一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法

2023-05-17 11:19:01

一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法
【專利摘要】本發明公開了一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，該矽基液晶的主要結構包括矽襯底、像素電極、複合電極、二氧化矽納米柱、液晶、銦錫氧化物電極、玻璃基板；在矽基液晶工作時，如對中間像素施加電壓，對其相鄰像素不施加電壓。複合電極（7）實現場增強效應，增強中間像素電場；複合電極（5、9）起到靜電屏蔽左右，阻止中間像素電場向相鄰像素的擴展；二氧化矽納米柱（6、8）隔斷相鄰像素的液晶分子的帶動作用；從而減弱邊緣場效應。
【專利說明】一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種矽基液晶器件，尤其是涉及一種減弱邊緣場效應的矽基液晶器件。
【背景技術】
[0002]矽基液晶(LCoS)是指在單晶矽上製作的反射式液晶空間光調製器。與傳統的在非晶矽或者多晶矽材料上生長薄膜電晶體(TFT)有源驅動矩陣相比較，其具有較大的優勢。首先採用單晶矽基底可以利用成熟的大規模或者超大規模集成電路技術，將周邊電路大部分集成在單晶矽基底，大大提高了器件的集成度，增強了器件的可靠性。其次，單晶矽具有高的遷移效率，可以形成較細的線路，因此能夠集成高密度開關矩陣，實現更高密的像素顯示而擁有更高的解析度。再者，液晶的驅動電路在像素的背後集成而不是像TFT —樣在像素中間生長，因此能夠實現更高的開口率，LCoS可以實現>90%的開口率，遠遠高於一般TFT器件的35%的開口率，提高了光能利用率，並有利於實現更小尺寸的液晶器件。
[0003]高解析度是顯示技術的發展的必然要求。對於器件製造而言，需要縮小晶片面積來降低成本。如此，增加像素數目便不可行。解決方案只能是縮小單個像素的尺寸。同時，對於全息顯示，足夠大的重現視場角至關重要。為了獲得大的視場角，同樣需要減小像素尺寸。
[0004]對於矽基液晶器件，當像素電極尺寸與上下基板的間距(液晶盒厚)可以比擬的時候，在像素的邊緣，電場不是垂直於電極表面，而是具有橫向分量。這種橫向電場的分量叫做邊緣電場，如圖1所示。當相鄰像素間存在電壓差時，邊緣場會驅使鄰近像素的液晶分子做不應有的偏轉，而導致像素間的串擾。這種現象被稱為邊緣場效應。而液晶盒盒厚的進一步減小只能依賴於液晶材料的發展。因此，邊緣場效應的出現不可避免。
[0005]邊緣場效應有兩種表現:一是工作像素中心出現液晶分子傾角反轉區，即此區域的液晶分子有相反的傾角方向，而不能實現應有的偏轉。另一個表現是非工作像素的液晶分子由於黏性作用而被工作像素的液晶分子帶動偏轉。如圖2所示。對於全息顯示而言，邊緣場導致非理想的相位分布，如圖3所示，致使加載的相位全息圖發生畸變，而無法精確成像。
[0006]為了克服現有矽基液晶器件的邊緣場效應，本發明提出一種減弱方法，能夠有效地減弱邊緣場效應。本發明提出的方法針對邊緣場效應的兩種表現，很好的解決了邊緣場效應問題，從而為實現高解析度、大視場角全息顯示矽基液晶器件提供依據。
【發明內容】

技術問題:為了解決高解析度、大視場角全息顯示矽基液晶器件的發展的瓶頸問題——邊緣場效應，本發明提出了一種減弱方法。
[0007]技術方案:一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，其器件結構是:在矽襯底上沉積金屬作為像素電極，在像素電極上製備複合電極，在像素間隙生長二氧化矽納米柱，在像素電極上蒸鍍鋁膜作為反射層，用銦錫氧化物(ΙΤ0)導電玻璃作為上基板，在上下基板間灌注液晶。[0008]在娃襯底上沉積金屬作為像素電極。原則上導電性良好的金屬都可以作為像素電極，但是要考慮複合電極的材料和製備條件，選用合適的材料。
[0009]在像素電極上製備複合電極。複合電極需要具有良好的導電性與較大的長徑比，如此能夠產生尖端放電效應。矽基液晶器件工作時，工作像素上的複合電極尖端放電，起到場增強效應，提高局域電場，驅使該像素的液晶分子實現應有的偏轉；非工作像素上的複合電極起到靜電屏蔽作用，將電場屏蔽在複合電極之外，因此能夠阻止工作像素的電場向非工作像素擴展。
[0010]在像素間隙生長電介質納米柱。液晶分子由於黏性作用，會被相鄰像素的液晶分子帶動偏轉。像素間的電介質納米柱可以阻斷工作像素的液晶分子對於非工作像素的液晶分子的帶動偏轉。
[0011]在像素電極上蒸鍍鋁膜作為反射層。一般矽基液晶同時用鋁做像素電極和反射層，如果像素電極和複合電極材料都是鋁，則此步驟可以省略；否則都需要另外蒸鍍鋁膜作為反射層。
[0012]用ΙΤ0玻璃作為上基板。ΙΤ0玻璃上的ΙΤ0導電膜作為像素的公共電極。在器件工作時，將ΙΤ0膜接地，與像素電極間形成電壓差，產生電場，驅使液晶分子偏轉。
[0013]在上述矽基液晶器件中灌注液晶，在上下基板附近的液晶做平行排列取向。本發明優選E7液晶，因其具有較高的雙折射率差，使得器件可以具有較小的盒厚；且具有較高的介電常數差，可以用較低的電壓驅動。在上下基板對液晶分子進行平行排列取向，使得通過液晶分子的光只有相移的改變，而沒有偏振度的改變，從而保證器件的純相位調製工作狀態。
[0014]有益效果:本發明的有益效果是，在像素電極上製備複合電極，抑制了工作像素液晶分子的傾角反轉區和對非工作像素的電場擴展；在像素電極之間生長電介質米柱，阻斷了工作像素對非工作像素液晶分子的帶動作用，從而有效的減弱了邊緣場效應，為實現高解析度、大視場角全息顯示矽基液晶器件提供依據。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是一般矽基液晶器件電場分布仿真結果圖。
[0016]圖2是液晶分子指向矢分布仿真圖。
[0017]圖3是一般矽基液晶器件相位分布圖。
[0018]圖4是本發明的減弱邊緣場效應的矽基液晶的器件結構示意圖。
[0019]圖5是本發明的減弱邊緣場效應的矽基液晶的器件電場分布仿真結果圖。
[0020]圖4中有:矽襯底1，像素電極2、3、4，複合電極5、7、9，像素間隙的電介質納米柱
6、8，像素電極上的鋁反射膜10，液晶11、ΙΤ0膜12及上基板玻璃13。
具體實施方案
[0021]圖4是本發明的減弱邊緣場效應的矽基液晶的器件結構示意圖，1是矽襯底，2、3、4是金屬電極，本發明優選鎢像素電極。一般矽基液晶用鋁作為像素電極。但是本發明選用使用碳納米管作為複合電極，鋁的熔點只有660° C，低於碳納米管的生長溫度，故選用高熔點的金屬，可用的金屬包括金、銀、銅、鐵、鈷、鑰、鉻、鎢等等，本發明優選鎢作為像素電極，鎢電極既作為器件的電極又作為碳納米管的生長基底。鎢像素電極通過光刻的方法沉積在矽襯底上。為了研究邊緣場效應，電極尺寸應該儘可能小，本實施例中優選電極長度為
3.54 μ m,高度0.5 μ m,電極間距為0.2 μ m。
[0022]圖4是本發明的矽基液晶的器件結構示意圖，5、7、9是複合電極，本發明優選碳納米管(CNT)，因其具有高載流子遷移率，因而具有良好的電學性能。碳納米管尖端的曲率半徑小，在相對比較低的電場強度下就能發射大電流，具有優異的場發射性能。碳納米管具有極大的長徑比，容易產生尖端放電，起到場增強效應，提高局域電場；並且由於是中空的管狀導體，能夠很好地起到靜電屏蔽作用。CNT的生長在等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)儀器中進行。首先在鎢電極上生長催化劑，採用電子束光刻及剝離方法在每個像素中心生長鎳(Ni)點陣，直徑為lOOnm左右，間距3.64μπι。沉積的Ni點陣的高度為:T7nm。此後，襯底放在石墨的臺子上以100° C/m的速率加熱到700° C，反應室氣壓為10-2mbar。在加熱的過程中，引入氨氣(NH3)刻蝕Ni催化劑的表面，使反應室氣壓達到2.4mbar。繼續加熱到750° C時，引入乙炔(C2H2)作為碳源氣體參與反應。施加電壓為640V，功率為35W的直流電來排列CNT。根據所需CNT的高度選擇生長過程持續時間，本實施例中優選3min，長成高度為1 μ m的陣列CNT。
[0023]圖4是本發明的矽基液晶的器件結構示意圖，6、8是電介質納米柱，本發明優選二氧化矽(Si02)納米柱，因其是透明物質，不會降低器件的開口率。Si02納米柱的生長在反應離子刻蝕機中進行。刻蝕氣體為六氟化硫(SF6)和氧氣(02)，SF6的氣體流量為130sccm，02的氣體流量為13sccm，線圈功率≥600W，壓板功率≥100W，反應室氣壓為24mTorr，反應室溫度為2(T30° C，刻蝕過程持續l(Tl80m。本實施例中優選90m，反應後的Si02納米柱直徑為0.2 μ m，高度為0.6 μ m，生長在像素間隙。可以根據需要的Si02納米柱高度選擇刻蝕時間和其他反應條件，但是Si02納米柱高度不宜過高，長徑比不能超過10:1，否則容易坍塌。並且Si02納米柱過高，會致使液晶過少。
[0024]圖4中的10是像素電極上的鋁反射膜。用濺射法沉積鋁膜，溫度為25~270° C，本實施例中優選270° C，厚度為0.3 μ m，反射率在90%以上。鋁膜的高反射率保證高的光利用率。
[0025]對於下基板，將結構做在矽片的中心區域，四周留出空間噴塗隔離子。隔離子的選擇要考慮到該厚度液晶能夠實現2 π以上相移，較低的驅動電壓和工藝的可操作性，並且要大於CNT和Si02納米柱的高度。本實施例中優選3 μ m隔離子，均勻噴塗在下基板四周。
[0026]圖4中的IT0膜12及上基板玻璃13是直接使用IT0玻璃作為上基板。在上基板IT0面旋塗取向劑PI，並用摩擦機進行摩擦取向，取向方向為平行取向。
[0027]用點膠機對上基板進行點膠封框，框定液晶所在區域，並留一個開口以便灌注液晶。將上基板與下基板對位貼合。
[0028]圖4中液晶11本實施例中優選E7液晶，利用含浸法從封盒後的開口處灌注液晶。灌注完成後，進行封口。
[0029]在本說明書的描述中，參考術語「 一個實施例」、「 一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0030]儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，其特徵在於:在矽襯底上沉積金屬作為像素電極(2、3、4)，在所述像素電極上製備複合電極(5、7、9)，在像素間隙生長電介質納米柱(6、8)，在所述像素電極上蒸鍍鋁膜作為反射層(10)，用銦錫氧化物(ITO)導電玻璃作為上基板，在上下基板間灌注液晶；在矽基液晶工作時，對中間像素施加電壓，對其相鄰像素不施加電壓；所述複合電極(7)實現場增強效應，增強中間像素電場；所述複合電極(5、9)起到靜電屏蔽作用，阻止中間像素電場向相鄰像素的擴展；所述電介質納米柱(6、8)隔斷相鄰像素的液晶分子的帶動作用，從而減弱邊緣場效應。
2.根據權利要求1所述的一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，所述在矽襯底上沉積金屬作為像素電極中的金屬既作為器件的電極又作為複合電極的生長基底。
3.根據權利要求1所述的一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，其特徵在於:矽基液晶器件工作時，工作像素上的複合電極起到場增強效應，提高局域電場，驅使該像素的液晶分子偏轉；非工作像素上的複合電極起到靜電屏蔽作用，阻止工作像素的電場向非工作像素擴展。
4.根據權利要求1所述的一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，其特徵在於:所述電介質納米柱阻斷工作像素的液晶分子對於非工作像素的液晶分子的由於黏性作用的帶動偏轉。
5.根據權利要求1所述的一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，其特徵在於:所述像素電極上的鋁膜保證進入器件的光被反射。
6.根據權利要求1所述的一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，其特徵在於:所述ITO玻璃上的ITO導電膜作為像素的公共電極。
7.根據權利要求1所述的一種減弱矽基液晶邊緣場效應的方法，其特徵是:在上述矽基液晶器件中灌注液晶，將在上下基板附近的液晶做平行排列取向。
【文檔編號】G02F1/1333GK103645591SQ201310711607
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】楊磊, 夏軍, 張曉兵 申請人:東南大學