專利名稱：用于實(shí)現(xiàn)無像素、超高解晰度影像顯示的影像控制光閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種影像控制光闊(Image Controlled Light Valve， 簡寫為ICLV)，尤其涉及一種具有陣列結(jié)構(gòu)的微型異質(zhì)結(jié)的光敏層，用 于實(shí)現(xiàn)無像素、超高解晰度影像顯示的影像控制光閥，屬于信息顯示技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有大屏幕液晶投射系統(tǒng)所用的液晶板是建立在電一光轉(zhuǎn)換的技術(shù) 基礎(chǔ)上的。該液晶板均由像素陣列構(gòu)成，由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)液晶板上的像素， 逐行、逐幀掃描。液晶板的尺寸和像素密度均受到一定的約束。特別是 當(dāng)投射圖像面積增大時(shí)，人眼很容易査覺圖像是由不連續(xù)的點(diǎn)所組成。
影像控制光閥(同類的產(chǎn)品也被稱為光尋址空間光調(diào)制器(OASLM) 或者光導(dǎo)控制液晶光閥)，是大屏幕投影電視、紅外變像、大屏幕安全監(jiān) 控的核心器件。它的工作原理是光一電一光的轉(zhuǎn)換，只不過這一過程是 在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。采用這一器件，投射的屏幕上的圖像將不會(huì)顯示為 由明顯的像素點(diǎn)組成，所以也被稱為無像素顯示。由于入射的光學(xué)圖像 可以是紅外光，就可以實(shí)現(xiàn)紅外變像功能。弱光圖像入射時(shí)，使用高強(qiáng) 度閱讀光源，就可實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)功能。
根據(jù)目前公開發(fā)表的資料，光導(dǎo)控制液晶光閥的典型結(jié)構(gòu)如


圖1所 示，等效電路如圖2所示，其工作原理如圖3和圖4所示。
圖1所示的 器件由第一透明導(dǎo)電膜9覆蓋的導(dǎo)電玻璃板10， 15~20微米厚的n-CdS 層8，不到2微米p-CdTe層7， Ti02/Si02多層介質(zhì)反射鏡6，第一配向 膜5，液晶層4，第二配向膜3和第二透明導(dǎo)電膜2和玻璃板1組成。其 電子學(xué)等效串聯(lián)電路如圖2所示。在等效電路中的元件均表示為單位面 積電阻和單位面積電容。 一單極性脈沖電源與兩個(gè)透明導(dǎo)電膜2、 9相連 接。相對(duì)于n-CdS層8，在p-CdTe層7上施加負(fù)偏壓。由0.1~0.3微米厚 的n-CdS層8與2微米左右的p-CdTe層7形成了異質(zhì)結(jié)，還有一厚的CdS 層8處于結(jié)區(qū)以外。在等效電路中用Rp表未該CdS層8的電阻。Cj和 Rj分別表示n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)的電阻和電容，用RS表示沿CdTe平面 的漏泄電阻值。因CdTe層7是一連續(xù)的膜，Rs表示其薄層電阻或方塊電阻。Cm和Rm表示單位面積Ti02/Si02多層介質(zhì)反射鏡6的電阻和電容， CLC和RLC表示單位面積液晶層4的電阻和電容。
從設(shè)計(jì)參數(shù)來說，當(dāng)沒有光投射到由p-CdTe層7與n-CdS層8組成 的光導(dǎo)層上時(shí)，要求光導(dǎo)層的阻抗比液晶層4的阻抗高，使得施加到液 晶層4上的電壓不僅低于施加到光導(dǎo)層上的電壓，也低于液晶層4的閾 值工作電壓，所以液晶分子長軸方向仍然保持與施加電場垂直，如圖3 所示。當(dāng)光投射到光導(dǎo)層上時(shí)，光導(dǎo)層阻抗下降，因而電壓分配比變化， 導(dǎo)致施加到液晶層4上的電壓高于閾值工作電壓，液晶分子長軸向平行 于施加電場的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示。對(duì)阻抗的這一要求，稱之為阻抗 匹配原則。閱讀用的入射光束為線偏振光，途徑液晶層4時(shí)，其偏振方 向?qū)⑹艿揭壕Х肿尤∠虻挠绊?。與入射圖像光強(qiáng)分布相對(duì)應(yīng)，光導(dǎo)層將 出現(xiàn)阻抗分布圖像，從而導(dǎo)致施加到液晶層上的電壓分布與入射圖像的 光強(qiáng)度分布相對(duì)應(yīng)。因此，由于液晶層4內(nèi)各處液晶分子長軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角 大小與入射圖像的光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)，從而經(jīng)由液晶層4反射出來的閱讀光束 其偏振方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小，與入射圖像的光強(qiáng)度分布一一對(duì)應(yīng)。反射 出來的閱讀光束，經(jīng)檢偏器后，就復(fù)原了入射圖像。如果入射圖像是紅 外光，閱讀光是可見光，則實(shí)現(xiàn)了紅外變像；如果入射光學(xué)圖像為弱光， 因用強(qiáng)閱讀光束，就實(shí)現(xiàn)了圖像增強(qiáng)作用。
由于n-CdS/CdTe異質(zhì)結(jié)的阻抗低于液晶層4的阻抗，
圖1所示的器 件中只有增加CdS層8的厚度(15-20微米)來滿足阻抗匹配的要求。 顯然，受光照時(shí)要使光導(dǎo)層阻抗大大下降，必需使用能被CdS光導(dǎo)體層 吸收的光。CdS的帶寬的2.53eV，吸收波長短于5000埃的光。所以圖l 結(jié)構(gòu)的器件只能工作于短波可見光波段。眾所周知，CdTe是最佳的太陽 能電池材料之一，CdTe的帶寬1.45eV,它對(duì)近紅外光至可見光整個(gè)頻帶 均能吸收。但在圖l所示的結(jié)構(gòu)中，CdTe層7并未扮演光電轉(zhuǎn)換的主要 角色。我們知道，用n-CdS/p-CdTe作光電轉(zhuǎn)換層的太陽能電池已達(dá)到近 16.5%光電轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為n-CdS厚0.1~0.3微米，p-CdTe厚 幾微米。但在
圖1所示的光導(dǎo)控制液晶光闊中，不能使用這一結(jié)構(gòu)參數(shù)。 因?yàn)楹竦腃dTe層7的方塊電阻Rs太低，不可能在CdTe層7上維持與入 射圖像光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電位分布圖像。
2001年公布的一項(xiàng)發(fā)明專利"光尋址空間光調(diào)制器"(OASLM)中， 發(fā)明者使用氫化的非晶態(tài)碳化硅(a-Si: C: H)作為光敏層，并用高折射率的a-Si: C: H層與低折射率的a-C: H層組成的多層介質(zhì)反射鏡6。 其目的是簡化制作工藝，在同一鍍膜系統(tǒng)中反復(fù)使用不同組份的膜料 a-Si: C: H和a-C: H，來制作各光敏層、光隔離層、多層介質(zhì)反射鏡。 但膜料的選用受到限制。光導(dǎo)層是連續(xù)薄膜，在要求同時(shí)滿足高靈敏度 和高分辨率時(shí)，存在難以解決的矛盾。
由于反射鏡的反射率不可能達(dá)到100%，常常總有一小部分閱讀光束 透過到光敏層上去。閱讀光束是高光強(qiáng)光束，那怕極小部分光也會(huì)造成 連續(xù)的光敏層表面電導(dǎo)率增高，從而破壞了沿光敏層面的電位分布，導(dǎo) 致器件分辨率降低。因此常常還得在反射鏡與光敏層之間設(shè)置一光隔離 (吸收)層。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種可以同時(shí)滿足高靈敏度、高分辨率 以及高光電轉(zhuǎn)換效率，工作波長為可見光全頻譜的影像控制光閥。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本實(shí)用新型提供一種用于實(shí)現(xiàn)無像素、超高解 晰度影像顯示的影像控制光閥，順序包括第一透明導(dǎo)電玻璃板、光敏層、 多層介質(zhì)鏡、第一配向膜、液晶層、第二配向膜和第二透明導(dǎo)電玻璃板， 其特征在于，所述光敏層包括異質(zhì)結(jié)陣列。
所述異質(zhì)結(jié)陣列中的各個(gè)異質(zhì)結(jié)之間電隔離。 所述異質(zhì)結(jié)陣列中，所述異質(zhì)結(jié)是反偏壓P-N結(jié)或P-i-N結(jié)。 在本影像控制光閥中，光電吸收和光電轉(zhuǎn)換在CdTe小島中進(jìn)行，CdS 層很薄，所以器件的工作波長可以覆蓋近紅外到可見光全頻譜。而且， 因?yàn)镃dTe的光電轉(zhuǎn)換效率高，所以提高了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。本影像 控制光閥的阻抗匹配是通過選擇CdTe小島的高度來實(shí)現(xiàn)的，因小島之間 是電隔離的，即使CdTe層增厚，小島之間也不存在電荷泄漏。所以由小 島組成的光敏層能保持與入射圖像相對(duì)應(yīng)的電位分布。采取電隔離的小 島陣列光敏面結(jié)構(gòu)，可以自由選擇光導(dǎo)材料，解決了在滿足分辨率、靈 敏度、阻抗匹配這些根本需求之間的矛盾。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
圖1是現(xiàn)有光導(dǎo)控制液晶光閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是
圖1所示光導(dǎo)控制液晶光閥的等效電路圖。
圖3是液晶層上的電壓低于閾值工作電壓時(shí)，液晶分子長軸的取向和閱讀光束偏振方向的變化情況。
圖4是光液晶層上的電壓超過閾值工作電壓時(shí)，液晶分子長軸的取 向變化和閱讀光束偏振方向的變化情況。 圖5是本影像控制光閥的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是本影像控制光閥的等效電路圖。
圖7A 圖7C是本影像控制光閥中的n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)陣列制作
工藝過程示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型采用P-N結(jié)陣列作為光敏層而構(gòu)成影像控制光閥。作為 第一實(shí)施例，使用n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)陣列作為光敏層而構(gòu)成影像控制 光閥，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。本實(shí)施例中與
圖1中相同的結(jié)構(gòu)使用相同的 附圖標(biāo)記，在此不累述。
參見圖5所示，本影像控制光閥的結(jié)構(gòu)按照由下向上的順序依次包 括玻璃板10、透明導(dǎo)電膜9、厚度為0.1 0.3微米的n-CdS層13、由多 個(gè)島面6X6微米，高2 6微米，間距2微米的小島構(gòu)成的p-CdTe小島 陣列12、絕緣材料填充層11、 Ti02/Si02多層介質(zhì)反射鏡6、第一配向膜 5、 TN液晶層4、第二配向膜3、透明導(dǎo)電膜2和玻璃板1。需要說明的 是，在此提出的小島的尺寸是一般光刻工藝均可達(dá)到的一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)例，
本發(fā)明并不受此限制。只要生產(chǎn)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)，小島陣列的密度越高， 圖像分辨率就越高。
在本影像控制光閥中，p-CdTe小島陣列12與n-CdS層13之間形成 CdS/CdTe微型異質(zhì)結(jié)陣列，取代了現(xiàn)有技術(shù)中的異質(zhì)結(jié)連續(xù)平面。CdTe 小島陣列12中的各個(gè)C dTe小島之間由聚酰亞胺填充，以實(shí)現(xiàn)C dTe小島 之間的電隔離。因?yàn)镃dTe小島之間是電隔離的，即使CdTe層增厚或者 CdTe小島的高度增加，小島之間也不存在電荷泄漏。所以在圖6所示等 效電路圖中沒有漏泄電阻Rs,由小島組成的光敏層能夠保持與入射圖像 相對(duì)應(yīng)的電位分布。
在本影像控制光閥中，CdS層13的厚度僅為0.1-0.3微米。不同于 現(xiàn)有技術(shù)中的位于結(jié)區(qū)之外的厚度為15-20微米的CdS層，本影像控制 光閥中的CdS層13的電阻可以在等效電路中被忽略不計(jì)，艮卩，在本影像 控制光閥中的等效電路中沒有CdS層的電阻Rp。因?yàn)镃dS層13的厚度 被設(shè)計(jì)得很小，光電吸收和光電轉(zhuǎn)換在CdTe小島中進(jìn)行，所以本影像控制光閥不會(huì)受限于使用能被CdS光導(dǎo)體層吸收的光，器件的工作波長可
以覆蓋近紅外到可見光全頻譜。
本影像控制光閥的等效電路示于圖6中。圖6中， 一單極性脈沖電 源與兩個(gè)透明導(dǎo)電膜2、 9相連接。相對(duì)于n-CdS層13，在p-CdTe層上 施加負(fù)偏壓。由0.1-0.3微米厚的n-CdS層13與p-CdTe小島陣列12之 間形成了異質(zhì)結(jié)，Cj和Rj分別表示n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)的電阻和電容。 CdTe小島的電阻用Rp表示。Cm和Rm表示Ti02/Si02多層介質(zhì)反射鏡 6的電阻和電容，CLC和RLC表示液晶層的電阻和電容。在圖6中可以 看出，CdTe小島的電阻分別與液晶層4、多層介質(zhì)反射鏡6、n-CdS/p-CdTe 異質(zhì)結(jié)形成的阻容電路串聯(lián)在一起，并連接在透明導(dǎo)電膜2、 9之間。光 電轉(zhuǎn)換層CdTe小島陣列12相當(dāng)于成百萬個(gè)微型太陽能電池陣列，n-CdS 區(qū)共同電極為透明導(dǎo)電膜2、 9， p-CdTe小島相互絕緣，與對(duì)應(yīng)液晶層4 的阻容電路相串聯(lián)。構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體層的厚度增加，則液晶層4上 的電壓減小，以此實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的要求。這樣，通過增加p-CdTe小島陣 列12的厚度實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，且不增大沿光敏層表面的橫向電導(dǎo)，從而保 持圖像的分辨率。
本實(shí)用新型采用微型異質(zhì)結(jié)陣列作為光敏層，可以使用任何反偏壓 P-N結(jié)或P-i-N結(jié)作為影像控制光閥的光電轉(zhuǎn)換面，這為設(shè)計(jì)新器件提供 了新方向?？捎糜诒緦?shí)用新型的器件結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)材料構(gòu)成的反偏壓P-N 結(jié)，例如CdS/CdTe， ( CuInSe2)/CdS, (CuInGaSe2)/CdS， a-Si (p-layer) /a-Si "-layer) /a-Si (n-layer)等等。
光電吸收和光電轉(zhuǎn)換在CdTe小島中進(jìn)行，CdS層13很薄，所以由 所用光敏層材料決定，器件的工作波長為可見光全頻譜和近紅外頻譜。 而且，因?yàn)镃dTe的光電轉(zhuǎn)換效率高，所以提高了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 本影像控制光閥的阻抗匹配是通過選擇異質(zhì)結(jié)CdTe小島的高度來實(shí)現(xiàn) 的。異質(zhì)結(jié)CdTe小島的越高，異質(zhì)結(jié)陣列層的電阻就大，很容易地實(shí)現(xiàn) 光導(dǎo)層的阻抗比液晶層4的阻抗高。使用厚的異質(zhì)結(jié)陣列層實(shí)現(xiàn)了阻抗 匹配，且不增大沿光敏層表面橫向電導(dǎo)，從而保持圖像的分辨率。另外， 因小島之間是電隔離的，即使CdTe層增厚，小島之間也不存在電荷泄漏。 采取電隔離的小島陣列光敏面結(jié)構(gòu)，即使有一小部分閱讀光束透過反射 鏡6到達(dá)光敏層上去，也不會(huì)破壞沿光敏層面的電位分布，不會(huì)造成導(dǎo)致 器件分辨率下降。所以由小島組成的光敏層能保持與入射圖像相對(duì)應(yīng)的電位分布。采取電隔離的小島陣列光敏面結(jié)構(gòu)，可以自由選擇光導(dǎo)材料， 能滿足分辨率、靈敏度、阻抗匹配等方面的要求。
本實(shí)用新型所述的n-CdS/ p-CdTe異質(zhì)結(jié)陣列的制作工藝過程如圖 7A、圖7B和圖7C所示。在透明導(dǎo)電玻璃表面使用濺射技術(shù)涂敷0.1 0.3 微米厚CdS層13,然后在CdS層13表面濺射涂敷2~6微米厚CdTe層 12，再經(jīng)CdC12處理，400'C退火20分鐘。在CdTe表面涂一層正性光刻 膠，通過光刻模板曝光、顯影、堅(jiān)膜之后，在CdTe表面形成6X6微米 (或更小)的光刻膠點(diǎn)陣圖案。光刻膠點(diǎn)間距2微米。然后用化學(xué)腐蝕 或離子研磨的方法去掉未被光刻膠覆蓋的CdTe層。用脫膠溶液去掉光刻 膠點(diǎn)陣，就獲得了 n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)陣列。然后用勻膠機(jī)旋涂聚酰亞 胺有機(jī)溶液，CdTe小島之間的溝槽被聚酰亞胺填充使CdTe小島之間電 隔離,與此同時(shí)并在CdTe小島陣列12表面形成一平滑的聚酰亞胺薄膜， 作為絕緣材料層11。在此選用化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣特性都好的聚酰亞胺。 根據(jù)需要，也可以選擇其它化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣特性較好的材料。之后， 在聚酰亞胺薄膜表面真空熱蒸發(fā)Ti02/Si02多層高反介質(zhì)鏡6。在介質(zhì)反 射鏡6表面與蒸發(fā)方向夾角5度的條件下蒸發(fā)幾十納米的SiO，形成了液 晶的配向膜5。第二個(gè)透明導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電膜上以相同的大傾斜角蒸發(fā)幾 十納米SiO形成第二個(gè)液晶的配向膜3。經(jīng)裝配，灌注TN液晶，封裝之 后，則完成本器件的制作。
上面對(duì)本實(shí)用新型所述的影像控制光閥進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但顯然 本實(shí)用新型的具體實(shí)現(xiàn)形式并不局限于此。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù) 人員來說，在不脫離本實(shí)用新型的權(quán)利要求保護(hù)范圍的情況下對(duì)它進(jìn)行 的各種顯而易見的改變都在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于實(shí)現(xiàn)無像素、超高解晰度影像顯示的影像控制光閥，順序包括第一透明導(dǎo)電玻璃板、光敏層、多層介質(zhì)鏡、第一配向膜、液晶層、第二配向膜和第二透明導(dǎo)電玻璃板，其特征在于所述光敏層包括異質(zhì)結(jié)陣列。
2. 如權(quán)利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質(zhì)結(jié)陣列中的各個(gè)異質(zhì)結(jié)之間電隔離。
3. 如權(quán)利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質(zhì)結(jié)陣列中，所述異質(zhì)結(jié)是反偏壓P-N結(jié)或P-i-N結(jié)。
4. 如權(quán)利要求3所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)陣列中，所述異質(zhì)結(jié)是CdS/CdTe， (CuInSe2) /CdS 、 (CuInGaSe2) /CdS、或者a濕Si (p-layer) /a陽Si (i-layer) /a-Si (n勿er)。
5. 如權(quán)利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質(zhì)結(jié)陣列中的異質(zhì)結(jié)的厚度與施加在液晶層上的電壓反向變化。
6. 如權(quán)利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)陣列由多個(gè)島面6X6微米，高2 6微米，間距2微米的 異質(zhì)結(jié)的小島構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質(zhì)結(jié)陣列與所述多層介質(zhì)鏡之間具有絕緣材料填充層。
8. 如權(quán)利要求7所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)陣列中的各個(gè)異質(zhì)結(jié)之間的絕緣材料與所述絕緣材料填 充層是同一材料。
9. 如權(quán)利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)陣列與第一透明導(dǎo)電玻璃板之間具有厚度為0.1~0.3微米 的CdS層。
10. 如權(quán)利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于所述第一配向膜和第二配向膜由大傾斜角蒸發(fā)SiO膜構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種用于實(shí)現(xiàn)無像素、超高解晰度影像顯示的影像控制光閥。其順序包括第一透明導(dǎo)電玻璃板、光敏層、多層介質(zhì)鏡、第一配向膜、液晶層、第二配向膜和第二透明導(dǎo)電玻璃板，其特征在于，所述光敏層包括異質(zhì)結(jié)陣列。本影像控制光閥可以同時(shí)滿足高靈敏度、高分辨率以及高光電轉(zhuǎn)換效率，由所用光敏層材料決定，工作波長為可見光全頻譜和近紅外頻譜。
文檔編號(hào)G02F1/135GK201319100SQ200820127498
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者寧 安, 錚 陳, 川 高 申請(qǐng)人:硅谷光學(xué)科技公司