CN1493899A - 柱状结构纳米硅/非晶硅碳复合光导层液晶光阀及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柱状结构纳米硅/非晶硅碳复合光导层液晶光阀及制备方法。它依次包括第一光学玻璃、第一透明导电膜、光导层、阻光层、介质反射层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第二透明导电膜、第二光学玻璃组合而成；在第一透明导电膜上镀有由金属诱导层诱导制成的柱状结构纳米硅/非晶硅碳各向异性复合光导层。这种光导层材料，在可见光波段范围，其光/暗电导比为10¹～10⁴，根据制备金属诱导层厚度的不同，光导膜的纵向电导率是横向电导率的2～10倍。光阀的分辨率达到500～1000lp/inch。本发明由于采用各向异性柱状结构光导膜，光导膜的横向电导率小于纵向电导率，使载流子的横向扩散减小，光导层的分辨率大大提高，液晶光阀的分辨率得到改善。

Description

柱状结构纳米硅/非晶硅碳复合光导层液晶光阀及制备方法

所属技术领域

本发明涉及光选址空间光调制器，尤其涉及一种柱状结构纳米硅/非晶硅碳复合光导层液晶光阀及制备方法。

背景技术

液晶光阀是七十年代发展起来的一种光—光图像传感器，从光阀的工作原理来看，它可以用于进行不同波长光之间的转换，相干光与非相干光之间的转换，因而可用于实时大屏幕投影显示、实时光学相关、光学数据处理、实时光学边缘增强、实时光学图像相减等。在当前的液晶光阀中，光导层一般由CdS、CdSe、a-Si:H、C-Si或GaAs，BSO等材料制成，CdS作光导材料光阀的响应速度慢，而用单晶硅做光导层虽具有高的响应速度，但单晶硅的迁移率相对较大，载流子的横向弥散比较严重，分辨率较低。而非晶硅薄膜响应速度快，电子迁移率低，是制备液晶光阀光导层的理想材料。由于光选址液晶光阀是通过光导材料接受图像工作的，光导层光生载流子的横向扩散将是影响液晶光阀的重要因素之一。

从理论上分析，由于液晶光阀在法向施加有电场，当光照射到光导层的时候，鉴于横向没有电场作用，光生载流子在横向只作单纯的扩散运动，载流子的扩散长度可以表示为：

$L=\sqrt{D_c\mathrm{\τ}}..........\left(1\right)$

根据爱因斯坦关系可知，载流子的扩散系数和迁移率存在以下关系

$D=\frac{\mathrm{kT}}{e}\mathrm{\μ}..........\left(2\right)$

将式(2)代入式(1)可得光生载流子横向扩散长度为

$L=(\frac{\mathrm{kT}{\mathrm{\μ}}_L}{e}\mathrm{\τ}{)}^{1/2}..........\left(3\right)$

其中μ_L是载流子的横向迁移率。可见横向扩散长度还与载流子的寿命τ，即载流子沿电场方向的漂移时间有关。τ可表示为：

$\mathrm{\τ}=\frac{d}{v}=\frac{d}{{\mathrm{E\μ}}_N}=\frac{d^2}{{\mathrm{\μ}}_N{V}_P}......\left(4\right)$

式中d是光导层的厚度，μ_N是载流子的纵向(即电场方向)迁移率，V_P是所加的电压。若不考虑迁移的各向异性，则μ_L＝μ_N，而考虑迁移的各向异性，那么把式(4)代入式(3)得到的光生载流子的扩散长度的表达式为：

$L=d{\left(\frac{\mathrm{kT}{\mathrm{\μ}}_L}{e{\mathrm{\μ}}_N{V}_P}\right)}^{/_2^1}..........\left(5\right)$

另一方面，考虑到光导层中载流子向四周横向扩散，则最大扩散长度

${\mathrm{\Δ}}_{\max }=2L=2d{\left(\frac{\mathrm{kT}{\mathrm{\μ}}_L}{e{V}_P{\mathrm{\μ}}_N}\right)}^{/_2^1}............\left(6\right)$

再则，由半导体物理知识可知，电导率σ与载流子迁移率μ及载流子浓度关系式如下所示：

                 σ＝qμ_nn                       (7)由于对于薄膜来说，在横向与纵向电导方向的载流子浓度n和电子电荷数值q应该相等，因此，薄膜载流子在横向和纵向的迁移率分别为：

${\mathrm{\μ}}_L=\frac{{\mathrm{\σ}}_L}{\mathrm{qn}}........\left(8\right)$

${\mathrm{\μ}}_N=\frac{{\mathrm{\σ}}_N}{\mathrm{qn}}..........\left(9\right)$

所以薄膜的横向与纵向电导率的大小分别反映了载流子横向与纵向迁移率的大小。把式(8)和(9)代入式(6)，则可得液晶光阀光导层分辨率(光导层光生载流子横向最大扩散长度)的表达式为：

${\mathrm{\Δ}}_{\max }=2d{\left(\frac{\mathrm{kT}{\mathrm{\σ}}_L}{e{V}_P{\mathrm{\σ}}_N}\right)}^{/_2^1}.....\left(10\right)$

可见，光导层内载流子的横向扩散与光导层的横向、纵向电导率直接相关，以此若制备具有各向异性的光导层，使光导层的横向电导率小于纵向电导率，就有利于减小载流子的横向扩散，提高光导层以至液晶光阀的分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种柱状结构纳米硅/非晶硅碳(以下简称为nc-Si/a-SiC:H)复合光导层液晶光阀及制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

(一)本发明依次包括第一光学玻璃、第一透明导电膜、光导层、阻光层、介质反射层、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、第二透明导电膜、第二光学玻璃组合而成；在第一透明导电膜上镀有由金属诱导层诱导制成的柱状结构纳米硅/非晶硅碳各向异性复合光导层。

(二)本发明的制备方法如下：

1)首先将两块光学玻璃基板利用己醇—己醚混合液清洗干净，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，分别沉积得到厚度在500～1000，而方块电阻为～50Ω/□，可见光透过率为90％的ITO透明导电薄膜层；

2)在经过增加热蒸发功能改造后的等离子增强化气相沉积设备(PECVD)内，先通过真空热蒸发的方法在镀有ITO薄膜的基板上沉积一金属诱导层，诱导层是Al、Ni、Au、Ag、Cu，厚度在20～350nm，基板温度为200～350℃，沉积真空度为10^-5～×10^-3Torr；然后在同一反应室内通过PECVD的方法沉积a-SiC:H薄膜于金属诱导层上，沉积真空度为0.5～1Torr，基板温度为250～350℃，沉积时以SiH₄、H₂和C₂H₄为原料气体，SiH₄与H₂体积比为4∶1，SiH₄与H₂混合气体的流量约为400sccm，射频电流为50～120mA，频率为13.56MHz；再在0.2个大气压的N₂氛围下进行1～6小时的退火处理，退火温度为250～500℃。便可得到光暗电导比在10¹～10⁴，纵向电导率是横向电导率的2～10倍的柱状nc-Si/a-SiC:H光导层；

3)完成光导层制备后，接着在其表面蒸镀阻光层和介质高反射层，这种介质镜制成多层膜，以一种高折射率材料ZnS和一种低折射率材料MgF₂交替镀制，阻光层采用CdTe，详细制备方法与控制条件在传统的光学薄膜及半导体薄膜等技术中已有详细描述；

4)两层液晶定向层是利用聚酰亚胺溶液在介质反射层和镀有ITO膜的基板表面上分别旋涂上一层均匀薄膜，经过150～200℃烘烤后，利用丝绒摩擦，并在其表面形成微细沟槽。最后按传统液晶盒制备方法在两个定向层之间灌注扭曲向列型液晶层，便可得到以扭曲向列液晶调制的高分辨nc-Si/a-SiC:H光导层液晶光阀。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果：

本发明提出一种硅纳米晶聚集柱复合光导膜液晶光阀，特别是制备一种横向电导率小于纵向电导率的各向异性柱状结构光导层。这种光导层材料，在可见光波段范围，其光/暗电导比为10¹～10⁴，根据制备金属诱导层厚度的不同，光导膜的纵向电导率是横向电导率的2～10倍。光阀的分辨率达到500～1000lp/inch。本发明由于采用各向异性柱状结构光导膜，光导膜的横向电导率小于纵向电导率，使载流子的横向扩散减小，光导层的分辨率大大提高，液晶光阀的分辨率得到改善。

附图说明

附图是本发明液晶光阀的结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，本发明它依次包括第一光学玻璃1、第一透明导电膜2、光导层3、阻光层4、介质反射层5、第一液晶定向层6、液晶层7、第二液晶定向层8、第二透明导电膜9、第二光学玻璃10组合而成。在第一透明导电膜2上镀有由金属诱导层诱导制成的柱状结构纳米硅/非晶硅碳各向异性复合光导层。

能透过写入光11的光学玻璃1，蒸镀在光学玻璃1上的透明导电膜(ITO)2，采用热蒸发和PECVD方法沉积在ITO膜2上的nc-Si/a-SiC:H光导层3，沉积在光导层3上的阻光层4，介质反射镜5处在光阀的中间，隔离写入光11和读出入射光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制备在介质反射镜5表面，而定向层8制备在读出窗光学玻璃10表面所蒸镀的ITO膜9上面，读出入射光12透过玻璃10、ITO膜9、液晶层7及定向层6和8经介质反射层5反射后，得到读出反射光13，ITO膜2和9之间接交变工作电压14。

本高分辨光导层液晶光阀的工作原理：

写入光11透过光学玻璃1和ITO膜2到达nc-Si/a-SiC:H光导层3，入射光的绝大部分将在这一层被吸收，由于光导层3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，光导层是一种高阻材料，某一点的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照到光导层3上后，该光导层3上将留下一幅与信号光相对应的以光导层3材料各点电阻不同所表示的电阻潜像，当在光阀的两层ITO膜之间加上一个工作电压14后，这个在光导层3上以各点不同电阻表示的潜像，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潜像，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透过保留有电压潜像的液晶层，并经介质反射层5反射后，得到的读出反射光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像，只要在读出反射光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像相对应的图像，液晶光阀正是以这样的原理工作的。

本高分辨光导层液晶光阀中，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。但在一般情况下，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12与写入光11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导层3，则写入光信号将完全被掩盖，所以，为了保证光阀正常工作，在光导层3与介质反射层5之间有一阻光层4以吸收剩余透过光。

Nc-Si/a-SiC:H光导层，采用金属诱导a-SiC:H薄膜，经过退火处理，形成由硅纳米颗粒聚集而成的具有柱状结构的纳米硅复合光导层，这种柱状结构，柱内由纳米晶聚集而成，柱间则为电阻相对较高的a-SiC:H基质，具有各向异性，光导层的横向电导率小于纵向电导率，使光导层的分辨率大大提高，从而使液晶光阀的分辨率得到改善。

高分辨nc-Si/a-SiC:H光导层的制备实例：

在经过改造的PECVD设备内先通过真空热蒸发的方法在镀有ITO薄膜的基板上沉积一层金属Al诱导层，厚度在20～350nm，基板温度为320℃，沉积真空度为7～9×10^-3Torr；然后在同一反应室内通过PECVD的方法沉积a-SiC:H薄膜于Al层上，沉积真空度为0.5～1Torr，基板温度为320℃，SiH₄与H₂体积比为4∶1，SiH₄与H₂混合气体的流量约为400sccm，射频电流为100mA，频率为13.56MHz；再在0.2个大气压的N₂氛围下进行1～6小时的退火处理，退火温度为250～500℃。便得到光暗电导比在103，纵向电导率是横向电导率的2～4倍的柱状nc-Si/a-SiC:H光导层3。

Claims (2)

1.一种柱状结构纳米硅/非晶硅碳复合光导层液晶光阀，它依次包括第一光学玻璃(1)、第一透明导电膜(2)、光导层(3)、阻光层(4)、介质反射层(5)、第一液晶定向层(6)、液晶层(7)、第二液晶定向层(8)、第二透明导电膜(9)、第二光学玻璃(10)组合而成；其特征在于：在第一透明导电膜(2)上镀有由金属诱导层诱导制成的柱状结构纳米硅/非晶硅碳各向异性复合光导层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种柱状结构纳米硅/非晶硅碳复合光导层液晶光阀的制备方法，其特征在于：

1)首先将两块光学玻璃基板(1)和(10)利用己醇—己醚混合液清洗干净，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，分别沉积得到厚度在500～1000，而方块电阻为～50Ω/□，可见光透过率为90％的ITO透明导电薄膜层(2)和(9)；

2)在经过增加热蒸发功能改造后的等离子增强化气相沉积设备内，先通过真空热蒸发的方法在镀有ITO薄膜的基板上沉积一金属诱导层，诱导层是Al、Ni、Au、Ag、Cu，厚度在20～350nm，基板温度为200～350℃，沉积真空度为10^-5～×10^-3Torr；然后在同一反应室内通过PECVD的方法沉积a-SiC:H薄膜于金属诱导层上，沉积真空度为0.5～1Torr，基板温度为250～350℃，沉积时以SiH₄、H₂和C₂H₄为原料气体，SiH₄与H₂体积比为4∶1，SiH₄与H₂混合气体的流量约为400sccm，射频电流为50～120mA，频率为13.56MHz；再在0.2个大气压的N₂氛围下进行1～6小时的退火处理，退火温度为250～500℃。便可得到光暗电导比在10¹～10⁴，纵向电导率是横向电导率的2～10倍的柱状nc-Si/a-SiC:H光导层(3)；

3)完成光导层(3)制备后，接着在其表面蒸镀阻光层(4)和介质高反射层(5)，这种介质镜制成多层膜，以一种高折射率材料ZnS和一种低折射率材料MgF₂交替镀制，阻光层采用CdTe，详细制备方法与控制条件在传统的光学薄膜及半导体薄膜等技术中已有详细描述；

4)两层液晶定向层(6)和(8)是利用聚酰亚胺溶液在介质反射层(5)和镀有ITO膜(9)的基板(10)表面上分别旋涂上一层均匀薄膜，经过150～200℃烘烤后，利用丝绒摩擦，并在其表面形成微细沟槽。最后按传统液晶盒制备方法在两个定向层之间灌注扭曲向列型液晶层(7)，便可得到以扭曲向列液晶调制的高分辨nc-Si/a-SiC:H光导层液晶光阀。

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