JPH03283469A - 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） 本発明は、液晶表示装置にかかり、とくに、該液晶表示
装置に用いられる非線形抵抗素子の構造に関するもので
ある。

（従来の技術） 液晶表示装置は、たとえば、液晶光学装置。

液晶センサ装置などと同様に液晶エレクトロニクス装置
の代表的な例であり、低電圧動作（数Ｖ〜１０Ｖ程度）
と低電力消費（数μＷ〜数１０μＷ／ｃｄ）という長所
を兼ね備えているために、ＬＳＩ駆動回路との適合性に
優れている。この他に、薄形軽量であり、数ｒＭｎ２程
度の小形表示から数１００ｄ程度の大型表示まで可能で
ある。受光形表示なので明るい場所でも表示が鮮明であ
る９表示のマルチカラー化が容易なので、表示機能の拡
大・多様化が図れる。投写表示や集積表示ができるので
大画面表示（数ポル数１０ｍ）が容易である等の長所が
あり、液晶エレクトロニクス装置の中では最も応用展開
が進んでいる。

液晶表示装置における主要な液晶素子駆動方式には、ス
タティック駆動法、マルチプレックス駆動法、アクティ
ブマトリクス駆動法、熱アドレス駆動法、光アドレス駆
動法等がある。この中でもアクティブマトリクス（Ａｃ
ｔｉｖｅ　Ｍａｔｒｉｘ）駆動法は、走査電極数が数１
００本も必要とするようなビデオ表示やＣＲＴに匹敵す
るような大容量表示に用いられる液晶素子にとって有用
な駆動方式である。

アクティブマトリクス駆動法は、スイッチマトリクス駆
動（Ｓｗｉｔｃｈ　Ｍａｔｒｉｘ　Ａｄｄｒｓｓｉｎｇ
）方式とも呼ばれ、走査電極と信号電極のマトリクス交
点部の各画素ごとにスイッチ素子と必要に応じてキャパ
シタ素子を付加集積し、コントラストやレスポンスなど
の表示性能の向上を図っている。この駆動方式は、スイ
ッチ素子として電界効果トランジスタを用いる３端子形
と非線形抵抗素子を用いる２端子形に大別される。どの
形においても、各画素ごとに設けられたスイッチ素子は
、各画素電極を独立分離することでクロストークを防ぎ
、コンデンサ素子は信号電荷を１フレ一ム時間蓄積する
役割を担っている。これによって実質的に走査電極数の
制約をなくし原理的にデユーティ比１００％のスタティ
ック駆動に近い液晶表示が実現できる。

この電界効果トランジスタを用いる３端子方式は、大容
量液晶表示装置の開発の主流をなしている。使用する３
端子素子としては、ＭＯＳトランジスタ、ＴＰＴ　（薄
膜トランジスタ）等があり、この方式により、液晶に閾
値特性を付与することが可能となった。単純マトリクス
方式に比して構造が複雑であるか、各画素毎にスイッチ
を有しているので１時分割駆動を行っても、選択時の電
圧を保持することができる。二九により、コントラスト
、階調、視野角などの画像特性が改善され、大表示量へ
の足掛りが得られるようになった。

ガラス基板上に非晶質のシリコン半導体層を形成した薄
膜トランジスタを用いたＴＦＴ形液晶表示装置は、表示
画質や応答速度に優れているが、５層以上の薄膜形成と
パターニングを必要とし、その結果画素欠陥率が高く、
歩留が低くなって、製造コストを下げることが困難にな
っている。

一方、非線形の電流−電圧特性をもっ２端子素子を用い
たアクティブ・マトリクス方式は３回の薄膜形成とパタ
ーニングでよく、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・バックダイオードなどが提案されている。中でも
、タンタル陽極酸化膜やシリコン窒化膜を絶縁膜とする
金属−絶縁体−金属からなるＭＩＭ構造の２端子素子が
注目されている。

第４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。Ｄ工、Ｄ２゜・は信号電極
母線、Ｓ□、＄２．・・・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。両型極線の交
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Ｉ　Ｔ　Ｏ（ｉｎｄｉｕ
ｍ　ｔｉｎ　ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極が用いられ
、ＩＴＯと非線形抵抗素子が非線形抵抗の上部電極によ
り接続されている。

ＭＩＭ形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　＝　ａ　
Ｖｎで与えられる。従って、非線形特性はｎ値により評
価することができる。オン状態とオフ状態における抵抗
値の比ＲＯＮ　／　ＲＯＦＦをできるだけ小さくし、Ｃ
ＬＣ／Ｃ肘、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。し
たがって、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。

現在、実用化または検討されているタンタル陽極酸化膜
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。

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、 １）電流−電圧特性における大きな非線形性（ＭＩＭに
おける電流−電圧特性において、オン状態とオフ状態に
おける電流比は少なくとも５桁以上のものが要求される
）、 ２）この電流−電圧特性が極性をもたず対称性のよいこ
と、 ３）液晶画素セル容量に対して、十分小さな容量値であ
ること、 ４）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。

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−Ｔａ２Ｏ
，−Ｃｒ系からなるＭＩＭ素子、パタニングされた金属
電極上に形成されたシリコン窒化膜を絶縁膜とするＭＩ
Ｍ素子である。前者は上記の非線形抵抗素子として、た
とえば、対称性が良くないなど基本的特性が不足してい
る。特に、電流−電圧特性の急峻性が悪く、画素数が増
大すると十分対応できない。さらに、駆動電圧を２０Ｖ
以下に抑えるために、絶縁膜厚は、あまり厚くなっては
ならず、８００Å以下にする必要がある。しかし、　Ｔ
ａ２Ｏ，膜の誘電率が２０以上と大きいのでこの２端子
素子の電気容量が大きくなってしまう。

後者の場合は、急峻性、電気容量など基本性能では、改
善がみられるものの、シリコン窒化膜の膜厚や特性のバ
ラツキが多く、素子特性の均一性や対称特性などの点で
問題が多い。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来から知られているＭＩＭ素子な
どの非線形抵抗素子は、上記のような液晶表示装置への
適用に適した特性を十分に備えていないので、アクティ
ブマトリクス駆動方式は十分にその効果を発揮すること
ができなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、
電流の急峻性および電流−電圧特性の対称性等を効果的
に改善した新規な構造の非線形抵抗素子を備えた液晶表
示装置を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、液晶層、液晶駆動用電極および前記液晶層と
前記液晶駆動用電極間に設けた非線形抵抗素子とを備え
た液晶表示装置に関するものであり、前記非線形抵抗素
子は、半導体−絶縁体一半導体からなる構造を持つこと
を特徴としている。

ここで、一方の半導体は、走査電極または信号電極に、
他方の半導体は画素電極にそれぞれ接続または一体的に
形成されている。

（作用） 半導体−絶縁体一半導体からなる非線形抵抗素子は、従
来の金属−絶縁体−金属系非線形抵抗素子に比して、急
峻性、対称性、電気容量、製造プロセス等の点で液晶表
示装置用素子に適している。

これは絶縁体自体に基づくものと半導体／絶縁体界面の
問題に帰着するものと二通りが考えられる。

金属−絶縁体−金属系非線形抵抗素子の電流はプール・
フレノケル電流である。しかしながら、導体の仕事関数
は４ｅｖ以上であり、ショットキー電流が無視できず、
また、金属／絶縁体界面の不安定性に基づく電流の極性
依存性は避けられないので、電流の対称性が著しく損な
われる場合が生ずる。

これに対して本発明に用いる半導体の仕事関数は小さく
、このため素子の電流は絶縁膜のみにより規制される結
果、対称性のよい電流−電圧特性が得られる。

さらに絶縁膜として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を用
いることにより、電気容量はタンタル酸化膜の約１７５
〜１／６程度に抑えることが可能となった。これにより
、従来のＭＩＭ素子のばあいに特性低下の大きな要因で
あった急峻性の不足は大幅に改善された。

また、当該非線形素子の接続される走査電極線または信
号電極線をタンタル、アルミニウム、チタン、ニオブ、
ジルコニウム等の陽極酸化膜を形成せしめる膜とするこ
とにより、製造工程はより簡略化される。該非線形抵抗
素子の絶縁膜は、方の半導体のたとえば、陽極酸化や熱
酸化などの酸化処理によって形成される上に、他方の半
導体がＩＴ○などの表示電極と同じもの使用することが
可能になるので効率良く製造することができる。

（実施例１） 以下に本発明の一実施例について詳細に説明する。

第１図は、本発明の実施例１による液晶表示装置におけ
る２端子素子とそれにつながる走査電極線３、画素電極
７および非線形抵抗素子部ａの平面図であり、第２図は
第１図のＡ−Ａ’における断面図である。図中、ガラス
基板１上に形成された絶縁薄膜２として反応性スパッタ
リングにより形成したＴａ□０５＠　（５００人）を用
いた。つぎに、走査電極線３とするため、　Ｔａ膜を２
０００人を形成した。同薄膜の上にポリシリコン膜を常
法に従って、１０００人形成した。ポリシリコン膜には
リンまたはヒ素を高濃度にドープした。Ｔａ−８ｉ二層
膜をケミカル・ドライエツチング法により、所定の形状
にパターニングした。

この表面を０．０５Ｍ硝酸カリウムのメチルアセトアミ
ド溶液に１〜５％の水を添加した電解液中で陽極酸化し
てＴａ膜３の露出した部分にＴａ２０５膜４、ポリシリ
コン膜５上に陽極酸化Ｓｉｏ２膜形成した。

シリコン酸化膜の膜厚は約３００人であり、　タンクル
酸化膜の膜厚は約８００人である。

つぎに、この陽極酸化膜６の一部に電極となるＴＴｏ薄
膜７を１０００人の厚さで被覆した後、第１図に示した
ように、パターニングした。なお、この電極７は、画素
電極を兼ねている。

また、Ｔａ以外の金属薄膜として、例えば陽極酸化が可
能なＮｂ、Ｔｉ、ＺｒあるいはＡＱでもよく、さらに、
半導体としては、ポリシリコン膜のかわり、非晶質シリ
コン膜を用いても同様の結果が得られる。

本実施例では、側面部分に下側金属３の陽極酸化膜４が
露出した構造となっているが、この部分の面積は数％で
あり、また、その膜厚は厚いため、容量は小さく、特性
全体に対して無視できるものである。

比較例として、　Ｔａ薄膜のみを２０００人形成したの
ち、所定の形状にパターニングした。この表面を陽極酸
化し、Ｃｒなとの対極金属を１０００人の厚さに真空蒸
着で堆積してＭＩＭ素子を形成する。

本実施例とこの比較例の電流−電圧特性を第３図に示し
た。ａ、ａ’は本実施例、ｂ、ｂ’は比較例である。ａ
′、ｂ′はａ、ｂとは逆極性の場合を示している。

これにより、本実施例から、半導体−絶縁体一半導体か
らなる非線形素子の電流の急峻性は６桁以上であり、比
較例のＭＩＭ素子の場合の４桁より大幅に改善されるこ
とがわかった。

またこの図から極性反転に対してすぐれた対称性を示す
ことも確認された。

（実施例２） 実施例１では絶縁膜６の形成を陽極酸化によったが、熱
酸化法でも可能である。タンタル−ポリシリコン膜を形
成した後、実施例１と同様パタニングした後、水蒸気を
酸化炉に流しながら、６００℃で３０分ウェット酸化し
た。

タンタル膜の酸化速度はポリシリコン膜の酸化速度より
大きく、第２図のタンタル酸化膜４はシリコン酸化膜６
より厚く、本条件下ではそれぞれ１５００人と３３０人
であった。　このため、タンタル酸化ｗｉ４部分は非線
形抵抗素子として機能せず、シリコン酸化膜６部分のみ
が当該非線形抵抗素子の役割を担うこととなり、素子特
性は実施例１よりさらに改善している。

（実施例３） 実施例２では、絶縁膜の形成を全て熱酸化法によったが
、実施例３として下側のタンタルとポリシリコン膜の酸
化速度の差異に着目した例について述べる。

タンタル−ポリシリコン積層膜を所定の形状にパターニ
ングしたのち、酸化性雰囲気中で５００℃、６０分酸化
処理を行った。その結果タンタル膜には１１００人の酸
化膜が形成されたが、ポリシリコン膜には１００人の酸
化膜が付与されたに過ぎなかった６その後。実施例１と
同様の電解液中で陽極酸化を行い、シリコン酸化膜の膜
厚を３５０人とした。タンタル酸化膜の膜厚は殆んど変
化が認められなかった。絶縁膜６の厚みを、両酸化法を
適宜併用して、コントロールすることができる。

この結果、非線形素子部の絶縁膜は陽極酸化法により得
られたシリコン酸化膜が対応し、この上に。

ｎ形キャリアを有する酸化物半導体をこの上に形成する
ことにより半導体／絶縁体／半導体からなる非線形抵抗
素子を得た。ここで形成したｎ形成化物半導体は、アン
チモンをドープしたインジウム酸化物ＩＴ○を用いた。

実施例でいずれも絶縁膜として５ｉｎ２を用いているが
勿論これに限定されるものではない。リークの少ない低
誘電率のものならどんな材料でも使用できる。たとえば
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓの陽極酸化物（誘電率は１０程度）が
ある。このときに使う半導体は、Ｇ　ａ　Ａ　ｓが適し
ている。

以上述べてきたように、本発明の一実施例による非線形
抵抗素子によってつぎのような点が改善された。

１、急峻性の改善 電流の急峻性は絶縁膜の誘電率に反比例することが知ら
れている。従来しばしば使用されてきたタンタル酸化膜
の誘電率は２５以上と大きく、これに対して本発明の一
実施例に使用したシリコン酸化膜の誘電率は４以下と小
さく、このため電流の急峻性は著しく改善された。

さらにシリコン酸化膜のリーク電流はタンタル酸化膜の
それよりも数桁小さく、このためオフ状態での電流が小
さくなり、これによっても急峻性が改善された。

２、対称性の改善 半導体−絶縁体一半導体という構造によって。

従来のＭＩＭ素子において大きな問題となっていた金属
／酸化膜界面の不安定性に基づく電流−電圧特性の極性
反転に伴う非対称性に対して大きな効果が得られた。

３、走査電極線（信号電極線）の電導性従来のＭＩＭ素
子のばあいには、走査電極（または信号電極）と下部電
極とが同−膜で形成されており、このため、走査電極線
の電導性向上の大きなネックとなっていた。しかるに、
本発明によれば、別の材料の選択が可能となり、走査電
極（または信号電極）の材料としての電導性の良いもの
を使用できるようになった。

４、信頼性の改善 半導体−絶縁体一半導体からなる非線形抵抗素子の電極
を構成する半導体のうち、少なくとも一方の電極を酸化
物導体または酸素を含む半導体とすることにより、当該
素子の絶縁破壊等は大巾に改善された。

〔発明の効果〕

本発明は、非線形抵抗素子として半導体−絶縁体一半１
体の構造をとることによって、電流の急峻性および電流
−電圧特性の対称性を十分改善することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による非線形抵抗素子の平面図である。 第２図は第１図のＡ−Ａ’線の断面図である。第３図は
、本発明による一実施例の電流−電圧特性（ａｌａ’）
＋および従来のＭＩＭ素子の代表的な電流−電圧特性（
ｂ、ｂ’）である。第４図は非線形抵抗素子（２端子素
子）を用いたばあいのＸ−Ｙマトリクス形液晶表示装置
の回路図の一例である。 １・・・ガラス基板、 ２・・ガラス基板保護用絶縁薄膜、 ３・・走査電極線、　　４，６・・絶縁膜、７・半導体
（画素電極）、 ａ・・・非線形抵抗素子領域、 Ｓ２．　Ｓ２・・・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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　液晶層、液晶駆動用電極および前記液晶層と前記液晶
   駆動用電極間に設けた非線形抵抗素子とを備えた液晶表
   示装置において、前記非線形抵抗素子は、半導体−絶縁
   体−半導体からなる構造を持つことを特徴とする液晶表
   示装置。