JPS6167262A - 半導体装置 - 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】 この発明は、アクティブマトリックス方式による表示パ
ネル好ましくは液晶表示パネルを設けることにより、マ
イクロコンピュータ、ワードプロセッサまたはテレビ等
の表示部の固体化を図る半導体装置に関するものである
。

この発明は、かかる固体表示装置と同一基板にライトペ
ン等を用いた光軌跡入力せしめ、マトリックス配列した
光検出装置により手書き文字等を検出せしめたパターン
書き込みを行う固体書き込み装置に関する。

「従来の技術」 固体表示パネルは各絵素を独立に制御する方式が大面積
用として有効である。このようなアクティブ素子を用い
たパネルとして、１つの絶縁ゲイト型電界効果半導体装
置（ＩＧＦという）とそれに直列に連結した液晶素子と
よりなる１絵素を構成せしめ、これをＸ、Ｙ配線に連結
したマトリックス構成よりなるものがある。

また、他の固体書き込み装置は文字等の筆圧による圧力
センサを平面に具備する感圧式手書き装置よりなるもの
がある。

「発明が解決しようとする問題点」 しかし、このＩＧＦを用いた表示パネルにおいて、その
重合わセを伴う製造プロセスに必要なフォトマスク数は
６〜８枚も有し、そのため製造歩留りが低くなってしま
うことが予想される。

本発明はこのフォトマスク数を６〜８枚より３枚（１回
の精密重合わせ）とすることにより、その製造歩留りの
向上を図らんとするものである。

このためアクティブエレメントとその上側の電極とは概
略同一形状としてマトリックス構成の一方の電極・リー
ドとせしめている。

加えて、感圧式の書き°込み装置においては、その圧力
に対し信号検出が人の書き込み筆圧のバラツキにより微
妙である。また応答速度が遅い。加えて、この基板側に
絶えず局部圧力を加えるため基板側の疲労による破損が
みられ、高い信頼性を期待し得ない。さらに、この固体
表示素子と感圧書き込みを一体化せんとすると、書き込
みの筆圧がその下面に設けられている液晶にも加わり、
結果として液晶自体の疲労または液晶の上下電極間に揺
らぎが生ずることによる液晶の表示コントラストのバラ
ツキが発生する等の大きな信顛性低下の要因を本質的に
内在している。

「問題を解決するための手段」 本発明はかかる問題を解決するため、アクティブ素子を
制御する系としてＩＧＦを用いず、ダイナミック交流駆
動方式を採用したための非線型素子としてアモルファス
半導体等の水素またはハロゲン元素が添加された非単結
晶半導体よりなる複合ダイオードを用いたことを主とし
ている。

かかる本発明に用いる非線形素子は、１つのＰＩＮ接合
とその上下にコンタクトを有する電極より構成されるダ
イオードを複数個用いるのではな（、一対のそれぞれの
電極とはオーム接触性を有するが、逆向整流特性を構成
する複合ダイオード構成の素子よりなるもので、その代
表例は、Ｎ型半導体−Ｉ型（以下真性または実質的に真
性という）半導体−Ｎ型半導体を積層して設けたＮＩＮ
構造、即ちＮ［接合とＩＮ接合とが電気的に逆向きに連
結され、かつ半導体として一体化したＮＩＮ接合を有す
る半導体をはじめ、その変形であるＮＮ−Ｎ、ＮＰ−Ｎ
、ＰＩＰ。

ｐｐ哩、　ＰＮ−Ｐ、ＮＩＰＩＮまたはＰＩＮＩＰ接合
構造を有せしめた複合ダイオードである。

かかる複合ダイオードは、ダイオード特性を互いに逆向
きに相対せしめ、そのビルドイン（立ち上がり）電圧（
しきい値）はＮＩ接合のＮ型半導体とｌ型半導体との差
（第４図（４１）、（４２））またはｌ型半導体に添加
するＰまたはＮ型の不純物の濃度で決めることができる
。さらにＮＩＰｒＮ接合とする場合はＮＩＰ接合のしき
い値電圧で決めることができる。このため、製造プロセ
スを制御することにより、所望のしきい値電圧ををする
素子を作り得る。

さらにこのＮＩＮ接合を有する半導体は、同様に光検出
素子（フォトセンサともいう）としても併用させ得る。

このためこのフォトセンサを同じ基板上に何等の余分の
プロセス（厳密には固体表示装置に用いられる非線型素
子の遮光用の金属電極を除去する工程を加えるのみ）を
必要とせず、ライトペン等を用いた光軌跡を検知する固
体書き込みを実行することができる。

本発明は、１つの大きな基板にマトリックス構成せしめ
て、面としての固体表示、光軌跡検出を実行させ得る。

その際複合ダイオードの外周辺とマトリックスを構成す
るＸ方向の電極・リード（第１図においてＸ方向をＹ方
向と言い換えてもいいが、ここでは図面の横軸をＸ方向
と簡単のために記す）とが概略同一形状を有する１つの
マスク合わせを行うのみで完成してしまうため、一方の
基板側に設けられる液晶表示の一方の電極（第１の電極
）と連結した非線型素子およびそれに連結したＸ配線の
形成に必要なマスクの数は３枚のみ（１回の精密なマス
ク合わせ）でプロセスさせることができる。この構造の
代表例を第２図、第５図及び第６図に示しである。

このため、固体表示素子である例えば液晶に対し、交流
バイアスを液晶の他方の電極（第６の電極）リードに印
加しそのレベルを制御することにより階調制御も可能で
あるという特徴を有する。

「作用」 本発明は、光軌跡方式による固体書き込み装置と固体表
示装置とが一体化している。このため、これまでのマイ
クロコンピュータの如き目の位置と指の位置が異なる場
合に生じた作業者の首の疲労がなくなり、また指もキー
ボードではなくライトベン方式を用いた新筆が伴う光軌
跡を利用する方式であるため、ワードプロセッサを学習
に使用する在宅学習システムに対し、文字等をライトペ
ンで書く作業を伴うため学習効果を高め得る。

また光軌跡を基板上を前述した如く時間的に移動させる
のではなく、所定の位置に複数の光点または光軌跡を与
えることにより、キーボードを筆圧方式より光タッチ方
式のキーボードとすることができる。

本発明において、固体表示の液晶の他方の電極を３分割
し、それぞれの分割された電極またはそれぞれのアクテ
ィブ素子の他方の電極（第６の電極）に対応して赤（Ｒ
という）、緑（Ｇという）、青（Ｂという）のフィルタ
を通すことにより、フルカラー表示を゛行うことができ
る。加えてこの液晶の他方の電極（第６の電極リード）
に対し独立に電圧を加えＲ，Ｇ、　Ｈに対する階調を行
うことができる。

以下に実施例に従って本発明を説明する。

「実施例１」 第１図は本発明の固体表示装置および固体書き込み装置
の等価回路（２×２のマトリックスの場合）を示す。

図面において基板上に設けられたアクティブエレメント
（１）は光検出素子（フォトセンサ）（４）と非線型素
子（２）と液晶（３）とよりなっている。このエレメン
トには、液晶（３）の一方の電ｉ　（１０）（第１の電
極）とそれに連結した非線型素子（２）の電極（第２の
電極）（５）が設けられる。この非線型素子はＸ配線（
リードともいう）のアドレス線（１６）に第３の電極（
７）により連結し、またこのＸ配線は同時にフォトセン
サ（４）の第４の電極（８）に連結している。他方、フ
ォトセンサ（４）の他の電極（第５の電極）（９）は基
板上の透光性導電膜により設けられたＹ配線リード（１
８）に連結し、その結果、フォトセンサはＸＹマトリッ
クスを構成した配線の交点に位置せしめることができる
。他方、液晶（３）の第６の電極（６）は相対する他の
基板上に設けられた透光性の２配線のデータ線（１４）
に連結している。このＸ配線、Ｙ配線は同一絶縁基板代
表的にはガラス基板（第５図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　
（Ｃ）　、第６図（Ａ）　、　（Ｂ）における（２０）
）上に設けられてフォトセンサをマトリックス構成させ
ている。また、液晶（３）はＸ配線を有する基板（２０
）とＸ配線を有する他の基板（２１）とではさまれてマ
トリックス構成せしめている。

かかるアクティブエレメントをマトリックス構成せしめ
、図面では２×２とした。これはスケール・アンプした
表示装置例えば（アクティブエレメント数が６４０　ｘ
５２５）としても同一技術思想である。

かくの如き１つのＮＩＮ接合を有する半導体の積層体に
より一方の固体表示素子の制御用を他方のフォトセンサ
の半導体として用いたものである。

かかる非線型素子及びフォトセンサの構成及び特性の例
を第２図、第３図に示している。

この第２図を以下に略記する。

第２図（Ａ）は実際の非線型素子構造の縦断面図を示し
ている。

即ち第２図（Ａ）においてガラス基板（２０）上の透光
性導電膜（３１）、遮光用クロムマスク（３２）よりな
る第２の電極（５）　、　Ｎ　（３３）　Ｉ　（３４）
　Ｎ　（３５）半導体積層体よりなるＮＩＮ接合型複合
ダイオード（２）、遮光用クロムマスク（３６）、　フ
ルミニューム導体（３７）よりなる１００μＯの面積の
第３の電極（７）よりなっている。

さらにこの１層に対しＮ型用不純物を少し添加したＮ−
、Ｐ型用不純物を少し添加したＰ−として、ＮＮ−Ｎ、
ＮＰ−Ｐとしてしきい値を制御することは有効である。

この■型半導体を局部的にＰ、Ｐ−とすることにより、
ＮＩＰＩＮ、　ＮＩＰ−ＩＮとしてもよい。

またこの逆にＮ型半導体（３３）　、　（３５）をＰ型
半導体としてＰＩＰ、　ＰＰ−Ｐ、　ＰＮ−Ｐ接合とし
た複合ダイオードとしてもよい。

第２図（Ａ）の構成によって得られた特性を第３図（Ａ
）に示す。

第３図（Ａ）の［−Ｖ（電圧−電流）特性は第３図にお
ける（４６）　、　（４７）の原点に対し対称型のＩ−
Ｖ特性を得ることができた。

この値は、液晶（例えばＴＮ型液晶）が１．９ｖ以下に
おいてｒＯＮＪ　　ｒ不透明Ｊ　、２．７Ｖ以上におい
てはｒＯＦＦ　Ｊ　　ｒ透明」の一般的な特性において
、それに適したしきい値（４８）、　（４９）を例えば
１．５〜３．Ｏｖ例えば２．Ｏｖに１層中の不純物濃度
を制御して得ることができるという特長を有する。

第４図（＾）〜（Ｄ）に本発明の非線型素子の動作原理
の概要を示す。

第４図（Ａ）はＮ　（３３）　Ｉ　（３４）　Ｎ　（３
５）構造を有する半導体（２）である。例えば水素を含
む珪素を主成分とする非単結晶半導体である。その厚さ
はＮ　（３３）は７００　人、　Ｉ　（３４）は４００
０人、　Ｎ　（３５）は７００　人とした。

この場合の電圧が電極（５）　、　（７）間に印加され
ていない場合におけるエネルギバンド図を第４図（Ｂ）
に示す。これに対し、もし電極（５）に比べて（７）に
正の電圧がかかると、第４図（Ｃ）のエネルギバンド構
造となる。すると、電子（４３）は障壁（４１）が（４
１”）にその高さを低（するに準じて順方向の電流とし
て流れる。この時、他の障壁（４２）　（第４図（Ｂ）
）は全く障壁を構成しない。

また、逆に、電極（５）に対しく７）に負の電圧が加わ
ると、障壁（４２’）が（４２）に比べ低くなり、その
Ｎ型半導体層（３５）の電子（４３’）が（７）より（
５）へと流れる。

結果として、第３図（Ａ）に示すごとき非線型特性（４
６）　、　（４７）を第４図（Ｃ）　、　（Ｄ）に対応
して有せしめることができる。

他方、第２図（Ｃ）　、　（Ｄ）に示す光検出素子（フ
ォトセンサ）につき、その動作を略記する。

このＮ　（３３）　Ｉ　（３４）　Ｎ　（３５）の半導
体積層体は、第２図（Ａ）の非線型素子と同一半導体材
料で同一プロセスにより形成される。

即ちガラス基＋７ｉ（２０）上の透光性導電膜（３１）
の電極（９）（第５の電極）上の半導体（４）とその上
にクロム（３８）およびアルミニューム（３９）の上側
電極（８）（第４の電極）よりなっている。

ライトペンよりの光（１００）はガラス基板（２０）側
より照射される。

このフォトセンサの等価回路を第２図（Ｄ）に示す。

増巾作用は必ずしもあるとは限らないが、みかけ上第２
図（Ｄ）に示すフォトトランジスタ構成で略記する。即
ち照射光（１００）によるベースへの注入により電流が
大きくなる。

その−例の特性を第３図（Ｂ）に示している。図面にお
いて（４６）　、　（４７）は「暗の時Ｊ（７）Ｉ−Ｖ
特性である。さらに、ここに４５０Ｌｘ　（室内灯）を
照射すると、それでは曲線（４６’）、　（４７’）に
変化する。さらに５５００ＬＸ　（白熱灯）を加えると
、（４６”）、（４７”）にそれぞれ変化する。

これらの信号をマトリックス構成をした第１図において
はデコーダ（１３）のトランジスタで受けて出力（１８
″）または（１９’）に取り出せばいい。

第４図において、このフォトセンサの動作原理を示して
いる。第４図（Ａ）のＮＩＮ半導体（４）に＋Ｖまたは
−Ｖの電圧を加え、第４図（Ｃ）　、　（Ｄ）のバンド
構成において、光（１００）の照射によりホール（４５
）　。

（４５’）と電子（４４）　、　（４４″）が生じ、と
もにドリフトして電流が増巾される。かくして第１図（
Ｂ）に示す如く、低い電圧でも電流の増加が見られ得る
。

「実施例２」 この実施例は第５図にその平面図（Ａ）及び縦断面図（
Ｂ）　、　（Ｃ）および第６図（Ａ）　、　（Ｂ）が示
されている。

この図面は°、第１図の回路における（１．１）番地の
アクティブエレメント（１）をパターニングした本発明
の実施例である。

さらに第５図（Ｂ）　、　（Ｃ）は（Ａ）におけるそれ
ぞれＢ−Ｂ’、Ａ−Ａ’　での縦断面図を記す。加えて
、第６図（Ａ）　、　ＣＢ）はそれぞれ第５図（Ａ）に
おけるｃ−ｃ’及びＤ−Ｄ’の縦断面図を示している。

図面において、透光性絶縁基板として無アルカリガラス
（２０）を用いた。この上面に、スパッタ法または電子
ビーム蒸着法により導電膜であるＩＴＯまたは酸化スズ
膜等のＣＴＦを０．１〜０．５　μの厚さに、さらにこ
の上面に遮光用クロムを５０Ｑ〜２５００人の厚さに同
様に積層形成した。この後、この導電膜にパターニング
をし、電極・リードとする。

即ち液晶用の第１の電極（１０）、　　これより延在し
た非線型素子（２）用の下側電極（５）（第２の電極）
即ち透光性導電膜（３１）及び遮光電極（３２）よりな
る第２の電極（５）を第１のマスク■により不要部を除
去して形成した。

この後、フォトセンサとなる領域（４）及び液晶（３）
の第１の電極（１０）上のクロムを第２のマスク■を用
いプラズマ気相反応により除去した。この時リードを構
成するＣＴＦ　（１８）上には第６図（８）に示す如く
クロムをそのリードとしてのシート抵抗を下げるため残
存させている。

以上の結果、フォトセンサ（４）の下側電極（９）（第
５の電極）はＣＴＦのみとなり、リード配線及び非線型
素子（２）の第２の電極（５）は遮光用のクロム（３１
）が設けられ、ライトペンの光またはその他の光を遮光
している。

この後、これらの全面に公知のプラズマ気相反応法また
は光気相反応法により非線形半導体素子例えばＮＩＮ構
造を有する水素またはハロゲン元素が添加された非単結
晶半導体よりなる複合ダイオードを形成した。即ちＮ型
半導体（３３）をシランを水素にて３〜５倍に希釈し、
１３．５６ＭＩ（ｚの高周波グロー放電を行うことによ
り２００〜２５０℃に保持された基板上の被形成面上に
、微結晶構造を有する非単結晶半導体を作る。その電気
伝導度は１０−２〜１０２（０ｃｍ）−’を有し３００
〜１０００人の厚さとした。

さらにシランのみ、または水素と弗化珪素（ＳｔＦｚ＋
Ｈ３ＳｉＦ＋ＨｚＳｉｈまたは５ｉｈ）をプラズマ反応
炉内に導入し、プラズマ反応をさせ、■型の水素または
ハロゲン元素が添加された非単結晶半導体（３４）を０
−２〜１μの厚さにＮ型半導体（３３）上に積層して形
成した。さらに、再び、同様のＮ型半導体（３５）を微
結晶構造として、３００〜１０００人の厚さに積層して
ＮＩＮ・接合とした。この■型半導体中に、ホウ素また
はリンをＢＪ６／ＳｉＨ４＋ＰＨｉ／５ｉＨｎ＝１０−
’〜１０−４の割合で混入させ、Ｐ−またはＮ−の導電
型の半導体をその一部または全部にわたって形成しても
よい。

かくすると、ＮＰ−Ｎ、ＮＮ−Ｎとすることができる。

この後、この上面に遮光用のクロム（５００〜１５００
人）　（３６）　、　（３８）さらにリードとして動作
させるアルミニューム（厚さ０．１〜２μ）　（３７）
　（３９）を電子ビーム蒸着法またはスパッタ法により
積層した。さらにこの後、Ｘ方向のリード（１６）、非
線型素子（２）及びフォトセンサ（４）として設ける領
域を除き、他部を第３のフォトマスク■を精密マスク合
わせをしてフォトエツチング法により除去した。

即ちレジストにより第５図に示す如く、アルミニューム
（１６）　、　（３７）　、　（３９）をＣＣ１，を用
い、プラズマエツチングした。さらにクロム（３６）　
、　（３８）をさらに半導体（２）　、　（４）をエツ
チングして除去し、Ｘ方向のリード（１６）、第３の電
極の外側周辺（第６図（Ａ）　、　（Ｂ）　（４０）　
、　（４０”））と、その下の半導体の外周辺（（第６
図（＾）、　（Ｂ）　（４１）　、　（４１’））とを
概略同一形状とした。

かくして１回の精密な重合わせプロセスを行う第３のマ
スク■により、Ｘ方向のリード（１６）、第３の電極（
７）、第４の電極（８）　とその下側に位置する非線形
素子の半導体（２）　、　（４）と、フォトセンサの半
導体（４）とを概略同一形状にし得た。非線型素子はそ
の上下面もともに遮光用のクロム（３２）。

（３６）で覆われ、また、フォトセンサ（４）の下側電
極（９）は透光性とするためクロムが除去されて設けら
れている。

本発明の半導体装置においては、さらに相対する他の基
板（２１）の内側に設けられた液晶の他方の電極（６）
、リード（１４）は、他の第１のマスク■により、Ｚ方
向の配線（この配線はフォトセンサのＹ方向の配線と平
行に設けている）として形成させた。

以上のことより、１つの基板の一生面上にアクティブエ
レメントとしての非線型素子、フォトセンサおよび液晶
の一方の電極を設け、かつリードはＸ方向およびＹ方向
に配設せしめている。この工程に必要なマスクは３種類
のマスクを用いるのみですみ、かつ精密なマスク合わせ
は１回の第３のマスクのみでよい。

表示パネルとしては、この後、２つの相対する主面に配
向処理を施して、第１図に示す周辺回路（１１）　、　
（１２）　、　（１３）をハイブリッド構成として基板
に単結晶ＩＣをボンディングして作製し得る。またコネ
クタを介して他のプリント基板のＩＣと連結してデコー
ダ（１１）　、　（１２）　、　（１３）とし得る。さ
らに、相対する２つの基板（２０）　、　（２１）を約
６〜１０μの巾に離間させ、その隙間を真空引きした後
、公知の液晶（３）を封入した。

「効果」 本発明は以上に示す如く、同一基板上に非線型素子であ
る複合ダイオードを用いて液晶のアクティブＡＣ駆動を
行うとともに、同じパネルを用い、手書き用の書き込み
装置をライトペン（発光部はペン側）としてマトリック
スを構成せしめたものである。このため２つの機能を重
合わせる方式にに比べ、表示のコントラストが明晰にな
り、かつ゛それらを必要な製造工程に余分な半導体を作
る工程等を有しない。さらに半導体とその上の電極リー
ドとが一体化しているため、きわめて少ないマスク（３
枚）（精密な重合わせは１回）でパターニングを行うこ
とができ、製造歩留りを向上させることができる。

非線型素子及びフォトセンサに同一半導体材料を用い、
かつこの半導体はＮＩＮ接合の順方向電流を用いるため
、■型半導体表面での寄生チャネルが形成される等によ
る特性のバラツキが少ない。

本発明のフォトセンサ、表示パネルは交流駆動方式であ
り、特にそのダイオードのしきい値を気相反応法を用い
た半導体層の積層時におけるプロセス条件により制御し
得るため、階調制御がしやすいという特徴を有する。

本発明における複合ダイオードはその形成後、そのダイ
オード部を含んで１．０６μの波長のパルス光ＹＡＧレ
ーザ等により強光アニールを行い、水素またはハロゲン
元素が添加された多結晶半導体としてもよい。

本発明方法において、Ｉ、Ｎ−またはＰ−の半導体を単
に水素またはハロゲン元素が添加された珪素とするので
はなく、この中に炭素または窒素を添加した５ｉＸＣ＋
−ｘ　（０＜Ｘ＜１）、５ｉｘＮ４−ｘ　（０＜Ｘ＜４
）　　として耐圧の向上を図ることおよび印加電圧をＯ
ｖとした時の電流（ゼロ電流）を１０−”へ７１００μ
ロ以下とすることばは有効である。

本発明において、表示素子と光検出素子とはその数にお
いて１：１である必要はなく、光検出に必要な素子密度
を考慮して表示素子に比べて多（も少なくもし得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアクティブエレメントとして非線型素
子およびフォトセンサを用いた２×２マトリツクスの回
路図を示す。 第２図は本発明の非線型素子及びフォトセンサの縦断面
（Ａ）　、　（Ｃ）およびその等価記号（Ｂ）　、　（
Ｄ）を示す。 第３図は本発明のＩ−Ｖ特性を示す。 第４図は非線形素子およびフォトセンサの動作原理を示
す。 第５図及び第６図は本発明のアクティブエレメント構造
を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁基板上に設けられた導電膜により固体表示素子
   の第１の電極と、該電極より延在して非線型素子の第２
   の電極とを設けるとともに、前記導電膜によりＹ方向に
   設けられたリードと、該リードに連結した光検出素子用
   の第５の電極とを有し、前記第２の電極および前記第４
   の電極上方を交叉して、それぞれ第３の電極および第４
   の電極と、これらに連結してＸ方向に延在するリードと
   を有し、前記第２及び第３の電極間に設けられた非線型
   素子を構成する半導体と、前記第４および第５の電極間
   に設けられた光検出素子を構成する半導体は同一材料よ
   りなることを特徴とする半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、Ｘ方向の電極・リ
   ードと非線型素子および光検出素子を構成する半導体は
   、その周辺にて概略同一形状を有することを特徴とする
   半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、半導体は一対の電
   極とオーム接触性を有するとともに、逆向整流特性を構
   成する複合ダイオード構成を有することを特徴とする半
   導体装置。