CN106990598A - 一种液晶空间光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液晶空间光调制器，属于液晶器件技术领域。本发明在原有光伏型反射式液晶空间光调制器的基础上，将传统光敏层改进为由非晶硅薄膜及沉积于非晶硅薄膜上的锡硅合金薄膜形成复合薄膜结构的新型光敏层，进而实现了通过光敏层两端电压调控器件的光谱响应范围，并且，基于锡硅合金薄膜具有锡含量达到一定值时可以从间接带隙半导体转化成直接带隙半导体的性质，能够提高器件的图像分辨率以及光响应度和灵敏度。此外，本发明制备工艺简单，容易操作，工艺参数可控，有利于工业化生产制造。

Description

一种液晶空间光调制器

技术领域

本发明属于液晶器件领域，具体涉及一种液晶空间光调制器。

背景技术

空间光调制器(Spatial Light Modulator-SLM)是一种对光波的光场分布进行调制的元件，这类元件可在随着时间变化的电驱动信号或者其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化为相干光。基于上述性质，空间光调制器可作为实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中构造单元或者关键的器件。

光寻址空间光调制器(OASLM)是一种可以根据写入图像调制读出光束特性的光电转换器件，作为光信息处理等应用中的关键器件，可以完成二维图像的波长转换、非相干-相干图像转换和图像增强等多种功能。光寻址空间光调制器(OASLM)通常以液晶层作为光调制材料，光敏层吸收写入光图像并产生相应空间变化的电场分布，调制层则可根据电场分布实现对读出光的调制。

基于光寻址的液晶空间光调制器的一个重要性能指标是分辨率，而决定其分辨率的关键结构就在于光敏层。现有技术中液晶光阀的光敏层材料为化学组成固定的半导体材料，如非晶硅，多晶硅等。然而，上述传统光敏层材料存在光响应时间长、载流子迁移率低等缺点，影响了液晶空间光调制器的分辨率，使其在实际应用中受到了严重限制。因此，如何大幅度提高液晶空间光调制器的分辨率成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种液晶空间光调制器，通过采用非晶硅薄膜和沉积于非晶硅薄膜上的锡硅合金薄膜形成复合薄膜结构作为光敏层，并在上述光敏层两端接入直流电压，通过调节直流电压值即可实现响应光谱范围可调；并且，基于本发明提供的新型光敏层的结构及光敏层材料性能，能够提高工作载流子的迁移率，进而实现提高液晶空间光调制器的分辨率、灵敏度和光响应度的目的。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种液晶空间光调制器，包括：平行相对设置的第一透明基片和第二透明基片，第一透明基片和第二透明基片相向侧分别沉积有第一透明导电薄膜层和第二透明导电薄膜层进而形成第一透明电极和第二透明电极，第一透明电极和第二透明电极之间依次设有光敏层、电极层，阻光层、介质反射镜、第一取向层、液晶层以及第二取向层；所述光敏层的结构是由非晶硅薄膜及沉积于非晶硅薄膜上的锡硅合金薄膜形成的复合薄膜结构。

本发明中阻光层可以为红外光波段响应或者可见光波段响应，由于光敏层中锡硅合金薄膜是一种红外波段响应材料，在实现液晶空间光调制器红外写入时，选用红外吸收膜层作为阻光层，通常采用碲化镉，或者是纳米金属层，如纳米银膜。

进一步地，本发明中锡硅合金薄膜材料的化学组成为Si_1-xSn_x，其中x的取值范围为0.1～0.5。

进一步地，本发明中光敏层的厚度为2μm～6μm，其中：非晶硅薄膜的厚度为1μm～4μm，锡硅合金薄膜的厚度为1μm～2μm。

非晶硅是一种直接能带半导体，与单晶硅和多晶硅不同，非晶硅在结构上虽然与同质晶体的配位数相同，但与其相比键角有一定的差异，且键长也有所改变。非晶硅的长程有序性由于键的无规则排列而消失，短程有序范围一般为1nm～2nm，即在几个晶格常数内，原子间的键合形成共价网络结构，与硅的原子间键合类型十分类似晶体。本发明光敏层采用非晶硅半导体材料(简写为a-Si)是基于a-Si内拥有一定数量的悬挂键、结构缺陷、断键等，正是由于非晶硅材料的这种特性使得锡硅合金薄膜中锡易于进入非晶硅中或者从非晶硅中逃逸。

根据本发明实施例，第一透明基片和第二透明基片相背离侧分别设有第一增透膜层和第二增透膜层。

根据本发明实施例，第一取向层和第二取向层均为聚酰亚胺取向层。

根据本发明实施例，所述介质反射镜的透射率不高于1％。

本发明原理如下：

一方面，本发明能够实现响应光谱可调；将光敏层一侧的第一透明电极和相对另一侧的铂电极分别与直流电压连接，通过调整直流电压输出值，能够控制流经光敏层的电荷量；

在第一透明电极作为负极，铂电极作为正极的情况下：

光敏层中锡硅合金薄膜内纳米锡离子向非晶硅薄膜内移动进入非晶硅内部；

在第一透明电极作为正极，铂电极作为负极的情况下：

光敏层中非晶硅薄膜内的纳米锡离子会返回至锡硅合金薄膜内。

因此，通过电压调节能够使得锡硅合金薄膜中锡含量发生变化，而锡硅合金薄膜中锡含量的变化使得其禁带宽度相应变化，故而，本发明通过外部电压调节锡在光敏层结构中的分布，能够调控光敏层的禁带宽度，达到调节液晶空间光调制器的响应光谱范围的目的。

另一方面，由于上述现象，通过调节外加电压，能够达到调节锡硅合金薄膜化学组成的目的；由于锡硅合金薄膜具有锡含量达到一定值时，材料具有从间接带隙半导体转化成直接带隙半导体的性质，因此转换成直接带隙半导体时导电类型为P型，能够提供了更多的电子空穴对，因此载流子迁移率有所提升。

因此，本发明通过合理调控锡硅合金薄膜中锡含量，可以提高光敏层中载流子迁移率，同时也提高了电导率，有效提高液晶空间光调制器的成像质量及图像分辨率；

另外，光敏层中载流子迁移率直接影响灵敏度和光响应度，因此，有利于提高器件的灵敏度和响应速度。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种采用新型光敏层的液晶空间光调制器，通过光敏层两端电压调节光敏层中电荷量，进而对光敏层中锡分布进行调节，基于锡硅合金薄膜具有锡含量达一定值时能够使得材料从间接带隙半导体转化成直接带隙半导体的性质，本发明技术手段能够提高光敏层内载流子的迁移率，使得器件的图像分辨率以及光响应度和灵敏度均得到提升；另一方面，光敏层中锡分布变化，使得光敏层的禁带宽度也随之变化，能够使不同波长的光写入，拓宽了器件的光谱响应范围；此外，本发明制备工艺简单，容易操作，工艺参数可控，有利于工业化生产制造。

附图说明

图1为本发明液晶空间光调制器的结构示意图；

图2为本发明液晶空间光调制器中光敏层的结构原理图；

图中1为第一增透膜，2为第一透明基片，3为第一透明导电薄膜层，4为光敏层，其中41为非晶硅薄膜，42为锡硅合金薄膜，5为电极层，6为阻光层，7为介质反射镜，8为第一取向层，9为液晶层，10为第二取向层，11为第二透明导电薄膜层，12第二透明基片，13为第二增透膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行了阐述：

如图1所示为本发明提供的液晶空间光调制器，包括：平行相对设置的第一透明基片2和第二透明基片12，第一透明基片2和第二透明基片12相向侧分别沉积有第一透明导电薄膜层3和第二透明导电薄膜层11，进而形成第一透明电极和第二透明电极，第一透明电极和第二透明电极之间依次设有光敏层4、电极层5，阻光层6、介质反射镜7、第一取向层8、液晶层9以及第二取向层10，结合图2可以看出，本发明中光敏层4的结构是由非晶硅薄膜41及沉积于非晶硅薄膜41上的锡硅合金薄膜42形成的复合薄膜结构。

图1中左侧为写入光，即为控制液晶空间光调制器上像素的光电信号，液晶空间光调制器的工作过程是将待转换的非相干图像作为写入光从器件左侧成像至光敏层4，实现图像的非相干到相干的转换后，一束线偏振相干光作为读出光从器件右侧射向液晶层9，其偏振方向与液晶层9右端的分子长轴方向一致，由于介质反射镜7起到了高反射膜的作用，这束光将两次通过液晶层9最后从右侧射出。

本发明还提供一种光敏层禁带宽度可调液晶空间光调制器的制备包括，具体包括以下步骤：

步骤A：

本实施例中透明基片采用的是玻璃基片，分别在两个玻璃基片一表面沉积透明导电薄膜，制得两个透明电极，本实施例中选择ITO作为透明导电薄膜的材料；

在进行下一步骤之前还应该对制得的透明电极进行清洁处理，具体操作不做限制，本实施例是将透明电极依次置于丙酮、酒精和去离子水中，进行超声清洗，清洗时间为10分钟，清洗完毕后采用氮气吹干备用；

步骤B：在完成步骤1的透明电极中任取一个，然后采用化学气相沉积法(以下简称为PECVD方法)在沉积有透明导电薄膜的一面上制备非晶硅薄膜，然后再沉积一层锡硅合金薄膜，得到非晶硅薄膜和锡硅合金薄膜形成复合结构的光敏层，具体步骤详述如下：

B1：将一个透明电极放置于反应腔室中，并采用真空系统将反应腔室抽至5×10^{- 4}Pa，然后调节温控系统将第一透明电极加热至300℃；

B2：在反应腔室中通入气体流量为2sccm的硅烷(SiH₄)，调节射频功率为3W，沉积1小时后，制得非晶硅薄膜；

B2：完成步骤B2后，将透明电极加热250℃，通过调节气体流量计通入SiH₄和Sn(CH₃)₄形成的混合气体，SiH₄的流量仍为2sccm，Sn(CH₃)₄的流量为0.001g/min，调节射频功率为2W，维持反应腔室的工作压强保持在60Pa，沉积30分钟后，在非晶硅薄膜上又沉积了一层锡硅合金薄膜；

步骤C：在完成步骤B后制得的光敏层上依次蒸镀形成铂电极，红外吸收膜和介质反射镜7；

步骤D：分别在完成步骤C后制得的介质反射镜以及完成步骤A制得的另一透明电极的透明导电薄膜上旋涂聚酰亚胺溶液，经过烘烤后采用滚筒摩擦聚酰亚胺涂层面，使得表面形成微细沟槽，进而形成取向层；

步骤E：在取向层之间均匀放置少量直径为3μm的间隔子，然后灌入液晶，灌完液晶后采用环氧树脂胶封住液晶形成液晶层，最终制得光敏层禁带宽度可调液晶空间光调制器。

在液晶空间光调制器中，光敏层4担负着记录信号源图像来控制液晶层电压的作用，参考图1示图，将第一透明电极和第二透明电极分别与交流电源连接，没有光照射时光敏层4的材料仍保持高阻状态，液晶层9上的分压小于或等于液晶层9的阈值电压，而写入光从底部入射至第一透明电极后，入射的光照射至光敏层4会使得光敏层4的材料内部产生光生载流子，使得光敏层4有光照射时材料的阻抗变小(即为光写入信号以转换阻抗的方式保留在光敏层4中)，液晶层9的分压升高并超过其阈值电压，启动液晶工作；同时，由于光信号各部分的强弱差异，液晶层上局部各处的压降变化也不同，所以液晶分子受电场调制的情况也不同，因此造成读出信号的强弱也不同，使得读出图像依然按照原先的图像亮暗情况反映；阻光层6可以将穿过光敏层4的写入光及透过介质反射镜7的读出光吸收掉，由于介质反射镜7起到了高反射膜的作用，能够将读出光返回，故读出光入射液晶层9并携带液晶层9上的调制信息返回，减少了写入光的干扰。

结合图2所示液晶空间光调制器光敏层的结构原理图，光敏层4一侧为第一透明电极，相对另一侧设置有电极层5，本实施例电极层5采用铂电极，将第一透明电极和铂电极分别与直流电压连接，通过调整直流电压输出值可以控制流经光敏层4的电荷量，当第一透明电极作为负极，铂电极作为正极时，光敏层4中锡硅合金薄膜42内纳米锡离子向非晶硅薄膜41内移动对非晶体硅中缺陷进行补偿；当第一透明电极作为正极，铂电极作为负极时，光敏层4中非晶硅薄膜41内的纳米锡离子会返回至锡硅合金薄膜42内；

因此，本发明中光敏层4在接直流电压时锡会在非晶硅薄膜41和锡硅合金薄膜42中分布，通过电压调节能够使得锡硅合金薄膜42中锡的含量发生变化，而锡硅合金薄膜42是一种半导体材料，

其中，Eg为禁带宽度，λ为响应波长；

本发明所提供的新型光敏层结构能够通过外部直流脉冲电压使得锡离子向非晶硅层移动，进而使得光敏层的电阻改变，并且在外加电压相反的情况下可逆，即通过直流脉冲电压大小和时间能够控制光敏层中锡的分布情况；而锡硅合金薄膜42的材料的禁带宽度和锡的含量呈线性关系是已有结论，因此本发明能够通过控制光敏层两边的外部直流脉冲电压进而控制光敏层的禁带宽度大小，使得光敏层能够对不同红外波段和不同可见光波段的光谱响应，达到响应光谱范围可调的目的，另外，通过上述技术手段调节锡硅合金薄膜中锡含量达到一定值时可以使得材料转变为直接带隙半导体材料，有利于调节提高空间光调制器的分辨率，因此，上述技术效果在实际使用过程中具有重要意义的。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种液晶空间光调制器，包括：平行相对设置的第一透明基片(2)和第二透明基片(12)，第一透明基片(2)和第二透明基片(12)相向侧分别沉积有第一透明导电薄膜层(3)和第二透明导电薄膜层(11)，进而形成第一透明电极和第二透明电极，第一透明电极和第二透明电极之间依次设有光敏层(4)、电极层(5)，阻光层(6)、介质反射镜(7)、第一取向层(8)、液晶层(9)以及第二取向层(10)，其特征在于：所述光敏层(4)的结构是由非晶硅薄膜(41)及沉积于非晶硅薄膜(41)上的锡硅合金薄膜(42)形成的复合薄膜结构。

2.根据权利要求1或2所述的一种液晶空间光调制器，其特征在于，所述阻光层(6)为红外吸收膜层。

3.根据权利要求1所述的一种液晶空间光调制器，其特征在于，第一透明基片(2)和第二透明基片(12)相背离侧分别设有第一增透膜层(1)和第二增透膜层(13)。

4.根据权利要求1或2所述的一种液晶空间光调制器，其特征在于，所述第一取向层(8)和第二取向层(10)均为聚酰亚胺取向层。

5.根据权利要求1或2所述的一种液晶空间光调制器，其特征在于，所述介质反射镜(7)的透射率不高于1％。

6.根据权利要求1或2所述的一种液晶空间光调制器，其特征在于，所述锡硅合金薄膜(42)材料的化学组成为Si_1-xSn_x，其中x的取值范围为0.1～0.5。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种液晶空间光调制器，其特征在于，所述光敏层(4)的厚度为2μm～6μm，其中：非晶硅薄膜(41)的厚度为1μm～4μm，锡硅合金薄膜(42)的厚度为1μm～2μm。