その膜厚は約３００ｎｍで
あった。レジストを塗布したのち走査電極１を形成する
ために所定のパターンになるように、当該薄膜をケミカ
ル　ドライエツチング処理を行った。　ｏ、ｏｉ重量％
のクエン酸水溶液中で陽極酸化処理を行った。酸化膜２
の厚さは１１００ｎとした。この上に、Ｃｒ薄膜を約１
５０ｎｍ付与したのち、エツチング処理により、上部電
極３を形成した。比較のために、Ｓｉ原子を含まないＴ
ａ薄膜のみについても、ＭＩＭ素子を形成した。陽極酸
化膜厚は７０ｎ閣とした。それ以外はＴａ　−ＳＬのば
あいと同様である。

これらのＭＩＭ素子の電流−電圧特性の一例として、１
原子％のＳｉ原子を含むばあいについて、第２図に示し
た。

同図より、本発明によるＴａ　−Ｓｉ薄膜系非線形抵抗
素子の急峻性、対称性はＴａ系素子に比べ、数段優れて
いることがわかる。すなわち、急峻性を表すβは１０３
から１０５に改善され、非線形素子として、要求されて
いる目標値１０ｓをクリアしている。また、極性反転に
伴う電流−電圧特性のずれはｌＯｖから、１ｖ以下に激
減していることがわかる。また、電気容量はＴａ　−Ｓ
ｉ薄膜系では０．１４ｐＦ、Ｔａ薄膜系では０．２１ｐ
Ｆであった。この点でもＴａ　−Ｓｉ系素子が液晶表示
装置のスイッチング用に適していることがわかる。

実施例−２ 実施例−１におけるＳｉ原子の代わりに、クエン酸水溶
液中で絶縁性の陽極酸化皮膜を形成しない遷移金属とし
て、クロム、鉄、タングステン、マンガンなどを５原子
％以下の組成となるように、タンタル薄膜をガラス基板
上に形成した。以下、実施例−１と同様にして、ＭＩＭ
素子を形成した。

当該ＭＩＭ素子の電流−電圧特性の測定から急峻性、対
称性、容量などの点で明白な改善が見られた。

また、これらの遷移金属酸化物をタンタルと同時にスパ
ッタリングした薄膜から得たＭＩＭ素子でも、同様な効
果が得られた。

尚、本発明は上記実施例に限られることなく。

その主旨を逸脱しない範囲内で種々変えて実施すること
ができる。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、タンタル薄膜中に、陽極酸化用
電解液を用いて行う陽極酸化処理過程で絶縁性の皮膜に
変換されない元素、化合物をあらかじめ導入し、これを
陽極酸化してえられる絶縁性皮膜を用いた非線形抵抗素
子は、すぐれた効果をもたらすことがわかった。当該絶
縁性皮膜は、従来のタンタル酸化膜よりも厚い膜を用い
ることが可能となり、容量の低減化も達成した。スイッ
チング素子として、具備しなければならないその他の基
本特性も十分に満足しうろことが明らかになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す要部斜視図、第２図は
本発明による非線形抵抗素子（ａ）と比較で示す従来の
素子（ｂ）との電流−電圧特性を示す曲線図、第３図は
一般の非線形抵抗素子（２端子素子）を用いた場合のＸ
−Ｙマトリクス形液晶表示装置の回路図、第４図はＭＩ
Ｍ素子を用いた場合の画素の等価回路図である。 １・・・走査電極、　　　　２・・・酸化皮膜、３・・
・上部電極、　　　　４・・・画素電極、５・・・硝子
基板、　　　　６・・・突起部、７・・・非線形抵抗素
子部、Ｓ工ｌ　ｓ、・・・走査電極線、Ｄ、、Ｄ、・・
・信号電極線、 ＬＣ・・・液晶層からなる画素セル、 ＮＬ・・・非線形抵抗素子。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　松山光之

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向２枚の基板間に狭持された液晶層、液晶と液
   晶駆動用電極間に、非絶縁性の元素または化合物を含む
   絶縁膜で金属−絶縁膜−金属系非線形抵抗素子を形成し
   たことを特徴とする液晶表示装置。
2. （２）非線形抵抗素子を、絶縁性の陽極酸化膜を形成し
   うる金属とその陽極酸化用電解液中では絶縁性皮膜を形
   成しない元素あるいは化合物を同時に基板上に形成した
   のち、陽極酸化処理を行うことにより得たことを特徴と
   する請求項１記載の液晶表示装置。