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Die Erfindung betrifft ein photoleiter-gekoppeltes
Flüssigkristall-Lichtventil.
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Fig. 5 zeigt den Aufbau eines üblicherweise verwendeten Flüssigkristall-
Lichtventils. Gemäß Fig. 5 sind eine photoleitende Schicht 11, eine
Flüssigkristallschicht 2, transparente Elektroden 3 zu beiden Seiten der
photoleitenden Schicht 11 und der Flüssigkristallschicht 2, um sie einzubetten,
eine Spannungsanlegeeinrichtung 4 zum Anlegen einer Spannung an die
transparenten Elektroden 3, und eine optische Reflexionsschicht 5 und ein
Ausrichtungsfilm 6 vorhanden, wobei die beiden letzteren zwischen der
photoleitenden Schicht 11 und der Flüssigkristallschicht 2 vorhanden sind.
Ferner sind Substrate 7 außerhalb der transparenten Elektroden angeordnet.
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Als nächstes wird das Grundprinzip des Betriebs dieser Vorrichtung
beschrieben. Der Einfachheit halber ist angenommen, dass der Widerstand der
optischen Reflexionsschicht viel kleiner als derjenige der photoleitenden
Schicht und der Flüssigkristallschicht ist. Zunächst wird über die
transparenten Elektroden eine Spannung V&sub0; von einer externen Spannungsversorgung
an die photoleitende Schicht und die Flüssigkristallschicht angelegt. Die
an die Flüssigkristallschicht und die photoleitende Schicht angelegten
Spannungen sind derartige Werte, dass V&sub0; proportional zu den Widerständen
der zwei Schichten zugeordnet wird, wobei die Spannung, wie sie ohne
einfallendes Licht an die Flüssigkristallschicht angelegt wird, einen Wert
liefert, der wesentlich kleiner als die Schwellenspannung (Vs1) ist, bei
der die Flüssigkristallschicht den elektrooptischen Effekt erzeugt. Dies
bedeutet, dass die Flüssigkristallschicht in ihrem früheren Zustand keinen
elektrooptischen Effekt entwickelt. Eine schematische Veranschaulichung der
Ladungsübertragung, wie sie in dieser Vorrichtung zu diesem Punkt auftritt,
ist in Fig. 2 mittels eines Energiebanddiagramms angegeben.
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Wenn im oben beschriebenen Zustand Licht auf die photoleitende Schicht
gestrahlt wird (wobei angenommen wird, dass der Bereich, der Licht
empfangen hat, Pc1 ist, während der Bereich, für den dies nicht gilt, Pcd ist),
verringert sich der Widerstand (Rp) der photoleitenden Schicht in Pc1 in
großem Ausmaß, was zu einem Wert führt, der viel kleiner als der Widerstand
der Flüssigkristallschicht ist, so dass der größte Teil von V&sub0; größer als Vs1,
in Pc1 an die Flüssigkristallschicht angelegt wird. Im Ergebnis entsteht in
Pc1 ein elektrooptischer Effekt in der Flüssigkristallschicht. Im Gegensatz
hierzu bleibt die Flüssigkristallschicht in Pcd unverändert, wobei die
Anfangsspannung an sie angelegt ist, was bewirkt, dass kein
elektrooptischer Effekt auftritt. Demgemäß ist zu diesem Punkt ein optisches Muster
(optische Information) in die Flüssigkristallschicht eingeschrieben. Eine
schematische Veranschaulichung der Ladungsübertragung, wie sie in dieser
Vorrichtung zu diesem Punkt auftritt, ist in Fig. 3 angegeben.
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Es ist bereits bekannt, dass amorphes Silizium (als a-Si abgekürzt), das
Wasserstoff oder Halogen enthält, als photoleitende Schicht verwendet wird
(z. B. japanische Patentoffenlegungsveröffentlichungen Nr. JP-A-58 34 435,
JP-A-58 34 436, JP-A-58 199 327, JP-A-59 81 627, JP-A-59 170 820 usw.). Ein
Typ eines photoleiter-gekoppelten Flüssigkristall-Lichtventils gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 ist durch EP-A-0 422 645 offenbart. Andererseits
ist auch die Verwendung einer organischen, photoleitenden Schicht, einer
photoleitenden Schicht aus Selen und dergleichen bekannt.
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Jedoch müssen gemäß Fig. 3 optisch angeregte Ladungsträger, die die a-Si-
Schicht auf der Seite der optischen Reflexionsschicht im
Lichteinfallsbereich erreicht haben, im selben Bereich verbleiben, und zwar zumindest bis
die Flüssigkristalle eine Reaktion abgeschlossen hat, die der
Spannungsänderung entspricht. Wenn die optisch angeregten Ladungsträger seitwärts
gedriftet sind, was den Bereich Pcd erweitert, überschreitet die an die
Flüssigkristalle im Bereich Pcd angelegte Spannung den Wert Vc1, was nicht
nur die Auflösung beeinträchtigt, sondern auch ein anderes Bild als das
geschriebene Bild zeichnet, wodurch das sich ergebende Bild gestört ist.
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Die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. JP-A-3 18 829
offenbart ein photoleiter-gekoppeltes Flüssigkristall-Lichtventil, das einen
inselförmigen Metallspiegel als optische Reflexionsschicht verwendet, um
jede Beeinträchtigung der Bildauflösung zu verhindern.
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Jedoch dient dieser inselförmige Metallspiegel nicht nur als optische
Reflexionsschicht, sondern er wirkt auch so, dass er die Leitfähigkeit der
photoleitenden Schicht in der in der Ebene liegenden Richtung verringert,
was jede Beeinträchtigung der Auflösung verhindert. Demgemäß ist ein Pixel
abhängig von der Größe des inselförmigen Metallspiegels definiert. Darüber
hinaus benötigt das Herstellen des inselförmigen Metallspiegels die
Schritte des Herstellens eines metallischen Dünnfilms und des anschließenden
Ätzens, was den Prozess erweitert. Diese zusätzlichen Prozesse sind ein
Grund für eine Kostenerhöhung.
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Außerdem erfolgte im Stand der Technik keine Beschreibung zu einem
Flüssigkristall-Lichtventil, bei dem an der a-Si- oder einer anderen
photoleitenden Schicht auf der Seite der optischen Reflexionsschicht oder an der
Grenzfläche zu dieser eine Spezialbehandlung erfolgen würde, um das
Eintreffen von Ladungsträgern durch Seitwärtsdrift zu verhindern.
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Gemäß der Erfindung ist ein photoleiter-gekoppeltes
Flüssigkristall-Lichtventil mit mindestens einer photoleitenden Schicht aus einer amorphen
Siliziumschicht, einer optischen Reflexionsschicht und einer Flüssigkristall
schicht zwischen einem Paar Elektroden geschaffen, wobei die photoleitende
Schicht und die optische Reflexionsschicht in dieser Reihenfolge auf einer
der Elektroden vorhanden sind, wobei in der photoleitenden Schicht ein
Dotierstoff mit gleichmäßiger Menge in der Ebenenrichtung der
photoleitenden Schicht enthalten ist, mit zunehmend höherer Konzentration in Richtung
der Schichtdicke ausgehend von der Seite der Elektrode zur Seite der
optischen Reflexionsschicht.
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der photoleitenden Schicht gemäß der
Erfindung;
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die den Grundbetrieb eines
photoleiter-gekoppelten Flüssigkristall-Lichtventils zeigt;
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die den Grundbetrieb eines
photoleiter-gekoppelten Flüssigkristall-Lichtventils zeigt;
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Fig. 4 ist eine Ansicht, die die Dotierstoffmenge in der photoleitenden
Schicht im erfindungsgemäßen photoleiter-gekoppelten
Flüssigkristall-Lichtventil zeigt; und
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Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines bekannten
photoleiter-gekoppelten Flüssigkristall-Lichtventils.
Detallierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Als Elektrodenpaar können bei dieser Erfindung z. B. ITO-Filme verwendet
werden. Um die optische Reflexionsschicht zu erzeugen, werden,
normalerweise, zwei Typen von Materialien mit wesentlich voneinander verschiedenen
Brechungsindizes, z. B. in der Kombination MgF&sub2; und ZnS oder Si und SiO&sub2;,
mit 10 bis 15 Schichten bei einer Filmdicke 0,1 bis 0,05 µm für jedes
Schicht aufeinanderlaminiert.
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Die Flüssigkristallschicht ist beispielsweise eine solche aus nematischen
Flüssigkristallen auf Phenolcyclohexan-Basis oder eine solche aus
ferroelektrischen Flüssigkristallen auf Esterbasis, jedoch ist sie nicht hierauf
beschränkt. Als chiraler Dotierstoff kann cholesterisches Nonanoat mit 7
bis 8 Gewichts-% zugemischt sein.
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Die photoleitende Schicht wird durch Dotieren von a-Si mit Fremdstoffen
erhalten. Die Dotierstoffe sind beispielsweise Elemente, die zur Gruppe 3A
im Periodensystem gehören, wie B und Al, Elemente, die zur Gruppe 5A im
Periodensystem gehören, wie P, N und As, oder das Element Kohlenstoff oder
das Element Sauerstoff oder dergleichen.
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Das Laminierverfahren ist z. B. Plasma-CVD (nachfolgend als PCVD
abgekurzt). Die Dotierstoffmenge ist in der in der Ebene liegenden Richtung
gleichmäßig und in der Schichtdickenrichtung ungleichmäßig, wobei die
Dotierung auf kontinuierliche Weise so realisiert ist, dass sich die höhere
Konzentration zur Seite der optischen Reflexionsschicht hin ergibt. Die
Dotiermenge wird dadurch eingestellt, dass die Menge an Ausgangsgas von
zuzumischenden Fremdstoffen zum einzuleitenden Ausgangsgas, wie SiH&sub4; oder
Si&sub2;H&sub6;, geändert wird.
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Das Zunahmeverhältnis der Dotiermenge kann dergestalt sein, wie es in den
Fig. 4(a) bis (e) dargestellt ist.
Beispiel 1
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Es wird ein photoleiter-gekoppeltes Flüssigkristall-Lichtventil gemäß der
Erfindung, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, dargestellt. In Fig. 1
bezeichnet die Bezugszahl 1 eine photoleitende Schicht gemäß der Erfindung.
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Als erstes wurde eine transparente Elektrode 3 aus ITO auf einem
Glassubstrat
(CONIG 7059) unter einer Vakuum-Abscheidungsvorrichtung abgeschieden.
Dann wurde, nachdem das Substrat in ein PCVD-System eingesetzt war, ein
Plasma unter den in der Tabelle 1 aufgelisteten Bedingungen angeregt, wobei
eine a-Si-Schicht als photoleitende Schicht 1 mit einer Schichtdicke von 4
µm hergestellt wurde.
Tabelle 1
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Die Tatsache, dass gemäß der Tabelle die Dotierungsmenge von B&sub2;H&sub6; von 0,8
auf 8 sscm erhöht wird, bedeutet, dass sie von der Seite des Trägerelements
für die a-Si-Photoleitungsschicht zur optischen Reflexionsschicht hin
kontinuierlich erhöht wird.
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Danach wurde eine Si-SiO&sub2;-Schicht mit 10 bis 15 Schichten durch
elektronenstrahl-gestützte Abscheidung in der Vakuum-Abscheidungsvorrichtung
aufgestapelt, um eine optische Reflexionsschicht 5 mit einer Schichtdicke von
1,3 bis 2,3 µm aufzulaminieren. Ferner wurde durch Schleuderbeschichten ein
Polyimidfilm hergestellt, und auf der optischen Reflexionsschicht wurde ein
Film 6 für rechtwinklige Ausrichtung, der durch einen Reibeprozess für
Molekülausrichtung behandelt wurde, mit einer Filmdicke von 0,1 µm
hergestellt.
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Außerdem wurden auf das Substrat 7 eine transparente Elektrode 3 (ITO) und
ferner auf diese der Ausrichtungsfilm 6 aufgestapelt.
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Die obigen zwei Glassubstrate 7, auf denen verschiedene Schichten
aufgestapelt waren, wurden mit einem Abstand von 7 µm so zusammengebaut, dass die
Ausrichtungsfilme einander gegenüberstanden. Abschließend wurde eine
Flüssigkristallschicht 2, mit cholesterischen Nonanoat, das als chiraler
Dotierstoff mit 7 bis 8 Gewichts-% in nematische Flüssigkristalle auf
Phenylcyclohexan-Basis eingemischt war, dicht in den Raum mit dieser Spaltweite
eingeschlossen, so dass eine Schichtdicke von 7 µm und eine
Schraubenganghöhe von ungefähr 20 % in bezug auf die Schichtdicke vorlagen, wodurch ein
photoleiter-gekoppeltes Flüssigkristall-Lichtventil hergestellt war.
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Das Einschreiben eines Bilds in dieses Lichtventil erfolgte durch
Einstrahlen eines Laserstrahls (680 nm) als Schreiblicht 8 auf die
Photoleiterschicht von deren Seite her, wie in Fig. 1 dargestellt, wobei gleichzeitig
ein elektrisches Feld von 1 kHz und 6 V zwischen die zwei ITO-Elektroden
gelegt wurde.
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Als nächstes erfolgte das Lesen des eingeschriebenen Bilds durch
Einstrahlen von weißem Leselicht 9 unter Verwendung einer Halogenlampe von der
Seite des Flüssigkristalls her auf die photoleitende Schicht, und im
Ergebnis konnte ein deutliches Bild wiedergegeben werden, das frei von jeder
Beeinträchtigung der Auflösung und jeder Seitwärtsverschiebung war.
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Anschließend konnte durch Anlegen eines elektrischen Wechselfelds von 10 V
an die transparenten Elektroden 3 ein Löschvorgang für das geschriebene
Bild erzielt werden.
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Anschließend wurde mit diesem Flüssigkristall-Lichtventil eine Reihe von
Schreib-, Lese- und Bildlöschprozessen wiederholt ausgeführt, und im
Ergebnis war kein Effekt erkennbar, dass das eingeschriebene Bild verblieben
wäre. Darüber hinaus wurde klargestellt, dass die während des
Schreibvorgangs eingefangenen Ladungsträger während des Bildlöschvorgangs vollständig
neutralisiert wurden.
Beispiel 2
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Es wurde ein photoleiter-gekoppeltes Flüssigkristall-Lichtventil unter
denselben Bedingungen wie beim Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt,
dass die Schichtdicke der photoleitenden Schicht 4 µm betrug, die
CH&sub4;-Strömungsrate während der Herstellung linear von 0 auf 8,0 sscm erhöht wurde
und dies auch hinsichtlich einer Erhöhung von 0,4 auf 25 sscm für die
Strömungsrate von B&sub2;H&sub6; erfolgte, das mit einer Konzentration von 0,3 % in H&sub2;
gelöst war, wodurch sowohl C als auch B dotiert wurden.
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Mit diesem Lichtventil wurden das Schreiben, Lesen und Löschen eines Bild
auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 1 ausgeführt, und im Ergebnis konnte,
wie beim Beispiel 1, ein deutliches Bild wiedergegeben werden, das frei von
jeder Beeinträchtigung der Auflösung und jeder Seitwärtsverschiebung war.
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Nachdem eine Reihe von Schreib-, Lese- und Bildlöschprozessen wiederholt
war, zeigte sich kein Restbildeffekt.
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Wie oben beschrieben, wird durch Dotieren der a-Si-Photoleitungsschicht mit
mindestens einem Element aus Elementen, die zur Gruppe 3A des
Periodensystems gehören, wie B und Al, Elementen, die zur Gruppe SA des
Periodensystems gehören, wie P, N und As, und dem Element C oder O, wobei außerdem die
Dotierung kontinuierlich auf solche Weise realisiert wird, dass die
Dotierstoffmenge des Elements in der in der Ebene liegenden Richtung der a-Si-
Photoleitungsschicht gleichmäßig ist, während sie in der
Schichtdickenrichtung in solcher Weise ungleichmäßig ist, dass sich zur Seite der optischen
Reflexionsschicht hin eine höhere Konzentration ergibt, die Dichte
eingefangener Ladungsträger in der amorphen Siliziumschicht auf der Seite der
optischen Reflexionsschicht erhöht, wodurch die optisch angeregten
Ladungsträger, die die Seite der optischen Reflexionsschicht erreicht haben,
eingefangen werden. Im Ergebnis wird es möglich, eine Seitwärtsdrift der
Ladungsträger und eine Störung des Bilds zu vermeiden. Auch wird es durch
kontinuierliches und allmähliches Erhöhen der Dotierstoffmenge zur
optischen Reflexionsschicht hin möglich, die photoleitende Schicht auf
kontinuierliche Weise herzustellen, wobei es überflüssig ist, eine spezielle
Schicht wie einen Metallspiegel anzubringen, abweichend vom Fall, in dem
die photoleitende Schicht so hergestellt wird, dass sie in einen dotierten
Bereich und einen undotierten Bereich unterteilt ist. Dies trägt zu einer
Verkürzung der zur Vorrichtungsherstellung erforderlichen Zeit bei. Darüber
hinaus kann jede Diskontinuität im Energieband der photoleitenden Schicht
beseitig werden, was ein gleichmäßiges Laufen der Ladungsträger innerhalb
der photoleitenden Schicht ermöglicht. So wurde es möglich, ein
Flüssigkristall-Lichtventil mit hervorragendem Ansprechverhalten und
hervorragendem Kontrast eines zu erzeugenden Bilds herzustellen.
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Es ist zu beachten, dass, da die eingefangenen optischen Ladungsträger
durch ein elektrisches Feld neutralisiert werden, wie es während des
Bildlöschvorgangs in der Richtung umgekehrt zu der beim Schreibvorgang angelegt
wird, kein Problem dahingehend auftritt, dass das eingeschriebene Bild
verbleibt.