NL8103376A - Weergeefinrichting. - Google Patents

Description

^ » ϊ * ΡΗΝ 10.098 1 N.V. Philips1 Gloeilanpenfabrieken te Eindhoven.

Weergeefinrichting.

De uitvirding heeft betrekking op een weergeefinrichting bevattende een elektro-cptisch weergeefmedium tussen twee steunplaten, een stelsel van in rijen en kolontnen gerangschikte beeldelanenten, waarbij elk beeldelenent vrordt gevormd door twee op de naar elkaar toe-5 gekeerde oppervlakken van de steunplaten aangebrachte beeldelektroden, een stelsel van rij- en kolcnelektroden voar het aansturen van de beeldelementen, waarbij de rijelektroden op de ene steunplaat en de kolcnelektroden op de andere steunplaat zijn aangebracht, en een stelsel van schakelelementen, waarbij tussen een rij- en een kolcmelektrode in 10 serie met elk beeldelenent een schakelelenent is opgencmen, welke schakelelenenten warden gevantd door twse in serie geschakelde, tegen-gesteld gerichte diodes.

Een dergelijke weergeefinrichting is geschikt voor het weergeven van alpha-numerieke en video-informatie met behulp van 15 pas sieve elektro-optische weergeefmedia zoals vloeibare kristallen, elektrcrphoretische suspensies en elektro-chrcxne materialen.

De bekende passieve elektro-optische weergeefmedia bezitten in het algeneen een onvoldoend steile drempel ten qpzichte van de aangelegde spanning en/of bezitten een onvoldoend intrinsiek geheugen.

20 Deze eigenschappen veroarzaken bij gerrultiplexte matrixweergeefinrich-tingen dat het aantal aan te sturen lijnen gering is. Door bet gebrek aan geheugen moet de aan een geselecteerde rijelektrode via de kolcm-elektroden aangeboden inf ormatie steeds opnieuw warden ingeschreven. Bovendien staan de op de kolamelektroden aangeboden spanningen niet 25 alleen over de beeldelenenten van een aangestuurde rijelektrode, near ook over de beeldelenenten van alle andere rijen. Hierdoor ondervinden beeldelementen gedurende de tijd, dat deze niet zijn aangestuurd een effektieve spanning, die voldoende kan zijn am een beeldelenent in de aan-toestand te brengen. Voorts neemt bij een toenenend aantal rijelektroden 30 de verhcuding van de effektieve spanning, die een beeldelenent in de aan- respektievelijk uittoestand ondervindt, af .Door het gebrek aan een voldoend steile dreipel neent daardoor het kontrast tussen beeldelenenten in de aan- en uittoestand af.

8103376 «* l PHN 10.098 2

Het is bekend, dat het aantal aan te sturen rijen kan warden vergroot door per beeldelement een extra schakelaar te inte-greren. Deze schakelaar zorgt voor een voldoend steile drempel ten qpzichte van de aangelegde spanning en zorgt ervoor dat de aan een 5 aangestuurde rijelektrode aangeboden informatie over een beeldelement blijft staan gedurende de tijd, dat de overige rijelektroden warden aangestuurd. De schakelaar voorkomt tevens dat een beeldelement een effektieve spanning ondervindt gedurende de tijd, dat deze niet is aangestuurd.

10 Een weergeef inrichting van een in de aanhef genoemde soort is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4,223,308. Bij deze bekende weergeef inr ichting warden als schakelelementen twee in serie geschakelde, tegengesteld gerichte dioden (back-to-back diodes) gebruikt. Deze schakelelementen zijn synmetrisch ten qpzichte van een spannung 15 nul, hetgeen gewenst is amdat vloeibaar kristal weergeefinrichtingen net wisselspanning warden bedreven cm degradatie van het vloeibaar kristal bij gelijkspanningssturing te voorkomen. Van de twee' back-to-back diodes staat er steeds έέη in de sperrichting, zodat de drenpel- . spanning wardt bepaald door de doorslagspanning van een diode.

20 Deze bekende back-to-back diodes worden gevormd door twee pn-overgangen, die met elkaar zijn verbonden door een geleider. Deze struktuur heeft echter het nadeel, dat de pnrstrukturen een spannings-afhankelijke, serieweerstand bezitten, welke in het bijzonder dan groot is wanneer Sen van de gebieden van de pn-strukturen licht gedoteerd is, 25 rost naire in amorf en polykristallijn halfgeleidermateriaal.Dit betekent dat bij het bekrachtigen van een beeldelement bij de drempel-spanning van het elektro-optische effekt behalve de drertpelspanning van het schakelelement ook de spanningsval over de serieweerstand van het schakelelement moet worden qpgeteld, waardoor de weerstand in de 30 aantoestand ongunstig wordt beinvloed, zodat een ongunstige schakel-verhouding ontstaat. De schakelverhouding is de verhouding tussen de weerstand van het schakelelement in de aan- en uittoestand.

Het is dan ook het doel van de uitvinding een schakelelement aan te geven, waarmee een betere schakelverhouding wordt verkregen en 35 waarmee lagere spanningen voor het aansturen van de weergeef inrichting benodigd zijn.

Een weergeef inrichting van een in de aanhef genoemde soort wordt daartoe gekenmerkt, doordat de genoemde twee diodes worden gevormd Τι Oil" 7 6 EHN 10.098 3 ________door een halfgeleidergebied van het eerste geleidingstype, welk op twee van elkaar gescheiden plaatsen een pn-overgang vomit met halfgeleidergebieden van het tweede geleidingstype, waarbij de afstand tussen de twse pn-overgangen zo gering is, dat in de bedrijfstoestand 5 punch-through cptreedt tussen de beide pn-overgangen voordat een van de pn-overgangen in doorslag kcmt. Bij een schakelelement volgens de uitvinding zijn de twee diodes geintegreerd tot een geheel met een voor de twee diodes gemeenschappelijk halfgeleidergebied van het eerste geleidingstype. Zoals bekend bevindt zich ter plaatse van een 10 pn-overgang een depletielaag, waarin zich geen vrije ladingsdragers bevinden. In het gemeenschappelijke halfgeleidergebied van het eerste geleidingstype strekken zich derhalve twee depletielagen uit. Wardt een spanning over de twee diodes aangelegd dan neernt bij toenenende spanning de hreedte van de depletielaag van de gesperde pn-overgang 15 relatief sterker toe dan de hreedte van de depletielaag van de in doorlaatrichting gestuurde pn-overgang afneemt. De dikte van het gemeenschappelijke halfgeleidergebied van bet eerste geleidingstype is volgens de viitvinding zo gering gekozen, dat, v66rdat de gesperde pn-overgang in doorslag kcmt, de depletielagen in het gemeenschappe-20 lijke halfgeleidergebied van het eerste geleidingstype elkaar raken of overlappen. Tussen de twee halfgeleidergebieden van het tweede geleidingstype treedt hierdoor punch-through op. Door het punch-through effect verkrijgt het gemeenschappelijke halfgeleidergebied van het eerste geleidingstype een verwaarloosbaar kleine weerstand. Door deze 25 konstruktie van de diodes verdwijnt de serieweerstand over het schakelelement, zodat een betere schakelverhouding wordt verkregen en een beeldelement met lagere spanningen dan voorheen kan worden aange-stuurd.

Cpgemerkt wordt dat punch-through effekten bij in serie 30 en tegengesteld geschakelde pn-overgangen qp zich bekend zijn uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7801532, welke betrekking heeft op een EDM (read only memory). Van. het gebruik als schakelelement in een passieve elektro-optische weergeefinrichting is daarin echter geen sprake.

Een eerste uitvoeringsvorm van een weergeefinrichting volgens 35 de uitvinding wardt gekenmerkt doardat de twee halfgeleidergebieden van het tweede geleidingstype in hetzelfde vlak zijn gelegen als het halfgeleidergebied van het eerste geleidingstype. De schakelelementen zijn hierbij in een volledig vlakke struktuur gerealiseerd. Deze 8103376 5 “Ί k ΕΗΝ 10.098 4 „........ ... uitvoeringsvorm heeft het voordeel, dat in deze vlakke struktuur qp eenvoudige wijze zeer syirmetrische schakelelementen kunnen worden ver-vaardigd.

Een tweede uitvoeringsvorm, waarbij de schakelelementen een 5 laagsgewijze opbouw bezitten, wordt gekenmerkt, doordat het tweede -halfgeleidergebied . van het tweede geleidingstype tenminste gedeelte-lijk zijn aangehracht qp het eerste halfgeleidergebied van het tweede geleidingstype, welke twee gebieden van elkaar zijn gescheiden door het halfgeleidergebied van het eerste geleidingstype. Deze uitvoerings-10 vorm heeft het voordeel dat zeer kleine afstanden tussen de twee halfgeleidergebieden van het tweede geleidingstype kunnen worden gere-aliseerd.

De uitvinding wordt bij wijze van voorbeeld nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening, waarin 15 figuur 1 schematisch een doorsnede van een deel van een weergeef- inrichting van het type waarop de uitvinding betrekking heeft weergeeft, figuur 2 een doorsnede van een eerste uitvoeringsvorm van een schakel-element voor de weergeefinrichting in fig. 1 toont, 20 figuur 3 een bovenaanzicht. van de in figuur 2 getoonde struktuur toont, figuur 4 een spanning-stroomkarakteristiek van het in fig. 2 en 3 getoonde schakelelement weergeeft, figuur 5 het aanstuurschema van de weergeefinrichting in fig. 1 toont, figuur 6 een doorsnede van een tweede uitvoeringsvorm van een 25 schakelelement voor de weergeefinrichting in fig. 1 toont.

Figuur 1 toont een doorsnede van een deel van een weergeefinrichting 1, die is voorzien van twee steunplaten 2 en 3, waartussen zich een vloeibaar kristal 4 bevindt. De binnenoppervlakken van de steunplaten 2 en 3 zijn voorzien van elektrisch en chemisch isolerende 30 lagen 5. Cp de steunplaten 2 en 3 zijn een groot aantal in rijen en kolatmen gerangschikte beeldelektroden 6 respektievelijk beeldelektroden 7 aangehracht . De tegenover elkaar gelegen beeldelektroden 6 en 7 vormen de beeldelementen van de weergeefinrichting. Tussen de kolcmmen van beeldelektroden 7 zijn stripvormige kolcmelektroden 11 aangehracht.

35 Cp voordelige wijze kunnen de kolomelektroden 11 en de beeldelektroden 7 warden geintegreerd tot stripvormige elektroden. Tussen de rijen van beeldelektroden 6 zijn stripvormige rijelektroden 8 aangehracht. Elke ........beeldelektrode 6 is met een rijelektrode 8 verbonden door middel van een 8103376 t EHN 10.098 5 _______schematisch aangegeven schakelelement 9. De schakelelementen 9 voor- zien het vloeibare kristal 4 van een voldoend steile drarpel ten opzichte van de aangelegde spanning en voorzien het vloeibare kristal 4 van een geheugen. Op de binnencppervlakken van de steunplaten 2 5 en 3 zijn vender vloeihaar kristal orienterende lagen 10 aangebracht.

Zoals bekend kan door het aanleggen van een spanning over de vloeibare kristallaag 4 een andere corientatietoestand van de vloeibare kristal- molekulen en daarmee een optisch andere toestand warden verkregen.

De weergeefinrichting kan zcwel als een transmissieve als een reflek- 10 tieve inrichting warden gerealiseerd.

Figuur 2 toont een doorsnede van een eerste uitvoeringsvorm van de in fig. 1 schematisch weergegeven schakelelementen 9, waarin gelijke anderdelen met gelijke verwijzingscijfers zijn 'weergegeven.

Op de steunplaat 2 wordt een 0,2yum dikke elektrisch en chemisch 15 isolerende laag 5 van siliciunm.tride aangebracht. Cp de laag 5 wardt vervolgens een 1^um dikke laag bij voorkeur al p-gedoopt poly- silicium aangebracht, waarin met behulp van een fotolithografisch proces polysilicium eilandjes 20 warden gevormd. Indien van ongedoped polysilicium is uitgegaan wardt in de eilandjes een p-dope aangebracht 20 bijvoarbeeld door ianenimplantatie van boor met een aktieve dope- 15 3 ccncentratie van 1.10 /cm . Cp de polysiliciumeilandj es 20 wardt met behulp van een fotolithografisch proces een masker aangebracht voor het aanbrengen in de gebiedjes 22 en 23 van een n+ dope bijvoarbeeld door ioneninplantatie van fosfor met een aktieve dope concentratie 18 3 + 25 van 1.10 /cm . Door het aanbrengen van de n dope wardt in de eilandjes + + 20 een vlakke n -p-n struktuur gevormd. Het geheel wardt vervolgens gedurende 1 uur gegloeid bij een maximale temperatuur van 1000°C.

Over bet p-gedocpte gebiedje 21 en gedeeltelijk Over de n+-gedoopte gebiedjes 22 en 23 wardt vervolgens een 0,2yum dikke afdeklaag 24 van 30 siliciumaxide of siliciumnitride aangebracht. Hiema warden de beeld- elektroden 6 en de rijelektroden 8 van indiumr en/of tinoxide met een dikte van 0,15,uni aangefcracht, zodanig dat een beeldelektrode 6 het • + vrigliggende cppervlak van het n -gedoopte gebiedje 22 bedekt en een rijelektrode 8 het vrijliggende oppervlak van het n+-gedoopte gebiedje 35 23 bedekt. Over de gehele struktuur wardt vervolgens een 0,1^um dikke orienteringslaag van een polyimide aangebracht.

In figuur 3 is een bovenaanzicht van de in fig. 2 getoonde struktuur weergegeven. Het oppervlak van de beeldelektroden bedraagt 8103376 PHN 10.098 6 * 2 .. ongeveer 250 x 250^um . De polysiliciumeilandjes 20 hebben een -. : lengte a = 50^um en een breedte b = 20^um. De eilandjes 20 nemen slechts een zeer klein qppervlak in ten opzichte van het qppervlak van de beeldelektroden 6, zodat de eilandjes 20 nagenoeg onziehtbaar 5 zijn in het waargenamen beeld. De afstand tussen de aansluitingen van de beeldelektrode 6 en de rijelektrode 8 bedraagt c = 2Cym. De . breedte van het p-gedoqpte gebiedje 21 bedraagt d = 1^um.

In figuur 4 is van het beschreven schakelelement van de genoemde afrnetingen met de genoemde dope-concentraties de strocm-10 spanningskarakteristiek getekend. De punch-through of de drempel-spanning van het schakelelement bedraagt 6 V. In het doorslag-gebied hangt de spanning V nagenoeg niet af van de stroom 1/ zodat de serieweerstand van het schakelelement verwaarloosbaar klein is.

Dit is het gevolg van de zeer geringe breedte d van het p-gedoqpte 15 gebiedje 21 * Onder invloed van de aangelegde spanning breidt de depletie-laag van de gesperde pn-overgang zich in het gebiedje 21 sterker uit dan de depletielaag van de in de doorlaatrichting gestuurde pn-overgang in het gebiedje afneemt. Door de geringe breedte d van het gebiedje 21 raken respektievelijk overlappen de beide depletie-20 lagen elkaar v66rdat doorslag optreedt. Hierdoor treedt tussen de beide p-gebieden 22 en 23 punch-through op, waardoor als het ware de beide n+-gebieden 22 en 23 worden kortgesloten. Zoals uit de figuur blijkt, is de karakteristiek. volkanen syitmetrisch, hetgeen wenselijk is amdat de weergeefinrichting met wisselspanning wordt 25 bedreven teneinde ongewenste elektrodeprocessen door gelijkspannings-aansturing te voorkcmen. De grootte van de punch-through spanning Vp£, welke onafhankelijk is van de afmetingen a en b van het schakelelement, kan worden ingesteld door middel van de dope-concentraties en de breedte van het gebiedje d. De optredende sperstrocm kan 30 worden geminimaliseerd door een geschikte keuze van de breedte b en de dikte van de schakelelementen.

De aansturing. van de weergeefinrichting zal nader warden toegelicht aan de hand van figuur 5. Tussen de rijelektroden 8 en de koloielektroden 11 zijn de beeldelementen gevormd door de beeld-35 elektroden 6 en 7 geschakeld, waarbij in serie net elk beeldelement een schakelelement 9 is geschakeld. Bij het aansturen van de weergeefinrichting worden achtereenvolgens de rijelektroden 8 aangestuurd ......met spanningspulsen +V_. In de tijd dat een rijelektrode 8 is bekrach- s 81 0 3 3 7 6 PEN 10.098 7 tigd warden aan geselekteerde kolonelektxoden 11 spanningspulsen toegevoegd. Over deze geselekteerde kolcmelektroden 11 en de bijbeharende rijelektrode 8 staat dan een spannlngsverschil Vs+V^.

Dit spannlngsverschil staat eveneens over de serieschakeling van de 5 beeldelenenten en de schakelelementen 9. De spanning V +V, is groter s d dan de docrslagspanning v^. van de schakelelementen 9. Hierdoor kcmt een deel van de spanning Vs+V^ over de aangestuurde beeldelenenten te staan, welke voldoende is ora het vloeibare kristal 4 ter plaatse van de beeldelenenten in een andere orientatietoestand te brengen.

10 Aan de niet geselekteerde kolcmelektroden 11 warden spanningspulsen toeaevoerd. Over deze kolcnelektroden 11 en de rijelektroden 8 staat dan een spannlngsverschil V^V^. Dit spannlngsverschil is kleiner dan de drenpelspanning V . van de schakelelementen, zodat deze -L· niet bekrachtigd warden. De spanningspulsen -v^ zijn kleiner dan de 15 drenpelspanning V^. van de schakelelementen 9. Hierdoor wardt voor-koraen dat inf ormatie wardt ingeschreven bij beeldelenenten van niet aangestuurde rijelektroden 8. Nadat de inforaaatie op een aangestuurde rijelektrode 8 is ingeschreven wardt de volgende rijelektrode 8 bekrachtigd. De spanning over de schakelelementen 9 van de eerder 20 aangestuurde rijelektrode 8 wardt hierdoor kleiner dan de drempel-spanning V^. van de schakelelementen, zodat een van de pn-overgangen in sperrichting korat en de ingeschreven inf ormatie niet direkt via de schakelelementen 9 kan weglekken. Hierdoor wardt een lange geheugen-tijd verkregen, welke bepaald. wardt door de sperstrocm van de schakel-25 elementen 9. Door de lange geheugentijd is het mogelijk een zeer groot aantal rijen achtereenvolgens aan te sturen en van inf ormatie te vcor-zien. Cpgemerkt wardt dat zowel de rij- als kolcmelektroden als aan-stuur- en informatie-elektroden dienst kunnen doen.

Figuur 6 toont een tweede uitvoeringsvorm van de in fig. 1 30 schematisch weergegeven schakelementen 9. Gelijke onderdelen zijn met dezelfde verwij zingscij fers als in figuur 1 aangegeven. Op de steun-plaat 2 wardt eerst een 0,2^um dikke elektrisch en chemisch isolerende laag 5 van siliciumnitride aangebracht. Op de laag 5 wardt achtereenvolgens een l^um dikke n+- gedoapte laagpolysilicium,een 0,1 tot 1^um 35 dikke p-gedocpte laag polysilicium en weer een 1^um n+-gedoopte laag polysilicium aangebracht met behulp van chemical vapour deposition technieken. De dcpe-concentraties liggen in dezelfde orde van grootte als bij de aan de hand van fig. 2 beschreven uitvoeringsvorm. Indien 8103376 e- 4 PHN 10.098 8 ......gewenst kan tussen de twee n+-p-overgangen nog een Q,1^um dikke afdeklaag (capping layer) van ongedoqpt polysilicium worden aangebracht. Met behulp van een fotolithografisch proces worden polysilicium-eilandjes 20 gevormd. Vervolgens wordt langs fotalithoqrafische weg 5 een masker aangebracht ora een deel van het polysiliciumeiland j e 20 weg te etsen cm zodoende een kontakt mogelijkbeid. met de n -gedoopte laag 30 te creeren. Over het gehele eilandje 20 wordt vervolgens een Q,2^m dikke afdeklaag 34 van siliciumoxide of siliciumnitride aangebracht. Fotolithografisch worden hierin kontaktgaten geetst voor 10 de daama aan te brengen 0,15^um dikke beeldelektroden 6 en rij- elektroden 8 van indium- en/of tinoxide, zodanig dat de beeldelektrode - 6 het vrijliggende oppervlak van het -n -gedoopte gebiedje 32 en de rijelektrode 8 het vrijliggende oppervlak van het n+-gedocpte gebiedje 30 bedekt. Over de gehele struktuur wordt hiema een 0,1yum dikke 15 vloeibaar kristal orienterende laag 35 van een polymeer aangebracht.

Opgemerkt wordt dat de gestapelde n -p-n+ struktuur eveneens te realiseren is door een 2^um dikke ongedoopte polysiliciumlaag achtereenvolgens te implanteren met bijvoorbeeld fosfor, boor en weer fosfor met zodanige energie, dat de concentratiemaxima voldoende uit 20 elkaar liggen om gescheiden n , p en n gedoopte gebieden te vormen.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot de bovenbeschreven uitvoer ingsvoorbeelden. Naast de getoonde n-p-n strukturen kunnen de schakelelementen ook in een p-n-p struktuur worden uitgevoerd. Behalve bij vloeibaar kristal weergeefinrichtingen kunnen 25 de schakelelementen ook worden toegepast bij andere weergeefmedia, die nagenoeg geen drenpel en/of geen intrinsiek geheugen vertonen, zoals elektro-phoretische en elektro-chrome weergeefmedia.

30 35 8103376

Claims (6)

1. Weergeefinrichting bevattende een elektro-cptisch weergeef-medium tussen twee steunplaten, een stelsel van in rijen en kolotmen gerangschikte beeldelementen, waarbij elk beeldelement wordt gevannd door twee op de near elkaar toegekeerde cppervlakken van de steunplaten 5 aangetrachte beeldelektroden, een stelsel van rij- en kolanelektroden voor bet aansturen van de beeldelementen, waarbij de rijelektroden op de ene steunplaat en de kolanelektroden op de andere steunplaat zijn aangefcracht, en een stelsel van schakelelementen, waarbij tussen een rij- en een kolcmelektrode in serie met elk beeldelement een 10 scbakelelement is opgencmen, welke schakelelementen warden gevormd door twee in serie geschakelde, tegengesteld gerichte diodes, met het kenmerk, dat de genoemde twee diodes warden gevannd door een halfgeieidergebied van het eerste geleidingstype, walk op twee van elkaar gescheiden plaatsen een p-n overgang voont met halfgeleidergebieden 15 van het tweede geleidingstype, waarbij de afstand tussen de twee .p-n overgangen zo gering is, dat in de bedrijfstoestand punch-through optreedt tussen de beide p-n overgangen vccrdat e4n van de p-n overgangen in doarslag kant.

2. Weergeefinrichting volgens conelusie 1, met het kenmerk, dat 20 de twee halfgeleidergebieden van het tweede geleidingstype in hetzelfde vlak zijn gelegen als bet hal fgeleidergebied van het eerste geleidingstype.

3. Weergeefinrichting volgens conelusie 1, met het kenmerk, dat het tweede halfgeieidergebied van het tweede geleidingstype tenminste 25 gedeeltelijk is aangehracht cp het eerste halfgeieidergebied van het tweede geleidingstype, welke twee gebieden van elkaar zijn gescheiden door het halfgeieidergebied van het eerste geleidingstype.

4. Weergeefinrichting volgens conelusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het elektro-optische weergeefmedium een vloeibaar kristal 30 is.

5. Weergeefinrichting volgens conelusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het elektro-optische weergeefmedium een elektrophoretische suspensie is.

6. Weergeefinrichting volgens conelusie 1, 2 of 3, met het 35 kenmerk, dat het elektro-optische weergeefinedium een elektrochroom materiaal is. 8103376