JPH03223815A - 非線型素子 - 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１！流−電圧特性が非線型である非線型素子に
関し、特にマルチプレックス駆動方式の液晶表示装置に
用いて好適な非線型素子に関するものである。

〔従来の技術〕

液晶表示装置は、軽量・４型のフラットパネルデイスプ
レィとして実用化が進み、現在ではポータプルコンピュ
ータやポケットテレビのデイスプレィとしても使用され
ている。又、パーソナルコンピュータやワードプロセッ
サ用の高解像度デイスプレィや家庭用ないしは高品位テ
レビ用の大型デイスプレィとしても期待されている。

ここに、液晶デイスプレィの駆動方式としては。

一般に単純マトリックス方式が使用されている。

しかるに、解像度を増すためにコントラスト比、画素数
、応答等の表示性能を考慮すると、単純マトリックス駆
動方式では表示性能に限界があり、高解像度デイスプレ
ィ用としては不向きといえる。

そこで、薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）などの３端子素子
やＭＩＭ素子などの２端子素子を用いたアクティブマト
リックス方式が駆動方式として有望視されている。そし
て、アクティブマトリクス方式によれば。

単純マトリックス方式で問題となるクロストーク。

フリッカー現象が防止される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、アクティブマトリクス方式においては信
号線、コモンラインなどの電極抵抗による印加電圧の減
衰という問題がある。すなわち、液晶デイスプレィの大
型化がすすむ程電極の長さは増加し、ｆｉｔ極抵抗抵抗
えるため、デイスプレィ表示の部分により表示特性が異
なってしまう。

この不都合を解消するため、ＴＰＴを用いたアクティブ
マトリクス方式では電極材料として電極抵抗の低い合金
を用いる提案がなされている（Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
、、６６（５）、Ｐ、２０５０−２０５５．１９８９年
９月１日）。しかし、この方法はＭＩＭを用いたアクテ
ィブマトリクス方式では不適当である。なぜなら、ＭＩ
Ｘ素子はその一方のＭ（Ｍｅｔａｌ）としてリードｍｔ
ｉをそのまま使用しており、この電極にこの方法の合金
を用いると対称性、非線型性などの素子特性に悪影響を
及ぼすからである。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされた
もので、ＭＩＭアクティブマトリクス方式においでも、
印加電圧の減衰がなく１表示パネルが大型化されても安
定した表示特性を有する液晶表示装置を実現することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため１本発明によれば、第一の導体
と第二の導体との間にＭ！ＡＳ膜を介在させてなり、非
線型な電流−電圧特性を有する非線型素子において、 前記非線型な電流−電圧特性が一般式 ％式％ （但し、■は電流、■は電圧、には伝導率係数、βは非
線型係数である。） に従い、 に、βが、ハイデユーティ駆動表示可能な値であり、か
つ式３，０≦β≦８．０及び−４，５β−１３≦κ≦−
２β−２０を満たすことを特徴とする非線型素子が提供
される。

〔作　用〕

本発明の非線型素子では、素子特性に、βが上記のよう
に規定されていることから、マルチプレックス駆動方式
の液晶表示装置に用いた場合、ハイデユーティ駆動（走
査線数２５６本以上）可能で、しかも電極抵抗による印
加電圧の減衰が画素液晶に印加される実効値電圧に影響
を及ぼさなくなるので、前記課題を解決することができ
る。

〔実施例〕

以下本発明を詳述する。

本発明者らは、第一の導体と第二の導体との間に絶縁膜
を介在させて構成され、下記０式で表わされる電流−電
圧特性を示すＭＩＭ素子について。

該ＭＩＮ素子をマルチプレックス駆動方式の液晶表示装
置（ＬＣＤ）に適用した場合、印加電圧Ｖが電極抵抗に
よって減衰したときに、液晶画素に加わる実効値電圧Ｖ
ｒｍｓがどのように影響をうけるか検討した。

Ｉ：にｃｘｐ　（βｍ　　　　　　　　　−パ■（但し
、には伝導率係数、βは非線型係数である。） 第１図（ａ）に該ＭＩＭ素子のＩ−Ｖ特性、第１図（ｂ
）にＱｎｘ−１ｎ特性、第２図に旧Ｍ−ＬＣＤの等価回
路、第３図に印加電圧波形を示す。上記検討においては
、駆動方式１１５１２デユーテイ、５０１１ｚ、１ライ
ン毎極性反転で、Ｖ、＝２０Ｖ、バイアス電圧２ｖを正
常印加電圧としくそのときの液晶画素の印加電圧をＶｒ
＋ｍｓとする６）、これより３％減衰したＶ。＝１９．
４Ｖ、バイアス電圧１．９４Ｖを減衰時印加電圧としく
そのときの液晶画素の印加電圧をＶｒｍｓ（９７％）と
する。）、Ｖｒｍｓ及びＶｒ＋ａｓ（９７％）をそれぞ
れ求めた。

その検討結果の一例を表−１ないし表−３に示す。

なお、印加電圧減衰は液晶のしきい値特性にもよるが、
一般には３ｚ以下であることが望ましいとされている。

表−２ 表−３ β：６．０ また、第４図に該素子におけるに一βの関係を示すが、
ハイデユーティ駆動領域であって、かっＶｒ■Ｓにおい
てその電圧減衰効果が１％以下の領域（ＶｒＩｌｓ（９
７％）／Ｖｒｍｓ≧９９％）が斜線で示す部分である。

なお１図中破線内はハイデユーティ駆動領域、実線内は
Ｖｒｍｓ（９７％）／Ｖｒｍｓ≧０．９９の領域、−点
鎖線内はＶｒｍｓ（９７％）／Ｖｒ＋ｓｓ≧０．９７の
領域を示す。

以上の検討により、該ＭＩＭ素子は、β、にがハイデユ
ーティ駆動表示可能な値であり、かつ式％式％ であれば、電極抵抗による電圧減衰効果の影響がなくな
ることを見出した。

なお、本発明の素子において、第一の導体としては、　
Ａｎ、　Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｔａ、　ｗ、Ｎｏ、Ｐｔ等が
使用され。

第二の導体としては、ｋＱ、　Ｃｒ、　Ｎｏ、　Ｐｔ、
　Ａｇ等が使用される。また絶縁膜としては後に詳述す
る硬質炭素膜が好ましく用いられる。

く作成例〉 一方の透明基板としてガラス基板上にＩＴＯをスパッタ
法により約５００入庫に堆積後、パターン化して画素電
極を形成した。次に能動素子として暦■阿素子を次のよ
うにして設けた。まず基板の画素電極上にＡＱを蒸着法
により約８００入庫に堆積後、パターン化して下部電極
（第一の導体）を形成した。

その上に絶縁膜として硬質炭素膜をプラズマＣＶＤ法に
より約１ｔｏｏ人厚に堆積後、ドライエツチングにより
パターン化した。この時の成膜条件は以下の通りである
。

圧　　力　：　０，０３Ｔｏｒｒ ＣＨ，流量　：　１０　ＳＣＣＭ ＲＦパワー：　０．：ｌ／ａＪ さらに硬質炭素膜」二にＮｉを蒸着法により約１０００
入庫に堆積後、パターン化して上部電極（第二の導体）
を形成した。

得られたＭＩＭ素子はβ：５．に；−３２の特性を有し
ていた。

次に、他方の透明基板（対向基板）としてガラス基板上
にＩＴＯをスパッタ法により約５００入庫に堆積後、ス
トライブ状にパターン化して共通画素電極を形成した。

続いて１両基体の上に配向膜としてポリイミド膜を形成
しラビング処理を行なった。

これらの基板を各画素電極側を内側にして対向させ、約
６１径のギャップ材を介して貼合せ、更にこうして形成
されたセル内に市販の液晶材料を封入することにより液
晶表示パネルを作成した。

上記のようにして作成した液晶表示パネルは、パネル内
でｏｎ電圧にバラツキのない、すなわち電極抵抗による
電圧減衰効果の影響をうけない、良質の表示であった。

次に、硬質炭素膜の作製法について詳述する。

本発明で用いられる硬質炭素膜は、炭素原子及び水素原
子を主要な組織形成元素として非晶質及び微結晶質の少
なくとも一方を含む硬質炭素膜（ｉ−Ｃ膜、ダイヤモン
ド状炭素膜、アモルファスダイヤモンド膜、ダイヤモン
ド薄膜とも呼ばれる）からなっている、硬質炭素膜の一
つの特徴は気相成長膜であるがために、後述するように
、その諸物性が製膜条件によって広範囲に制御できるこ
とである。従って、絶縁膜といってもその抵抗値は半絶
縁体から絶縁体までの領域をカバーしており。

この意味では本発明の薄膜二端子素子はＭＩＭ素子は勿
論のこと、それ以外でも例えば特開昭６１−２６０２１
９号公報でいうところのＭＳＩ素子（Ｍｅｔａｌ−３ｅ
ｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）や、　ＳＴＳ素子（半導体
−絶縁体一半導体であって、ここでの「半導体」は不純
物を高濃度にドープさせたものである）としても位置付
けられるものである。

なお、この硬質炭素膜中には、さらに物性制御範囲を広
げるために、構成元素の一つとして少なくとも周期律表
第■族元素を全構成原子に対し５原子ｚ以下、同じく第
■族元素を３５原子ｚ以下、同じく第■族元素を５原子
で以下、アルカリ土類金属元素を５原子Ｘ以下、アルカ
リ金属元素を５原子％。

窒素原子を５Ｍ子で以下、酸素原子を５原子ご以下。

カルコゲン系元素を３５原子％以下、またはハロゲン系
元素を３５原子ｚ以下の量で含有させてもよい。

これら元素又は原子の量は元素分析の常法例えばオージ
ェ分析によって測定することができる。また、この量の
多少は原料ガスに含まれる他の化合物の量や成膜条件で
調節可能である。

こうした硬質炭素膜を形成するためには有機化合物ガス
、特に炭化水素ガスが用いられる。これら原料における
相状態は常温常圧において必ずしも気相である必要はな
く、加熱或いは減圧等により溶融、蒸発、昇華等を経て
気化し得るものであれば、液相でも固相でも使用可能で
ある。

原料ガスとしての炭化水素ガスについては、例えばＣＩ
＋４．　Ｃ，）Ｉ、　、　Ｃ４Ｈ１゜等のパラフィン系
炭化水素。

ＣよＨ４等のオレフィン系炭化水素、ジオレフィン系炭
化水素、アセチレン系炭化水素、さらには芳香族炭化水
素などすべての炭化水素を少なくとも含むガスが使用可
能である。

また、炭化水素以外でも、例えばアルコール類、ケトン
類、エーテル類、エステル類などであって少なくとも炭
素元素を含む化合物であれば使用可能である。

本発明における原料ガスからの硬質炭素膜の形成方法と
しては、成膜活性種が直流、低周波、高周波或いはマイ
クロ波等を用いたプラズマ法により生成されるプラズマ
状態を経て形成される方法が好ましいが、より大面積化
、均−性向上及び／又は低温製膜の目的で低圧下で堆積
を行わせしめるのには磁界効果を利用する方法がさらに
好ましい、また、高温における熱分解によっても活性種
を形成できる。

その他にも、イオン化蒸着法或いはイオンビーム蒸着法
等により生成されるイオン状態を経て形成されてもよい
し、真空蒸着法或いはスパッタリング法等により生成さ
れる中性粒子から形成されてもよいし、さらには、これ
らの組み合わせにより形成されてもよい。

こうして作製される硬質炭素膜の堆積条件の一例はプラ
ズマＣｖＤ法の場合、概ね次の通りである。

ＲＦ出カニ　０．１−５０１／Ｃｉ 圧　　　カニ　１Ｏ−３−１０Ｔｏｒｒ堆積温度：室温
〜９５０℃で行なうことができるが、好ましくは室温〜
３００℃。

このプラズマ状態により原料ガスがラジカルとイオンと
に分解され反応することによって５基板上に炭素原子Ｃ
と水素原子Ｈとからなるアモルファス（非晶質）及び微
結晶質（結晶の大きさは数１０人〜数μ耐の少くとも一
方を含む硬質炭素膜が堆積する。硬質炭素膜の諸物性を
表−４に示す。

表−４ 注）測定法； 比抵抗（ρ）：コプレナー型セルによるＩ−Ｖ特性より
求める。

光学的バンドギャップ（Ｅｇｏρｔ）二分光特性から吸
収係数（α）を求め、 （αｈｙ）”＝Ｂ（ｈν’−Ｅｇｏｐｔ）の関係より決
定する。

膜中水素量（ＣＨ）：赤外吸収スペクトルから２９００
ｃｍ−’付近のピークを積分し、吸収断面積 Ａをかけて求める。すなわち、 Ｃ，＝Ａ−／　ａ　（ｗ）／ｗ１ｄｗ ＳＰ３／ＳＰ”比：赤外吸収スペクトルを、ｓｐ’　、
　ｓｐ”にそれぞれ帰属されるガウス関数に分解 し、その面積比より求める。

ビッカース硬度（＋１）：マイクロビッカース計による
。屈折率（ｎ）：エリプソメーターによる。

欠陥密度：　ＥＳＨによる。

こうして形成される硬質炭素膜はＩＲ吸収法及びラマン
分光法による分析の結果、夫々、第５図及び第６図に示
すように炭素原子がｓｐ３の混成軌道とｓｐ２の混成軌
道とを形成した原子間結合が混在していることが明らか
になっている。ＳＰ３結合とＳＰ２結合の比率は、　Ｉ
Ｒスペクトルをピーク分離することで概ね推定できる。

　ＩＲスペクトルには、　２８００〜３１５０ｃｍ−”
に多くのモードのスペクトルが重なって測定されるが、
それぞれの波数に対応するピークの帰属は明らかになっ
ており、第７図に示したごときガウス分布によってピー
ク分離を行ない、それぞれのピーク面積を算出し、その
比率を求めればＳＰ３／ＳＰ”を知ることができる。

また、前記の硬質炭素膜は、ｘｌＩＡ及び電子線回折分
析によれば、アモルファス状態（ａ−Ｃ：ｌ（）、及び
／又は、数１０人〜数μｌ程度の微結晶粒を含むアモル
ファス状態にあることが判かる。

一般に量産に適しているプラズマＣＶＤ法の場合には、
ＲＦ高出力小さいほど膜の比抵抗値および硬度が増加し
、また、低圧力なほど活性種の寿命が増加するために、
基板温度の低温化、大面積での均一化が図られ、かつ比
抵抗、硬度が増加する傾向にある。更に、低圧力ではプ
ラズマ密度が減少するため、磁場閉じ込め効果を利用す
る方法は。

比抵抗の増加には特に効果的である。更にまた、この方
法（プラズマＣＶＤ法）は常温〜１５０℃程度の比較的
低い温度条件でも同様に良質の硬質炭素膜を形成できる
という特徴を有しているため、薄膜二端子素子製造プロ
セスの低温化には最適である。

従って、使用する基板材料の選択自由度が広がり。

基板温度をコントロールし易いために大面積に均一な膜
が得られるという特長をもっている。

硬質炭素膜の構造、物性は表−１に示したように、広範
囲に制御可能であるため、デバイス特性を自由に設計で
きる利点もある。さらには、膜の誘電率も３〜５と従来
のＭＩＮ素子に使用されていたＴａ２Ｏ，。

＾ＱｚＯｓ＋　ＳｉＮｘなどと比較して小さいため、同
じ電気容量をもった素子を作る場合、素子サイズが大き
くてすむので、それほど微細加工を必要とせず。

歩留まりが向上する（駆動条件の関係からＬＣＤとＭＩ
Ｎ素子との容量比はＣＬＣＤ　：　Ｃｓ＋Ｍ＝ｌＯ：ｌ
程度必要である）。

さらに膜の硬度が高いため、液晶材料封入時のラビング
工程による損傷が少なく、この点からも歩留まりが向上
する。

液晶駆動用薄膜二端子素子として好適な硬質炭素膜は、
駆動条件から膜厚が１００〜８０００人、比抵抗が１０
６〜１０１３Ω・Ｃ＠の範囲であることが有利である。

なお、駆動電圧と耐圧（絶縁破壊電圧）とのマージンを
考慮すると膜厚は２００Å以上であることが望ましく、
また５画素部と薄膜二端子素子部の段差（セルギャップ
差）に起因する色むらが実用上問題とならないようにす
るには膜厚は６０００Å以下であることが望ましいこと
から、硬質炭素膜の膜厚は２００〜６０００人、比抵抗
は５Ｘ１．Ｏ’〜ｔｏ１２Ω・Ｃ鵬であることがより好
ましい。

硬質炭素膜のピンホールによる素子の欠陥数は膜厚が減
少にともなって増加し、３００Å以下では特に顕著にな
ること（欠陥率は１％を越える）、及び。

膜厚の面内分布の均一性（ひいては素子特性の均一性）
が確保できなくなる（膜厚制御の精度は３０人程度が限
度で、膜厚のバラツキが１０％を越える）ことから、膜
厚は３００Å以上であることがより望ましい。

また、ストレスによる硬質炭素膜の剥離が起こりにくく
するため、及び、より低デユーティ比（望ましくは１／
１０００以下）で駆動するために、膜厚は４０００λ以
下であることがより望ましい。

これらを総合して考慮すると、硬質炭素膜の膜厚は３０
０−４０００人、比抵抗は１０’−１０”Ω’ｃｍであ
ることが一層好ましい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、前記のよ
うに素子特性（に、β）を規定したので、印加電圧の減
衰のない非線型素子の提供が可能となる。したがって、
大型化しても安定した表示特性を持つ液晶表示装置の実
現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は肘に素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ、第
１図（ｂ）はに工に素子のＱｎＩ−ｆＶ特性を示すグラ
フ、第２図はにｌＮ−ＬＣＤの等価回路を示す回路図、
第３図は印加電圧の波形を示す図、第４図はＭＩＭ素子
のに一β特性を示すグラフ、第５図ないし第７図は硬質
炭素膜の物性を説明するための図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一の導体と第二の導体との間に絶縁膜を介在さ
   せてなり、非線型な電流−電圧特性を有する非線型素子
   において、 前記非線型な電流−電圧特性が一般式 Ｉ＝κｅｘｐ（β√（Ｖ）） （但し、Ｉは電流、Ｖは電圧、κは伝導率係数、βは非
   線型係数である。） に従い、 κ、βが、ハイデューティ駆動表示可能な値であり、か
   つ式３．０≦β≦８．０及び−４．５β−１３≦κ≦−
   ２β−２０を満たすことを特徴とする非線型素子。