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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf aktive Halbleiterrückwände, die
zur Verwendung mit einem mit Abstand angeordneten gegenüberliegenden
Substrat, üblicherweise
eine Gegenelektrode, geeignet sind, eine Zelle zu bilden, und auf
derartige Rückwände aufweisende
Vorrichtungen.
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Die
Vorrichtung, welche in dieser Spezifikation in Verbindung mit einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
speziell beschrieben wird, ist ein räumlicher Lichtmodulator in
der Gestalt einer smektischen Flüssigkristallschicht,
die zwischen einer aktiven Halbleiterrückwand und einer gemeinsamen Frontelektrode
angeordnet ist. Sie wurde als Antwort auf eine Anforderung für einen
schnellen und, wenn möglich,
kostengünstigen
räumlichen
Lichtmodulator entwickelt, welcher eine relativ große Anzahl
von Pixel aufweist, mit einer möglichen
Anwendung nicht nur als Anzeige-Vorrichtung, sondern auch für andere
Formen optischer Verarbeitung, wie Korrelation und holographisches
Schalten. Unsere ebenfalls anstehenden internationalen Patentanmeldungen
mit gleichen Anmeldungs- und Prioritätstagen (PCT/GB99/04285, ref:
P20957WO, mit Priorität
der GB 9 827 952.4; PCT/GB99/04286 und PCT/GB99/04276, refs: P20958WO
und P20958WO1, beide mit Priorität
der GB 9 827 965.6; PCT/GB99/04282, ref: P20959WO, mit Priorität der GB
9 827 900.3; PCT/GB99/04274, ref: P20961WO, mit Priorität der GB
9 827 964.9; PCT/GB99/04275, ref: P20962WO, mit Priorität der GB
9 827 945.8; und PCT/GB99/04260 und PCT/GB99/04277, refs: P20963WO
und P20963WO1, beide mit Priorität
der GB 9 827 944.1) beziehen sich auf andere zu dem räumlichen
Lichtmodulator gehörende
erfinderische Aspekte.
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Während des
Verlaufs der Entwicklung des räumlichen
Modulators traten eine Reihe von Problemen auf, die bearbeitet wurden.
Die Lösungen
zu diesen Problemen (ob in Form der Konstruktion, der Wirkungsweise
oder des Verfahrens) sind bezüglich
der Anwendung nicht notwendigerweise auf das Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern können
auch anderweitig verwendet werden. Somit sind nicht alle der Aspekte
der vorliegenden Erfindung auf Flüssigkristallvorrichtungen oder
räumliche
Lichtmodulatoren begrenzt.
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Nichtsdestotrotz
ist es nützlich,
mit einer Diskussion der bei der Entwicklung des später zu beschreibenden
Ausführungsbeispiels
aufgetretenen Probleme zu beginnen.
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Die
Flüssigkristallphase
ist seit dem letzten Jahrhundert bekannt, und es gab ein paar frühe Versuche,
Flüssigkristallmaterialien
in Lichtmodulatoren zu verwenden, von denen aber keiner zu einer
nennenswerten erfolgreichen kommerziellen Verwendung führte. Jedoch
gegen Ende der 1960er Jahre und während der 1970er Jahre gab
es erneutes Interesse an der Verwendung von Flüssigkristallmaterialien in
Lichtmodulationsverfahren, mit zunehmendem Erfolg, als mehr Materialien
und reinere Materialien verfügbar
wurden und als die Technologie im Allgemeinen fortschritt.
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Allgemein
gesprochen begann in dieser letzteren Periode die Verwendung von
nematischen und cholesterischen Flüssigkristallmaterialien. Cholesterische
Flüssigkristallmaterialien
wurden als Sensoren verwendet, hauptsächlich zum Messen von Temperatur
oder Anzeigen einer Temperaturänderung,
aber auch zum Reagieren auf beispielsweise das Vorhandensein von
Verunreinigungen. In solchen Fällen
ist der Raster-Abstand der cholesterischen Helix empfindlich für den wahrzunehmenden
Parameter und ändert
entsprechend die Wellenlänge,
bei welcher es eine selektive Reflexion einer Seite eines kreisförmig polarisierten
Lichts durch die Helix gibt.
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Es
gab auch Versuche, cholesterische Materialien in elektrooptischen
Modulatoren zu verwenden, aber während
dieser Zeit betraf der wesentliche Fortschritt der Forschung auf
diesem Gebiet nematische Materialien. Anfängliche Vorrichtungen verwendeten
solche Effekte wie den nematischen dynamischen Streuungseffekt,
und zunehmend hochentwickeltere Vorrichtungen entstanden, die Eigenschaften
einsetzten, wie Oberflächen-induzierte
Ausrichtung, die Wirkung auf polarisiertes Licht und die Co-Orientierung
von länglichen
Farb-Molekülen oder anderen
länglichen
Molekülen/Partikeln.
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Einige
dieser Vorrichtungen verwendeten Zellen, in denen die nematische
Phase eine gedrehte Struktur annahm, entweder indem Oberflächen-Ausrichtungen
geeignet angeordnet oder indem optisch aktive Materialien in der
Flüssigkristallphase
aufgenommen wurden. Es gibt eine Vorstellung, in welcher derartige
Materialien cholesterischen Materialien ähnlich sind, welche oft als
eine besondere Form der nematischen Phase angesehen werden.
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Anfangs
waren Flüssigkristall-Lichtmodulatoren
in der Gestalt einer einzelnen Zelle, die eine zwischen gegenüberliegenden
Elektroden-tragenden
Platten angeordnete Schicht aus Flüssigkristallmaterial aufweist,
wobei zumindest eine der Platten transparent ist. Die Dicke der
Flüssigkristallschicht
in den nematischen Zellen liegt üblicherweise
bei ungefähr
20 bis 100 Mikrometer, und die zu einer nematischen Flüssigkristallzelle
gehörende
Kapazität
ist entsprechend klein. Darüber
hinaus ist die Umschalt-Zeit von einem vollständigen „Aus"-Zustand
zu einem vollständigen „An"-Zustand eher lang,
im Allgemeinen ungefähr
eine Millisekunde. Eine Relaxation zurück zu dem „Aus"-Zustand kann etwas länger dauern,
wenn sie nicht positiv angesteuert ist, aber der „Aus"-Zustand ist der
einzige stabile Zustand.
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Zur
selben Zeit wurden elektro-optische nematische Vorrichtungen mit
einer Vielzahl von Pixel entwickelt. Anfangs hatten diese die Form
einer gemeinsamen Elektrode an einer Seite der Zelle und eine Vielzahl
individuell adressierbarer passiver Elektroden an der anderen Seite
der Zelle (zum Beispiel wie in einer sieben Segment-Anzeige), oder,
für eine höhere Anzahl
von Pixel, sich überschneidende
passive Elektroden-Arrays an jeder Seite der Zelle, zum Beispiel
Zeilen- und Spalten-Elektroden, die abgetastet wurden. Während letztere
Anordnungen eine beträchtliche
Vielseitigkeit zur Verfügung
stellen, gab es mit der Kreuzkopplung zwischen den Pixel zusammenhängende Probleme.
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Die
Situation verschlechterte sich, als Analog(Graustufen)-Anzeigen
durch eine analoge Modulation der angelegten Spannung benötigt wurden,
da die optische Antwort zu der angelegten Spannung nichtlinear in
Beziehung steht. Adressierungs-Schemen wurden relativ kompliziert,
insbesondere dann, wenn auch ein Gleichstrom-Gleichgewicht benötigt wurde. Derartige Überlegungen
machten es zusammen mit der relativen Langsamkeit des Schaltens
der nemati schen Zellen schwierig, Echtzeit-Videos mit einer vernünftigen
Auflösung
zu ermöglichen.
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Daraufhin
wurden Vorrichtungen mit aktiven Rückwänden hergestellt. Diese weisen
eine Rückwand
mit einer Vielzahl von aktiven Elementen auf, wie Transistoren,
um entsprechende Pixel mit Strom zu versorgen. Zwei übliche Formen
sind Dünnschichttransistor
(TFT) auf Rückwänden aus
Siliziumdioxid/Glas und Halbleiterrückwände. Die aktiven Elemente können derart
ausgebildet sein, eine Art Speicherfunktion auszuüben, in
welchem Fall ein Adressieren des aktiven Elements im Vergleich zu der
zum Adressieren und Umschalten der Pixel benötigten Zeit beschleunigt werden
kann, was das Problem einer Anzeige mit Video-Bildfrequenzen erleichtert.
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Aktive
Rückwände werden üblicherweise
in einer Anordnung vorgesehen, die sehr ähnlich zu einem dynamischen
Arbeitsspeicher (DRAM – dynamic
random access memory) oder einem statischen RAM (SRAM – static
random access memory) ist. An jeder Stelle eines verteilten Arrays
adressierbarer Speicherstellen weist eine aktive Rückwand des SRAM-Typs
eine Speicherzelle auf, die zumindest zwei gekoppelte Transistoren
umfasst, die so ausgebildet sind, zwei stabile Zustände aufzuweisen,
so dass die Zelle (und deswegen das zugehörige Flüssigkristallpixel) in dem zuletzt
geschalteten Zustand verbleibt, bis ein späterer Adressierungsschritt
ihren Zustand verändert.
Jede Speicherstelle steuert ihr zugehöriges Flüssigkristallpixel elektrisch
an und ist für
sich, das heißt
ohne die Pixel-Kapazität,
bistabil. Strom zum Ansteuern des Pixels, um den bestehenden geschalteten
Zustand beizubehalten, wird von Sammelschienen bezogen, die auch
das Array der SRAM-Speicherstellen versorgen. Eine Adressierung wird
normalerweise von peripherer Logik über orthogonale Sätze (beispielsweise
Spalten und Zeilen) von Adressierungszeilen ausgeführt.
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In
einer aktiven Rückwand
des DRAM-Typs ist ein einzelnes aktives Element (Transistor) an
jeder Speicherstelle vorgesehen und bildet zusammen mit der Kapazität des zugehörigen Flüssigkristallpixels eine
Ladungsspeicherungszelle. Somit sind in diesem Fall, anders als
bei einer SRAM-Rückwand,
die Flüssigkristallpixel
ein integrierter Teil des DRAMs der Rückwand. Es gibt keine mit der
Speicherstelle zusammenhängende
Bistabilität,
außer
das Flüssigkristallpixel
ist selbst bistabil, und dies ist normalerweise, was nematische
Pixel betrifft, nicht der Fall. Stattdessen wird auf das, wenn es
nicht adressiert wird, eine hohe Impedanz aufweisende aktive Element,
um einen Ladungsverlust von der Kapazität zu verhindern, und ein periodisches
Auffrischen der DRAM-Speicherstelle gesetzt.
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Dünnschichttransistor
(TFT)-Rückwände weisen
ein Array von Dünnschichttransistoren
auf, die auf einem (üblicherweise
transparenten) Substrat über
eine beträchtliche
Fläche
verteilt sind, mit peripheren logischen Schaltungen zum Adressieren
der Transistoren, wodurch die Bereitstellung von Vorrichtungen mit
großen
Pixelflächen,
die direkt betrachtet werden können,
erleichtert wird. Nichtsdestotrotz gibt es Probleme mit der Ausbeute
der Rückwände während der
Herstellung, und die Länge
der Adressierungsleitungen wirkt verlangsamend auf das Abtasten.
Wenn sie auf einem transparenten Substrat, wie Glas, vorgesehen
sind, können
TFT-Arrays sogar auf der vorderen oder rückwärtigen Oberfläche einer Flüssigkristallanzeige-Vorrichtung angeordnet
werden.
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In
Anbetracht der gesamten Größe ist die von
den Transistoren, zugehörigen
Leitern und anderen elektrischen Elementen, zum Beispiel Kondensatoren,
eingenommene Fläche
des TFT-Arrays relativ unbedeutend. Es gibt deswegen keinen bedeutenden
Nachteil, die SRAM-Konfiguration
statt der DRAM-Konfiguration zu verwenden. Diese Art der Rückwand überwindet
somit viele der mit den langsamen Umschaltzeiten von Flüssigkristallpixel
zusammenhängenden
Problemen.
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Im
Allgemeinen sind die aktiven Elemente in TFT-Rückwänden Diffusions- und ähnliche
Transistoren, im Gegensatz zu FETS, so dass in dem „Aus"-Zustand die zugehörigen Impedanzen
relativ niedrig und ein zugehöriger
Ladungsverlust relativ hoch ist.
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Aktive
Halbleiterrückwände sind
in der Größe auf die
Größe des verfügbaren Halbleitersubstrats begrenzt
und nicht zum direkten Betrachten ohne dazwischenliegende Optik
geeignet. Nichtsdestotrotz hilft ihre außerordentliche Kleinheit, ein
Adressieren der aktiven Elemente zu beschleunigen. Dieser Rückwand-Typ
weist üblicherweise
FETs auf, zum Beispiel MOSFETs oder CMOS-Schaltungen, mit zugehörigen relativ
hohen Impedanzen und einem relativ niedrigen zugehörigen Ladungsverlust
in dem „Aus"-Zustand.
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Jedoch
bedeutet die Kleinheit auch, dass die von den Transistoren, zugehörigen Leitern
und anderen elektrischen Elementen, zum Beispiel Kondensatoren,
eingenommene Fläche
der gesamten Lichtmodulations(Array)-Fläche relativ bedeutend sein
kann, besonders bei dem SRAM-Typ, der viel mehr Elemente als der
DRAM-Typ benötigt.
Eine für
sichtbares Licht lichtundurchlässige
Halbleiterrückwand könnte als
rückwärtiges Substrat
eines Lichtmodulators oder einer Anzeigevorrichtung vorgesehen werden.
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In
Kontrast zu dem, dem Computerbereich zugehörigen RAM-Typ sind die Pixel-Schaltungen und
besonders die Pixel-Transistoren oftmals zumindest teilweise Licht
ausgesetzt. Dies kann besonders bei Rückwänden des DRAM-Typs, wo die
Pixel ein Teil der DRAM-Schaltung
sind, zu Problemen führen, einschließlich photoinduzierter
Leitfähigkeit
und Ladungsverlust.
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Smektische elektro-optische
Flüssigkristallzellen
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Zu
einem noch späteren
Zeitpunkt fand eine wesentliche Entwicklung in der Verwendung von smektischen
Flüssigkristallen
statt. Diese weisen insofern mögliche
Vorteile gegenüber
nematischen Phasen auf, als ihre Umschaltgeschwindigkeit deutlich
höher ist,
und mit einer geeigneten Oberflächen-Stabilisierung
sollten die ferroelektrischen smektischen C-Phasen Vorrichtungen
mit zwei stabilen Ausrichtungszuständen, das heißt eine
Speicherfunktion, ermöglichen.
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Die
Dicke der Schicht aus Flüssigkristallmaterial
in derartigen Vorrichtungen ist üblicherweise viel
geringer als in den entsprechenden nematischen Vorrichtungen, normalerweise
befindet sie sich in dem Bereich von höchstens ein paar Mikrometern. Dies
erhöht,
zusätzlich
zur Änderung
der möglichen Umschaltgeschwindigkeit,
die Einheiten-Kapazität eines
Pixel, wobei die Funktionsfähigkeit
einer aktiven DRAM-Rückwand
erleichtert wird, einen geschalteten Zustand an einem Pixel solange
zu halten, bis die nächste
Adressierung stattfindet.
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Wenn
jedoch die Dicke des Flüssigkristalls die
zugehörige
Dicke der darunterliegenden Struktur der Rückwand erreicht und durch eine
mögliche
Deformation der Flüssigkristallzellenstruktur
durch Biegen oder eine andere Bewegung des Substrats ergeben sich
Probleme, beispielsweise hinsichtlich der Gleichmäßigkeit
der Antwort über
den Pixel-Bereich und die Möglichkeit
zum Kurzschließen über die
Zellendicke.
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In
der smektischen Flüssigkristallphase
zeigen die Moleküle
eine Lage-Reihenfolge („Schichten") zusätzlich zu
der von den cholesterischen und nematischen Phasen gezeigten Ausrichtungs-Reihenfolge.
Es gibt eine Anzahl von verschiedenen smektischen Teilphasen, welche
in der Ausrichtungs-Reihenfolge innerhalb der gesamten Struktur der
smektischen Schichten differieren, wobei die gängigsten die smektische A-Phase
(SmA) und die smektische C-Phase (SmC) sind.
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Die übliche Ausrichtung
für smektische
Materialien ist planar (Moleküle
im Allgemeinen parallel zu den Haupt-Zelloberflächen), wobei die smektischen
Schichten normal zu der Ebene der Zelle sind, da somit das Feld über die
Zellendicke angelegt werden kann. Es ist möglich, eine homöotrophe
Ausrichtung der smektischen Schichten in der Zellebene zu erreichen,
und eine derartige Vorrichtung könnte
einen schnellen Brechungsindex-Modulator ermöglichen. Um jedoch geeignete
elektrische Felder zum Schalten anzulegen, sind sehr kleine Elektroden-Abstände notwendig
und deswegen weisen derartige Vorrichtungen meist sehr kleine aktive
Bereiche auf, als Konsequenz daraus ist dieser Typ der Vorrichtung relativ
wenig verbreitet.
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In
der smektischen A-Phase ist der Direktor normal zu der Ebene der
Schichten. Ein Anlegen eines elektrischen Feldes senkrecht zu dem
Direktor verursacht, dass sich dieser um eine Achse parallel zu
dem angelegten Feld um einen Betrag ungefähr linear abhängig zu
der Feldstärke
neigt, wodurch eine analoge Graustufen-Modulation erreicht werden kann.
Eine Polarisierung des Lichts wird beeinflusst, so dass eine Intensitäts- oder
Phasenmodulation erreicht werden kann, und da die Rotation des Direktors
in der Ebene der Zelle stattfindet, ist normalerweise einfallendes
Licht immer senkrecht zu der optischen Achse des Materials. Zusammen
mit der Dünnheit
der Zelle führt
dies zu verbesserten Betrachtungswinkeln für derartige Vorrichtungen.
Dieser als elektroklinischer (electroclinic) Effekt bezeichnete
Effekt ist äußerst schnell,
es wurden Umschaltzeiten bis hinunter auf ungefähr 100 Nanosekunden beobachtet.
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In
der smektischen C-Phase bildet der Direktor einen konstanten („geneigten") Winkel mit der Ebene
der smektischen Schichten. Der geneigte Winkel ist abhängig von
dem Material und der Temperatur und definiert einen Kegel mit der
Spitze auf der smektischen Schicht und der Achse normal zu der Schicht,
wobei alle möglichen
Positionen des Direktors auf der Oberfläche des Kegels liegen. In der Masse
(bulk) einer chiralen smektischen C-Phase (SmC*) weist der Direktor
von Schicht zu Schicht, wie in einer Helix, eine Präzession
auf.
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In
der chiralen smektischen C-Phase sind Flüssigkristallmaterialien ferroelektrisch
mit einem permanenten Dipol, manchmal als spontane Polarisation
(Ps) bezeichnet. In dem Bulkmaterial rotiert Ps in der Schichtebene,
wenn der Direktor eine Präzession
aufweist, so dass keine Nettowirkung zu beobachten ist. Bulk-Ferro-Elektrizität kann beobachtet werden,
wenn die Präzession
entweder durch Oberflächen-Stabilisierung
der Direktor-Positionen derart unterdrückt wird, dass nur die zwei
in der Ebene der Vorrichtung liegenden Ausrichtungen des Direktors möglich sind,
und/oder durch Rück-Dotieren
mit einem chiralen Material der Gegenseite.
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Smektische
C*-Materialien können
im Großen
in zwei Klassen eingeteilt werden, als jeweils hoch und gering geneigte
Materialien bekannt. Materialien der Klasse I weisen die Phasen-Sequenz
isotrop – nematisch – smektisch
A* – smektisch
C* auf und sind meistens Materialien geringer Neigung mit Neigungswinkeln
im Allgemeinen gruppiert bis ungefähr 22.5° (Kegelwinkel von 45°); Materialien
der Klasse II weisen die Phasen-Sequenz isotrop – nematisch – smektisch
C* auf und sind meistens Materialien hoher Neigung mit größeren Neigungswinkeln. Materialien
mit einem Kegelwinkel größer als
75° sind
selten, obwohl für
eine Phasen-Modulation benötigende
holographische Anwendungen ein Kegelwinkel von 90° ideal wäre.
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Mit
gering geneigten Materialien sind die smektischen Schichten relativ
zu der Zellen-Oberfläche
statt in rechten Winkeln geneigt, so dass der Direktor-Kegel eine
geneigte Achse aufweist und dessen Oberfläche tangential zu der Zellen-Oberfläche ist.
Für hoch
geneigte Materialien ist die Kegelachse zu der Zellen-Oberfläche normal.
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Wenn
die Struktur oberflächenstabilisiert
ist, dann gibt es theoretisch, zumindest für Materialien der Klasse I,
keinen Vorzug zwischen den beiden Zuständen eines gering geneigten
Materials und eine bistabile Struktur sollte das Ergebnis sein.
Eine Oberflächenstabilisierung
kann einfach dadurch erreicht werden, indem die Schicht in der Zelle
dünn gemacht wird.
Die zwei Zustände
werden verschiedene Effekte auf polarisiertes Licht haben und können somit eine
Intensitäts-
oder Phasenmodulation vorsehen. In der Praxis ist es besonders auf
Silizium-Rückwänden sehr
schwierig oder unmöglich,
eine wahre Bistabilität
zu erreichen, und es gibt eine leichte Präferenz für einen Zustand gegenüber dem
anderen Zustand. Nichtsdestotrotz sollte dies zu relativ langen Relaxationszeiten
führen.
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Für Materialien
mit hoher Neigung sind die zwei Zustände nicht gleich und ein Zustand
wird über den
anderen Zustand bevorzugt, so dass es eine Monostabilität bei der
Abwesenheit jedes anderen Faktors gibt. Die zwei Zustände sind
derart, dass eine Phasenmodulation von Licht und indirekt eine Intensitätsmodulation,
zum Beispiel in holographischen Anwendungen, erreicht werden kann.
Sowohl hoch als auch gering geneigte Materialien können in
dem räumlichen
Lichtmodulator der Erfindung verwendet werden.
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Stabilität/Relaxation
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Das
Vorhandensein der spontanen Polarisation und deren Wiederausrichtung,
wenn sich die Flüssigkristallmoleküle unter
dem Einfluss eines elektrischen Felds wieder ausrichten, führt zu einem signifikanten
zusätzlichen
Strom- oder Ladungsfluss während
der Wiederausrichtung, zum Beispiel zwischen Elektroden jeder Seite
einer smektischen Schicht. Ein Pixel einer Fläche A benötigt eine Ladung von 2APs während dem
Umschalten. Dieser Faktor ist insbesondere wichtig, wenn ein Umschalten
der Pixel von einer aktiven Rückwand
des DRAM-Typs gesteuert wird, wenn die Pixel-Kapazität und Ps
zu wichtigen Gestaltungsparametern werden. Es sollte auch bemerkt
werden, dass die benötigte Ladung
das Feld zwischen den werden, dass die benötigte Ladung das Feld zwischen
den Elektroden in derartigen Vorrichtungen reduziert, wenn der Adressierungs-Impuls ungenügend lang
ist, ein Pixel-Umschalten zu ermöglichen,
wie in dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Es
wurde bereits angemerkt, dass die Verwendung der hier beschriebenen
Rückwände nicht auf
Flüssigkristallvorrichtungen
begrenzt ist. Jedoch sind diese Rückwände besonders zur Verwendung bei
der Herstellung von Flüssigkristallvorrichtungen geeignet.
Wiederum werden, wegen ihrem schnelleren Umschaltvorgang, bevorzugt
smektische Materialien verwendet, obwohl es möglich ist, nematische oder
cholesterische Materialien in derartigen Vorrichtungen zu verwenden.
Auch in dem Fall der Verwendung einer aktiven Rückwand des DRAM-Typs (dies trifft
nicht zu, wenn die Rückwand
ein SRAM-Typ ist, da Energie/Strom kontinuierlich an jedes Pixel
angelegt werden kann), gibt es Fähigkeit,
die Relaxationszeit auszudehnen oder sogar einen bistabile Effekt
zu erreichen, wenn das Pixel in den gewünschten Zustand gebracht wurde.
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Ein
Vorteil einer schnellen Umschaltzeit in dem Fall, wenn eine Relaxation
auftritt, liegt in der Zunahme des Anteils der als Betrachtungszeit
verwendbaren Pixel-Wiederholungs-Adressierungs-Zeitdauer. Ein weiterer Vorteil ist
die Zunahme der Datenrate, insbesondere wenn es eine optische Verarbeitung
betrifft.
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Pixel-Struktur – Umschalt-
und Adressierungszeiten
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Bei
der Verwendung einer Rückwand
des SRAM-Typs zum Umschalten eines kapazitiven Elements kann die
zum Adressieren der Stelle auf der Rückwand notwendige Zeit so klein
wie nötig
sein, um diese Stelle umzuschalten, unabhängig davon, ob das kapazitive
Element geantwortet hat. Die Stelle ist immer mit der Energieversorgung
gekoppelt und kann weiterhin Energie (Strom/Spannung) an das kapazitive
Element liefern, nachdem der Adressierungs-Impuls aufgehört hat.
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Hingegen
wird an ein kapazitives Element von einer DRAM-Speicherstelle nur Energie geliefert, während die
Adressierung stattfindet, danach wird das aktive Element (Transistor)
abgeschaltet. Wenn der Adressierungs-Impuls für die Übertragung der erforderlichen
Ladungsmenge ungenügend
lang ist, wird das kapazitive Element unvollständig umgeschaltet. Dies findet
wahrscheinlich statt, wenn beispielsweise das kapazitive Element
ferroelektrisches Material umfasst, wie in einigen smektischen Flüssigkristallzellen,
und die Adressierungszeit kurz ist, zum Beispiel in einem großen Array.
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Eine
Lösung
ist, eine zusätzliche „slug"-Kapazität vorzusehen,
die während
des Adressierungs-Impulses schnell geladen wird und somit ein Ladungs-Reservoir
liefern kann, während
das kapazitive Element während
einer längeren
Zeitdauer schaltet.
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In
einem ersten Aspekt sieht die Erfindung vor eine aktive Halbleiterrückwand,
die ein Array adressierbarer aktiver Elemente auf einem Halbleitersubstrat
umfasst, um jeweils erste Elektroden des Arrays selektiv mit Strom
zu versorgen, wobei zumindest ein Teil des Bereichs unter einer
der ersten Elektroden als ein Sperrbereich ausgebildet ist, wodurch dieser
in Betrieb als eine Kapazitätsdiode
in Sperrichtung wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein
Implan tat zur Ladungsaufnahme angrenzend, aber mit Abstand, an den
Sperrbereich vorgesehen ist.
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In
einem zweiten, nah verwandten Aspekt sieht die Erfindung vor eine
aktive Halbleiterrückwand,
die ein Array adressierbarer aktiver Elemente auf einem Halbleitersubstrat
umfasst, um jeweils erste Elektroden des Arrays selektiv mit Strom
zu versorgen, wobei zumindest ein Teil des Bereichs unter einer
der ersten Elektroden als ein Sperrbereich ausgebildet ist, wodurch
dieser in Betrieb als eine Kapazitätsdiode in Sperrichtung wirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzring über oder um die Peripherie
des Sperrbereichs vorgesehen ist, um Ladungsträger abzuhalten und um zu verhindern,
dass Ladungsträger
zwischen dem Sperrbereich und dem übrigen Substrat wechseln.
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Die
ersten und zweiten Aspekte der Erfindung sind insbesondere nützlich,
wenn das aktive Element einen einzelnen Transistor aufweist, wie
in einer Rückwand
des DRAM-Typs.
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In
EP 0,731,375 (Canon) werden
ungünstige Effekte
von äußerem Licht
in der Form einer induzierten Photoleitung durch einen Licht-unterbrechenden leitfähigen Film
verhindert. Das Vorsehen zusätzlicher
Mittel in dem Halbleitersubstrat ist weder offenbart noch vorgeschlagen.
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In
EP 0,463,816 (Fujitsu) werden
ungünstige Effekte
von äußerem Licht
durch ein Vorsehen Licht-unterbrechender Schichten auf dem Substrat gegenüber der
aktiven Rückwand
reduziert.
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Im
US Patent 4,839,707 (Shields) wird ein Teil einer dielektrischen
Schicht als ein kapazitiver Bereich zwischen einem Quellenbereich
und einem Siliziumsubstrat eingesetzt. Die dielektrische Schicht ist
isolierend und der Aufbau umfasst nicht zwei unterscheidbare Kondensatorplatten
unter der adressierbaren Elektrode, wobei eine mit der adressierbaren
Elektrode, die andere mit dem Substrat verbunden ist, wie in den
im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Im
US Patent 5,537,234 (Williams et al) werden Trench-Kondensatoren
in der rückwärtigen Oberfläche einer
Halbleiterschicht gebildet, wobei die Schicht an einem Substrat
befestigt ist und Transistoren in einem Array vorsieht. Die Kondensatoren
liegen unter adressierbaren Elektroden, aber sie weisen weder Sperrbereiche
auf noch wirken sie als Dioden in Sperrichtung. Darüber hinaus
umfasst die Konstruktion nur eine Platte, im Gegensatz zu zwei individuellen
Elektroden, von denen eine mit einer adressierbaren Elektrode und
die andere mit dem Substrat verbunden ist.
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Elektrostatische
Stabilisierung
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Nachdem
das kapazitive Element umgeschaltet wurde, ist es noch immer notwendig,
das Element in seinem umgeschalteten Zustand zu halten, zumindest
bis es wieder mit Strom versorgt wird. Wiederum führen Rückwände des
SRAM-Typs dies aufgrund ihrer fortgesetzten Verbindung mit den Stromversorgungsleitungen
erfolgreich aus.
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Für Rückwände des
DRAM-Typs ist es notwendig zu beachten, dass, wenn ein Pixel in
eine Richtung geschaltet wird, der stattfindende Ladungsverbrauch
eine entsprechende Erzeugung von Ladung hervorruft, wenn das Pixel
in die andere Richtung schaltet. Deswegen kann, wenn ein umgeschaltetes
Pixel vollständig
elektrisch isoliert ist, Ladung nicht fließen und das Pixel kann nicht
relaxieren. Bei Betrieb eines Arrays des DRAM-Typs kann dies hervorgerufen
werden, indem alle Transistoren des Arrays abgeschaltet werden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird dies ermöglicht,
indem ein globales Rücksetzsignal
NRAR auf die Zeilen-Abtasteinrichtungen angewendet wird.
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In
der Praxis kann ein Ladungsverlust nicht vollständig verhindert werden, somit
wird eine Relaxation stattfinden, aber über eine ausgedehntere Zeitdauer.
Eine übliche
Ursache eines Ladungsverlustes ist eine Photoleitfähigkeit
zusammen mit der oben erwähnten „slug"-Kapazität und/oder photoleit- oder
andere Verlustströme
in dem zugehörigen
Umschalt-Transistor des DRAM-Arrays. Dies kennzeichnet besonders
Rückwände des
DRAM-Typs für
eine optische Verwendung, bei denen eine einfallende Beleuchtung
direkt oder indirekt auf die darunterliegende Rückwand-Struktur durchstrahlen
kann, wodurch sie einen Photoleitungseffekt verursacht.
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Eine
elektrische Isolierung ist somit ein nützliches aber nicht perfektes
Werkzeug, um Relaxationszeiten zu verlängern. Es wird offensichtlich
werden, dass, ob eine lange Relaxationszeit durch eine geeignete
Wahl des Materials und der Zellengestaltung oder durch eine elektrische
Isolierung erreicht wird, der wichtige Faktor der ist, dass die
Zeit zwischen aufeinander folgenden Adressierungen jedes Pixels
angemessen ist, damit dieses im Wesentlichen in dem gewünschten
Zustand verbleibt. Insbesondere in dem Fall der Rückwände des DRAM-Typs ist
die Gestaltung wichtig, damit ein Ladungsverlust minimiert wird.
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Bei
allen der oben erwähnten
Aspekte der Erfindung, wo jedes aktive Element mit einer metallischen
Elektrode auf der Isolierschicht verbunden ist, deckt das Array
der derart ausgebildeten metallischen Elektroden vorzugsweise mehr
als 65%, und besonders bevorzugt mehr als 80%, der Fläche des Arrays
ab.
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Ähnlich können
EP 0 877 283 (Sanyo);
EP 0 793 135 (Citizen Watch);
EP 0 752 611 (OIS Optical Imaging
Systems, Inc.) und
EP 0 685 757 (Matsushita)
als beispielhafte Offenbarungen von Dünnschichtarrays angesehen werden,
in denen eine Elektrode von einem Isolierfilm abgedeckt wird, durch
welchen eine Verbindung zu einem größeren reflektierenden Leiter über dem
Isolierfilm hergestellt wird.
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Nichtsdestotrotz
gibt es tatsächliche
Unterschiede zwischen TFT-Arrays
und aktiven Halbleiterrückwänden, nicht
zuletzt sind TFT-Arrays
viel größer und
transparent. Es wird angenommen, dass die Effekte von einfallendem
Licht auf die Transistoren oder andere aktive Elemente in Formen
aktiver Halbleiterrückwände bisher
weder betrachtet noch erkannt wurden, und dass als Ergebnis keine
positiven Schritte unternommen wurden, die Elemente auf die nun
vorgeschlagene Weise zu schützen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus einer Betrachtung
der angefügten
Ansprüche,
auf die der Leser verwiesen wird, und aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung abgeleitet werden, die unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen erfolgt, in denen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht
einer Flüssigkristallzelle
zeigt, die eine aktive Rückwand
umfasst und auf einem Substrat angebracht ist;
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2 eine Explosionszeichnung
von Bestandteilen der Flüssigkristallzelle
von 1 ist;
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3 eine schematische Draufsicht
(Grundriss) der aktiven Rückwand
der Flüssigkristallzelle von 1 einschließlich einem
Pixel-Array in der
Mitte ist;
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4 eine schematische Querschnittsansicht
eines Teils der Rückwand
von 3 ist, um die in
dem Bereich des Pixel-Arrays vorkommenden verschiedenen Schichten
und Höhen
darzustellen;
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5 eine schematische Draufsicht
eines einzelnen Pixels des Arrays der Rückwand von 4 ist; und
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6 bis 8 Modifizierungen von 5 zeigen.
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1 zeigt in schematischer
Querschnittsansicht eine Flüssigkristallzelle 1,
die auf einem Dick-Schicht Aluminiumoxid-Hybrid-Substrat oder Chip-Träger 2 befestigt
und mit Drähten 16 und
Kontaktflächen 17 damit
verbunden ist. Die Zelle 1 wird in 2 in einer Explosionsansicht gezeigt.
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Die
Zelle 1 weist eine aktive Silizium-Rückwand 3 auf, in welcher
ein mittlerer Bereich derart gestaltet ist, ein Array 4 von
in 320 Spalten und 240 Zeilen angeordneten aktiven Spiegel-Pixel-Elementen vorzusehen.
Außerhalb
des Arrays, aber mit Abstand zu den Kanten der Rückwand 3, befindet
sich eine periphere Klebstoff-Dichtung 5, welche die Rückwand 3 mit
dem Peripheriebereich einer Frontelektrode 6 abgedichtet. 2 zeigt, dass die Klebstoff-Dichtung
unterbrochen ist, damit das Flüssigkristallmaterial
in die zusammengesetzte Zelle eingebracht werden kann, wonach die
Dichtung entweder durch mehr desselben Klebstoffs oder durch jedes andere
geeignete Material oder per se bekannte Mittel vervollständigt wird.
-
Die
Frontelektrode 6 weist ein im Wesentlichen rechteckiges
ebenes Glas- oder Siliziumdioxid-Substrat 7 auf, welches
auf seiner, zur Rückwand 3 gerichteten
Unterseite mit einer kontinuierlich elektrisch leitenden, siebgedruckten
ITO(indium tin oxide)-Schicht 8 beschichtet ist. An einer
Kante des Substrats 7 ist ein Kanten-Kontakt 9 aus
aufgedampftem Aluminium vorgesehen, welcher über die Kante des Substrats
hinausgeht und sich oberhalb eines Teils der Schicht 8 erstreckt,
wodurch er eine elektrische Verbindung zu der Schicht 8 in
der zusammengesetzten Zelle 1 vorsieht.
-
Auf
dem Silizium-Substrat der Rückwand 3 ausgebildete
isolierende Abstandshalter 25 erstrecken sich nach oben,
um die Frontelektrode 6 mit einem vorbestimmten, präzisen und
stabilen Abstand zu dem Silizium-Substrat anzubringen, und Flüssigkristallmaterial
füllt den
derart gebildeten Zwischenraum. Wie später beschrieben wird, werden
die Abstandshalter 25 und die Rückwand 3 auf dem Silizium-Substrat gleichzeitig
mit der Bildung der Elemente der aktiven Rückwand unter Verwendung aller oder
zumindest einiger der gleichen Schritte gebildet.
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3 zeigt eine allgemeine
schematische Ansicht der Anordnung („Grundriss") der aktiven Rückwand 3. Wie später detailliert
unter Bezugnahme auf 4 bis 8 erläutert wird, besteht jedes der pixelaktiven
Elemente des mittleren Arrays 4 im Wesentlichen aus einem
NMOS-Transistor mit einem Gate, das mit einer eines Satzes von Zeilen-Leitungen
verbunden ist, einer Drain-Elektrode, die mit einer eines Satzes
von Spalten-Leitungen verbunden ist, und einer Quellen-Elektrode oder einem
Quellen-Bereich, welcher) entweder die Gestalt einer Spiegel-Elektrode
aufweist oder mit einer Spiegel-Elektrode verbunden ist. Zusammen
mit einem gegenüberliegenden
Teil der gemeinsamen Frontelektrode 6 und dazwischenliegendem
chiralen smektischen Flüssigkristallmaterial 20 bildet
die rückwärtig angeordnete
Spiegel-Elektrode eine Flüssigkristallpixelzelle,
die kapazitive Eigenschaften aufweist.
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Gerade
und ungerade Zeilen-Leitungen sind mit jeweiligen Abtasteinrichtungen 44, 45 verbunden, die
mit Abstand an jeder Seite des Arrays angeordnet sind. Jede Abtasteinrichtung
weist eine zwischen ein Schieberegister 44a, 45a und
das Array geschaltete Regel- Verschiebeeinrichtung 44b, 45b auf.
In Betrieb wird ein Token-Signal entlang der Register geschickt, um
der Reihe nach individuelle Zeilen zu aktivieren (die zugehörigen Transistoren
leitfähig
zu machen).
-
Durch
geeignete Steuerung der Register können verschiedene Abtast-Typen, zum Beispiel verschachtelt
(interlaced) oder nicht-verschachtelt, wie
gewünscht
ausgeführt
werden.
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Gerade
und ungerade Spalten-Leitungen sind mit jeweiligen Treibern 42, 43 verbunden,
die mit Abstand von oben und unten zu dem Array angeordnet sind.
Jeder Treiber weist einen 32- bis 160-fachen Demultiplexer 42a, 43a,
Zuführ-Latche 42b, 43b und eine
Regel-Verschiebeeinrichtung 42c, 43c zwischen den
Latches und den Spalten-Leitungen auf. Unter der Steuerung eines
5-Phasen Timings wird in Betrieb ein Datum aus einem Speicher für aufeinander folgende
Sätze von
32 geraden oder ungeraden Spalten-Leitungen von Sätzen von
Kanten-Anschlussflächen 46, 47 an
die Demultiplexer 42a, 43a geleitet und bei 42b, 43b gelatcht,
bevor bei 42c, 43c ihre Regel verschoben werden,
um als Ansteuerspannung an die Spalten-Leitungen zu dienen. Eine Synchronisation
zwischen dem Zeilen-Abtasten und dem Spalten-Ansteuern stellt sicher,
dass die geeignete Daten-Ansteuerspannung über die
aktivierten Transistoren einer Zeile an die Flüssigkristallpixel angelegt
wird, und zu diesem Zweck sind verschiedene Steuerschaltungen 48 und
Testschaltungen 48' vorgesehen.
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Nachfolgendes
Deaktivieren dieser Zeile versetzt die Transistoren in einen Zustand
hoher Impedanz, so dass den Daten entsprechende Ladungen dann auf
den kapazitiven Flüssigkristallpixel
für eine
län gere
Zeitdauer beibehalten werden, bis die Zeile abermals adressiert
wird.
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Die
Abstände 21 zwischen
den Regel-Verschiebeeinrichtungen 44b, 45b und
den angrenzenden Kanten des Arrays 4 sind 1 mm breit, und
die Abstände 22 zwischen
den Regel-Verschiebeeinrichtungen 44b, 45b und
den angrenzenden Kanten des Arrays 4 sind 2 mm breit. Diese
Abstände
oder Klebstoff-Bahnen sind ausreichend groß, um eine Klebstoff-Dichtung 5 mit
einer ungefähren
Breite von 300 Mikrometern vollständig aufzunehmen, während ein Spielraum
bei der Positionierung der Dichtung bleibt. Wie in 1 gezeigt wird, ist die Größe der Frontelektrode 6 ausreichend,
nur das Array und das meiste der Klebstoff-Bahnen abzudecken. In
dem Ausführungsbeispiel
ist das Array 11 mm × 8
mm und die Frontelektrode ist 12.4 mm × 9.4 mm.
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Wie
in 4 schematisch dargestellt
wird, basiert die aktive Rückwand
auf einem Silizium-Substrat 51 des p-Typs. In dem Bereich
des Arrays 4 umfasst es NMOS-Transistoren 52,
Pixel-Spiegel 53 und die isolierenden Abstandshalter-Säulen 25,
und das Substrat 51 ist zuerst von einer unteren, im Wesentlichen
kontinuierlichen, Siliziumdioxid-Schicht 57 und dann von
einer oberen, im Wesentlichen kontinuierlichen, Siliziumdioxid-Schicht 58 bedeckt.
Es sollte angemerkt werden, dass 4 nur
deswegen enthalten ist, um die in der Rückwand auftretenden verschiedenen
Höhen darzustellen
und, dass die anderen räumlichen
Anordnungen der Elemente nicht mit dem korrespondieren, was in der
Praxis zu finden ist. 5 zeigt
eine Draufsicht einer tatsächlichen
Anordnung aus Transistor und Spiegel-Elektrode, die im Allgemeinen ähnlich zu
der Anordnung von 4 ist, aber
ohne dass die Säule 25 gezeigt
wird. Die Transistoren 52 sind die höchsten Teile des Schaltung selbst.
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Zusätzlich zu
diesen Schichten wird der Transistor 52 weiter durch eine
metallische Gate-Elektrode 59 auf der Schicht 57 und
eine metallische Drain-Elektrode 60 auf der Schicht 58 definiert. Die
Elektroden 59 und 60 sind jeweils Teile einer
Zeilen-Leitung 61 und Spalten-Leitung 62 (siehe 5). An dem Transistor 52 ist
die Schicht 57 modifiziert, um einen Polysilizium-Bereich 56 einzuschließen, der
von dem Substrat 51 durch eine sehr dünne Gate-Oxid-Schicht 55 getrennt
ist.
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Die
Transistor-Source besteht in der Gestalt eines großen Diffusionsbereichs 63 innerhalb
der Schicht 58, der mit der Elektrode 65 des Pixel-Spiegels 53 verbunden
ist, wobei der Gate-Bereich 64 im Wesentlichen unter dem Überlappungsbereich
der Spalten- und Zeilen-Leitungen 61, 62 angeordnet
ist, um den Füll-Faktor
zu maximieren und ihn vor einfallendem Licht zu schützen.
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Der
Pixel-Spiegel wird von der Pixel-Elektrode 65 auf Schicht 58 gebildet,
wobei die Elektrode aus demselben Metall wie die Drain-Elektrode 60 und gleichzeitig
mit dieser geformt wird. Unter den meisten Spiegel-Elektroden 65 ist
ein Sperrbereich 66 des n-Typs in dem Substrat 51 ausgebildet.
In der zusammengesetzten Vorrichtung sind die Pixel-Elektroden von
der gegenüberliegenden
Frontelektrode mit etwas weniger als 2 Mikrometern Abstand mit dazwischen
liegendem smektischen Flüssigkristallmaterial 20 angeordnet.
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Der
Pixel-Spiegel ist im Wesentlichen flach, da es keine darunter liegenden
diskreten Schaltungselemente gibt, und nimmt einen Anteil (Füll-Faktor) von
ungefähr
65% der Pixel-Fläche
ein. Die Notwendigkeit, den Füll-Faktor
zu maximieren, ist eine Überlegung
bei der Entscheidung, eine Rückwand
des DRAM-Typs statt des SRAM-Typs zu verwenden, bei welchem den
zwei Transistoren und ihren zugehörigen Elementen mehr Raum zugewiesen
werden muss.
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Die/Der
zu jedem Pixel gehörende
isolierende Säule
oder Pfeiler 25 ragt über
die Topologie des Rests der Rückwand
hinaus, ist aber auch aus den Schichten 57, 58 über dem
Substrat 51 aufgebaut, mit einem ersten Metallfilm 67 zwischen
den Schichten 57, 58 und einem zweiten Metallfilm 68 zwischen der
Schicht 58 und (in Betrieb) der Frontelektrode 22. Die
ersten und zweiten Metallfilme 67, 68 sind aus den
gleichen Metallen und zur gleichen Zeit aufgetragen wie die Elektroden 59, 60 des
Transistors 52. In dem Bereich des Abstandshalters ist
das Substrat modifiziert, um eine Feld-Oxid-Schicht 69 vorzusehen,
und die Unterseite der Schicht 57 ist modifiziert, um zwei
durch eine dünne
Oxid-Schicht 71 getrennte Polysilizium-Schichten 70, 72 vorzusehen.
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Obwohl
er metallische Schichten umfasst, liefert der Abstandshalter eine
gute Isolierung zwischen der Frontelektrode und der aktiven Rückwand. Durch
ein Bilden isolierender Abstandshalter auf diese Weise ist es möglich, sie
im Verhältnis
zu den anderen Elementen auf der Rückwand genau zu positionieren,
wodurch jede Wechselwirkung mit optischen oder elektrischen Eigenschaften
vermieden wird.
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Durch
deren Herstellung zum selben Zeitpunkt wie die aktiven und anderen
Elemente der Rückwand
und unter Verwendung derselben Verfahren entstehen Vorteile hinsichtlich
der Kosten und der Effektivität.
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Wie
oben erwähnt,
weist eine derart gestaltete Pixelzelle eine Kapazität auf. Chirale
smektische Flüssigkristallmaterialien
sind ferroelektrisch, so dass ein Anlegen eines elektrischen Felds,
das ausreicht, ein Wiederausrichten der Moleküle zu verursachen, mit einem
zusätzlichen
Transfer von Ladung verbunden wird. Dieser Effekt wird mit einer
Zeitkonstante insoweit verknüpft,
als dass das Flüssigkristallmaterial
Zeit braucht, sich wieder auszurichten.
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Die
Anforderung, dass Ladung während
einer Wiederausrichtung fließt,
und die zugehörige Zeitkonstante
weisen eine Anzahl von Folgen auf. Während die Wiederausrichtung
relativ schnell sein kann, kann insbesondere dies noch immer viel
weniger als notwendig für
ein schnelles Abtasten der Vorrichtung sein.
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Mit
einer Rückwand
des SRRM-Typs wird der Zustand eines Pixel gehalten bis zur nächsten Adressierung,
und da Strom von einer Sammel-Busleitung geliefert wird, kann Strom
geliefert werden, bis die Wiederausrichtung abgeschlossen ist. Mit
einer Rückwand
des DRAM-Typs jedoch wird Strom an jedes Pixel nur während der
Dauer der Adressierung geliefert. Die Kapazität der Zelle ist relativ klein
und kann nicht genügend
Strom halten, bis die Wiederausrichtung abgeschlossen ist.
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Eine
Art, mit diesem Problem umzugehen, liegt darin, jedes Pixel mit
einer zusätzlichen „slug"-Kapazität auszustatten,
die während
der Adressierung des Pixel schnell geladen wird, deren Ladung danach verbraucht
wird, während
sich die Flüssigkristallmoleküle wieder
ausrichten und darauf folgende Pixel adressiert werden. Somit vermeidet die „slug"-Kapazität wirksam
die Notwendigkeit für
einen Adressierungs-Impuls, der so lang wie die Zeit für die Wiederausrichtung
ist.
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In 5 bildet die Diffusionsschicht 66 in
Betrieb eine Diode in Sperrichtung, deren Sperrbereich als die „slug"-Kapazität wirkt. 6 zeigt eine Variante, in
welcher die Sperrschicht 66 durch einen parallelen Plattenkondensator
ersetzt ist, der zwischen zwei Polysilizium-Bereichen 80 (ähnlich den
Bereichen 70 und 72 in der isolierenden Säule von 5 und vorzugsweise mit diesen
ausgebildet) ausgebildet ist. Der untere Polysilizium-Bereich ist
mit dem Substrat 51 durch eine platzverbrauchende Metall-Brücke 81 verbunden,
so dass, während
diese Anordnung eine ähnliche
Kapazität
zu der Diode in Sperrichtung aufweist, der Füll-Faktor der Spiegel-Elektrode
signifikant reduziert und aufgrunddessen diese Ausgestaltung nicht
bevorzugt ist.
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Das
in dem Ausführungsbeispiel
verwendete smektische Flüssigkristall
weist eine monostabile Ausrichtung auf, so dass es für das Pixel-Element des DRAM-Typs
wesentlich ist, einen Ladungsverlust zu verhindern, um bis zur nächsten Adressierung
in dem geschalteten Zustand zu verbleiben. Auf eine Art ist die
Tatsache hilfreich, dass es eine zusätzliche Ladungsverschiebung
während
der Wiederausrichtung gibt, wobei die Menge des Ladungsverlustes, um
eine Relaxation in den ursprünglichen
Zustand zu ermöglichen,
relativ groß ist.
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Anders
als in einem herkömmlichen
eingekapselten Computer-DRAM kann einleuchtendes Licht bis zu der
Rückwand
eindringen. Wenn es empfindliche Elemente erreicht, kann eine Photoleitfähigkeit
eine Relaxation der Pixel in kürzerer
Zeit als die Abtastperiode ermöglichen,
was nicht zugelassen werden sollte. Deswegen müssen Schritte unternommen werden,
um (a) eine Lichteinstrahlung auf empfindliche Elemente so weit
wie möglich
zu reduzieren; und (b) die Auswirkungen von jedem nichtsdestotrotz noch
immer einfallenden Licht zu vermindern.
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In 4 bis 6 ist der Schritt (a) insofern implementiert,
als der Transistor 52, und insbesondere sein Gate-Bereich,
im Wesentlichen unter metallischen Leitern 60, 61 angeordnet
ist, und dadurch, dass die von dem Bereich 66 vorgesehene
besonders lichtempfindliche Diode größtenteils von der Spiegel-Schicht 65 verdeckt
ist. Jedoch gibt es noch immer Lücken,
die Licht direkt oder indirekt einfallen lassen.
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Wie
oben angedeutet, gibt es besonders Bedenken hinsichtlich des Diodenbereichs.
Weniger Bedenken treten auf, wenn die „slug"-Kapazität in der in 8 gezeigten allgemeinen
Form vorliegt, aber diese weist einen niedrigeren Füll-Faktor
auf.
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7 zeigt eine Modifizierung
der Anordnung von 5,
wobei Implantate zur Ladungsaufnahme 66a des n-Typs in
freiliegenden Bereichen des Silizium-Substrats, angrenzend zu den
Kanten des Pixel-Spiegels 53 ausgebildet
sind, wodurch photoinduzierte Träger
davon abgehalten werden, in den Sperrbereich 66 einzutreten.
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8 stellt eine alternative
Modifizierung dar, wobei ein Schutzring 100 des n-Typs
auf dem Peripheriebereich des Diffusionsbereichs 66 ausgebildet
ist. Während
dies effektiver als die Anordnung von 6 ist,
reduziert es die „slug"-Kapazität stärker.
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Während der
Füll-Faktor
von 65% in den Anordnungen von 1 bis 5 genügend hoch ist, um akzeptabel
zu sein, ist das Reflexionsvermögen
der Spiegel-Elektrode nicht optimiert, da deren Material identisch
zu dem bei der Herstellung der aktiven Elemente der Rückwand verwendeten
Material ist.
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Es
ist ein übliches
Halbleiter-Herstellungsverfahren, Rückwände mit einer über die
gesamte Fläche
aufgebrachten kontinuierlichen oberen Isolierschicht zu versehen,
und um die Anordnungen der vorhergehenden Zeichnungen zu erstellen,
wäre es notwendig,
diese Isolierschicht zu entfernen, oder ihr Auftragen von Anfang
an zu meiden.
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Jedoch
können
durch die Verwendung einer teilweisen oder gesamten Planarisation
der Rückwand
der Füll-Faktor
und die Reflexivität
der Spiegel-Elektrode erhöht
werden.
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Bei
einer teilweisen Planarisation wird die oberste Isolierschicht beibehalten,
aber mit Vias, die sich auf die darunterliegenden Elektroden-Kontaktflächen 65 erstrecken,
die klein sein können,
da sie nicht länger
als Spiegel dienen. Eine entsprechend hoch reflektierende Spiegel-Beschichtung
(normalerweise nicht das bei der Herstellung der aktiven Elemente
der Rückwand
verwendete Material) wird über dem
größten Teil
des Pixel-Bereichs aufgebracht und mit dessen Vias verbunden.
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Dieser
Aufbau weist Vorteile auf, unter anderem bezüglich eines hohen Füll-Faktors,
größer als 65%, üblicherweise
zumindest 80% und möglicherweise
bis 90% oder mehr; einer hoch reflektierenden Spiegel-Elektrode;
und einem reduzierten Lichteinfall auf das darunterliegende Halbleitermaterial.
Während
bevorzugt wird, die isolierenden Säulen (und ähnlich aufgebaute Rippen in
den Klebstoff-Bahnen 21, 22) beizubehalten, um
die Frontelektrode zu tragen und mit Abstand relativ zu der Rückwand anzuordnen,
und so den Füll-Faktor
etwas verringert, umfassen diese nun die zusätzliche oberste Isolierschicht.
Der einzige Schritt nach dem Gießen ist das Aufbringen des
reflektierenden Spiegelmaterials. Es sollte angemerkt werden, dass
letzteres wegen der darunterliegenden Struktur der Rückwand nicht
wie vorher flach ist.
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Eine
volle Planarisation ist ein bekanntes Verfahren, bei dem die Topologie
der Rückwand durch
ein Füllen
mit einem isolierenden Material, zum Beispiel einem Polymer, wirksam
entfernt wird. Dies kann wiederum auf der vorliegenden Rückwand implementiert
werden, mit oder ohne der beim Gießen aufgebrachten obersten
Isolierschicht, und mit ganz flachen, hoch reflektierenden Spiegel-Elektroden,
die über
jedes Pixel mit einem hohen Füll-Faktor
angeordnet werden. Obwohl das Produkt dieselben Vorteile wie eine
teilweise Planarisation und möglicherweise
eine bessere Leistung aufweist, ist jedoch seine Herstellung durch
heutige Technologien mit einer Anzahl von Schritten nach dem Gießen verbunden, wobei
manche nicht leicht oder effizient durchgeführt werden können (wie
das Sicherstellen der Ebenheit des isolierenden Materials) und ist
deswegen im Moment nicht bevorzugt.
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Dem
chiralen smektischen Flüssigkristallmaterial
wird eine gewünschte
Oberflächenausrichtung an
einem oder beiden Substraten durch per se bekannte Mittel gegeben.
In dem Fall der aktiven Halbleiterrückwand findet die Behandlung
der Schicht mit teilweiser Planarisation oder, wenn vorhanden, mit voller
Planarisation statt.
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Es
sollte verstanden werden, dass, obwohl das Ausführungsbeispiel hinsichtlich
eines räumlichen
Lichtmodulators mit chiralem smektischen Flüssigkristall erläutert wird,
sich diese Erfindung auf jeden Aufbau einer Halbleiterrückwand bezieht
und insbesondere auf jeden derartigen Aufbau, der zu Verwendung
in einem elektrisch zu betreibenden Lichtmodulator geeignet ist.