JPS6227709B2

JPS6227709B2 -

Info

Publication number: JPS6227709B2
Application number: JP56017204A
Authority: JP
Inventors: Kyohiro Kawasaki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-02-06
Filing date: 1981-02-06
Publication date: 1987-06-16
Also published as: JPS57130081A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は液晶を用いた画像表示装置に関するも
のであり、非線形素子として半導体バリスタを内
蔵させることにより多重表示を可能ならしめると
ともに製造工程の簡単なテレビジヨン画像表示装
置を得ることを目的とする。さらに前記テレビジ
ヨン画像表示装置をカラー化するために透過型の
液晶画像表示装置を提供することも本発明の別の
目的である。

単純マトリクス表示、すなわち走査電極と信号
電極とが交差する領域をセルとする構成のマトリ
クス表示では、液晶の光学的な反応が電圧に対し
て急峻なしきい値特性を持たないために多重（多
行）表示が困難であり、クロストークなしには画
像表示はできなかつた。２周波駆動や２重、さら
には４重マトリクス表示では見掛け上の走査電極
数が減少して画像表示も可能となるが、高いコン
トラスト比や速い応答速度を有することまではで
きず、また高解像度を得るために走査線の数を増
すことができないという本質的な制限を避けるこ
とは無理である。

単位絵素に急峻なしきい値特性を有する制御素
子を付加することによりクロストークを抑制し、
蓄積用コンデンサを付加することにより液晶セル
の駆動デユーテイ比を100％に近づけることがで
きて高いコントラスト比を有する液晶デイスプレ
イを実現することが、すでにブロデイらによつて
提案されている。

制御素子としてMOSトランジスタを組みこん
だものは理想的な構成となるために早くから注目
されていた。しかしながら、液晶デイスプレイの
大型化および高解像度を実現するためには、例え
ば絵素数が240×240で画面サイズが２インチ程度
であつても、３インチウエーハからたつた１枚し
か得られないために歩留りの点からはコスト高に
ならざるを得ない。また、240×240もの多くの絵
素を無欠陥で作製するのは困難であつた。近年、
LSIを始めとする半導体装置の製造技術の進歩に
よつて単結晶シリコン基板上に無欠陥で、しかも
MOSトランジスタの特性が揃つた半導体アレイ
が開発されて液晶テレビが実現したわけである
が、高度に管理された半導体プロセスを使用する
ため半導体アレイはコスト高にならざるを得ず、
また単結晶シリコン基板が可視光に対して不透明
であるために反射型の液晶テレビしか得られず、
カラー化への見通しはたつていない。

一方、ガラス板のような光透過性基板上に
TFT（Thin―Film―Transistor：薄膜トランジ
スタ）を組み込もうとする試みも活発である。し
かしながら、ガラス板上に作製されるTFTは当
然多結晶またはアモルフアス状の半導体からなる
わけで、キヤリアの移動度は小さく、また低温工
程では良好なゲート酸化膜が得られないために現
状では試作されたTFTアレイはいずれも100素子
程度の実験室モデルの小型であり、しかも駆動に
は数10Vもの高電圧が必要である。単結晶シリコ
ンアレイに置き換えて使用されるようになるため
には特性の著しい改善と大面積化への取組みが必
要であろう。

この他に制御素子としてバリスタを使用した例
も知られている。バリスタも急峻なしきい値を有
する両方向性の素子であるが、一般にしきい値が
数10Vと高いために駆動電圧も高くなつてしま
う。また、バリスタの作製には1000℃以上の高温
焼結が必要で、バリスタ自身を基板とするアレイ
構成にならざるを得ず、またバリスタ材は不透明
なものが大部分で、しかも比誘電率が大きいため
に反射型の液晶表示装置しか得られず、アレイの
構造も複雑になるという欠点がある。

しきい値電圧が5V程度の低いゼナーダイオー
ドを２個逆方向に直列に接続することにより両方
向性のバリスタを得ることは可能であるが、周知
のようにゼナーダイオードはｐおよびｎ型の単結
晶シリコンの高濃度拡散層よりなる個別素子であ
つて集積化は困難であるとともに安価には得られ
ないという問題がある。

本発明は上記した問題点に鑑みなされたもので
あり、製造プロセスを簡易化することによりコス
トの低減を計るとともに、液晶画像表示装置を透
過型としてカラー化を可能ならしめることを目的
とする。

本発明の要点は非単結晶シリコンよりなる多層
構造の半導体バリスタの導入にあり、以下図面と
ともに本発明の実施例について説明する。

アモルフアスシリコンはSiH₄ガスの低温（600
℃以下）熱分解またはSiH₄ガスのグロー放電に
よるプラズマ蒸着などによつてガラス板などの上
に簡単に被着できて大量生産に適した製造方法が
採用できるという利点を有する。しかしながら、
膜質に関しては単結晶は言うに及ばず多結晶シリ
コンに比しても劣悪で、例えば電子の移動度はア
モルフアス、多結晶、単結晶の順に0.1〜１，１
〜10，100cm²／Ｖ・secと桁違いに大きくなる。ア
モルフアスシリコンのこの結晶性の低さが太陽電
池としての変換効率を高々数％に制限する最大の
原因である。しかし単結晶あるいは多結晶シリコ
ンの場合には拡散層を形成するための高温熱処理
工程や拡散層と取り出し電極とのオーミツク接触
を得るためのシンター工程が必要であるが、アモ
ルフアスシリコンの場合は蒸着中にドーピングガ
スを混入するだけで拡散層が形成され、また取り
出し電極と拡散層との間は局在準位密度が高いシ
ヨツトキー構造となり、トンネル電流による接触
が得られてシンター工程が不要であるなどの製造
上の利点がコストの低減に大きく寄与している。

このようなアモルフアスシリコンの長所を生か
しつつ太陽電池の効率を上げるには結晶性の改善
が有効であり、蒸着条件の改良によつてアモルフ
アスシリコンを多結晶化せしめる試みが活発であ
り、例えば超高真空中においてシリコンの蒸着を
行なうとか、レーザ照射によつて結晶性の改善を
計るなどの取組が盛んであるが、いずれもまだ確
立した技術ではない。

本発明は前述したアモルフアスシリコンが低温
で拡散層を形成可能なこと利用したものであり、
pin構造のダイオードを２個逆方向に直列に接続
することにより構成される半導体バリスタを制御
素子として単位絵素に組みこむことにより液晶画
像表示装置の多重化を実現した。

第１図はpinipの多層構造の半導体バリスタの
Ｉ―Ｖ特性を示したもので、Ｖ_b＝6Vで１μＡの
ブレークダウン電流が流れ、6V以下でのリーク
電流は0.1nA以下であつた。このように低い電圧
でブレークダウンを生じるのがアモルフアスシリ
コンの特徴で、ｐ層は不純物として例えばB₂H₆
ガスを、またｎ層は不純物として例えばPH₃ガス
をおのおのSiH₄ガスに数％以下混入して得ら
れ、ｉ層は不純物のドーピングを停止すればよ
い。ｐ，ｎ層の厚みはおのおの100〜1000Åで、
ｉ層の厚みは500〜3000Åが最適である。なお、
前記バリスタの断面積は10μｍ×10μｍである。

半導体バリスタを制御素子として単位絵素に組
み込んでマトリクス表示を行うためには、半導体
バリスタを通して蓄積用コンデンサに映像信号が
書き込まれる必要があり、第２図、第９図、第１
２図、第１５図の４種類の配置が考えられ、基本
的には半導体バリスタ１と蓄積用コンデンサ２は
直列に接続されている。なお、３は液晶セルであ
り、４，５はそれぞれ走査電極線、信号電極線で
ある。

映像信号の書き込みは第３図に示すタイミング
で行なわれる。今、走査信号の振幅をＶ_S（6V一
定）、映像信号の振幅をＶ_d（０〜6V）とし、半
導体バリスタのしきい値電圧をＶ_b＝6Vとする。
書き込むべき行では蓄積用コンデンサ２の電圧を
Ｖ_cとすると、Ｖ_s＋Ｖ_d＝Ｖ_b＋Ｖ_c が成り立ち、映像信号の変化Ｖ_d＝０〜−6Vに対
してＶ_c＝０〜6Vに充電される。非書き込みの行
ではＶ_s＝０であるので半導体バリスタは導通し
ない。また、Ｖ_b≧｜Ｖ_c｜であるからクロストー
クも発生しない。交流駆動にするためには１画面
相当分の走査（T₁＝1/60秒）が終了後に走査信
号と映像信号の極性を反転すればよい。第９図の
変形である第１２図については第１３図、第１４
図で示す交流駆動方法があり、後述する。

絵素数240×240である場合に走査信号のパルス
幅はT₂＝1/60×240〓60μsecであるから半導体
バリスタがブレークダウンを生じて１μＡの電流
が流れるとすれば、蓄積用コンデンサ２の容量を
4PFとし、Ｖ_c＝6Vに充電する場合にその充電時
間T′は、 T′＝４ＰＦ×６Ｖ／１μＡ＝24μsec となり、書き込み時間T₂より短かい時間で蓄積
用コンデンサ２は十分に充電される。一方、非書
き込み時には蓄積用コンデンサ２は液晶セル３の
抵抗例えばＲ_LC＝6GΩによつて時定数τ＝CR_LC
＝24ｍsecで放電していくので１走査が終つたと
きには、 exp（−T₁／τ）＝exp（−16.7／24）＝0.5 すなわち、蓄積用コンデンサ２の両端の電圧は約
半分に低下していることが分る。半導体バリスタ
１の非導通時のリーク電流（0.1nA）は液晶セル
３中を流れる平均の放電電流（0.7nA）より十分
小さいが、蓄積用コンデンサ２の放電の時定数を
短かくすることには注意すべきである。

蓄積用コンデンサ２の容量はＣ＝4PFで、液晶
セル３の容量は液晶層の厚みが数μｍのときにＣ
_LC＝0.1〜0.2PFであるから、Ｃ≫Ｃ_LCとなつて第
２図、第１２図と第９図、第１５図との構成の差
異は全くない。

第３図に示したタイミングでは、例えばある走
査時にＶ_d＝6Vの映像信号が加わり、次の走査時
にＶ_d＝−2Vの映像信号が加わるとすると蓄積用
コンデンサ２には6/2＝3Vの電位差が残つている
のでＶ_s−Ｖ_c−Ｖ_d＝６−３−（−２）＝５＜Ｖ_bと
なつて半導体バリスタ３は導通しない。Ｖ_d＝−
３〜−6Vでなければ次の走査時に書き込みが行
われないことが分る。実際の液晶セルでは6Vで
光学的反応量（反射度や透過度）が飽和するとす
れば、光学的反応が始まるしきい値電圧Ｖ_Tが存
在し、例えばＶ_T＝3Vであるので映像信号は3Vか
ら6Vの振幅に全ての映像情報を含ませればよ
く、Ｖ_d＝3Vで黒レベル、Ｖ_d＝6Vで白レベルに
すれば問題はない。

液晶セルのしきい値Ｖ_Tが小さい場合や抵抗Ｒ_L
_Ｃが高く、蓄積用コンデンサの放電時間が長くな
つた場合には上述したような不都合が生じるので
第４図に示すようなパルス変調が好都合である。
この場合、映像信号電圧Ｖ_dの振幅は一定である
ので半導体バリスタ１は書き込み毎に必らず導通
する。蓄積用コンデンサ２に貯えられる電荷量は
走査信号パルスと映像信号パルスとの重なり具合
によつて決まるので映像信号のパルス幅T₃，
T₄，T₅は０からT₂（60μsec）までの値を取る。
そして、Ｑ＝CV_LCの関係からパルス幅に対応し
た電荷が蓄積用コンデンサ２に貯えられて液晶セ
ル３に電圧を与えるのである。

以上述べたように本発明では半導体バリスタを
制御素子として用い、その急峻なしきい値特性に
よつてクロストークを防止せしめ、またしきい値
電圧の存在による蓄積用コンデンサを充電するた
めの電圧が高くなる欠点は走査信号と映像信号と
が逆位相に印加されることによつて避けられてい
ることが分るであろう。

第５図は第２図に示される液晶画像表示装置を
集積化した場合の単位絵素の平面図であり、その
大きさは、例えば200×200μm²に選ばれる。第６
図、第７図はそれぞれ反射型および透過型の単位
絵素のＡ―A′線上の断面図である。まず、第６
図の反射型から述べる。図中１１は絶縁性基板で
あるが、これはその表面が絶縁膜でおおわれてい
る導電性の基板でも差支えない。絶縁性基板１１
の一主面上に走査電極１２、例えば2000Åの厚み
のＡ_lが選択的に被着形成される。ついで第１の
絶縁膜１３、例えば1000Åの厚みのSiO₂が全面
に被着され、絶縁膜１３上には例えば2000ÅのＡ
_lよりなる信号電極１４が選択的に被着形成され
る。その後、アモルフアスシリコンの堆積を行な
い、信号電極１４上にのみ選択的に多層半導体素
子１５を形成する。多層半導体素子１５は先述し
たように厚み方向にpinipまたはmipin構造となつ
ている。ひき続き全面に第２の絶縁膜１６が被着
され、多層半導体素子１５上に開口部１７が設け
られる。図示はしていないが、走査電極１２と信
号電極１４に外部信号を接続するために基板１１
の周辺部で絶縁膜１３および１６の一部を除去す
る工程も開口部１７の形成と同時に行われる。多
層半導体素子１５を完全におおうように、例えば
2000Åの厚みのＡ_lよりなる絵素電極１８を走査
電極１２上に選択的に被着形成したのち、一主面
上に透面電極１９を全面に被着形成されたガラス
板２０との間に液晶２１を充填して本発明による
反射型の液晶画像表示装置が構成される。

透過型の場合には液晶セルを始めとする光路系
は全て光透過性でなければならず、第６図と第７
図の比較より明らかなように、走査電極１２′、
絵素電極１８′は透明電極１９と同様に光透過性
の例えばITO（Indium―Tin―Oxide）で構成さ
れ、もちろん絶縁性基板１１′もガラス板などが
選ばれる。なお、SiO₂よりなる絶縁膜１３，１
６が光透過性であることは言うまでもない。多層
半導体素子１５をおおうように、多層半導体素子
１５と絵素電極１８′との間に配置された小面積
の金属電極２２は金属よりなる信号電極１４とと
もに多層半導体素子１５を光シールドするために
は不可欠であり、この光シールドによつて多層半
導体素子１５のオフ状態のリーク電流の増大が阻
止される。

第６図に示した反射型の場合、液晶２１として
使用されるのはDSM（動的散乱）型かゲストホ
スト（２色性色素）型であり、画像のコントラス
ト比を大きくするためには金属よりなる絵素電極
１８は反射率が高いことと、その表面がDSM型
の場合には平滑で鏡面であること、またゲストホ
スト型の場合には光散乱性であることが望ましい
のは言うまでもなかろう。

第７図に示した透過型の場合には液晶２１とし
て、DSM型とゲストホスト型以外にもTN（ツイ
ストネマチツク）型の使用が可能である。ただ
し、TN型を使用する場合には第８図に示すよう
に２枚の偏光板２３で透過型液晶画像表示装置を
はさみ、透過孔の位相制御を行なう必要がある。

第６図、第７図の断面図からも分るように、絵
素電極１８，１８′は透明電極１９、液晶２１と
液晶セルを構成するとともに、第１、第２の絶縁
膜１３，１６を介して走査電極１２，１２′とコ
ンデンサを構成しているのが分る。

第９図は本発明の別の実施例を示す等価回路図
であり、集積化した場合の平面図、断面図は第５
図と酷似している。なお、断面のみ第１０図、第
１１図に示す。第６図と第１０図、または第７図
と第１１図の違いはガラス板２０の一主面上に被
着された透明電極にあり、第６図、第７図におい
ては一様に被着された全面電極１９であるのに対
して、第１０図、第１１図においては走査電極１
２と同様に帯状のパターンに分割されて電極２４
となつていることにある。そして第１の走査電極
１２，１２′と第２の走査電極２４とは外部で接
続されて使用される。駆動方法は第３図、第４図
に示した通りである。

第１２図は第９図の変形であるが、断面図は第
１０図、第１１図と全く同一である。蓄積用コン
デンサ２に接続される第１の走査電極４と液晶セ
ル２に接続される第２の走査電極２５とを独立さ
せて別々の走査信号を供給することにより第３
図、第４図に示した交流駆動とは異なつた原理に
基づく交流駆動が可能である。まず、第１３図の
振幅変調の場合であるが、書き込みの場合には第
１の走査信号Ｖ_sと映像信号Ｖ_dとが逆位相の場合
にのみ半導体バリスタが導通して蓄積用コンデン
サが充電されるようになつており、しかも各フレ
ーム（T₁＝1/60秒）毎にそれらの極性が反転し
ない。したがつて蓄積用コンデンサはいつも同じ
極性で充電される。ところが第２の走査信号は各
フレーム毎に０または−Ｖ_Zに変化する。液晶セ
ルの放電中の電位はＣ_LC＝Ｖ_c−Ｖ_z であるので、Ｖ_z＝０、Ｖ_c＝０〜6Vの場合にはＶ
_LC＝０〜6Vとなり、映像信号の極性を反転して
Ｖ_z＝6V、Ｖ_c＝６〜0Vの場合にはＶ_LC＝０〜−
6Vとなり、フレーム毎に液晶セルの両端の電位
が逆転して交流駆動となることが分るであろう。
第１４図のパルス幅変調の場合には映像信号のパ
ルス幅を変化させることにより、画像の階調変化
が同じく交流駆動で行える。

第１２図に示した画像表示装置は第２図、第９
図、第１５図に示した画像表示装置に比べると駆
動回路にもうひとつ走査信号発生回路が必要なも
のの、各駆動回路の出力振幅が｜Ｖ_d｜＝｜Ｖ_s｜
＝｜Ｖ_z｜＝6Vと、他の場合の２｜Ｖ_s｜＝２｜Ｖ
_d｜＝12Vに比べて小さく、駆動電力が少なくて
よい長所を有することが分る。

第１５図は本発明の他の実施例を示す等価回路
図であり、第１６図は同じく単位絵素を集積化し
た場合の平面図であり、Ｂ―B′線上の断面図が反
射型、透過型の場合についてそれぞれ第１７図、
第１８図に示されている。第１７図の反射型では
絶縁性基板１１の一主面上に第１の信号電極２６
が、例えばＡ_lで2000Åの厚みに選択的に被着形
成され、ついで第１の絶縁膜１３例えば1000Åの
厚みのSiO₂が全面に被着され、絶縁膜１３上に
は例えば2000Åの厚みのＡ_lよりなる走査電極２
７が選択的に被着形成される。そののち走査電極
２７上に多層半導体素子１５を形成し、多層半導
体素子１５上に開口部１７を有する第２の絶縁膜
１６が被着される。多層半導体素子１５を完全に
おおうように、例えば2000Åの厚みのＡ_lよりな
る絵素電極１８を第１の信号電極２６上に選択的
に被着形成したのちに、一主面上に透明導電性の
第２の信号電極２８を選択的に形成されたガラス
板２０との間に液晶２１を充填して反射型液晶画
像表示装置が構成される。

透過型の場合には先述したように第１の信号電
極２６′、絵素電極１８′は透明導電性のITOで形
成され、絶縁性基板１１′も光透過性のガラス板
が使用される。また光シールドのための金属電極
２２が必要なことは言うまでもない。

以上述べたように本発明による液晶画像表示装
置は、アモルフアスシリコンの多層半導体素子を
制御素子として単位絵素に配列したものであるか
ら、その製造工程は全て300℃以下の低温でなさ
れるところに特徴があり、したがつて画像表示装
置を構成する基板に石英やサフアイナなどの高価
な絶縁物を使う必要はなく安価なガラス板で十分
である。この結果、液晶画像表示装置の製作時間
の短縮がなされて製造コストが下り、またカラー
化のための透過型液晶画像表示装置も容易に得ら
れるなどの優れた効果が得られるとともに、小型
から中型の薄型テレビの実現に大きく寄与するも
のである。

なお、アモルフアスシリコンよりなる多層半導
体素子については蒸着方法あるいは水素プラズマ
処理やレーザ照射などによつて一部が多結晶化す
ることもあり、そのような場合にはキヤリアの寿
命を長くするためのｉ層は不要となるので、pnp
またはnpnの多層構造でよいことは言うまでもな
い。また、非単結晶シリコンを用いれば上述のよ
うに容易なプロセスでかつ画像表示に必要な多数
の半導体バリスタを基板上に歩留まり良く製造で
きるが、外光によりリーク電流が多くなる等の影
響があるので、本願発明では半導体バリスタと対
向する部分の電極を光を通さない金属電極にする
ことによりかかる外光の影響を防止している。

さらに、信号蓄積用コンデンサを半導体バリス
タと直列に接続したことによりその不要放電を少
くし、かつ信号電極または走査電極と対向させた
絵素電極によりコンデンサを形成していることに
よりその容量値を大きくして、信号の保持時間を
充分に長くし、画像のコントラストと明るさを大
幅に向上することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は多層半導体素子によるバリスタ特性を
示す図、第２図、第９図、第１２図、第１５図は
本発明による液晶画像表示装置の等価回路図、第
３図、第４図、第１３図、第１４図は同じく駆動
時の走査信号と映像信号のタイミングを示す図、
第５図、第１６図は同じく集積化された場合の単
位絵素の平面図、第６図、第７図、第８図、第１
０図、第１１図、第１７図、第１８図は同じく断
面図を示す。１……半導体バリスタ、２……蓄積用コンデン
サ、３……液晶セル、４……走査電極線、５……
信号電極線、１１，１１′……基板、１２，１
２′……走査電極、１３……絶縁膜、１４……信
号電極、１５……多層半導体素子、１６……絶縁
膜、１７……開口部、１８，１８′……絵素電
極、１９……共通透明電極、２０……ガラス板、
２１……液晶、２２……金属電極、２３……偏光
板、２４……走査電極、２５……走査電極線、２
６，２６′……信号電極、２７……走査電極、２
８……信号電極。

Claims

【特許請求の範囲】

１第１の基板上に走査電極と信号電極とが互い
に絶縁されてマトリクス状に設けられ、上記両電
極の交点部分において上記両電極間に位置するよ
うにかつ一端がいずれか一方の電極に接続され
て、非単結晶シリコンで構成されたpinip，
nipin，pnp，npnのうちのいずれかの多層半導体
素子からなる半導体バリスタが設けられ、上記半
導体バリスタと対向する部分の上記両電極又は絵
素電極は光を通さない金属電極で構成されてお
り、上記半導体バリスタの他端に接続され、上記
走査電極と信号電極のうち上記半導体バリスタが
接続されていない電極と対向して蓄積用コンデン
サを構成するとともに絵素電極を構成する電極が
上記両電極と絶縁して設けられ、上記第１の基板
と対向して表面に共通電極が設けられている第２
の基板が設けられ、上記第１の基板と第２の基板
との間に液晶が充填されていることを特徴とする
液晶画像表示装置。