CN1010057B - 有电荷存储结构的液晶器件 - Google Patents

Abstract

说明了一种由其上施加的电场驱动的改进液晶器件，该器件包括一层分布进入像素的液晶层，其光学性质被其中所感应的电场所改变。为了将磁滞给于该器件，邻近液晶层备有半导体电荷存储薄膜。

Description

本发明涉及一种液晶器件，更具体地说，本发明涉及一种有电荷存储结构的液晶器件。

液晶器件曾用作微计算机、字处理机、电视系统等的显示，因为液晶器件有高对比度指示能力。另一方面，液晶曾被认为有希望成为存储器例如磁盘存储器的竞争介质，并在和像扬声器那样的声频设备的应用中与之作竞争。

在先有技术中，已经知道这种脂状液晶器件包括一对彼此相对的其间有液晶层的基片，基片的相对内侧装有一对电极，在电极上还对称地装有一对定向的薄膜，该处的一个简单矩陈结构或有源元件结构是用非线性器件构成的。对这种液晶器件所要求的极其重要的特性是大的矫顽电场Ec（阈值电场）。大的Ec使其能在某个条件下，例如当加到层上的电场除去时使液晶层保持在不透明状态。而当所加电场增加到超过该强度电平时，液晶层就会急剧地将其状态改变为透明状态。反之亦然。在这方面，矫顽电场Ec取正值Ec+（加正电压时观察到的阈值）和取负值Ec-（加负电压时观察到的阈值）。Ec+和Ec-虽然不必相同，但依靠对邻近液晶层表面的取向处理的加工条件，两者可以大致相等。

但这种脂状液晶层只呈现很微弱的磁滞，即具有很小而且不稳定的Ec。特别是设计表面稳定的铁电体液晶层时，Ec值很大程度上依赖于加到该层的脉冲电场强度。因此，曾使用称为交流偏压法的激励系统，在正方向重写前加上一负脉冲信号，然后在用电场强度和施加时间的细调下加上正脉冲，相反，当希望负方向重写时，采取和前述情况相同的措施， 但这里加相反的电场方向。交流偏压法使周围的电路变得很复杂。

因此，迄今为止要求制造一种液晶器件，其周围电路要比具有交流偏压法的较不复杂。另一方面，只要液晶层只具有微小的Ec，在实现液晶器件时，偏压法就似乎是必不可少的。也有一些其它制造有稳定Ec的液晶层的尝试。但这些尝试损害了其频率特性。

为了解决上述问题，本发明所提供的一种有电荷存储层或分子团的器件，其中的电荷无需借助外加电场而存储在紧靠液晶层处。由于存储在电荷存储层的电荷，在响应加至液晶层的电场时，器件呈现出明显的磁滞。电荷存储层受外加电场支配的方式和液晶层相同，为防止在除去外电场时积累在电荷存储层的电荷逃逸而在荷存储层上配备以绝缘薄膜。电荷存储层厚度的选择要使吸收的入射光不超过30%。

根据这种结构，电荷通过绝缘薄膜输运至电荷存储层或分子团。绝缘薄膜的电导须使输运是福勒-诺德海姆（Fowler-Nordheim）隧道效应，此效应正比于以电场为指数的方次。

因此，本发明一个目的是要提供一种有非易失性存储器功能的液晶器件。

本发明的另一个目的是提供一种液晶器件，在响应加到其上的电场时，器件具有一定数值的矫顽力。

本发明的再一个目的是要提供一种能呈现明显磁滞的液晶器件。

图1    展示本发明一个实施例的横截面。

图2    是图1所示实施例的等效电路图。

图3    展示图1所示实施例的磁滞回路和先有技术器件的磁滞回路。

图4    A至D展示按本发明改进的器件截面图。

参看图1，图中说明了按本发明的一种液晶器件。在一对透明基片4和4′的相对内表面上配备有在附图横向方向伸展的透明平行电极带3和在垂直于图面方向伸展的透明平行电极带3′。在相对的基片4和4′间 配备一层液晶层5。液晶可以是任何类型的，例如宾主（guest-host）型、双折射型    等等，只要该液晶的光学特性能响应在其中感应的电场而改变即可。但在本实施例中，使用的是铁电体液晶，该液晶具有大角度的可见度。根据液晶层中的电场，有选择地允许入射到该层的光线通过。其中一条电极带可具有反射性能，使该器件起反射型器件的作用，对于这种类型来说，下伏的基片可以不透明。

电极3上是一层第一介质薄膜1和呈半导体层或分子团的悬浮电极6，在中间形成一电容。在悬浮电极6上还形成一层第二介质薄膜2，这也使悬浮电极6和电极带3之间形成另一电容。参考号码7代表一取向薄膜。

图1说明的器件的电学特性可用图2所示的等效电路加以检验，图2中G₂和C₂分别是伴随第二介质薄膜2的铁电体液晶层5的电导和电容，而G₁和C₁是第一介质薄膜1的电导和电容。半导体层或分子团6起电荷俘获中心的作用。当电压V₀通过一对端头3和3′加至该电路时，C₁或G₁两端的电压V₁和积累在第一介电薄膜上的电荷Q₁，以及C₂或G₂两端的电压V₂和积累在液晶层5上的电荷Q₂按下列方式计算：

V₀＝V₁+V₂，V₁＝Q₁/C₁＝V₀C₂/（C₁+C₂），

V₂＝Q₂/C₂＝V₀C₁/（C₁+C₂），

实际上，第一介质薄膜2的厚度是几埃，而铁电体液晶层的厚度为2至3微米，故C₁事实上大大于C₂。从而形成V₂＞＞V₁，加到器件的几乎所有电压在初始阶段都加到铁电体液晶层。

根据这种分压V₁和V₂，电流8和8′分别通过电导G₁和G₂引进到悬浮电极6中。电流8和8′流动的方向相反，而因其间差值电流产生的电荷则随时间积累在悬浮电极6上。

积累在悬浮电极6上的电荷Q可从下列方程式计算：

Q＝V₀（C₂G₁-C₁G₂）/（G₁+G₂）·〔1-exp（-t（G₁+G₂）/（C₁+C₂））〕。

根据关系式C₁＞C₂，在层厚度为2微米，而一个象素的大小为300微米×300微米时，液晶层5的电阻值约为10⁹欧姆。在加上电场时，因为由于厚度在10至100埃，例如20埃的第二介质薄膜的非线性特性，其导电阻值降至约10⁵至10⁶欧姆。另一方面，在与第二介质薄膜相同的条件下，第一介质薄膜的电阻值为10¹²欧姆，故与G₁相比，该电阻是足够大的。于是，上述普通方程式可以简化如下：

Q＝-C₁V₀·〔1-exp（-G₂t/C₁）〕＝Q₂-Q₁

Q₁＝Q₂+C₁V₀·〔1-exp（-G₂t/C₁）〕＝C₁V₁

Q₁＝C₂V₂+C₁V₀·〔1-exp（-G₂t/C₁）〕＝C₁（V₀-V₂）。

这些方程式可以重新整理成：

V₁（C₁+C₂）＝C₂V₀+C₁V₀-C₁V₀·〔1-exp（-G₂t/C₁）〕，

V₁＝V₀-C₁V₀exp（-G₂t/C₁）/（C₁+C₂）。

即，经过足够长时间后或在足够大的G₂情况下，跨在液晶层的电压V₂由下式给出：

V₂＝C₁V₀/（C₁+C₂）。

电压是造成半导体层或分子团作为俘获中心俘获电荷的原因，因此，甚至在除去所加电压后，电荷也不消失。由于被俘获的电荷感应的电场，液晶层的状况事实上也保持不变。故液晶层的透明或不透明状况是非易失性的。

由于这个原因，本发明的器件即使在液晶层本身并无足够的Ec时，也具有明显的Ec。Ec值随积累在悬浮电极上的电荷量变化。通过控制悬浮电极上的电荷量，就有可能确保Ec处于较大的数值。

实验1：

本叙述与图1一起进行。在玻璃基片4和4′上的透明电极是由铟锡氧化物（ITO）制成的。电极3上的第一介质薄膜2是由等离子体化学汽相淀积或例如公开在申请人于1984年4月20日申请的日本专利公开申 请书昭和第59-079623号中、特别是在该申请书所描述的第一、第二和第四实施例中的光化学汽相淀积氮化硅制造的。在该方法中，在电极3上淀积500埃厚的氮化硅，它是在处理气压为0.1托和350℃温度下在反应室中用硅烷（Si_nH_2n+2∶n≥1）和氨或氮气在氨/硅烷≥50的流率的混合处理气体、并以13.56兆赫的高频电源下淀积的。

在淀积第一介质薄膜1后，再将反应室抽空至低于10^-6托。然后在350℃下用13.56兆赫高频电场以200立方厘米/分的流速引进硅烷气体以淀积成硅半导体层或分子团。

硅半导体的平均厚度小于100埃时淀积成分子团，而当平均厚度在100至1000埃的范围内时淀积成层状。对于厚度在1000埃以上的半导体层来说，半导体层的透光性是递降的，故不宜用作光学器件。根据本实验，最适宜的厚度是1000埃。

此外，在反应室排气后，淀积10至100埃例如30埃的第二介质薄膜，淀积的方法除开压力是0.01托外，几乎和淀积第一介质薄膜时相同。

在透明电极3′上也用相同方法形成平均厚度为300埃的氮化硅薄膜。氮化硅薄膜的功用是防止像钠离子那样的杂质从玻璃基片或透明电极3′进入液晶层5。之后，在邻近液晶层5的氮化物薄膜11的内表面上制备一层取向薄膜7。用旋转器将取向薄膜7在该表面上铺开，并在120℃加热30分钟下将它干燥，而用磨擦法使薄膜7的内侧取向。

接下去将这样配置有取向薄膜的基片4和4′连接起来，并密封其周边，然后将液晶注入在相对基片4和4′间形成的空间。该液晶是S8和B7的混合物。作为另一种液晶，也可用OMOOPO和MBRA的混合物。其它适用的液晶公开在日本公开申请书昭和第56-107216、59-98051和59-118744中。

响应加至各像素的±10伏电压时，铁电体液晶层显示出明显的Ec。图3是展示本发明液晶器件的磁滞曲线图。横坐标是所加电压，纵坐标 是液晶层的透明度。图中的曲线16和16′代表只用硅烷偶合剂的常规器件的磁滞回路。图中的E_C不仅很小且也很不稳定。相反，根据本发明的液晶器件，其磁滞回路如图中所示的曲线15和15′那样形状良好，且其Ec相当大。

下面跟着叙述其它实验。在这些实验中，使用了许多像上述本发明第一实验相同的相应处理步骤。故在下面的叙述中在对某此步骤不在作详细描述时，应该认为是为避免赘述而略去的。

实验2：

如图4（A）所示，为以氮化硅淀积厚度为500至2000埃的第一介质薄膜1以硅制造的厚度为100至1000埃的悬浮电极6，并制成位置仅在电极3′之上的图案，覆盖以20至100埃厚度的氮化硅薄膜。在电极3′形成一层氮化硅薄膜1′和一层有机取向薄膜7。这结构中的电荷是从液晶层5进入悬浮电极6的。

实验3：

和先前的实验不同，在图4（B）中所淀积的第一介电薄膜2有从500至2000埃的较大厚度，以便从电极3接收电荷。悬浮电极6′也在相对的基片3′上与一层第二介质薄膜2′一起形成。从硅分子团制得的悬浮电极6和6′平均厚度为50埃。所以该磁滞回路的方向与上述实验相比是相反的。

实验4：

本类器件的电荷是进入悬浮电极6和6′的电荷，悬浮电极6和6′由图4（C）所示的液晶层5的硅分子团制得的。由这种结构得到的Ec进一步得以增强。

实验5：

悬浮电极6是以薄膜形式淀积的，而其它悬浮电极是以图4（D）所示的团状形式淀积的。

虽然上述叙述是和特殊实施例子一起作出的，但本发明不会限制在 那里，而只是被限制在所附的权利要求，许多改进可以考虑如下：

半导体层或分子团可以是Si_xGe_1-x（0≤X≤1），它可以掺以像磷化氢或硼或氢或鹵素那样的掺杂剂。

根据本发明的要求，电荷存储区可以用任一种物质组成，只要这种物质能在绝缘体后的地方存储电荷即可。例如，像铂、钼、钽、铝、铟或锡那样的金属，或由这些金属组成的金属化合物，或包括硅合金和锗合金的合金。

在上述实施例中应用氮化硅以形成介质薄膜。但也可用其它材料，例如氧化硅、氧化铝、氧化钽、磷玻璃、硼硅玻璃、有机介质材料，等等。

为代替给基片内侧取向的摩擦方法，也可用其它取向方法，例如温度分度法、剪切法，等等。剪切法是使一对在其间放置液晶层的基片移位来实现的。

半导体层或团既可以在其中一个相对基片内侧形成，也可以都在两个相对内侧上形成。还有一层铁电体薄膜既可以覆盖一块基片的整个内侧，也可以只覆盖电极或只覆盖象素。

本发明也可以用到扬声器、打印机、磁盘存储器或其它脂状液晶电气用具。

Claims (14)

1、一种液晶器件包括：

一块透明基片；

一块相对的基片；

一层液晶层；和

一电极装置；其特征在于：

所说液晶层由铁电液晶制成，其光学性质随其中所感应的电场而变化；

邻近于所说电极装置有一悬浮电极其间配置有一层绝缘体；以及

另一层位于所说悬浮电极和所说液晶层之间的绝缘层。

2、权利要求1的器件，其特征在于所说悬浮电极是由半导体制成的。

3、权利要求1的器件，其特征在于所说悬浮电极是由金属制成的。

4、权利要求1的器件，其特征在于所说悬浮电极是由金属化合物制成的。

5、权利要求4的器件，其特征在于所说悬浮电极是由金属硅化物制成的。

6、权利要求1的器件，其特征在于所说悬浮电极是由锗化合物制成的。

7、权利要求3的器件，其特征在于所说金属是从铂、钼、钽、铝、铟和锡所组成的集合中选出来的。

8、权利要求1的器件，其特征在于所说光学特征是透光性。

9、权利要求1的器件，其特征在于所说光学特性是吸收的各向异性。

10、权利要求1的器件，其特征在于所说悬浮电极是在所说电极装置和所说液晶层间放置的一层薄膜。

11、权利要求1的器件，其特征在于所说悬浮电极是一在所说电极装置和所说液晶层间放置的分子团。

12、权利要求1的器件，其特征在于所说绝缘体的电导要选择得使电荷只通过其中一层所说绝缘体而漂移进入所说悬浮电极。

13、权利要求2的器件，其特征在于所说半导体区是由硅半导体制成的。

14、权利要求2的器件，其特征在于所说半导体区是由锗半导体制成的。

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