CN2189321Y - 缺陷控制近红外敏感非晶硅光敏层的液晶光阀 - Google Patents

Abstract

一种缺陷控制近红外敏感非晶硅光敏层的液晶 光阀，在光学玻璃基板上镀有厚度为300～2000， 电阻为2000～20Ω/□，对可见光及近红外光透过率 分别达到90％和80～85％的ITO导电膜；在ITO 导电膜上镀有光波长敏感范围在0.4～2.0μm，可见 光及近红外光波段范围光/暗电导比分别达到10² ～10³及10的a-Si∶H光敏层。由于采用a-Si∶H 作为近红外光光敏材料，使光敏层制备大为简化，光 阀的分辨率、对比度提高，拓宽了a-Si∶H液晶光阀 对光波波长的敏感范围，可同时用于可见光和近红外 光写入。

Description

本实用新型涉及光选址空间光调制器，特别是一种对可见光和近红外光同时敏感的液晶光阀。

液晶光阀是七十年代发展起来的一种光－光图象传感器，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，随光阀的结构变化及所使用材料性能的不同，其工作特性及其使用范围将有很大的变化。譬如，以不同光电材料做光敏层的光阀，虽然都可以进行光－光转换，但其对光敏感的波长范围是不相同的。一般与材料的能带结构有关，其带隙越宽，对光敏感时，光频率必须越高。在当前的液晶光阀中，光敏层一般由CdS、CdSe、a－Si：H、C－Si或GaAs，BSO等材料制成，相对而言C－Si由于带隙较窄，对频率较低的近红外光选址液晶光阀，可用于热成象系统和红外图象的检测和处理。美国休斯（Hughs）公司曾用单晶硅作光敏层制备液晶光阀，实现了从近红外光到可见光图象的转换，这类光阀虽然具有较高的响应灵敏度，在室温下就可进行红外图象处理，操作时也无特殊条件。但是，由于光选址液晶光阀是通过光导材料产生空间电场图象工作的，为了获得较高的空间分辨率，必须防止载流子的横向扩散，也即应尽量选择较高电阻率和较低迁移率的光导材料，而对所使用的单晶硅而言，要想达到很高的电阻率，制备难度很大，且大约也只有ρ＝10⁴Ωcm左右；再则单晶硅的迁移率相对又较大，使这种光阀的横向弥散比较严重；从对比度看，光阀的最佳对比度应该满足光导层电阻与液晶层电阻相当，而液晶一般ρ＞10¹⁰Ωcm，两者相差很大，这些问题都将使光阀的性能受到影响。

为了满足最佳对比度，我们首次提出一种集总单元电模式等效分析电路，如图1（a）、（b）所示，图中C_P、R_P、C_R、R_R和C_L、R_L分别表示光敏层3，反射阻光层4、5和液晶层7的电容和电阻。考虑光阀上某一微区B注入信号后，对四周未注入光的区域会产生影响，以及从输入信号到输出信号必须满足最大线性传递的要求，可以确定各层材料间应该满足的基本匹配关系。设在偏压下有一束光照射在光阀的一个微区B上，这个微区中各层原来稳定分配的各点电位将由于光敏层电阻变化而发生变化，最后达到新的平衡，根据电路节点电流分析法并考虑除边缘区域外，中间某一微区的周围电位近似相同，则当偏压为直流或较低频率的交变电压时，可得到简化的液晶层电位V_L：

$V_L\mathrm{=\; V\; (}\frac{{\mathrm{16R}}_R{R}_P}{R_{\mathrm{P\; R}}{R}_{\mathrm{R\; L}}}+\frac{{\mathrm{4R}}_R}{R_{\mathrm{R\; L}}}+\frac{{\mathrm{4R}}_P}{R_{\mathrm{R\; L}}}+\frac{{\mathrm{4R}}_R{R}_P}{R_{\mathrm{P\; R}}{R}_L}+\frac{R_R}{R_L}+\frac{R_P}{R_L}+\frac{{\mathrm{4R}}_P}{R_{\mathrm{P\; R}}}{\mathrm{+\; 1)}}^{\mathrm{-1}}\mathrm{(1)}$

式中：R_PR——光导层与反射阻光层结合后的平衡横向电阻；

R_RL——液晶层与反射阻光层结合后的平衡横向电阻；

该式表示了各层材料电阻及工作电压V对液晶层电位的影响。若保证R_PR或R_RL远大于R_L则上式可改写为：

$V_L\mathrm{=\; V\; (}\frac{R_P{\mathrm{+\; R}}_R}{R_L}{\mathrm{1\; +\; A)}}^{\mathrm{-1}}\mathrm{(2)}$

其中A可近似作为常数处理，也即可近似认为横向扩散对某一确定材料的光阀而言是个确定值。从（2）式可知，光阀中液晶层的电压主要受光敏层3、反射阻光层4、5和液晶层7的电阻影响。改变这三个电阻的相对大小，可使各层上的电压分配发生变化。一般当反射阻光层电阻确定后，随光敏层电阻下降和液晶层电阻上升，液晶层电位就升高，其关系如图2所示，说明V_L随R_P变化的最佳线性范围为满足0.1R_L＜R_P＜R_L（10R_L），这时V_L随V_P的变化量△V_L还随A值和R_R／R_L值的不同而变化。但不管如何，要保证光阀能线性且最大程度的传递信号，可见必须满足光敏层电阻与液晶层相当这一基本条件。

另外，从液晶光阀的制备着手分析，非晶硅（以下简称a－Si：H）光敏材料具有很大优越性，a－Si：H制备方便，沉积温度低，可沉积成大面积的均匀薄膜，有优越的空间分辨率，较高的光／暗电导比和很快的响应时间，而且材料的电阻率与液晶层基本处于同一数量级，对提高器件对比度极有利。由于a－Si：H薄膜的光学能隙约在1.7eV左右，也即在可见光谱范围内敏感，还没有直接将a－Si：H用于近红外选址液晶光阀。

本实用新型的目的是：制备经控制缺陷改性的非晶硅光敏层的液晶光阀，解决a－Si：H对近红外光不敏感的问题，以及透明导电膜（以下简称为ITO膜）同时透可见光及近红外光的问题，拓展a－Si：H液晶光阀的用途。

制备近红外敏感的a－Si：H液晶光阀，最关键的问题是要解决a－Si：H光电材料对近红外光的敏感问题，也即如何提高a－Si：H薄膜的近红外光／暗电导比。一般情况下，a－Si：H薄膜的光电响应对可见光及其较高频率的光谱比较灵敏，具有较好光电响应的波长范围大致在小于700nm的区域。从a－Si：H对光吸收的机理分析，可将光的吸收分成三种情况，第一类是价带和导带之间的跃迁，这部分吸收最大，主要是大量能量高于材料带隙宽度的光子贡献；第二类是价带（导带）扩展态与导带（价带）带尾定域态之间电子的跃迁，随着光子能量下降，这部分吸收将迅速以指数规律下降；第三类是带尾态之间的电子跃迁或缺陷态中的电子向导带边的跃迁，能量在1.4eV～0.7eV之间的光子，一般属于这类吸收，通常吸收很弱。第三类吸收的光谱正好属于近红外波段，因而改善a－Si：H近红外区域的光电导性能，可以通过对a－Si：H材料中缺陷态进行调节来实现。另一方面，随着薄膜制备条件的不同，光电导的大小将会发生很大的变化。譬如受薄膜沉积温度的影响由室温至300℃变化时，光电导可以变化五个数量级，这主要受到材料中光生载流子复合寿命的影响，因为载流子的寿命与沉积温度之间有强烈的依赖关系，光电导的大小基本上与载流子的复合寿命成正比。实际上该区的吸收系数随沉积温度下降和缺陷态密度上升而升高，但载流子寿命却随沉积温度下降而急剧下降，因而对光电导的影响是一种综合因素。可以看出，通过控制材料的制备温度及氢含量，即通过控制材料中的缺陷状态，可以得到具有足够高近红外光／暗电导比的a－Si：H光电材料，从而突破a－Si：H液晶光阀只在可见光领域应用的局限。

光阀是靠透明导电膜来施加偏压的，因而必须要有良好的透红外性能，我们仍采用对可见光透过率极高的ITO膜，透过率大致可达80～90％，在短波侧和长波侧则分别有一个吸收边，引起短波侧吸收的主要原因是禁带宽度为4eV的In₂O₃中电子的跃迁吸收，以及在其中掺入少量SnO₂后，在原禁带中形成的杂质带电子跃迁吸收的共同结果。而长波侧的吸收与薄膜的形成结构不同时对光的散射，以及分子本身的振动吸收大致有关，制备条件不同时，它们在大约0.9～1.1μm时开始随波长的提高而线性增大。因而，控制ITO的结构状态，可使其至少对能量为1.1eV以上的光子具有大于80％的透过率。

本实用新型提出一种经控制缺陷改性的a－Si：H光敏层的液晶光阀，特别是要制备能对可见光至近红外光均敏感的光敏层，它是一种缺陷态密度得到控制的a－Si：H光电材料。其薄膜的含氢量控制在30～8％范围，缺陷态密度控制在10¹⁶～10¹⁸cm^－3eV^－1，薄膜的光生载流子寿命为10^－8～10^－6秒，这种光电材料，光波长敏感范围约在0.4～2.0μm，在可见光波段范围，其光／暗电导比在10²～10³范围；在近红外光波段范围，其光／暗电导比约达10。同时要制备对可见光及近红外光同时透明的ITO导电膜，膜厚在300～2000A范围内，面电阻为2000～20Ω／□。薄膜可见光透过率约90％；近红外光透过率达80～85％。

本实用新型与背景技术相比，具有的有益的效果是：

1.由于采用a－Si：H作为近红外光光敏材料，使红外敏感液晶光阀光敏层的制备大为简化，而且光阀的分辨率、对比度提高且具有与其它a－Si：H液晶光阀相同的优越性；

2.由于采用了缺陷控制a－Si：H光敏层，拓宽了a－Si：H液晶光阀对光波长的敏感范围，光阀可同时适用于可见光和近红外光写入。

下面结合附图，通过对实施例的描述给出实用新型的技术方案及工作原理。

图1（a）、液晶光阀的集总单元电模式等效分析电路图；

图1（b）、与图1a之对应的结构分解示意图；

图2、液晶光阀液晶层上电压降与光导层电阻变化之间关系图；

图3、本实用新型液晶光阀的结构示意图；

图4、近红外敏感a－Si：H薄膜在不同光照下的电阻、电容变化曲线；

图5、近红外敏感a－Si：H液晶光阀中各膜层阻抗间关系图。

如图3所示，本实用新型的液晶光阀包括：能透过写入光11的光学玻璃1，蒸镀在光学玻璃上的ITO膜2，采用CVD方法沉积在ITO膜2上的红外敏感a－Si：H光敏层3，沉积在光敏层3上的阻光层4，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。

本实用新型的液晶光阀的工作原理：

写入光11透过玻璃1和ITO膜2到达红外敏感a－Si：H光敏层3，入射光的绝大部分将在这一层被吸收，由于光敏层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3上后，该光敏层3上将留下一幅与信号光相对应的以光敏层3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潜象，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象，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象相对应的图象，液晶光阀正是以这样的原理工作的。

本实用新型涉及的液晶光阀中，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。但在一般情况下，由于读出光12与写入光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敏层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，在光敏层3与介质反射层5之间有一阻光层4以吸收剩余透过光。

缺陷控制a－Si：H光敏层，由于拓宽了材料对光波长的响应范围，在可见光至近红外光波段光照下，都有较高的光／暗电导变化，这种电导的变化，使制成具有对可见光及近红外敏感的a－Si：H液晶光阀，由于光敏层的载流子横向扩散比单晶硅小，所以相对提高了分辨率，另外，a－Si：H光敏层的阻值与液晶层匹配良好，使近红外敏感液晶光阀的对比度比单晶硅近红外液晶光阀大大提高，再则利用a－Si：H作光敏层，制备也更为方便，且具有与a－Si：H传统液晶光阀相同的优越性。

本实用新型涉及的近红外敏感a－Si：H光敏层的制备过程如下：

首先将光学玻璃基板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150～300℃，并通过电子束加热蒸发In₂O₃和SnO₂混合料及离子辅助淀积，控制蒸发速率在10～200A／min，得到镀有厚度在300～2000A，而电阻为2000～20Ω／□，可见光透过率达到90％，近红外光透过率达到80％的ITO薄膜基板。

通过PECVD沉积设备在镀有ITO薄膜的基板上沉积近红外敏感a－Si：H光敏层，先将基板的温度控制在150～350℃范围，利用浓度为60％～80％硅烷的硅烷－氢混合气体为气源，控制流量在40～80Sccm，真空室压力为0.1～1τ，功率密度在0.05～1.5W／cm²，沉积时间在0.5～1小时，便可得到可见光／暗电导比在10^－3～10^－2范围，光吸收系数为10⁵cm^－1，近红外光／暗电阻比约10，光吸收系数为10⁴～10³cm^－1，氢含量控制在30％～8％，缺陷密度控制在10¹⁶～10¹⁸cm^－3eV^－1，光生载流子寿命为10^－8～10^－5秒，厚度在1～3μm的近红外敏感a－Si：H光敏层3。次外还可采用沉积温度在150～400℃范围内连续或阶梯形升、降温的变温方法沉积a－Si：H光敏层3，变温沉积时，只要在远离a－Si：H／ITO界面后，保持较长时间的平稳阶段即可，其它控制参数不变。

完成光敏层3制备后，接着在其表面蒸镀阻光层4和高反射介质镜（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SiO₂和TiO₂交替蒸镀，也可利用ZnS和MgF₂制成，阻光层可用CdTe，a－SiGe：H或nc－Si：H制成，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。

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50～150℃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二个定向层之间灌装BDH－E44液晶7，便可得到以扭曲向列液晶调制的近红外敏感a－Si：H光敏层液晶光阀。

下面为本实用新型的近红外敏感a－Si：H液晶光阀的实施例：

ITO利用真空镀膜机制备，使用9：1摩尔比的In₂O₃和SnO₂的混合料烧结成的块料及O₂为原料，以电子束将其加热蒸发在K9玻璃上，对于基板温度在300℃，膜厚在900A，蒸发速率为～24A／min时，制得的ITO薄膜在0.94μm波长光照下的透过率约为85％，膜的面电阻可达约为30Ω／□。a－Si：H在PECVD真空沉积设备中，利用高纯SiH₄及H₂为原料沉积，样品基板温度控制在300～350℃，氢含量在8～10％范围内，射频功率在0.1～0.4W／cm²时可得到在0.94μm波长光照下（200mw）的光／暗电导比约大于一个数量级。如图4所示，为测得的在不同频率下的光、暗电阻及电容变化曲线，其中R_PIR为红外光照下的电阻值。如图5所示，则为用于制备液晶光阀的该光电薄膜、CdTe阻光层、ZnS／MgF₂介质镜及BDH－E44液晶层的阻抗随不同工作频率的变化曲线，其中液晶层的阻抗X_L是随所加电压不同而变化的。从图中可见，在上述制备条件下，经该红外光源照射后的阻抗为X_PIR，在约200H_Z的工作频率下，光电薄膜的光暗阻抗变化比1700L_X白光照射时略低，达到约0.3个数量级。下表为所讨论的光阀特性参数。

表：近红外敏感a－Si：H液晶光阀的综合性能参数一览表

光阀编号：J0315
		工作电压VO(V)                         1.99工作频率f(HZ)                          200液晶层厚度计算值dL(μm)                13.4液晶层阈值电压Vtl(V)                  1.27液晶层饱和电压Vsl(V)                  1.591700LX写入光下液晶层电压VL(V)          1.444500LX写入光下液晶层电压VL(V)            1.481700LX白光照射对比度                      214500LX白光照射对比度                      25光阀液晶层最大可能对比度                36.50.94μm（200mw)红外光照对比度          ～160.94μm红外光照下液晶层电压VL          ～1.400.94μm红外光／暗电导比                ＞100.94μm红外光／暗阻抗比                ～0.3

Claims (1)

1. 缺陷控制近红外敏感非晶硅光敏层的液晶光阀，它包括：光学玻璃基板[1]、[10]，ITO导电膜[2]、[9]，光敏层[3]，阻光层[4]，介质反射层[5]，液晶定向层[6]、[8]，液晶层[7]，本实用新型的特征是：

   1)在光学玻璃基板[1]、[10]上，镀有厚度为300～2000A，电阻为2000～20Ω/□，可见光透过率达到90%、近红外光透过率达到80%的ITO导电膜[2]、[9]；

   2)在ITO导电膜[2]、[9]上，镀有光波长敏感范围在0.4～2.0μm，在可见光波段范围其光/暗电导比为10²～10³，光吸收系数为10⁵cm^-1，在近红外光波段范围其光/暗电导比为10，光吸收系数为10⁴～10⁸cm^-1的对可见光和近红外光同时敏感的a-Si∶H光敏层[3]。

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