JP2816421B2 - 液晶電気光学装置 - Google Patents

液晶電気光学装置

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JP2816421B2
JP2816421B2 JP5678492A JP5678492A JP2816421B2 JP 2816421 B2 JP2816421 B2 JP 2816421B2 JP 5678492 A JP5678492 A JP 5678492A JP 5678492 A JP5678492 A JP 5678492A JP 2816421 B2 JP2816421 B2 JP 2816421B2
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舜平 山崎
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】本発明は基板上にたてチャネル型の積層型
の絶縁ゲイト型半導体装置を設けた液晶電気光学装置に
関する。 【0002】さらに本発明は基板上の積層型の絶縁ゲイ
ト型電界効果半導体装置のソースまたはドレインに連結
してキャパシタを有せしめた複合半導体装置を設けた液
晶電気光学装置に関する。 【0003】本発明はかかる複合半導体装置をマトリッ
クス構造に基板上に設け、液晶表示型のディスプレイ装
置を設けることを特徴としている。 【0004】本発明は表面型の固体表示装置を設ける場
合、平行なガラス板内に電極を設けてこの電極間に液晶
を注入した液晶表示装置が知られている。しかしこの場
合この表示部の絵素数は20〜200までが限界であ
り、それ以上とする場合はこの表示部より外にとり出す
端子が絵素の数だけ必要となってしまうため全く実用に
供することができなかった。このためこの表示部を複数
の絵素とし、それをマトリックス構成させ、任意の絵素
を制御してオンまたはオフ状態にするにはその絵素に対
応した電界効果半導体装置(IGFという)を必要とし
ていた。そしてこのIGFに制御信号を与えてそれに対
応した絵素をオンまたはオフさせたものである。 【0005】この液晶表示部はその等価回路としてキャ
パシタ(以下Cという)にて示すことができる。このた
めIGFとCとを例えば2×2のマトリックス構成(4
0)せしめたものを図1に示す。 【0006】図1においてマトリックス(40)はひと
つのIGF(10)とひとつのC(31)によりひとつ
の絵素を構成させている。これを行に(51),(5
1’)とビット線に連結し、他方ゲイトを連結して列
(41),(41’)を設けたものである。 【0007】すると、例えば(51),(41)を”
1”とし、(51’),(41’)を”0”とすると
(1,1)番地のみを選択してオンとし、電気的にC
(31)として等価的に示される液晶表示を選択的にオ
ン状態にすることができる。本発明は同一基板上にデコ
ーダ、ドライバーを構成せしめるため、他の絶縁ゲイト
型半導体装置(50)および他のインバータ(60)、
抵抗(70)を同一基板上に設けることを目的としてい
る。 【0008】かくすることにより本発明をその設計仕様
に基づいて組合わせることによりブラウン管に代わる平
面テレビ用の固体表示装置を作ることができた。 【0009】さらにカリキュレータ用の表示装置は10
2 〜103 ケの絵素を累いればよく、TV用には104
〜105 個例えば25×103 個の絵素を同一基板に設
け、かつその周辺に必要なデコーダおよびドライバーを
同時に形成させたIGF、インバータ、抵抗を用いて作
ればよいことがわかる。 【0010】本発明にかかるシステムを作るために必要
な積層型のIGFおよびそれに液晶表示部を連結させた
絵素に関するものである。 【0011】図2は本発明の積層型IGFのたての断面
図およびその製造工程を示したものである。 【0012】図面において絶縁基板例えばガラスまたは
アルミナ基板上にP+ またはN+ 型の導電型を有する第
1の半導体(2)(以下単にS1という)トンネル電流
を流しうる厚さの絶縁または半絶縁膜(3)第2の真性
またはNまたはP型の半導体(4)(以下単にS2とい
う),第1の半導体と同一導電型を有する第3の半導体
(5)(以下単にS3という)を積層して設けた。 【0013】この半導体は基板上にシランのグロー放電
法を利用して室温〜500℃の温度にて設けたもので、
非晶質(アモルファス)または半非晶質(セミアモルフ
ァス)構造の珪素半導体を用いている。本発明において
はセミアモルファス半導体(以下SASという)を中心
として示す。このSASに関して本発明人の発明になる
特許願例えば特願昭55−143885(55.10.
15出願)(セミアモルファス半導体)、特願昭55−
122786(55.9.4出願)(半導体装置)、特
願昭55−26388(55.3.3出願)(セミアモ
ルファス半導体)にその詳細な実施例が示されている。 【0014】さらに図2においてフォトリソグラフィー
技術によりS3を選択的に除去し、さらにこのS3をマ
スクとしてS2を除去した。このフォトエッチングの終
点をみるため絶縁または半絶縁膜(以下単に絶縁膜とい
う)(13)は窒化珪素をして設けた。 【0015】さらにその厚さは5〜30Åのうすさであ
り、第1の半導体をプラズマ照射にされたアンモニア雰
囲気にさらすことにより成就した。次にこの絶縁膜(1
3)を化学的に除去した後図2(B)を得た。 【0016】このS3の上にこの後に形成された絶縁膜
をさらに厚く作るため、あらかじめLPCVD法(減圧
気相法)により0.3〜1μの厚さに酸化珪素膜を形成
しておいてもよい。またこのS3上にMo、Wを0.2
〜0.5μさらにその上にSiO2 を0.3〜1μとさ
せてS3の導電率を向上させることはマトリックス化に
有効であった。 【0017】また図2(B)において側面は基板(1)
表面上に垂直に形成してもよいが、台形上にテーパエッ
チをしてさらに積層されるゲイト電極の段差部での段切
を除去することは効果的であった。 【0018】さらに図2(C)に示される如く、フォト
リソグラフィー技術によりS1を任意の所定形状を形成
した。図面ではこのため(11)にて基板表面が露光さ
せた。 【0019】さらにこの後このS1、S2、S3の表面
全体に絶縁膜(6)を形成した。この絶縁膜は13.5
6MHz〜2.45GHzの周波数の電磁エネルギによ
り活性化して酸素または酸素と水素との混合気体雰囲気
に100〜700℃に浸して酸化して形成した。 【0020】さらにLPCVD法により窒化珪素または
リンガラスを形成させた多層構造としてもよい。 【0021】するとS2(14)の側周辺にはゲイト絶
縁物(16)としてこの絶縁物(16)が形成され、S
1、S3の表面はアイソレイション用被膜として形成さ
せることができた。 【0022】さらに(D)に示される如く、第3のフォ
トリソグラフィー技術によりS1(12)に対し電極穴
(8)をS3(15)に対し電極穴(7)を形成しゲイ
ト電極に連結する金属または半導体層を再度積層した。 【0023】次に第4のフォトリソグラフィー技術によ
りこの膜を選択的にエッチングして、ゲイト電極(1
7)をゲイト絶縁物(16),(16’)と2方向に設
けて作り、同時にS1(12)、S3(15)より電極
穴を介して他部のIGF、キャパシタ、抵抗へ基板表面
または絶縁物(6)上に密接して配線させた。 【0024】図2(D)のたて断面図のA−A’を横方
向よりみると図2(E)として示すことができる。番号
はそれぞれ対応させている。 【0025】本発明の半導体は主としてSASを用い、
その中の不対結合手の中和用に水素を用いており、かつ
基板と半導体、電極リードが異種材料であり、それらの
熱膨張によるストレスを少なくするため、すべての処理
を300〜600℃以下好ましくは300℃以下でする
とよかった。 【0026】またゲイト電極(17)をS1、S3と同
一導電型の半導体およびそれにMo等の金属を二重構造
とした多層配線構造でもよい。 【0027】かくしてソースまたはドレインをS1(1
2)、チャネル形成領域(9),(9’)を有するS2
(14)、ドレインまたはソースをS3(15)により
形成せしめ、チャネル形成領域側面にはゲイト絶縁物
(16),(16’)その外側面にゲイト電極(17)
を設けた積層型のIGF(10)を作ることができた。 【0028】この発明においてチャネル長S2(14)
の厚さで決められ、ここでは0.05〜0.5μとし
た。それはSASの移動度が単結晶とは異なりその1/
5〜1/100しかないため、チャネル長を短くしてI
GFとしての特性を助長させることにある。 【0029】SASは電子のパルク移動度が100〜5
00cm2 V/Sと1/3〜1/10であるのに対し、ホ
ールのそれは5〜100cm2 V/Sと1/5〜1/10
0である。しかしそれにアモルファス珪素が電子0.1
〜10cm2 V/S、ホールは0.01cm2 V/S以下に
比べて10〜103 倍も長いことを考えると、本発明の
半導体装置にマイクロクリスタル構造を有するSASを
用いたことはきわめて重要なことである。 【0030】さらに本発明のIGFにおいて、電子移動
度がホールに比べて単結晶の3倍よりも大きく5〜10
0倍もあるためNチャネル型とするのがきわめて好まし
かった。 【0031】そのためS2には不純物を表面部に添加し
ない真性半導体はN- 型であるためこれをP型として用
いた。 【0032】図3は他の本発明のIGFのたて断面図お
よびその製造工程を示したものである。 【0033】図3(A)において基板(1)上にSAS
の珪素膜をS1(2)として形成させた。さらにフォト
リソグラフィー技術により選択エッチングを行ない、基
板(1)の一部(11)を露呈させた。 【0034】次にこのSASを結晶化するための光(レ
ーザ)アニール、熱アニールまたはこれらを併用してこ
のSASを単結晶または多結晶構造に変成させた。加熱
温度は基板材料での熱ストレスを防ぐため、700℃以
下にさせた。 【0035】このS1(2)は基本的にはS2、S3と
エッチングレートが変わればよい。このためS1はPま
たはN型の酸素または窒素が添加されてSiO
2-x (0.5<x<2)、Si3 4-x (1<x<4)
の化学量論を有する真性または半絶縁性を有する半導体
であってもよい。 【0036】図3(B)に示す如く、この後この上面に
S2(4)を真性,N- またはP型でさらにS1と同一
の導電型にS3(5)をPまたはN型に積層して同一反
応炉により形成せしめた。 【0037】さらに図3(C)に示す如く、このS2
(4)、S3(5)を概略同一形状に選択的に他部を除
去して形成し、S2(14)、S3(15)をS1(1
2)上に設けた。この後このS1、S2、S3上表面を
酸化して絶縁膜(6)として設けた。この時S2(1
4)の側周辺はゲイト絶縁膜(16)として設けられ、
他部はアイソレイション膜として設けた。 【0038】次に第3のフォトリソグラフィー技術を用
いて電極穴またはコンタクト部(7),(8)を用いて
その全上表面に半導体または導体の膜を設けた。この膜
を第4のフォトリソグラフィー技術により選択的に除去
してS1(12)にはその他部への連続電極リード(2
2)を、S3(15)にはコンタクト(7)を介して同
様の電極、リードを設け、またS2(14)の側周辺の
チャネル形成領域(9),(9’)の側面のゲイト電極
(16),(16’)上にはゲイト電極(17)を構成
した。 【0039】このようにしてソースまたはドレインをS
1(12)によりチャネル形成領域(9),(9’)を
S2(14)により、ドレインまたはソースをS3(1
5)により構成せしめた。ゲイトはゲイト絶縁物(1
6),(16’)とゲイト電極(17)よりなってい
る。このようにしてゲイト電極を”1”、ソースまたは
ドレインを”1”とすると、チャネル形成領域を電流が
流れオン状態を、またそれぞれが一方または双方が”
0”ならばオフ状態を作ることができた。 【0040】”1”はNチャネル型IGFでは正の0.
5〜10Vの電流を、”0”は0Vまたはスレッシュホ
ルト電圧以下の電流を意味する。 【0041】Pチャネル型のIGFはその電極の極性を
変えればよい。これらの論理系は図1、図2においても
また以下の図3または本発明の実施例においても同様で
ある。 【0042】また図1の抵抗(70)は図2(D),
(E)および図3(D)においてゲイトに加える電圧に
無関係にS2のバルク成分の抵抗率で決められる。すな
わちゲイト電極を設けない状態でS1、S2、S3を積
層すればよい。またこの抵抗値はS2の抵抗率とその厚
さ、基板上にしめる面積で設計仕様に従って決めればよ
い。 【0043】図1のインバータ(60)においてドライ
バー(61)は図2、図3(D)とし、さらにそのロー
ド(64)はS3(15)、S1(12)の一方とゲイ
ト電極(17)との連結させるエンヘンスメント型また
はディプレッション型のIGFとした。 【0044】さらにこのインバータ(60)の出力は
(62)よりなり、この基板上に離間して2つのIGF
を積層して複合化すればよく、入力部はゲイト電極(1
7)に対応して設ければよい。 【0045】図4(A)は他の本発明のたて断面図を示
したものである。すなわち基板(1)にS1(12)、
S2(14)、S3(15)およびゲイト部がゲイト絶
縁物(16)、ゲイト電極(17)によりなっているI
GF(10)と、S1(12)でかつ電気系に連結した
他部はキャパシタの一方の電極(22)を有し、かつこ
の他部は液晶表示の一方の電極(32)をも構成させて
いる。すなわちS1はふたつのキャパシタの一方の電極
となっている。そしてそのひとつのキャパシタは蓄積容
量を大きくとり液晶表示の表示時間を長くするために用
いられている。 【0046】すなわち図1において特定のIGFがオン
状態となる時間が10〜100n秒であっても、液晶パ
ネルとキャパシタが並列に接続されているため液晶表示
はその表示が1〜1000m秒も有するいわゆる残光特
性をもたしめることができた。このため蓄積(ストーレ
イジ キャパシタ)が大きいと例えばTVのブラウン管
に対応する平面パネルでの表示があざやかになり、かつ
絵素の数が104 〜105 ケになり、それらをデジタル
的にスキャンしていても他の絵素に”0”、”1”を表
示しつづけることが可能になる。この蓄積容量の有効性
は絵素の数が10ケ以上になった際見ている人に目のつ
かれを覚えさせないために有効である。 【0047】またこの蓄積容量のキャパシタはゲイト絶
縁物(16)と同一材料としたことにより、同一バッジ
式に何らかの新たな工程を必要とせず作ることができ
た。しかしこの容量を小面積で増加するため、酸化珪素
ではなく窒化珪素、酸化タンタルその他強誘電体を用い
てもよい。 【0048】本発明におけるS1(12)に電気的に接
続されている他の電極(32)は電極穴(25)を介し
て設けられている。これらIGF(10)上にポリイミ
ドまたはPIQ等の層間絶縁物を1〜3μの厚さに設
け、それを選択的にフォトリソグラフィー技術により設
ければよい。この電極(32)がひとつの絵素の大きさ
を決定する。カリキュリータ等においては0.1〜5mm
φまたはく形を有している。しかし図1の如き走査型の
方式において、1〜50μ平方をマトリックス状として
500×500とした。液晶表示部(31)はこの基板
上に半導体装置電極を設けた一方の極と他方をITO等
の透明電極(27)を有するガラス板(28)とを1〜
20μmの間げきを有せしめて対応させそこに例えばネ
マチック型の液晶(26)を注入して設けた。 【0049】またディスプレーをカラー表示してもよ
い。さらに例えばこれらの絵素が三重に重ね合わされて
もよい。そして赤緑青の3つの要素を交互に配列せしめ
ればよい。 【0050】図4(A)に蓄積キャパシタと液晶キャパ
シタで等価回路にて示される液晶とを並列に連結して設
けたのに対し、図4(B)は直列に設けたものである。 【0051】すなわちS1(12)に電気的に連結した
一方の電極(22)上に誘電膜(23)、他方の電極
(24)、さらにこの電極(24)に連結した第2の液
晶キャパシタ(31)の一方の電極(32)が開口(2
5)を介して連結しており、この電極(32)に対応し
て透明電極による対抗電極(27)が液晶(26)の誘
電体をはさんで設けられている。 【0052】図4(A)(B)で明らかな如く、本発明
は基板(1)上に複数のIGFキャパシタ、抵抗または
同時にサンドウイッチ構造として液晶表示の平面パネル
を設けたことを特徴としている。 【0053】さらに図面より明らかな如く、上方よりの
光照射に対して、IGF(10)に光が照射して”0”
状態の時リークしてしまうことを防止するためこれを上
方よりおおい、絵素の一方の電極(32)を設けている
ことを他の特徴としている。 【0054】加えて従来と異なり、絶縁基板上に完全に
他の絵素とアイソレイトしてIGFを積層型に設けてい
ることはきわめて大きな特徴であり、特にこの全行程を
600℃以下特に300℃以下の温度で作ることが可能
であることは、このパネルが大面積としても熱歪の影響
を受けにくいという大きな特徴を有している。 【0055】加えて本発明に用いた半導体は非単結晶構
造を中心としており、特にSASというアモルファスと
単結晶との中間構造であって、かつ600℃までの熱エ
ネルギに対して安定なことは本発明の他の特徴である。 【0056】特にSASは10〜100Åの大きなマイ
クロクリスタル構造の格子歪を有する非単結晶半導体で
あり、その製造には500KHz〜3GHzの誘導エネ
ルギを使っても温度が300℃までで充分であり、加え
てその電子・ホールの拡散長がアモルファス珪素の10
0〜105 倍も大きいという物性的特性を有している。
かかる非単結晶半導体を基板上に積層する構造により、
IGFを設けたこと、加えてここを電流がたて方向に流
れるためチャネル長が0.1〜1μのマイクロチャネル
型IGFを高精度のフォトリソグラフィー技術を用いず
に作ることができることがきわめて大きな特徴である。 【0057】さらに本発明においてIGFとしての特性
はSASの特性にかんがみ、そのスレッシュホールト電
圧(VTM)は例えばドープをイオン注入法で行なうので
はなく、S2に添加する不純物の添加量と加える高周波
パワーにより制御する点も特徴である。 【0058】そのため耐圧20〜30V、VTM=−4〜
4Vを±0.2Vの範囲で制御できた。さらに周波数特
性がチャネル長が0.1〜1μのマイクロチャネルのた
め、これまでの単結晶型の絶縁ゲイト型半導体装置の1
/5〜1/50を非単結晶半導体を用いたのにもかかわ
らず得ることができた。 【0059】また逆方向リークではあるが、図1に示す
ようなS1とS2との間に窒化珪素を10〜40Åの厚
さに挿入することによりこのN+ −P接合またはP+
N接合のリークは逆方向に10Vを加えても10mA以
下であった。これは単結晶の逆方向リークに匹敵する好
ましいものであった。 【0060】またS1に例えば酸素を10〜30モル%
添加すると、図3に示した構造においては同様に逆方向
にリークが少なく、無添加の場合に比べて1/10〜1
/103 倍もリークが少なかった。このリークが少ない
ことが図1のマトリックス構造を実施する時きわめて有
効であることは当然である。 【0061】さらにこの逆方向リークはこの積層型のS
1、S2、S3をともにアモルファス珪素の半導体のみ
で作った場合、逆方向バイアスを10V加えると1mA
以上あったが、これをSASとすると5〜50nAにま
で下がった。それはS1、S3のPまたはN型の半導体
におけるB、Pの不純物が置換型に配位し、そのイオン
化率が単結晶と同じく4N以上となったことおよびその
活性化エネルギもアモルファスの場合の0.2〜0.3
eVより0.005〜0.001eVと小さくなったこ
とにある。 【0062】このため一度配位した不純物が積層中にア
ウトディフュージョンせず結果として接合がきれいにで
きたことによる。 【0063】すなわち本発明は積層型IGFであるこ
と、そこに非単結晶半導体を用いたこと、特にSASを
用いたこと、さらにS1とS2の間の接合を明確にする
ためS1に酸化窒素を同時に添加し主にエネルギバンド
巾として逆耐圧を上げたこと、または絶縁または半絶縁
膜を介在させたSIS接合としたことを特徴としてい
る。 【0064】さらにかかる積層型のIGFのため従来の
ように高精度のフォトリソグラフィー技術を用いること
なく、基板特に絶縁基板上に複数個のIGF、抵抗、キ
ャパシタを作ることが可能になった。そして液晶表示デ
ィスプレーにまで発展させることが可能となった。 【0065】本発明における半導体は珪素、絶縁体は酸
化珪素または窒化珪素を用いた。しかし半導体としてゲ
ルマニューム、InP、BP、GaAs等を用いてもよ
い。また非単結晶半導体ではなく単結晶半導体を、また
SASではなくその結晶粒径の大きな多結晶半導体であ
ってもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明による液晶電気光学装置に用いる絶縁ゲ
イト型半導体装置、インバータ抵抗、キャパシタまたは
絶縁ゲイト型半導体装置とキャパシタとを絵素としたマ
トリックス構造の等価回路を示す。 【図2】本発明による液晶電気光学装置に用いる積層型
絶縁ゲイト型半導体装置の工程を示すたて断面図であ
る。 【図3】本発明による液晶電気光学装置に用いる積層型
絶縁ゲイト型半導体装置の工程を示すたて断面図であ
る。 【図4】本発明の積層型絶縁ゲイト型半導体装置とキャ
パシタまたは液晶とを一体化した平面ディスプレーを示
す複合半導体のたて断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−152894(JP,A) 特開 昭55−518(JP,A) 特開 昭56−1085(JP,A) 特開 昭50−3780(JP,A) 特開 昭53−141588(JP,A) 特開 昭51−86980(JP,A) J.NON−CRYST.SOLID S,V34,(1979)(オランダ)P.1 〜11 APPLIED PHYSICS L ETTERS,V35,(1979)(米) P.686〜687 APPLIED PHYSICS L ETTERS,V36,(1980)(米) P.163〜165

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.Pチャネル型またはNチャネル型の絶縁ゲイト電界
    効果半導体装置のソースまたはドレインと液晶表示部
    を構成する電極とを電気的に連結させて構成される絵素
    を複数配設し、 前記電上に液晶を有し、 前記液晶上に対向電極を有した電気光学装置において、 前記絶縁ゲイト型電界効果半導体装置のチャネル形成領
    域は、真性、N型またはP型であり、かつ10〜1
    00Åのマイクロクリスタル構造の格子歪みを有する非
    単結晶半導体からなることを特徴とする液晶電気光学装
    置。
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