JP2019510279A - 熱スイッチング相変化材料を有する光学デバイス - Google Patents

熱スイッチング相変化材料を有する光学デバイス Download PDF

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Abstract

【解決手段】
本発明は特に層構造（２）を備える光学デバイス（１）に向けられ、層構造（２）は、熱伝導性の光学的な反射器（１５）と、反射器（１５）の上方に配置され光に対して透過性の熱伝導性のスペーサ（１４）と、スペーサ（１４）の上方に配置され２つの可逆的にスイッチング可能な状態を有する相変化材料即ちＰＣＭ、とを有する。２つの可逆的にスイッチング可能な状態において、ＰＣＭは屈折率の２つの異なる値を示す。反射器（１５）、スペーサ（１４）及びＰＣＭ（１０）は、層構造の積層方向（ｚ）に沿って順次積層される。光学デバイスは、加熱素子（１７）及び制御器（１９、１９ａ）を更に備え、加熱素子（１７）は、反射器（１５）に関してＰＣＭ（１０）と反対側にあり、層構造（２）はＰＣＭ（１０）を加熱素子（１７）から電気的に絶縁するように構成されている一方で加熱素子（１７）は反射器（１５）及びスペーサ（１４）を介してＰＣＭ（１０）と熱的に連通し、制御器（１９、１９ａ）は、ＰＣＭ（１０）を加熱するために加熱素子（１７）にエネルギを与えることによりＰＣＭ（１０）の屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるように構成される。本発明は、更に、関連する光学デバイス（特に、上述のような層構造のセットにより各々が形成される１つ以上の画素を備えるデバイス）及び作動方法に向けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、ディスプレイにおける画素から建築及び自動車用途のためのスマートガラスにまで及ぶ種々の分野における用途を有する光学デバイスに関する。
いわゆる相変化材料（ＰＣＭ）技術並びに超高分解能反射形ディスプレイ、透視型ディスプレイ、及び力センサ等の光電子デバイスにおけるＰＣＭ技術の使用に関してかなりの研究がなされている。ＰＣＭｓは、２以上の相の間でスイッチングされ得る種々の材料を含む。これらの相は異なる光電子特性を有することがある。また、種々の双安定ＰＣＭｓが知られており、これらは、相転移が完了した後の新たな状態にデバイスを維持するために連続的に電力を印加する必要がないので、特に魅力的である。
しかし、そのような材料の電気的スイッチングサイクルには、一般的に材料の微小部分のみが積極的に関与している一方で、材料の周囲部分は本質的には影響を受けないままである。この現象は公知であり、しばしば「フィラメント型スイッチング(filamentary switching)」と称される。フィラメント型スイッチングは、いくつかの用途では有利に利用することができるが、この現象は、理解されるであろうように、ＰＣＭの異なるスイッチング状態間の光学的特性に悪影響を与えることになる。
この現象は、典型的には、クロスバー回路構成において発生する。クロスバー回路においては、電圧パルスがクロスバーを横切って印加され、バー間のＰＣＭ素子を通る電流をもたらす。スイッチングプロセスによって、電極間に局部的な導電経路（即ち、「フィラメント(filaments)」）が形成される。いくつかの非光学的抵抗性デバイスは、例えば、材料の微小部分のみがスイッチングされているにもかかわらず、満足に動作するようにされ得る。しかし、光学的特性に関しては、クロスバー回路構成におけるＰＣＭ画素は、活性部分が小さすぎるので、スイッチングされているようには見えない可能性がある。このように、フィラメント型スイッチングは、ディスプレイにおける画素及びスマートガラス等の光学用途を妨げる。
この問題を解決し、より大きなスイッチング部分を達成するために、ＰＣＭ領域を複数のナノスケール画素に分割することが考えられる。しかし、その結果として画素数が大幅に増加する。例えば、ディスプレイ用途では、スイッチング機構が鋭い電気パルスの印加（例えばナノ秒の持続時間）を必要とするので、上記の解決法は、非常に高い速度で多数の（典型的には数百万の）画素に順にアドレスする必要がある。しかし、これにより、それら多数の画素にアドレスするために電子周辺駆動回路が必要とする計算量及び電力が画素数に伴い大幅に増大するので、新たな工学的課題が生まれる。
他には、熱パルスを用いてＰＣＭをスイッチングすることが知られている。例えば、ＵＳ２０１５０９８０３２はＰＣＭディスプレイを開示しており、このＰＣＭディスプレイにおいては、各ＰＣＭ画素は電気加熱素子によってスイッチングされ、電気加熱素子はＰＣＭと直接接触している。ＰＣＭ素子は、グレースケール(grey scale)を作り出す。追加のフィルタ素子は、画素に色をもたらす。
ある側面によると、本発明は光学デバイスとして具体化される。このデバイスは層構造を備え、層構造は、熱伝導性の光学的な反射器と、反射器の上方に配置され光に対して透過性の熱伝導性の（光学的）スペーサと、スペーサの上方に配置され２つの可逆的にスイッチング可能な状態を有する相変化材料即ちＰＣＭ、とを有する。２つの可逆的にスイッチング可能な状態において、ＰＣＭは屈折率及び／又は吸収の２つの異なる値を示す。反射器、スペーサ、及びＰＣＭは、層構造の積層方向に沿って順次積層される。光学デバイスは、反射器に関してＰＣＭと反対側にある加熱素子を更に備える。層構造は、ＰＣＭを加熱素子から電気的に絶縁するように構成されている一方で、加熱素子は、反射器及びスペーサを介してＰＣＭと熱的に連通する。また、光学デバイスは制御器を備え、制御器は、ＰＣＭを加熱することによりＰＣＭの屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために加熱素子にエネルギを与えるように構成される。
上記光学デバイスの構造は、ＰＣＭの大部分がスイッチングされることを可能にしつつ、２つの光学的機能を利用するように工夫されている。加熱素子は、スイッチング能力を提供する。ＰＣＭを含む光学活性素子は、電気的に絶縁性の障壁によって加熱素子から隔てられているが、障壁は熱伝導性である。これにより、本発明者らが実現したように、光学活性構造（即ちＰＣＭ‐スペーサ‐反射器）の層の順序付けられたシーケンスを保ちつつ、ＰＣＭの大部分をスイッチングすることが可能である。不可逆的にスイッチング可能な状態は、ＰＣＭに屈折率及び／又は吸収の２つの異なる値を示させ、光学的特性に関する第１の自由度を可能にする（第１の機能）。同時に、スペーサの厚さを調節することができ（又は１つの層構造から他の層構造へと変化させることができ）、これにより光学的特性に関する第２の自由度を可能にする（第２の機能）。実際には、これにより、ＰＣＭの屈折率及び／又は吸収並びにスペーサの厚さに依存する干渉効果に起因する、反射率が光の波長の関数として大きく変化するという事実を有効に活用することが可能である。結果として、追加のフィルタを必要とすることなく、デバイスの光学的特性をスペーサにより調整することができる（例えば、ある「色」を副画素に与えることができる）。
以下に示す好ましい実施形態は、特にスイッチング（大きな領域のスイッチングに有利になる）及び光学的特性に関して追加的な利点を提供する。
先ず、デバイスは、好ましくは、反射器の平均厚さが５０ｎｍと１μｍの間であり、スペーサの平均厚さが４０ｎｍと３００ｎｍの間であり、ＰＣＭの平均厚さが０．５ｎｍと８０ｎｍの間であるように設計される。とはいえ、好ましくは、ＰＣＭは、３ｎｍと１５ｎｍの間の平均厚さを有する。
一方、本手法によりＰＣＭの大部分がスイッチングされることが可能になるので、積層方向（ｚ）に垂直な層構造の横寸法は、例えば、０．３５μｍ以上であってよく、好ましくは５μｍ以上であってよい。実際には更に大きな横寸法を検討することができる。
好ましくは、デバイスは、本質的に反射器を加熱素子から電気的に絶縁するように配置された、加熱素子と反射器の間の電気絶縁材料を更に備える。
実施形態においては、制御器は、ＰＣＭを加熱することによりＰＣＭの屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために電流及び／又は電圧を抵抗加熱素子である加熱素子に印加して加熱素子にエネルギを与えるように更に構成される。
好ましくは、デバイスは導電層を更に備え、加熱素子は層構造のレベルで導電層内に挿入され、それにより、導電層の２つの部分が、加熱素子のそれぞれの側面上でそれらに接触し、制御器は、それら２つの部分のそれぞれに接触して加熱素子に電流及び／又は電圧を印加する２つの端子を備える。
制御器は、例えば、加熱素子がＰＣＭに少なくとも２つの異なる熱パルスをそれぞれ印加するように、少なくとも２つの異なる信号により加熱素子にエネルギを与え、ＰＣＭをそれぞれ少なくとも２つのスイッチング可能な状態へと可逆的にスイッチングするように構成される。
好ましい実施形態においては、ＰＣＭは、ＧｅＳｂＴｅ、ＶＯｘ、ＮｂＯｘ、ＧｅＴｅ、ＧｅＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｅ、ＳｂＴｅ、ＴｅＧｅＳｂＳ、ＡｇＳｂＳｅ、ＳｂＳｅ、ＧｅＳｂＭｎＳｎ、ＡｇＳｂＴｅ、ＡｕＳｂＴｅ、及びＡｌＳｂの化合物の１つ以上を備える。
とはいえ、好ましくは、ＰＣＭは、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、ＧｅＴｅ、及びＡｇ３Ｉｎ４Ｓｂ７６Ｔｅ１７の１つを備える。
加熱素子は、例えば、ＮｉＣｒＳｉ、ＮｉＣｒ、Ｗ、ＴｉＷ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＩｒの１つ以上を備えていてよい。
本発明は、例えば複数画素の複数の副画素を形成するために、複数の層構造のセットを備える光学デバイスとして更に具体化されてよい。その目的で、デバイスは、熱伝導性の光学的な反射器のセットと、各々が反射器のそれぞれの上方にある熱伝導性のスペーサのセットと、を備え、スペーサは、実質的に異なる厚さを有し、各々光に対して透過性である。デバイスは、更に、各々がスペーサのそれぞれの上方にある相変化材料即ちＰＣＭｓのセットを備える。ＰＣＭｓのセットは、スペーサのセット及び反射器のセットと共に層構造のセットを形成する。ＰＣＭｓの各々は、屈折率及び／又は吸収の２つの異なる値を示す少なくとも２つの可逆的にスイッチング可能な状態を有する。また、デバイスは、加熱素子のセットを備え、加熱素子の各々は、反射器のそれぞれに関してＰＣＭｓのそれぞれと反対側に配置され、反射器のそれぞれ及びスペーサのそれぞれを介してＰＣＭｓのそれぞれと熱的に連通するが、ＰＣＭｓのそれぞれからは電気的に絶縁される。制御器は、ＰＣＭｓを独立に加熱することによりその屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために加熱素子にエネルギを与えるように構成され、それにより、ＰＣＭｓの各々の屈折率及び／又は吸収が制御器を介して独立に制御可能である。
ここで、スペーサ部分は、構造（又は副画素）の各々について、各副画素に入射する光に対して異なる波長依存反射率を与えるために、異なる寸法にされる。即ち、各副画素は明るくなる(light up)ことができるが（エネルギを与えられたときのＰＣＭスイッチングにより）、これは異なる色を伴っており（特に異なるスペーサ厚さにより）、追加のフィルタ等は必要ない。
実施形態においては、このデバイスは画素のセットを備え、各画素は上述したような層構造のセットを備える。
本発明は、更に、上述の実施形態において説明したような光学デバイスを備えるディスプレイデバイスとして具体化することができる。種々の構成要素が、各々層構造を有する画素のセットを形成するように配置される。特に、層構造は、上述した光学デバイスに従い、ＰＣＭ及び加熱素子を含む。また、層構造は、例えば反射器及びスペーサを形成する他の構成要素を含む。但し、後で詳細に論じるように、画素がそれらの構成要素を共有してもしなくてもよいように、種々の配置を検討することができる。全ての場合に、加熱素子は、各画素内でそれぞれのＰＣＭから電気的に絶縁されると共にＰＣＭのそれぞれと熱的に連通する。ディスプレイデバイスは制御器を更に備え、制御器は、任意の画素のＰＣＭを独立に加熱してその屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるためにその任意の画素にエネルギを与えるように構成される。加えて、ディスプレイデバイスは、電極の複数対の配置を備え、画素の各々がディスプレイデバイスの制御器により個別にアドレス可能になるように、電極の複数対の各々は、画素の１つの加熱素子と電気的に連通する。
好ましくは、電極の複数対の各々は、画素の１つの層構造の積層方向ｚと平行に延在するビアを通って画素の１つの加熱素子と電気的に連通する。
ビアは、例えば、薄膜トランジスタ即ちＴＦＴのドレイン端子と電気的に接触していてよく、ＴＦＴのゲート端子及びソース端子は、動作に際してゲート端子に印加された電圧がＴＦＴのソース端子及びドレイン端子の間の電流を制御するように、電極の複数対の各々のそれぞれの電極に電気的に接触する。変形例においては、抵抗スイッチング素子を用いてよい。
実施形態においては、各画素の加熱素子は、他のビア（これも積層方向ｚと平行に延在する）を通って熱伝導性の光学反射器と更に電気的に連通する。反射器は更に電気伝導性であり、その結果、動作に際して、加熱素子を通る電流は、光学反射器を通ってドレインされ得る。
実施形態においては、各画素の加熱素子は、他のビア（これもｚと平行に延在している）を通ってディスプレイデバイスの共通電極と電気的に連通し、ビアの各々は、電極の複数対の配置の平均面と加熱素子の平均面との間に延在する。このようにして、動作に際して、加熱素子を通る電流は、共通電極を通ってドレインされ得る。
他の側面によると、本発明は、実施形態に従う光学デバイスを制御するための方法として具体化される。基本的に、この方法は、光学デバイスのＰＣＭを加熱するために制御器を介してこの光学デバイスの加熱素子に繰り返しエネルギを与えてＰＣＭの屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させることを備える。
好ましくは、エネルギを与えることは、時間ｔ１の間に加熱素子にエネルギを与えて、第１の時間的熱プロファイルに従ってＰＣＭを加熱し、それによりＰＣＭを第１の状態から第２の状態にスイッチングすることと、続いて、時間ｔ２の間に加熱素子にエネルギを与えて、第２の時間的熱プロファイルに従ってＰＣＭを加熱し、それによりＰＣＭを第１の状態に戻すようにスイッチングすることと、を備える。第１の時間的熱プロファイルは最大温度Ｔ１を示し、第２のプロファイルは最大温度Ｔ２を示し、ここで、ｔ１＞ｔ２及びＴ２＞Ｔｍ＞Ｔ１＞Ｔｃであり、Ｔｍ及びＴｃはそれぞれＰＣＭの溶融温度及び結晶化温度に対応する。
本発明を具体化するデバイス、装置、及び方法を、非限定的な例として、添付図面を参照して説明する。
図１は光学デバイスの２次元（２Ｄ）断面図であり、この光学デバイスは、実施形態に従い特に大面積ＰＣＭ副画素又は画素として設計することができる。 図２は図１に示すスイッチング回路の変形例を示し、このスイッチング回路は、実施形態に含まれるような電界効果トランジスタを含み、この電界効果トランジスタは、図１に示すような１つ以上のデバイスをスイッチングするために用いられてよい。 図３は図１のデバイスの３次元（３Ｄ）図である。 図４は、図１に示すようなデバイスのＰＣＭ素子が、ＰＣＭ素子と熱的に連通するがＰＣＭ素子からは電気的に絶縁されている加熱素子に高速電流パルスが印加されることにより生じる熱パルスを受けたときの、有限要素熱モデルによって得られた温度プロファイルのプロットである。 図５は、実施形態に従う光学デバイスのＰＣＭを結晶質状態へとスイッチングするように加熱素子の制御サイクルによって誘起された実施形態における熱プロファイルを示すグラフである。 図６は、実施形態に従う光学デバイスのＰＣＭを非晶質状態へ戻すべくスイッチングするように加熱素子の制御サイクルによって誘起された実施形態における熱プロファイルを示すグラフである。 図７は画素の３×３マトリクスを備える光学デバイスを示し、画素の各々は副画素のセットを備え、副画素は、各々、図１の光学デバイスと同様に設計されるが、実施形態に従い異なるスペーサ厚さを有する。 図８は横断貫通ビアの配置を含む更なる実施形態に従う光学デバイスの２次元（２Ｄ）断面図であり、ここでは加熱器電流は反射器内へとドレインされる。 図９は横断貫通ビアの配置を含む更なる実施形態に従う光学デバイスの２次元（２Ｄ）断面図であり、ここでは加熱器電流は共通電極内へとドレインされる。 図１０は図８と同様に垂直貫通ビアの配置を含む実施形態に従うディスプレイデバイスの２次元（２Ｄ）断面（部分）図であり、簡潔さのために３画素（のみ）が示されており、キャッピング層、ＰＣＭ層、及びスペーサ層を形成するために連続的な層が用いられている。 図１１は図８と同様に垂直貫通ビアの配置を含む実施形態に従うディスプレイデバイスの２次元（２Ｄ）断面（部分）図であり、簡潔さのために３画素（のみ）が示されており、異なる層部分を含むシフトされた構成が図示される。 図１２は図８と同様に垂直貫通ビアの配置を含む実施形態に従うディスプレイデバイスの２次元（２Ｄ）断面（部分）図であり、簡潔さのために３画素（のみ）が示されており、異なる層部分を含むシフトされた構成が図示される。 図１３は図９におけるような共通電極を含む実施形態に従うシステムレベルでのディスプレイデバイスの配線図である。
添付図面は、実施形態に含まれるデバイス又はその一部の簡略化された表現を示す。図面に示された技術的特徴は必ずしも原寸通りではない。図中の類似の又は機能的に類似の要素は、特に断りのない限り、同じ参照番号を割り当てられている。
以下の説明は次のように構成される。まず、一般的な実施形態及び高レベルの変形例が説明される（セクション１）。次のセクションは、より具体的な実施形態及び技術的な実装の詳細を取り扱う（セクション２）。
１． 一般的な実施形態及び高レベルの変形例
図１〜３を参照して、本発明の一側面を先ず説明し、これは単層構造２を備える光学デバイス１に関係する。基本的に、デバイス１は、光学反射器１５と、光学スペーサ１４と、相変化材料１０、即ちＰＣＭと、加熱素子１７と、制御器１９、１９ａと、を備える。
反射器１５及びスペーサ１４は共に熱伝導性である。スペーサ１４は、光に対して透過性であり、反射器１５の上方に配置される。
ＰＣＭ１０はスペーサ１４の上方に配置される。ＰＣＭ１０は、２つ（又はそれ以上）の可逆的にスイッチング可能な状態（好ましくは恒久的）を有するように選択され、それらの状態において、ＰＣＭ１０は、屈折率ｎの２つの実質的に異なる値を示す（例えば、後述するようにｎは少なくとも０．２は異なる）。より一般的には、本ＰＣＭｓは、その屈折率及び／又はその光吸収がスイッチング可能であるように選択することができる。ここで検討されるＰＣＭｓは、熱パルスの印加下で可逆的にスイッチング可能である。このような材料はそれ自体公知である。本目的に最も適した材料の例については後述する。以下で説明するスイッチング機構は、便宜上、原則としてＰＣＭｓの屈折率特性を参照するものとする。
注目すべきことに、加熱素子１７は、反射器１５に関してＰＣＭ１０と反対側に位置しており、即ち反射器１５の裏面側に位置しており、従ってＰＣＭと直接的には接触していない。また、上記構成により、加熱素子１７は、反射器１５及びスペーサ１４を介してＰＣＭ１０と熱的に連通している。但し、ＰＣＭ１０は、加熱素子１７から電気的に絶縁されている。その目的のために、電気的には絶縁性であるが熱的には伝導性である追加の層１８を設けてもよい。変形例においては、反射器は、後述するように誘電体反射鏡として設計してもよい。
更に、制御器１９、１９ａは、一般的には、ＰＣＭ１０を加熱することによりＰＣＭ１０の屈折率を可逆的に変化させるために、加熱素子１７にエネルギを与えるように構成される。制御器１９は、典型的には、加熱素子１７に電流又は電圧を印加して加熱素子１７を加熱することによりＰＣＭをスイッチングするように構成される。加熱素子が加熱されると、熱は、ＰＣＭを加熱することによりＰＣＭが一方の状態から他方の状態にスイッチングされ得るように、反射器１５及びスペーサ１４（両方とも熱伝導性である）を介してＰＣＭに速やかに伝達される。ＰＣＭを種々の状態にスイッチングするために、異なる信号を印加する必要がある場合がある。
スイッチングは、ここでは、ＰＣＭ１０に直接的に（又は間接的に）電圧又は電流を印加することによるのではなく、加熱素子１７により達成される。加熱素子は、好ましくは層として設けられ、それにより層１０、１４、１５の積層物を完成させる。即ち、加熱素子１７、反射器１５、スペーサ１４、及びＰＣＭ１０は、層構造２の積層方向ｚに沿う複数の層として積層される。
尚、種々の素子１７、１５、１４、及び１０は、構造２において適切に順序付けられたシーケンスを形成する。但し、それらの素子は必ずしも隣同士が接触して連続的である必要はない。即ち、そのシーケンスは、そのシーケンスに挿入された１つ以上の追加の層、例えば図１の層１８等を備えていてもよい。但し、任意の追加の層は、加熱器１７とＰＣＭ１０の間の所望の熱経路及び電気的障壁を維持するために、適切な物理的特性を有しているべきである。
層１０〜１７は、好ましくは全てが同じ横寸法ｘ、ｙ（積層方向ｚに垂直）を有する。構造２は、コンパクトで突出した構造２を形成してｚに沿う均一な熱伝搬に有利になるように、ｚに沿って実質的に一定の横寸法を有していてよい。これにより、均一なスイッチングを達成すると共に消費電力を最適化することが支援される。但し、熱がＰＣＭに十分に伝達され得る限りにおいて、図１のように層積層物において実質的に同一の横寸法を有することが決定的に重要な意味を持つものではない。
特に、加熱素子１７の横寸法は、熱伝達に有利になるように、上部素子１０〜１５の寸法と本質的に一致してよく、あるいは僅かに大きくてもよい。更に、種々の素子１７、１５、１４の厚さは、熱的特性を最適化するように選択することができる。より一般的には、本デバイスは、ＰＣＭ１０の大部分にわたって又は可能であればその主要部分にわたって均一なスイッチングに有利になるように設計される。
有利なことに、加熱器１７の位置は、層１０〜１４〜１５の順序付けられたシーケンスを乱すことはないので、それらの光学的特性に関して最適化が可能である。
特に、これにより、概要セクションで述べたように、ＰＣＭ１０の屈折率及びスペーサ１４の厚さに依存する干渉効果を利用するように、例えば各副画素に対して、スペーサ厚さを調整することが可能になる。従って、カラーフィルタを使用する必要がない。好ましい実施形態においては、本デバイスはこのようにカラーフィルタを含まないが、変形例においては、必要に応じて、そのようなフィルタをスペーサと相補的に使用することができる。また、本デバイスは、光減衰器又は電気光学的減衰器、あるいは更には正しいディスプレイシェード(right display shade)を生成するように構成された任意のフィルタを含んでいてよい。
また、加熱素子１７は、もし加熱素子１７がＰＣＭと直接接触しているとすれば、即ち加熱素子１７が反射器の上方にあるとすれば必要になるはずである光に対する透過性を有するように作製される必要はない。その代わりに、所望の電気的／熱的特性（例えば高抵抗）に関して最適化することができる。加熱器は、好ましくは、図１に示すように、反射器１５の下方で低抵抗率の導電層２１内に挿入されて、層２１にエネルギを与えつつ電力変換を最適化すると共に電力消費を最小限に抑える。これにより、活性光学領域を挟む電極を必要とせずに裏側電気接点(sole electrical contacts)が構造２の裏面上にあるので、全体構成が更に単純化される。
この層アーキテクチャにより、大きな副画素をより容易に製造することができ（且つ電気的にアドレスされるようにすることができ）、これらの副画素は各々異なる色をもたらすことが可能である。加熱器は、好ましくは、低抵抗を有すると共に標準的なＣＭＯＳ技術を用いて作動されるように選択される。本光学デバイスは、典型的には、ディスプレイデバイスにおける制御された副画素又は画素として具体化されてよい。副画素は、図７を参照して後で詳述するように、異なる色をもたらすために実質的に異なる厚さのスペーサを有していてよい。
尚、層１０〜１７は一般的には積層方向ｚに沿って積層されるが、それらは必ずしも平面である必要はなく、構造化されてもよい。特に、加熱器を構造化して、それを通る温度プロファイル及びこれに伴いスイッチングを改善するようにしてもよい。
典型的には、透明なキャッピング層１６がＰＣＭ１０の頂面上に配置され、その表面１６ｓは、図１に示すように、観察表面を規定する。
層１４〜１８の厚さは、典型的には１０ｎｍと２５０ｎｍの間である。最適な厚さは、設計寸法及び所望の熱係数に依存する。一方、ＰＣＭ１０の厚さは、実際に使用される材料及び求められる用途にもよるが、０．５ｎｍと５００ｎｍの間であってよい。但し、好ましいＰＣＭ厚さは１ｎｍと８０ｎｍの間であり、この厚さは、一般的には、必要な光学的特性を達成するのに十分である。ＧＳＴ、ＧｅＴｅ（以下ＧＴ）、ＡＩＳＴ（又は同様の材料）等のＰＣＭを使用する場合、後述するように、十分な厚さは典型的には３ｎｍと１５ｎｍの間である。
層１６、１０、及び１４には最小程度の透過率が望まれる。典型的には、入射光の少なくとも１０％の透過率が必要である。ＰＣＭ層については、典型的には、１％の最小値が必要である。透過率の正確な値は、各層の実際の厚さに依存する。反射器１５は、典型的には光学的に厚い必要がある。例えば、反射器層１５が本質的に銀で作製されてよい場合には、少なくとも６０ｎｍ、好ましくは少なくとも１００ｎｍの厚さを有していてよい。反射器は、好ましくは、対象となる波長の範囲にわたって平均して８０％、９０％、又は更には９５％を超える反射率を有する。
構造２の横（平均）寸法は、例えば、少なくとも０．３５μｍであり得る。更に、本手法は、原理的には、より大きな寸法、例えば１、５、１０、５０、又は１００μｍよりも大きな寸法を許容する。より大きな横（平均）寸法、例えば１、１０、又は１００ｎｍよりも大きな寸法を有するデバイスさえも検討可能である。熱誘起のスイッチングに頼ることにより、より大きな部分がスイッチングされることが可能になり、ひいてはより大きな横寸法が可能になる。層構造の横寸法は、使用される用途、構造、及び材料に強く依存する。
ＰＣＭの特性に関して、２つの状態における屈折率には、典型的には少なくとも０．２の差が必要である。例えば、高屈折率状態ではｎ＝２．４であり、低屈折率状態ではｎ＝１．６である。２つの状態における屈折率の差は、典型的には０．２〜４の範囲に及ぶ。ＧｅＳｂＴｅ及び関連材料の屈折率及び消光係数の典型的な値は、例えば、「WHP Pernice and H. Bhaskaran， Photonic non-volatile memories using phase change materials， Applied Physics Letters， 101， 011243 2012」において見出すことができ、特に図２ａを参照されたい。
ＰＣＭにおいて達成することができる温度のプロファイルは、シミュレーション（図４参照）により示すように、典型的には、ＧＳＴでは５００〜６００℃の範囲内にあってよく、更に高くてもよい（＞６００℃）。尚、ＰＣＭにおける実際の熱プロファイルを測定する実用的な方法はない（特にＰＣＭが絶縁されている本状況においては）。実際の熱プロファイルは材料に依存し、全ての材料が同じ温度でスイッチングするわけではなく、そのためシミュレーションの対象となる。
好ましいＰＣＭｓは、均一な（バルク）スイッチングに有利な材料、即ちフィラメント型スイッチングとは対照的にスイッチングプロセスにおいて材料の大部分を伴う材料である。尚、複数の（平行な）フィラメントの形成は、最終的にはバルクスイッチングになってよく、しかも集まって(convene)よい。但し、ＰＣＭの厚さが大きすぎると、これは適切なスイッチングを保証しないことがあり、従って以下に例示するようにＰＣＭ層の厚さを制限する必要がある。
好ましくは、本実施形態は、反射器を系統的に使用し、バックライトユニットを必要としない。にもかかわらず、変形例においては、透過型反射ディスプレイ又は透過におけるグレージング(glazing)若しくは光変調等の他の用途のためのものであれば、バックライトユニットを関与させてもよい。
上記で喚起したように、スイッチングを改善するためにはいくつもの要因が寄与する。とりわけ、層１０〜１８の垂直寸法は、スイッチングの均一性に影響を与える。例えば、厚すぎるとＰＣＭがフィラメント型スイッチングに有利になってしまう可能性がある。従って、実施形態においては、ここで喚起される典型的なＰＣＭｓに対して、フィラメント型スイッチング（特に明記しない限り、本明細書を通して閉区間、即ち端点を含む区間が前提である）を緩和するために、ＰＣＭ１０の平均厚さは、０．５ｎｍと５００ｎｍの間（好ましくは１ｎｍと８０ｎｍの間、更には３ｎｍと１５ｎｍの間）である。一方、中間層１４、１５の厚さを制限することにより、より良好な熱伝搬が可能になる（従って、より少ない電力しか必要としない）。従って、反射器１５の平均厚さは、典型的には５０ｎｍと１μｍの間である。スペーサの役割は光学干渉効果（特にスペーサの厚さに依存する）を決定することであるので、スペーサの厚さは、好ましくは、平均して４０ｎｍと３００ｎｍの間に制限される。
上記の寸法特性は、一般的には、熱伝搬にそれほど厳しくは影響しないこと、及び特にＰＣＭにＧＳＴ、ＧＴ、又はＡＩＳＴ（若しくは同様の材料）が使用される場合に、均一なスイッチングに有利であることが判明した。一方、上述したように、横寸法は限定されない。
先に喚起したように、本質的に反射器１５を加熱素子１７から電気的に絶縁するために、好ましくは、加熱素子１７と反射器１５の間には電気絶縁材料１８が設けられる。変形例においては、反射器１５は、電気的障壁として作用するように誘電体反射鏡として設計されてよい。但し、このような誘電体反射鏡は、典型的には、いくつもの材料層を含むことがある。従って、多層誘電体反射鏡を設計するよりもむしろ電気絶縁層１８を設ける方が多くの場合により簡単である。
図１〜３に示すように、加熱素子１７は、好ましくは抵抗加熱素子１７であり、制御器１９、１９ａは、加熱素子１７に電流及び／又は電圧を印加して加熱素子１７を加熱し、次いでＰＣＭ１０を加熱してこれをスイッチングするように構成される。好ましくは、電流ではなく電圧パルスが印加される。電流がソースされるようなデバイスも考えられるが、実用上は、実際のデバイスにおいて電圧よりも電流をソースする方がより困難になり得る。図１及び図３に示す単純な例示的電気回路１９は、電圧パルスを印加してそれによりＰＣＭをスイッチングすることを可能にする。図２に示すＦＥＴ回路等、より洗練された作動１９ａが検討されてよく、これについてはセクション２で詳細に説明する。全ての場合において、クロスバー回路構成は不要であり、従って好ましくない。
図１、３に更に示すように、制御器１９は、例えば、加熱素子１７に電圧又は電流を印加するために、加熱素子１７を備える導電層２１に各々接触する２つの端子１９１、１９２を備えていてよい。この構成は、先述したように、全体の層構造を単純化する（クロスバー構成を必要としない）。図１又は３において更に見られるように、加熱素子１７は、好ましくは、層２１に「割り込み(interrupt)」それに伴い電力から熱への変換を最大化するように、柱状構造２のレベルで導電層２１内に挿入される。導電層２１の２つの残り部分２１１、２１２は、加熱素子１７のそれぞれの側面上でそれらに接触するように配置され、端子１９１、１９２の一方に接触している。
加熱器１７が導電層２１内に挿入されている上記構成は、例えばディスプレイの副画素にアドレスするための複数の水平電極及び／又は垂直電極を含むディスプレイデバイス用の電極配置の基本構成要素を形成してよい。尚、図１で想定される配置とは相違して、残り部分２１１、２１２は必ずしも加熱器１７の対向側面上に配置される必要はない。直線として延在する代わりに、素子１７、２１は、実際には、例えば大きな画素が加熱されることを可能にするために、異なる方法でパターニングされてよい。
変形例においては、加熱器１７は、層部分の代わりに蛇行形態(serpentine)として形成することができる（図８〜１２の実施形態で想定されるように）。その場合、蛇行形態は、本質的に反射器１５に関してＰＣＭ１０と反対側の容積内に配置される（図１における層部分１７のように）。蛇行加熱器は、構造を支持する基板を通って延在する貫通ビアによって接触され得る。蛇行形態は、好ましくは、可能な限り均等に熱を分配するように緊密に巻かれる(coiled)。図８〜１２については後で詳細に説明する。
次に、好ましいＰＣＭｓについて論じる。ＰＣＭ１０は、例えば、ＧｅＳｂＴｅ、ＶＯｘ、ＮｂＯｘ、ＧｅＴｅ、ＧｅＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｅ、ＳｂＴｅ、ＴｅＧｅＳｂＳ、ＡｇＳｂＳｅ、ＳｂＳｅ、ＧｅＳｂＭｎＳｎ、ＡｇＳｂＴｅ、ＡｕＳｂＴｅ、及びＡｌＳｂの化合物の１つ以上を備える。但し、上記元素の化学的組み合わせを備える他の材料を用いてもよい。特に、ＰＣＭは、上記元素、即ちＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｏ、Ｓ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、及びＶから選択される元素の組み合わせに係る化合物又は合金であってよい。
とはいえ、好ましくは、ＰＣＭ１０はＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５（ＧＳＴとして知られる）を備える。他の適切な材料はＡｇ３Ｉｎ４Ｓｂ７６Ｔｅ１７（ＡＩＳＴとしても知られる）である。他の例においては、好ましくはＧｅ及びＴｅの不均等な割合におけるＧｅＴｅ（ＧＴ）を用いてよく、これはより大きな領域についてより遅い結晶化時間を可能にするので有利であろう。
より一般的には、上記材料の種々の化学量論的形態が検討されてよいことが理解される。例えば、ＧｅａＳｂｂＴｅｃに対して種々の化学量論的形態が検討されてよく、ここで｛ａ、ｂ、ｃ｝＝｛１、２、４｝、｛４、１、５｝、｛８、２、１１｝、｛６、２、９｝、又は｛４、２、７｝である。
更に、ＰＣＭ化合物は、不純物及び／又はドーパントを含んでいてよい。例えば、転移温度及び転移速度等のパラメータをより良好に制御するのに有用であり得るＳｉ、Ｃ、及びＮの１つ以上がドープされていてよい。
加熱素子１７は、例えば、抵抗率及び実質的に高い熱伝導率を示す金属又は金属合金を含んでいてよい。例えば、抵抗加熱素子１７は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、ニッケルクロムシリコン（ＮｉＣｒＳｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン‐タングステン（ＴｉＷ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、若しくはイリジウム（Ｉｒ）又は所望の特性を有する同様の金属若しくは金属合金のいずれか若しくは組み合わせから形成されてよい。加熱器１７は、必要な熱パルスを有効にするために、ＰＣＭ１０の溶融温度よりも高い溶融温度を有する。
導電層２１用に可能な材料の例は、ＴｉＮ、ＴａＮ、又はＡｌであってよい。
障壁層１８は、特に、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（Ｃ）、又は適切な熱伝導率及び電気抵抗率を有する任意の他の材料で形成することができる。
以下の表１は、実施形態において用いられてよい材料の組み合わせの例をそれらの電気伝導率（Ｓ／ｍ）及びそれらの熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）と共に示す。
Figure 2019510279
表１：実施形態に従う光学デバイス用の好ましい材料の組み合わせの例
次に、いくつかの層構造２、２ａ、及び２ｂを備える他の光学デバイスについて説明する。図７に示すように、そのようなデバイスは、例えば、図７に示すような画素１００を形成するための構造２、２ａ、２ｂのセットを備えていてよく、あるいは画素のマトリクス２００を形成するための構造２、２ａ、２ｂのいくつかのセットを備えていてよい。単一のデバイス１００は、熱伝導性スペーサ１４、１４ａ、及び１４ｂのセットを備える。前述のように、各スペーサ４は、反射器１５上にある。注目すべきことに、これらのスペーサは、実質的に異なる厚さを有する。デバイスは、スペーサ及び反射器と共に層構造２、２ａ、２ｂを形成する相変化材料１０即ちＰＣＭｓのセットを更に備える。層構造２、２ａ、２ｂの各々において、ＰＣＭ１０はスペーサのそれぞれの上方に配置される。前述のように、ＰＣＭ１０は、屈折率の２つの異なる値を示す少なくとも２つの可逆的にスイッチング可能な状態を有する。加熱素子１７は、反射器１５に関してそれぞれのＰＣＭｓ１０及びスペーサ１４、１４ａ、１４ｂの反対側に設けられる。各加熱器１７は、スペーサ及び反射器を介してそれぞれのＰＣＭ１０と熱的に連通しているが、前述と同様に、例えば障壁層１８によりそれぞれのＰＣＭ１０から電気的に絶縁されている。更に、制御器（図７には図示せず）は、ＰＣＭｓを独立に加熱することによりそれらの屈折率を可逆的に変化させるために、加熱素子に独立してエネルギを与えるように構成される。その結果、ＰＣＭｓの各々の屈折率は、制御器を介して独立に制御可能である。
繰り返すが、構造２、２ａ、２ｂの各々内にはキャッピング層１６が設けられてよく、あるいはキャッピング層１６は全ての構造（副画素）２、２ａ、２ｂを覆う単一層として設けられてもよい。
各構造２、２ａ、２ｂは、加熱器１７、反射器１５、スペーサ１４、１４ａ、１４ｂ、及びスペーサの上方のＰＣＭ１０を備え、これらは方向ｚに沿って連続的に積層されている。図１及び３の単一構造２を参照して説明した全ての先の考察（特に材料、厚さに関する考察）は、構造２、２ａ、及び２ｂの各々に同等に適用してよい。
図７において、層構造２、２ａ、２ｂが副画素であることが想定されており、これらの副画素は全体で１つの画素を形成する。変形例においては、１つの画素は３つ以上の副画素を備えていてよい。
光は、図１におけるのと同様に、各副画素の上面１６ｓを通って入ったり出たりする。ＰＣＭ１０の屈折率及び各スペーサ１４、１４ａ、１４ｂの厚さに依存する干渉効果により、反射率は、各々の場合に光の波長の関数として大きく変化するが、その変化の度合いは、スペーサの厚さが異なるので、副画素２、２ａ、２ｂの各々について異なる。つまり、スペーサ部分は、副画素の各々について、副画素の各々に入射する光に対して異なる波長依存反射率を与えるために、異なる寸法にされる。即ち、各副画素は明るくなることができるが（ＰＣＭスイッチングにより）、これは異なる色を伴っており（異なるスペーサ厚さにより）、追加のフィルタ等は必要ない。
上記で喚起したように、ディスプレイ用途では、デバイス２００は、上述したような層構造２、２ａ、２ｂのセットを各々が備える複数画素１００のセットを含む。ＰＣＭ画素のアレイは、例えば、ＦＥＴ／ＴＦＴデバイスのアレイの頂面上に製造されてよい。その目的で、修正された制御回路１９ａ（図２と同様）を用いてよく、制御回路１９ａは、画素にどのように熱が加えられるのかを制御するＦＥＴ２２を含む。変形例においては、ＰＣＭ画素アレイ２００は、アクセスデバイスとしてモットメムリスタ(Mott memristor)等の非線形デバイスを用いて受動ＰＣＭディスプレイとして具体化されてもよい。
実施形態においては、制御器１９、１９ａは、好ましくは、加熱素子１７に独立してエネルギを与えるように構成されるべきである。使用するＰＣＭにもよるが、各素子１７は、ＰＣＭ１０に２つ（又はそれ以上）の異なる熱パルスを印加してＰＣＭ１０をそれぞれ２つ（又はそれ以上）のスイッチング可能な状態へと可逆的にスイッチングするために、２つ（又はそれ以上）の異なる信号に従いエネルギを与えられるように構成される必要がある場合がある。これにより、図５及び６に示すように、ＰＣＭ１０を２つ（又はそれ以上）のスイッチング可能な状態に可逆的にスイッチングするために必要な２つ（又はそれ以上）の異なる時間的な熱プロファイルＰ１、Ｐ２が生成される。
次にこれを本発明の他の側面に関連して詳細に説明する。本発明の他の側面は、ここに記載されるような光学デバイスを制御するための方法として具体化することができる。最も基本的には、本方法は、それぞれのＰＣＭ１０を加熱してその屈折率を可逆的に変化させるように、制御器１９、１９ａを介して加熱素子１７に繰り返しエネルギを与えることを中心に展開される。
上記で喚起したように、ＰＣＭは、２つ（又はそれ以上）の異なる熱パルスを印加するために、典型的には２つ（又はそれ以上）の異なる信号を印加する必要がある場合がある。
例えば、図５に示すように、制御器は、時間ｔ１の間に加熱素子１７にエネルギＳ１を与えて、第１の時間的熱プロファイルＰ１に従ってＰＣＭを加熱し、それによりＰＣＭを第１の（非晶質）状態から第２の（結晶質）状態にスイッチングしてよい。続いて、制御器は、時間ｔ２の間に加熱素子１７にエネルギＳ２を与えて、第２の時間的熱プロファイルＰ２に従ってＰＣＭを加熱し、それによりＰＣＭを第１の（非晶質）状態に戻すようにスイッチングしてよい。図５及び６に見られるように、第１の時間的熱プロファイルＰ１は最大温度Ｔ１を示し、第２のプロファイルＰ２は最大温度Ｔ２を示す。また、不等式ｔ１＞ｔ２及びＴ２＞Ｔｍ＞Ｔ１＞Ｔｃが適用され、ここでＴｍ及びＴｃはそれぞれＰＣＭの溶融温度及び結晶化温度に対応する（セクション２参照）。
特に、印加される第１の信号Ｓ１（Ｐ１をもたらす）は、温度がＴ１からＴＰＣＭに降下して戻る時間（ｔｆａｌｌと称する）が十分長くなり、例えば再非晶質化時間（ＰＣＭが再非晶質化するのに必要な時間）の少なくとも３倍は長くなり安定した結晶化を可能にするために、慎重に設計される必要がある場合がある。
印加される信号Ｓ１、Ｓ２は電流パルスであってよく（図５及び６において想定される）、変形例においては、異なる振幅を有していてよい（図５及び６において想定されるシナリオに反して）。これは、次いで、ＰＣＭを適切にスイッチングするために必要な印加時間ｔ１及びｔ２に影響する可能性がある。他の変形例においては、前述した理由により、電圧パルスを印加することが好ましい場合がある。
本発明の特定の実施形態は、好ましい光学デバイスに関して、セクション２において詳細に論じられる。
「非晶質」とは、ＰＣＭ１０がその「非晶質」状態において本質的に結晶質ではなく、長距離秩序に欠けていることを意味する。短距離秩序は存在してよいが、この化合物１０の既知の結晶形態に関して原子間距離及び／又は結合間角度の実質的な偏差を伴う（例えば少なくとも５％偏差を伴う）。それでもなお、「非晶質」状態にある化合物１０は小さな非非晶質領域(non-amorphous regions)、例えばマイクロ結晶質領域又はナノ結晶質領域を備えていてよいので、「非晶質」は広範に理解されるべきである。にもかかわらず、ここで検討されるような非晶質状態にあるＰＣＭ１０は、本質的に（場合によっては完全に）非晶質のままであること、即ち本質的に結晶質ではないままであることが想定されている。
同様に、ＰＣＭ１０は、その「結晶質」状態において本質的に結晶質であり、長距離秩序を示す。これは、典型的には多結晶性であり、例えば本質的にマイクロ結晶質領域又はナノ結晶質領域からなる。但し、「結晶」状態における化合物１０は、小さな非晶質領域を備えていてよい。
上記の実施形態は、（本質的に）結晶質の相及び（本質的に）非晶質の相に対応するスイッチング可能な状態を参照するが、実施形態においては、任意の２つの固相の間でスイッチング可能なＰＣＭが動作させられてよいことに留意すべきであり、そのような例としては、限定はされないが、結晶質から他の結晶質若しくは準結晶質への変化又はその逆、非晶質から結晶質若しくは準結晶質／半秩序(semi-ordered)への変化又はその逆、及び中間の全ての形態が挙げられる（対応する状態が異なる屈折率を許容する限りにおいて）。また、３つ以上の状態が関与してもよい。
本発明は、更に、ディスプレイデバイスとして具体化されてよい。ディスプレイデバイス１ｃ〜１ｆの例が図８〜１３に概略的に示されている。本ディスプレイデバイス１ｃ〜１ｆは、典型的には、各々が層構造２ｃ〜２ｆを有する画素のセットを形成するために、前述のようないくつかの光学デバイスを含む。但し、光学デバイスのいくつかの構成要素は、図１０〜１２を参照して後述するように、ディスプレイデバイスの画素間で共有されてよい。
全ての場合において、本ディスプレイデバイス１ｃ〜１ｆは画素を備え、これらの画素の層構造２ｃ〜２ｆは、少なくともＰＣＭ１０（又はＰＣＭ層の少なくともスイッチング可能部分）と加熱素子１７とを含み、加熱素子１７は、先に喚起したように、好ましくは蛇行形態として構成される。加熱器は、既に説明した原理に従い、ＰＣＭ１０から電気的に絶縁されているが、ＰＣＭ１０と熱的に連通している。
本ディスプレイデバイスは、制御器（例えば図１３に示すような素子３１、３２、４１を含む）を更に備え、既に説明した原理に従い、制御器を用いて、画素のＰＣＭを独立に加熱することによりその屈折率を可逆的に変化させるために、任意の画素にエネルギを与えることができる。
また、そのようなデバイス１ｃ〜１ｆは、図１３に示すように、電極２２１、２２２の複数対の配置を更に備え、ここで、複数対の電極の各々は、制御器によって画素２ｃ〜２ｆの各々に個別にアドレス可能にするために、これら画素の１つの加熱素子１７と電気的に連通している。
好ましくは、加熱器１７との間の電気的な連通を可能にするために、横断ビア４１、４２が用いられ、それにより、比較的単純な製造のままで（画素）フィルファクター((pixel) fill-factor)を高めることが可能である。このような解決法により、ＰＣＭベースの画素のマトリクスアドレス指定アレイ(matrix addressed array)を得ることができ、このアレイにおいては、行及び列電極２２１、２２２並びに他の相互接続素子４１、４２が加熱素子１７の下方に位置している。ビア４１、４２は、典型的には、１つ以上の熱的には伝導性であるが電気的には絶縁性の障壁１８、１８ａ内に埋め込まれる。
特に、図８〜１３に示すように、電極の複数対の各々は、好ましくは、画素の層構造の積層方向ｚと平行に延在するビア４１を介して加熱素子１７（画素２ｃ〜２ｆの１つの加熱素子１７）と電気的に連通している。
図８〜１２の例においては、横断ビア４１は薄膜トランジスタ２１（以下ＴＦＴ）のドレイン端子と電気的に接触しており、ＴＦＴのゲート端子及びソース端子はそれぞれの電極２２１、２２２と別の方法で電気的に接触している。従って、動作時には、ゲート端子に印加された電圧を用いて、ＴＦＴのソース端子とドレイン端子の間の電流を制御することができる。
図８、９の実施形態においては、ＴＦＴ２１は、電極２２１、２２２によって形成されたクロスポイントに対してオフセットされている。このように、電極２２１、２２２のそれぞれとの接合部を形成する補助電極アームにより、電気的な連通が達成される。図８、９の切断面においては、アーム２２１ａのみが見えている。
既知のように、例えば誘電体素子又はブリッジ２２５を用いて、行及び列電極のクロスポイントを絶縁することが必要である。しかし、絶縁は、電極が埋め込まれた層によって既にもたらされていてよい。例えば、ブリッジ２２５は、各クロスポイントで列電極(column electrodes)２２２上に例えばディスク形状の形態で最初にリソグラフィ的に製造されるポリマー材料から製造することができる。ポリマーディスクは、次いで、各ディスクがレンズ形状(lenticular shape)を形成するようにガラス転移温度を超えて加熱された後に冷却される。次いで列電極及びブリッジ層２２５上の行電極の製造が行われ、この製造に際しては、ブリッジ２２５のレンズ形状が、急峻な勾配を最小化しつつ各クロスポイント上に行電極を導き、そうしないと抵抗の増大又は故障を招くおそれがある。変形例においては、ブリッジは、マスクを通して堆積された酸化物又は窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）として製造することができる。
ＴＦＴｓに対する変形例においては、抵抗スイッチング素子を用いることができる（図示せず）。その場合、制御器は、画素内のそれぞれの加熱素子にエネルギを与えてそれぞれのＰＣＭの屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために、抵抗スイッチング素子（即ちＲＳＥ）を高抵抗状態から低抵抗状態にスイッチングするべく、それぞれのＲＳＥを介して画素にエネルギを与えるように構成される必要がある。このような変形例は、ＲＳＥｓにより、「スニークパス(sneak path)」電流又は漏れ電流等の寄生電流又は電圧信号をフィルタリングすることを可能にする。これにより、ＰＣＭ素子の不用意なスイッチングが防止される。このような解決法は、受動型マトリックスアドレッシングディスプレイにとって特に有益である。従って、本ディスプレイデバイスは、随意的に、受動型マトリクスアドレッシングディスプレイとして具体化されてよい。
好ましくは双安定であるＰＣＭｓ１０とは対照的に、上記ＲＳＥｓは単安定（高抵抗が安定状態）である必要がある。ＲＳＥｓはそれ自体が公知である。抵抗スイッチングとは、例えば十分な電流若しくは電界又は局部的な熱の任意の適切な形態の作用下で抵抗を突然変化させる材料において生じる物理現象のことを言う。金属酸化物からカルコゲナイドに及ぶいくつもの種類のスイッチング材料が過去に提案されており、これは本目的のために検討され得る。これらの材料の性能は、電力消費、集積密度可能性、及び耐久性の点で特に評価される。ＲＳＥは、特にビア４１の一部（変形例においては、典型的に別個に設けられたＴＦＴｓ２１まで）を形成することができ、又はビア４１と電気的に接触することができる。
ＴＦＴｓの更なる変形例においては、個々の画素を通る電流経路の選択性をもたらすために、ダイオード又は他の薄膜電子素子を用いてよい。
図８、１０〜１２に示す実施形態においては、ディスプレイデバイス１ｃ、１ｅ、１ｆは、垂直にシフトされた複数対のビア４１、４２に頼る。横断ビア４１である第１のビア４１は、ＴＦＴ２１のドレイン端子と電気的に接触しており、加熱素子１７は、第２のビア４２を通って反射器１５と電気的に連通している。また、ビア４２は、層構造の積層方向ｚと平行に延在している。その場合、反射器１５は導電性であり、動作に際して、加熱素子１７を通過する電流を、反射器１５を通してドレインすることができる。
変形例においては、図９に示すように、ディスプレイデバイス１ｄの加熱素子１７は、ビア４２ａを通して共通電極２２３（図１３参照）と電気的に連通している。ビア４２ａもまた、層構造の積層方向ｚと平行に延在している。但し、図９の例においては、ビア４１、４２ａの各々は、電極２２１、２２２の平均面と画素２ｄの加熱素子１７の平均面との間に延在しているため、結果としてより浅いデバイスを良好に得ることができる。図９の実施形態においては、動作に際して、加熱素子１７を通過する電流は、共通電極２２３を介してドレインされる。
先に触れたように、本デバイス１、１ａ〜１ｆの構成要素のいくつかは共有されてもよい。例えば、図１０及び１２に示すように、ディスプレイデバイス１ｃ、１ｆは、単一の連続的なＰＣＭ層１０に頼る。また、キャッピング層１６、１６ａを形成するためにも単一の連続的な層が用いられる。
このように図７に対する変形例を検討することができ、その変形例においては、異なるＰＣＭ部分のセットの代わりに単一の連続的なＰＣＭ層１０が用いられる。実際には、多くの変形例を検討することができる。例えば、図１０に示すように、単一の連続的な層を用いてスペーサ１４及び反射器１５の各々を形成することができる。但し、スペーサ１４の厚さは、図１１及び図１２に示すように、先に論じたような干渉効果を利用するために、１つの画素から他の画素へと変化させられてよい。
これにより、図１１における異なる高さの画素が生じる（ここでは、図１０に示すように、反射器１５は連続的な層として形成され、下部構造１８、１８ａ、４１、４２は１つの画素から他の画素へと同じように繰り返されるからである）。但し、反射器１５を垂直方向にシフトさせる場合（従ってこれら反射器１５を別個の層部分により形成する場合）、加熱器１７と反射器１５ｓの間の絶縁層部分１８は、図１２に示すように、異なるスペーサ層厚さを補償するように、１つの画素（又は副画素）から他の画素（又は副画素）まで異なる厚さを有していてよい。後者の場合、均一なＰＣＭ層及びキャッピング層をこのように堆積させることができる一方で、画素は依然として異なる色を生成する。
キャッピング層１６は、例えば、下部スペーサ１４と同じ材料で形成されてよい。尚、図８〜１２においては、光学的に厚い又は散乱性のキャッピング層１６ａがキャッピング層１６の頂面上に堆積される。但し、より一般的には、キャッピング層１６、１６ａは複合層を備えていてよく、即ち、所望の光学的特性を達成するために、異なる屈折率を有する複数の材料の層で形成されてよい。スペーサ層（又はスペーサ層部分）についても同様である。
例えば、スペーサ層１４及びキャッピング層１６のいずれか又は両方は、異なる屈折率を有する材料の複数の層の「複合(composite)」層を備えていてよい。このようにして、これら複数の層の界面に更なる部分的内部反射が生じ、より複雑な干渉モードの可能性がもたらされ、利用可能な状態の反射スペクトルの制御を強化することができる。その目的のために、キャッピング層の屈折率は、典型的には少なくとも１．６、好ましくは少なくとも１．８、２．０、又は更には２．２であってよい。これにより、（ｉ）狭い範囲の波長にわたって高い反射率を有する反射スペクトルを生成し、より鮮やかな色を生成し、それによってより大きな色域を生成することができ、（ｉｉ）デバイスの複数の状態において所望の反射スペクトルをより独立して調整することができる。
実際には、当業者が理解するであろうように、ここで喚起されるような大部分の材料層（例えば、層１０、１４、１５、１６、１７、１８、１８ａ）は、実際上、必要に応じて構造化された副層の積層物へと分けて、所望の機能を達成し又は改善してよい。更に言えば、単一又は複数のＰＣＭ層１０は、同じ材料で作られた（又は作られていない）重ね合わされたＰＣＭ層のセットとして分けられ、ＰＣＭ層の隣接する対は、場合によっては、熱的に伝導性の（しかし電気的には絶縁性の）層によって隔てられていてよい。
上記の実施形態は、添付図面を参照して簡潔に記載されており、いくつかの変形例に適合してよい。上記の特徴のいくつかの組み合わせが検討されてよい。例は次のセクションで与えられる。
２． 具体的な実施形態‐技術的な実装の詳細
次に、光学デバイスの特定の実施形態を説明し、これらの実施形態は、セクション１に開示されたのと同じ基本原理に従う。即ち、加熱素子がスイッチング能力をもたらす一方で、ＰＣＭを含む光学活性素子は、電気的に絶縁性だが熱的に伝導性の障壁によって加熱器から隔てられている。
そのような構造の利点は、典型的にはディスプレイ用途に必要とされるようなミクロン規模の領域にわたって、あるいは例えばスマートガラスに必要とされるようなより大きな領域にわたってさえも、各画素をスイッチングすることができる点にある。加熱器は、典型的には、デバイスの電気的及び光学的な特性を部分的に切り離すように、ＰＣＭの光学活性構造、スペーサ、及び反射器の下方に配置される。これにより、光学的特性に対するより良好な設計制御が可能になり、必要な高コントラスト及び彩度を有するＲＧＢ互換色を必要とする多くのディスプレイ用途が開かれる。
最後に、ＰＣＭ／電極（例えばＩＴＯ）界面での酸化物形成に対する懸念がなくなるのでインタフェース工学はより分かりやすいものとなる一方で、加熱器は有利に低抵抗を有することができ（従来技術の解決法と比較して）、標準的なＣＭＯＳ技術を用いて作動され得る。
２．１ 層構造
次に、図１を参照して具体的な実施形態を説明する。活性ソリッドステート材料１０の一部分は、層の形態で提供される。この層の材料は、１つの相から別の相への転移の結果として、恒久的に、しかし可逆的に変化可能な屈折率を有する。従って、この材料は、相変化材料、即ちＰＣＭと称することができる。好ましいＰＣＭｓは、セクション１で論じたように、ＧＳＴ、ＧｅＴｅ、又はＡＩＳＴである。
ＰＣＭ１０は反射器１５上に設けられ、反射器１５は、好ましくは白金又はアルミニウム等の金属の層である。ＰＣＭ１０と反射器１５の間には、スペーサ層１４が挟まれている。キャッピング層１６がＰＣＭ１０の頂面上に設けられる。層１６の上面１６ｓはディスプレイデバイス１の観察表面を構成し、反射器１５は背面反射器である（従って、バックライトユニットは不要である）。光は、矢印で示すように、観察表面１６を通って入ったり出たりする。前述のように、ＰＣＭ１０の屈折率及びスペーサ１４の厚さに依存する干渉効果のために、反射率は、以下に更に説明するように、光の波長の関数として大きく変化する。スペーサ１４及びキャッピング層１６は共に光学的に透過性であり、理想的には可能な限り透明である。
解決法が知られており（例えばＷＯ２０１５／０９７４６８Ａ１参照）、ここでは、スペーサ１４及びキャッピング層１６は、ＰＣＭ１０に電圧を印加する電極として更に構成され、ＰＣＭ１０はこれらの電極の間に挟まれている。このような状況においては、スペーサ１４及びキャッピング層１６は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明な導電性材料からなることが必要である。本手法では、このような制約は必要なく、１６及び１４の材料は、それらだけに属する光学的特性に関して最適に設計することができる。理解されるであろうように、これによりディスプレイにおけるＲＧＢ画素の性能を改善することが可能になる。
本解決法では、ＰＣＭ１０内の相変化は、抵抗加熱素子１７からの熱パルスによって生じる。層積層物１６、１０、１４、１５は、障壁層１８によって加熱器１７から隔てられており、障壁層１８は、典型的にはＳｉＯ２を含む。障壁層１８は、加熱器１７をＰＣＭ素子２０から電気的に絶縁するが、加熱器１７に適切な熱接続をもたらし、これについてはセクション１の表１を参照されたい。
このように、加熱器１７からの熱は、層１８を通ってＰＣＭ１０に進み、ＰＣＭの状態を結晶化状態から非晶質状態に変化させることができ、逆に、図５及び６を参照して先に説明したように、もたらされた適切な熱プロファイルが印加される。
図１に示す構造２は、例えば、半導体ウエハ、ＳｉＯ２等の基板（層２１の下方、図示せず）上又はポリマーフィルム等のフレキシブル基板上に設けることができる。必要であれば、例えばガラスパネルのような他の種類のウェハを検討することもできる。
これらの層は、典型的にはスパッタリングを用いて堆積され、これは比較的低温（例えば１００℃）で実施することができる。これらの層は、従来のリソグラフィ技術又は例えば印刷から既知である他の技術を用いてパターニングすることもできる。必要であれば、追加の層を設けてもよい。
好ましい実施形態においては、ＰＣＭ１０は本質的にＧＳＴで構成され、８０ｎｍ未満の厚さ、好ましくは１５ｎｍ未満の厚さであり、例えば６〜７ｎｍの厚さを有する。スペーサ層１４は、後述するように、必要とされる色及び光学的特性に応じて、典型的には１０ｎｍから２５０ｎｍの範囲内の厚さを有するように成長させられる。キャッピング層１６は、例えば２０ｎｍの厚さである。加熱器１７（及び全体構造２）の横寸法は、例えば、１ミクロン×２ミクロンとすることができる。より一般的には、加熱器１７及び層１８、１５、１４、１０の上部積層物は、好ましくは、ＰＣＭ層に向かって熱を「集中」させ、エネルギを無駄にする基板、電極等に伝達される熱を最小にするように、同じ横寸法を有する。
この実施形態では、ＧＳＴであるＰＣＭ１０は、熱によって誘起される可逆的な相変化を受けることができる。抵抗加熱器１７は、好ましくは、高速のナノ秒熱パルスをＰＣＭ１０に届けるように設計される。過剰な熱が加熱器及びＰＣＭに隣接する領域に供給されることを回避するために、他の材料及び厚さが設計され、さもないと寄生スイッチングが生じる可能性がある。
図４は、上記で与えられた好ましいパラメータ及び材料に基づくＣＯＭＳＯＬマルチフィジックスパッケージを用いた有限要素熱モデルを示す。図４において、加熱器は１マイクロ秒の電流パルスを受ける。ジュール加熱により急激な温度上昇が生じる。図４は、温度プロファイル（ＰＣＭを含む層積層物において達成される）が空間的に十分に局在する一方で、ＰＣＭ１０の非晶質化に必要な正確な鋭い時間パルスを有することを示す。
２．２ スイッチング動作
スイッチング動作の詳細が図５及び６に示されている。セクション１で説明したように、抵抗加熱素子１７は、制御信号を受けてＰＣＭ１０を結晶質状態と非晶質状態の間でスイッチングするように構成することができる。抵抗加熱素子１７は、例えば、先に例示したように、抵抗率及び実質的に高い熱伝導率を示す金属又は金属合金材料を含むことができる。ジュール加熱を介して抵抗加熱器１７から対応する熱プロファイルを生成するために、例えば電流パルスＳ１、Ｓ２として信号を供給することができる。ＰＣＭ１０に対する抵抗加熱素子１７の配置により、熱プロファイルをＰＣＭ１０に熱伝達してＰＣＭデバイスの状態を制御することができる。
印加される信号Ｓ１、Ｓ２は、加熱器１７における熱プロファイル、ひいてはＰＣＭ１０に伝達される熱を決定するパルス特性（振幅及び持続時間）を有する。例えば、ＰＣＭ１０が非晶質状態にある間に、第１の特性を有する信号Ｓ１が加熱器１７に供給され、ＰＣＭ１０を結晶質状態に設定する。例えば、図５に示すように、印加された信号により、ＰＣＭにおいて第１の温度プロファイルＰ１が生成される（抵抗加熱素子１７から）。加熱器１７への第１の信号の印加に応答して、加熱器１７は、ＰＣＭ１０に伝導されて結晶化温度Ｔｃよりも高いが溶融温度Ｔｍよりも低い温度Ｔ１を誘起する熱を発生し、この温度Ｔ１は、実質的に結晶性の構造（即ち結晶格子構造）に配置されたＰＣＭ原子を模式的に描く右側の図に示すように、ＰＣＭ１０を結晶化させるのに十分な時間だけＴｃよりも高いまま維持される。
同様に、ＰＣＭ１０が結晶質状態にある間に、第２の特性を有する信号Ｓ２をもたらすことができ、ＰＣＭ内には第２の熱プロファイルＰ２が生成され、図６に示すように、ＰＣＭ１０は非晶質状態に戻るように設定される。ここで、抵抗加熱素子１７への第２の信号の印加に応答して、抵抗加熱素子１７は第２の熱プロファイルを生成し、これにより熱がＰＣＭ１０に伝導される。これにより、ＰＣＭにおいては、溶融温度Ｔｍより高い温度Ｔ２が結果としてもたらされ、液相への転移が誘起される。印加されたパルスの立ち下がりエッジの後に急速に温度を低下させることにより、非晶質状態にあるＰＣＭ１０の凝固が結果としてもたらされる。
印加されるパルスは、例えば、試行錯誤により、また材料１７、１８、１５、１４、１０の性質及びそれらの寸法をはじめとする全ての関連パラメータに基づいて、調整及び改良することができる。その点で、材料１４、１６、１８は、ＰＣＭ１０からの熱の迅速な消散を確実にし且つ溶融に続くＰＣＭ１０の再結晶化（非晶質化プロセスにおける再結晶化）を軽減するように、選択され設計されてよい（特に厚さに関して）。
図５及び６の実施形態は、印加される各信号が単一のパルスであることを想定している。その印加に続いて、ＰＣＭ１０は、結晶質状態及び非晶質状態のうちの１つで安定したままである。結果として、ＰＣＭは、電力を維持することを必要とせずに、所与の光学的状態に保持され、典型的なディスプレイ技術よりも著しく少ない電力消費をもたらす。原理的には、スイッチングは無制限に行うことができる。スイッチング速度は非常に高く、典型的には３００ｎｓ未満であり、即ち人間の目が知覚し得るよりもはるかに速い。更に、本手法に従って構築されたＰＣＭ画素は、用途に応じて必要とされるような比較的大きな面積、例えば５ミクロン×１０ミクロン又は更に大きい面積を有していてよい。このような画素の能動領域は、その周りの空きスペースと比較して、典型的なクロスバー型の画素よりもはるかに大きく、そのようなクロスバー型の画素は、典型的には、横断方向で１００ｎｍであり１００ｎｍは隔てられているので、画素対空きスペース比は１：１となる。これと比較して、検討され得る実施形態においては、例えば、画素は各々１００μｍ×１００μｍの横寸法を有し、０．５μｍだけ隔てられているので、画素対空きスペース比は２００：１となる。このように、実施形態に従う大面積の画素は、従来技術のデバイスよりも光学的性能の面でかなり効率的であり得る。
２．３ 制御回路
図１〜３に見られるように、要求される電圧／電流を必要な持続時間だけ印加して材料層１０をスイッチングするために、制御器１９、１９ａを設けることができる。制御器は、マイクロプロセッサによって駆動される特定の電子回路を備えることができる。制御器の回路のいくつか（例えば構成要素１９１、１９２、２１１、２１２）、又は変形例においては制御器の回路の全てを、図１の光学層を有する基板上に一体化して設けることができ、あるいは別個の専用回路として設けることができる。
ここで開示されるようなＰＣＭ（副）画素を組み込んだ任意のディスプレイは、複数の層においてデバイスのアレイとして構成される必要があり、このようなデバイスは電子的にスイッチング可能である必要があることが理解されるはずである。本光学デバイスは、一般的には、ＬＣＤディスプレイにおいて日常的に採用されているような従来の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）又は代替的にはＴＦＴ（セクション１で喚起したような）等の標準的なマイクロエレクトロニクスデバイススイッチと互換性がある。例示的なスイッチング回路１９ａを図２に示す。適切なナノ〜マイクロ秒のパルスが、ワード線から図２のＦＥＴ２２のゲートへの電圧ＶＷＬとして印加される。これにより、ビット線に沿ってＶＢＬから抵抗加熱器１７を通る電流が流れる。次いで、上述したようにジュール加熱がＰＣＭ１０をスイッチングする。非晶質状態と結晶質状態の間のスイッチングは、上述したようにパルスの時間周期を変化させることによって達成することができる。本デバイスと互換性のある他の配置も知られていることが理解されるはずである。
図１３の実施形態においては、制御器は、制御電子機器４０と、ディスプレイ基板３０上に直接配置された構成要素３１、３２と、に分かれる。制御電子機器は、入力におけるＤＣ電力４３を受けるＤＣ／ＤＣコンバータ４１（即ち電圧コンバータ）と、典型的には特定用途向け集積回路即ちＡＳＩＣ４２として具体化される制御集積回路即ちＩＣｓと、を備える。ＩＣ４２は、入力におけるデータ信号４４を受け取り、一方では行ライン（電極）２２２に接続されたゲートドライバＩＣｓ３２を制御し、他方では列ライン（電極）２２１に接続された列ドライバＩＣｓ３１を制御する。ここで、動作に際して加熱器１７に通される電流を制御するために、ライン‐列ライン(line-column lines)の各対はＴＦＴ２１に接続し、ＴＦＴ２１は同様にビア４１に接続する（図８〜１２参照）。
２．４ 画素化光学シャッタ
また、本デバイスは、他の光変調デバイス又はディスプレイデバイスと組み合わされてもよい。例えば、本デバイスのスイッチング可能な色反射が黒色を呈するようにするために（高コントラスト画像ディスプレイに対して）、本デバイスは、本デバイスと観察者の間に配置された追加の画素化光学シャッタと組み合わせることができる。この追加の光学シャッタは、スイッチング可能反射型デバイスの画素と位置合わせされた、独立してアドレス可能な画素領域を有することができ、スイッチング可能反射型デバイスは、光を選択的に透過又は吸収する。このようにして、シャッタは、光学デバイスによって生成された色付き反射を観察者によって観察させるか、黒色を呈するように遮るかのいずれかを行う。
シャッタは、透過した色付き反射の量の段階的な制御（グレースケール）を可能にするために、可変の透過率をもたらすことができる。
追加のシャッタは、先に説明した制御器と協調する追加の制御器によって動作させられてよい。変形例においては、制御器１９、１９ａ、及び３１〜４２は、各画素での追加のシャッタが意図された画像を表示するのに必要な状態を決定することができ、加えてスイッチング可能な反射状態を制御することができるように増強され得る。
付加のシャッタは、透過状態と吸収状態の間で空間的に制御された態様でスイッチングすることを可能にする種々のタイプのデバイスによって提供することができ、そのようなデバイスとしては、例えば液晶ディスプレイデバイス（ＬＣＤ）、偏光子を含まないＬＣＤｓ（色素ドープ及び／又はキラルＬＣＤｓを含む）、双安定ＬＣＤｓ、エレクトロウェッティング(electrowetting)又は電気泳動デバイスが挙げられる。
追加のシャッタが能動電気光学材料を挟む２つの基板を備える場合（ＬＣＤ及びエレクトロウェッティングデバイスと同様）、スイッチング可能反射型デバイスの実施形態が検討されてよく、そのような実施形態は追加のシャッタデバイスの下部基板（観察者から最も遠い）を備え、それにより、製造が単純化されまた組み合わされたデバイスの全体厚さを減少させることができる。
２．５ ディスプレイ用途に対する本解決法の利点
概要で論じたように、本手法は２つの光学的機能を可能にする。加熱素子は、ＰＣＭの屈折率を変化させるために、スイッチング能力を提供する。また、加熱器の位置により、光学活性な基礎構造（ＰＣＭ‐スペーサ‐反射器）における順序付けられたシーケンスを保つことができ、ここでは、スペーサ厚さは、追加のフィルタを必要とせずに、副画素に「色」を与えるように設定することができる。光学活性な基礎構造（ＰＣＭ‐スペーサ‐反射器）に関してＷＯ２０１５／０９７４６８において喚起される考察は、ここでも等しく適用される。
先の特許出願（ＷＯ２０１５／０９７４６８）に示されているように、層状構造に基づくディスプレイデバイスは、均一な色を呈するようにすることができ、次いで、対比色を呈するようにスイッチングすることができ、あるいは反射率を変化させることにより、より暗い又は明るい色を呈することができる。このことは、加熱器の位置及び加熱器とＰＣＭの間の電気的絶縁により、本件においても達成することができる。従って、ディスプレイデバイスは、実施形態においては、図７に示すようないくつかの構造２、２ａ、２ｂを含んでいてよく、そのような構造は、アレイ２００において互いに隣接して製造され、各構造２、２ａ、２ｂは、個別に電気的に制御可能であり、ディスプレイ２００全体の画素１００の副画素を構成している。クラスタ１００内の各構造２、２ａ、２ｂにおけるスペーサ１４、１４ａ、１４ｂは、異なる厚さを有していてよい。変形例においては、デバイスは、各画素が図１におけるような単一の構造２を含むように設計されてよく、この構造は個別に電気的に制御可能である。
従来技術の解決法とは異なり、本手法（バルクＰＣＭスイッチングに頼る）は、ＲＧＢディスプレイに適したコントラスト及び彩度が達成されることを可能にする。対照的に、ＷＯ２０１５／０９７４６８に開示されているような解決法は、（ｉ）キャッピング層及びスペーサ層に対する電気的要求（これは同様に光学パラメータの最適化に制約を課す）、（ｉｉ）画素の大きさに制約を課す電気的スイッチング（又は同等の制約を画素の活性領域に課す）に起因する制限を抱えている。
従って、本発明は、ＲＧＢディスプレイとして有利に具体化することができ、それにより、電力消費を低減しつつ（恒久的なスイッチング可能状態による）、優れた彩度及びコントラストと適切な寸法の画素の両方をもたらすことができる。予備的なテストにより、例えば、実施形態に従う画素が、従来のＲＧＢ画素と比較して、１００倍を超え、場合によっては３００倍を超えて電力消費を低減する場合があることが示された。今日使用されているＲＧＢディスプレイの数を考慮すると、本実施形態の潜在的な利益は電力消費に関して絶大であり得ることが理解される。
０、３０、及び６０度の視野角並びに画素「オン」状態及び画素「オフ」状態に対して色空間に関して行ったテストによれば、適切な赤色、緑色、及び青色のデバイスを得ることができる。
低消費電力であるが、高解像度のカラーディスプレイ（解像度は使用されるリソグラフィ技術によってのみ制限される）をもたらす、本発明を具体化するディスプレイデバイスを製造することができる。これらのディスプレイデバイスは、高速でスイッチングすることができ（従って、ビデオ信号に適切に適用することができる）、広い視野角を有することができる。これらのデバイスは、標準的な技術を用いて製造することができ、非常に薄くすることができ、しかも必要に応じてフレキシブルにすることもできる。
２．６ 他の用途
上述のデバイスは、一般的に、ディスプレイにおける（副）画素の製造や建築及び自動車用途のためのスマートガラスに使用することができる。
また、ここに説明される光学デバイスは、スイッチング可能反射鏡（自動車ミラーを含む）、アクティブセキュリティタグ（制御器によって検出されるＲＦ又はＮＦＣ入力に対する視覚的応答を提供し得る文書又は製品パッケージング用）、再構成可能入力デバイス（例えば、キーボード又はモバイルデバイス、ウェアラブルデバイス若しくは物のインターネット(internet of things)デバイスのための低電力通知／状態表示）において使用されてよい。
得られたデバイスは、未加工の形態（即ち、複数のパッケージされていないデバイスを有する単一の製品として）又はパッケージ化された形態で製造者によって流通され得る。いずれの場合においても、デバイスは、次いで、（ａ）中間製品又は（ｂ）最終製品のいずれかの一部として、他のデバイス、ディスクリート回路素子、及び／又は他の信号処理デバイスと一体化することができる。最終製品は、ローエンドの用途から高度な製品まで、上述のような光学デバイスを含む任意の製品であり得る。

Claims (20)

  1. 層構造（２）を備える光学デバイス（１）であって、
    前記層構造（２）が、
    熱伝導性の光学的な反射器（１５）と、
    前記反射器（１５）の上方に配置され光に対して透過性の熱伝導性のスペーサ（１４）と、
    前記スペーサ（１４）の上方に配置される相変化材料（１０）即ちＰＣＭであって、前記ＰＣＭが屈折率の２つの異なる値を示す少なくとも２つの可逆的にスイッチング可能な状態を有する相変化材料（１０）即ちＰＣＭ、とを有し、
    前記反射器（１５）、前記スペーサ（１４）、及び前記ＰＣＭ（１０）が、前記層構造の積層方向（ｚ）に沿って順次積層され、
    前記光学デバイスが、加熱素子（１７）及び制御器（１９、１９ａ、３０）を更に備え、
    前記加熱素子（１７）が、前記反射器（１５）に関して前記ＰＣＭ（１０）と反対側にあり、前記層構造（２）が前記ＰＣＭ（１０）を前記加熱素子（１７）から電気的に絶縁するように構成されている一方で前記加熱素子（１７）が前記反射器（１５）及び前記スペーサ（１４）を介して前記ＰＣＭ（１０）と熱的に連通し、
    前記制御器（１９、１９ａ、３０）が、前記ＰＣＭ（１０）を加熱することにより前記ＰＣＭ（１０）の屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために前記加熱素子（１７）にエネルギを与えるように構成される光学デバイス。
  2. 前記反射器（１５）の平均厚さが５０ｎｍと１μｍの間であり、
    前記スペーサ（１４）の平均厚さが４０ｎｍと３００ｎｍの間であり、
    前記ＰＣＭ（１０）の平均厚さが０．５ｎｍと８０ｎｍの間である請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 前記積層方向（ｚ）に垂直な前記層構造の横寸法が、０．３５μｍ以上であり、好ましくは５μｍ以上である請求項１又は２に記載のデバイス。
  4. 本質的に前記反射器（１５）を前記加熱素子（１７）から電気的に絶縁するように配置された、前記加熱素子（１７）と前記反射器（１５）の間の電気絶縁材料（１８）を更に備える請求項１、２、又は３に記載のデバイス。
  5. 前記制御器（１９）が、前記ＰＣＭ（１０）を加熱することにより前記ＰＣＭ（１０）の屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために電流及び／又は電圧を抵抗加熱素子（１７）である前記加熱素子（１７）に印加して前記加熱素子（１７）にエネルギを与えるように構成される請求項１〜４のいずれか１項に記載のデバイス。
  6. 請求項５に記載のデバイスであって、
    前記デバイスが導電層（２１）を更に備え、前記加熱素子（１７）が前記層構造（２）のレベルで前記導電層（２１）内に挿入され、それにより、前記導電層（２１）の２つの部分（２１１、２１２）が、前記加熱素子（１７）のそれぞれの側面上でそれらに接触し、
    前記制御器（１９）が、前記２つの部分（２１１、２１２）のそれぞれに接触して前記加熱素子（１７）に前記電流及び／又は電圧を印加する２つの端子（１９１、１９２）を備えるデバイス。
  7. 前記制御器（１９）が、前記加熱素子（１７）が前記ＰＣＭ（１０）に少なくとも２つの異なる熱パルスをそれぞれ印加するように、少なくとも２つの異なる信号により前記加熱素子（１７）にエネルギを与え、前記ＰＣＭ（１０）をそれぞれ前記少なくとも２つのスイッチング可能な状態へと可逆的にスイッチングするように構成される請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイス。
  8. 前記ＰＣＭ（１０）が、ＧｅＳｂＴｅ、ＶＯｘ、ＮｂＯｘ、ＧｅＴｅ、ＧｅＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｅ、ＳｂＴｅ、ＴｅＧｅＳｂＳ、ＡｇＳｂＳｅ、ＳｂＳｅ、ＧｅＳｂＭｎＳｎ、ＡｇＳｂＴｅ、ＡｕＳｂＴｅ、及びＡｌＳｂの化合物の１つ以上を備える請求項１〜７のいずれか１項に記載のデバイス。
  9. 前記ＰＣＭ（１０）が、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、ＧｅＴｅ、及びＡｇ３Ｉｎ４Ｓｂ７６Ｔｅ１７の１つを備える請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
  10. 前記ＰＣＭ（１０）が３ｎｍと１５ｎｍの間の平均厚さを有する請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイス。
  11. 前記加熱素子（１７）が、ＮｉＣｒＳｉ、ＮｉＣｒ、Ｗ、ＴｉＷ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＩｒの１つ以上を備える請求項１〜１０のいずれか１項に記載のデバイス。
  12. 熱伝導性の光学的な反射器（１５）のセットと、
    各々が前記反射器（１５）のそれぞれの上方にあって光に対して透過性である熱伝導性のスペーサ（１４）のセットであって、実質的に異なる厚さを有するスペーサ（１４）のセットと、
    各々が前記スペーサのそれぞれの上方にあって屈折率の２つの異なる値を示す少なくとも２つの可逆的にスイッチング可能な状態を有する相変化材料（１０）即ちＰＣＭｓのセットであって、前記スペーサのセット及び前記反射器のセットと共に層構造（２、２ａ、２ｂ）のセットを形成する相変化材料（１０）即ちＰＣＭｓのセットと、
    加熱素子（１７）のセットと、を備え、
    前記加熱素子（１７）の各々が、
    前記反射器（１５）のそれぞれに関して前記ＰＣＭｓ（１０）のそれぞれと反対側に配置され、
    前記反射器（１５）のそれぞれ及び前記スペーサ（１４）のそれぞれを介して前記ＰＣＭｓ（１０）のそれぞれと熱的に連通し、
    前記ＰＣＭｓ（１０）のそれぞれから電気的に絶縁され、
    前記制御器（１９）が、前記ＰＣＭｓを独立に加熱することによりその屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために前記加熱素子にエネルギを与えるように構成され、それにより、前記ＰＣＭｓの各々の前記屈折率及び／又は吸収が前記制御器を介して独立に制御可能である請求項１〜１１のいずれか１項に記載のデバイス。
  13. 画素のセットを更に備え、前記画素の各々が前記層構造のセット等の層構造のセットを備える請求項１２に記載のデバイス。
  14. 画素のセットを形成するように請求項１〜１３のいずれかに従うデバイスを備えるディスプレイデバイス（１ｃ〜１ｆ）であって、
    前記画素の各々が層構造（２ｃ〜２ｆ）を有し、
    前記層構造（２ｃ〜２ｆ）が、前記ＰＣＭ（１０）と、前記加熱素子（１７）、とを含み、
    前記加熱素子（１７）が、前記層構造（２ｃ〜２ｆ）内で前記ＰＣＭ（１０）から電気的に絶縁されると共に前記ＰＣＭ（１０）と熱的に連通し、
    前記ディスプレイデバイスが、前記制御器（３１、３２、４１、４２）と、電極（２２１、２２２）の複数対の配置、とを更に備え、
    前記制御器（３１、３２、４１、４２）が、任意の画素のＰＣＭを独立に加熱することによりその屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させるために前記任意の画素にエネルギを与えるように構成され、
    前記画素の各々が前記ディスプレイデバイスの前記制御器により個別にアドレス可能になるように、前記電極（２２１、２２２）の複数対の各々が、前記画素（２ｃ〜２ｆ）の１つの加熱素子（１７）と電気的に連通するディスプレイデバイス。
  15. 前記電極の複数対の各々が、前記画素の１つの前記層構造の積層方向（ｚ）と平行に延在するビア（４１）を通って前記画素（２ｃ〜２ｆ）の１つの前記加熱素子（１７）と電気的に連通する請求項１４に記載のディスプレイデバイス（１ｃ〜１ｆ）。
  16. 前記ビア（４１）が薄膜トランジスタ（２１）即ちＴＦＴのドレイン端子と電気的に接触し、前記ＴＦＴのゲート端子及びソース端子が、動作に際して前記ゲート端子に印加された電圧が前記ＴＦＴの前記ソース端子及び前記ドレイン端子の間の電流を制御するように、前記電極の複数対の各々のそれぞれの電極に電気的に接触する請求項１５に記載のディスプレイデバイス（１ｃ〜１ｆ）。
  17. 前記加熱素子（１７）が、他のビア（４２）を通って熱伝導性の光学反射器（１５）と更に電気的に連通し、前記他のビア（４２）が、前記画素の１つの前記層構造の積層方向（ｚ）と平行に延在し、前記反射器が更に電気伝導性であり、それにより、動作に際して、前記加熱素子（１７）を通る電流が、前記光学反射器（１５）を通ってドレインされ得る請求項１５又は１６に記載のディスプレイデバイス（１ｃ、１ｅ、１ｆ）。
  18. 前記加熱素子（１７）が、他のビア（４２）を通って前記ディスプレイデバイスの共通電極（２２３）と更に電気的に連通し、前記他のビア（４２）が、前記画素の１つの前記層構造の積層方向（ｚ）と平行に延在し、前記ビア（４１、４２）の各々が、前記電極（２２１、２２２）の複数対の配置の平均面と前記画素（２ｄ）の１つの前記加熱素子（１７）の平均面との間に延在し、それにより、動作に際して、前記加熱素子（１７）を通る電流が、前記共通電極（２２３）を通ってドレインされ得る請求項１５又は１６に記載のディスプレイデバイス（１ｄ）。
  19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の光学デバイスを制御するための方法であって、
    前記光学デバイスのＰＣＭを加熱するために前記制御器を介して前記光学デバイスの加熱素子（１７）に繰り返しエネルギを与えて前記ＰＣＭの屈折率及び／又は吸収を可逆的に変化させることを備える方法。
  20. 繰り返しエネルギを与えることは、
    時間ｔ１の間に加熱素子（１７）にエネルギを与えて、第１の時間的熱プロファイル（Ｐ１）に従って前記ＰＣＭを加熱し、それにより前記ＰＣＭを第１の状態から第２の状態にスイッチングすることと、
    続いて、時間ｔ２の間に前記加熱素子（１７）にエネルギを与えて、第２の時間的熱プロファイル（Ｐ２）に従って前記ＰＣＭを加熱し、それにより前記ＰＣＭを前記第１の状態に戻すようにスイッチングすることと、を備え、
    前記第１の時間的熱プロファイル（Ｐ１）が最大温度Ｔ１を示し、前記第２のプロファイル（Ｐ２）が最大温度Ｔ２を示し、ここで、ｔ１＞ｔ２及びＴ２＞Ｔｍ＞Ｔ１＞Ｔｃであり、Ｔｍ及びＴｃがそれぞれ前記ＰＣＭの溶融温度及び結晶化温度に対応する請求項１９に記載の方法。
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