專利名稱：用于實現無像素、超高解晰度影像顯示的影像控制光閥的制作方法
技術領域：
本實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構的微型異質結的光敏層，用 于實現無像素、超高解晰度影像顯示的影像控制光閥，屬于信息顯示技 術領域。
背景技術：
現有大屏幕液晶投射系統所用的液晶板是建立在電一光轉換的技術 基礎上的。該液晶板均由像素陣列構成，由電信號驅動液晶板上的像素， 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 當投射圖像面積增大時，人眼很容易査覺圖像是由不連續的點所組成。
影像控制光閥(同類的產品也被稱為光尋址空間光調制器(OASLM) 或者光導控制液晶光閥)，是大屏幕投影電視、紅外變像、大屏幕安全監 控的核心器件。它的工作原理是光一電一光的轉換，只不過這一過程是 在器件內部實現的。采用這一器件，投射的屏幕上的圖像將不會顯示為 由明顯的像素點組成，所以也被稱為無像素顯示。由于入射的光學圖像 可以是紅外光，就可以實現紅外變像功能。弱光圖像入射時，使用高強 度閱讀光源，就可實現圖像增強功能。
根據目前公開發表的資料，光導控制液晶光閥的典型結構如
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 器件由第一透明導電膜9覆蓋的導電玻璃板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和第二透明導電膜2和玻璃板1組成。其 電子學等效串聯電路如圖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透明導電膜2、 9相連 接。相對于n-CdS層8，在p-CdTe層7上施加負偏壓。由0.1~0.3微米厚 的n-CdS層8與2微米左右的p-CdTe層7形成了異質結，還有一厚的CdS 層8處于結區以外。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異質結的電阻和電容，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。
從設計參數來說，當沒有光投射到由p-CdTe層7與n-CdS層8組成 的光導層上時，要求光導層的阻抗比液晶層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。當光投射到光導層上時，光導層阻抗下降，因而電壓分配比變化， 導致施加到液晶層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動，如圖4所示。對阻抗的這一要求，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，其偏振方 向將受到液晶分子取向的影響。與入射圖像光強分布相對應，光導層將 出現阻抗分布圖像，從而導致施加到液晶層上的電壓分布與入射圖像的 光強度分布相對應。因此，由于液晶層4內各處液晶分子長軸的轉動角 大小與入射圖像的光強度對應，從而經由液晶層4反射出來的閱讀光束 其偏振方向轉動角度的大小，與入射圖像的光強度分布一一對應。反射 出來的閱讀光束，經檢偏器后，就復原了入射圖像。如果入射圖像是紅 外光，閱讀光是可見光，則實現了紅外變像；如果入射光學圖像為弱光， 因用強閱讀光束，就實現了圖像增強作用。
由于n-CdS/CdTe異質結的阻抗低于液晶層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，受光照時要使光導層阻抗大大下降，必需使用能被CdS光導體層 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 結構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,它對近紅外光至可見光整個頻帶 均能吸收。但在圖l所示的結構中，CdTe層7并未扮演光電轉換的主要 角色。我們知道，用n-CdS/p-CdTe作光電轉換層的太陽能電池已達到近 16.5%光電轉換效率，其結構參數為n-CdS厚0.1~0.3微米，p-CdTe厚 幾微米。但在
圖1所示的光導控制液晶光闊中，不能使用這一結構參數。 因為厚的CdTe層7的方塊電阻Rs太低，不可能在CdTe層7上維持與入 射圖像光強度對應的電位分布圖像。
2001年公布的一項發明專利"光尋址空間光調制器"(OASLM)中， 發明者使用氫化的非晶態碳化硅(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層組成的多層介質反射鏡6。 其目的是簡化制作工藝，在同一鍍膜系統中反復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、多層介質反射鏡。 但膜料的選用受到限制。光導層是連續薄膜，在要求同時滿足高靈敏度 和高分辨率時，存在難以解決的矛盾。
由于反射鏡的反射率不可能達到100%，常常總有一小部分閱讀光束 透過到光敏層上去。閱讀光束是高光強光束，那怕極小部分光也會造成 連續的光敏層表面電導率增高，從而破壞了沿光敏層面的電位分布，導 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置一光隔離 (吸收)層。 發明內容
本實用新型的目的在于提供一種可以同時滿足高靈敏度、高分辨率 以及高光電轉換效率，工作波長為可見光全頻譜的影像控制光閥。
為實現上述的目的，本實用新型提供一種用于實現無像素、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電玻璃板、光敏層、 多層介質鏡、第一配向膜、液晶層、第二配向膜和第二透明導電玻璃板， 其特征在于，所述光敏層包括異質結陣列。
所述異質結陣列中的各個異質結之間電隔離。 所述異質結陣列中，所述異質結是反偏壓P-N結或P-i-N結。 在本影像控制光閥中，光電吸收和光電轉換在CdTe小島中進行，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， 因為CdTe的光電轉換效率高，所以提高了器件的光電轉換效率。本影像 控制光閥的阻抗匹配是通過選擇CdTe小島的高度來實現的，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應的電位分布。采取電隔離的小 島陣列光敏面結構，可以自由選擇光導材料，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。以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的說明。
圖1是現有光導控制液晶光閥的結構示意圖。
圖2是
圖1所示光導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，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，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構示意圖。 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異質結陣列制作
工藝過程示意圖。
具體實施方式
本實用新型采用P-N結陣列作為光敏層而構成影像控制光閥。作為 第一實施例，使用n-CdS/p-CdTe異質結陣列作為光敏層而構成影像控制 光閥，其結構如圖5所示。本實施例中與
圖1中相同的結構使用相同的 附圖標記，在此不累述。
參見圖5所示，本影像控制光閥的結構按照由下向上的順序依次包 括玻璃板10、透明導電膜9、厚度為0.1 0.3微米的n-CdS層13、由多 個島面6X6微米，高2 6微米，間距2微米的小島構成的p-CdTe小島 陣列12、絕緣材料填充層11、 Ti02/Si02多層介質反射鏡6、第一配向膜 5、 TN液晶層4、第二配向膜3、透明導電膜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到的一個數據實例，
本發明并不受此限制。只要生產工藝能夠實現，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微型異質結陣列，取代了現有技術中的異質結連續平面。CdTe 小島陣列12中的各個C dTe小島之間由聚酰亞胺填充，以實現C dTe小島 之間的電隔離。因為CdTe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 相對應的電位分布。
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 現有技術中的位于結區之外的厚度為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，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。因為CdS層13的厚度 被設計得很小，光電吸收和光電轉換在CdTe小島中進行，所以本影像控制光閥不會受限于使用能被CdS光導體層吸收的光，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 源與兩個透明導電膜2、 9相連接。相對于n-CdS層13，在p-CdTe層上 施加負偏壓。由0.1-0.3微米厚的n-CdS層13與p-CdTe小島陣列12之 間形成了異質結，Cj和Rj分別表示n-CdS/p-CdTe異質結的電阻和電容。 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、多層介質反射鏡6、n-CdS/p-CdTe 異質結形成的阻容電路串聯在一起，并連接在透明導電膜2、 9之間。光 電轉換層CdTe小島陣列12相當于成百萬個微型太陽能電池陣列，n-CdS 區共同電極為透明導電膜2、 9， p-CdTe小島相互絕緣，與對應液晶層4 的阻容電路相串聯。構成異質結的半導體層的厚度增加，則液晶層4上 的電壓減小，以此實現阻抗匹配的要求。這樣，通過增加p-CdTe小島陣 列12的厚度實現阻抗匹配，且不增大沿光敏層表面的橫向電導，從而保 持圖像的分辨率。
本實用新型采用微型異質結陣列作為光敏層，可以使用任何反偏壓 P-N結或P-i-N結作為影像控制光閥的光電轉換面，這為設計新器件提供 了新方向。可用于本實用新型的器件結構的光導材料構成的反偏壓P-N 結，例如CdS/CdTe， ( CuInSe2)/CdS, (CuInGaSe2)/CdS， a-Si (p-layer) /a-Si "-layer) /a-Si (n-layer)等等。
光電吸收和光電轉換在CdTe小島中進行，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，因為CdTe的光電轉換效率高，所以提高了器件的光電轉換效率。 本影像控制光閥的阻抗匹配是通過選擇異質結CdTe小島的高度來實現 的。異質結CdTe小島的越高，異質結陣列層的電阻就大，很容易地實現 光導層的阻抗比液晶層4的阻抗高。使用厚的異質結陣列層實現了阻抗 匹配，且不增大沿光敏層表面橫向電導，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構，即使有一小部分閱讀光束透過反射 鏡6到達光敏層上去，也不會破壞沿光敏層面的電位分布，不會造成導致 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應的電位分布。采取電隔離的小島陣列光敏面結構，可以自由選擇光導材料， 能滿足分辨率、靈敏度、阻抗匹配等方面的要求。
本實用新型所述的n-CdS/ p-CdTe異質結陣列的制作工藝過程如圖 7A、圖7B和圖7C所示。在透明導電玻璃表面使用濺射技術涂敷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、堅膜之后，在CdTe表面形成6X6微米 (或更小)的光刻膠點陣圖案。光刻膠點間距2微米。然后用化學腐蝕 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 膠點陣，就獲得了 n-CdS/p-CdTe異質結陣列。然后用勻膠機旋涂聚酰亞 胺有機溶液，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。在此選用化學穩定性和電絕緣特性都好的聚酰亞胺。 根據需要，也可以選擇其它化學穩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Ti02/Si02多層高反介質鏡6。在介質反 射鏡6表面與蒸發方向夾角5度的條件下蒸發幾十納米的SiO，形成了液 晶的配向膜5。第二個透明導電玻璃的導電膜上以相同的大傾斜角蒸發幾 十納米SiO形成第二個液晶的配向膜3。經裝配，灌注TN液晶，封裝之 后，則完成本器件的制作。
上面對本實用新型所述的影像控制光閥進行了詳細的說明，但顯然 本實用新型的具體實現形式并不局限于此。對于本技術領域的一般技術 人員來說，在不脫離本實用新型的權利要求保護范圍的情況下對它進行 的各種顯而易見的改變都在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種用于實現無像素、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電玻璃板、光敏層、多層介質鏡、第一配向膜、液晶層、第二配向膜和第二透明導電玻璃板，其特征在于所述光敏層包括異質結陣列。
2. 如權利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質結陣列中的各個異質結之間電隔離。
3. 如權利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質結陣列中，所述異質結是反偏壓P-N結或P-i-N結。
4. 如權利要求3所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質結陣列中，所述異質結是CdS/CdTe， (CuInSe2) /CdS 、 (CuInGaSe2) /CdS、或者a濕Si (p-layer) /a陽Si (i-layer) /a-Si (n勿er)。
5. 如權利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質結陣列中的異質結的厚度與施加在液晶層上的電壓反向變化。
6. 如權利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質結陣列由多個島面6X6微米，高2 6微米，間距2微米的 異質結的小島構成。
7. 如權利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于 所述異質結陣列與所述多層介質鏡之間具有絕緣材料填充層。
8. 如權利要求7所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質結陣列中的各個異質結之間的絕緣材料與所述絕緣材料填 充層是同一材料。
9. 如權利要求1所述的影像控制光閥，其特征在于所述異質結陣列與第一透明導電玻璃板之間具有厚度為0.1~0.3微米 的CdS層。
10. 如權利要求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SiO膜構成。
專利摘要本實用新型提供一種用于實現無像素、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電玻璃板、光敏層、多層介質鏡、第一配向膜、液晶層、第二配向膜和第二透明導電玻璃板，其特征在于，所述光敏層包括異質結陣列。本影像控制光閥可以同時滿足高靈敏度、高分辨率以及高光電轉換效率，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G02F1/135GK201319100SQ200820127498
公開日2009年9月30日 申請日期2008年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者寧 安, 錚 陳, 川 高 申請人:硅谷光學科技公司