CN103645591B

CN103645591B - 一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法

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Publication number: CN103645591B
Application number: CN201310711607.6A
Authority: CN
Inventors: 杨磊; 夏军; 张晓兵
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103645591A

Abstract

本发明公开了一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，该硅基液晶的主要结构包括硅衬底、像素电极、复合电极、二氧化硅纳米柱、液晶、铟锡氧化物电极、玻璃基板；在硅基液晶工作时，如对中间像素施加电压，对其相邻像素不施加电压。复合电极（7）实现场增强效应，增强中间像素电场；复合电极（5、9）起到静电屏蔽左右，阻止中间像素电场向相邻像素的扩展；二氧化硅纳米柱（6、8）隔断相邻像素的液晶分子的带动作用；从而减弱边缘场效应。

Description

一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法

技术领域

本发明涉及一种硅基液晶器件，尤其是涉及一种减弱边缘场效应的硅基液晶器件。

背景技术

硅基液晶(LCoS)是指在单晶硅上制作的反射式液晶空间光调制器。与传统的在非晶硅或者多晶硅材料上生长薄膜晶体管（TFT）有源驱动矩阵相比较，其具有较大的优势。首先采用单晶硅基底可以利用成熟的大规模或者超大规模集成电路技术，将周边电路大部分集成在单晶硅基底，大大提高了器件的集成度，增强了器件的可靠性。其次，单晶硅具有高的迁移效率，可以形成较细的线路，因此能够集成高密度开关矩阵，实现更高密的像素显示而拥有更高的分辨率。再者，液晶的驱动电路在像素的背后集成而不是像TFT一样在像素中间生长，因此能够实现更高的开口率，LCoS可以实现>90%的开口率，远远高于一般TFT器件的35%的开口率，提高了光能利用率，并有利于实现更小尺寸的液晶器件。

高分辨率是显示技术的发展的必然要求。对于器件制造而言，需要缩小芯片面积来降低成本。如此，增加像素数目便不可行。解决方案只能是缩小单个像素的尺寸。同时，对于全息显示，足够大的重现视场角至关重要。为了获得大的视场角，同样需要减小像素尺寸。

对于硅基液晶器件，当像素电极尺寸与上下基板的间距（液晶盒厚）可以比拟的时候，在像素的边缘，电场不是垂直于电极表面，而是具有横向分量。这种横向电场的分量叫做边缘电场，如图1所示。当相邻像素间存在电压差时，边缘场会驱使邻近像素的液晶分子做不应有的偏转，而导致像素间的串扰。这种现象被称为边缘场效应。而液晶盒盒厚的进一步减小只能依赖于液晶材料的发展。因此，边缘场效应的出现不可避免。

边缘场效应有两种表现：一是工作像素中心出现液晶分子倾角反转区，即此区域的液晶分子有相反的倾角方向，而不能实现应有的偏转。另一个表现是非工作像素的液晶分子由于黏性作用而被工作像素的液晶分子带动偏转。如图2所示。对于全息显示而言，边缘场导致非理想的相位分布，如图3所示，致使加载的相位全息图发生畸变，而无法精确成像。

为了克服现有硅基液晶器件的边缘场效应，本发明提出一种减弱方法，能够有效地减弱边缘场效应。本发明提出的方法针对边缘场效应的两种表现，很好的解决了边缘场效应问题，从而为实现高分辨率、大视场角全息显示硅基液晶器件提供依据。

发明内容

技术问题：为了解决高分辨率、大视场角全息显示硅基液晶器件的发展的瓶颈问题——边缘场效应，本发明提出了一种减弱方法。

技术方案：一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，其器件结构是：在硅衬底上沉积金属作为像素电极，在像素电极上制备复合电极，在像素间隙生长二氧化硅纳米柱，在像素电极上蒸镀铝膜作为反射层，用铟锡氧化物（ITO）导电玻璃作为上基板，在上下基板间灌注液晶。

在硅衬底上沉积金属作为像素电极。原则上导电性良好的金属都可以作为像素电极，但是要考虑复合电极的材料和制备条件，选用合适的材料。

在像素电极上制备复合电极。复合电极需要具有良好的导电性与较大的长径比，如此能够产生尖端放电效应。硅基液晶器件工作时，工作像素上的复合电极尖端放电，起到场增强效应，提高局域电场，驱使该像素的液晶分子实现应有的偏转；非工作像素上的复合电极起到静电屏蔽作用，将电场屏蔽在复合电极之外，因此能够阻止工作像素的电场向非工作像素扩展。

在像素间隙生长电介质纳米柱。液晶分子由于黏性作用，会被相邻像素的液晶分子带动偏转。像素间的电介质纳米柱可以阻断工作像素的液晶分子对于非工作像素的液晶分子的带动偏转。

在像素电极上蒸镀铝膜作为反射层。一般硅基液晶同时用铝做像素电极和反射层，如果像素电极和复合电极材料都是铝，则此步骤可以省略；否则都需要另外蒸镀铝膜作为反射层。

用ITO玻璃作为上基板。ITO玻璃上的ITO导电膜作为像素的公共电极。在器件工作时，将ITO膜接地，与像素电极间形成电压差，产生电场，驱使液晶分子偏转。

在上述硅基液晶器件中灌注液晶，在上下基板附近的液晶做平行排列取向。本发明优选E7液晶，因其具有较高的双折射率差，使得器件可以具有较小的盒厚；且具有较高的介电常数差，可以用较低的电压驱动。在上下基板对液晶分子进行平行排列取向，使得通过液晶分子的光只有相移的改变，而没有偏振度的改变，从而保证器件的纯相位调制工作状态。

有益效果：本发明的有益效果是，在像素电极上制备复合电极，抑制了工作像素液晶分子的倾角反转区和对非工作像素的电场扩展；在像素电极之间生长电介质米柱，阻断了工作像素对非工作像素液晶分子的带动作用，从而有效的减弱了边缘场效应，为实现高分辨率、大视场角全息显示硅基液晶器件提供依据。

附图说明

图1是一般硅基液晶器件电场分布仿真结果图。

图2是液晶分子指向矢分布仿真图。

图3是一般硅基液晶器件相位分布图。

图4是本发明的减弱边缘场效应的硅基液晶的器件结构示意图。

图5是本发明的减弱边缘场效应的硅基液晶的器件电场分布仿真结果图。

图4中有：硅衬底1，像素电极2、3、4，复合电极5、7、9，像素间隙的电介质纳米柱6、8，像素电极上的铝反射膜10，液晶11、ITO膜12及上基板玻璃13。

具体实施方案

图4是本发明的减弱边缘场效应的硅基液晶的器件结构示意图，1是硅衬底，2、3、4是金属电极，本发明优选钨像素电极。一般硅基液晶用铝作为像素电极。但是本发明选用使用碳纳米管作为复合电极，铝的熔点只有660°C，低于碳纳米管的生长温度，故选用高熔点的金属，可用的金属包括金、银、铜、铁、钴、钼、铬、钨等等，本发明优选钨作为像素电极，钨电极既作为器件的电极又作为碳纳米管的生长基底。钨像素电极通过光刻的方法沉积在硅衬底上。为了研究边缘场效应，电极尺寸应该尽可能小，本实施例中优选电极长度为3.54μm，高度0.5μm，电极间距为0.2μm。

图4是本发明的硅基液晶的器件结构示意图，5、7、9是复合电极，本发明优选碳纳米管（CNT），因其具有高载流子迁移率，因而具有良好的电学性能。碳纳米管尖端的曲率半径小，在相对比较低的电场强度下就能发射大电流，具有优异的场发射性能。碳纳米管具有极大的长径比，容易产生尖端放电，起到场增强效应，提高局域电场；并且由于是中空的管状导体，能够很好地起到静电屏蔽作用。CNT的生长在等离子体增强化学气相沉积（PECVD）仪器中进行。首先在钨电极上生长催化剂，采用电子束光刻及剥离方法在每个像素中心生长镍（Ni）点阵，直径为100nm左右，间距3.64μm。沉积的Ni点阵的高度为3~7nm。此后，衬底放在石墨的台子上以100°C/m的速率加热到700°C，反应室气压为10-2mbar。在加热的过程中，引入氨气（NH₃）刻蚀Ni催化剂的表面，使反应室气压达到2.4mbar。继续加热到750°C时，引入乙炔（C₂H₂）作为碳源气体参与反应。施加电压为640V，功率为35W的直流电来排列CNT。根据所需CNT的高度选择生长过程持续时间，本实施例中优选3min，长成高度为1μm的阵列CNT。

图4是本发明的硅基液晶的器件结构示意图，6、8是电介质纳米柱，本发明优选二氧化硅（SiO₂）纳米柱，因其是透明物质，不会降低器件的开口率。SiO₂纳米柱的生长在反应离子刻蚀机中进行。刻蚀气体为六氟化硫（SF₆）和氧气（O₂），SF₆的气体流量为130sccm，O₂的气体流量为13sccm，线圈功率≥600W，压板功率≥100W，反应室气压为24mTorr，反应室温度为20~30°C，刻蚀过程持续10~180m。本实施例中优选90m，反应后的SiO₂纳米柱直径为0.2μm，高度为0.6μm，生长在像素间隙。可以根据需要的SiO₂纳米柱高度选择刻蚀时间和其他反应条件，但是SiO₂纳米柱高度不宜过高，长径比不能超过10:1，否则容易坍塌。并且SiO₂纳米柱过高，会致使液晶过少。

图4中的10是像素电极上的铝反射膜。用溅射法沉积铝膜，温度为25~270°C，本实施例中优选270°C，厚度为0.3μm，反射率在90%以上。铝膜的高反射率保证高的光利用率。

对于下基板，将结构做在硅片的中心区域，四周留出空间喷涂隔离子。隔离子的选择要考虑到该厚度液晶能够实现2π以上相移，较低的驱动电压和工艺的可操作性，并且要大于CNT和SiO₂纳米柱的高度。本实施例中优选3μm隔离子，均匀喷涂在下基板四周。

图4中的ITO膜12及上基板玻璃13是直接使用ITO玻璃作为上基板。在上基板ITO面旋涂取向剂PI，并用摩擦机进行摩擦取向，取向方向为平行取向。

用点胶机对上基板进行点胶封框，框定液晶所在区域，并留一个开口以便灌注液晶。将上基板与下基板对位贴合。

图4中液晶11本实施例中优选E7液晶，利用含浸法从封盒后的开口处灌注液晶。灌注完成后，进行封口。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，其特征在于：在硅衬底上沉积金属作为像素电极（2、3、4），在所述像素电极上制备复合电极（5、7、9），在像素间隙生长电介质纳米柱（6、8），在所述像素电极上蒸镀铝膜作为反射层（10），用铟锡氧化物（ITO）导电玻璃作为上基板，在上下基板间灌注液晶；在硅基液晶工作时，对中间像素施加电压，对其相邻像素不施加电压；工作像素上的复合电极（7）实现场增强效应，增强中间像素电场；非工作像素上的复合电极（5、9）起到静电屏蔽作用，阻止中间像素电场向相邻像素的扩展；所述电介质纳米柱（6、 8）隔断相邻像素的液晶分子的带动作用，从而减弱边缘场效应。

2.根据权利要求 1 所述的一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，所述在硅衬底上沉积金属作为像素电极中的金属既作为器件的电极又作为复合电极的生长基底。

3. 根据权利要求 1 所述的一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，其特征在于：硅基液晶器件工作时，工作像素上的复合电极起到场增强效应，提高局域电场，驱使该像素的液晶分子偏转；非工作像素上的复合电极起到静电屏蔽作用，阻止工作像素的电场向非工作像素扩展。

4. 根据权利要求 1 所述的一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，其特征在于：所述电介质纳米柱阻断工作像素的液晶分子对于非工作像素的液晶分子的由于黏性作用的带动偏转。

5. 根据权利要求 1 所述的一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，其特征在于:所述像素电极上的铝膜保证进入器件的光被反射。

6. 根据权利要求 1 所述的一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，其特征在于：所述铟锡氧化物（ITO）玻璃上的所述铟锡氧化物（ITO）导电膜作为像素的公共电极。

7.根据权利要求 1 所述的一种减弱硅基液晶边缘场效应的方法，其特征是：在上述硅基液晶中灌注液晶，将在上下基板附近的液晶做平行排列取向。