CN112255824A

CN112255824A - 一种薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片及其制造方法

Info

Publication number: CN112255824A
Application number: CN202011160742.2A
Authority: CN
Inventors: 郭清仪; 葛士军
Original assignee: Nanjing Nanhui Intelligent Optical Sensing Research Institute Co ltd
Current assignee: Nanjing Nanhui Intelligent Optical Sensing Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-01-22

Abstract

本发明提供了一种基于铌酸锂晶体电光效应的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片及其制造方法，包括：上下玻璃基板，TFT阵列模块，铌酸锂电光调制模块，透明电极以及滤光片；其中，所述铌酸锂电光调制模块包括铌酸锂晶体层与电介质反射镜矩阵，所述透明电极靠近铌酸锂电光调制模块的一侧，形成黑矩阵，黑矩阵与铌酸锂电光调制模块中的电介质反射镜矩阵呈位置互补关系。本发明将传统TFT‑LCD结构中的液晶调光模块替换为铌酸锂电光调制模块，由于调光过程中不需要分子转动，因此具有更高的响应速度，且铌酸锂材料本身具有更高的折射率，这均有利于器件的进一步优化。再者，省略了传统光电显示芯片中灌晶这一繁琐的操作，简化了工艺步骤，节约了成本。

Description

一种薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种基于铌酸锂晶体电光效应的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片及其制造方法。

背景技术

TFT-LCD（Thin film transistor liquid crystal display, 薄膜晶体管液晶显示器）产业始于上世纪90年代，目前已经成为平板显示的主流技术。液晶本身不发光，其作用是对出射光进行调控，当电流通过晶体管产生电场变化，造成液晶分子偏转，藉以改变光线的偏极性，再利用偏光片决定像素（Pixel）的明暗状态。

图1是现有技术中的TFT-LCD结构的示意图。由图1可见，所述TFT-LCD结构包括偏振片1，下玻璃基板2、上玻璃基板10，TFT阵列模块3，液晶模块4，透明电极7，黑矩阵8以及滤光片9；其中，TFT阵列模块3中包含透明像素电极，通过控制TFT阵列模块3与透明电极7两端的电压，实现控制液晶层中的电场分布，从而实现显示功能。

众所周知，液晶材料具有大双折射性、介电各向异性等特点，因此较早应用于空间光调制领域。然而由于调谐机理源于液晶分子的运动，因此响应速度有着一定的限制。铌酸锂晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，是一种独特的电光介质，通过外加电场的调控，透过铌酸锂晶体的出射光会产生一定的相位移，这是由于外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。比起液晶材料的空间光调制，铌酸锂晶体拥有更高的折射率和更快的响应速度，目前已广泛应用于各类集成电光调制器件。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于铌酸锂晶体电光效应的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片及其制造方法，实现该器件的快速制备，简化制备工艺，降低成本。本发明提供的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构，包括：上下玻璃基板，TFT阵列模块，铌酸锂电光调制模块，透明电极以及滤光片；其中，所述铌酸锂电光调制模块包括铌酸锂晶体层与电介质反射镜矩阵，所述透明电极靠近铌酸锂电光调制模块的一侧，形成黑矩阵，黑矩阵与铌酸锂电光调制模块中的电介质反射镜矩阵呈位置互补关系；电介质反射镜矩阵可以通过刻蚀的方法获得，其能够使得铌酸锂电光调制模块呈现出独立的相位调制周期结构单元阵列像素，通过对每一像素图案单独施加电场实现每一像素的独立调控；所述滤色片、透明电极均附着于上基板下侧，所述TFT阵列模块附着于下基板上侧。

发明原理：本发明是基于铌酸锂晶体电光效应的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片，以铌酸锂电光调制模块取代TFT-LCD中的液晶模块，由于铌酸锂电光调制过程中无需分子的转动，因此响应速度远高于TFT-LCD，根据铌酸锂的电光效应，通过改变铌酸锂像素单元两端的电压，调节出射光的相位移，进而使得最终获得铌酸锂空间光调制器装置具有参数灵活可调谐的特点。

本发明中采用的铌酸锂晶体采用提拉法生长制成，而铌酸锂电光调制模块中的电介质反射镜矩阵可以通过刻蚀的方法获得，其能够使得铌酸锂电光调制模块呈现出独立的相位调制周期结构单元阵列像素，通过对每一像素图案单独施加电场实现每一像素的独立调控；而根据Pockels介质所产生的相位移公式：

，通过调节像素电极与公共电极之间的场强，可以获得每个像素独立的相位移。

进一步地，电场E加在平行于光传播的方向，可形成铌酸锂纵向相位调制器；

可选地，电压E的大小对于纵向调制器从1V附近到几千伏。

进一步地，将该相位调制器放置于电介质反射镜矩阵组成的Fabry-Perot干涉仪之间，则可实现光强调制，进而形成铌酸锂电光调制模块，根据公式

，式中

;

,可知铌酸锂电光调制模块的透射率与电介质反射镜的反射率有关，可以通过选择不同材料组成的电介质反射镜实现不同的光强调制效果，进而通过在每一像素独立施加电压对输出光强进行调控。

进一步地，透明电极靠近铌酸锂电光调制模块的一侧，形成黑矩阵，黑矩阵与铌酸锂电光调制模块中的电介质反射镜矩阵呈位置互补关系，可以有效地避免不同像素间铌酸锂电光调制模块的光线串扰。

铌酸锂电光调制模块的阵列结构像素图案有多种设置方式；其中，铌酸锂晶体层的极化方向始终垂直于基底。

可选地，所述像素图案呈方形或圆形；

进一步地，所述像素图案呈方形，像素图案的边长为d，1 μm≤d≤10 μm；

进一步地，所述像素图案呈圆盘状，像素图案的半径为r，0.5 μm≤r≤5 μm；

进一步地，对于所述铌酸锂晶体层，其厚度为h，0.3μm≤h≤0.9μm。

可选的，对于所述的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构，相邻所述像素单元的间距为b，0.1≤b≤0.5 μm；

本文还提供了一种薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片的其制造方法，包括：

（1）提供上下基板，所述上基板下侧附着有滤色片、透明电极，所述下基板上侧附着有TFT阵列模块；

（2）在铌酸锂晶片的两侧各镀一层电介质反射镜，然后将电介质反射镜刻蚀为电介质反射镜矩阵，其中，电介质反射镜可通过电子束沉积、蒸镀、离子辅助沉积（IAD）等方式叠加多层具有不同折射率的涂层获得，电介质反射镜矩阵则可通过反应铬离子刻蚀等干法刻蚀方式得到；

（3）为了防止相邻像素单元光线串扰，在所述上基板下侧形成黑矩阵，黑矩阵与铌酸锂电光调制模块中的电介质反射镜矩阵呈位置互补关系，将所述铌酸锂电光调制模块覆盖在下基板之上，再将上基板覆盖于铌酸锂电光调制模块，最后用框胶封边。

有益效果：本发明的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片具有参数可调、高响应灵敏的等优点，相比于现有的TFT-LCD装置，本发明基于铌酸锂的Pockels介质性质，利用其电光效应，结合Fabrary-Perot标准具的多光束干涉特性制备了Fabrary-Perot光强调制器，通过选择性紫外胶曝光将该调制器像素化并应用于显示芯片的光强调制模块，具有更大的折射率与更高的响应灵敏度，且比起传统的TFT-LCD工艺，省略了灌晶这一关键步骤，大大简化了工艺流程，此外，由于该器件不需要使用偏振光的性质进行光强调控，因此省略了偏振片这一器件结构，进一步优化了器件的结构。

附图说明

图1是现有技术中的TFT-LCD结构的示意图；

图2是本发明实施例1中的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片示意图；

图3是本发明实施例1中的铌酸锂电光调制模块俯视示意图；

图4是本发明中的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构的制造方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述，以下实施例中使用到的原料和试剂均为市售。

实施例1：

图2是本实施例提供的一种薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片示意图，其中包括：上玻璃基板01，下玻璃基板09，TFT阵列模块02，铌酸锂电光调制模块03，透明电极07以及滤光片08；其中，所述铌酸锂电光调制模块03包括铌酸锂晶体层05与电介质反射镜矩阵04，所述透明电极07靠近铌酸锂电光调制模块03的一侧，形成黑矩阵06，黑矩阵06与铌酸锂电光调制模块03中的电介质反射镜矩阵04呈位置互补关系；电介质反射镜矩阵04可以通过刻蚀的方法获得，其能够使得铌酸锂电光调制模块03呈现出独立的相位调制周期结构单元阵列像素，通过对每一像素图案单独施加电场实现每一像素的独立调控；所述滤色片08、透明电极07均附着于上基板01下侧，所述TFT阵列模块02附着于下基板09上侧。从而实现控制通过器件的电压，进而实现显示功能。

优选地，电介质反射镜可通过电子束沉积、蒸镀、离子辅助沉积（IAD）等方式叠加多层具有不同折射率的涂层获得，电介质反射镜矩阵04则可通过反应铬离子刻蚀等干法刻蚀方式得到；

优选地，铌酸锂晶体层05已经过统一极化，且极化方向垂直于基板；

可选地，像素图案可为方形或圆形或其它规则且便于操作的形状；

可选地，所述像素图案呈方形，像素图案的边长为d，d=2 μm；

可选的，对于所述的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构，相邻所述像素单元的间距为b，b=0.5 μm；

可选地，对于所述铌酸锂晶体层，其厚度为h，h=0.5μm。

图3是本实施例提供的一种铌酸锂电光调制模块俯视示意图，其包括铌酸锂晶体层05与电介质反射镜矩阵04，电介质反射镜之间形成Fabry-Perot腔，与铌酸锂晶体层05共同形成光强调制器。

图4是本发明中的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构的制造方法流程图，请结合图2和图3说明该制造方法的流程。该制造方法包括如下步骤：

首先，执行步骤S101，提供上下基板，所述上基板09下侧附着有滤色片08、透明电极07，所述下基板01上侧附着有TFT阵列模块02。所述上基板09以及下基板01的修饰为本领域技术人员所熟知，可按照现有的任何选择进行，本发明对此不做限定。

接着，执行步骤S102，在铌酸锂晶片的两侧各镀一层电介质反射镜，然后将电介质反射镜刻蚀为电介质反射镜矩阵04，其中，电介质反射镜可通过电子束沉积、蒸镀、离子辅助沉积（IAD）等方式叠加多层具有不同折射率的涂层获得，电介质反射镜矩阵04则可通过反应铬离子刻蚀等干法刻蚀方式得到。

优选地，电介质反射镜可通过电子束沉积、蒸镀、离子辅助沉积（IAD）等方式叠加多层具有不同折射率的涂层获得，电介质反射镜矩阵04则可通过反应铬离子刻蚀等干法刻蚀方式得到。

进一步地，反应铬离子刻蚀的方法为，将电介质反射镜矩阵上侧覆盖一层紫外固化胶，通过对像素区域进行选择性曝光，然后将非像素区域进行反应铬离子刻蚀，再用有机溶剂去除固化后的紫外胶；

可选地，选择性曝光可使用DMD（Digital Micromirror Device，数字微镜器件）等方式实现；

可选地，有机溶剂可选择丙酮；

之后，执行步骤S103，为了防止相邻像素单元光线串扰，在所述上基板下侧形成黑矩阵06，黑矩阵06与铌酸锂电光调制模块03中的电介质反射镜矩阵04呈位置互补关系，将所述铌酸锂电光调制模块03覆盖在下基板01之上，再将上基板09覆盖于铌酸锂电光调制模块03，最后用框胶封边。

综上所述，本发明实现了将传统TFT-LCD结构中的液晶调光模块替换为铌酸锂电光调制模块，由于调光过程中不需要分子转动，因此具有更高的响应速度，且铌酸锂材料本身具有更高的折射率，这均有利于器件的进一步优化。再者，省略了传统光电显示芯片中灌晶这一繁琐的操作，简化了工艺步骤，节约了成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构，其特征在于，包括：

上下玻璃基板，TFT阵列模块，铌酸锂电光调制模块，透明电极以及滤光片；其中，所述铌酸锂电光调制模块包括铌酸锂晶体层与电介质反射镜矩阵，所述透明电极靠近铌酸锂电光调制模块的一侧，形成黑矩阵，黑矩阵与铌酸锂电光调制模块中的电介质反射镜矩阵呈位置互补关系。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构，其特征在于，所述铌酸锂电光调制模块的周期型排列结构可通过反应铬离子刻蚀等干法刻蚀刻蚀的方式实现。

3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构，其特征在于，相邻所述像素单元的间距为b，0.1≤b≤0.5 μm。

4.一种权利要求1-3任一项所述的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）提供上下基板，所述上基板下侧附着有滤色片、透明电极，所述下基板01上侧附着有TFT阵列模块；

所述上基板以及下基板的修饰为本领域技术人员所熟知，可按照现有的任何选择进行，本发明对此不做限定；

（2）在铌酸锂晶片的两侧各镀一层电介质反射镜，然后将电介质反射镜刻蚀为电介质反射镜矩阵04，其中，电介质反射镜可通过电子束沉积、蒸镀、离子辅助沉积（IAD）等方式叠加多层具有不同折射率的涂层获得，电介质反射镜矩阵则可通过反应铬离子刻蚀等干法刻蚀方式得到；其中电介质反射镜可通过电子束沉积、蒸镀、离子辅助沉积（IAD）等方式叠加多层具有不同折射率的涂层获得，电介质反射镜矩阵则可通过反应铬离子刻蚀等干法刻蚀方式得到；

5.根据权利要求1所述的步骤（3），反应铬离子刻蚀的方法为，将电介质反射镜矩阵上侧覆盖一层紫外固化胶，通过对像素区域进行选择性曝光，然后将非像素区域进行反应铬离子刻蚀，再用有机溶剂去除固化后的紫外胶，这一过程中涉及到的选择性曝光可使用DMD（Digital Micromirror Device，数字微镜器件）等方式实现；有机溶剂可选择丙酮等。

6.根据权利要求1所述的薄膜晶体管有源矩阵铌酸锂显示芯片结构，其中所包含的铌酸锂电光调制模块同样可以替代一切透射式液晶电光器件中的液晶调光模块。