CN1082720A - 采用过渡改性结构非晶硅光敏层的液晶光阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种过渡改性结构a-Si:H光敏 层及其在液晶光阀中的使用。所述的液晶光阀没有 阻光层，写入光信号的接收及干扰光的吸收全部由所 述光敏层完成。所述光敏层是一种在膜层厚度方向 上改性的以a-Si:H为本体结构的半导体材料，该 光敏层中可出现类p-n或p-i结效应，光、暗电容变 化明显，因而所述的液晶光阀在无法改善材料的其它 性能参数时，由光敏层材料载流子扩散控制的分辨率 限仍可得到相应的提高。

Description

本发明属于光选址空间光调制器，尤其涉及一种非晶硅液晶光阀。

与本发明有关的液晶光阀，主要包括用光导层作光敏材料并在反射模式下工作的光阀。Boswell等于1977年4月16日申请专利（U.S.pat.4019807），该光阀以CdS作光导层，CdTe作阻光层以及MgF₂/ZnS作介质反射层。随着非晶硅（a-Si∶H）材料的发展，逐步以a-Si∶H取代CdS制备液晶光阀的光敏层，使光阀响应时间得到大为改善，且有良好的可见光吸收特性。这种光阀初期报导中都不考虑阻光层或介质反射层，由于a-Si∶H对可见光十分敏感，从反射模式光阀角度看，很强的读出光只要有极小一部分到达a-Si∶H光敏层就会掩盖掉入射的较弱的信号光，因而这种光阀的对比度等性能较差。1989年1月24日Sterling申请专利（U.S.Pat.4799773）描述了以a-Si∶H作光敏层，CdTe作阻光层，SiO₂/TiO₂多层膜作介质反射层，这种光阀必须考虑在光敏层和阻光层间制备一中间结构层，否则将产生脱开，这种光阀的缺点是制备复杂、周期长，光敏层和阻光层的制备还要两套沉积系统，为保持较高电阻率，CdTe在沉积时还需特别精确地控制其化学计量。1988年2月9日Aoki等曾申请专利（U.S.Pat.4723838）描述了非晶硅锗合金阻光层，用于TFT器件，由于TFT器件为分离点阵，不会因为阻光层物理参数不匹配而影响器件分辨率等特性，因而此阻光层未能在光阀器件中推广应用。1992年1月22日Slobdin申请专利（U.S.pat.5084777）提出 了可用于液晶光阀的a-SiGe∶H阻光层，可以满足光阀的分辨率、对比度等要求，与a-Si∶H光敏层结合也较好，且可以在同一薄膜沉积系统中完成制备，此阻光层既解决了吸收剩余光的问题，又使制备光阀变得较为方便。

我们对非晶硅液晶光阀进行过详细的研究，根据所探讨光阀的特点，考虑非晶硅光敏层属于弱光照模式，光照下光敏层的电阻R_P随光强I和工作频率f的关系如下：

$R_P\mathrm{(I,f\; )=}\frac{K_0{f}^S}{{\mathrm{AIK}}_0{f}^S\mathrm{+1}}\mathrm{(1)}$

式中s为0～-1之间的系数，K₀和A分别为与光敏层材料暗电阻和光照特性有关的系数。光敏层的阻抗X_P则可以表示如下：

其中C_P为光敏层的电容。从方程（1）和（2）可以看出，液晶光阀的工作频率受光敏层光、暗阻抗的限制，频率太高，光、暗阻抗的变化就太小，而光、暗阻抗的变化又受光敏材料的电阻及电容的控制。另一方面，与光敏层内载流子横向扩散有关的分辨率限Δm可以用下式近似表示：

$\mathrm{\Δm}=4c{(\mathrm{kT}/e)}^{\frac{1}{2}}\left\{{(12d^2/V_0)}^{\frac{1}{2}}\right[1-{({\mathrm{\μ}}_S/\mathrm{\μ})}^{\frac{1}{2}}]+[{\mathrm{\μ}}_S\mathrm{\π}/\left(\mathrm{z\ω}\right){]}^{\frac{1}{2}}\left(3\right)$

式中C为系数，一般小于1，该系数与材料本身性质密切相关，d为光敏层厚度，μ和μs为光敏层本体及表面迁移率，V₀和ω分别为液晶光阀的工作电压和工作角频率。在理想情况下应满足：

V₀＝2V_t（4）

式中Vt为液晶光阀液晶层的阈值电压。从式（3）和（4）分析可以看出，要使材料物理参数已经确定的液晶光阀，更进一步地提高分辨率，一般应提高操作频率ω，但根据上面的分析已知，频率的提高使光敏层光、暗阻抗的变化减小，将影响到光阀的对比度。所以，要在其它特性参数不变情况下，得到更高分辨率的液晶光阀，而又不影响对比度，必须采取其它办法。从这一点看，Slobodin提出的阻光层，尽管制作较方便，与a-Si∶H光敏层结合也较好，但仍然受a-SiGe∶H材料本身的电阻、电容特性控制，利用这种阻光层的液晶光阀，其分辨率提高与否只受材料本身性能影响，在无法改善材料有关特性时，也就无法再提高光阀的性能，在Slobodin的研究中并未考虑到其它改善操作频率，进一步提高分辨率的方法。

本发明的目的是要彻底解决阻光层制备复杂以及与光敏层之间的脱开问题，而且在无法改善材料本身特性条件下，使液晶光阀分辨率得到提高，光阀的制备方法得到显著简化，光阀的使用性能得到改善。

本发明方案提出一种含有过渡改性结构光敏层的反射型液晶光阀，重要特点是在这种光阀的结构中不再含有阻光层。所述的光敏层是一种在膜层厚度方向改性的a-Si∶H半导体材料，材料以a-Si∶H结构为本体，其中一侧为本征型或掺磷半导体，光学能隙约1.75ev，光/暗电阻比10^-2～10^-3;另一侧为掺微量硼或不掺硼的半导体材料，结构中后者至少含有约20%的晶体，其尺寸在60～150A的范围内，光学能隙小于1.6ev，可见光吸收系数达10⁵cm^-1，光/暗电阻比为0.4～0.9。光敏层两侧材料的不同掺杂特性，两侧材料的费米能级发生相应偏移，使层内出现了类p-n或p-i结的特性，光、暗结电容变化明显，可在更高频率下使用，获得更高的分辨率。

本发明与已有技术比较具有的显著效果：

1.由于采用过渡改性结构的光敏层，不必再有阻光层，因而彻底解决了阻光层制备工艺复杂以及阻光层的脱开问题。

2.由于采用过渡改性结构的光敏层，在无法改善材料本身特性情况下，能实现改善操作频率，由光敏层材料载流子扩散控制的分辨率限仍可得到提高。

图面说明：

附图是本发明液晶光阀的结构示意图。

参照附图详细描述结构方案：

写入光11透过光学玻璃1和蒸镀在光学玻璃1上的透明导电膜（ITO）2，到达采用CVD方法沉积在透明导电膜2上的非晶硅（a-Si∶H）光敏层3a-3b，介质反射层5处在光阀的中间，隔离写入光11及读出入射光12，液晶层7两侧分别与定向层6和8直接接触，其中定向层6制备在介质反射层5表面，而定向层8制备在读出窗光学透明玻璃10表面所蒸镀的透明导电膜（ITO膜）上面，读出入射光12透过玻璃10、透明导电膜（ITO膜）9、液晶层7及定向膜6和8经介质反射层5反射后得到读出反射光13。图中14为交变工作电压。

上述结构中非晶硅（a-Si∶H）光敏层3a-3b是本发明的要点，其它各结构层方案均与已有技术基本相同。

本发明涉及的过渡改性结构a-Si∶H光敏层液晶光阀的工作原理：

写入光11透过玻璃1和ITO膜2到达非晶硅光敏层的3a一侧，入射光的绝大部分将在这一侧被吸收，由于光敏层3a一侧在吸收光时其电阻随照射光强的不同会发生改变，照射光越强，材料的电阻将变得越小;另一方面，光敏层是一种高阻材料，某一点的电阻变化对其周围各点电阻的影响不会很大，因而，当写入信号光11照到光敏 层3a上后，该光敏层3a上将留下一幅与信号光相对应的以光敏层3a材料各点电阻不同所表示的电阻潜象，当在光阀的两层ITO膜之间加上一个工作电压14后，这个在光敏层3上以各点不同电阻表示的潜象，将在液晶层7上以各点所加的电压不同而留下一幅与信号光相对应的电压图象，在某一定向条件下（定向层为6和8），液晶层可以有这样一种特性，即液晶层上所加电压不同，透过该液晶层的偏振光的偏振方向也将随之不同，所以这时读出入射光12透过保留有电压潜象的液晶层，并经介质反射层5反射后，得到的反射光13其各点的偏振角也将由于液晶层7上各点电压不同而不同，也即这时读出反射光13中实际上保留了一幅以各点反射光的偏振角不同所表示的与写入光信号相对应的潜象，只要在反射光13后面加上适当的检偏系统，实际上这时就可得到一幅以各点光强不同所表示的与写入信号光图象相对应的图象，液晶光阀正是以这样的原理工作的。

本发明涉及的液晶光阀中，写入光11和读出入射光12之间绝大部分是靠介质反射层5反射并隔离的，防止了两束光之间的干扰。但在一般情况中由于读出光12比写入光11的光强要高得多，如果介质反射层5的透过率为0.1%，而读出光与写入光强之比为10⁵，这时由读出光透过介质反射层到达写入光侧的光强将是写入光强的100倍，若考虑两者为同频率光且又能到达光敏层的3a侧，则写入光信号将完全被掩盖，所以，为了保证光阀正常工作，本光敏层直接将与介质反射层5接触的一侧改性为能够吸收剩余透过光，又基本不产生光、暗电阻变化，且具有较高电阻率的材料3b，实际上光敏层3b侧在这种液晶光阀的结构中起到了类似阻光层的作用，达到了与存在阻光层时相同的效果。

本发明涉及的过渡改性结构a-Si∶H光敏层，由于两侧特性不同而出现的类p-n或p-i结效应，在交变工作电压14作用下产生了光、暗结电容变化，考虑方程（3）和方程（4）液晶光阀中由材料载流子横向扩散控制的分辨率限除了与材料本身迁移率有关外还与工作频率有关，频率的确定如方程（2）所示又与材料的阻抗有关，而光、暗结电容变化使材料的光、暗阻抗变化增大，也即在更高的频率下，仍具有普通光敏层液晶光阀在较低频率下才有的光、暗阻抗变化量，所以，工作频率的提高使液晶光阀的分辨率限在同样的材料特性参数下得到了提高，也即当无法改善材料的特性参数时，具有所述过渡改性结构a-Si∶H光敏层的液晶光阀的性能将好于不具这种结构的液晶光阀，而且，制备也更为方便，并彻底解决了阻光层的脱落问题。

本发明涉及的过渡改性结构a-Si∶H光敏层液晶光阀的制备过程如下：

首先将基板1和10利用乙醇-乙醚混合液清洗干净，然后在真空镀膜机内将所述基板加热至200～300℃，并通过电子束加热蒸发In₂O₃和SnO₂混合料及离子辅助淀积得到镀有厚度在500～1000A，而电阻为～50Ω/□透过率为～90%的ITO薄膜的基板。

通过PECVD淀积设备在镀有所述ITO薄膜的基板1上沉积a-Si∶H光敏层3a-3b。先将基板1的温度控制在250～350℃范围，利用浓度为60%～80%硅烷的硅烷-氢混合气体为气源，掺入P/Si原子比为0～4×10^-5的磷烷，控制流量在40～80Sccm，真空室压力为0.1～1τ，功率密度在0.4～1.5ω/cm²，沉积时间在0.5～1h，便可得到光/暗电阻比在10^-3～10^-2范围，光学带隙在～1.75ev，厚度在1～3μm的a-Si∶H光敏层的3a部分;接着，改变沉积条件为：控制基板温度在～350℃。硅烷-氢混合气体中硅烷浓度为2～4%，并掺入B/Si原子比为0～4×10^-5的硼烷，流量在50～100Sccm，真空室压力～0.5τ，功率密度在0.35～0.45ω/cm²，沉积时间在13～18h，可得到光/暗电阻比为0.4～0.9，光学带隙小于1.6ev，可见光吸收系数～10⁵cm^-1，电阻率约为2.5×10⁶Ωcm及10¹⁰Ω/□，厚度在2～4μm的a-Si∶H光敏层的3b部分，且在膜层结构中含有体积比约为20%的硅晶体。

除上述方法外，a-Si∶H光敏层还可采取3a和3b之间控制沉积条件连续过渡的办法，尤其是在交界处附近连续过渡的办法实现。

完成所述的光敏层制备后，接着在其表面蒸镀高反射介质镜（反射层）5，这种介质镜制成多层膜，以一种高折射率材料和一种低折射率材料交替镀制，一般用二氧化硅和二氧化钛交替蒸镀，也可利用ZnS和MgF₂制成，上述介质镜的详细制备方法与控制条件在传统的光学薄膜技术中已有详细描述。

液晶定向层6和8是利用聚酰亚铵溶液在介质镜5和镀有ITO膜9的基板10表面上分别涂上一层均匀薄膜，经125℃烘烤后，利用丝绒摩擦，并在其表面形成微细沟槽制成。

最后按传统液晶盒制备方法在所述二个定向层之间灌装BDHE44液晶7，便可得到以扭曲向列液晶调制的过渡改性结构a-Si∶H光敏层液晶光阀。

Claims (3)

1、一种反射型液晶光阀，主要由基板[1]和[10]、透明导电层[2]、液晶电一光调制层[7]、介质反射层[5]、液晶定向层[6]和[8]以及光敏层迭合而成，其特征是光敏层[3a]-[3b]采用在薄膜厚度方向上具有过渡改性结构的a-Si∶H半导体材料，其一侧是本征或掺微量磷的a-Si∶H半导体薄膜，光学能隙保持在1.75ev，光/暗电阻比为10^-2～10^-3；另一侧是本征或掺微量硼的改性a-Si∶H薄膜，其中掺杂原子比B/Si在0～4.0×10^-5范围内变化，膜层电阻率为2.5×10⁶Ωcm及10¹⁰Ω/□，光学能隙小于1.6ev，可见光吸收系数为10⁵cm^-1，光/暗电阻比为0.4～0.9，膜层结构非晶硅本体中晶体占约20%，其尺寸在150～60A范围内。

2、根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在所述过渡改性结构a-Si∶H之间的过渡是组成过渡，或是结构过渡，并且上述两种过渡型式均可是连续的或是突变的。

3、根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征是光敏层中的窄光学能隙一侧直接与介质反射层〔5〕结合，由介质反射层透过的剩余读出光在所述光敏层的这一侧被吸收完毕，宽光学能隙的另一侧则吸收信号写入光。

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