專利名稱：采用過渡改性結(jié)構(gòu)非晶硅光敏層的液晶光閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光選址空間光調(diào)制器，尤其涉及一種非晶硅液晶光閥。
與本發(fā)明有關(guān)的液晶光閥，主要包括用光導(dǎo)層作光敏材料并在反射模式下工作的光閥。Boswell等于1977年4月16日申請專利(U.S.pat.4019807)，該光閥以CdS作光導(dǎo)層，CdTe作阻光層以及MgF2/ZnS作介質(zhì)反射層。隨著非晶硅(a-Si∶H)材料的發(fā)展，逐步以a-Si∶H取代CdS制備液晶光閥的光敏層，使光閥響應(yīng)時(shí)間得到大為改善，且有良好的可見光吸收特性。這種光閥初期報(bào)導(dǎo)中都不考慮阻光層或介質(zhì)反射層，由于a-Si∶H對可見光十分敏感，從反射模式光閥角度看，很強(qiáng)的讀出光只要有極小一部分到達(dá)a-Si∶H光敏層就會(huì)掩蓋掉入射的較弱的信號光，因而這種光閥的對比度等性能較差。1989年1月24日Sterling申請專利(U.S.Pat.4799773)描述了以a-Si∶H作光敏層，CdTe作阻光層，SiO2/TiO2多層膜作介質(zhì)反射層，這種光閥必須考慮在光敏層和阻光層間制備一中間結(jié)構(gòu)層，否則將產(chǎn)生脫開，這種光閥的缺點(diǎn)是制備復(fù)雜、周期長，光敏層和阻光層的制備還要兩套沉積系統(tǒng)，為保持較高電阻率，CdTe在沉積時(shí)還需特別精確地控制其化學(xué)計(jì)量。1988年2月9日Aoki等曾申請專利(U.S.Pat.4723838)描述了非晶硅鍺合金阻光層，用于TFT器件，由于TFT器件為分離點(diǎn)陣，不會(huì)因?yàn)樽韫鈱游锢韰?shù)不匹配而影響器件分辨率等特性，因而此阻光層未能在光閥器件中推廣應(yīng)用。1992年1月22日Slobdin申請專利(U.S.pat.5084777)提出了可用于液晶光閥的a-SiGe∶H阻光層，可以滿足光閥的分辨率、對比度等要求，與a-Si∶H光敏層結(jié)合也較好，且可以在同一薄膜沉積系統(tǒng)中完成制備，此阻光層既解決了吸收剩余光的問題，又使制備光閥變得較為方便。
我們對非晶硅液晶光閥進(jìn)行過詳細(xì)的研究，根據(jù)所探討光閥的特點(diǎn)，考慮非晶硅光敏層屬于弱光照模式，光照下光敏層的電阻RP隨光強(qiáng)I和工作頻率f的關(guān)系如下RP(I,f )=K0fSAIK0fS+1(1)]]>式中s為0～-1之間的系數(shù)，K0和A分別為與光敏層材料暗電阻和光照特性有關(guān)的系數(shù)。光敏層的阻抗XP則可以表示如下XP=RP/ ［1+(2πf )2C2PR2P］12(2)]]>其中CP為光敏層的電容。從方程(1)和(2)可以看出，液晶光閥的工作頻率受光敏層光、暗阻抗的限制，頻率太高，光、暗阻抗的變化就太小，而光、暗阻抗的變化又受光敏材料的電阻及電容的控制。另一方面，與光敏層內(nèi)載流子橫向擴(kuò)散有關(guān)的分辨率限Δm可以用下式近似表示Δm=4c(kT/e)12{(12d2/V0)12[1-(μS/μ)12]+[μSπ/(zω)]12(3)]]>式中C為系數(shù)，一般小于1，該系數(shù)與材料本身性質(zhì)密切相關(guān)，d為光敏層厚度，μ和μs為光敏層本體及表面遷移率，V0和ω分別為液晶光閥的工作電壓和工作角頻率。在理想情況下應(yīng)滿足V0＝2Vt(4)式中Vt為液晶光閥液晶層的閾值電壓。從式(3)和(4)分析可以看出，要使材料物理參數(shù)已經(jīng)確定的液晶光閥，更進(jìn)一步地提高分辨率，一般應(yīng)提高操作頻率ω，但根據(jù)上面的分析已知，頻率的提高使光敏層光、暗阻抗的變化減小，將影響到光閥的對比度。所以，要在其它特性參數(shù)不變情況下，得到更高分辨率的液晶光閥，而又不影響對比度，必須采取其它辦法。從這一點(diǎn)看，Slobodin提出的阻光層，盡管制作較方便，與a-Si∶H光敏層結(jié)合也較好，但仍然受a-SiGe∶H材料本身的電阻、電容特性控制，利用這種阻光層的液晶光閥，其分辨率提高與否只受材料本身性能影響，在無法改善材料有關(guān)特性時(shí)，也就無法再提高光閥的性能，在Slobodin的研究中并未考慮到其它改善操作頻率，進(jìn)一步提高分辨率的方法。
本發(fā)明的目的是要徹底解決阻光層制備復(fù)雜以及與光敏層之間的脫開問題，而且在無法改善材料本身特性條件下，使液晶光閥分辨率得到提高，光閥的制備方法得到顯著簡化，光閥的使用性能得到改善。
本發(fā)明方案提出一種含有過渡改性結(jié)構(gòu)光敏層的反射型液晶光閥，重要特點(diǎn)是在這種光閥的結(jié)構(gòu)中不再含有阻光層。所述的光敏層是一種在膜層厚度方向改性的a-Si∶H半導(dǎo)體材料，材料以a-Si∶H結(jié)構(gòu)為本體，其中一側(cè)為本征型或摻磷半導(dǎo)體，光學(xué)能隙約1.75ev，光/暗電阻比10-2～10-3;另一側(cè)為摻微量硼或不摻硼的半導(dǎo)體材料，結(jié)構(gòu)中后者至少含有約20%的晶體，其尺寸在60～150A的范圍內(nèi)，光學(xué)能隙小于1.6ev，可見光吸收系數(shù)達(dá)105cm-1，光/暗電阻比為0.4～0.9。光敏層兩側(cè)材料的不同摻雜特性，兩側(cè)材料的費(fèi)米能級發(fā)生相應(yīng)偏移，使層內(nèi)出現(xiàn)了類p-n或p-i結(jié)的特性，光、暗結(jié)電容變化明顯，可在更高頻率下使用，獲得更高的分辨率。
本發(fā)明與已有技術(shù)比較具有的顯著效果1.由于采用過渡改性結(jié)構(gòu)的光敏層，不必再有阻光層，因而徹底解決了阻光層制備工藝復(fù)雜以及阻光層的脫開問題。
2.由于采用過渡改性結(jié)構(gòu)的光敏層，在無法改善材料本身特性情況下，能實(shí)現(xiàn)改善操作頻率，由光敏層材料載流子擴(kuò)散控制的分辨率限仍可得到提高。
圖面說明附圖
是本發(fā)明液晶光閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
參照附圖詳細(xì)描述結(jié)構(gòu)方案寫入光11透過光學(xué)玻璃1和蒸鍍在光學(xué)玻璃1上的透明導(dǎo)電膜(ITO)2，到達(dá)采用CVD方法沉積在透明導(dǎo)電膜2上的非晶硅(a-Si∶H)光敏層3a-3b，介質(zhì)反射層5處在光閥的中間，隔離寫入光11及讀出入射光12，液晶層7兩側(cè)分別與定向?qū)?和8直接接觸，其中定向?qū)?制備在介質(zhì)反射層5表面，而定向?qū)?制備在讀出窗光學(xué)透明玻璃10表面所蒸鍍的透明導(dǎo)電膜(ITO膜)上面，讀出入射光12透過玻璃10、透明導(dǎo)電膜(ITO膜)9、液晶層7及定向膜6和8經(jīng)介質(zhì)反射層5反射后得到讀出反射光13。圖中14為交變工作電壓。
上述結(jié)構(gòu)中非晶硅(a-Si∶H)光敏層3a-3b是本發(fā)明的要點(diǎn)，其它各結(jié)構(gòu)層方案均與已有技術(shù)基本相同。
本發(fā)明涉及的過渡改性結(jié)構(gòu)a-Si∶H光敏層液晶光閥的工作原理寫入光11透過玻璃1和ITO膜2到達(dá)非晶硅光敏層的3a一側(cè)，入射光的絕大部分將在這一側(cè)被吸收，由于光敏層3a一側(cè)在吸收光時(shí)其電阻隨照射光強(qiáng)的不同會(huì)發(fā)生改變，照射光越強(qiáng)，材料的電阻將變得越小;另一方面，光敏層是一種高阻材料，某一點(diǎn)的電阻變化對其周圍各點(diǎn)電阻的影響不會(huì)很大，因而，當(dāng)寫入信號光11照到光敏層3a上后，該光敏層3a上將留下一幅與信號光相對應(yīng)的以光敏層3a材料各點(diǎn)電阻不同所表示的電阻潛象，當(dāng)在光閥的兩層ITO膜之間加上一個(gè)工作電壓14后，這個(gè)在光敏層3上以各點(diǎn)不同電阻表示的潛象，將在液晶層7上以各點(diǎn)所加的電壓不同而留下一幅與信號光相對應(yīng)的電壓圖象，在某一定向條件下(定向?qū)訛?和8)，液晶層可以有這樣一種特性，即液晶層上所加電壓不同，透過該液晶層的偏振光的偏振方向也將隨之不同，所以這時(shí)讀出入射光12透過保留有電壓潛象的液晶層，并經(jīng)介質(zhì)反射層5反射后，得到的反射光13其各點(diǎn)的偏振角也將由于液晶層7上各點(diǎn)電壓不同而不同，也即這時(shí)讀出反射光13中實(shí)際上保留了一幅以各點(diǎn)反射光的偏振角不同所表示的與寫入光信號相對應(yīng)的潛象，只要在反射光13后面加上適當(dāng)?shù)臋z偏系統(tǒng)，實(shí)際上這時(shí)就可得到一幅以各點(diǎn)光強(qiáng)不同所表示的與寫入信號光圖象相對應(yīng)的圖象，液晶光閥正是以這樣的原理工作的。
本發(fā)明涉及的液晶光閥中，寫入光11和讀出入射光12之間絕大部分是靠介質(zhì)反射層5反射并隔離的，防止了兩束光之間的干擾。但在一般情況中由于讀出光12比寫入光11的光強(qiáng)要高得多，如果介質(zhì)反射層5的透過率為0.1%，而讀出光與寫入光強(qiáng)之比為105，這時(shí)由讀出光透過介質(zhì)反射層到達(dá)寫入光側(cè)的光強(qiáng)將是寫入光強(qiáng)的100倍，若考慮兩者為同頻率光且又能到達(dá)光敏層的3a側(cè)，則寫入光信號將完全被掩蓋，所以，為了保證光閥正常工作，本光敏層直接將與介質(zhì)反射層5接觸的一側(cè)改性為能夠吸收剩余透過光，又基本不產(chǎn)生光、暗電阻變化，且具有較高電阻率的材料3b，實(shí)際上光敏層3b側(cè)在這種液晶光閥的結(jié)構(gòu)中起到了類似阻光層的作用，達(dá)到了與存在阻光層時(shí)相同的效果。
本發(fā)明涉及的過渡改性結(jié)構(gòu)a-Si∶H光敏層，由于兩側(cè)特性不同而出現(xiàn)的類p-n或p-i結(jié)效應(yīng)，在交變工作電壓14作用下產(chǎn)生了光、暗結(jié)電容變化，考慮方程(3)和方程(4)液晶光閥中由材料載流子橫向擴(kuò)散控制的分辨率限除了與材料本身遷移率有關(guān)外還與工作頻率有關(guān)，頻率的確定如方程(2)所示又與材料的阻抗有關(guān)，而光、暗結(jié)電容變化使材料的光、暗阻抗變化增大，也即在更高的頻率下，仍具有普通光敏層液晶光閥在較低頻率下才有的光、暗阻抗變化量，所以，工作頻率的提高使液晶光閥的分辨率限在同樣的材料特性參數(shù)下得到了提高，也即當(dāng)無法改善材料的特性參數(shù)時(shí)，具有所述過渡改性結(jié)構(gòu)a-Si∶H光敏層的液晶光閥的性能將好于不具這種結(jié)構(gòu)的液晶光閥，而且，制備也更為方便，并徹底解決了阻光層的脫落問題。
本發(fā)明涉及的過渡改性結(jié)構(gòu)a-Si∶H光敏層液晶光閥的制備過程如下首先將基板1和10利用乙醇-乙醚混合液清洗干凈，然后在真空鍍膜機(jī)內(nèi)將所述基板加熱至200～300℃，并通過電子束加熱蒸發(fā)In2O3和SnO2混合料及離子輔助淀積得到鍍有厚度在500～1000A，而電阻為～50Ω/□透過率為～90%的ITO薄膜的基板。
通過PECVD淀積設(shè)備在鍍有所述ITO薄膜的基板1上沉積a-Si∶H光敏層3a-3b。先將基板1的溫度控制在250～350℃范圍，利用濃度為60%～80%硅烷的硅烷-氫混合氣體為氣源，摻入P/Si原子比為0～4×10-5的磷烷，控制流量在40～80Sccm，真空室壓力為0.1～1τ，功率密度在0.4～1.5ω/cm2，沉積時(shí)間在0.5～1h，便可得到光/暗電阻比在10-3～10-2范圍，光學(xué)帶隙在～1.75ev，厚度在1～3μm的a-Si∶H光敏層的3a部分;接著，改變沉積條件為控制基板溫度在～350℃。硅烷-氫混合氣體中硅烷濃度為2～4%，并摻入B/Si原子比為0～4×10-5的硼烷，流量在50～100Sccm，真空室壓力～0.5τ，功率密度在0.35～0.45ω/cm2，沉積時(shí)間在13～18h，可得到光/暗電阻比為0.4～0.9，光學(xué)帶隙小于1.6ev，可見光吸收系數(shù)～105cm-1，電阻率約為2.5×106Ωcm及1010Ω/□，厚度在2～4μm的a-Si∶H光敏層的3b部分，且在膜層結(jié)構(gòu)中含有體積比約為20%的硅晶體。
除上述方法外，a-Si∶H光敏層還可采取3a和3b之間控制沉積條件連續(xù)過渡的辦法，尤其是在交界處附近連續(xù)過渡的辦法實(shí)現(xiàn)。
完成所述的光敏層制備后，接著在其表面蒸鍍高反射介質(zhì)鏡(反射層)5，這種介質(zhì)鏡制成多層膜，以一種高折射率材料和一種低折射率材料交替鍍制，一般用二氧化硅和二氧化鈦交替蒸鍍，也可利用ZnS和MgF2制成，上述介質(zhì)鏡的詳細(xì)制備方法與控制條件在傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜技術(shù)中已有詳細(xì)描述。
液晶定向?qū)?和8是利用聚酰亞銨溶液在介質(zhì)鏡5和鍍有ITO膜9的基板10表面上分別涂上一層均勻薄膜，經(jīng)125℃烘烤后，利用絲絨摩擦，并在其表面形成微細(xì)溝槽制成。
最后按傳統(tǒng)液晶盒制備方法在所述二個(gè)定向?qū)又g灌裝BDHE44液晶7，便可得到以扭曲向列液晶調(diào)制的過渡改性結(jié)構(gòu)a-Si∶H光敏層液晶光閥。
權(quán)利要求
1.一種反射型液晶光閥，主要由基板[1]和[10]、透明導(dǎo)電層[2]、液晶電一光調(diào)制層[7]、介質(zhì)反射層[5]、液晶定向?qū)覽6]和[8]以及光敏層迭合而成，其特征是光敏層[3a]-[3b]采用在薄膜厚度方向上具有過渡改性結(jié)構(gòu)的a-Si∶H半導(dǎo)體材料，其一側(cè)是本征或摻微量磷的a-Si∶H半導(dǎo)體薄膜，光學(xué)能隙保持在1.75ev，光/暗電阻比為10-2～10-3；另一側(cè)是本征或摻微量硼的改性a-Si∶H薄膜，其中摻雜原子比B/Si在0～4.0×10-5范圍內(nèi)變化，膜層電阻率為2.5×106Ωcm及1010Ω/□，光學(xué)能隙小于1.6ev，可見光吸收系數(shù)為105cm-1，光/暗電阻比為0.4～0.9，膜層結(jié)構(gòu)非晶硅本體中晶體占約20%，其尺寸在150～60A范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光閥，其特征在所述過渡改性結(jié)構(gòu)a-Si∶H之間的過渡是組成過渡，或是結(jié)構(gòu)過渡，并且上述兩種過渡型式均可是連續(xù)的或是突變的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光閥，其特征是光敏層中的窄光學(xué)能隙一側(cè)直接與介質(zhì)反射層〔5〕結(jié)合，由介質(zhì)反射層透過的剩余讀出光在所述光敏層的這一側(cè)被吸收完畢，寬光學(xué)能隙的另一側(cè)則吸收信號寫入光。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種過渡改性結(jié)構(gòu)a-Si:H光敏層及其在液晶光閥中的使用。所述的液晶光閥沒有阻光層，寫入光信號的接收及干擾光的吸收全部由所述光敏層完成。所述光敏層是一種在膜層厚度方向上改性的以a-Si:H為本體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，該光敏層中可出現(xiàn)類p-n或p-i結(jié)效應(yīng)，光、暗電容變化明顯，因而所述的液晶光閥在無法改善材料的其它性能參數(shù)時(shí)，由光敏層材料載流子擴(kuò)散控制的分辨率限仍可得到相應(yīng)的提高。
文檔編號G02F1/1333GK1082720SQ9310819
公開日1994年2月23日 申請日期1993年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月8日
發(fā)明者杜丕一, 韓高榮, 丁子上, 韓偉強(qiáng) 申請人:浙江大學(xué)