JP3319561B2

JP3319561B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP3319561B2
Application number: JP4507296A
Authority: JP
Inventors: 政彦秋山; 豊中井; 毅日置
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 2002-09-03
Anticipated expiration: 2016-03-01
Also published as: JPH09236823A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレイは、薄型で低消費電力
であり、ノート型パソコンなどに広く用いられている。
特に消費電力が小さいことが他のＣＲＴ、プラズマディ
スプレイなどのディスプレイと比べて優れた特徴であ
り、今後は携帯情報機器への応用が期待されている。

【０００３】携帯機器の場合、ディスプレイの消費電力
が５００ｍＷ以下、できれば数ｍＷと小さいことが望ま
しい。この要求に対して、従来はＴＮ型液晶の単純マト
リクス型でバックライトが不要で消費電力の小さい反射
型を用いてきた。しかし、ＴＮ型では偏光板が必要であ
り反射率が３０％程度と暗いこと、単純マトリクス型で
は画素数を増やすとコントラストが下がりさらに見にく
くなるなどの問題がある。そこで、液晶表示に偏光板を
用いないＰＣＧＨ（相変化ゲストホスト型）モードを用
いてアクティブマトリクスによる駆動を行うことによ
り、反射率が高く、コントラストも高い表示を得ること
が試みられている。

【０００４】図７にこのような従来例の構成を示す。同
図に示す回路構成は、従来の透過型ＴＮ液晶のアクティ
ブマトリクスと同等であり、信号線７１、ゲート線７２
およびその交点にある薄膜トランジスタＴＦＴ７３によ
り、各画素の液晶７４および蓄積容量線７５に接続され
た蓄積容量７６に電荷を与える。液晶７４には交流を印
加する必要があり、対向基板の対向電極７７の電圧を中
心に正電圧、負電圧となるように信号線電圧を与えて実
現している。

【０００５】このような液晶ディスプレイでは、表示が
全く変化しない場合でも交流電圧を印加する必要がある
ため、フレーム周期で選択されるごとに画素電位を書換
えている。容量に交流を印加する場合の消費電力は、Ｐ＝ｆ×Ｖ²×Ｃ（周波数ｆ；電圧Ｖ；容量Ｃ）であるから、周波数が高いほど、電圧が高いほど、容量
が大きいほど消費電力が大きい。

【０００６】液晶ディスプレイで交流駆動する場合に
は、各画素の駆動周波数はフレーム周波数、信号線の駆
動周波数はフレーム周波数と走査線本数の積、信号線ド
ライバＩＣの駆動周波数は、画面の総画素数とフレーム
周波数の積の値、もし分割駆動すればさらに分割数で割
った値、となる。現状で、対角10.4インチのカラーＶＧ
Ａ（６４０×ＲＧＢ×４８０画素）では信号線ＩＣの消
費電力は１Ｗ程度であるから、Ａ４サイズで150dpi相当
の高精細ＬＣＤの画素数ではＶＧＡの6.25倍の１６００
×１２００画素程度となり、２〜３Ｗ以上と大きくなっ
てしまうことが予想される。これでは携帯情報機器に用
いるのはバッテリの使用時間が短く、問題がある。

【０００７】この問題に対して双安定の強誘電性液晶
（ＳＳＦＬＣ）を用いると液晶にメモリ性があり、表示
が変らない限り電圧の供給を停止することができること
が知られており、消費電力の低減が可能である。

【０００８】しかし、双安定の強誘電性液晶では、衝撃
により配向が乱れて表示不良が発生する問題があり、携
帯型表示デバイスとしては採用できない。さらにメモリ
性を持った液晶では表示品位（コントラスト、反射率な
ど）が制限されることが多く、たとえばＳＳＦＬＣでは
偏光板の使用が不可欠の表示モードであり、反射率は３
０％程度と暗い画面しか得られない問題もあった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、パソ
コンの画面や携帯情報機器の画面などでは静止画が多く
画面が書き変らなくも信号線に交流を供給することにな
り、電力を無駄に消費していることになる。

【００１０】そこで、本発明では上述の問題点を解決
し、電力消費を低減することを目的とする。

【００１１】さらに、本発明では画素回路の簡略化を図
ることで高精細化を実現することも目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような問題を解決す
るため、請求項１記載の液晶表示装置は、第１および第
２の電極間に挟まれた液晶層と、いずれも異なる表示信
号を供給する第１ないし第３の信号供給線と、選択信号
を供給する手段と、ゲート部に前記選択信号を保持する
強誘電体を有し、ソース電極が前記第１の信号供給線に
接続され、ドレイン電極が前記第１の電極に接続される
ように備えられた、第１の閾値電圧および第１の極性を
有する第１の電界効果型トランジスタと、ゲート部に前
記選択信号を保持する強誘電体を有し、ソース電極が前
記第２の信号供給線に接続されるように備えられた、前
記第１の閾値電圧より絶対値の大きな第２の閾値電圧お
よび前記第１の極性を有する第２の電界効果型トランジ
スタと、ゲート部に前記選択信号を保持する強誘電体を
有し、ソース電極が前記第２の電界効果型トランジスタ
のドレイン電極に接続され、ドレイン電極が前記第１の
電極に接続されるように備えられた、前記第１の閾値電
圧および第２の極性を有する第３の電界効果型トランジ
スタと、ゲート部に前記選択信号を保持する強誘電体を
有し、ソース電極が前記第３の信号供給線に接続され、
ドレイン電極が前記第３の電界効果型トランジスタのソ
ース電極に接続されるように備えられた、前記第２の閾
値電圧および前記第２の極性を有する第４の電界効果型
トランジスタとを具備する。この発明では、液晶に印加
する電圧が３種類になるので、階調を得ることができ
る。

【００１３】ここで、第１の電極とは例えば画素電極、
第２の電極とは例えば対向電極、基準電位とは例えば対
向電極の電位のことで、例えばグランド電位である。

【００１４】第１の表示信号、第２の表示信号は、画
素の状態、すなわち第１の電極と第２の電極との間に挟
持された液晶層の状態を制御する信号である。第１の表
示信号、第２の表示信号は、一方が直流で他方が交流、
あるいは両方が直流または交流であってもよい。例えば
第１の表示信号として交流を印加し、第２の表示信号と
して一定電位を印加してもよい。また第１の表示信号を
供給する手段、第２の表示信号を供給する手段は、例え
ば給電線路のような形態である。第１の表示信号を供給
する手段、第２の表示信号を供給する手段ばかりでな
く、第３の表示信号を供給する手段、第４の表示信号を
供給する手段等を設け、それらの手段に供給される表示
信号も選択的に液晶に印加するようにしてもよい。

【００１５】選択信号は、画素の状態を選択するための
信号であり、例えば選択信号線を介して駆動回路より印
加される。選択信号線と強誘電体との間にはスイッチン
グ素子、例えばゲートが走査線に接続されたＦＥＴを介
挿する。走査線と選択信号線とスイッチング素子によ
り、任意の画素の状態を制御することが出来る。つまり
任意の画素に印加される表示信号を、選択信号により、
第１の表示信号と第２の表示信号から選択することがで
きる。選択信号は強誘電体の分極状態として保持され
る。

【００１６】「強誘電体に保持された選択信号に応じ
て、第１または第２の表示信号を第１の電極に印加する
選択手段」は、例えばスイッチング素子のような形態で
あるが、制御素子のような形態であつても構わない。ス
イッチング素子としては、一対のpチャネルとnチャネル
の電界効果トランジスタがある。電界効果トランジスタ
としては、薄膜トランジスタがある。薄膜トランジスタ
の構成はトップゲート型、ボトムゲート型など必要に応
じて設計するようにすればよい。そして、例えばpチャ
ネルとnチャネルの電界効果トランジスタのゲートに同
じ信号を印加するだけで、相補的に一方をオン、他方を
オフさせることができ、第１の電極に印加する電圧を選
択することができる。また選択の形態としては、強誘電
体が保持した選択手段に応じて相補的にオン・オフする
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子があ
る。第１のスイッチング素子がオンの時には第１の表示
信号が第１の電極に印加され、第２のスイッチング素子
がオンの時には第２の表示信号が第１の電極に印加され
ることになる。

【００１７】そして強誘電体と、選択手段を構成する
前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング
素子を用いて、強誘電体の分極状態に応じてオン・オフ
するようにすればよい。選択手段を構成する第１のスイ
ッチング素子および第２のスイッチング素子を、強誘電
体の分極状態に応じて相補的にオン・オフするようにす
れば、第１の表示信号が液晶層に印加されている状態
と、第２の表示信号が液晶層に印加されている状態とを
自動的に切り換えることができる。相補的にオン・オフ
する第１のスイッチング素子および第２のスイッチング
素子の形態としては、例えば相補型MOSFETがある。この
相補型MOSFETのゲート部に、保持手段として強誘電体を
備えてもよいし、相補型MOSFETのゲート部と接続して強
誘電体を備えてもよい。強誘電体は第１のスイッチング
素子と第２のスイッチング素子をとで分離していてもよ
いし、一体的に形成して共用してもよい。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る液晶表示装置
の１画素の等価回路図を示す。

【００２４】同図に示すように、単位画素には、画素選
択用トランジスタ１、これを選択する走査線２、画素の
状態を決める信号を供給する信号線３、がそれぞれゲー
トおよびソースの接続される。

【００２５】画素選択用トランジスタ１のドレインには
ｎチャネル型トランジスタ４、ｐチャネル型トランジス
タ５のゲートが接続される。トランジスタ４、５のゲー
ト部には強誘電体が設けられ、内部分極の状態によって
トランジスタがオン、オフを保持することができる。強
誘電体はトランジスタのゲート絶縁膜の一部に設けるこ
ととした。ｎチャネル型、ｐチャネル型トランジスタ
４、５のソース側を２つの配線７、８にそれぞれ接続
し、ドレイン側を相互に接続して液晶６に電圧を印加す
るようにする。液晶６の他方の電位は対向電極９となっ
ている。

【００２６】配線７に対向電極９の電位を中心に６０Ｈ
ｚ程度の交流を印加し、配線７を対向電極９と同じ電位
とすると、ゲート信号がオン（図２Ａ）、走査信号パル
スが印加（図２Ｂ）のときでトランジスタ４がオン（図
２Ｄ）しているときには液晶６に所定の交流電圧が印加
され（図２Ｅ）、ゲート信号オフ（図２Ａ）、走査信号
パルスがオフ（図２Ｂ）のときでトランジスタ５がオン
（図２Ｃ）しているときには液晶６には電圧が印加され
ない状態を得る（図２Ｅ）。この２つの状態はトランジ
スタ４、５によってメモリされているので画像が変化し
なければ、信号線３に高周波の交流を印加する必要がな
く、低消費電力が実現される。トランジスタ４、５は同
じゲート電位を印加しても相反的に動作するので画素回
路が大幅に簡略される。信号線を２本にして２つのトラ
ンジスタを独立に制御することも可能であるが、それに
比べて外部駆動回路が簡略になるとともに、画素の高集
積化が図られる。

【００２７】なお、配線７、８には上記の信号のかけ方
に限定されない。両者とも直流の電位とすることもかま
わない。

【００２８】図３は図１の回路を実現した画素の平面
図、図４は図３のＡ−Ａ’断面図を示す。図３の30X(X=
1 〜9)は図１の番号Ｘと対応させている。なお、図３の
309 は画素電極を示す。

【００２９】図４を用いて本発明の主要なプロセスを説
明する。まず、絶縁性基板401 にアモルファスシリコン
膜を堆積し、エキシマレーザアニールにより多結晶化さ
せ、島状にパターニングする。ｎチャネルトランジスタ
407 およびｐチャネルトランジスタ408 のチャネル領域
402 は多結晶シリコン（膜厚70nm）である。なお、本例
ではn-ch、p-chともノンドープの多結晶シリコンとした
がＴＦＴのしきい値電圧制御のためにn-ch,p-ch それぞ
れ独立にわずかにドーピングしてもよい。

【００３０】続いて強誘電体を含むゲート絶縁膜405 を
堆積する。本例ではECR-CVD で堆積したシリコン酸化膜
（膜厚50nm）とチタン酸バリウム（ BaTiO₃）強誘電体
膜（膜厚20〜400nm ）の積層とした。強誘電体単層でも
よく、強誘電体の上に絶縁膜を設けたもの、３層にした
もの、強誘電体と常誘電体の間に中間電極を設けたもの
などもよい。強誘電体としては、ＰＺＴ（ [Pb(Zr,Ti)O
₃] ）などのペロブスカイト型酸化物の他、層状酸化物
（Bi₄Ti₃O ₁₂など）を用いてもよく、有機材料（ビニ
ィデンフルオライド(VDF;vinylidene fluoride) とトリ
フロエチレン(TrFE;trifluoroethylene)の混合物など）
でもよい。成膜方法として、スパッタ法、ゾル・ゲル
法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、などを用いる
ことができる。

【００３１】その上にゲート電極406 を形成し、イオン
ドーピングでソース、ドレイン領域を形成する。n-chＴ
ＦＴ407 ではソース、ドレイン領域403 に燐を、p-chＴ
ＦＴ408 ではソース、ドレイン領域404 にボロンを、そ
れぞれドープした。また、それぞれＬＤＤ構造とし、ソ
ース、ドレイン領域とチャネルとの間に中濃度不純物領
域を設けた。全体をシリコン酸化膜ないしシリコン窒化
膜などの層間絶縁膜409 で覆い、スルーホールを開けた
後にソース、ドレイン電極およびこれと接続される配線
410,411,412 を形成した。その上にアクリル樹脂、ＢＣ
Ｂ（ベンゾシクロブテン）などの第２の層間絶縁膜413
と堆積し、スルーホールを開けた後に画素電極414 を形
成した。

【００３２】以上でＴＦＴアレイが完成し、ガラスない
しプラスチックなどの対向基板417および対向電極416
との間に液晶を配置して表示装置が完成する。

【００３３】液晶には、ゲストホスト型液晶を用いた。
ホスト液晶を９０〜３６０度回転させたもの、配向がラ
ンダムになるアモルファスゲストホスト型などがコント
ラスト、反射率を高める上で有効である。また、TN型で
もよく、コレステリック液晶を用いた選択反射−透過モ
ードでもよく、強誘電性液晶、反強誘電性液晶、高分子
分散型液晶、ＯＣＢモード液晶、などを用いてもよい。
表示方式も自由であり、光学的な変化の分類でいえば、
透過−吸収を得るもの、透過−散乱を得るもの、散乱−
吸収を得るもの、などいずれでもよい。画素の素子数が
多いので素子の上に絶縁膜を設けて画素電極を形成した
反射型が望ましいが、画素サイズによっては透過型でも
可能である。モノクロでもカラー表示でも当然かまわな
い。液晶層は単層でも多層でもよい。

【００３４】図４の構造では画素電極がＴＦＴ部および
配線を覆うようにしているが、本発明のように液晶には
常時（画素を選択していない期間）決められた信号が供
給されるされるため、従来例と異なり、画素電極と信号
線、走査線、その他の配線との寄生容量によるノイズの
問題がなく、設計が容易となる。つまり、従来は、画素
電極でＴＦＴ部等を覆うようにした場合、画素電極とＴ
ＦＴ部等との間に寄生容量が発生し、ＴＦＴ部等の電気
的特性に悪影響を与え、表示品質等に悪影響を与えてい
た。これに対して、本発明では、画素電極の下に強誘電
体を含むトランジスタを配置したので、寄生容量による
表示品質等の劣化はなくなる。

【００３５】図１の選択トランジスタは１つの場合に限
らず、縦横に設けた走査線の交点のみに信号線電圧が印
加されるようなＡＮＤを取る２つのトランジスタの回路
などを用いることもできる。また、１つの選択線の情報
を読み取り、画素選択および信号受信を行う回路として
もよい。

【００３６】以上の実施例ではトランジスタを多結晶シ
リコンＴＦＴとしたが、アモルファスシリコンＴＦＴで
もよく、微結晶シリコンでもシリコン−ゲルマニウム合
金などでもよい。トランジスタ構造はプレーナ型に限ら
ず、スタッガ型、逆スタッガ型でもよく、セルフアライ
ン型に限らず、非セルフアライン型でも構わない。

【００３７】図５は本発明の他の例の画素部の回路図を
示す。本例では、ｎチャネルトランジスタ505 およびｐ
チャネルトランジスタ503 は通常の電界効果トランジス
タでチャネル部が多結晶シリコンまたは、アモルファス
シリコンでできており、ソース、ドレイン領域の不純物
のキャリアが電子か正孔かでｎチャネルかｐチャネルか
が決まる。強誘電体はゲート電極に接続された強誘電体
コンデンサ504,506 によって構成されている。

【００３８】この一対のトランジスタのゲートに電圧を
与えるのに、２つの選択用トランジスタ501,502 があ
り、１つの走査線510 ともう１つの走査線511 の両方が
ハイレベル（トランジスタ501,502 がｎチャネルの場
合）の時に信号線512 からの電圧がかかるようになって
いる。これにより、任意画素のみに信号を与えることが
できる。

【００３９】本例では、強誘電体とトランジスタが分離
されており、プロセス的に作りやすい特徴がある。

【００４０】なお、強誘電体コンデンサとトランジスタ
は平面的に離れていてもいなくてもよい。すなわちゲー
ト電極とチャネルの間に強誘電体と常誘電体からなるゲ
ート絶縁膜を配し、その間に中間電極を設けることも可
能である。また、強誘電体に接する電極にはＩＴＯなど
の酸化物電極を採用できる。

【００４１】トランジスタの構造はプレーナ型にかぎら
ず、スタッガ型、逆スタッガ型などいずれでもよく、半
導体には多結晶シリコンなどの他に単結晶シリコン、微
結晶シリコン、シリコン−ゲルマニウム合金、Ｔｅ，Ｃ
ｄＳｅなどの半導体でもよい。また、図５では、各ト
ランジスタ507,508 のゲートにそれぞれ強誘電体コンデ
ンサ504,506 が接続されていたが、図６に示すように選
択用トランジスタ601のドレインと２つのトランジスタ6
02,603 のゲート間を１つの強誘電体コンデンサ604 を
介して接続してもよい。

【００４２】図８にさらに他の例を示す。この例では、
液晶に印加する電圧が２種より多い種類、例えば４種類
を印加することができる。同図では、液晶812 に対して
ｐチャネル、ｎチャネルの一対のトランジスタ802,803
があり、これには強誘電体がゲート絶縁膜に儲けｔｒ荒
れている。強誘電体の分極が反転することでトランジス
タ803 がオンとなるゲート電圧をＶth1 、同時にトラン
ジスタ802 はオンからオフとなるようにする。

【００４３】トランジスタ803 には、ｐチャネル、ｎチ
ャネルの一対のトランジスタ804,805 が接続され、同時
に強誘電体を含み、ただししきい値電圧がトランジスタ
802,803 と異なったＶth2 を持つ。

【００４４】トランジスタ805 には、ｐチャネル、ｎチ
ャネルの一対のトランジスタ806,807 が接続され、Ｖth
3 、Ｖth3'のしきい値電圧を持つ。これらのゲートは、
接続され、画素選択用トランジスタ801 によって駆動さ
れる。

【００４５】画素選択用トランジスタ801 からの信号が
十分負になっていれば、トランジスタ802 はオンとな
る。そこで、液晶812 は、信号線808 の信号が印加され
る。Ｖth1 ＜Ｖth2 ＜Ｖth3 とすれば、符号816 の電圧
がＶth1 を越えるとトランジスタ802 がオフし、トラン
ジスタ803 がオンしているので、信号線809 の信号が液
晶812 に印加される。符号816 の電圧がＶth2 を越える
とトランジスタ804 がオフし、トランジスタ805 がオン
する。トランジスタ806 はオンしたままなので信号線81
0 の信号が液晶812 に印加される。符号816 の電圧がＶ
th3 を越えるとトランジスタ806 がオフし、トランジス
タ807 がオンするため、信号線811 の信号が液晶812 に
印加される。

【００４６】このようにすることで、４種類の信号を切
り替えてかつメモリ性を持たせることができる。Ｖthを
変える方法として、強誘電体の膜厚を変える他に、常誘
電体ゲート絶縁膜の膜厚を変える方法もある。また、チ
ャネルにドーピングすることでもよい。図５、図６のよ
うに強誘電体コンデンサを接続する方法でもよい。これ
により、階調を得ることができる。

【００４７】なお、信号線808,809,810,811 の信号は、
各画素に外部から印加するようにすればよいが、例えば
信号線808,811 の信号のみを外部から与えて、信号線80
9,810,の信号については画素内で分割抵抗や容量分割で
作ることができる。

【００４８】その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で
あれば様々な変形をすることは可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
液晶ディスプレイでの消費電力を低減することができ
る。液晶には所定の電位が常時印加されるので、良好な
画質が得られる。また、回路が簡略となり高精細化が実
現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る画素部の回路図。

【図２】本発明に係る液晶表示装置の駆動タイミイグ
チャート。

【図３】本発明に係る画素部の平面図。

【図４】本発明に係る画素部の断面図。

【図５】本発明の他の例に係る画素部の回路図。

【図６】本発明の他の例に係る画素部の回路図。

【図７】従来の画素部の回路図。

【図８】本発明の他の例に係る画素部の回路図。

【符号の説明】

１画素選択薄膜トランジスタ２走査線３信号線４ゲートに強誘電体を含むｎチャネル型薄膜トラン
ジスタ５ゲートに強誘電体を含むｐチャネル型薄膜トラン
ジスタ６液晶７、８信号供給線９対向電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−118912（ＪＰ，Ａ) 特開平５−119298（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−131646（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1362 G02F 1/1343

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１および第２の電極間に挟まれた液晶
層と、いずれも異なる表示信号を供給する第１ないし第３の信
号供給線と、選択信号を供給する手段と、ゲート部に前記選択信号を保持する強誘電体を有し、ソ
ース電極が前記第１の信号供給線に接続され、ドレイン
電極が前記第１の電極に接続されるように備えられた、
第１の閾値電圧および第１の極性を有する第１の電界効
果型トランジスタと、ゲート部に前記選択信号を保持する強誘電体を有し、ソ
ース電極が前記第２の信号供給線に接続されるように備
えられた、前記第１の閾値電圧より絶対値の大きな第２
の閾値電圧および前記第１の極性を有する第２の電界効
果型トランジスタと、ゲート部に前記選択信号を保持する強誘電体を有し、ソ
ース電極が前記第２の電界効果型トランジスタのドレイ
ン電極に接続され、ドレイン電極が前記第１の電極に接
続されるように備えられた、前記第１の閾値電圧および
第２の極性を有する第３の電界効果型トランジスタと、ゲート部に前記選択信号を保持する強誘電体を有し、ソ
ース電極が前記第３の信号供給線に接続され、ドレイン
電極が前記第３の電界効果型トランジスタのソース電極
に接続されるように備えられた、前記第２の閾値電圧お
よび前記第２の極性を有する第４の電界効果型トランジ
スタとを具備することを特徴とする液晶表示装置。