KR20080102278A - 광학적으로 어드레싱 되는 공간 광변조기 및 방법 - Google Patents

광학적으로 어드레싱 되는 공간 광변조기 및 방법 Download PDF

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Abstract

광학 장치는 제 1 전극층 위에 배치된 전기적으로 절연하는 제 1 배리어층, 상기 제 1 배리어층 위에 배치된 제 1 광전도층, 및 상기 광전도층 위에 배치된 캐리어 속박층을 구비한다. 상기 캐리어 속박층은 다수의 캐리어 트랩들이 전체적으로 분산되어 있는 부피를 정의한다. 또한, 전기적으로 절연하는 제 2 배리어층이 상기 캐리어 속박층 위에 배치되어 있으며, 선택된 파장 대역의 광을 차단하기 위한 광차단층이 상기 제 2 배리어층 위에 배치되어 있다. 선택된 파장 대역 내에 있는 광을 반사하기 위한 반사층이 상기 광차단층 위에 배치되어 있으며, 복굴절 또는 분산층이 상기 반사층 위에 배치되어 있고, 광투과성 제 2 전극층이 상기 복굴절 또는 분산층 위에 배치되어 있다. 또한, 추가적인 층들이 상술한 층들 사이에 개재되는 방법이 개시된다.

Description

광학적으로 어드레싱 되는 공간 광변조기 및 방법 {Optically addressed spatial light modulator and method}
본 발명은 때때로 광 밸브(light valve)라고 불리는 광학적으로 어드레싱 되는 공간 광변조기(optically addressed spatial light modulator; OASLM)에 관한 것이다.
가시광 디스플레이, 특히 대형 화면의 텔레비전으로 특징지워 지는 것과 같은 대면적의 디스플레이들을 형성하기 위한 다양한 구별되는 기술적 접근법들이 있다. 액정 디스플레이들은 일반적으로 높은 해상도와 유리한 얇은 두께(예컨대, 약 3인치)을 보인다. 이들은 통상적으로, 대단히 복잡한 구동 전자회로들을 요구하는, 매우 긴 비정질 실리콘 열(row) 또는 행(column)의 구동 라인을 따라 구동 전류가 쉽게 유지될 수 없다는 사실 및 단가의 제약으로 인해 42"(대각선) 또는 그 이하의 크기에 제한된다. 액정 디스플레이들은, 단일한 화소가 전체 디스플레이에 걸쳐 해상도를 크게 악화시킬 수도 있으며; 대형 유리 시트들이 더 작은 수의 큰 패널들을 갖고, 그 결과 수율 손실(yield loss)이 매우 비선형적이며 디스플레이 크기에 따라 감소한다는 단점을 겪는다.
대형 디스플레이를 위한 또 다른 기술은 플라즈마 텔레비전인데, 보통 42 내 지 50인치의 범위에서 상업적으로 입수 가능하다. 플라즈마가 우수한 얇은 두께(예컨대, 4인치)와 넓은 시야각을 제공하지만, 해상도는 다른 기술들만큼 예리하지 않고, 값 비싼 어드레싱 전자회로는 해상도와 비트 심도(bit depth)를 모두 최대화하기보다는 비트 심도를 해상도로 상쇄하며, 일반적으로 더 무겁고 시간이 지남에 따라 디스플레이 화면에서 '번인(burn-in)'을 겪고, 또한 액정 디스플레이와 동일하게 단일-화소 부족(single-pixel shortfall)을 겪는다. 몇몇 연구들이 대형 디스플레이에서 유기 LED(OLED)를 사용하는 것으로 진행하고 있지만, 이들은 높은 전력 의 응용에 대해 통상 약 8000 시간 또는 그 이하의 수명을 가지며 본질적으로 한계가 있는 것으로 보인다.
전면 또는 후면 투사 텔레비전은, 액정 또는 플라즈마 기술들에 대한 상기 문제들의 일부를 해결함에 따라 점차 인기를 얻고 있다. 투사 시스템은 100인치 또는 그 이상의 화면 크기를 가능하게 하고, 통상적으로 (예컨대, 매우 큰 화면에 대해 주변 광과의 문제로) 해상도 및/또는 휘도의 문제를 겪는다. 광 밸브는 디스플레이되는 화상에 모든 스펙트럼의 컬러를 형성하기 위하여 프로젝터 시스템의 심장부에서 상이한 색의 광(예컨대, 적색, 녹색 및 청색)의 음영들을 혼합한다. 세이코, 엡슨 및 소니에 의해 판매되는 것과 같은, 고온 폴리실리콘(high temperature polysilicon; HTPS) 구현은 일반적으로 조명을 위해 아크 램프를 사용하며, 개구 제약(반사 영역에 대한 광의 비율) 및 기생 회절로 인해 디스플레이에서 여전히 낮은 휘도를 보이고 있다. 또한, 더욱 상업적으로 인기있는 모델들에서의 해상도는 플라즈마의 해상도보다 우수하지는 않다.
LCoS(liquid crytal on silicon) 광 밸브들은, 대형 디스플레이 시장의 상대적으로 작은 부분에서, 소니, JVC 및 다른 많은 제조업자들에 의해 사용된다. 이들이 작은 추가 비용으로 HTPS 기술을 넘어 휘도 및 심지어 해상도를 향상시키지만, 이들은 또한 아크 램프와 디스플레이 사이의 광 손실을 극복하기 위해 조명용으로 아크 램프를 사용한다. 개구(aperture), 기생 회절 및 알루미늄 반사도로 인하여, 35% 또는 그 이상인 LCoS에서의 광 손실은 드문 것도 아니다. '타일(tile)'(통상적으로 분리된 알루미늄 반사기들) 사이에서 많은 광이 손실되고 심지어 더 많은 양이 상기 타일 경계로부터의 회절에 의해 손실되기 때문에, 발명자들은 LCoS 기술에서 그러한 손실들은 불가피한 것으로 본다.
디지털 광 프로세싱(digital light processing; DLP)(이 기술로는 텍사스 인스트루먼트가 잘 알려져 있다)은 역시 아크 램프를 사용하며 중간 범위의 휘도를 형성하지만 LCoS보다 해상도가 낮다. DLP는, LCoS 타일들과 유사한 손실을 지우는 마이크로-반사기들에 추가하여 회전하는 '컬러 휠'로 인하여, 심지어 LCoS보다 높은 광 손실을 보인다. 상기 컬러 휠은 단일 광 밸브만으로 동작시키기 위하여 DLP에 필수적인 것으로 보이며; 상이한 색들을 갖는 다수의 광 밸브들은 DLP가 다른 기술들과 상업적으로 경쟁할 수 없을 수도 있게 할 만큼 높은 비용을 들게 한다.
HTPS, LCoS 및 DLP의 각각은 변조면(modulating surface) 아래에 어드레싱 전자회로를 직접 배치한다. 이는 두 가지의 필적하는 문제를 초래한다. 먼저, 구동 전자회로를 위한 넓은 면적의 CMOS 다이(die)들은 매우 비싸며; 증가하는 CMOS 칩 크기는 단가에 대해 매우 비선형적이다. 다음으로, 광학기기들은, 변조면이 충분한 해상도 및 휘도를 갖는 대형 디스플레이를 유도하기에 충분한 광을 모으도록 충분히 클 것을 요구한다. 위와 같은 변조면 및 구동 전자회로들의 집합은 HTPS, LCoS 및 DLP 프로젝터들을 제조하는데 낮은 수율과 높은 비용을 가져온다. 본 기술분야에서 필요로 하는 것은, 현재의 기술에서 비용을 상승시키는 광 변조면과 CMOS 칩 크기 사이의 위와 같은 트레이드 오프(tradeoff) 없이, 우수한 해상도와 휘도를 갖는 대화면 디스플레이(예컨대, 약 42인치보다 큰)를 가능하게 하는 기술이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 장치가 아래에 기술된 순서에 따라 다음의 층들을 포함한다. 전기적으로 절연하는 제 1 배리어층이 제 1 전극층 위에 배치되며, 광전도층(photoconductive layer)이 상기 제 1 배리어층 위에 배치된다. 캐리어 속박층(carrier confining layer)이 상기 광전도층 위에 배치된다. 상기 캐리어 속박층은 다수의 캐리어 트랩(carrier trap)들이 전체적으로 분산되어 있는 부피를 정의한다. 전기적으로 절연하는 제 2 배리어층이 상기 캐리어 속박층 위에 배치되어 있으며, 선택된 파장 대역의 광을 차단하기 위하여 광차단층이 상기 제 2 배리어층 위에 배치되어 있다. 선택된 파장 대역 내에 있는 광을 반사하기 위한 반사층이 상기 광차단층 위에 배치되어 있으며, 복굴절 또는 분산층이 상기 반사층 위에 배치되어 있고, 광투과성 제 2 전극층이 상기 복굴절 또는 분산층 위에 배치되어 있다. 여기서 '위에 배치되어 있다'는 문구는 층들이 서로 직접 접합되어야 하는 것을 의미하는 것은 아니며; 이하에서 더욱 상세하게 설명하듯이, 개재 층들이 상술한 층들 사이에 끼어 있을 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복층 광학 장치를 제조하는 방법이 있다. 이 방법에서, 제 1 전도층이 제공되며 상기 제 1 전도층 위에서 약 섭씨 425도보다 낮은 온도로 갈륨 비소(GaAs)층이 성장된다. 전기적으로 절연하는 층이 GaAs 층 위에 배치되며, 광전도층이 상기 전기적으로 절연하는 층 위에 배치되고, 광차단층이 상기 광전도층 위에 배치된다. 상기 광차단층은 선택된 파장 대역의 광을 차단한다. 반사층이 상기 광차단층 위에 배치되며, 상기 반사층은 선택된 파장 대역의 광을 반사한다. 복굴절층 또는 분산층이 상기 반사층 위에 배치되며, 광투과성 제 2 전극이 상기 복굴절 또는 분산층 위에 배치된다. 위의 광학 장치에 대해서와 마찬가지로, 한 층이 다른 층 위에 배치되어 있다는 용어는, 기술된 층이 반드시 그 층이 배치되어 있는 층과 접하여야 한다는 것을 의미하지는 않으며; 이들 설명으로부터 벗어남 없이 개재 층들이 가능하고, 위에서 설명한 것들에 추가된 그러한 개재 층들이 이하에서 특히 설명된다.
이들 설명들의 상술한 유형 및 다른 유형들은 첨부된 도면들과 함께 참고할 때 이하의 상세한 설명에서 더욱 명백하게 된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학적으로 어드레싱 되는 공간 광변조기(optically addressed spatial light modulator; OASLM)의 별개의 층들 중 일부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 1b는 도 1a와 유사하지만 상이한 실시예를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 1c는 도 1a와 유사하지만 또 다른 실시예를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 2a-2c는 도 1a의 층진 광 밸브 내의 전자 및 홀(hole)들의 이동 및 트래핑(trapping)을 보이는 개략적인 도면이다.
도 2d-2e는 도 2c와 유사하지만 각각의 제 2 및 제 1 캐리어 속박층에서의 전자와 홀들의 짝짓기를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 2f는 도 1a의 광 밸브에 있는 특정 층들을 나타내는 등가 회로이다.
도 3a-3c는 도 2b-2c 및 2e와 각각 유사하지만 도 1b의 실시예에 관한 것이다.
도 4는 도 1a의 실시예의 다수의 하부층들에 대한 시간 대 온도의 성장 프로파일이다.
도 5는 투사되는 화상을 함께 형성하기 위하여 광학 엔진과 결합한 단일 공간 광변조 밸브의 개략적인 도면이다.
도 6은 투사되는 화상을 함께 형성하기 위하여 한 종류의 광학 엔진과 결합한 세 개의 공간 광변조 밸브들의 개략적인 도면이다.
도 7은 투사되는 화상을 함께 형성하기 위하여 다른 종류의 광학 엔진과 결합한 세 개의 공간 광변조 밸브들의 개략적인 도면으로, 비교의 목적을 위하여 종래의 아크-램프 광원을 겹쳐 도시하고 있다.
도 8은 상술한 설명들에 따라 OASLM을 채용하여 구성된 광학 엔진의 다른 실시예이다.
광학적으로 어드레싱 되는 광 밸브는 MEMS, LCoS 또는 HTPS와 같은 다른 상 업적인 대화면 화상 기술들에 비하여 몇 가지 이점들을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 어떤 실시예들은 상기 기술들에 비하여 상당한 비용의 이점들을 제공한다. 여기서 기술되는 광 밸브 실시예들은, LCoS 디스플레이들에 대한 경우와 같이 제한된 표면 영역을 갖는 컬러 순차 변조 또는 다중 광 밸브 시스템을 사용하는 투사 기술보다 훨씬 더 현저한 레벨로 에텐듀(etendue)를 보존할 수 있게 한다. 에텐듀는 이종의 광학 장치들을 통한 광학적 처리 효율로서 개념화될 수 있다. 광원이 광학 엔진과 결합되어 있는 경우, 에텐듀는 그 결합의 광학적 효율의 척도이다. 만약 상기 광원이 레이저라면, 에텐듀는 일반적으로 쉽게 보존될 수 있을 것이다. 대화면 화상 분야에서 공통적으로 사용되는 바와 같이 광원이 비점(non-point) 광원인 경우에, 변조기가 일반적으로 작기 때문에(예를 들어, 대각선으로 0.9인치보다 작은 크기의 칩) 비점 광원으로부터 변조기로의 광학적 결합이 통상적으로 매우 나쁘므로 에텐듀는 중요한 인자가 되며, 그 결과 에텐듀에 대해 효율적으로 처리되지 않는다면 변조기에 직접적으로 입사하지 않는 광이 손실된다. 단순히 실리콘 기반의 칩 크기를 확대시키는 것은, 칩 당 단가를 지속적으로 감소시킨다는 무어의 법칙(Moore's law)을 유도하는 몇몇 효율성들을 실질적으로 뒤집어 단일 웨이퍼로부터 제조되는 칩들의 수를 감소시키기 때문에, 비용 효율적이지 않다. 칩 크기와 단가와의 관계는 선형적인 것이 아니며, 칩 크기를 두 배로 하는 것은 그 더 큰 칩의 단가를 두 배 이상으로, 통상적으로는 두 배보다 훨씬 많이 증가시킨다. 일반적으로, 종래의 기술들은 전적으로 광출력 세기에 의해 열악한 에텐듀를 극복하기 위하여, 아크 램프와 같은 고출력 백색 광원을 사용하며, 그런 후 그 광이 변조되고 픽 실레이티드(pixilated) 된다. 그러나 아크 램프는 매우 뜨겁게 동작하며 정기적인 전구(bulb)의 교체를 요구한다. 본 발명의 실시예들은 광원에서 와트수를 단순히 증가시키는 것보다는 더 세련된 해결책을 제공한다. 또한, 광학적으로 어드레싱 되는 광 밸브들은, 어드레싱 전자회로가 광학적 변조 평면 바로 아래에 놓여 있는 다른 기술들의 제한을 회피한다. 어드레싱 전자회로가 광학적 변조 평면 바로 아래에 놓여 있는 것은 배경기술 부분에서 설명되어 있으며, CMOS 전자 칩과 광학적 변조 평면의 크기 사이의 트레이드 오프로 인해 더 높은 단가와 더 낮은 성능을 초래한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 OASLM(20) 광학 장치의 단면도를 도시하고 있다. 도 1a또는 도 1b의 상대적인 층 두께는 축척대로 도시된 것이 아니며 서로에 대해 비례적이지도 않다; 도 1a-1c는 구별되는 것으로서 다양한 층들을 도시하기 위한 것이다. 도 1a-1c의 실시예들은 앞으로 언급되는 바와 같이, 다양한 층들이 위로부터 아래의 순서로 이하에서 설명된다. 도 1a는 특별하게 설명되며, 도 1b는 도 1a에 대한 차이점들에 대해 설명되고, 도 1c는 도 1b에 대한 차이점들에 대해 설명된다.
도 1a에서, 보호 오버레이층(protective overlayer)(22)은 하부의 층들을 보호하기 위하여 OASLM(20)의 전면(22a)을 형성하며, 가시 및 적외선(IR) 대역에 있는 광에 대해 모두 실질적으로 투과성이 있다. 유리(glass), 사파이어, 수정, SiC, ZnO 및 GaP가 상기 보호 오버레이층(22)을 형성하는 예시적인 그러나 배타적이지 않은 재료이다. 보호층 오버레이층(22) 아래에 있는 것은, 전기적으로 전도성이 있 으며 가시 및 IR 대역에 있는 광에 대해 투과성이 있는 투명 전도성층(24)이다. 투명한 전도성 층들은 종래의 기술(예를 들어, 미국 특허 제5,084,777호; W. P. Bleha에 의한 "Progress in Liquid Crystal Light Valves"(Laser Focus/Electro-Optics, October 1983) 및 Michael C. Hebbron 및 Surinder S. Makh에 의한 "Development of Gallium Arsenide-based Spatial Light Modulators"(PSIE vol.825 Spatial Light Modulators and Applications II, 1987) 참조)에서 공지되어 있다. 상기 전도성층에 대한 예시적인 재료는 가시광에 대해 실질적으로 투명하고 IR 광만을 약간 감쇠시키는 인듐주석산화물(통상적으로 ITO)이다. 상기 전도성층(24)은 OASLM(20)의 전체 단면에 걸쳐 상대적으로 균일한 전하를 제공하기 위하여 실질적으로 OASLM(20)의 단면에 걸쳐 형성되어 있다.
상기 투명 전도성층(24) 아래에 있는 것은, 액정, 비스무트 산화물, 또는 광을 변조시킬 수 있으며 구조적으로 결정질일 수도 있고 아닐 수도 있는 다른 재료들과 같은, 복굴절 또는 분산층(birefringent or dispersive layer)(26)이 있다. 상기 투명 전도성층(24)과 복굴절/분산층(26) 사이의 거리는 셀 갭(cell gap)으로 불리며, 여기서 상기 복굴절/분산층(26)은 OASLM(20)이 동작 중에 있을 때 광의 변조를 정의하기 때문에 실질적으로 균일하고 중요하다. 복굴절/분산층(26)의 각각의 주요 표면(즉, 도 1a에 도시된 바와 같이 복굴절/분산층(26)의 위와 아래 모두)에 위치하는 것은 복굴절/분산층(26)을 고정시키기 위한 정렬층(alignment layer)(도시되지 않음)이다. 상기 정렬층들에 대한 예시적인 재료는 실리콘 산화물(SiOx)이 다. 앞으로 보이겠지만, 변조될 광이 상기 복굴절/분산층(26)을 두 번 통과하기 때문에, 상기 층은 단일 통과 장치에 비해 절반만큼만 판독 광(read light)을 변조할 필요가 있으며 스위칭 속도 및 해상도를 증가시키면서 더 얇게 될 수 있다.
상기 복굴절/분산층(26) 아래에 있는 것은, 선택된 파장 대역 내에서 반사성이 있는 유전체 재료들로 구성된 분산 브래그 반사기(DBR)(28) 또는 냉미러층(cold mirror layer), 더욱 일반적으로는 반사층이다. 한 실시예에서, 어드레싱 광은 적외선이며 변조된 판독 광은 가시광이고, 따라서 DBR 층(28)은 가시 대역의 광을 반사하거나 차단하는 반면 선택된 스펙트럼 파장의 IR 광은 상대적으로 차단되지 않고 통과하도록 한다. 상기 DBR 층(28)은 관심 있는 특정 IR 대역만을 통과시키도록 쉽게 조율될 수 있으며, 그 결과 전면(22a)으로부터 OASLM(20)로 입사하는 모든 광(예컨대, 변조된 판독 광과 어드레싱 광) 중에서, 단지 관심 있는 대역 내에 있는 IR 광만이 상기 DBR 층(28)을 통해 투과할 수 있게 된다. DBR 층(28)은 그 자체로 또는 광차단층(light blocking layer; LBL)과 함께 특정 IR 파장에 대한 노치(notch) 또는 대역 통과 필더를 형성하도록 DBR 층(28)의 설계에 의해 조정될 수 있다. 대안으로서, 도 1b의 실시예는, 제 2 DBR 층(28b) 위에 형성되어 있는, 통상적으로 도 1a의 실시예와 함께 사용될 수 있는 어쩌면 더 작은 두께의 광차단층(30) 위에 형성되어 있으며, 도 1a를 참조하여 위에서 설명된 DBR 층(28)과 유사한 제 1 DBR 층(28a)을 도시하고 있다. 도 1a와 비교할 때, 본 실시예는 상기 광차단층(30)과 제 1 배리어층(36a) 사이에 제 2 DBR 층(28b)을 추가한다.
아래에서 설명되는 바와 같이, 어드레싱 광(addressing light)에 대한 관심 있는 각각의 IR 대역은, 특정 IR 대역이 어드레싱 하는, 판독 광이라 부르는, 출력 화상 내의 광의 특정 스펙트럼 폭을 어드레싱 하는 것으로 여겨질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 DBR(28)(또는 DBR(28a, 28b))은, 티나늄 산화물(TiO2), 이산화실리콘(SiO2), 또는 알루미늄 비소(AlAs) 및 갈륨 비소(GaAs)와 같은, 관심 있는 주어진 파장들에 대해 상이한 굴절률을 갖는 재료들의 교호하는 층들로 이루어진다. 각각의 구현예에서, DBR은 NbO5, SiO2, TiO2, Ta2O5, ZnSe, AlAs, GaAs 등을 포함하지만 그에 한정되지 않는 다양한 재료들로 이루어질 수도 있다. 위의 설명은 IR 어드레싱 광과 가시 판독 광에 대해 언급하지만, 이들 파장 대역은 예시적인 것이며, 비가시(non-visible) 판독 광을 위한 파장 대역을 차단/반사하기 위하여 광 밸브에서 다양한 층들을 형성하도록 상이한 재료들이 사용되도록 하면서, 예를 들어 판독 광이 UV 또는 IR일 수도 있다.
도 1a로 돌아와서, 상기 DBR 층(28)이 가시광(또는 의도된 통과 대역 바깥의 다른 광)을 반사하는데 있어서 100% 효율보다 작을 수도 있기 때문에, 지나갈 수도 있는 어떠한 가시광도 추가적으로 차단하기 위하여 DBR 층(28)과 분리되고 구분되는 광차단층(30)이 상기 DBR 층(28) 아래에 배치되어 있다. 상기 광차단층(30)은 또한, 적절한 간접 또는 직접 밴드갭(bandgap)을 갖는 재료를 선택함으로써 관심 있는 선택된 IR 대역들을 투과시키거나 또는 부분적으로 흡수하도록 조율될 수도 있다. 광차단층(30)은 일반적으로 약 1 마이크론의 두께를 가지며 광학적으로 불변인 전기적 성분으로서 작용한다. 즉, 장치에 인가되는 전기장의 종류에 따라, 상기 광차단층(30)의 캐패시턴스, 저항 및/또는 임피던스가 그에 입사하는 광의 세기와 함께 변화하지 않는다. 그렇지 않다면, 도 1a-1B의 실시예에 있어서 복굴절/분산층층(26)에서 의도되지 않은 광 변조를 유도하여, 장치의 전체적인 성능을 비효과적으로 만드는 변화하는 전기적 특성들을 상기 광차단층(30)이 가질 수도 있을 것이다. 광차단층(30)의 적당한 특성은 그 내부에서 생성된 어떠한 전하 캐리어들도 짧게 존재하는 것이다. 광차단층(30)의 재료는 그 재료의 밴드갭(그 재료가 밴드갭을 갖는다면)보다 큰 에너지를 갖는 스펙트럼에 대해 흡수성이 높도록 선택된다. 상기 광차단층(30)은, 상기 밴드갭 위의 에너지 범위 내에 있는 스펙트럼의 흡수에 의해 생성된 어떠한 전하 캐리어(예컨대 홀(hole) 또는 전자)들도 짧은 시간 동안만 생존하고(예컨대, 전극(24, 38)을 가로질러 인가된 전기장 하에서 그들이 분리되지 않고) 따라서 광차단층(30)의 캐패시턴스, 저항 또는 임피던스를 심각하게 변조하지 않도록, 저온 재료(캐리어 속박층(34a, 34b)에 관한 아래의 설명 참조) 또는 심지어 낮은 품질의 AlGaAs, InGaAs, GaAs, a-SiGe:H, CdTe, 또는 예를 들어 미세한 결정립(grain)의 폴리실리콘 또는 증착된 GaAs로 이루어질 수 있다.
각각의 대향하는 주면(major surface)에 각각 인접하고 있는 제 1 캐리어 속박층(carrier confining layer)(34a)과 선택적인 제 2 캐리어 속박층(34b)을 갖는 것으로서 도 1a에 도시되어 있는 광전도성층(photoconducting layer)(32)은 광차단층(30) 아래에 위치하며 어드레싱 IR 광이 전기적 전하 캐리어(홀 및 전자)들로 변환되는 곳이다. DBR 층(28)에서의 가시광의 반사로 인하여, 그리고 DBR 층(28)을 통과하는 통과 대역 바깥에 있는 광의 상기 광차단층(30)에서의 흡수 또는 반사로 인하여, 관심 있는 선택된 대역 내에 있는 IR 광은 상기 광전도성층의 광전도체 부분(34)을 여기시키도록 진행한다. 광전도성층(32)에 도달하는 어떠한 판독 광이 캐리어들을 생성시킬 수도 있을 것이며 그에 도달하는 잔여 판독 광에 의해 영향을 받았을 때 상기 층의 캐패시턴스, 저항 및/또는 임피던스에 있어서의 변화 자체는 복굴절층(26)에 대해 문턱 전압 아래의 전압을 발생시켜 상기 층에서의 판독 광의 변조를 초래하지는 않을 것이다.
광전도성층(32)을 위한 예시적인 재료는 InGaAs로부터 AlGaAs까지 In과 Al을 몰(mole) 비율로 변화시키는 고품질의 갈륨 비소(GaAs)이다. 상기 층(32)은 두께가 수십 마이크론의 범위에 있을 수 있으며, 몇몇 예시적인 실시예들은 더 두꺼운 수소첨가(hydrogenated) 비정질 실리콘 광전도성층들에 비하여 해상도를 증가시키는 수백 나노미터 내지 수 마이크론 정도(예컨대, 100 또는 200nm 내지 2 또는 5 마이크론)의 훨씬 더 얇은 두께를 정의한다. 이러한 더 얇은 두께는 후방-어드레싱 체계를 사용하는 종래 기술의 광전도성층들보다 더 얇다. 그러나, 적절하게 선택된 어드레싱 스펙트럼 파장들을 사용함으로써 또는 바닥 웨이퍼를 제거하고 상기 선택된 어드레싱 스펙트럼에 대해 본질적으로 투명한 재료를 접합함으로써, 여기서 설명된 타입의 장치들을 후방으로부터 어드레싱하는 것도 가능하다는 점을 유의한다. 대부분의 광여기(photoexcitation)는 입사광이 부딪치게 되는, 높은 흡수 특성을 갖는 In/GaAs/GaAs/AlGaAs 광전도성층의 처음 2 마이크론에서 발생한다. AlGaAs 및 GaAs가, 제 1 캐리어 속박층(34a)(및 제 2 캐리어 속박층(34b))과 기판(40)과 함께 아래에서 상세하게 설명하겠듯이, 제조 효율을 위하여 광전도성층(32)에 바람직하 다.
상기 제 1 캐리어 속박층(34a)은 (제 2 캐리어 속박층(34b)과 비교할 때) 가시광 차단층(30)에 더 가까이 놓여 있으며, 캐리어 속박층과 절연층(36a) 사이의 접합 근처에서 전하 캐리어들의 이동을 실질적으로 방해하는 비소 침전물(arsenic precipitate)(또는 몇몇 다른 에너지 배리어 노드들의 분산)이 주입되어 있다. 제 2 캐리어 속박층(34b)은 기판(40)에 더 가까이 놓여 있으며, 마찬가지로 캐리어 속박층과 절연층(36b) 사이의 접합 근처에서 전하 캐리어들의 이동을 실질적으로 방해하는 비소 침전물 또는 다수의 몇몇 다른 에너지 배리어 노드들이 주입되어 있다. 각각의 캐리어 속박층(34a, 34b)의 총 두께는 바람직하게는 일 실시예에서 약 5 내지 20 나노미터 사이에 있다. 캐리어 속박층(34a, 34b)에 대해 높은 두께는 상기 캐리어 속박층이 광전도체로 향하는 상당한 에너지를 바람직하지 않게 흡수하게 만들 수도 있을 것이다. 캐리어 속박층(34a, 34b)에 대한 얇은 치수는 캐리어 속박층이 광학적으로 활성이 되지 않게 하고 As 침전물에 의해 전하 캐리어들이 잘 포획되도록 하는 것을 보장한다.
캐리어 속박층을 위한 예시적인 재료로는, LTG-GaAs로 표시되는 저온 성장 갈륨 비소, LTG-InGaAs로 표시되는 저온 성장 인듐 갈륨 비소 및/또는 LTG-AlGaAs로 표시되는 저온 성장 알루미늄 갈륨 비소를 통상적으로 든다. 다른 LTG 재료들과 마찬가지로 LTG-GaAs는 '정상적인' GaAs(또는 다른 재료)보다 낮은 온도인 섭씨 약 200-300도 범위 내에서 성장되는 반면, '정상적인' GaAs는 섭씨 500-600도 범위의 온도에서 통상적으로 성장된다. 일부 문장에서, ITG-GaAs로 불리는 중간 성장 온도 GaAs는 섭씨 약 375-425도의 온도 범위 내에서 성장된다. 그러나 위의 온도는 정확한 범위는 아니며; 용어 LTG-GaAs 및 ITG-GaAs는 본 기술분야에서 공지되어 있지만 그 온도에 의해 정밀하게 정의된 것이 아니라는 점을 유의한다. 제 2 캐리어 속박층(34b)은 선택적인 것이며, 캐리어 속박층(34a, 34b)들 중 어느 하나 또는 모두는 상기 캐리어 속박층이 광학적으로 활성이 아닌 것을 보장하도록 예시적인 실시예에서 약 5 내지 20 나노미터의 두께 범위에 있을 수 있다. 도 1b는 하부의 또는 제 2의 캐리어 속박층(34b)이 없는 실시예를 도시하고 있으며, 그 동작은 도 3a-3b를 참조하여 더 상세하게 설명된다.
상기 캐리어 속박층(34a, 34b)들과 광전도성층(32) 사이의 분리 계면은 점진적으로 천이(transition)될 수 있다. 예를 들어, 인듐 갈륨 비소 InGaAs 및/또는 AlGaAs의 층들이 캐리어 속박층(34a, 34b)들 중 어느 하나 또는 모두와 GaAs 광전도성층(32) 사이에 배치될 수 있으며, 광전도성층(32)에서 순수한 GaAs으로부터 천이(도시되지 않은 구별되는 천이층들)를 따라 AlGaAs 또는 InGaAs의 몰 비율로 성분적으로 점차 변화하여 캐리어 속박층(34a, 34b)들에서 LTG-GaAs, LTG-InGaAs 및/또는 LTG-AlGaAs로 변환될 수 있다. 일 실시예에서, LTG-AlGaAs 내의 비소 침전물이 더 깊은 레벨이고 그 자체로 캐리어들의 더 많은 트랩들을 형성하기 때문에, AlGaAs, GaAs 또는 InGaAs로 이루어질 수 있는 조율된 광전도성층(32)으로의 점진적인 성분 변화를 갖는 LTG-AlGaAs로 이루어진 캐리어 속박층을 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 다른 실시예는 상기 광전도성층의 저항 및/또는 캐패시턴스를 조율하기 위하여 성분이 점진적으로 변화되는 일련의 AlGaAs, GaAs 및/또는 InGaAs 층 들과 그들의 LTG-짝들을 구비할 수도 있다.
선택적인 제 1 배리어층(36a)이 제 1 캐리어 속박층(34a)과 광차단층(30) 사이에 놓여 있다. 이는 상기 제 1 캐리어 속박층(34a)에 포획된 전하 캐리어들이 상기 광차단층(30)과 복굴절층(26)을 향해 이동하는 것을 방지한다. 제 2 선택적인 배리어층(36b)이 제 2 캐리어 속박층(34b)과 하부 전극층(38) 사이에 놓여 있다. 제 2 배리어층(36b)은 전하 캐리어들이 하부 전극층(38)과 광전도성층(32) 또는 선택적인 캐리어 속박층(34b)이 존재하는지 여부에 따라 제 2 캐리어 속박층(34b) 사이로 이동하는 것을 방지한다. 배리어층(36a, 36b)들은 서로 동일한 재료로 이루어질 수도 있고 동일하지 않은 재료로 이루어질 수도 있다. 배리어층(36a, 36b)들을 위한 예시적인 재료는 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs), 알루미늄 비소(AlAs) 또는 다른 유전체 재료와 같이, 인접하는 층들과 양립할 수 있는 어떠한 절연 재료일 수도 있다.
하부 전극층(38)은 어떠한 전도체일 수도 있으며, 도 1a에 도시된 바와 같은 전방으로 어드레싱 되는 실시예의 경우에, 상기 하부 전극층(38)이 광학적으로 투명할 필요는 없다. 하부 전극층(38)을 위한 예시적인 재료는 도핑된 GaAs, 도핑된 AlGaAs(Al의 어떠한 다양한 몰 비율이든), 도핑된 InGaAs(In의 어떠한 다양한 몰 비율이든), GaAs에 격자 매칭된 도핑된 GaInP, 또는 장치의 에피택시를 위해 사용된 GaAs 기판의 제거 후에 적층된 인듐 틴 산화물(통상 ITO)과 같은 전도성 산화물을 포함하며, 또는 하부 전극층(38)과 기판(40)이 하나이고 동일한 경우에 하부 전극층 그 자체가 전도성인 기판일 수도 있다.
기판층(40)은 바람직하게는 GaAs로 이루어진 웨이퍼이며 세 가지 기능을 수행할 수 있다. 먼저, 전체적인 OASLM(20)을 지지하기 위한 기계적인 기판이다. 두 번째, 투명 전도성층(24)과 대향하는 하부 전극(38)으로서 역할을 할 수도 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 아래에서 상세하게 설명하겠지만, 전기장(바람직하게는 AC)이 하부 전극(38)과 투명 전도성층(24)에 걸쳐 인가된다. 만약 도 1a에 도시된 바와 같이 별도의 하부 전극층(38)이 배치되어 있다면, 기판(40)의 전기적 전도 특성은 OASLM(20)의 전체 단면에 걸쳐 전하를 더 분포시킬 수 있다. 대안적으로, 기판(40)이 단독의 하부 전도체로서 작용할 수도 있으며 별도의 하부 전극층(38)은 불필요하다. 대신에, 상기 기판(40)은, AlAs, AlGaAs, SiO2 또는 다른 적절한 재료로 구성된 별도의 선택적인 절연층을 갖고 또는 갖지 않고, 도핑된 InGaAs, GaAs, AlGaAs, InAs, ITO, Au/Ti 또는 상기 기판의 아래에 형성되는 다른 공통 전극 재료로 구성되는 전극과 반절연(semi-insulating)할 수도 있다. 세 번째, 기판(40)은 (어떤 실시예에서) GaAs 에피택시(epitaxy)가 성장되기 시작하는 시드층(seed layer)으로서 작용한다. 몇몇 실시예들에서는, GaAs 웨이퍼가 제거되고 층들이 상이한 기판에 접합되어 에피택시에 의해 성장되거나 그렇지 않을 수도 있다. 이를 가능하게 하는 것으로 일부를 열거한다면, 폴리싱(polishing), 리프트오프(lift off) 및 희생층을 사용하는 화학적 분리를 포함하는(그러나 이에 제한되지 않는다) 다양한 기술들이 있다. 몇몇 실시예에서, 제 2 배리어층(36b)(예컨대 AlGaAs), 제 2 캐리어 속박층(34b)(예컨대, LT-GaAs), 광전도성층(32)(에컨대, GaAs), 제 1 캐 리어 속박층(34a) 및 제 1 배리어층(36a), 그리고 심지어 광차단층(30)을 형성하는데 GaAs 에피택시가 사용될 수 있다. 물론, 다른 실시예들은, GaAs 웨이퍼(40)로부터 단일 변화 공정으로 이러한 다양한 층들을 성장시키는 것으로부터 생기는 제조에 있어서의 몇몇 효율을 아마도 잃으면서, 적어도 기계적 기판과 하부 전극 기능을 구별되는 층들로 분리할 수도 있으며 바로 위에서 언급된 몇몇 층들에 대해 다른 재료들을 사용할 수도 있다. 기판(40)에 대한 다른 예시적인 재료들은 일부를 열거하자면 게르마늄 웨이퍼, 실리콘 게르마늄-온-실리콘(SiGe on Silicon) 웨이퍼, ZnSe 웨이퍼 및 InGaP를 포함한다.
GaAs 웨이퍼는 여러 가지 이유로 기판(40)으로서 바람직하다. 실리콘이 광대하게 더 공통적이지만, GaAs 웨이퍼는 상업적인 웨이퍼 제조 부피에 있어서 2위를 차지하고 있으며, 따라서 쉽게 입수 가능하다. 예를 들어, 휴대폰(HBTs 및 pHEMTs) DVD 및 CD 플레이어에서, 그리고 적색 LED용으로 현재 GaAs 칩이 사용되고 있다. 상업적인 전망으로부터, OASLM에서 사용되는 GaAs에 대한 크기 당 최종 단가는 (LCoS 또는 DLP 기술에 대한 것과 같은) 트랜지스터들을 통합한 실리콘 칩에 대한 크기 당 단가와 같은 비선형성을 거의 갖지 않는다. 단가 비율이 표면 면적에 대해 완전히 선형적이지는 않지만, GaAs로 이루어진 OASLM에 대한 칩 크기 당 단가 관계는, 그 관계가 매우 비선형적인 LCoS 및 MEMS와 같은 CMOS를 사용하는 비슷한 크기의 장치들에 비해 매우 저렴하다. 칩 크기를 증가시키는 것은 전체적인 광학 시스템에서 에텐듀를 증가시키는 간단한 방법이며, 상기 단가에 대한 고려는 비슷하게 증가된 크기의 (CMOS 전자회로를 갖는) Si 칩보다 대형 GaAs 칩을 훨씬 더 상업적 으로 가능하게 만든다. 기술적인 전망으로부터, 분자 빔 에피택시(MBE) 또는 금속 유기물 화학 기상 증착(MOCVD) 층은 하나로 된(monolithic) GaAs 웨이퍼 위에서 쉽게 성장될 수 있다. 현재의 기술은 여기서 언급된 침전물들을 갖는 LTG-GaAs 또는 다른 LTG-타입의 층들이 MOCVD 공정을 사용하여 성장되도록 하는 것을 가능하게 하지 않으며, 그보다는 이것이 가능하다고 보고된 바 있는 MBE에 의해 성장되도록 한다. 다른 모든 에피택시 층들은 MBE 또는 MOCVD 공정에 의해 성장될 수 있다. GaAs 에피택시의 종래의 상업화는, 격자-매칭된 GaAs 에피택시가 우수한 수율, 합리적인 비용 및 높은 균일도로 성장될 수 있게 하는 점에 대해 기술을 진보시켰다. Hughes Electronics® 및 Greyhawk Systems®에 의해 수년 전에 광학적으로 개척된 것과 같은 종래의 광학적으로 어드레싱 되는 디지털 광 밸브들은 일반적으로 비정질 실리콘을 기초로 하고 있으며, 유리 위의 인듐 틴 산화물 위에 수소첨가 비정질 실리콘(a-Si:H)을 증착시키기 위하여 스퍼터링 공정을 사용한다. 층들이 두껍고, 증착되어 있는 기판 및 전극들의 열팽창 계수가 상이하기 때문에, 증착 후의 냉각 공정 동안 크랙(crack)들이 종종 발생한다.
도 1c는 여기서 상세하게 설명된 도 1b와 비교할 때 단지 몇몇 차이점들만을 갖는 OASLM(20)의 또 다른 실시예를 개략적인 형태로 도시하고 있다. 도 1c에서, 하부 전극(38)이, 상부 전극/투명 전도성층(24)와 비교하여 반대쪽에서 있는, 기판(40) 아래에 배치되어 있다는 점을 유의한다. 유전체 스택층(39a, 39b)들이 상기 하부 전극(38)의 양쪽 면에 있으며, 제 3 배리어/절연층(36c)이 하부 전극(38)과 기판(40) 사이에 배치되어 있다. 도 1a와 마찬가지로, 도 1c는 광차단층(30) 바로 위에 단지 하나의 DBR 층(28)을 포함한다. 역시 도 1a와 마찬가지로, 도 1c는 제 1 캐리어 속박층(34a)과 비교할 때 광전도성층(32)의 맞은 편에 배치된 제 2 캐리어 속박층(34b)을 포함하는 반면, 도 1b는 단지 하나의 캐리어 속박층만을 포함한다. 도 1c에서, 상기 유전체 스택층(39a, 39b)들은, 세 개의 배리어/절연층(36a, 36b, 36c)들의 일부 또는 심지어 전부와 마찬가지로, 선택적이다. 몇몇 실시예에서 기판(40) 자체가 하부 전극(38)을 제 2 캐리어 속박층(34b) 및 광전도성층(32)으로부터 전기적으로 격리시킬 수 있기 때문에, 제 2 및 제 3 배리어층(36b, 36c)들은 모두 선택적이다. 도 1a-1c로부터 명백하게 되듯이, 이들 상이한 실시예들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 그 내용에 따라 상이한 특정 층 구조들을 얻기 위하여 조합될 수도 있으며; 그러한 다른 조합들을 가능하게 하는 층들의 다양한 기능들 및 상호 관계들이 여기서 상세화된다.
캐리어 속박층(34a, 34b)들의 특성들이 이제 상세하게 설명된다. 성장된 후에, 캐리어 속박층(34a, 34b)들은 상기 층들이 성장되었던 온도보다 상승된 온도로 어닐링된다. 예를 들어, 약 섭씨 200-300도로 성장된 LTG-GaAs의 경우에, 어닐링 온도는 약 섭씨 500-600도의 범위 내에 있을 수 있다. 역시 섭씨 200-300도로 성장된LTG-AlGaAs의 경우에, 어닐링 온도는 약 섭씨 600-700도의 범위 내에 있을 수 있으며, 어닐링은 적어도 약 이십분 또는 그 이상 동안 계속될 수 있다. 더 긴 어닐링 주기들은 통상적으로 캐리어 속박층(34a, 34b)들의 소망하는 특성들에 역효과를 주지 않는다. 어닐링 하는 동안, 저온 성장 단계 동안 압력을 받은 GaAs 격자로부터 나와 침전된 비소는 캐리어 속박층(34a, 34b)들의 부피 전체에 걸쳐 거의 균일 하게 분산되며, 뚜렷한 거의 구형의 노드(node)들을 형성한다. 이들 비소 침전물들 또는 캐리어 트래핑 노드(carrier trapping node)들은 완성된 OASLM(20)의 상기 캐리어 속박층(34a, 34b)들에서 쇼트키 배리어의 금속 성분으로서 역할을 하며, 광전도성층(32) 내의 전자 및 홀들보다 아래에 있는 에너지 레벨을 보이고, 적어도 얼마간의 무시할 수 없는 기간의 시간 동안 상기 전자 및 홀들이 측방으로 또는 전면(22a)이나 기판(40)의 방향으로 이동하는 것을 방지한다. 무시할 수 없는 기간의 시간은 전체적인 OASLM(20)에 따라 고려된다. 영국 및 미국에서 현재 조정되고 있는 표준에 따르면, 비디오 프레임은 1/24, 1/50 또는 1/60초마다 각각 재생되어야 한다. 본 발명의 실시예들은 그 두 배의 속도로 비디오 프레임을 재생하므로, 120Hz의 실시예에 대해 전하 캐리어 이동에 관한 무시할 수 없는 제약은 적어도 1/48 내지 1/120초 동안 전하 캐리어들을 제 자리에 고정시킨다. 상이한 재생 속도를 갖는 다른 실시예들은 다른 사이클의 속도로 동작할 수도 있으며, 따라서 무시할 수 없는 기간의 시간을 다르게 정의한다. 일반적으로, 캐리어 속박층(34a, 34b)들은, 적어도 전극(24, 38)들에 걸쳐 인가된 전기장의 순환 주파수에 의해 정의되는 시간 주기 동안, 한 타입의 전하 캐리어들(인가된 전기장의 방향에 따라 홀 또는 전자)을 유지 또는 포획하도록 설계된다. 전하 캐리어 이동이 분포로서 적절하게 모델링 되기 때문에, 캐리어 속박층들이 그 시간 주기 동안 실질적으로 대부분(예컨대, 약 85%보다 많은, 바람직하게는 약 95%보다 많은)의 한 타입의 전하 캐리어들(인가된 전기장의 방향에 따라 홀 또는 전자)을 포획하는 것으로 간주될 수 있다.
이제 OASLM(20)의 동작을 설명한다. 복굴절 변조층(26)을 사용한다면, 바람직하게는, 상기 OASLM(20)과 IR 어드레싱 광원(44)(어드레싱 광) 사이에 편광 입력 필터(42)가 개재되는데, 도 1a는 세 개의 구별되는 IR 광원들로서 상기 광원(44)을 도시하고 있으며, 그 각각은 적색, 녹색 또는 청색의 가시광(각각 IRR, IRG, IRB) 중 하나를 변조하도록 조율된 OASLM을 어드레싱 하게 되어 있다. 여기서 설명된 하나 또는 세 개의 어드레싱 광원들에 제한될 필요 없이, 다양한 실시예에서 어떠한 수의 어드레싱 광원들 및/또는 광 밸브들도 사용될 수 있지만, 도 5를 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 하나의 어드레싱 광원(44)이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 투사된 화상에서 컬러 제어에 대한 더 놓은 정확도와 효율을 위하여 세 개 이상의 컬러 광원들과 광 밸브들이 사용될 수도 있다. 그러한 변형은 여기서 도시된 예들로부터 쉽게 나올 수 있다. 입력 편광 필터(42)는 바람직하게는 반사형이며 OASLM(20)과 함께 단품으로 제조되지는 않는다.
(편광될 수도 있고 편광되지 않을 수도 있는) 광원(44)으로부터의 어드레싱 IR 광은 유리 오버레이층(22) 및 투명 전도성층(24)을 실질적으로 감쇠되지 않고 통과한다. OASLM(20)으로부터, 광원(44) 그 자체로부터 또는 어떠한 다른 광원 방출기로부터 출력된 가시광의 반사로 인해, 선택된 IR 대역 바깥의 광이 존재할 수도 있으며, 따라서 OASLM(20)의 설계는 선택된 대역의 IR 광만이 전면(22a)에 입사한다고 가정하지는 않는다. 상기 어드레싱 IR 광은 액정층(26)을 통과하게 된다. 변조될 가시광이, 아래에서 설명하듯이 한 번은 입력 경로를 따라 한 번은 출력 경 로를 따라 상기 층(26)을 두 번 통과하기 때문에, 상기 층(26)의 두께는 투과형 광 밸브들보다 바람직하게는 절반마큼 작을 수 있다. 광전도성층(32)에 부딪치는 입력 IR 어드레싱 광의 부과와 함께 투명 전도성층(24) 및 하부 전극(38)(또는 하부 전극으로서 기판/웨이퍼(40) 또는 기판/웨이퍼(40) 아래의 전극)에 걸쳐 인가된 전기장은 상기 층(26) 상에서 변조한다. IR 어드레싱 광은, 예를 들어, 상기 OASLM에서의 상호작용 또는 다양한 층들 및 인가된 전기장에 의해 결정된, 일정한 진폭, (이 예에서는 광자들에 의해 유도되는) 시간 변조된 에너지 분출을 제공함으로써 펄스폭 변조를 부과할 수 있다. 테스트에서, 발명자들은 출력 화상에서 210만개의 화소들을 생산하는 복굴절층(26) 내에서 210만개의 사각형들을 성취할 수 있었다. 해상도는 정의에 의해 더 낮아질 수도 있으며 실제로는 실질적으로 더 높다. 상기 IR 어드레싱 광은 일련의 광 펄스들 및/또는 에너지의 진폭 및/또는 시간 변조된 순차적인 또는 단일한 펄스로 구성될 수도 있다.
IR 어드레싱 광은 상기 층(26)으로부터 DBR 층(28)과 광차단층(30)을 통과하여 진행하는데, 상기 층(28, 30)들은 거의 모든 가시광 및 관심 있는 대역 바깥쪽으로부터의 광의 실제로 대부분을 제거하고, 그 광에 대해 상기 층(28, 30)들은 광차단층(30)의 아래를 진행하는 것으로부터 조정된다. IR 어드레싱 광은 그런 후 제 1 배리어층(36a), 제 1 캐리어 속박층(34a) 및 광전도성층(32)을 통과한다. 캐리어 속박층(34a, 34b)들의 두께(예를 들어, 바람직하게는 5 내지 20nm) 때문에, 이들은 광학적으로 활성 또는 응답성이 아니다. 광학적 응답성이 일반적으로 파장의 함수이지만, 모든 실용적인 목적을 위하여 LTG-GaAs는 밴드갭 에너지보다 위에 있는 가 시광 또는 IR 영역들에 있는 파장들에 대해 그 층의 두께가 약 100nm 이상일 때까지 광학적으로 응답성이 없는 것으로 이해된다. 약 100nm보다 작은 층 두께의 LTG-GaAs는 그 층이 광학적으로 무응답성이 되도록 하며, LTG-GaAs의 얇은 층 내에서 상기 어드레싱 광으로부터 어떠한 전하 캐리어들도 생성되지 않는다. 요약하면, 여기서 설명한 정도의 두께를 갖는 캐리어 속박층(34a, 34b)들은 광전도성이 아니다. 광전도성층(32)은 캐리어-트래핑이 아닌 것으로 간주되며; 전자 및 홀들은 상기 광전도성층(32) 내에서 자유롭게 이동한다는 점을 유의한다. 그러면 특정 실시예들 에 대한 전하 캐리어들에 있어서, 상기 전하 캐리어들은 광전도성층(32) 내에서만 생성되며; 캐리어 속박층(34a, 34b)들에서만 포획되고; 인가된 전기장의 반전에 따라 한 방향으로는 홀들이 이동하고 다른 방향으로는 전자들이 이동하여, 단지 한 종류의 캐리어가 각각의 캐리어 속박층에서 종료한다. 인가된 전기장의 반전에 따라, 하나 또는 모든 종류의 캐리어들은 포획된 반대 캐리어들과 자유롭게 재결합된다.
어드레싱 IR 광에 의해 여기된, 상기 광전도성층(32) 내의 공간적으로 국소화된 전자들 및 홀들은 인가된 전기장에 의해 광전도성층(32)의 서로 반대 방향들로 이동하는데; 인가된 전기장의 방향과 반대로 흐르는 전자들은 제 2 캐리어 속박층(34b)을 향하고 홀들은 전기장의 방향을 따라 제 1 캐리어 속박층(34a)을 향하며, 또는 인가된 전기장 방향에 따라 그 역도 된다. 이는 개략적인 전기적 도표로서 도 2a-2c에서 하나의 전기적 모델 해석에 대해 개략적으로 도시되어 있다.
도 2a는 자유 전하 캐리어들이 없는, 정적 상태와 같은 관련 층들을 도시하 고 있다. 광전도성층(32)은 고품질의 도핑되지 않은 GaAs, InGaAs 및/또는 AlGaAs 재료로 이루어져 있으며, 양 옆에서 제 1 및 제 2 캐리어 속박층(34a, 34b)들이 위치하고 있다. IR 광자 hν로서 도 2a에 도시된 어드레싱 광은, 도 2a에서 다른 층들이 조명되기 전에 제 1 캐리어 속박층(34a)에 충돌하도록 왼쪽으로부터 조명 층들로 입사한다. 도 2b에서, 어드레싱 IR 광자 hν는 전하 캐리어 전자 e- 및 홀 o+을 그 내부에서 자유롭게 하는 광전도성층(32)에 입사한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 인가된 전기장이 홀 o+을 제 1 캐리어 속박층(34a)으로 이동시키며, 상기 층(34a) 내의 비소 침전물들은 상기 캐리어 속박층 내에 홀들을 포획함으로써 홀 o+의 이동이 상기 층(34a)을 통과하는 것을 방해하고 그 내부에서 측방으로 이동하는 것을 방해한다. 동시에 그리고 이와 유사하게, 동일한 인가 전기장은 전자 e-를 제 2 캐리어 속박층(34b)으로 이동시키고, 상기 층(34b) 내의 비소 침전물들은 상기 전자들을 포획하여 상기 층(34b)을 넘어 가거나 또는 그를 가로질러 측방으로 이동하는 전자 e-의 이동을 방해하며, 그 결과 반대되는 전자 e-와 홀 o+은 광전도성층(32)의 양쪽 끝에서 포획된다. 도 2c에서, 인가된 전기장이 반전되면(또는 그렇지 않고 완화되거나 변조되면), 상기 대향하는 캐리어 속박층(34a, 34b)들로부터의 전자 e-와 홀 o+이 광전도성층(32) 내에서 재결합하게 되고, 다음의 화상 프레임을 위하여 OASLM(20)을 소거(clear)한다. 도 2d는 제 2 캐리어 속박층(34b)에서의 전자들과 홀들의 짝짓기를 도시하며, 도 2e는 제 1 캐리어 속박층(34a)에서의 전자들과 홀들의 짝짓기를 도시하는데, 여기서는 인가된 전기장이 반전되기 보다는 완화되어 있다. 위에서와 같이, 일 실시예에서, 인가된 전기장은 미국에서 60Hz인 비디오 전송 표준에서 요구되는 프레임 재생율(refresh rate)과 적어도 같은 빈도로 반전되며(비록 다른 응용예들은 더 빠른 또는 더 느린 프레임 속도를 요구할 수도 있지만), 캐리어 속박층(34a, 34b)들은 적어도 상기 재생율(인가된 전기장이 그 속도로 반전되고 프레임 화상이 재생된다)에 의해 정의된 시간 주기 동안 전자들 또는 홀들의 실질적인 분포를 포획하도록 설계된다. 한 예시적인 실시예에서, 상기 OASLM(20)은 인가된 전기장을 120Hz로 반전시킨다. 다른 예시적인 주파수들은 24Hz, 50Hz, 60Hz, 72Hz, 120Hz, 및 그 이상을 포함한다.
쇼트키 배리어로서 작용을 하는 비소 침전물들을 갖는 캐리어 속박층(34a, 34b)들은 실온에서 약 50밀리초 동안 전자 e-와 홀 o+을 제 자리에 유지시킬 수 있는 반면, 60Hz의 재생율은 약 16.67밀리초만을 요구한다. 재생율을 두 배로 하는 것은 분명히 캐리어 속박층(34a, 34b)들의 전기적 능력을 초과하는 것이 아니다. 이러한 시간은 AlGaAs, GaAs 및 InGaAs와 같은 선택된 LTG 재료에 따라 다르다.
전자 e-와 홀 o+로부터의 이러한 국소화된 전하들은 OASLM(20)의 특정 층들 내에 국소화된 전기장을 만든다. 이러한 전기장은 외부에서 인가된 전기장과 상호 작용하며, 제 1 캐리어 속박층(34a) 내의 전하 패킷들의 화상을 변조될 광으로 변환시키는 복굴절층(26) 위의 투명 전도성층(24)에 의해 종료되는 국소화된 전기장과 가장 가까운 복굴절층(26)을 변조한다.
하나의 간략한 전기 회로가 도 2f에 도시되어 있는데(외부 인가 전기장의 주파수에 따라 다른 것들이 부분적으로 존재한다), 여기서 광전도성층(32)과 복굴절층(26)은 하부 전극(38)(또는 하부 전극으로서의 기판(40))과 상부 전극으로서의 투명 전도성층(24) 사이에서 직렬로 연결된 캐패시터들로서 도시되어 있다. 도 1a에 도시된 광 밸브의 각각의 층이 몇몇 캐패시턴스를 주며; 아래의 설명과 관련된 층들만이 도 2f에 표시되어 있다는 점을 유의한다. 다양한 층들의 두께 및 그들의 유전율이 층의 캐패시턴스를 결정한다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 인가된 전기장이 10V라고 가정하는 예에서, (도 1a-1b의 상부 전극(24)에 가장 가까운) 복굴절층(26)은 약 2V(이는 달라질 수도 있다)의 전압 강하를 보이는 반면, (도 1a-1b의 하부 전극(38)에 가장 가까운) 광전도성층(32)은 약 8V(이는 달라질 수도 있다)의 전압 강하를 보인다. 국소 임피던스로서, 광전도성층(32) 내의 캐피시턴스 또는 국소 전기장은 전압 강하를 8V에서 6V로 바꾸며, 초과 전압은 복굴절층(26)으로 가서 전위를 2V에서 4V로 높인다. 이는 복굴절층(26)을 자극하여 그를 통해 통과/반사되는 판독 광을 변조시킨다(상기 층에 대한 문턱 전압이 2V와 4V 사이에 있다고 가정할 경우). 위의 전압 수치는 예시적인 것이며; 광 밸브는 위에서 언급한 것과 완전히 다른 전압 범위에서 동작할 수도 있다.
도 1a로 돌아가서, (IR 어드레싱 광과 동일한 광원(44)으로부터 기원할 수도 있고 아닐 수도 있는) 가시 영역 내의 판독 광(48)은 전면(22a)을 향해 안내되어, 이제 어드레싱 광과 광전도성층(32)으로부터의 화상을 운송하는 도 2e에 의한 상기 OASLM(20) 내의 복굴절층(26)으로 진행한다. 상기 판독 광(48)은 DBR 층(28)과 광차단층(30)에 의해 하부의 층들에 도달하지 못하게 된다. 판독 광(48)은 전면(22a)에 부딪치기 전에 편광 출력 필터(46)를 통과할 수도 있다. 판독 광(48)은 복굴절층(26)에서 변조되고, DBR 층(30)으로부터 반사되며, 복굴절층(28)에서 다시 변조 되고, 가시광(또는 다른 파장 대역의 광)으로서 투사를 위하여 전면(22a)(및 아마도 편광 출력 필터(46))을 다시 통과하여 나간다. 이러한 구조의 투과형 버전도 역시 가능할 수 있다.
도 3a-3c는 도 2b-2c 및 도 2e를 각각 반영하지만, 도 1a의 제 2 캐리어 속박층(34b)이 없는 도 1b의 실시예에 관한 것이다. 인가 전기장이 있는 경우, 도 3a는 도 2b와 같이 (제 1 배리어층(36a)과 광차단층(30)에 가장 가까운) 제 1 캐리어 속박층(34a)을 향해 이동하는 홀들을 도시하지만, 전자들은 제 2 배리어층(36b)을 향해 이동한다. 이러한 전자들은 일반적으로 광전도성층(32) 내에 머무르지만, 인가 전기장으로 인해, 제 2 배리어층(36b)에 가장 가깝고 제 1 캐리어 속박층(34a)으로부터 가장 멀며 상기 광전도성층(32)의 주면(major surface)에 가장 가까이에 누적된다. 인가 전기장의 반전, 완화 또는 다른 변조시에, 도 -3b는 광전도성층(32)으로 반대로 이동하는 홀들 및 제 1 캐리어 속박층(34a)을 향해 강하게 이동하거나(인가 전기장이 반전된 경우) 또는 광전도성층(32) 전체에 걸쳐 더욱 균일한 분포로 단순히 이동하는(인가 전기장이 완화된 경우) 전자들을 도시한다. 도 3c는 제 2 배리어층(36b) 가까이에 누적된 전자들이 이전에 제 1 캐리어 속박층(34a)에 포획되어 있는 홀들과 상기 제 1 캐리어 속박층(34a) 내에서 결합하는 것을 도시한다. 모든 경우에서, 홀들과 전자들은 인가 전기장의 변조로 결합하여, 다음의 프레임을 위해 OASLM(20, 20')을 소거한다.
제조하는 동안, GaAs 기판(40)은 에피택시 시드로서 작용을 하므로, 상기 기판은, 이후에 일부분이 (캐리어 속박층(34a, 34b)들의 전하 트랩으로서 동작하도록 상이한 부분들에 다양한 침전물들을 갖는) 광전도성층(32)으로 되는 상기 기판 위에서 성장된 GaAs 에피택시와 동일한 격자 구조 및 열팽창 계수를 갖는다. GaAs 에피택시의 두께는 장치(20)의 층들 중에서 상대적인 캐패시턴스, 임피던스 및/또는 저항들을 매칭시킴으로써 결정된다. 기계적인 강화재 및 아마도 하부 전극로서 작용을 하는 것과는 별개로, 일 실시예에서 완성된 제품 내의 GaAs 기판(40)은 불활성이다. 전극이 기판(40) 아래에 있는 경우, 상기 기판(40) 그 자체는 시스템 내의 전기적 성분이다. 캐리어 속박층(34a, 34b) 내에서 비소 침전물(또는 쇼트키 배리어로서 작용하는 노드)들의 농도는 전자 e-와 홀 o+에 대한 충분한 트래핑 시간 및 장치의 높은 해상도를 지지하도록 성장 공정에 의해 결정된다. 광차단층(30)의 두께는 상기 광차단층(30)을 위해 InGaAs, AlGaAs 또는 GaAs 중 어느 하나를 사용하는 경우에 상대적으로 얇아질 수 있다. 왜냐하면 이들이 매우 높은 흡수 계수를 갖기 때문이다. 상기 광차단층(30) 내의 인듐 또는 알루미늄의 몰 농도는, 필터를 형성하는 기능을 하는 특정 분산 브래그 반사기(DBR)(28)에 대해 최적화된다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 OASLM(20)을 제조하는데 있어서 달성될 수도 있는 어떤 제조 효율을 더욱 상세하게 도시한다. 도 4의 상부에 있는 것은, 도 4의 하부에 도시된 시간 대 온도의 성장 프로파일 매칭시키기 위하여 수평으로 배열된, 도 1a를 참조하여 설명된 최하부 8개 층들이다. 기판(40)은 도 4의 다른 층들이 성장되기 시작하는 GaAs 웨이퍼이다. 온도축은, 일 실시예에서, 섭씨 200-300도와 500-600도를 각각 나타내는 두 개의 온도, 즉 저온과 고온을 보이고 있다. 각 층을 성장시키는 시간은 원하는 층 두께에 의존하며, 도 4는 시간축을 따라 비 례적으로 되어 있지 않다.
온도는 고농도로 도핑된 GaAs, AlGaAs 또는 InGaAs의 층으로서 하부 전극(38)을 성장시키기 위하여 영역(50)에서 더 높은 온도로 상승하며, 마지막 두 개의 재료는 각각 Al 또는 In을 포함하는 증기의 존재 하에 성장된다. 상기 증기 내에서 Si 또는 Be와 같은 도판트(dopant)의 특정한 농도는, 하부 전극(38)이 전기적으로 전도성이 되도록 선택된다. 제 2 배리어층(36b)은 더 높은 온도로 영역(52)에서 성장되는 AlGaAs 또는 AlAs일 수 있으며, 상기 제 2 배리어층(36b)이 전기적으로 절연성이 되도록 도핑되지 않는다. 전극과 배리어층들의 배치는 위에서 논의된 것과 상이할 수도 있으며, 특히 전극은 기판 아래에 있을 수도 있고, 모두 존재한다면 배리어층 그 자체는 전극과 기판 사이에 있을 수도 있다.
일단 상기 제 2 배리어층(36b)이 원하는 두께 또는 그와 매우 가까운 두께가 되면, 도시된 영역(54)에서 온도가 낮아지고 제 2 캐리어 속박층(34b)이, 예를 들어, 일 실시예에서 분자빔 에피택시(MBE)에 의해 성장된다. 위에서 상세하게 설명한 바와 같이, 어닐링 시에, LTG-GaAs의 층을 형성하기 위해 더 낮은 온도에서 성장된 상기 제 2 캐리어 속박층으로부터 비소가 침전되어 나온다. 제 2 캐리어 속박층(34b)에 대해 원하는 두께에 도달하면, 광전도성층(32)을 성장시키기 위하여 영역(56)에서 온도가 상승한다. 도핑되지 않은 광전도성층(32)이 더 높은 온도에서 GaAs 또는 AlGaAs 또는 InGaAs로서 성장되고 있는 동안, 제 2 캐리어 속박층(34b)은 위에서 설명된 바와 같이 어닐링되고 있으며, 비소 침전물들은 상기 제 2 캐리어 속박층(34b)의 전체 부피에 걸쳐 거의 균일하게 분산된 구형의 노드(spherical node)들로 형성된다. 도핑되지 않은 광전도성층(32)의 성장은 상기 제 2 캐리어 속박층(34b)의 어닐링이 완료된 후에도 계속되며, 본 발명의 예시적인 실시예의 더 두꺼운 광전도성층(32)을 위해 추가적인 시간이 필요할 수 있다. 제 2 캐리어 속박층(34b)에 대한 추가적인 어닐링은 그 특성에 역효과를 주지는 않는다.
광전도성층(32)이 원하는 두께에 도달할 때, 위에서 설명된 제 2 캐리어 속박층(34b)과 유사하게, 어닐링시에 LTG-GaAs가 되는 제 1 캐리어 속박층(34a)을 성장시키기 위하여 영역(58)에서 온도가 다시 내려간다. 제 1 배리어층(36a)이 전기적으로 절연성이 되도록 AlGaAs 또는 AlAs으로서 상기 제 1 배리어층(36a)을 성장시키기 위하여 영역(60)에서 온도가 다시 상승한다. 영역(60)에서 상승된 온도는 상기 제 1 캐리어 속박층(34a)을 어닐링한다. MBE 공정에서의 증기의 조성이 영역(62)에서 변하여, 위에서 설명된 것과 같은 가시광을 차단하기 위한 목적에 필요한 특정 파라미터들로 조율된 광차단층(30)을 성장시킨다. 위로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 적어도 제 1 배리어층(36a)까지 각각의 층은 시드층의 역할을 하는 기판(40)으로부터 연속된 공정으로 순차적으로 성장될 수 있다. 증기 조성 및 온도와 같은 상기 연속된 공정에서의 특정 파라미터들을 변화시킴으로써 상이한 층들이 성장되지만 상기 공정은 단일하고 연속적이며, 따라서 제조 전망에 있어서 매우 효율적이다. 이는, 종래의 기술, 특히 기판이 투명하여야 한다는 매우 제한된 제약을 요구하는 종래의 후방 어드레싱 되는 광 밸브들에 비하여 구별되는 이점으로 볼 수 있다. 위에서 상세하게 설명된 공정에 의해 제조된 광 밸브는, 동일한 GaAs (또는 다른 기판) 에피택시로부터 형성된 다양한 층들이 인접한 층들과 불연속하지 않는 격자 구조를 보인다는 특징을 갖는다. 예를 들어, GaAs 광전도성층(32)은 인접한 LTG-GaAs 캐리어 속박층과 분자 구조에 있어서 상이할 수 있지만, 이들 구별되는 층들의 격자 구조는 차례로 연속적으로 흐른다. 이는, 상기 구별되는 층들을 정의하기 위하여 주위 환경에서 온도, 압력, 가스의 몰 농도 등에 의해 공정이 변할 수도 있지만, 같은 격자의 재료들의 단일한 에피택시 성장 공정으로 상기 층들이 성장되기 때문이다. 위에서 설명한 바와 같이, 불연속이 아닌 격자 구조는, 기판(40)으로부터 광차단층(30)까지 및 모든 삽입층들, 또는 기판(40)으로부터 상기 삽입층들 중 어느 하나까지 명백할 수 있다.
DBR 층(28)은 특정 대역 또는 에너지 범위 내의 파장들만을 통과시키고 상기 대역의 위 및 아래에 있는 모든 에너지/파장들을 실질적으로 반사시키는 대역 통과 또는 노치 필터로 간주될 수 있다. 위에서와 같이, 광차단층(30)은 파장-정의된 노치 바깥에 있는 파장들을 특히 차단하도록 조율되어 있다. DBR 층(28)을 통과하는 통과 대역은 더 높은 그리고 더 낮은 파장 범위들로 제한될 수 있다.
도 5는 도 1a와 같은 광학적으로 어드레싱 되는 공간 광변조기 OASLM(20)의 일 실시예 또는 위에서 설명된 대안적인 실시예들을 사용하는 광학 엔진(64)의 한 실시예를 도시한다. 본 특정 실시예는 세 개의 '컬러'로 가시광을 처리하는 단일한 OASLM(20)을 사용하는데, 여기서 광의 구별되는 IR 대역은 가시광의 세 개의 컬러를 어드레싱 한다. 광원(66)은 먼저, 어드레싱 렌즈(68)에서 포커싱되고 제 1 다이크로익 미러(70)에 의해 반사되어 광대역 PBS(72)에 도달하는 단일한 IR 대역 내의 어드레싱 광을 제공한다. 일 실시예에서, 광학기기는 상기 어드레싱 광이 일단 어 드레싱 렌즈(68)를 통과한 후에 S-편광되도록(또는 P-편광되도록) 한다. 다른 실시예에서, 광원(66) 그 자체는 편광된 어드레싱 광을 제공한다.
그런 후 어드레싱 광은 광대역 편광 빔스플리터(PBS) 큐브(72)(또는 다른 형태의 PBS 성분) 내에 들어간다. 상기 광대역 PBS 큐브는 OptoSigma Corporation of Santa Ana, California 및 다른 다양한 제조업자들로부터 상업적으로 입수할 수 있다. IR 대역의 어드레싱 광은 그런 후 PBS(74)에 의해 반사되어 OASLM(20)의 전면(22a)으로 향한다. 위에서 설명한 바와 같이, 상기 어드레싱 광은, 제 1 캐리어 속박층(34a)에 의해 정의된 포획 시간보다 짧은 주기에 걸쳐 반전되는 가변의 인가 전기장의 인가에 의해 복굴절층(26)에서 화상으로 변환된다.
가시광 영역의 판독 광이 광원(67)으로부터(또는 IR 어드레싱 광원과 동일한 광원으로부터) 방출된다. 도 6의 실시예에서, 판독 광은 모든 가시 스펙트럼을 포함하는 백색광이다. 상기 판독 광은 광학기기들을 통과하여 편광되고 그런 후 제 1 다이크로익 미러(70)를 통과하여 PBS 큐브(72)로 들어가 PBS(74)에 의해 반사되어 OASLM(20)의 전면(22a)으로 향한다. OASLM(20)에서, 판독 광은 그를 변조시키는 복굴절층(26)을 지나 DBR 층(28)에 의해 반사되어 전면(22a)에서 상기 OASLM(20)의 외부로 나온다. 그런 후 변조된 판독 광은 상기 PBS 큐브(72)로 다시 들어가서 편광자(74)를 통과하여 세 개의 개별적인 컬러 필터(76)들의 각각을 통과한다. 편광자(74)를 통과하지 않은 광은 광원(67)을 향해 다시 반사된다. OASLM(20)를 향한 첫 번째 통과에서는 편광자(74)에서 상기 판독 광이 반사되지만 OASLM(20)를 지나 두 번째 또는 '복귀' 통과에서는 그를 통과한다는 점을 유의한다. 이는, (도 1a에 도시된) 복굴절층(26)이 그를 통과하는 판독 광의 편광 상태를 변경하기 때문이다. 편광 상태의 변화는 광이 두 번째 통과에서 편광자(74)를 통과하게 한다. 첫 번째 통과에서 판독 광의 편광은 광학기기에 의해 또는 별개의 편광 필터(예를 들어, 도 1a의 성분(46))에 의해 설정될 수 있다. 만약 상기 광학 엔진이 고유의 투사 스크린을 포함하지 않는 독립형(stand-alone) 프로젝터의 부품이라면, 컬러 필터(76)는 OASLM(20)로부터 나온 가시 판독 광을 처리하며, 판독 광은 그런 후 후방 투사 TV의 유리 표면 또는 벽(또는 펼쳐진 스크린)과 같은 스크린 위로 화상을 투사하는 일련의 투사 렌즈들(78)을 통과한다. 도 5는, 도 6-7과 비교할 때, 이들 실시예들 중에서 도 5가 단일한 OASLM(20)를 사용하기 때문에 더 저렴한 실시예로 보인다.
도 6은 PBS/x-큐브 배치를 중심으로 세 개의 구별되는 컬러의 광 밸브(20-R, 20-G, 및 20-B)(각각 적색, 녹색 및 청색을 위한)를 사용하는 광학 엔진(80)의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 6에서 어드레싱 광이 세 개의 구별되는 IR 대역으로 도시되어 있다는 점을 제외하고는, 어드레싱 광원(66), 어드레싱 렌즈(68), 제 1 다이크로익 미러(70), PBS 큐브(72), 및 제 2 편광자(74)는 도 5에 대하여 설명된 동일한 구성과 원리적으로 유사하다. 이들 IR 어드레싱 광 대역들은, OptoSigma Corporation of Santa Ana, California로부터 역시 입수할 수 있는 다이크로익 x-큐브(82)에 의해 이들 IR 어드레싱 광 대역들이 분할되기 때문에, 단일 광원(66)로부터도 또는 다수의 광원들로부터도 나올 수 있다. 상기 광원(66)는 어드레싱 광과 판독 광을 제공할 수도 있고, 또는 판독 광이 별개의 광원(67)에 의해 제공될 수도 있다. 모든 예에서, 어드레싱 광은 OASLM(20) 상에 적절히 결상되기 위하여 어드레 싱 렌즈(68)를 통과한다.
특히, 도 5의 실시예에 비교할 때, 도 6의 실시예는 PBS(72)와 OASLM(20) 사이에 다이크로익 x-큐브(82)를 배치시키며, 단일한 OASLM(20) 대신에, 하나의 컬러-특정 OASLM(20-R, 20-G, 20-B)가 PBS(72)에 인접하지 않고 상기 다이크로익 x-큐브의 나머지 면들 각각에 인접하여 배치된다. x-큐브(82) 내에는, 제 1 및 제 2 교차-다이크로익 미러(84 및 86)들이 각각 있다. 제 1 및 제 2 교차-다이크로익 미러(84, 86)의 반사 및 통과 특성은, 제 1 교차-다이크로익 미러(84)가 S-편광의 IRR 어드레싱 광을 통과시키고 S-편광의 IRB 어드레싱 광을 반사하며, S 및 P 편광 모두의 적색 판독 (가시) 광을 통과시키지만 모든 편광의 청색 판독 (가시) 광을 반사하도록 한다. 제 2 교차-다이크로익 미러(86)는 S-편광의 IRB 어드레싱 광을 통과시키고 S-편광의 IRR 어드레싱 광을 반사하며, S 및 P 편광 모두의 청색 판독 (가시) 광을 통과시키지만 모든 편광의 적색 판독 (가시) 광을 반사한다. 제 1 및 제 2 교차-다이크로익 미러(84, 86)들은 모두 S-편광의 IRG 어드레싱 광을 통과시키고 S 및 P 편광 모두의 녹색 판독 (가시) 광을 통과시킨다. 물론, 이는 PBS(72)로 들어가는 광의 초기 편광이 S-편광이라고 가정한 것이며; 초기 편광이 P-편광이고 판독 광이 다양한 광 밸브(20-R, 20-G, 20-B) 내에서 S-편광으로 전환된다면, 위의 편광들은 반전된다.
최종 결과는 도 6에 도시되어 있다. IRR 대역의 어드레싱 광은 기본적으로 그 대역의 어드레싱 광에 대해 민감한(조정된) OASLM(20-R)으로만 진행한다. 상기 특정 OASLM(20-R)의 DBR 층(28)과 광차단층(30)은 IRR 영역 바깥의 가시광, IRG 및 IRB를 포함하는 광을 차단하도록 설계된다. 적색 가시광 대역에 있는, 제 1 편광(예컨대, S)의 판독 광이 상기 x-큐브(82)를 통과할 때, 상기 판독 광은 제 2 다이크로익 미러(86)로부터 반사되고 제 1 다이크로익 미러(84)를 통과하여 상기 적색-조정된 OASLM(20-R)에 입사한다. 적색 가시광 대역에 있는 판독 광은 OASLM(20-R) 내에서 편광 상태가 제 2 편광 상태로 바뀌어 x-큐브(82)로 출사하며, 제 2 다이크로익 미러(86)로부터 반사되고 제 1 교차-다이크로익 미러(84)를 통과하며, 계속해서 PBS(72)의 편광자(74)를 두 번째에서 통과하여 투사 렌즈(78)들을 향해 나간다(편광자(74)를 통과하지 않는 적색 광은 편광자에 의해 반사되어 마침내 광원(67)에서 포획된다). 나머지 두 개의 광 밸브(20-G 및 20-B)들은, 적절한 기록(write) 및 판독 대역들 내에 있는 광을 선택된 광 밸브로 그리고 광 밸브로부터 선택적으로 통과 및 반사하도록 동작하는 다양한 교차-다이크로익 미러(84, 86)들 및 편광들로, 유사하게 동작한다.
도 7은 두 개의 상이한 PBS 큐브(72', 72")들과 하나의 통합 PBS 큐브(90)를 중심으로 배치된 세 개의 컬러-구별 광 밸브(20-R, 20-G, 20-B)들을 이용하는 특히 유리한 광학 엔진(88)을 도시하고 있다. 도 7의 실시예는 본 발명의 실시예들에 따른 전방으로 어드레싱 되는 OASLM(20-R, 20-G, 20-B)에, "Colorlink® technology" 또는 그와 유사하게 불리는 종래의 광학 엔진을 적용한 것을 나타낸다. 광원(66), 어드레싱 렌즈(68) 및 투사 렌즈(78)는 도 5를 참조하여 설명된 것들과 유사하다. 세 개의 IR 대역들 내에 있는 IR 어드레싱 광은, 어드레싱 렌즈를 통과하는 IR 광으로 편광시킬 수도 있는 단일 광원 또는 (광원(67)과 공존할 수도 있는) 다수의 광원(66)들로부터 나온다. 가시의 판독 광은 단일 광원 또는 다수의 광원(67)들로부터 나온다. IRR 이 IRG 및 IRB 어드레싱 광과 상이하게 편광되도록, 하나 또는 그 이상의 편광 필터들이 조명 광경로들을 따라 배치될 수도 있다. 본 설명에서는, IRR은 P-편광되어 있고 IRG와 IRB는 각각 S-편광되어 있지만, 이는 쉽게 바뀔 수 있다. 구체적으로 도시되어 있지 않지만 대안으로서, 도 7의 왼쪽으로부터 입사하는 어드레싱 광의 상이한 파장 대역들은 모두 동일한 편광 상태를 보일 수도 있으며, 다이크로익 필터가 이를 가능하게 하기 위하여 편광자(96)의 전방에 배치될 수 있고, 또는 Colorlink® 필터들이 이에 따라 변형될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 상이한 어드레싱 광들의 편광이 필요하지 않다. 열반사 미러(hot mirror)(92)는 관심 있는 대역들 내에 있는 모든 IR 및 가시광을 청색-투과 다이크로익 미러(94)로 향하게 한다. OASLM(20-R, 20-G, 20-B)의 위치들은 변할 수도 있으며 따라서 광경로들에 대한 설명은 변할 것이다; 도 7에 도시된 특정 배치는 예시적으로 도시된 것이며, 배타적인 것이 아니다.
가시의 청색 판독 광과 대응하는 IR 어드레싱 광 IRB는 다이크로익 미러(94)를 통과하여 청색-지향 PBS(72')를 향하며 상기 PBS(72')의 편광자(98)에서 반사되어 청색-조정 OASLM(20-B)에 입사한다. 가시의 청색 범위에 있는 판독 광은 동일한 광경로를 지나가며, 여기서 일부분이 OASLM(20-B) 내에서 P-편광으로 변환될 수 있으며, OASLM(20-B)을 나와서 청색-지향 PBS(72')를 통과하여 통합 PBS 큐브(90)에 입사한다. 이와 유사하게, 가시의 녹색 및 적색 판독 광과 (각각) 대응하는 IR 어드레싱 광 IRG 및 IRR은 청색-투과 다이크로익 미러(94)로부터 반사되어 적색 및 녹색-지향 PBS(72")로 들어간다. 상기 PBS(72") 내에서, IRR 어드레싱 광은 편광자의 전방에 있는 IRR/IRG-지향 다이크로익 미러(96)를 통과하여 적색-조정 OASLM(20-R)에 입사한다. 가시의 적색 범위에 있는 판독 광은 IRR에 대해 설명한 것과 동일한 광경로를 지나며, OASLM(20-R) 내에서 P-편광으로 변환되어 상기 OASLM(20-R)로부터 나온 후에, 적색/녹색-지향 다이크로익 미러(96)에 의해 반사되어 통합 PBS 큐브(90)를 향한다. 동일한 PBS(72") 내에서, IRG 어드레싱 광은 상기 적색/녹색-지향 다이크로익 미러(96)로부터 반사되어 녹색-조정 OASLM(20-G)에 입사한다. 가시의 녹색 범위에 있는 판독 광은 IRG에 대해 설명한 것과 동일한 광경로를 지나며, 상기 OASLM(20-G) 내에서 P-편광으로 변환되어 OASLM(20-G)로부터 나온 후에, 적색/녹색-지향 다이크로익 미러(96)를 통과하여 통합 PBS 큐브(90)를 향한다.
이때, 세 개의 판독 광 컬러, 적색, 녹색 및 청색은 모두 통합 PBS 큐브(90) 내에 존재하게 된다. 청색은 통합 PBS(99)로부터 반사되는 반면, 적색과 녹색은 이를 통과하게 되고, 별개의 광 밸브(20-R, 20-G, 20-B)들에 의해 변조된 세 개의 컬러는 모두 다중-컬러 화상 투사를 위하여 함께 투사 렌즈(78)를 통과하게 된다. 종 래의 Colorlink® 기술 광 엔진에 대비한 이점들은 이하에서 설명된다.
LED로 조명되는 판독 광의 경우에, 도 7의 실시예에서 소비 전력 및 따라서 열이 크게 감소한다. 반면 종래의 Colorlink® 기술은 점선으로 둘러싸인 블록에 도시된 바와 같이 통상적으로 아크 램프를 사용한다(그리고 이는 매우 높은 에너지 사용과 열 발생에 관련되어 있다). 도 7의 실시예는, OASLM(20)의 제곱센티미터 당약 50 마이크로와트 정로로 동작하는 어드레싱 광원(66)으로서, 미세 전자 기계 시스템(micro-electrical mechanical system; MEMS)이나, 또는 심지어 강유전성 액정(ferro-electric liquid crystal; FLC) 장치 또는 네마틱 액정(nematic liquid crystal; NLC) 장치와 함께 IR 레이저 다이오드, LED 또는 다른 광원을 사용할 수 있다. 이러한 어드레싱 광변조는 Colorlink® 기술의 LCoS 기술에는 존재하지 않는다. 열 발생은, 후방 투사 텔레비전을 포함하는 상이한 프로젝터들을 비교하고 대조하기 위하여 소비자에게 평균 벌브 시간(average bulb time)이 종종 주어지는 현재의 프로젝터 기술과 깊은 관계가 있다.
두 번째, 종래의 Colorlink® 기술은 투사 렌즈 전에 세 개의 상이한 컬러 화상들을 정렬시키는데 있어서 매우 큰 어려움을 부과한다. 도 7 및 도 8의 실시예들은 상이한 화상들에 대한 개별적인 정렬 체계에 대한 필요성을 갖지 않는데, 왜냐하면 이들 모두가 정확한 화소 정렬을 제공하는 동일한 어드레싱 광원으로부터 유도되기 때문이다. 다양한 컬러-특정 화상들을 정렬하는 것은 단순히 광원(66)과 투사 렌즈(78) 사이의 상이한 광경로들을 동일하게 만드는 문제이며, 인간의 눈에 의해 감지될 수 있는 것을 넘어서는 정확도가 쉽게 달성되는 꽤 수월한 공정이다.
도 8은 상술한 OASLM 실시예들을 사용하도록 구성된 다른 광학 엔진(100)을 도시하고 있다. 아크 램프 또는 LED와 같은 광원(102)은 일련의 두 플라이아이 렌즈(104, 106)들 및 릴레이 렌즈(108)로 광을 출력하며, 상기 광은 다이크로익 스플리터 또는 다이크로익 필터(110)에서 (R, G 및 B로 각각 표시된) 적색, 녹색 및 청색 대역으로 분리된다. 여기서는 적색 대역의 진행 경로가 설명되며, 청색 및 녹색의 진행 경로는 개념적으로 이와 유사하다. 적색 대역의 광은 한 쌍의 전환 미러 또는 전환 다이크로익(112, 114)에 의해 반사되어 또 다른 릴레이 렌즈(116)를 통과하고 광 경로에 대해 45도의 각도로 편의상 배치된 편광자(118)를 통과한다. 예컨대, 상기 편광자(118)는 와이어 그리드 편광자(wired grid polarizer)(예컨대, Moxtek®로부터 입수 가능) 또는 편광 빔스플리터(예컨대, 3M®로부터 입수 가능한 Viquiti® 스플리터와 같은)로서 알려진 것일 수 있다. 적색 대역은 편광자(118)를 일직선으로 통과하여 도 1a-1c에 도시된 것과 같은 OASLM(20) 광 밸브에 입사한다. 상기 OASLM(20)으로부터의 출력 광은 편광자(118)로부터 반사되고, 바람직하게는 클린업(clean-up) 편광자(124)를 통과하여 X-큐브(122)의 한 입사면(120a)을 향하게 된다. 녹색 및 청색 대역들도, 도 8에서 청색에 대해 프라임으로 표시되어 있고 녹색에 대해 더블 프라임으로 표시되어 있는 진행 경로(청색 및 녹색 대역이 모두 통과하는 전환 미러(112', 114')는 예외이다)에 대해 유사한 구성 요소들을 가지면서 위와 비슷한 진행 경로를 따른다. 청색 광은 X-큐브(122)의 제 2 입사면(120b)으로 입사하고, 녹색 광은 X-큐브(122)의 제 3 입사면(120c)으로 입사한다. 적색, 녹색 및 청색 대역들은 X-큐브(122) 내에서 혼합되고, 출사면(120d)을 통과하여 출 력 또는 투사 광학장치(126)로 입사한다.
도 8에는 또한, 기록 광으로 위에서 부른 어드레싱 광학을 위한 장치가 도시되어 있다. 기록 광원(130)은 적색, 청색 및 녹색을 위한 상이한 대역의 적외선 기록 광을 각각 출력하는 세 개의 LED들로서 도시되어 있다. 적외선 소스 광은 빔 익스팬더(beam expander)(132) 및 편광자(134)(또는 편광된 광이 사용되지 않는다면 선택적으로 빔 조정기)를 통과하여 기록 광 변조기(136)에 입사한다. 변조된 기록 광은 상기 변조기(136)로부터 출력되어 상기 편광자(134)로 다시 안내되고 앞서 상세하게 설명된 다이크로익 스플리터(110)를 향한다.
비록 특정 실시예들의 상황으로 설명되었지만, 이러한 설명들에 대한 많은 변형들 및 다양한 변화들이 발생할 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명이 하나 또는 그 이상의 실시예들에 대해 특정하여 도시되고 설명되었지만, 위에서 설정된 또는 첨부된 특허청구범위로부터 설정된 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 소정의 변형 또는 변화들이 이루어질 수 있다는 점을 본 기술분야의 당업자는 이해할 것이다. 여기서 특허청구범위는 한 층이 다른 층 '위에' 또는 '아래에' 배치된 것으로 언급하고 있는데, 그러한 관계는 상대적 배치를 나타내는 것이고 그 층들이 반드시 서로 인접하고 있다는 것을 의미하지는 않으며; 다른 층 위에 배치되어 있는 층은 그들 사이에 하나 또는 그 이상의 삽입 층들을 배제하지 않는다.

Claims (31)

  1. 제 1 전극층;
    상기 제 1 전극층 위에 배치된 전기적 절연성 제 1 배리어층;
    상기 제 1 배리어층 위에 배치된 광전도성층;
    상기 광전도성층 위에 배치된 것으로, 부피를 한정하고 있으며 전체 부피에 걸쳐 분산된 다수의 캐리어 트랩을 포함하는 캐리어 속박층;
    상기 캐리어 속박층 위에 배치된 전기적 절연성 제 2 배리어층;
    선택된 파장 대역의 광을 차단하기 위하여 상기 제 2 배리어층 위에 배치된 광차단층;
    선택된 파장 대역 내에 있는 광을 반사하기 위하여 상기 광차단층 위에 배치된 반사층;
    상기 반사층 위에 배치된 복굴절 또는 분산층; 및
    상기 복굴절 또는 분산층 위에 배치된 광투과성 제 2 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극층에 결합된 전원; 및 상기 제 1 및 제 2 전극층에 걸쳐 상기 전원에 의해 부과된 인가 전기장을 주파수 X로 반전시키기 위한 스위치;를 더 포함하며,
    상기 캐리어 속박층은 적어도 1/X의 시간 주기 동안 제 1 타입의 전하 캐리어들의 대부분을 포획하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 캐리어 속박층은, 상기 제 1 및 제 2 전극층에 걸쳐 순방향의 인가 전기장이 인가되어 있을 때 적어도 1/X의 시간 주기 동안 제 1 타입의 전하 캐리어들을 포획하고, 상기 제 1 및 제 2 전극층에 걸쳐 역방향의 인가 전기장이 인가되어 있을 때 적어도 1/X의 시간 주기 동안 제 2 타입의 전하 캐리어들을 포획하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층은 실질적으로 불투명한 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 속박층은 제 1 캐리어 속박층이며,
    상기 제 1 배리어층과 상기 광전도성층 사이에 제 2 캐리어 속박층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복굴절 또는 분산층에 인접하여 배치된 적어도 하나의 정렬층을 더 포 함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전도성층은 갈륨 비소를 포함하며, 상기 캐리어 속박층은 비소 침전물들이 내부에 분산되어 있는 갈륨 비소, AlGaAs 또는 InGaAs 중에 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캐리어 속박층은, 상기 캐리어 속박층이 광학적으로 불활성이 되도록 하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 상이한 굴절률을 갖는 재료들의 교호하는 서브-층들로 이루어진 분산 브래그 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반사층은 제 1 분산 브래그 반사기층을 포함하며, 상기 광학 장치는 상기 제 2 배리어층과 상기 광차단층 사이에 배치된 제 2 분산 브래그 반사기층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 적외선 어드레싱 광의 광원 및 상기 광학 장치와 상기 광원 사이에 배치된 편광 필터와 결합되어 있으며, 상기 편광 필터는 상기 광학 장치와 물리적으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 광원과 상기 광학 장치 사이에 배치된 광학 엔진과 결합되어 있으며, 상기 광원으로부터의 판독 및 어드레싱 광이 상기 광학 엔진을 통해 제 1 광경로를 따라 진행하여 상기 광투과성 제 2 전극층을 통과하여 상기 광학 장치로 들어가며, 판독 광은 상기 광투과성 제 2 전극층을 통해 상기 광학 장치로부터 나와서 상기 광학 엔진을 통해 제 2 광경로를 따라 진행하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학 엔진은 제 1 및 제 2 광경로를 따라 배치된 적어도 하나의 다이크로익 미러를 포함하며, 상기 광학 장치는 상기 광학 엔진을 통과하는 판독 광의 경로를 제 1 광경로로부터 제 2 광경로로 바꾸기 위하여 판독 광의 편광을 회전시키는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 선택된 파장 대역이 가시광의 스펙트럼 내에 있으며, 어드레싱 광은 적외선 광을 포함하고 판독 광은 가시광을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배리어층은 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 1 배리어층 사이에 배치되거나 또는 상기 제 1 배리어층과 상기 광전도성층 사이에 배치되는 웨이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  17. 제 1 항 있어서,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 1 배리어층 사이에 배치된 웨이퍼를 더 포함하며, 상기 웨이퍼와 상기 제 1 전극층 사이에 배치된 제 3 배리어층 및 유전체층 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  18. 제 1 전도성층을 제공하는 단계;
    섭씨 약 425도보다 낮은 온도로 상기 제 1 전도성층 위에 갈륨 비소(GaAs) 층을 성장시키는 단계;
    상기 GaAs 층 위에 전기적 절연층을 배치시키는 단계;
    상기 전기적 절연층 위에 광전도성층을 배치시키는 단계;
    상기 광전도성층 위에 선택된 파장 대역의 광을 차단하는 광차단층을 배치시키는 단계;
    상기 광차단층 위에 선택된 파장 대역의 광을 반사하는 반사층을 배치시키는 다계;
    상기 반사층 위에 복굴절층 또는 분산층을 배치시키는 단계; 및
    상기 복굴절 또는 분산층 위에 광투과성 제 2 전도성층을 배치시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복층 광학 장치를 제조하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전도성층들에 걸쳐 인가된 전기장을 반전시키도록 동작할 수 있는 전기적 스위치를 통해 상기 제 1 전도성층을 상기 광투과성 제 2 전도성층과 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 GaAs 층을 성장시키는 단계는 약 5nm 내지 20nm 사이의 두께로 GaAs 층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 GaAs 층을 성장시키는 단계는 섭씨 약 200-300도 사이의 온도로 GaAs 층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 GaAs 층을 성장시키는 단계는 섭씨 약 500-700도 사이의 더 높은 온도로 상기 GaAs 층을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 GaAs 층을 어닐링하는 단계는 약 20분보다 길지 않은 시간 동안 어닐링하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 GaAs 층은 AlGaAs 또는 InGaAs 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 GaAs 층은 두께 방향을 따라 Al 또는 As의 농도가 점차 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 18 항에 있어서,
    상기 광전도성층은 Al 및 In 사이의 몰 비율이 그 두께 방향을 따라 변화하 는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 광전도성층은 약 100nm와 약 10마이크론 이하 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 18 항에 있어서,
    상기 광차단층은 그를 가로질러 인가된 전기장에 대해 광학적으로 불변인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 18 항에 있어서,
    상기 선택된 파장 대역은 가시광이며 상기 반사층은 적외선 광을 통과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 반사층은 대역 통과 노치 필터인 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 반사층은 비소 화합물 및/또는 산화물의 교호하는 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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