JPH06194690A - 液晶ライトバルブ及びそれを用いた投射型ディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体基板を用いた耐光性に優れ、高速の映像
信号書込みが可能な液晶ライトバルブを提供、高精細で
高品質の画像が表示可能な投射型ディスプレイを提供す
ること。 【構成】スイッチング素子領域を有する半導体基板上に
スリットで分割された金属層を３層設け、各層のスリッ
トを半導体基板と平行な方向にずらして配置し、半導体
基板を遮光した。半導体基板上にスリットで分割された
金属層を２層設け、スリットからの入射光が半導体基板
に達する場所に基準電位の半導体領域を設けた。スイッ
チング素子領域の基板電位領域及び保持容量領域に基板
電位を供給する基板給電線を前記金属層のいずれかで形
成した。前記基板給電線と映像信号線を互いに平行に配
置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧の振幅値で光の強
さを制御する液晶ディスプレイに係り、特に投射型ディ
スプレイに好適な液晶ライトバルブ及びそれを用いた投
射型ディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング素子と液晶を積層して光を
制御するアクティブ・マトリクス方式による液晶ディス
プレイにおいて、スイッチング素子として単結晶シリコ
ン基板に形成したＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor)
トランジスタを用いた液晶ディスプレイは、USP3,862,3
60及び、電子通信学会技術報告（１９８０）のＩＥ８０
−８１に記載されている。

【０００３】ＭＯＳトランジスタに光が照射されると、
ＭＯＳトランジスタのソースとドレインを形成するＰＮ
接合部に光電流が発生する。この光電流は表示部の液晶
画素に書き込まれた映像信号を変化させ、表示すべき所
定の画像を表示することができなくなってしまう。従っ
て、単結晶シリコン基板に形成したＭＯＳトランジスタ
を用いた液晶ディスプレイでは、表示画面に影響がない
よう光電流を低減する必要がある。上記従来のディスプ
レイは、いずれもスイッチング素子で制御した画像を直
接みる方式であり、通常、室内で使用される。このた
め、ディスプレイパネル表面の照度が数万ルクスの光の
影響を防止するだけで十分であった。

【０００４】この光電流を低減するため、上記電子通信
学会技術報告では、ＭＯＳトランジスタのソース領域を
光の入射領域からできるだけ遠ざける配置にする、ＭＯ
Ｓトランジスタを形成するシリコン基板面を配線層２層
で覆う、ストッパ拡散層を設け、発生したキャリアを再
結合させるなどの方法が取られていた。

【０００５】また、上記ディスプレイの表示サイズは、
シリコンウェハーの制約などから約２インチと小さいた
め、このようなディスプレイの画素数は、この表示サイ
ズと認識できる解像度の点から４万程度であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、単結
晶シリコン基板に形成したＭＯＳトランジスタを用いた
液晶ディスプレイは、直視型に限られていた。

【０００７】一方、投射型ディスプレイでは、スイッチ
ング素子と液晶を積層したパネルを液晶ライトバルブと
称し、このライトバルブで制御した画像をスクリーンに
拡大投影する。このため、ライトバルブに照射する光
は、スクリーンに拡大する分だけ強くなり、その明るさ
は数百万ルクスにもなる。さらに、ライトバルブで制御
する画素は拡大され画像が粗くなるため、ライトバルブ
の画素数は３０万以上が要求される。

【０００８】このように、投射型ディスプレイでは、シ
リコンなどの半導体基板に形成したトランジスタを用い
る液晶ライトバルブを用いた場合、液晶ライトバルブの
耐光性を高めることと、画素数の増加によって各画素に
より高速で映像信号を書き込むことが要求される。

【０００９】本発明はこのような現状を鑑みてなされた
ものであり、その目的は、シリコンなどの半導体基板を
用い、強力な照射光の影響を受けず耐光性に優れた液晶
ライトバルブを提供すること、高速で映像信号を書き込
むことが可能な液晶ライトバルブを提供すること、さら
にこのような液晶ライトバルブを用いて高精細で明る
い、高品質の画像を表示する投射型ディスプレイを提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では液晶ライトバルブを以下のように構成し
た。

【００１１】一方の表面にマトリクス状に形成された複
数個のスイッチング素子領域を有する半導体基板と、半
導体基板の一方の表面上に絶縁層を介して形成され、第
１のスリットで複数個に分割された第１の金属層と、第
１の金属層上に絶縁層を介して形成され、第２のスリッ
トで複数個に分割された第２の金属層と、第２の金属層
上に絶縁層を介して形成され、第３のスリットで複数個
に分割された第３の金属層と、一方の表面に対向電極を
有し、対向電極側が前記第３の金属層に間隙を有して対
向する対向基板と、対向電極と第３の金属層との間の間
隙に充填された液晶とからなり、対向基板側から入射し
た光が半導体基板に達するのを防止するよう、第１のス
リット，第２のスリット及び第３のスリットを半導体基
板の一方の表面と平行な方向に互いにずらして配置し
た。

【００１２】また、一方の表面にマトリクス状に形成さ
れた複数個のスイッチング素子領域を有する半導体基板
と、半導体基板の一方の表面上に絶縁層を介して形成さ
れ、第１のスリットで複数個に分割された第１の金属層
と、第１の金属層上に絶縁層を介して形成され、第２の
スリットで複数個に分割された第２の金属層と、一方の
表面に対向電極を有し、対向電極側が第２の金属層に間
隙を有して対向する対向基板と、対向電極と第２の金属
層との間の間隙に充填された液晶とからなり、対向基板
側から第１のスリット及び第２のスリットを通して入射
した光が半導体基板に達する場所に基準電位に接続した
半導体領域を設けた。

【００１３】また、半導体基板の一方の表面にスイッチ
ング素子領域の各々に対応して容量素子領域を設け、ス
イッチング素子領域の基板電位領域および容量素子領域
に基板電位を供給する基板給電線を金属層のいずれかで
形成した。

【００１４】さらに、スイッチング素子領域の映像信号
入力端子部に映像信号を供給する映像信号線を金属層の
いずれかで形成し、基板給電線と映像信号線を互いに平
行に配置した。

【００１５】

【作用】金属層は照射される光を反射するので、半導体
基板の一方の表面に入射する光を弱め、スイッチング素
子領域に流れる光電流を大幅に低減できる。

【００１６】基準電位に接続した半導体領域に光が照射
されて発生した光電流は、基準電位側の配線部に流れて
消費され、スイッチング素子領域には影響を及ぼさな
い。

【００１７】基板給電線と映像信号線を金属層で形成
し、両配線を互いに平行に配置することにより、これら
の配線のインピーダンスが低減され、各画素への映像信
号の書き込みを高速にできる。

【００１８】液晶ライトバルブのスイッチング素子が照
射光の影響を受けず、映像信号書き込み速度の高速化に
より画素数を増やすことができるので、高精細で明る
い、高品質の画像を表示する投射型ディスプレイを提供
することができる。

【００１９】

【実施例】図１は投射型ディスプレイに用いる液晶ライ
トバルブの回路構成を示したものである。このライトバ
ルブは、画素回路１，サンプル回路２，水平走査回路
３，垂直走査回路４，ＡＮＤゲート５によって構成され
る。画素回路１は、複数の第１の信号線（走査信号線）
１１，これと交差する複数の第２の信号線（映像信号
線）１２，第２の信号線の隣に設けた第３の信号線（基
板給電線）１３及び第１の信号線と第２，第３の信号線
の交差部に設けたＭＯＳトランジスタ１ａ，保持容量１
ｂ及び液晶容量１ｃからなっている。１組のＭＯＳトラ
ンジスタ１ａ，保持容量１ｂ，液晶容量１ｃは１つの画
素を形成し、全体として水平方向にＭ個，垂直方向にＮ
個，画素をマトリクス状に配列している。この画素配列
数のＭ×Ｎは１例として６４０×４８０である。このＭ
ＯＳトランジスタ１ａのゲート電極には第１の信号線１
１を介して走査信号Ｖｇ１〜ＶｇＮが、ドレイン電極に
は第２の信号線１２を介して輝度信号Ｖｄ１〜ＶｄＭ
が、またソース電極には保持容量１ｂの一方の電極及び
液晶容量１ｃの一方の電極（反射電極）が接続される。
さらに、保持容量１ｂの他方の電極は第３の信号線１３
を介して基板電圧を給電する電圧ＶＳＳに接続されてい
る。液晶容量１ｃは、画素回路１を形成した基板とこれ
と対向して設けられる対向基板との間に液晶を充填して
形成される液晶素子の等価容量である。

【００２０】水平走査回路３は、クロック信号ＣＬＫと
スタート信号ＳＴＡを入力してＭ相の多相信号ＰＨ１〜
ＰＨＭを出力する。サンプル回路２はＭＯＳスイッチで
構成し、ＭＯＳスイッチのゲート電極は出力信号ＰＨ１
からＰＨＭと、ＭＯＳスイッチのドレイン電極は極性の
異なる映像信号ＶＩ１又はＶＩ２と接続して、ＭＯＳス
イッチのソース電極に輝度信号Ｖｄ１からＶｄＭを出力
する。

【００２１】垂直走査回路４は、クロック信号ＣＫＶと
スタート信号ＦＳＴを入力してＮ相の多相信号ＰＶ１〜
ＰＶＮを出力している。ＡＮＤゲート５は、多相信号Ｐ
Ｖ１〜ＰＶＮと制御信号ＣＮＴを入力し、走査信号Ｖｇ
１〜ＶｇＮを出力する。

【００２２】水平走査回路３とサンプル回路２は遮光層
６で、また垂直走査回路４とＡＮＤゲート５は遮光層７
でそれぞれ覆われ、遮光層６，７を前記対向電極の電圧
COMに接続している。

【００２３】以上のように構成した液晶ライトバルブの
動作を、図２に示すタイミングチャートを用いて説明す
る。垂直走査回路４のスタート信号ＦＳＴは表示する映
像のフレーム先頭を示しており、クロック信号ＣＫＶは
走査線の切り替えタイミングを示している。垂直走査回
路７は、前記クロック信号ＣＫＶの立ち上がりのタイミ
ングでスタート信号ＦＳＴを取り込み、多相信号ＰＶ１
〜ＰＶＮを出力する。ＡＮＤゲート５は、多相信号ＰＶ
１〜ＰＶＮと制御信号ＣＮＴを入力して、画素回路の走
査信号Ｖｇ１〜ＶｇＮを出力する。ここで、１ライン毎
に走査する順次走査の時はＣＮＴを“Ｈ”にすること
で、走査信号Ｖｇ１〜ＶｇＮを多相信号ＰＶ１〜ＰＶＮ
と等して、マトリクス状に配置した画素回路１を垂直方
向に順次選択している。

【００２４】一方、２ライン毎に走査する２ライン同時
走査の場合は、クロック信号ＣＫＶに２個連続パルスの
ダブルクロックを使用する。制御信号ＣＮＴはこのダブ
ルクロック期間だけ“Ｌ”にして多相信号を遮断するよ
うにしている。これは多相信号がダブルクロック期間に
一瞬だけ組み合わせが異なり、このとき保持容量に書き
込まれた電圧が変動するので制御信号ＣＮＴでこの変動
を防止している。

【００２５】映像信号ＶＩ１，ＶＩ２は、対向電極の電
圧ＣＯＭを基準に変化する信号であり、その極性は互い
に逆相でさらに、フレーム毎に反転している。

【００２６】水平走査回路３のスタート信号ＳＴＡは走
査線の先頭を示している。水平走査回路３は、垂直走査
回路４と同様にクロック信号ＣＬＫの立ち上がりのタイ
ミングでスタート信号ＳＴＡを取り込み、多相信号ＰＨ
１〜ＰＨＭを出力する。

【００２７】サンプル回路２は、映像信号ＶＩ１，ＶＩ
２を相信号ＰＨ１〜ＰＨＭのタイミングで順にサンプリ
ングし、輝度信号Ｖｄ１〜ＶｄＭを出力する。

【００２８】輝度信号Ｖｄ１〜ＶｄＭは、マトリクス状
に配置された画素回路１に列毎に入力される。このと
き、走査信号Ｖｇ１〜ＶｇＮで選択された画素回路１の
ＭＯＳトランジスタだけがオン状態なので選択された行
の画素回路の保持容量１ｂに輝度信号Ｖｄ１〜ＶｄＭが
書き込まれ、ホールドされる。保持容量１ｂにホールド
した電圧は液晶に印加されるので、液晶ライトバルブは
映像信号ＶＩ１，ＶＩ２に応じた映像を表示できる。

【００２９】ここで、保持容量１ｂの充電電流は、映像
信号ＶＩ１からサンプル回路のMOSスイッチ，第２の信
号線１２，画素回路のＭＯＳトランジスタ１ａ，保持容
量１ｂ，第３の信号線１３を通って基板給電端子ＶＳＳ
に流れる。この時の充電時間を速くするには、上記充電
経路に於ける直列抵抗，インダクタンス，配線の寄生容
量を小さくすることが効果的である。

【００３０】保持容量１ｂへの充電速度について詳細に
説明する。保持容量１ｂにホールドした電圧は、走査信
号と輝度信号によるクロストークノイズ、ＭＯＳトラン
ジスタのオフ電流、液晶の抵抗によるリーク電流などに
よって変化する。このため、ホールド時間が長くなると
表示した画像にフリッカが生じる。通常、このフリッカ
を防止するため、スタート信号ＦＳＴの周期は１／６０
秒に設定される。このとき、サンプル回路２のサンプリ
ング時間Ｔｓは、水平方向の画素数をＭ，垂直方向の画
素数をＮとすると概略次式で示される。

【００３１】

【数１】 Ｔｓ＝１／（Ｍ×Ｎ×６０） …（数１） この式から、サンプリング時間は、従来の画素数の４万
画素では約４００ｎｓであるのに対し、投射型ディスプ
レイに要求される３０万画素では約５０ｎｓと短くなる
ことが分かる。

【００３２】ＭＯＳトランジスタを用いた従来の液晶デ
ィスプレイでは、第３の信号線１３を特別には設けてお
らず、シリコン基板または拡散層を電流経路として用い
る構造になっていた。しかし、この部分のシート抵抗は
拡散抵抗でも数百Ωとなり、投射型ディスプレイ用液晶
ライトバルブの画素回路のピッチを約６０μｍとする
と、基板給電線の抵抗は数１００ｋΩ以上となる。この
ため、従来の基板給電線では高速の書き込みが不可能で
あった。一方、本発明では後述するように、この基板給
電線(第３の信号線)に金属配線層を用いて、基板給電線
の抵抗を数１００Ωに低減している。

【００３３】つぎに、液晶ライトバルブを構成する走査
回路と、その動作について説明する。図３は、液晶ライ
トバルブの水平，垂直走査回路の構成を示すものであ
る。この回路は、Ｄタイプのフリップ・フロップＦＦ，
インバータＩＮＶ，レベル変換回路ＬＳから構成されて
いる。これらの回路は、水平走査回路がＭ段，垂直走査
回路がＮ段あり、ＦＦを直列に接続することでシフトレ
ジスタを構成している。レベル変換回路ＬＳは、ソース
をＶＤＤに接続した２個のＰＭＯＳトランジスタ（ＭＰ
１，ＭＰ２）とソースをＶＳＳに接続した２個のＮＭＯ
Ｓトランジスタ（ＭＮ１，ＭＮ２）で構成し、フリップ
・フロップＦＦの出力はＭＰ１のゲートに接続するとと
もに、インバータＩＮＶで逆相にしてＭＰ２のゲートに
接続している。ＭＮ１とＭＮ２のゲートは互いに接続す
るとともに、ＭＮ１とＭＰ１のドレインにも接続する。
さらに、ＭＮ２とＭＰ２のドレインを互いに接続し、こ
の点を走査回路の出力ＰＨ（ＰＶ）としている。この構
成によって、ＦＦの出力が“Ｈ”（ＶＤＤ）のとき、Ｍ
Ｐ１とＭＮ２がオフ，ＭＰ２がオンとなり、出力ＰＨ
（ＰＶ）はＶＤＤとなる。一方、ＦＦの出力が“Ｌ”
（ＧＮＤ）のとき、ＭＰ１とＭＮ２はオン，ＭＰ２はオ
フとなり、出力ＰＨ（ＰＶ）はＶＳＳとなる。この様に
してレベル変換回路ＬＳは０−ＶＤＤの信号をＶＳＳ−
ＶＤＤの信号に変換している。

【００３４】ここで、レベル変換回路ＬＳはＶＤＤ（＋
５Ｖ）−ＶＳＳ(−１５Ｖ)の電源で動作する高耐圧ＣＭ
ＯＳトランジスタで構成され、ＦＦとＩＮＶはＶＤＤ
（＋５Ｖ）−０の電源で動作する低耐圧ＣＭＯＳトラン
ジスタで構成されている。

【００３５】次に、本発明の液晶ライトバルブのデバイ
ス構造を詳細に説明する。

【００３６】図４は本発明の第１の実施例の断面図であ
る。液晶ライトバルブは単結晶シリコン板の一方の表面
に、エンハンスメント形のＮＭＯＳトランジスタで構成
されたＭＯＳトランジスタ１ａ，ＭＯＳ容量で構成され
た保持容量１ｂ及び反射電極などから構成される画素回
路１を形成した第１の基板１００と、ガラスなどの透明
な材料からなる対向基板３０１の一方の表面にＩＴＯ
（Indium−tin−oxide）などの透明導電材料からなる対
向電極３０２を形成した第２の基板３００との間に液晶
２００を充填したものである。図１に示すサンプル回路
２，水平走査回路３，垂直走査回路４及びＡＮＤゲート
５も画素回路１と同じく第１の基板表面に形成される。

【００３７】第１の基板１００は、一方の表面側にＭＯ
Ｓトランジスタ１ａを構成するソース領域，ドレイン領
域及び保持容量１ｂの一方の電極となる領域を形成した
単結晶シリコン板１１１と、単結晶シリコン板１１１上
に選択的に形成されたポリシリコン層１２０と、ポリシ
リコン層１２０上に形成された第１の絶縁層１３０と、
第１の絶縁層１３０上に形成され第１の絶縁層１３０を
貫通して単結晶シリコン板１１１表面及びポリシリコン
層１２０にコンタクトする第１の金属層１４０と、第１
の金属層上に形成された第２の絶縁層１５０と、第２の
絶縁層上に形成された第２の金属層１６０から構成され
ている。第１の金属層１４０及び第２の金属層１６０は
例えばアルミニウムによって形成されている。

【００３８】単結晶シリコン板１１１は、一対の表面を
有し、一方の表面に隣接するｎ型半導体層１１１と、他
方の表面とｎ型半導体層１１１とに隣接するｐ型半導体
層１１２と、他方の表面からｐ型半導体層１１２内に延
びるように形成された複数対のｎ+ 領域１１３と、ｎ+
領域１１３から離れた箇所において他方の表面からｐ型
半導体層１１２内に延びるように形成された複数個のｎ
領域１１４とから構成されている。複数対のｎ+ 領域１
１３はそれぞれＭＯＳトランジスタ１ａのソース領域・
ドレイン領域となるもので、図５に示すように各単位画
素となる箇所（一点鎖線で示す）に一対ずつ設けられて
いる。また、複数個のｎ領域１１４は保持容量１ｂの一
方の電極となるもので、各単位画素となる箇所に一個ず
つ設けられている。

【００３９】ポリシリコン層１２０は単結晶シリコン板
１１１の一方の表面上に酸化シリコン層１１５を介して
選択的に形成されている。具体的には、一対のｎ+ 領域
113間に露出するｐ型半導体層１１２上、ｎ領域１１４
及びその近傍のｐ型半導体層１１２上に形成され、ＭＯ
Ｓトランジスタ１ａのゲート電極や第１の信号線（走査
信号線）の一部を構成する部分１２３と、保持容量１ｂ
の他方の電極となる部分１２４とを有している。保持容
量１ｂは、ｎ領域１１４とポリシリコン層124及びこれ
らの間に介在された酸化シリコン層１１５によって構成
されている。

【００４０】第１の絶縁層１３０上に形成された第１の
金属層１４０は、スリット１４４によって複数個に分割
され、ＭＯＳトランジスタ１ａと保持容量１ｂとを接続
する配線１４１，第２の信号線１４２，第３の信号線１
４３を構成している。配線１４１は第１の絶縁層１３０
に設けたコンタクトホール１３１を貫通して一対のｎ+
領域１１３の一方及びポリシリコン層１２４に、第２の
信号線１４２は第１の絶縁層１３０に設けたコンタクト
ホール１３１を貫通して一対のｎ+ 領域１１３の他方
に、それぞれコンタクトしている。また、第２の信号線
１４２は第１の絶縁層１３０に設けたコンタクトホール
１３１を貫通してｐ型半導体層１１２にもコンタクトし
ている。

【００４１】第２の金属層１６０は反射電極となるもの
で、各単位画素と略同形状を有し、各画素毎にスリット
１６２によって分離された複数個の画素電極１６１を構
成している。図には記載していないが、画素電極１６１
は第２の絶縁層１５０に設けたスルーホール１５１を介
して配線１４１とコンタクトしている（図７参照）。従
って、ＭＯＳトランジスタのｎ＋ 領域１１３の一方
（ソース領域）は、コンタクトホール１３１及びスルー
ホール１５１により配線１４１を介して画素電極１６１
に接続され（図７参照）、画素電極１６１に与える電圧
をＭＯＳトランジスタ１ａによってスイッチングする。

【００４２】ここで、配線１４１と画素電極１６１は、
対向基板３００の側から液晶ライトバルブに照射される
光に対するＭＯＳトランジスタ１ａの遮光と、画素電極
の表面の凹凸を低減するため、共にパターン同士の間隔
を最小にしてその面積が極力大きくなるようレイアウト
している。すなわち、第１の金属層１４０及び画素電極
１６１間のスリットの面積をできるだけ小さくし、これ
らスリットから入射する光量を少なくして遮光効果を向
上している。また、第１の金属層１４０に設けたスリッ
ト１４４の幅を小さくすることにより、その上に塗布な
どによって形成される第１の絶縁層表面の凹凸、更にそ
の上に形成される第２の金属層表面の凹凸を共に小さく
する、と共に反射電極となる画素電極１６１の表面の凹
凸を低減する。これにより、液晶ライトバルブに光源か
ら照射された光は画素電極１６１で乱反射されず、有効
に利用されてスクリーンに投射されるため、明るい画像
を形成することができる。

【００４３】図中には一画素の領域が示されている。本
実施例では、２μｍの高耐圧プロセスを用い、各画素の
大きさを水平方向，垂直方向ともにそれぞれ６４μｍと
している。

【００４４】図５及び図６は、第１の基板１００に形成
された各種パターンの平面構造を示す。図５は、シリコ
ン基板１１０の表面に形成したＭＯＳトランジスタの拡
散層１１３，保持容量の拡散層１１４などの拡散層、及
びその上に形成したポリシリコン層１２０の平面パター
ンを示す。また、図６は図５のパターンの上に第１の絶
縁層１３０及び第２の絶縁層１５０を介して形成された
第１の金属層１４０及び第２の金属層１６０の平面パタ
ーン、各金属層を電気的に接続するために第１の絶縁層
１３０及び第２の絶縁層１５０に形成されたコンタクト
ホール（CONT）１３１，スルーホール（ＴＣ）１５１の
レイアウトパターンを示す。コンタクトホール１３１は
拡散層又はポリシリコン層と第１の金属層を、またスル
ーホール１５１は第１の金属層と第２の金属層をそれぞ
れ接続する。前述の図４は、図５に示すIV−IV線に沿っ
た断面を示す。

【００４５】第１の金属層で形成される配線１４１，第
２の信号線１４２，第３の信号線１４３はスリット１４
４によって、また、第２の金属層で形成される複数の画
素電極（反射電極）１６１は同層に形成されたスリット
１６２によって互いに分離されている。

【００４６】第１の信号線は、ＭＯＳトランジスタのポ
リシリコン層１２３を、第１の金属層で形成される第１
の信号線の金属層部１４５で互いに接続して形成され
る。両者の接続は、第１の絶縁膜に形成されたコンタク
トホール１３１を通じてなされる。

【００４７】本発明の液晶ライトバルブは、対向基板３
００側から照射される強力な光を画素電極１６１で反射
する反射型であり、この反射光の強さを液晶２００の状
態で制御している。例えば、液晶２００にポリマー分散
型液晶を使用すると、画素電極１６１の電圧によって、
液晶２００は散乱状態から透明状態に変化する。このた
め、各画素の反射率は、液晶２００が透明状態のときに
高く、散乱状態のときに低くなる。本ライトバルブは、
この液晶の状態を画素電極１６１の電圧で制御すること
で映像を表示している。

【００４８】次に、照射光に対する遮光について説明す
る。半導体のｐｎ接合部に光が照射されると、光電流が
発生する。この光電流が問題となるのは、ＭＯＳトラン
ジスタの拡散層１１３のソース電極部である。このソー
ス電極部に光電流が流れると、保持容量１ｂに書き込ん
だ電圧が変化し、所定の表示画像が得られなくなる。こ
のため、ＭＯＳトランジスタ１ａの拡散層１１３への光
を第１の金属層１４０と第２の金属層１６０で遮光して
いる。特に、図４及び図６に示すように、画素電極１６
１の電極間スリット１６２を通過する光は、第３の信号
線１４３の配線幅を電極間スペースより十分広くとり、
これを電極間スペースの直下に配置することで遮光して
いる。

【００４９】図７は図５，図６におけるVII−VII断面構
造で、ＭＯＳトランジスタ１ａのソース電極部を垂直方
向に見たものである。画素電極１６１の電極間スリット
162を通過する光は、画素電極１６１と対応した配線１
４１をスリット１６２の下まではみ出させるように配置
することで遮光している。

【００５０】図８は図５，図６におけるVIII−VIII断面
構造であり、第１の金属層１４０のスリット部を示す。
この領域には上述の第１の金属層１４０及び第２の金属
層１６０によっても遮光されず、第１の金属層に形成さ
れたスリット１４４と第２の金属層に形成されたスリッ
ト１６２を通過してシリコン基板１１０の表面に直接光
が照射される部分が含まれている。この直接光は、配線
１４１，第２の信号線１４２，第３の信号線１４３の各
パターン間のスリットを通り、その下のｎ+層１１６に
照射される。保持容量の拡散層１１４と第３の信号線１
４３との接続は、オーミックコンタクトを確保するため
ｎ+ 層１１６を介して行われる。照射光はｎ+ 層１１６
とｐ型のウェル層１１２のｐｎ接合部で光電流に変換さ
れる。上述のように、このｐ型のウェル層１１２とｎ+
層１１６は共に第３の信号線（基板給電線）１４３に接
続され、最下位電圧（ＶＳＳ）に給電されているので、
ｐｎ接合部で発生した光電流は、ｐ型ウェル層を通じて
第３の信号線を流れ消費される。この結果、光電流は、
ＭＯＳトランジスタの拡散層１１３、特にソース領域に
は流れないので、保持容量１ｂに書き込んだ電圧を安定
にホールドでき、投射ディスプレイのように強力な光が
照射されても、画質の劣化がない。

【００５１】また、第１の絶縁層１３０と第２の絶縁層
１５０のうち少なくとも１層に光吸収性の絶縁層を用い
ることでも光電流を低減できる。この光吸収性の絶縁層
には、着色したポリイミドなどが使用できる。さらに、
第１の金属層であるアルミニウム層の表面や裏面、又は
第２の金属層であるアルミニウム層の裏面に黒色材料か
らなる層を設け、各配線層と同一形状にパターン化する
ことでも光電流を低減できる。この黒色材料には、酸化
クロム，タンタルオキサイド等が使用できる。次に、保
持容量１ｂへの充電速度について説明する。上述のよう
に、第２の信号線１４２はＭＯＳトランジスタの拡散層
１１３のドレイン領域に、また第３の信号線１４３は保
持容量の拡散層１１４及びｐ型ウェル層１１２にそれぞ
れコンタクトホール１３１を介して接続されている。こ
のような素子構造により、保持容量１ｂに充電するとき
の電流経路は第２の信号線１４２→ＭＯＳトランジスタ
１ａ→保持容量１ｂ→第３の信号線１４３となる。第２
の信号線１４２と第３の信号線１４３は、互いに平行に
なるように配置されている。従って、第２の信号線と第
３の信号線を流れる電流は互いに逆向きになるため、両
配線が外部に形成する磁界は互いに打ち消しあい、配線
のインダクタンスが小さくなる。また、第２の信号線と
第３の信号線に金属配線層を用いたことで配線抵抗が低
減される。以上のような構成により、充電時における配
線部のインピーダンスが小さくなり、保持容量への映像
信号の書き込みを高速にできる。

【００５２】次に、図９，図１０を用いて本発明の液晶
ライトバルブの他の実施例を説明する。図４〜図８に示
した実施例と異なるのは、金属層を３層構造にして、配
線１４１と反射電極となる画素電極の間に別の遮光層を
設けている点である。ただし、図５に示す画素回路の拡
散層とポリシリコン層のパターンは前の実施例と同じで
ある。

【００５３】図９は本実施例の液晶ライトバルブの断面
図である。本実施例では、第２の信号線１４２，第３の
信号線１４３，配線１４１を形成した第１の金属層１４
０の上に第１の絶縁層１５０を介して遮光層１６３及び
中間電極１６４を形成した第２の金属層を設け、さらに
その上に第２の絶縁層１７０を介して画素電極（反射電
極）１８１を設けている。遮光層１６３と中間電極１６
４はスリット１６２で、また画素電極同士はスリット１
８２で互いに隔てられている。ＭＯＳトランジスタの拡
散層１１３のソース領域はスルーホール１３１によって
配線１４１と、配線１４１はスルーホール１５１によっ
て中間電極１６４と、そして中間電極１６４はスルーホ
ール１７１によって画素電極１８１とそれぞれ接続され
る。画素電極に与えられる電圧は、ＭＯＳトランジスタ
１ａによってスイッチングされる。

【００５４】図１０は第１の金属層１４０，第２の金属
層１６０及び第３の金属層１８０における各パターンの
平面構造を示す。図９は図１０におけるIX−IX断面図で
ある。

【００５５】図９，図１０から分かるように、最上層の
第３の金属層１８０で形成された画素電極１８１の電極
間スリット１８２から入射する光は第２の金属層１６０
で形成された遮光層１６３で完全に遮断される。すなわ
ち、対向基板３００側から見た場合、第３の金属層１８
０に形成されたスリット１８２及び第２の金属層160に
形成されたスリット１６２は互いにオーバーラップする
ことなくずれて配置されているので、第２の基板３００
側から入射した光は第３の金属層または第２の金属層の
いずれかで反射されてシリコン基板１１０には到達しな
い。

【００５６】以上のように、本実施例では第２の基板側
から入射する光を第１の基板の上層に設けた第２の金属
層及び第３の金属層で遮断した。入射光がシリコン基板
に達するのを防止するには、第１の金属層，第２の金属
層及び第３の金属層のそれぞれに形成されるスリット部
が互いにオーバーラップすることがないようずらせて配
置すればよい。

【００５７】また、図９，図１０の構成において、第１
の絶縁層１３０，第２の絶縁層150，第３の絶縁層１７
０のうち少なくとも１層に光吸収性の絶縁層を用いるこ
とでも光電流を低減できる。この光吸収性の絶縁層に
は、着色したポリイミドなどが使用できる。さらに、第
１の金属層１４０，第２の金属層１６０，第３の金属層
１８０の少なくとも１層の裏面又は表面に黒色材料の層
を設け、各金属層と同一の形状にパターン化することで
も光電流を低減できる。この黒色の材料には、酸化クロ
ム，タンタルオキサイド等が使用できる。

【００５８】次に、本発明の液晶ライトバルブの実装に
ついて説明する。図１１と図１２はセラミック基板上に
実装した液晶ライトバルブの平面構造と断面構造の一例
を示している。

【００５９】前述の単結晶シリコン基板の表面に画素回
路，水平走査回路，垂直走査回路などを形成した第１の
基板１００は、回路部を上にして導電性ペーストでセラ
ミック基板５００に接着される。第１の基板１００と、
これと対向して設けた第２の基板３００との間には液晶
２００を挾持する。液晶２００はその周辺部に設けたシ
ール材５１０によってシールされ、外界の湿度などから
保護される。

【００６０】第１の基板の周辺部に設けた信号端子は、
ワイヤボンデングでセラミック基板上に形成した配線パ
ターンと接続される。また、第２の基板３００の表面に
設けた対向電極３０２とセラミック基板上の配線パター
ンとの接続には導電性ペースト５３０を用いている。第
１の基板上のワイヤボンデング位置は、図１１に示すよ
うに同基板の上辺部と左辺部とし、第２の基板表面の対
向電極とのコンタクト位置は右辺部としている。ワイヤ
ボンデング位置を２辺以下にすることで各基板とワイヤ
ボンデング部の距離を小さくできる。

【００６１】フレキシブルプリント基板５５０は半田５
４０によってセラミック基板５００の配線パターンと接
続され、液晶ライトバルブの制御信号を供給する。

【００６２】図１３は本発明の液晶ライトバルブを適用
した投射型ディスプレイの構成を示す。本投射型ディス
プレイは、光源７００，第１のレンズ７１０，ミラー７
２０，第２のレンズ７３０，液晶ライトバルブ７４０，
投射レンズ７５０，スクリーン７６０で構成される。光
源７００からの光は第１のレンズ７１０でミラー720の
位置に集光される。この光は第１のレンズ７３０で平行
光とされ、液晶ライトバルブ７４０に照射される。液晶
ライトバルブでは照射された光の反射状態を各液晶画素
に印加する電圧によって制御し、液晶ライトバルブから
の反射光を第１のレンズ７３０と投射レンズ７５０を介
して、スクリーン７６０に拡大投影して画像を形成す
る。

【００６３】また、光源からの光束を光の３原色の３つ
の光束に分解し、それぞれの光束に対して液晶ライトバ
ルブを設け、３つの液晶ライトバルブからの反射光を再
び合成、拡大投射することによりカラー表示の投射型デ
ィスプレイを得ることができる。光の３原色への分解、
３つの液晶ライトバルブからの反射光の合成は、例えば
ダイクロイックミラーを用いて同時に行うことができ
る。

【００６４】以上、単結晶シリコン基板を用いた液晶ラ
イトバルブ、及びこれを用いた投射型ディスプレイにつ
いて説明したが、本発明は単結晶シリコン基板のかわり
に絶縁基板上に半導体層を形成した基板や化合物半導体
基板を用いても可能であることは言うまでもない。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、ＭＯＳトランジスタな
ど能動素子を形成したシリコンなどの半導体基板を用い
た液晶ライトバルブ及びそれを用いた投射型ディスプレ
イにおいて、画素回路部の半導体表面を金属配線層によ
る信号線や画素電極など複数の遮光層で遮光し、さらに
金属配線層による信号線や画素電極などで遮光できない
光は基準電位に接続した半導体基板の拡散層に照射され
るように配置したので、画素回路部の能動素子に流れる
光電流を大幅に低減できる。さらに、各画素に映像信号
を供給する信号線と基板給電線に金属配線を用い、これ
らを互いに平行に配置したので、信号線のインピーダン
スを低減でき画素への信号の書き込みを高速にできる。
これらの結果、光輝度で、高精細な投射型ディスプレイ
に適用可能な液晶ライトバルブ、及びこれを用いた投射
型ディスプレイが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】液晶ライトバルブの回路構成を示す図である。

【図２】液晶ライトバルブの動作を示すタイミングチャ
ートである。

【図３】液晶ライトバルブを構成する走査回路の詳細回
路を示す図である。

【図４】本発明の液晶ライトバルブの一実施例における
断面図（図５，図６のIV−IV断面図）である。

【図５】本発明の液晶ライトバルブの一実施例における
画素回路の拡散層及びポリシリコン層のレイアウト図で
ある。

【図６】本発明の液晶ライトバルブの一実施例における
画素回路の第１の金属層，第２の金属層のレイアウト図
である。

【図７】図５，図６のVII−VII断面図である。

【図８】図５，図６のVIII−VIII断面図である。

【図９】本発明の液晶ライトバルブの他の実施例におけ
る断面図（図１０のIX−IX断面図）である。

【図１０】本発明の液晶ライトバルブの他の実施例にお
ける画素回路の第１の金属層，第２の金属層及び第３の
金属層のレイアウト図である。

【図１１】セラミック基板上に実装した液晶ライトバル
ブの平面構造を示す図である。

【図１２】セラミック基板上に実装した液晶ライトバル
ブの断面構造を示す図である。

【図１３】液晶ライトバルブを適用した投射型ディスプ
レイの構成を示す図である。

【符号の説明】

１…画素回路、１ａ…ＭＯＳトランジスタ、１ｂ…保持
容量、１ｃ…液晶容量、２…サンプル回路、３…水平走
査回路、４…垂直走査回路、５…ＡＮＤゲート、６，７
…遮光層、１００…第１の基板、１１０…シリコン基
板、１２０…ポリシリコン層、１３０…第１の絶縁層、
１４０…第１の金属層、１５０…第２の絶縁層、１６０
…第２の金属層、１７０…第３の絶縁層、１８０…第３
の金属層、２００…液晶、３００…第２の基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 星野 稔 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 森 祐二 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小村 真一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 長江 慶治 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 永田 徹也 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 有本 昭 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 早坂 昭夫 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所電子デバイス事業部内 (72)発明者 勝山 一郎 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 日 立プロセスコンピュータエンジニアリング 株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の表面にマトリクス状に形成された複
   数個のスイッチング素子領域を有する半導体基板と、 前記半導体基板の一方の表面上に絶縁層を介して形成さ
   れ、第１のスリットで複数個に分割された第１の金属層
   と、 前記第１の金属層上に絶縁層を介して形成され、第２の
   スリットで複数個に分割された第２の金属層と、 前記第２の金属層上に絶縁層を介して形成され、第３の
   スリットで複数個に分割された第３の金属層と、 一方の表面に対向電極を有し、前記対向電極側が前記第
   ３の金属層に間隙を有して対向する対向基板と、 前記対向電極と第３の金属層との間の間隙に充填された
   液晶とからなり、 前記第１のスリット，第２のスリット及び第３のスリッ
   トは前記対向基板側から入射した光が半導体基板に達す
   るのを防止するために半導体基板の一方の表面と平行な
   方向に互いにずれて配置されている液晶ライトバルブ。
2. 【請求項２】一方の表面にマトリクス状に形成された複
   数個のスイッチング素子領域を有する半導体基板と、 前記半導体基板の一方の表面上に絶縁層を介して形成さ
   れ、第１のスリットで複数個に分割された第１の金属層
   と、 前記第１の金属層上に絶縁層を介して形成され、第２の
   スリットで複数個に分割された第２の金属層と、 一方の表面に対向電極を有し、前記対向電極側が前記第
   ２の金属層に間隙を有して対向する対向基板と、 前記対向電極と第２の金属層との間の間隙に充填された
   液晶とからなり、 前記対向基板側から第１のスリット及び第２のスリット
   を通して入射した光が半導体基板に達する場所に基準電
   位に接続した半導体領域を設けた液晶ライトバルブ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、前記半導体基板の一方の表面に前記スイッチング素
   子領域の各々に対応して容量素子領域を設け、前記スイ
   ッチング素子領域の基板電位領域および前記容量素子領
   域に基板電位を供給する基板給電線を前記金属層のいず
   れかで形成した液晶ライトバルブ。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項において、前記スイ
   ッチング素子領域の映像信号入力端子部に映像信号を供
   給する映像信号線を前記金属層のいずれかで形成し、前
   記基板給電線と映像信号線を互いに平行に配置した液晶
   ライトバルブ。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第３項において、前記スイ
   ッチング素子領域にＭＯＳトランジスタ、前記容量素子
   領域にＭＯＳ容量を形成した液晶ライトバルブ。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、前記第１の金属層，第２の金属層または第３の金属
   層の少なくとも一方の面に黒色層を設けた液晶ライトバ
   ルブ。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第２項において、前記対向
   基板側から第１のスリット及び第２のスリットを通して
   入射した光が半導体基板に達する場所にＮ型領域及びこ
   れと接するＰ型領域を設け、前記Ｎ型領域とＰ型領域を
   共に基準電位に接続した液晶ライトバルブ。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、前記半導体基板の一方の表面に前記複数個のスイッ
   チング素子領域に信号を供給する信号回路の領域を設け
   た液晶ライトバルブ。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第８項において、前記信号
   回路は、前記複数個のスイッチング素子領域に映像信号
   を供給する回路及びスイッチング素子の制御信号を供給
   する回路である液晶ライトバルブ。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲第８項において、前信号
    回路は高耐圧ＣＭＯＳトランジスタと低耐圧ＣＭＯＳト
    ランジスタで構成される液晶ライトバルブ。
11. 【請求項１１】特許請求の範囲第８項において、前記半
    導体基板の一方の表面で、前記信号回路の領域の周辺部
    に基板電位に接続した基板給電領域を設けた液晶ライト
    バルブ。
12. 【請求項１２】一方の表面にマトリクス状に形成された
    複数個のスイッチング素子領域を有する半導体基板と、 前記半導体基板の一方の表面上に絶縁層を介して形成さ
    れ、第１のスリットで複数個に分割された第１の金属層
    と、 前記第１の金属層上に絶縁層を介して形成され、第２の
    スリットで複数個に分割された第２の金属層と、 前記第２の金属層上に絶縁層を介して形成され、第３の
    スリットで複数個に分割された第３の金属層と、 一方の表面に対向電極を有し、前記対向電極側が前記第
    ３の金属層に間隙を有して対向する対向基板と、 前記対向電極と第３の金属層との間の間隙に充填された
    液晶とからなり、 前記第１のスリット，第２のスリット及び第３のスリッ
    トは前記対向基板側から入射した光が半導体基板に達す
    るのを防止するために半導体基板の一方の表面と平行な
    方向にずれて配置された液晶ライトバルブと、 前記液晶ライトバルブに前記対向基板側から照射される
    光を供給する光源と、 前記液晶ライトバルブからの反射光を拡大投射する光学
    系とを備えた投射型ディスプレイ。
13. 【請求項１３】一方の表面にマトリクス状に形成された
    複数個のスイッチング素子領域を有する半導体基板と、 前記半導体基板の一方の表面上に絶縁層を介して形成さ
    れ、第１のスリットで複数個に分割された第１の金属層
    と、 前記第１の金属層上に絶縁層を介して形成され、第２の
    スリットで複数個に分割された第２の金属層と、 一方の表面に対向電極を有し、前記対向電極側が前記第
    ２の金属層に間隙を有して対向する対向基板と、 前記対向電極と第２の金属層との間の間隙に充填された
    液晶とからなり、 前記対向基板側から第１のスリット及び第２のスリット
    を通して入射した光が半導体基板に達する場所に基準電
    位に接続した半導体領域を設けた液晶ライトバルブと、 前記液晶ライトバルブに前記対向基板側から照射される
    光を供給する光源と、 前記液晶ライトバルブからの反射光を拡大投射する光学
    系とを備えた投射型ディスプレイ。
14. 【請求項１４】特許請求の範囲第１２項または第１３項
    において、前記半導体基板の一方の表面に前記スイッチ
    ング素子領域の各々に対応して容量素子領域を設け、前
    記スイッチング素子領域の基板電位領域および前記容量
    素子領域に基板電位を供給する基板給電線を前記金属層
    のいずれかで形成した投射型ディスプレイ。
15. 【請求項１５】特許請求の範囲第１２項または第１３項
    において、前記半導体基板の一方の表面に前記複数個の
    スイッチング素子領域に信号を供給する信号回路の領域
    を設けた投射型ディスプレイ。