JP2000028973A - Optical modulation element, exposure element, and display device - Google Patents

Optical modulation element, exposure element, and display device

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JP2000028973A
JP2000028973A JP10197731A JP19773198A JP2000028973A JP 2000028973 A JP2000028973 A JP 2000028973A JP 10197731 A JP10197731 A JP 10197731A JP 19773198 A JP19773198 A JP 19773198A JP 2000028973 A JP2000028973 A JP 2000028973A
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light modulation
layer
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宏一 木村
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulation element, an exposure element, and a display device which are driven with a low voltage with a simple constitution and are quickly and stably operated and take visible light through infrared light as the object. SOLUTION: In this optical modulation element, a semiconductor layer 3 made of an n-type semiconductor material is provided on the upper face of a lower transparent electrode 2, and an upper transparent electrode 5 is provided on the upper face of the semiconductor layer 3 with an insulating layer 4 between them, and carrier of the n-type semiconductor layer 3 is depleted by applying such electric field in the vertical direction that the upper transparent electrode 5 is negative and the lower transparent electrode 2 is positive, thus changing at least one of the light reflection factor and the light absorption factor.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光変調素子に関
し、特に赤外乃至可視波長領域の光に対する変調,露
光,表示が可能な光変調素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light modulator, and more particularly, to a light modulator capable of modulating, exposing, and displaying light in the infrared to visible wavelength range.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、光の変調及び光の変調による感光
材料への露光、又は表示を司る素子には、液晶素子や、
ポッケルス効果を利用したLN(ニオブ酸リチウム:L
iNbO3)、KDP(りん酸カリ:KH2PO4)、A
DP(りん酸アンモン:NH4 2PO4)等の電気光学
結晶、主にカー効果を利用したPLZT等の電気光学結
晶が使用されている。しかし、上記の液晶素子は低電圧
駆動が可能な素子であるが、応答速度が遅く、温度等の
環境依存性が大きい。さらに、液晶素子の主な方式であ
るTN型(ねじれネマティック型)、複屈折型等は偏光
板を必要とし、偏光板による光の吸収が発生する問題点
がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, light modulation and light modulation
Elements that control the exposure or display of materials include liquid crystal elements,
LN (lithium niobate: L using the Pockels effect)
iNbOThree), KDP (potassium phosphate: KH)TwoPOFour), A
DP (ammonium phosphate: NHFourH TwoPOFour) Such as electro-optic
Crystals, mainly electro-optics such as PLZT utilizing Kerr effect
Crystals are used. However, the above-mentioned liquid crystal element has low voltage
Although it is an element that can be driven, its response speed is slow,
Large environmental dependency. Furthermore, the main method of liquid crystal elements is
TN type (twisted nematic type), birefringent type, etc. are polarized
The problem that a plate is required and light is absorbed by the polarizing plate
There is.

【0003】上記問題を解決する新しい光変調素子とし
ては、図11に示すように、ガラス基板111と112
との間でPZTやPLZT等の誘電性物質113を透明
電極114,115で挟んで電圧を印加し、光変調を行
う技術が特開平9−179082号公報に開示されてい
る。これは、両透明電極間に電圧を印加しないときは光
が透過し、電圧を印加するときは、透明電極の陰電極側
に電子が充填されて電子濃度が増加することで、金属の
自由電子に対する光特性と同様に、陰電極側の透明電極
で光が反射するという原理を利用して光変調を行うもの
である。これによると、偏光板を使用せずに光変調が可
能となる。
[0003] As a new light modulating element for solving the above problem, as shown in FIG.
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-179082 discloses a technique in which a voltage is applied by sandwiching a dielectric substance 113 such as PZT or PLZT between transparent electrodes 114 and 115 to perform light modulation. This is because when no voltage is applied between both transparent electrodes, light is transmitted, and when a voltage is applied, electrons are filled in the negative electrode side of the transparent electrode and the electron concentration increases, so that free electrons of the metal are increased. Light modulation is performed using the principle that light is reflected by the transparent electrode on the negative electrode side, as in the case of the optical characteristics of the above. According to this, light modulation becomes possible without using a polarizing plate.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記の光変調において
は、対象とする光の波長が短い程、光変調に必要となる
電子濃度が増大する。このため、光変調素子の電子濃度
の増加を誘起するために、充填する電子数を増加させる
必要がある。そして、低い電圧で駆動させるためには電
極間の静電容量を高くする必要があり、上記の誘電性物
質は誘電率の非常に高い、例えばセラミック系の高誘電
性物質であるPZT、PLZT等の材料とする必要があ
る。しかし、上記の高誘電率の材料では、安定した誘電
率の薄膜を形成することが困難であり、また、そのため
に、透明電極の電子濃度を安定に制御することが困難で
あるという問題点がある。また近年、半導体の電界光学
効果や、p−n接合におけるキャリア濃度制御による光
変調素子が開発されているが、何れもバンドキャップエ
ネルギーによる吸収端波長近傍の光変調方式であり、可
視光域での光変調や光反射率を変化させるものは無い。
さらに、電気光学結晶では液晶素子と比べ高速応答が可
能であり、環境依存性も小さいが、ポッケルス効果を利
用した電気光学結晶では駆動電圧が高い。カー効果を利
用した電気光学結晶では比較的低い電圧で駆動可能であ
るが、液晶素子と比べると非常に高い駆動電圧を必要と
する。また、電気光学結晶では高精細アレイ化が困難で
ある。また、偏光板を必要とし、偏光板による光の吸収
が発生する問題点がある。
In the above-mentioned light modulation, the shorter the wavelength of the target light, the higher the electron concentration required for the light modulation. Therefore, in order to induce an increase in the electron concentration of the light modulation element, it is necessary to increase the number of electrons to be filled. In order to drive at a low voltage, it is necessary to increase the capacitance between the electrodes. The above-mentioned dielectric substance has a very high dielectric constant, for example, PZT, PLZT or the like which is a ceramic-based high dielectric substance. Material. However, it is difficult to form a thin film having a stable dielectric constant with the above materials having a high dielectric constant, and it is also difficult to stably control the electron concentration of the transparent electrode. is there. In recent years, light modulation elements based on the electric field optical effect of a semiconductor and carrier concentration control in a pn junction have been developed. There is nothing to change the light modulation or the light reflectivity.
In addition, an electro-optic crystal can respond faster than a liquid crystal element and has less environmental dependency, but an electro-optic crystal using the Pockels effect has a higher driving voltage. An electro-optic crystal utilizing the Kerr effect can be driven at a relatively low voltage, but requires a very high driving voltage as compared with a liquid crystal element. Further, it is difficult to form a high-definition array using an electro-optic crystal. Further, a polarizing plate is required, and there is a problem that light is absorbed by the polarizing plate.

【0005】本発明は、以上のような従来の光変調素子
における問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構
成により、低電圧駆動で高速且つ安定に動作することが
できる可視光から赤外光を対象とした光変調素子及び露
光素子及び表示装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the conventional light modulation element, and has a simple structure, which can operate stably at a low voltage with a high speed and at a high speed from a visible light to a red light. An object is to provide a light modulation element, an exposure element, and a display device for external light.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記の目的達成のため、
本発明に係る請求項1の光変調素子は、下部透明電極の
上面に半導体層を設けると共に、該半導体層の上面に絶
縁層を介して上部透明電極を設け、前記上部透明電極と
下部透明電極との間に該半導体層のキャリアを空乏化す
る電界を印加し、光反射率、光吸収率の少なくとも一方
を変化させることを特徴としている。
In order to achieve the above object,
The light modulation device according to claim 1, wherein a semiconductor layer is provided on an upper surface of the lower transparent electrode, and an upper transparent electrode is provided on the upper surface of the semiconductor layer via an insulating layer, and the upper transparent electrode and the lower transparent electrode are provided. An electric field for depleting carriers in the semiconductor layer is applied between the first and second layers to change at least one of the light reflectance and the light absorption.

【0007】この光変調素子では、上部透明電極と下部
透明電極との間に、半導体層のキャリアを空乏化する電
界を印加することで、光の吸収率、反射率の少なくとも
一方を低下させる。従って、電界が印加されたときは光
変調素子は入射光を透過させ、電界が印加されていない
ときは入射光を吸収又は反射させて透過させない光変調
特性を呈することになる。
In this light modulation element, at least one of the light absorption and the reflectance is reduced by applying an electric field between the upper transparent electrode and the lower transparent electrode to deplete the carriers in the semiconductor layer. Therefore, when an electric field is applied, the light modulation element transmits the incident light, and when the electric field is not applied, the light modulation element exhibits or modulates the incident light by absorbing or reflecting and not transmitting the incident light.

【0008】請求項2の光変調素子は、前記半導体のバ
ンドギャップエネルギEgは、変調される光の波長を
λ0、真空中の光速をc、プランク定数をhとしたと
き、Eg>hc/λ0[eV]であることを特徴としてい
る。
[0008] Light modulation element according to claim 2, the band gap energy E g of the semiconductor, when 0 the wavelength of the modulated light being lambda, the speed of light in vacuum c, and Planck's constant was h, E g> hc / λ 0 [eV].

【0009】この光変調素子では、変調される光の波長
λ0は、光の吸収端波長λgより長波長となる。従って、
吸収率が常に高くなるバンドギャップによる吸収端波長
以下の領域は使用されることなく、安定した光変調を行
うことができる。
In this light modulation element, the wavelength λ 0 of the light to be modulated is longer than the wavelength λ g of the light absorption edge. Therefore,
Stable light modulation can be performed without using the region below the absorption edge wavelength due to the band gap where the absorptance is always high.

【0010】請求項3の光変調素子は、前記半導体のバ
ンドギャップエネルギEgは、2[eV]以上であるこ
とを特徴としている。
[0010] Light modulation element according to claim 3, the band gap energy E g of the semiconductor is characterized in that at 2 [eV] or more.

【0011】この光変調素子では、半導体のバンドギャ
ップエネルギEgを2[eV]とすることにより、可視
光から赤外光までの光を安定して変調することができ
る。
In this light modulating element, light from visible light to infrared light can be modulated stably by setting the band gap energy E g of the semiconductor to 2 [eV].

【0012】請求項4の光変調素子は、前記変調される
光の波長λ0は、前記半導体層のプラズマ波長λpより小
さいことを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, the wavelength λ 0 of the modulated light is smaller than the plasma wavelength λ p of the semiconductor layer.

【0013】この光変調素子では、変調される光の波長
λ0が無電界時の半導体層のプラズマ波長λpよりも短波
長のとき、反射率は低くなるが半導体層の自由キャリア
吸収等による吸収率が大きくなり光透過性が低くなる。
また、電界印加することで半導体層を空乏化してキャリ
ア濃度を低下させると、吸収率が小さくなり、光透過率
が高くなる。これにより光透過率を変化させることがで
きる。
In this light modulating device, when the wavelength λ 0 of the light to be modulated is shorter than the plasma wavelength λ p of the semiconductor layer in the absence of an electric field, the reflectance is low but the semiconductor layer is free-absorbing. The absorptance increases and the light transmittance decreases.
Further, when the semiconductor layer is depleted by applying an electric field to lower the carrier concentration, the absorptance decreases and the light transmittance increases. Thereby, the light transmittance can be changed.

【0014】請求項5の光変調素子は、前記変調される
光の波長λ0は、前記半導体層のプラズマ波長λpより大
きいことを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, the wavelength λ 0 of the modulated light is larger than the plasma wavelength λ p of the semiconductor layer.

【0015】この光変調素子では、変調される光の波長
λ0が無電界時の半導体層のプラズマ波長λpよりも長波
長のとき、反射率は高く光透過率が低くなる。電界印加
することで半導体層を空乏化させキャリア濃度を低下さ
せると、反射率は低くなり光透過性が高くなる。これに
より、光透過率を変化させることができる。
In this light modulation element, when the wavelength λ 0 of the light to be modulated is longer than the plasma wavelength λ p of the semiconductor layer in the absence of an electric field, the reflectance is high and the light transmittance is low. When the semiconductor layer is depleted by applying an electric field to lower the carrier concentration, the reflectance decreases and the light transmittance increases. Thereby, the light transmittance can be changed.

【0016】請求項6の光変調素子は、前記空乏化され
た層の厚みが、半導体層の厚みに略等しくなるように逆
バイアス電圧を印加することを特徴としている。
The light modulating element according to claim 6 is characterized in that a reverse bias voltage is applied so that the thickness of the depleted layer becomes substantially equal to the thickness of the semiconductor layer.

【0017】この光変調素子では、半導体層内の空乏層
を該半導体層の略全体に亘って生成することで、半導体
層内で空乏層の占める割合が増大し、光変調効果を略最
大限に発揮することができる。
In this light modulation device, the depletion layer in the semiconductor layer is formed over substantially the entire semiconductor layer, so that the ratio of the depletion layer in the semiconductor layer increases, and the light modulation effect is substantially maximized. Can be demonstrated.

【0018】請求項7の光変調素子は、前記下部透明電
極の上面に、前記半導体層と絶縁層からなる光変調層を
複数段積層し、最上層の光変調層の上面に前記上部透明
電極を設けたことを特徴としている。
The light modulating element according to claim 7, wherein a plurality of light modulating layers comprising the semiconductor layer and the insulating layer are laminated on the upper surface of the lower transparent electrode, and the upper transparent electrode is formed on the upper surface of the uppermost light modulating layer. It is characterized by having provided.

【0019】この光変調素子では、電極間に電圧を印加
したときに複数層の半導体層にそれぞれ空乏層が生成す
るため空乏層領域が拡大し、光変調能力がより向上す
る。
In this light modulation element, when a voltage is applied between the electrodes, a depletion layer is generated in each of the plurality of semiconductor layers, so that the depletion layer region is expanded, and the light modulation capability is further improved.

【0020】請求項8の光変調素子は、前記上部及び下
部透明電極の間に少なくとも1層の中間透明電極を設
け、前記各電極間に前記光変調層を介装すると共に、前
記半導体層が接続された前記中間透明電極と絶縁層に接
する中間透明電極との間に該半導体層のキャリアを空乏
化する電界を印加することを特徴としている。
In the light modulating element according to the present invention, at least one intermediate transparent electrode is provided between the upper and lower transparent electrodes, the light modulating layer is interposed between the respective electrodes, and the semiconductor layer is An electric field for depleting carriers in the semiconductor layer is applied between the connected intermediate transparent electrode and the intermediate transparent electrode in contact with the insulating layer.

【0021】この光変調素子では、各半導体層の空乏層
化がより確実になると共に、各半導体層の空乏化を層内
の全領域においてより均一化される。
In this light modulating element, the depletion of each semiconductor layer is made more reliable, and the depletion of each semiconductor layer is made more uniform in all regions in the layer.

【0022】請求項9の光変調素子は、前記半導体層は
n型半導体層であることを特徴としている。
In a ninth aspect of the present invention, the semiconductor layer is an n-type semiconductor layer.

【0023】この光変調素子では、n型半導体層のキャ
リア、即ち電子の空乏化、注入による光変調が可能とな
る。
In this light modulation device, light modulation by depletion and injection of carriers in the n-type semiconductor layer, that is, electrons, becomes possible.

【0024】請求項10の光変調素子は、前記上部及び
下部透明電極の間に、不純物を高濃度に拡散したp型半
導体層を少なくとも1層設けたことを特徴としている。
According to a tenth aspect of the present invention, at least one p-type semiconductor layer in which impurities are diffused at a high concentration is provided between the upper and lower transparent electrodes.

【0025】この光変調素子では、電圧印加で移動する
n型半導体層の電子キャリアは、p型半導体層の界面で
再結合する。従って、n型半導体層を全体的に空乏化す
ることができる。
In this light modulation device, the electron carriers of the n-type semiconductor layer which move by applying a voltage are recombined at the interface of the p-type semiconductor layer. Therefore, the n-type semiconductor layer can be entirely depleted.

【0026】請求項11の露光素子は、請求項1〜請求
項10のいずれか1項記載の光変調素子を一次元又は二
次元に配列して形成したことを特徴としている。
According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided an exposure element formed by arranging the light modulation elements according to any one of the first to tenth dimensions one-dimensionally or two-dimensionally.

【0027】この露光装置では、前記光変調素子を一次
元又は二次元に配列して形成することで露光装置として
機能させることができる。
In this exposure apparatus, the light modulation elements can be made to function as an exposure apparatus by forming them one-dimensionally or two-dimensionally.

【0028】請求項12の表示装置は、請求項1〜請求
項10のいずれか1項記載の光変調素子を一次元又は二
次元に配列して形成すると共に、該配列された光変調素
子に対向して平面光源を設けたことを特徴としている。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a display device, wherein the light modulating elements according to any one of the first to tenth aspects are formed in a one-dimensional or two-dimensional array. It is characterized in that a flat light source is provided opposite to the flat light source.

【0029】この表示装置では、前記光変調素子を一次
元又は二次元に配列して形成すると共に、該配列された
光変調素子に対向して平面光源を設けることで、表示装
置として機能させることができる。
In this display device, the light modulating elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a planar light source is provided so as to face the arranged light modulating elements so that the light modulating element can function as a display device. Can be.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】最初に、本発明の光変調素子の動
作原理を説明する。一般に、金属、半金属、高濃度不純
物半導体等の自由電子が豊富な材料は、そのプラズマ波
長より長い波長の入射光を反射する性質がある。これは
プラズマ反射と呼ばれている。上記プラズマ波長は、下
記の(2)式により、プラズマ周波数として算出され
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, the operation principle of the light modulation device of the present invention will be described. In general, materials rich in free electrons, such as metals, semimetals, and high-concentration impurity semiconductors, have a property of reflecting incident light having a wavelength longer than the plasma wavelength. This is called plasma reflection. The plasma wavelength is calculated as a plasma frequency by the following equation (2).

【数1】 (Equation 1)

【0031】(1)、(2)式において、ωp はプラズ
マ周波数、Nはキャリア濃度、eは電子の電荷、ε0
真空の誘電率、ε0pは光学的誘電率、m0pは電子の光学
的有効質量、λp はプラズマ波長を示す。上式からは、
キャリア濃度Nを変化させると、プラズマ波長λp も変
化することが理解される。即ち、キャリア濃度Nを高く
すると、プラズマ波長λp は短波長側にシフトし、これ
とは逆に、キャリア濃度Nを低くすると、プラズマ波長
λ p は長波長側にシフトする。
In the equations (1) and (2), ωpIs a plasm
Frequency, N is carrier concentration, e is electron charge, ε0Is
Vacuum permittivity, ε0pIs the optical permittivity, m0pIs electron optics
Effective mass, λpIndicates the plasma wavelength. From the above equation,
When the carrier concentration N is changed, the plasma wavelength λpAlso strange
It is understood that That is, the carrier concentration N is increased.
Then, the plasma wavelength λpShifts to shorter wavelengths,
Conversely, when the carrier concentration N is reduced, the plasma wavelength
λ pShifts to the longer wavelength side.

【0032】図1(a)は、上記の材料において、キャリ
ア濃度を高く設定した場合と低く設定した場合における
入射光の波長λと反射率との関係を示すグラフである。
図1(a)において、波長λ0 の入射光に対しては、前述
のプラズマ波長λp の性質により、キャリア濃度を高く
設定した場合は反射率が高くなり、入射光は材料表面で
反射する。一方、キャリア濃度を低く設定した場合は反
射率が低くなり、入射光は材料内に導入することにな
る。
FIG. 1A is a graph showing the relationship between the wavelength λ of incident light and the reflectance when the carrier concentration is set high and low in the above materials.
In FIG. 1 (a), for incident light of wavelength λ 0 , the reflectivity increases when the carrier concentration is set high, due to the above-mentioned property of the plasma wavelength λ p , and the incident light is reflected on the material surface. . On the other hand, if the carrier concentration is set low, the reflectance will be low, and the incident light will be introduced into the material.

【0033】また、図1(b)は、半導体材料における入
射光の波長λと吸収率との関係を示すグラフである。従
来の半導体光変調器においては、バンドギャップによる
吸収端波長λg前後で光の吸収率が変化する領域を用い
て光変調を行っているが、本発明は、赤外光から可視光
域の波長で光変調を行う点を特徴としている。一般に、
半導体のバンドギャップエネルギをEg[eV]、真空中の
光速をc[m/s]、プランク定数をh[Js]としたとき、光
の吸収端波長λg[m]は、
FIG. 1B is a graph showing the relationship between the wavelength λ of incident light and the absorptance in the semiconductor material. In the conventional semiconductor optical modulator, but the absorption of the light before and after the absorption edge wavelength lambda g by the band gap is performing optical modulation with the area to be changed, the present invention is, from the infrared light in the visible light region It is characterized in that light modulation is performed at a wavelength. In general,
When the band gap energy of the semiconductor is E g [eV], the speed of light in vacuum is c [m / s], and the Planck constant is h [Js], the light absorption edge wavelength λ g [m] is

【0034】[0034]

【数2】 で表される。本実施形態においては、変調される光の波
長λ0はλgより長波長となるため、半導体材料としては
(4)式の条件を満たす半導体が好ましい。
(Equation 2) It is represented by In the present embodiment, since the wavelength λ 0 of the light to be modulated is longer than λ g , a semiconductor satisfying the condition of the expression (4) is preferable as the semiconductor material.

【数3】 (Equation 3)

【0035】変調する光を可視光から赤外光とする場合
は、半導体のバンドギャップエネルギEgが2[eV]以上
であることが好ましく、このような半導体材料の好適な
具体例としては、C、ZnO、SiC、CdS、Ga
P、AlAs、InN、AlN等が挙げられる。図1
(b)において、波長λ0 の入射光に対しては、キャリア
濃度を高く設定した場合は吸収率が高くなり、材料内に
導入された入射光は吸収され透過しない。一方、キャリ
ア濃度を低く設定した場合は吸収率が低くなり、導入さ
れた入射光は殆ど吸収されずに透過する。
[0035] If the modulation light to the visible light and infrared light is preferably a band gap energy E g of the semiconductor is 2 [eV] or more, as preferred specific examples of such a semiconductor material, C, ZnO, SiC, CdS, Ga
P, AlAs, InN, AlN, and the like. FIG.
In (b), for the incident light of wavelength λ 0 , when the carrier concentration is set high, the absorptance increases, and the incident light introduced into the material is absorbed and not transmitted. On the other hand, when the carrier concentration is set low, the absorptance becomes low, and the introduced incident light is transmitted without being absorbed.

【0036】上記の材料特性により、材料に電圧を印加
してキャリア濃度を変化させることで、所定の入射光、
即ち波長λ0 の入射光に対して、光の透過又は非透過
(反射・吸収)の光変調を行うことができる。
By applying a voltage to the material to change the carrier concentration according to the above-mentioned material characteristics, predetermined incident light,
That is, light transmission or non-transmission (reflection / absorption) light modulation can be performed on the incident light having the wavelength λ 0 .

【0037】ただし、前記反射率による光変調と透過率
による光変調との組み合わせを考慮すると、電子を空乏
化させ光の反射率を低くしたときには、入射光を材料内
で吸収することなく透過させるため透過率も低くする必
要がある。そこで、図2及び図3に示すように、入射光
の波長に対する反射率と吸収率との特性を組み合わせて
考える。
However, considering the combination of the light modulation based on the reflectance and the light modulation based on the transmittance, when the electrons are depleted and the light reflectance is lowered, the incident light is transmitted without being absorbed in the material. Therefore, it is necessary to lower the transmittance. Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, the characteristics of the reflectance and the absorptance with respect to the wavelength of the incident light are considered in combination.

【0038】まず、変調される光の波長λ0が無電界時
のn型半導体層のプラズマ波長λpよりも短波長である
場合は、反射率はキャリア濃度の大小によらずに低くな
り、吸収率変化を支配的とした光変調となる。電界非印
加時には半導体層の自由キャリア吸収等による吸収率が
大きくなり、光透過性が低くなる。また、電界印加時に
は、n型半導体層が空乏化しキャリア濃度が低下して吸
収率が小さくなり、光透過率が高くなる。これにより反
射されることなく材料内に導入された入射光は、材料内
の光透過率の変化により光変調される。尚、十分な透過
率変化を得るためには、半導体層の厚み、キャリア濃
度、変化させる空乏領域の幅と適宜選択すれば良い。特
に、無電界時の吸収率向上のためにはキャリア濃度に応
じて半導体層を十分厚くすることが好ましい。
First, when the wavelength λ 0 of the light to be modulated is shorter than the plasma wavelength λ p of the n-type semiconductor layer in the absence of an electric field, the reflectance becomes lower regardless of the carrier concentration, Light modulation is performed with a change in absorptivity dominant. When no electric field is applied, the absorptance due to free carrier absorption or the like of the semiconductor layer increases, and the light transmittance decreases. In addition, when an electric field is applied, the n-type semiconductor layer is depleted, the carrier concentration decreases, the absorptance decreases, and the light transmittance increases. Accordingly, the incident light introduced into the material without being reflected is optically modulated by a change in light transmittance in the material. Note that in order to obtain a sufficient change in transmittance, the thickness of the semiconductor layer, the carrier concentration, and the width of the depletion region to be changed may be appropriately selected. In particular, in order to improve the absorptance in the absence of an electric field, it is preferable to make the semiconductor layer sufficiently thick according to the carrier concentration.

【0039】次に、変調される光の波長λ0が無電界時
のn型半導体層のプラズマ波長λpよりも長波長の場合
は、反射率変化を支配的とした光変調となる。電界を印
加しない時は半導体層のキャリア濃度が高い状態となり
反射率が高くなる。また、電界印加時は、n型半導体層
が空乏化しキャリア濃度の低下して反射率が小さくな
る。反射率が小さいときの吸収率は、半導体層を薄くす
ることで吸収率の増加を抑制している。これにより入射
光は材料表面で反射率の変化により光変調される。尚、
十分な透過率変化を得るためには、半導体の厚み、キャ
リア濃度、変化させる空乏領域の幅を適宜選択すれば良
い。特に、空乏化時の透過率向上のためにはキャリア濃
度の応じて半導体層を十分薄くすることが好ましい。
Next, when the wavelength λ 0 of the light to be modulated is longer than the plasma wavelength λ p of the n-type semiconductor layer in the absence of an electric field, the light modulation is such that the change in reflectance is dominant. When no electric field is applied, the carrier concentration of the semiconductor layer is high, and the reflectance is high. When an electric field is applied, the n-type semiconductor layer is depleted, the carrier concentration is reduced, and the reflectance is reduced. The absorptance when the reflectivity is small suppresses an increase in the absorptance by making the semiconductor layer thinner. Thereby, the incident light is light-modulated on the material surface by the change in the reflectance. still,
In order to obtain a sufficient transmittance change, the thickness of the semiconductor, the carrier concentration, and the width of the depletion region to be changed may be appropriately selected. In particular, in order to improve the transmittance at the time of depletion, it is preferable to make the semiconductor layer sufficiently thin according to the carrier concentration.

【0040】本発明は、上記の原理をキャリア濃度の制
御が容易であるMOS型半導体構造に代表されるような
透明電極、絶縁体、n型半導体を順次積層した構造に対
して適用し、この積層構造体を光学的な変調素子として
直接的に機能させる構成としたことに大きな特徴を有し
ている。この積層型構造体によれば、透明電極及び絶縁
体が対象とする光に透明であり、n型半導体層の電子キ
ャリア濃度のみが透過率の変化を与え、単純な構造で安
定な光変調が可能となる。尚、n型半導体の具体的な不
純物濃度としては、1018〜1022[cm-3]が好ましい。
The present invention applies the above principle to a structure in which a transparent electrode, an insulator, and an n-type semiconductor are sequentially laminated as represented by a MOS type semiconductor structure in which the carrier concentration can be easily controlled. This has a great feature in that the laminated structure is configured to directly function as an optical modulation element. According to this laminated structure, the transparent electrode and the insulator are transparent to the target light, only the electron carrier concentration of the n-type semiconductor layer changes the transmittance, and stable light modulation can be achieved with a simple structure. It becomes possible. The specific impurity concentration of the n-type semiconductor is preferably 10 18 to 10 22 [cm −3 ].

【0041】以下、本発明の各実施形態を図面を参照し
て説明する。図4は、本発明の第1の実施形態に係る光
変調素子の断面構造を示す図である。本実施形態に係る
光変調素子は、図4(a)において、透明基板1の上面に
下部透明電極2を形成し、該下部透明電極2の上面に不
純物ドープした半導体としてn型半導体層3を形成し、
該n型半導体5の上面に絶縁層4を配し、且つ該絶縁層
の上面に上部透明電極5を形成してなるMIS型半導体
の構造を有する。以降、n型半導体層3と絶縁層4の組
を光変調層aと称することにする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the light modulation device according to the first embodiment of the present invention. In the light modulation device according to the present embodiment, in FIG. 4A, a lower transparent electrode 2 is formed on an upper surface of a transparent substrate 1, and an n-type semiconductor layer 3 is formed on the upper surface of the lower transparent electrode 2 as an impurity-doped semiconductor. Forming
It has a MIS type semiconductor structure in which an insulating layer 4 is disposed on the upper surface of the n-type semiconductor 5 and an upper transparent electrode 5 is formed on the upper surface of the insulating layer. Hereinafter, a set of the n-type semiconductor layer 3 and the insulating layer 4 will be referred to as a light modulation layer a.

【0042】図4(a)の状態においては、n型半導体層
3内はドナー不純物イオンと電子がそれぞれ均一に分散
されており、キャリア濃度の低下がない状態となってい
る。光の波長λ0が半導体のプラズマ波長λpよりも長い
場合は、入射光は主に表面で反射され、プラズマ波長λ
pよりも短い場合は主に吸収が大きくなる。その結果、
入射光は透明基板1の下方には出射されない。
In the state of FIG. 4A, donor impurity ions and electrons are uniformly dispersed in the n-type semiconductor layer 3, and the carrier concentration is not reduced. When the light wavelength λ 0 is longer than the semiconductor plasma wavelength λ p , the incident light is mainly reflected on the surface and the plasma wavelength λ 0
When it is shorter than p , the absorption mainly increases. as a result,
Incident light is not emitted below the transparent substrate 1.

【0043】一方、図4(b)は、図2(a)の光変調素子の
透明電極2,5に逆バイアスの電圧を印加した様子を示
している。即ち、下部透明電極2側に対して上部透明電
極に−Vの負電位を印加している。これにより、n型半
導体層3内の電子キャリアが下部透明電極2に移動し
て、電子キャリアが欠乏した空乏層が生じる。このた
め、半導体層3のプラズマ波長λpが長波長側にシフト
し、半導体層3の表面反射率、又は半導体層3内の吸収
率が低下して光透過率が高くなり、上方から導入された
入射光は、n型半導体層3を透過して透明基板1の下方
から出射される。尚、図4(b)においては、空乏層の厚
みxdを短縮して描いているが、実際にはn型半導体層
3の厚みと略等しくなるように設定することができ、こ
の場合は、n型半導体層3全体が空乏化され、光変調特
性が向上する。また、n型半導体層3が完全に空乏化さ
れなくても、吸収率は低下する。また、非空乏化領域
(n型領域)が非常に薄いときは、表面での反射も低下
する。従って、光透過率の制御が可能となる。
On the other hand, FIG. 4B shows a state in which a reverse bias voltage is applied to the transparent electrodes 2 and 5 of the light modulation device of FIG. 2A. That is, a negative potential of -V is applied to the upper transparent electrode with respect to the lower transparent electrode 2 side. Thereby, the electron carriers in the n-type semiconductor layer 3 move to the lower transparent electrode 2, and a depletion layer in which the electron carriers are deficient is generated. For this reason, the plasma wavelength λ p of the semiconductor layer 3 shifts to the longer wavelength side, and the surface reflectance of the semiconductor layer 3 or the absorptance in the semiconductor layer 3 decreases, the light transmittance increases, and the semiconductor layer 3 is introduced from above. The incident light passes through the n-type semiconductor layer 3 and is emitted from below the transparent substrate 1. In FIG. 4B, the thickness x d of the depletion layer is reduced, but it can be set to be substantially equal to the thickness of the n-type semiconductor layer 3 in this case. , The entire n-type semiconductor layer 3 is depleted, and the light modulation characteristics are improved. Further, even if the n-type semiconductor layer 3 is not completely depleted, the absorptance decreases. Further, when the non-depleted region (n-type region) is very thin, the reflection on the surface also decreases. Therefore, the light transmittance can be controlled.

【0044】このときn型半導体層3に生じる空乏層の
厚みxd は(5)式に示す関係で表される。
At this time, the thickness x d of the depletion layer generated in the n-type semiconductor layer 3 is represented by the relationship shown in the equation (5).

【数4】 (5)式において、εsは空乏層の誘電率、Vsは空乏層
の電位差、Ndはn型半導体層の不純物濃度である。印
加する電圧を高くすると空乏層の電位差Vsは高くな
り、空乏層幅xdが広がる。この特性は、絶縁体と半導
体の界面において反転状態、即ち界面に正孔キャリアが
注入されるまで得られる。このとき、空乏層幅xdが、
n型半導体層の厚み程度に広がるように電圧を印加する
と、n型半導体層は殆どが空乏化され、電子キャリアが
空間的に存在しなくなるので入射光の透過率はさらに高
くなる。
(Equation 4) In equation (5), ε s is the dielectric constant of the depletion layer, V s is the potential difference of the depletion layer, and N d is the impurity concentration of the n-type semiconductor layer. Potential V s of the depletion layer and to increase the voltage applied is high, depletion layer width x d is increased. This characteristic is obtained at the interface between the insulator and the semiconductor in an inverted state, that is, until hole carriers are injected into the interface. At this time, the depletion layer width x d becomes
When a voltage is applied such that the voltage spreads to about the thickness of the n-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer is almost completely depleted and electron carriers are no longer spatially present, so that the transmittance of incident light is further increased.

【0045】上記の空乏層の発生又は消滅によって生じ
るキャリア濃度の変化は、例えばコンデンサにおけるチ
ャージ/ディスチャージに類似した現象と考えて良い。
また、上部透明電極5の上部に透明基板を配置した構成
としても良い。これにより、光変調素子を透明基板間に
封入することができ、取扱いを容易にすることができ
る。
The change in carrier concentration caused by the generation or disappearance of the depletion layer may be considered as a phenomenon similar to, for example, charge / discharge in a capacitor.
Further, a configuration in which a transparent substrate is arranged on the upper transparent electrode 5 may be adopted. Thereby, the light modulation element can be sealed between the transparent substrates, and handling can be facilitated.

【0046】ここにおいて、上記光変調層aは、各層に
接続される電極の極性をそのままとし全体を上下逆転さ
せた構成、即ち、下部透明電極2の上面に絶縁層4、n
型半導体層3の順で積層した構成としても良い。
Here, the light modulating layer a has a structure in which the polarity of the electrodes connected to each layer is kept as it is and the whole is inverted, that is, the insulating layers 4 and n are formed on the upper surface of the lower transparent electrode 2.
The configuration may be such that the semiconductor layers 3 are stacked in this order.

【0047】尚、上部及び下部透明電極、並びに後述す
る中間透明電極は、一般的には微粒子化により透明にな
された金属或いは導電性を有する金属化合物で構成され
る。または、これらの金属の非常に薄い半透明な膜で構
成することも可能である。この金属としては、金、銀、
パラジウム、亜鉛、アルミニウム等を用いることがで
き、金属化合物としては、酸化インジウム、酸化亜鉛、
アルミニウム添加酸化亜鉛(通称;AZO)等を用いる
ことができる。具体的には、SnO2膜(ネサ膜)、I
TO膜等を挙げることができる。
The upper and lower transparent electrodes and an intermediate transparent electrode to be described later are generally made of a metal which has been made transparent by micronization or a metal compound having conductivity. Alternatively, it can be composed of a very thin translucent film of these metals. The metals include gold, silver,
Palladium, zinc, aluminum and the like can be used, and as the metal compound, indium oxide, zinc oxide,
Aluminum-added zinc oxide (commonly known as AZO) or the like can be used. Specifically, SnO 2 film (Nesa film), I
A TO film or the like can be given.

【0048】上記のような透明電極上に半導体を形成す
る場合は、半導体は非晶質、又は多結晶となる。この場
合、透明電極も一般のアモルファス系ガラス基板が使用
できる。また、下部透明電極を省略し、n型半導体層の
下部面を電極としても良い。
When a semiconductor is formed on a transparent electrode as described above, the semiconductor becomes amorphous or polycrystalline. In this case, a general amorphous glass substrate can be used as the transparent electrode. Further, the lower transparent electrode may be omitted, and the lower surface of the n-type semiconductor layer may be used as an electrode.

【0049】また、透明基板にサファイア等の絶縁体、
或いは、光変調層と同類又は格子定数の近い半導体基板
を使用しても良い。さらにこの場合、透明電極と透明基
板を兼用しても良い。上記基板によれば、電極、光変調
層に結晶半導体をエピタピシャル形成することが可能で
あり、より安定した動作が得られる。具体的な一例とし
ては、正極の基板側透明電極としてp型の高濃度不純物
半導体をエピタピシャル成長させる。その上にn型の半
導体層をエピタピシャル成長、又はn型不純物の拡散、
或いはイオン注入により形成する。そして、n型半導体
層の上に、絶縁層を形成する。最後に負極の上部透明電
極として金属化合物系の透明電極を形成する。絶縁層と
しては、酸化膜、窒化膜等を使用することができる。ま
た、強誘電体等のセラミックも使用可能である。この
他、各種の材料、形成方法等が考えられるが、本発明の
主旨に添うものであれば何れであっても良い。
Further, an insulator such as sapphire,
Alternatively, a semiconductor substrate similar to or similar in lattice constant to the light modulation layer may be used. Further, in this case, the transparent electrode and the transparent substrate may also be used. According to the above substrate, it is possible to form a crystal semiconductor epitaxially on the electrode and the light modulation layer, and a more stable operation can be obtained. As a specific example, a p-type high-concentration impurity semiconductor is epitaxially grown as a substrate-side transparent electrode of the positive electrode. An n-type semiconductor layer is epitaxially grown thereon, or an n-type impurity is diffused,
Alternatively, it is formed by ion implantation. Then, an insulating layer is formed on the n-type semiconductor layer. Finally, a metal compound transparent electrode is formed as an upper transparent electrode of the negative electrode. As the insulating layer, an oxide film, a nitride film, or the like can be used. Further, a ceramic such as a ferroelectric substance can be used. In addition, various materials, forming methods, and the like can be considered, and any material may be used as long as it conforms to the gist of the present invention.

【0050】次に、本発明の第2実施形態を図5を参照
して説明する。図5は、本実施形態に係る積層型光変調
素子の断面構造を示す図である。光変調素子は、透明基
板1の上面に下部透明電極2を形成し、該下部透明電極
2の上面にn型半導体層3と絶縁層4からなる光変調層
1〜amを積層し、その最上層amの絶縁層4の上面に
上部透明電極5を形成している。上記光変調層の積層数
を、本実施形態では合計5層としているが、一般には任
意の層数を積層することが可能である。上記構成の積層
型光変調素子に対し、下部透明電極2と上部透明電極5
との間に逆バイアスの電圧(−V)を印加すると、各光
変調層aはそれぞれ分極化され、各n型半導体層内には
図4(b)に示すように空乏層が発生する。その結果、上
方から導入された入射光は、反射率又は吸収率の低下に
より光変調層を透過して透明基板1から出射される。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the stacked light modulation element according to the present embodiment. Light modulation element forms a lower transparent electrode 2 on the upper surface of the transparent substrate 1, a light modulation layer a 1 ~a m stacking an n-type semiconductor layer 3 and the insulating layer 4 on the upper surface of the lower transparent electrode 2, forming the upper transparent electrode 5 on the upper surface of the insulating layer 4 of the top layer a m. In the present embodiment, the total number of the light modulation layers is five, but in general, any number of layers can be stacked. The lower transparent electrode 2 and the upper transparent electrode 5
When a reverse bias voltage (−V) is applied between the light modulation layers (a) and (b), each light modulation layer a is polarized, and a depletion layer is generated in each n-type semiconductor layer as shown in FIG. As a result, incident light introduced from above is transmitted through the light modulation layer due to a decrease in reflectance or absorptance and is emitted from the transparent substrate 1.

【0051】また、印加電圧を0[V]とすると、各半導
体層の空乏層は無くなり、n型半導体層3の吸収率又は
反射率が増加するため、上方から導入された入射光は透
明基板1の下方からは出射されなくなる。尚、入射光の
方向は逆方向であっても良い。本実施形態によれば、光
変調層を多層化することで、各光変調層を薄くでき、効
率的に空乏化が可能となる。そのため低い印加電圧で素
子全体の空乏層領域を長くすることができ、光変調能力
をより向上させることができる。
When the applied voltage is 0 [V], the depletion layer in each semiconductor layer is eliminated, and the absorption or reflectance of the n-type semiconductor layer 3 is increased. 1 is no longer emitted from below. Note that the direction of the incident light may be the opposite direction. According to the present embodiment, by forming the light modulating layers in multiple layers, each light modulating layer can be thinned, and depletion can be efficiently performed. Therefore, the depletion layer region of the entire device can be lengthened with a low applied voltage, and the light modulation capability can be further improved.

【0052】次に、本発明の第3実施形態を図6を参照
して説明する。図6は、本実施形態に係る積層型光変調
素子の断面構造を示す図である。この光変調素子は、n
型半導体層に接続される電極が全て電源の正極に接続さ
れ、絶縁層に接続される電極が全て電源の負極に接続さ
れる。従って、何れのn型半導体層も電圧印加によって
電子キャリアが引き抜かれて空乏化される構成である。
この場合、電極は透明な金属化合物、又はp型半導体等
でもよく、また、n型半導体層を電極として兼用するこ
とで電極を省略しても良い。このような構成では、電圧
印加によって入射光の反射率又は吸収率が低くなり、透
過率が高くなる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the stacked light modulation element according to the present embodiment. This light modulation element has n
All electrodes connected to the mold semiconductor layer are connected to the positive electrode of the power supply, and all electrodes connected to the insulating layer are connected to the negative electrode of the power supply. Therefore, any of the n-type semiconductor layers has a configuration in which electron carriers are extracted and depleted by voltage application.
In this case, the electrode may be a transparent metal compound or a p-type semiconductor, or the electrode may be omitted by using the n-type semiconductor layer as the electrode. In such a configuration, the reflectance or absorptance of the incident light is reduced by applying a voltage, and the transmittance is increased.

【0053】次に、本発明の第4実施形態を図7を参照
して説明する。図7は本実施形態に係る光変調素子の断
面構造とその層間配線を示す図である。この光変調素子
は、n型半導体層3、絶縁層4、中間透明電極7の順で
下部透明電極2上に複数段積層し、最上層の電極を上部
透明電極5として構成し、各変調層aの電極間に電源
(−V)が接続されている。従って、何れのn型半導体
層も電圧印加によって電子キャリアが引き抜かれて空乏
化される構成である。このような構成により、第3実施
形態と同様に電圧印加に応じて光変調を行うことができ
る。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional structure of the light modulation element according to the present embodiment and its interlayer wiring. This light modulating element is formed by laminating a plurality of layers on the lower transparent electrode 2 in the order of the n-type semiconductor layer 3, the insulating layer 4, and the intermediate transparent electrode 7, and configuring the uppermost layer electrode as the upper transparent electrode 5. A power supply (-V) is connected between the electrodes a. Therefore, any of the n-type semiconductor layers has a configuration in which electron carriers are extracted and depleted by voltage application. With such a configuration, light modulation can be performed in accordance with the voltage application, as in the third embodiment.

【0054】次に、本発明の第5実施形態を図8を参照
して説明する。図8は本実施形態に係る光変調素子の断
面構造とその層間配線を示す図である。この光変調素子
は、前記第4実施形態における中間透明電極の代わり
に、不純物を高濃度に拡散させたp型半導体層8を設け
ている。p型半導体層8は電気伝導度が非常に高いため
電極同様に作用し、層内が均一に導電される。そして、
下部透明電極2を電源の正極に接続し、上部透明電極5
を電源の負極に接続している。上記構成により、電圧印
加で移動するn型半導体層の電子キャリアはp型半導体
層8の界面で再結合する。従って、n型半導体層3を全
体的に空乏化することが可能となる。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of the light modulation element according to the present embodiment and its interlayer wiring. This light modulation element is provided with a p-type semiconductor layer 8 in which impurities are diffused at a high concentration, instead of the intermediate transparent electrode in the fourth embodiment. Since the p-type semiconductor layer 8 has a very high electric conductivity, it acts like an electrode, and the inside of the layer is uniformly conductive. And
The lower transparent electrode 2 is connected to the positive electrode of the power source, and the upper transparent electrode 5
Is connected to the negative electrode of the power supply. According to the above configuration, the electron carriers of the n-type semiconductor layer that move by applying a voltage are recombined at the interface of the p-type semiconductor layer 8. Therefore, the n-type semiconductor layer 3 can be entirely depleted.

【0055】このようにp型半導体層8を設けた構成と
することで、各n型半導体層3の空乏層化をより確実に
すると共に、各n型半導体層3の空乏化を層内の全領域
においてより均一化することができる。
With such a configuration in which the p-type semiconductor layer 8 is provided, the depletion layer of each n-type semiconductor layer 3 is more reliably formed, and the depletion of each n-type semiconductor layer 3 is reduced within the layer. It can be made more uniform in all regions.

【0056】次に、本発明の第6実施形態を図9を参照
して説明する。図9は光変調素子を一次元又は二次元に
配列することで構成した光変調部90を示している。本
実施形態では、該光変調部90の各光変調素子を駆動部
91により一斉に、又は所定数のブロック毎に、若しく
はそれぞれ独立に駆動制御可能にしている。これによ
り、光変調素子を一次元又は二次元の光変調が可能な露
光素子92として機能させることができる。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a light modulation unit 90 configured by arranging light modulation elements one-dimensionally or two-dimensionally. In the present embodiment, the driving of the light modulation elements of the light modulation unit 90 can be controlled by the driving unit 91 all at once, or every predetermined number of blocks, or independently. Accordingly, the light modulation element can function as the exposure element 92 that can perform one-dimensional or two-dimensional light modulation.

【0057】また、各光変調素子をブロック毎、又は独
立して駆動制御する方式にあっては、面積階調により多
階調表示を行うことが可能となる。さらに、光変調素子
を二次元に配列した場合の駆動部91の駆動方式として
は、単純マトリクス駆動としてもアクティブマトリクス
駆動としても良い。単純マトリクス駆動の場合は構成を
簡単にすることができ、アクティブマトリクス駆動の場
合は大きなコントラスト比を得ることができる。
Further, in a system in which each light modulation element is drive-controlled for each block or independently, multi-gradation display can be performed by area gradation. Further, the drive system of the drive unit 91 when the light modulation elements are two-dimensionally arranged may be simple matrix drive or active matrix drive. In the case of simple matrix driving, the configuration can be simplified, and in the case of active matrix driving, a large contrast ratio can be obtained.

【0058】上記構成によれば、一次元又は二次元に配
列された光変調素子の反射率及び吸収率を電圧の印加状
態に応じて設定することができ、高速動作可能な露光素
子を簡単な構成で提供することができる。
According to the above arrangement, the reflectivity and the absorptance of the one-dimensionally or two-dimensionally arranged light modulation elements can be set according to the voltage application state, so that an exposure element which can operate at high speed can be simplified. It can be provided in a configuration.

【0059】次に、本発明の第7実施形態を図10を参
照して説明する。図10は第6実施形態における露光素
子92の構成に、平面光源93を対向配置させた表示装
置94の構成を示している。本実施形態における表示装
置94は、前記露光素子92の光変調部90に対向して
平面光源93を配設し、該平面光源93からの光を一次
元又は二次元配列された光変調部90を介して表示させ
るものである。尚、光変調部90が一次元配列として形
成されている場合は、平面光源93は線光源であっても
良い。
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows a configuration of a display device 94 in which a flat light source 93 is arranged to face the configuration of the exposure element 92 in the sixth embodiment. The display device 94 in the present embodiment has a plane light source 93 disposed opposite to the light modulation section 90 of the exposure element 92, and the light from the plane light source 93 is one-dimensionally or two-dimensionally arranged. Is displayed via the. When the light modulator 90 is formed as a one-dimensional array, the planar light source 93 may be a linear light source.

【0060】平面光源93は、光源となる例えば赤外線
源93aと導光板93bから構成される。赤外線源93
aからの光は導光板93bの表面へ導かれ、導光板93
aから面放射される光は露光素子90に入射される。そ
して、各露光素子の電極間電圧の印加状態に応じて、選
択的に光が光変調部を透過又は非透過(反射・吸収)状
態となることで任意のパターンを表示することができ
る。以上説明したように、複数の光変調素子を結合した
光変調部により露光素子を形成し、この露光素子の片側
に平面光源を配することで表示装置として機能させるこ
とができる。
The flat light source 93 is composed of, for example, an infrared light source 93a as a light source and a light guide plate 93b. Infrared source 93
a from the light guide plate 93b is guided to the surface of the light guide plate 93b.
Light emitted from the surface a is incident on the exposure element 90. Then, an arbitrary pattern can be displayed by selectively transmitting or not transmitting (reflecting / absorbing) the light through the light modulation unit according to the application state of the inter-electrode voltage of each exposure element. As described above, an exposure element is formed by a light modulation section in which a plurality of light modulation elements are combined, and a plane light source is arranged on one side of the exposure element to function as a display device.

【0061】表示装置とした場合は、各光変調素子に導
入する光を白色光源からの光とし、電極間電圧を適宜調
整することで、任意の波長成分の光のみを選択的に透過
させる構成としても良い。これにより、簡単な構成で高
速なカラー表示が可能となる。また、特定波長の光を導
入し、電極間電圧のレベル調整又は電圧印加をデューテ
ィ制御することで、半導体層内の空乏層厚み又は単位時
間当たりの光の透過量を変化させ、多階調制御を行うこ
とも可能である。
In the case of a display device, the light to be introduced into each light modulation element is light from a white light source, and the voltage between the electrodes is appropriately adjusted to selectively transmit only light of an arbitrary wavelength component. It is good. This enables high-speed color display with a simple configuration. In addition, by introducing light of a specific wavelength and adjusting the level of the voltage between electrodes or duty control of voltage application, the thickness of a depletion layer in the semiconductor layer or the amount of light transmitted per unit time is changed, and multi-gradation control is performed. It is also possible to do.

【0062】以上説明した各実施形態では、電圧無印加
時で光透過率が低くなり、逆バイアスの電圧を印加する
と光透過率が高くなるという制御であるが、順バイアス
の電圧を印加して空乏層幅をより狭くし、さらにキャリ
アを注入して光透過率を低くすることも可能である。ま
た、前記各実施形態では、入射光を光変調素子内で透過
・非透過(反射・吸収)させることで光透過率の変化に
より光変調する場合を説明したが、入射光を光変調素子
表面で反射させることで光反射率の変化により光変調す
る素子であってもよく、これにより反射光の変化を利用
した素子システムを組むことも可能である。以上説明し
た各実施形態においては、主にn型半導体層のキャリア
制御による光変調であるが、p型半導体層のキャリア、
即ち正孔の空乏化、注入による光変調も可能である。
In each of the embodiments described above, the light transmittance is reduced when no voltage is applied, and the light transmittance is increased when the reverse bias voltage is applied. It is also possible to make the depletion layer width narrower and further inject carriers to lower the light transmittance. Further, in each of the above embodiments, the case where the incident light is transmitted / non-transmitted (reflected / absorbed) in the light modulation element to modulate the light by changing the light transmittance has been described. An element that modulates the light by changing the light reflectance by reflecting the light in the element may be used, and an element system utilizing the change in the reflected light can be constructed. In each of the embodiments described above, light modulation is mainly performed by carrier control of the n-type semiconductor layer.
That is, light modulation by hole depletion and injection is also possible.

【0063】[0063]

【発明の効果】本発明の光変調素子及び露光素子及び表
示装置によれば、半導体のキャリア濃度変化に応じた反
射率変化及び吸収率変化を利用しているため、低い動作
電圧で安定して光変調を行うことができ、液晶と比較し
てより高速な動作が可能となる。また、面型光変調が可
能であるため、均一な光変調を簡便にして実現すること
ができ、さらに、構造が単純であるため、量産に適した
安価な製品として提供することができる。
According to the light modulation device, the exposure device and the display device of the present invention, since the change in the reflectance and the change in the absorptance according to the change in the carrier concentration of the semiconductor are utilized, the operation can be stably performed at a low operating voltage. Light modulation can be performed, and higher-speed operation can be performed as compared with liquid crystal. Further, since surface light modulation is possible, uniform light modulation can be easily realized, and furthermore, since the structure is simple, it can be provided as an inexpensive product suitable for mass production.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】キャリア濃度の高低に対する入射光の波長λと
反射率及び吸収率との関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the wavelength λ of incident light and the reflectance and absorptance with respect to the carrier concentration.

【図2】n型半導体層のプラズマ波長に対して変調され
る光の波長が短波長である場合のキャリア濃度の高低に
対する反射率及び吸収率との関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the reflectivity and the absorptivity with respect to the carrier concentration when the wavelength of light modulated with respect to the plasma wavelength of the n-type semiconductor layer is short.

【図3】n型半導体層のプラズマ波長に対して変調され
る光の波長が長波長である場合のキャリア濃度の高低に
対する反射率及び吸収率との関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the reflectivity and the absorptivity with respect to the carrier concentration when the wavelength of light modulated with respect to the plasma wavelength of the n-type semiconductor layer is a long wavelength.

【図4】本発明の実施形態に係る光変調素子の動作原理
を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an operation principle of the light modulation element according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2実施形態に係る積層型光変調素子
の断面構造とその層間配線を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure of a stacked optical modulation element according to a second embodiment of the present invention and its interlayer wiring.

【図6】本発明の第3実施形態に係る光変調素子の断面
構造とその層間配線を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of a light modulation element according to a third embodiment of the present invention and its interlayer wiring.

【図7】本発明の第4実施形態に係る光変調素子の断面
構造とその層間配線を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional structure of an optical modulation device according to a fourth embodiment of the present invention and its interlayer wiring.

【図8】本発明の第5実施形態に係る光変調素子の断面
構造とその層間配線を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of a light modulation element according to a fifth embodiment of the present invention and its interlayer wiring.

【図9】本発明の第6実施形態に係る露光素子の構成を
示す図である。
FIG. 9 is a view showing a configuration of an exposure element according to a sixth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第7実施形態に係る表示装置の構成
を示す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a display device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図11】従来の光の変調装置の一実施形態を示す図で
ある。
FIG. 11 is a diagram showing one embodiment of a conventional light modulation device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 透明基板 2 下部透明電極 3 n型半導体層 4 絶縁層 5 上部透明電極 7 中間透明電極 90 光変調部 92 露光素子 93 平面光源 94 表示装置 a 光変調層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent substrate 2 Lower transparent electrode 3 N-type semiconductor layer 4 Insulating layer 5 Upper transparent electrode 7 Intermediate transparent electrode 90 Light modulation part 92 Exposure element 93 Flat light source 94 Display device a Light modulation layer

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下部透明電極の上面に半導体層を設ける
と共に、該半導体層の上面に絶縁層を介して上部透明電
極を設け、前記上部透明電極と下部透明電極との間に前
記半導体層のキャリアを空乏化する電界を印加し、光反
射率、光吸収率の少なくとも一方を変化させることを特
徴とする光変調素子。
A semiconductor layer is provided on an upper surface of a lower transparent electrode, an upper transparent electrode is provided on an upper surface of the semiconductor layer via an insulating layer, and the semiconductor layer is provided between the upper transparent electrode and the lower transparent electrode. An optical modulator, wherein an electric field for depleting carriers is applied to change at least one of light reflectance and light absorption.
【請求項2】 前記半導体のバンドギャップエネルギE
gは、変調される光の波長をλ0、真空中の光速をc、プ
ランク定数をhとしたとき、 Eg>hc/λ0 [eV] であることを特徴とする請求項1記載の光変調素子。
2. The band gap energy E of the semiconductor
g is the wavelength of the modulated light being lambda 0, when the speed of light in vacuum and c, and Planck's constant is h, according to claim 1, characterized in that the E g> hc / λ 0 [ eV] Light modulation element.
【請求項3】 前記半導体のバンドギャップエネルギE
gは、2[eV]以上であることを特徴とする請求項1
又は請求項2記載の光変調素子。
3. The bandgap energy E of the semiconductor
g is not less than 2 [eV].
Or the light modulation element according to claim 2.
【請求項4】 前記変調される光の波長λ0は、前記半
導体層のプラズマ波長λpより小さいことを特徴とする
請求項1〜請求項3のいずれか1項記載の光変調素子。
4. The light modulation device according to claim 1, wherein a wavelength λ 0 of the modulated light is smaller than a plasma wavelength λ p of the semiconductor layer.
【請求項5】 前記変調される光の波長λ0は、前記半
導体層のプラズマ波長λpより大きいことを特徴とする
請求項1〜請求項3のいずれか1項記載の光変調素子。
5. The light modulation device according to claim 1, wherein a wavelength λ 0 of the modulated light is larger than a plasma wavelength λ p of the semiconductor layer.
【請求項6】 前記空乏化された層の厚みが、前記半導
体層の厚みに略等しくなるように逆バイアス電圧を印加
することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1
項記載の光変調素子。
6. The method according to claim 1, wherein a reverse bias voltage is applied so that the thickness of the depleted layer is substantially equal to the thickness of the semiconductor layer.
Item 3. The light modulation element according to item 1.
【請求項7】 前記下部透明電極の上面に、前記半導体
層と絶縁層からなる光変調層を複数段積層し、最上層の
光変調層の上面に前記上部透明電極を設けたことを特徴
とする請求項1〜請求項6のいずれか1項記載の光変調
素子。
7. A light modulating layer comprising the semiconductor layer and the insulating layer is laminated in a plurality of stages on the upper surface of the lower transparent electrode, and the upper transparent electrode is provided on the upper surface of the uppermost light modulating layer. The light modulation device according to any one of claims 1 to 6.
【請求項8】 前記上部及び下部透明電極の間に少なく
とも1層の中間透明電極を設け、前記各電極間に前記光
変調層を介装すると共に、前記半導体層に接続された中
間透明電極と絶縁層に接する中間透明電極との間に、該
半導体層のキャリアを空乏化する電界を印加することを
特徴とする請求項7記載の光変調素子。
8. At least one intermediate transparent electrode is provided between the upper and lower transparent electrodes, the light modulating layer is interposed between the respective electrodes, and an intermediate transparent electrode connected to the semiconductor layer is provided. The light modulation device according to claim 7, wherein an electric field for depleting carriers in the semiconductor layer is applied between the intermediate transparent electrode and the intermediate layer.
【請求項9】 前記半導体層はn型半導体層であること
を特徴とする請求項1〜請求項8記載のいずれか1項記
載の光変調素子。
9. The light modulation device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is an n-type semiconductor layer.
【請求項10】 前記上部及び下部透明電極の間に、不
純物を高濃度に拡散したp型半導体層を少なくとも1層
設けたことを特徴とする請求項7又は請求項8記載の光
変調素子。
10. The light modulation device according to claim 7, wherein at least one p-type semiconductor layer in which impurities are diffused at a high concentration is provided between the upper and lower transparent electrodes.
【請求項11】 請求項1〜請求項10のいずれか1項
記載の光変調素子を一次元又は二次元に配列して形成し
たことを特徴とする露光素子。
11. An exposure element, wherein the light modulation elements according to claim 1 are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.
【請求項12】 請求項1〜請求項10のいずれか1項
記載の光変調素子を一次元又は二次元に配列して形成す
ると共に、該配列された光変調素子に対向して平面光源
を設けたことを特徴とする表示装置。
12. A light source according to claim 1, wherein the light modulating elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a planar light source is arranged facing the arranged light modulating elements. A display device, comprising:
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