JPH0772778B2

JPH0772778B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH0772778B2
Application number: JP33904393A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 喬犬島; 晃間瀬; 利光小沼; 光範坂間; 敏次浜谷; 稔宮崎; 康平沖津; 利治山口
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1995-08-02
Anticipated expiration: 2010-08-02
Also published as: JPH06202117A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、薄膜型絶縁ゲート電
界効果半導体装置と強誘電性液晶とを接続して一画素を
構成し、これらの画素をマトリックス状に配設すること
により、マイクロコンピュ−タ、パーソナルコンピュー
タ、ワ−ドプロセッサ、またはテレビジョン等の表示部
の薄膜化を図る液晶表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体表示パネルは、各画素を独立に制御
する方式が大面積用として有効である。このようなパネ
ルとして、従来は、二周波液晶、たとえばツウィスティ
ック・ネマチック液晶を用い、横方向400 素子また縦方
向200 素子とするA4判サイズの単純マトリックス構成に
マルチプレキシング駆動方式を用いた表示装置が知られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これ以上の画
素数を有する大面積の表示装置を作るために、ツウィス
ティック・ネマチック液晶を用いることは、周波数特性
の限界により不可能であることが判明した。加えて、そ
れぞれの画素を所定の距離離間し、マトリックス状に配
設せしめても、隣の画素との間でクロスト−ク（電気的
に弱く導通してしまう現象）をしてしまい易い。そのた
め、一方がON、他方がOFF 機能を作っても、画素のそれ
ぞれが十分なONまたはOFF をとり得ず、コントラストに
不十分さが発生してしまった。

【０００４】また、液晶は、配向特性を持たせるために
配向層をラビング処理する必要がある。しかし、配向層
をラビングする際に、摩擦によって１０００Ｖないし２
０００Ｖという高い静電気が発生する。このため、アク
ティブ素子は、前記高い静電気によって破壊される恐れ
があるという問題を有した。また、隣接する画素間のク
ロストークを防止する手段としては、非線型素子を用い
る方法が知られている。さらに、パッシブ型構成( 単純
マトリックス方式）において、液晶として従来より公知
のツウィスティック・ネマチック液晶を用いるのではな
く、強誘電性液晶を用いることが試みられているが、ク
ロス・ト−クを有し、最善とはいえない。

【０００５】本発明は、以上のような課題を解決するた
めのもので、クロス・トークを防止すると共に、周波数
特性および視野角を大きくすることができる液晶表示装
置を提供することを目的とする。本発明は、配向処理に
よるアクティブ素子の破壊を防止することができる液晶
表示装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の液晶表示装置は、基板上に形成された薄膜
型絶縁ゲート電界効果半導体装置からなるアクティブ素
子２と、強誘電性液晶３とを接続して一画素を構成し、
これらの画素をマトリックス状に配設したものであっ
て、前記強誘電性液晶３を挟む一対の電極２３、２４の
うち、前記アクティブ素子２側の電極２３の内側には、
配向処理がなされていない絶縁膜が設けられていること
を特徴とする液晶表示装置。

【０００７】

【作用】本出願人は、強誘電性液晶＋ＴＦＴの組み
合わせに着目して、その特性を各方面に渡って調べた。
そして、次に示すような結果が得られた。ツウィスティック・強誘電性液晶＋ＴＦＴネマチック液晶＋ＴＦＴメモリ機能 ◎ ◎ クロス・ト−ク防止 ◎ ◎ 簡単プロセス × × 高速周波数応答 △ ○ 広範囲使用温度 ○ △ 広開口率 × × 周辺回路の容易さ △ △ 視野角が大きい △ ○ 液晶の少使用量 △ ○ 階調が可 ○ △ 但し、◎は非常に良、○は良、△はやや不可、×は不可を示す。

【０００８】以上の２つの方式を考える時、強誘電性液
晶＋ＴＦＴは、ツウィスティック・ネマチック液晶＋Ｔ
ＦＴより、高速周波数応答、視野角、液晶の使用量等で
優れ、使用温度および階調で劣っている。また、強誘電
性液晶と薄膜型絶縁ゲート電界効果半導体装置とを組み
合わせる場合、強誘電性液晶の配向特性を向上させるた
めの配向処理は、薄膜型絶縁ゲート電界効果半導体装置
側を省略させても良いことが判った。また、本発明は、
薄膜型絶縁ゲート電界効果半導体装置と強誘電性液晶と
を用いるため、双方が相乗的に動作しあいクロス・ト−
クがなく、プロセスはそれほど複雑にならず、強誘電性
液晶を用いるため視野角も向上でき、理想型にきわめて
近い構成であることが判った。

【０００９】かくして、薄膜型絶縁ゲート電界効果半導
体装置と強誘電性液晶とを直列に接続して、各画素を構
成せしめることにより、たとえば、Ａ４版またはそれ以
上の大面積の液晶表示装置を作製しても、それぞれの画
素間のクロスト−クは、最小に抑えることができた。ま
た、本発明は、強誘電性液晶の他方のＸ配線に対応して
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、カラ−表示も可能となるという特徴
を有する。

【００１０】

【実施例】本実施例において、薄膜型絶縁ゲート電
界効果半導体装置と強誘電性液晶と直列に接続して一画
素としたが、この使用温度範囲は、複数の異なった強誘
電性液晶を組合わせて０℃ないし50℃において使用が可
能となっている。このため、実用上は、それぞれ問題と
ならない。また、階調に関しては、カラ−も８色までと
するならば階調が不要である。したがって、マイクロコ
ンピュ−タ等のディスプレイとしては、十分実用可能で
あることが判明した。このため、特に、本実施例に述べ
る如く、薄膜型絶縁ゲート電界効果半導体装置と強誘電
性液晶とを直列に連結して設ける画素によって初めて大
型大面積液晶ディスプレイの製造が可能であることが判
明した。

【００１１】また、本実施例においては、非線型素子と
して空間電荷制限電流を用いた複合型ダイオード（以
下、本明細書において、「SCLAD 」と記載する）を用い
たもので、この非線型素子と画素との構成をより一体化
したものである。すなわち、本実施例に用いられる非線
型素子は、Ｎ型半導体−Ｉ型半導体−Ｎ型半導体構造、
またはＰ型半導体−Ｉ型半導体−Ｐ型半導体構造を主と
している。さらに、本実施例は、かかるSCLAD とマトリ
ックスを構成する画素とをセルファライン方式とし得る
ため、２枚のみのマスク数でプロセスさせることができ
る。この本発明の構造の代表例を図４に、またその製造
工程を図２に示してある。さらに、本実施例において、
液晶として強誘電性液晶を用いた場合、相対抗する電極
間を３μｍ以下代表的には1.5 ±0.5 μｍにできる。

【００１２】以下、本発明の実施例を説明する。「実施例１」図１は本実施例の液晶表示装置を説明する
ための回路図を示す。図１において、画素は、SCLAD(2)
の電極(21)( 第１の電極)(図面では数字を矩形で取り囲
む記号で示す) より、強誘電性液晶(3) の一方の電極(2
3)( 第３の電極）に連結されている。SCLAD は、Ｙ配線
(4) 、(5) に第２の電極(22)により連結されている。他
方、強誘電性液晶(3) の第４の電極(24)( 対抗電極)
は、Ｘ配線(6) 、(7) に連結されている。Ｘ配線は、強
誘電性液晶(3) の第３の電極(23)に対応して、他の透光
性絶縁基板、代表的にはガラス基板( 図４(C) における
(20'))側に密接して設けられている( 図１、図４(C) に
おける(6) または(24)) 。

【００１３】図２は本実施例において、複合ダイオ−ド
と強誘電性液晶を直列に接続して一画素を構成した場合
の製造工程を説明するための図である。図３は本実施例
において、複合ダイオ−ドと強誘電性液晶を直列に接続
して一画素を構成した場合の特性を説明するための図で
ある。図４は本発明の一実施例構成図で、図１における
破線で囲んだ領域での平面図(A) 、縦断面図(B) 、(C)
、(D) が示されている。そして、図２(A) 、(B) 、(C)
、(D) は図４(D) に対応している。図２(A) におい
て、透光性絶縁基板は、コ−ニング7059ガラス(20)を用
いた。この上面にスパッタ法または電子ビ−ム蒸着法に
より、導電膜であるモリブデンは、0.1 μｍないし0.5
μｍの厚さに形成された。この後、これらの全面に光CV
D 法またはプラズマCVD 法を用いて、非単結晶半導体膜
が形成された。その厚さは、Ｎ型半導体(13)(0.1μｍ)
−Ｉ型半導体(14)(0.3μｍ) −Ｎ型半導体(15)(500Å)
のNIN 接合を有するSCLAD とした。この後、この上面
に、クロムを電子ビ−ム蒸着法またはスパッタ法により
0.1μｍないし0.2 μｍの厚さに積層した。

【００１４】さらに、図２(B) に示す如く、第１のフォ
トマスクにより周辺部を垂直になるように異方性プラ
ズマエッチを行い、積層体(50)を設けた。次に、これら
の全面に感光性ポリイミド樹脂(27)は、コ−ティング法
によって、約１μｍの厚さに形成された。かくして、積
層体(50)の電極(21)上面とポリイミド樹脂(27)の上面(3
9)とは、積層体の凸部を除きキュア後で、絶縁物表面と
積層体表面とがなめらかに連続した構造となるようにさ
せた。すなわち、ガラス基板(20)側の裏面側より紫外光
を公知のマスクアライナによりマスクを用いることなく
ガラス面側から露光させた。たとえば、コビルト社のア
ライナでは、約２分間露光した。その強度が300nm ない
し400nm の波長の紫外光(10mW/cm²)においては、15秒な
いし30秒で十分である。

【００１５】すると、側面(26)を有する積層体( 厚さ約
１μｍ) (50)に対し、蔭となるその上方の凸領域は感光
せず、その側周辺のみが感光する。さらに、現像を行っ
た後、リンス液により非感光性の凸部を溶去した。次
に、これらすべてを180 ℃30分＋ 300℃ 30 分＋400 ℃
30 分の加熱を窒素中で行いキュアさせた。かくして、
積層体の上面である非線型素子の第２の電極をフォトマ
スクを用いることなく露呈せしめるに加えて、この上面
と周辺部のポリイミド樹脂の絶縁物の表面とをなめらか
に連続させ、図２(C) を得ることが可能となった。次
に、この図２(C) の上面全面に強誘電性液晶(3) の電極
(23)( 第３の電極）用にITO を0.1 μｍないし0.3 μｍ
の厚さにスパッタ法、または電子ビ−ム蒸着法により形
成させた。さらに、この電極を所定の形状、たとえば、
120 μｍ×420 μｍの一画素の電極に第２のフォトマス
ク（）により選択エッチングを行った。

【００１６】さらに、この上面に非対称配向層の一方の
非ラビング層（ラビング処理を行わない層)(25) として
アルミナ、酸化珪素または弗化マグネシュ−ム等の無機
材料を用い、50Åないし300 Åの厚さに電子ビ−ム蒸着
法にて形成した。かくして、Ｙ方向のリ−ド(6) に連結
した第２の電極(22)とその上のSCLAD(2)さらに、上側の
第１の電極(21)の積層体(50)を有し、この第１の電極に
密接して強誘電性液晶(3) の第３の電極(23)を設け得
る。そして、このためには、２枚のフォトマスク、すな
わち、１回のマスク合わせにより各画素に対応したアク
ティブ素子を設けることができた。このSCLAD 構造の記
号が図１において、符号(2)として記載されている。結
果として、図３(A) に示す如き非線型特性（電極面積12
0 μｍ×420 μｍ)を図２( 縦軸は絶対値をログスケ−
ルにて示している）に対応して有せしめることができ
た。

【００１７】液晶表示素子としての画素を構成するた
め、図４(C) 、(D) に示す如く、互いに対抗した基板の
内側にラビング配向処理を行ってあるＸ方向のリ−ドお
よび対抗電極(24)が設けられている。そして、この一対
の電極(23)、対抗電極(24)の内側に、非対称配向膜(2
5)、(25') が設けられ、これにより強誘電性液晶( 厚さ
２μｍ) を挟んでいる。対抗電極(24)には、ポリアクリ
ルニトリル(PAN) 、ポリビニ−ルアルコ−ル(PVA) を0.
1 μｍの厚さにスピン法により設け、公知のラビング処
理をした。ラビング処理のー例としてナイロンをラビン
グ装置に900 PPM で回転させ、その表面を2m/ 分の速度
で基板を移動させて形成した。

【００１８】すなわち、一方の電極(23)上には、無機化
合物の膜を形成してラビング処理を行なわない配向膜が
形成される。また、他方の電極(24') には、有機化合物
の膜を形成してラビング処理を行った配向膜が形成され
る。これらの配向膜の間には、強誘電性液晶、たとえ
ば、オクチル・オキシ・ベンジリデン・アミノ・メチル
・ベンゾ・エイト(S8)が充填された。これ以外でもBOBA
MBC 等の強誘電性液晶、または複数の強誘電性液晶をブ
レントを施した強誘電性液晶を充填し得る。この画素の
しきい値特性例を図３(B) に示す。図面でも±5V加える
ことにより曲線(29)、(29') を得た。また、図３(B) に
示す画素のしきい値特性例は、透過、非透過をさせ得る
こと、十分反転させると共に、メモリ効果を示すヒステ
リシスを得ることが判明した。図３(B) において縦軸
は、透過率である。

【００１９】「実施例２」この実施例は、実施例１の配
向処理をさらに変更したものである。すなわち、アクテ
ィブ素子に連結した電極は、無機材料を100 Åないし20
0 Åの厚さに形成された。さらに、対抗電極は、ITO ま
たは酸化スズの上面にアルミナ、酸化マグネシュ−ム、
または酸化珪素が約100 Åの厚さに電子ビ−ム蒸着法に
よって形成された。さらに、この上にPAN またはPVA を
約0.1 μｍの厚さにスピン法にて積層した。そして、こ
の有機材料に対しラビング処理を行い、非対称配向処理
を行った。すると図２の特性である強誘電性液晶特有の
ヒステリシスの巾をさらに広げる曲線(30)、(30') を得
ることができ、無印加の状態における透過(31)、非透過
(32)の巾をひろげ、ひいてはコントラスト比を上げるこ
とができた。

【００２０】「実施例３」図４は本発明の一実施例構成
図で、図１における破線で囲んだ領域での平面図(A) お
よび縦断面図(B) 、(C) 、(D) が示されている。さら
に、図４(B) 、(C) 、(D) は、(A) におけるそれぞれA-
A'、B-B'、C-C'での縦断面図を示す。加えて、図４(C)
、(D) は、強誘電性液晶(3) 配向処理層(25') 、(2
5)、対抗電極(24)および基板(20') をも示している。他
の(A) 、(B) は、非線型素子(2) を有する側のみを簡単
のため示した。そして、前記非線型素子(2) は、たとえ
ば薄膜型絶縁ゲート電界効果半導体装置を使用する。こ
の素子の製造方法は、実施例１と同様である。すなわ
ち、２つのマスク、により矩形の第１の電極(21)お
よび第３の電極(23)およびその間に第１の電極と同一形
状の半導体および第２の電極(22)、リ−ド(4) を構成す
る。

【００２１】また、第３の電極(23)を構成する透光性導
電膜の形状は、420 μｍ×420 μｍとした。第３の電極
(23)は、矩形の第１、第３の電極の上方に設けられてい
るため、その位置を当初の位置の中央部にせんとする
と、その上下に±200 μｍ（最大) ずれても非線型素子
の電極面積が不変であり、電気特性（電流値）にまった
く影響を与えずにパタ−ン化が可能である。すなわち、
640 ×400 の素子における、たとえば、ガラス基板( 30
cm×20cm )の上右端と下左端とがマスクのズレをおこ
し、従来の10倍ものズレ、たとえば、一方が＋側に200
μｍ、他方が−側に200 μｍずれた悪い精度でもマスク
合わせが可能となった。図面において、強誘電性液晶
(3) は、一対の基板(20)、対抗基板(20') 、一対の電極
(23)、対抗電極(24)、非対称配向層(25)、 (25')の間に
充填されている。

【００２２】表示パネルとしては、この後、透過型で裏
面側に光源を設け、この電源を強誘電性液晶のシャッタ
機能により選択してディスプレイとさせた。また、反射
型とするには、第３の電極(23)を第１の電極(21)に密接
してアルミニュ−ム電極（厚さ0.3 μｍ) と、その上に
ITO(厚さ0.1 μｍ) とを設けた。すると、このアルミニ
ュ−ムの反射率が特に100%であるため、図４(D) におい
て左側よりの入射光を電極部分のみで反射させ得、強誘
電性液晶(3) のＯＮまたはＯＦＦを行ない、反射光を右
側に放出させ得る。すなわち、アクティブ素子(2) とし
ての薄膜型絶縁ゲート電界効果半導体装置、およびその
側周辺の樹脂(20)に無関係に反射光を入射光に反射し得
る。これは液晶材料が強誘電性液晶であるため、非対称
配向膜を電極上に設け、特に、反射電極上に、ラビング
処理をしていない配向層を設けた結果、初めて可能とな
ったものである。

【００２３】そして、従来のツウィスティック・ネマチ
ック液晶型では、入射光が反対側のガラス基板( 図４
(D) で例えるならば(20)) 側をさらに偏向板、反射板を
経て反射される光を再び入射光側に放出しなければなら
ない。そのため、光源が長くなり、光損失が大きくなっ
てしまう。そのため反射型液晶は、強誘電性液晶を用い
ると、コントラストの向上が可能となった。さらに図１
に示す周辺回路(8) 、(9) をプリント基板に配設し、こ
のプリント基板のリ−ドと表示素子の各リ−ドとを対応
させて連結した。かくして、３枚のみのマスクでアクテ
ィブ素子型のパネルをパタ−ニングさせることが可能と
なった。

【００２４】開口率は、図面のパタ−ンの場合86.7% を
有し、素子をまったく用いないパッシブ方式の91.2% に
比し、4.5%の減少にとどめることができた。これは開口
率が80% 以上あればわずらわしさを感じないという仕様
に十分入り、満足すべきものである。また、視野角は、
強誘電性液晶を用いるため１つの遮光板のみではなく、
特に強誘電性を用いるため、ツウィスティック・ネマチ
ック液晶に見られる狭い視野角をまったく有さない。本
発明の実施例は、２×２のマトリックスを示した。しか
し、実験は、100 ×100 のマトリックスを作成して試み
たものである。そして、文字等の表示を十分に行うこと
が確認できた。周波数特性を考慮するならば、８ビット
パラレル処理を施し、1920(640×3)×400 のフルカラ−
の表示装置を作成することも可能である。

【００２５】また、本発明は、非線型素子と強誘電性液
晶よりなる画素の作成に基板作製に必要なフォトマスク
数が２枚でよい。加えて、非線型素子の電極面積（所定
の電圧を加える時の電流値）は、矩形電極の中央部より
上下に最大±200 μｍもずれても、また左右に数mmずれ
ても変化することがなく、一定の非線型特性を有し、マ
トリックス全体へのアクティブ駆動の電気特性へのバラ
ツキを防ぐことができた。本発明の実施例では、SCLAD
構造を主として示した。しかし、この双方向性ダイオ−
ドをMIM(金属−絶縁膜−金属）構造としてもよい。この
場合、導体（Ｍ）は、金属のタンタル、クロムを示し
た。しかし、他の金属のアルミニュ−ム、チタン、銅を
用いてもよい。また、十分高い濃度に不純物が添加され
た半導体、すなわち、P⁺またはN⁺型の非単結晶半導体を
用いてもよい。

【００２６】他方、本発明の実施例は、他の非線型素子
としてPIN 構造の１つまたはタンデム構造のダイオ−ド
をリング構成させたダイオ−ドリングにして設けたり、
またPIN 構造をBack-to-Back接合にして設けることも可
能である。しかし、前者は、フォトマスク数を４枚も必
要とする欠点を有するが、周波数特性がMIM 構造より優
れ、640 ×400 の大面積も可能と推定できる。他方、後
者は、プロセスは本発明のMIM の積層体の代わりにNIP-
電極-PIN構造とするのみであり、まったく同じプロセス
の使用が可能で、２枚のフォトマスクでプロセス化がで
きる。しかし、逆耐圧の電圧が大きすぎたり、大面積で
バラツキ易いという欠点を有する。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、以上詳述した如く、アクティ
ブ素子、特に薄膜型絶縁ゲート電界効果半導体装置と強
誘電性液晶とを組合わせたものである。そして、アクテ
ィブ素子側の電極上は、ラビング処理がなされない非対
称配向処理とすることにより、アクティブ素子に対し
て、ラビング処理による損傷を与えることがない。その
結果、本発明の液晶表示装置は、大面積のディスプレイ
を作ることができた。たとえば、実施例にした如き２×
２のマトリックス構成においても、アクティブ素子と図
１に示す如き(1、1)をONとした時、(1、 2) 、(2、2)、
(2、1)を経て同時に加えられる電圧に対し非線型素子の
OVの電流値が十分低いため、電流が流れ出ない。その結
果、(1、1)をONとした時、同時に他の番地をOFF として
おくことが非線型素子により初めて可能となり、クロス
ト−クを完全に防ぐことができた。また、製造プロセス
も実施例に示した構造においてはきわめて簡単であっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の液晶表示装置を説明するための回路
図を示す。

【図２】本実施例において、複合ダイオ−ドと強誘電性
液晶を直列に接続して一画素を構成した場合の製造工程
を説明するための図である。

【図３】本実施例において、複合ダイオ−ドと強誘電性
液晶を直列に接続して一画素を構成した場合の特性を説
明するための図である。本発明の空間電荷制限電流型複
合ダイオ−ドの製造工程を示す一方の縦断面図である。

【図４】本発明の一実施例構成図で、図１における破線
で囲んだ領域での平面図(A) および縦断面図(B) 、(C)
、(D) が示されている。

【符号の説明】

１・・・領域２・・・空間電荷制限電流を用いた複合型ダイオード３・・・強誘電性液晶４、５・・・Ｙ配線６、７・・・Ｘ配線８、９・・・周辺回路２１、２２、２３、２４・・・電極

フロントページの続き (72)発明者小沼利光東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者坂間光範東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者浜谷敏次東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者宮崎稔東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者沖津康平東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者山口利治東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号株式会社半導体エネルギー研究所内 (56)参考文献特開昭59−137925（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された薄膜型絶縁ゲート電
界効果半導体装置からなるアクティブ素子と、強誘電性
液晶とを接続して一画素を構成し、これらの画素をマト
リックス状に配設した液晶表示装置において、前記強誘電性液晶を挟む一対の電極のうち、前記アクテ
ィブ素子側の電極の内側には、配向処理がなされていな
い絶縁膜が設けられていることを特徴とする液晶表示装
置。
【請求項２】基板上に形成された薄膜型絶縁ゲート電
界効果半導体装置からなるアクティブ素子と、強誘電性
液晶とを接続して一画素を構成し、これらの画素をマト
リックス状に配設した液晶表示装置。