JP2007310177A - 空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧駆動方式による省電力、低発熱の利点を有し、しかも画素数が多くなっても表示のコントラストが低下せず、データ処理の高信頼性を維持できるようにする。
【解決手段】それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える複数の画素を備えている磁気光学層１０と、変形することで前記の各画素に個別に応力を印加させる複数の応力付与要素を備えている圧電層１２を具備している空間光変調器である。画素の選択及び応力付与要素への電圧印加時間の延長のために各画素毎に薄膜トランジスタ１８を配設すると共に、各薄膜トランジスタを選択駆動するアクティブ・マトリックス式電気配線２０を形成した薄膜トランジスタ回路層１４を具備し、磁気光学層、圧電層、薄膜トランジスタ回路層の順序で積層されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器に関し、更に詳しく述べると、圧電材料からなる応力付与要素により各画素に個別に応力を付与可能とし、薄膜トランジスタで応力付与要素を駆動することで画素の磁化方向を制御するようにした電圧駆動方式の空間光変調器に関するものである。

空間光変調器は、入射光の振幅、位相あるいは偏光の状態を空間的に変調するデバイスであり、多数の画素を２次元的に配列した構成となっている。このような２次元アレイ状の画素配列をもつ空間光変調器は、情報を高速で並列処理可能なことから、光学情報処理システム、光コンピューティング、プロジェクターＴＶ、動画ホログラム記録、光体積記録などを実現するキーデバイスとして注目されている。これらの分野では、大量の情報を高速で処理する必要があることから、空間光変調器としては、動作速度が大きく、また信頼性の高いものが要求されるため、磁性膜の磁気光学効果（ファラデー効果）を利用する磁気光学方式のデバイスについて、近年、鋭意研究開発が進められている。

従来の磁気光学式の空間光変調器は、電流を供給することで画素に磁界を印加する電流駆動方式であったが、最近、圧電効果を利用して各画素に個別に応力を付与可能とし該画素の磁化方向を制御するように構成して消費電力及び発熱の低減を図る電圧駆動方式が提案されている（特許文献１参照）。これは、複数の画素を含んでいる磁気光学層と、自ら変形することで各画素に応力を与える圧電材料と、該圧電材料を挟み各画素に対応した位置で交差するように配置した第１及び第２の導体層を備え、磁気光学層の各画素は与えられた応力の方向に応じて磁化方向が設定される構造である。この方式は、電圧駆動式であるため電流が殆ど流れないので、発熱の問題が解消され、圧電材料（ＰＺＴ）の高速動作による高フレーム速度が得られる利点がある。

しかし、この構造は、第１の導体層と第２の導体層との間に所定の電圧が印加され、それによって圧電材料における各画素に対応した部分（即ち、第１の導体層と第２の導体層が交差した部分）に圧電効果による歪みを発生させるようになっている。このため、線順次の時分割走査で駆動することになるので、選択画素には走査線数分の１の時間しか必要な電圧が印加されない。走査線の本数が増えるにつれて、キャパシタとして機能している圧電材料の電圧リークが速く、磁気光学効果が減衰するため、表示時間が短くなる。これは、コントラストが低下することを意味し、エラーレートの劣化となり信頼性が大きく損なわれることになる。
特開２００３−３１５７５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、電圧駆動方式による省電力、低発熱の利点を有し、しかも画素数が多くなっても表示のコントラストが低下せず、データ処理の高信頼性を維持できるようにすることである。

本発明は、それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える複数の画素を備えている磁気光学層と、変形することで前記の各画素に個別に応力を印加させる複数の応力付与要素を備えている圧電層とを具備している空間光変調器において、前記画素の選択及び応力付与要素への電圧印加時間の延長のために各画素毎に薄膜トランジスタを配設すると共に、各薄膜トランジスタを選択駆動するアクティブ・マトリックス式電気配線を形成した薄膜トランジスタ回路層を具備し、前記磁気光学層、圧電層、薄膜トランジスタ回路層が、その順序で積層されていることを特徴とする空間光変調器である。

ここで、空間光変調器は、前記磁気光学層の各画素の背面側にミラーを設けた反射型であり、前記圧電層は、圧電材料を２種の電極で挟み込んだ構造であり、その一方の電極は共通電極で磁気光学層側に位置するベタ膜で前記ミラーを兼ねており、他方の電極は各画素を投影した形状、配列に準じて分離されている個別電極で薄膜トランジスタ回路層側に位置している構成が好ましい。

具体的には、例えば、各薄膜トランジスタと対応する画素毎の個別電極がコンタクトホールを介して電気結線され、前記コンタクトホールの大きさ及び前記薄膜トランジスタのチャンネル部の寸法は画素毎の個別電極の面積の１／４以下、ゲート及びドレイン／ソース配線幅は個別電極の辺の長さの１／２以下であり、前記薄膜トランジスタは画素の中心からオフセットされた位置に配置され、前記アクティブ・マトリックス式電気配線は、各画素の間を投影し薄膜トランジスタと同層に配置される構造とする。

前記アクティブ・マトリックス式電気配線は、例えば走査線と信号線とコモン線からなり、前記薄膜トランジスタは、ソース接地になるように形成する。

前記磁気光学層は、その磁気光学材料からなり膜面垂直な方向に磁化方向をもつ磁性膜を有する。前記圧電層から受ける応力方向の大きさ及び方向により内部磁気スピンを回転させることで磁気光学効果が変化し、前記薄膜トランジスタで圧電層による歪み状態を必要時間保持する。このようにすると、画素数が多くなっても表示のコントラストが低下せず、多階調表示も可能となる。

本発明の空間光変調器は、電圧駆動方式であるので、従来同様、省電力、低発熱の利点があり、高速動作が可能で高フレーム速度を得ることができる。しかも本発明は、アクティブ・マトリックス駆動であるので、選択画素に対して十分長い時間、必要な電圧を印加し続けることができ、画素数が多くなっても（走査線が増えても）表示のコントラストが低下せず、データ処理の高信頼性を維持できる。また本発明では、磁気光学層、圧電層、薄膜トランジスタ回路層が、その順序で積層されている構造なので、磁気光学層と圧電層が隣接し、圧電材料により生じる変形は効率よく磁気光学層に伝達されて大きな応力を受け、他方、薄膜トランジスタが直接大きな応力を受けるのを避けることができる。

更に本発明において、磁気光学層の各画素の背面側にミラーを設けた反射型にすると、磁気光学層の上に積層する圧電層の共通電極をベタ膜とすることでミラーを兼ねさせることができ、構造の簡素化を図ることができる。また、一般に圧電材料として用いるＰＺＴは、よい配向性をもたせるためには６００℃程度でのアニール処理が必要となるが、本発明では圧電層の上に薄膜トランジスタ回路層が積層されるので、薄膜トランジスタは高温でのアニール処理の影響を受けず、従ってドーピングが拡散してしまいチャンネルが形成されなくなる恐れもない。

図１は、本発明に係る空間光変調器の典型的な例を示す説明図である。Ａは断面を表しており、Ｂは平面を透視的に表している。この空間光変調器は、磁気光学層１０、圧電層１２、薄膜トランジスタ回路層１４が、その順序で積層されている構成である。磁気光学層１０は、それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える複数の画素１６を備えている。中間の圧電層１２は、変形することで前記の各画素に個別に応力を印加させる複数の応力付与要素とを備えている。また、薄膜トランジスタ回路層１４は、前記画素の選択及び応力付与要素への電圧印加時間の延長のために各画素毎に薄膜トランジスタ１８を配設すると共に、各薄膜トランジスタ１８を選択駆動するアクティブ・マトリックス式電気配線２０を形成した構造である。

ここで空間光変調器は、各画素の背面側にミラーを設けた反射型である。前記磁気光学層１０は、従来同様、透明基板２２上に磁気光学材料（例えば希土類鉄ガーネットやビスマス置換希土類鉄ガーネットなど）からなる磁性膜を育成し、該磁性膜を処理して各画素毎に区分された磁気光学素子２４が形成されるようにしたものである。例えば、画素間に溝を形成して異種材料を埋め込んだり、局部的な熱処理により画素と画素間の磁気特性を変える方法などがある。磁性膜は、膜面垂直な方向に磁化方向をもつ膜であり、前記圧電層１２から受ける応力方向の大きさ及び方向により内部磁気スピンを回転させることで磁気光学効果が変化し、前記薄膜トランジスタ１８で圧電層１２による歪み状態を必要時間保持する。前記圧電層１２は、圧電材料（例えばＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）２６を２種の電極で挟み込んだ構造であり、その一方の電極（ここでは下側の電極）は共通電極２８で磁気光学層側に位置するベタ膜であって前記ミラーを兼ねており、他方の電極（ここでは上側の電極）は各画素を投影した形状、配列に準じて分離されている個別電極３０であって薄膜トランジスタ回路層側に位置している。

アクティブ・マトリックス式電気配線２０は走査線と信号線、コモン線などからなり、それら走査線及び信号線は、画素と画素の間隙に形成されている。そして、薄膜トランジスタ１８は画素１６の中心からオフセットされた位置で、前記アクティブ・マトリックス式電気配線２０と同層に配置されている。

このような反射型の空間光変調器の基本動作について図２により説明する。図面を簡略化するため２個の画素のみ描いているが、実際は多数の画素が２次元的に規則的に配列されている。なお、反射型の空間光変調器自体は、従来公知の技術である。第１の偏光子３２を透過して直線偏光となった入射光は、空間光変調器の各画素１６に入射する。入射光は、透明基板２２及び磁気光学素子２４を透過し、共通電極２８で反射され、再び磁気光学素子２４及び透明基板２２を透過して出射する。このとき、磁気光学素子２４のファラデー効果によって、各画素１６で反射する光の偏光方向は所定の角度だけ回転する。ここで、上段の画素で磁化方向が正方向（矢印＋）に揃ったとき＋θ_F （例えば＋４５度）のファラデー回転が生じるとすると、下段の画素で磁化方向が負方向（矢印−）に揃ったときには−θ_F （例えば−４５度）のファラデー回転が生じる。これらの反射光は第２の偏光子３４に達するが、その偏光透過面が＋４５度に設定されていると、＋４５度ファラデー回転した上段の光は透過（ＯＮ）するが、−４５度ファラデー回転した下段の光は遮断（ＯＦＦ）される。このようにして、各画素での磁化方向を制御すれば、各画素による反射光のオン・オフを制御できる。

そこで、次に電圧駆動による磁化方向の制御について図３により説明する。なお、説明を分かり易くするため、図では圧電材料２６の変形を極端に大きく描いてある。Ａに示すように、無電圧時には薄膜トランジスタ（スイッチ素子）１８はオフなので、磁気光学素子２４には応力は印加されない。磁化方向は膜面垂直なので、磁気光学素子２４の厚み分がファラデー回転に寄与する。信号オン時は、Ｂに示すように、圧電材料２６の両面に電圧が印加され、磁気光学素子２４に応力が印加される。圧電材料２６が伸長変形すると、磁気光学素子２４は圧縮応力を受ける。それによって内部磁気スピンの静磁エネルギーは小さくなり磁化方向が回転しやすくなる。そこで、Ｃに示すように、外部磁界（Ｈ）が印加されていると、圧電材料２６の変形がトリガとなって外部磁界Ｈの方向に磁化方向が揃う。磁化方向が１８０度回転したのならば、ファラデー回転は逆方向になる。信号オフ時は、Ｄに示すように、個別電極３０には蓄積された電荷が残り（これがキャパシタの記号で表されている）、磁界オン状態が維持される。

本発明におけるアクティブ電圧駆動について図４により説明する。Ａに示すように、薄膜トランジスタ１８のゲートに走査線４０から選択のための電圧を配給し、ソースが信号線４２に電気結線され、ドレインが圧電素子４４（圧電素子４４は、各画素に対応する圧電層領域を意味する）を介してコモン線に繋がっている。点線で結線されている保持容量Ｃは、圧電素子４４の等価容量を表している。Ｂは、この電気回路を概念的に示したものである。薄膜トランジスタ（スイッチ素子）１８がオンの時は、圧電素子４４に十分な電圧が印加され、オフになると、圧電素子４４にかかる電圧は直ぐにはゼロにならず、圧電素子４４のキャパシタンスＣとスイッチ素子のオフ抵抗ＲによるＣＲ時定数に応じて減衰する。ＣＲ時定数を駆動電圧の走査周期に比べて十分大きく設定しておけば、駆動電圧は非走査時間の間も圧電素子に印加され続けるため、コントラストの低下を十分に遅らせることができる。

図５は、本発明に係る空間光変調器の一実施例を示す全体断面図である。これは、ゲートが下方（圧電層側）に位置するボトム・ゲートの場合である。磁気光学層１０、圧電層１２、薄膜トランジスタ回路層１４が、その順序で積層されている構造である。

磁気光学層１０は、透明基板（ＧＧＧ：ガドリニウム・ガリウム・ガーネット単結晶）２２に、各画素領域毎に区画された磁気光学素子（ＹＩＧ）２４が縦横に規則的に形成配列されている構造である。その磁気光学層１０の上に、透明絶縁層（ＳｉＯ₂ ）５０を介して圧電層１２が載っている。圧電層１２は、全面ベタの共通電極２８と、圧電材料（ＰＺＴ）２６の層と、各画素に対応するように形成された個別電極３０とからなり、圧電材料２６が各画素に対応する位置で共通電極２８と個別電極３０とで挟まれた構造である。個別電極３０は、Ｔｉ５２で囲まれ保護されている。ＰＺＴは、製造方法にかかわらず、配向性を向上させるためには、６００℃程度でのアニールが必要となる。本発明では、このような磁気光学層１０と圧電層１２の積層状態でアニール処理できる。

圧電層１２の上に、絶縁層（ＳｉＯ₂ ）５４を介して薄膜トランジスタ回路層１４を形成する。各部に付した符号は次の通りである。５６はゲート電極、５８は走査線、６０は絶縁層、６２はチャンネル、６４は活性層、６６はＴｉ、６８はソース／ドレイン電極及びコンタクトホール、７０は信号線である。

図６に薄膜トランジスタ回路層の他の例を拡大して示す。これはゲートがチャンネルの上方に位置するトップ・ゲートの場合である。圧電層の個別電極３０上に絶縁層５４が設けられ、その上に薄膜トランジスタ回路層１４が形成される。各部に付した符号は次の通りである。７２はゲート電極、７３はＬＤＤ領域、７４はＳ・Ｄ領域（ｎ⁺ 型）、７６はチャンネル（ＬＴＰＳ）、７７はドレイン電極、７８はコンタクトホール、７９はソース電極である。

薄膜トランジスタの一例を図７に示す。これは平面的に描いたものであり、断面的には図６と同様である。等価回路は、前述した図４と同様となる。薄膜トランジスタはｎ型ＭＯＳトランジスタであり、ゲート電極７２は走査線８０に入力としてつながり、ソース領域７８が信号線８２につながり、ドレイン領域７７がコンタクトホール７８を介して圧電層の個別電極３０につながっている。符号７６はチャンネル領域を表している。前記コンタクトホール７８の大きさ及び前記薄膜トランジスタのチャンネル部７６の寸法は画素１６毎の個別電極３０の面積の１／４以下、ゲート及びドレイン／ソース配線幅は画素毎の個別電極３０の辺の長さの１／２以下に設定する。

薄膜トランジスタの他の例を図８に示す。これも平面的に描いたものであり、断面的には図６と同様であってよい。等価回路を図９に示す。薄膜トランジスタ１８はｎ型ＭＯＳトランジスタであり、ゲート電極７２は走査線８０に入力としてつながり、ソース領域７８がソース抵抗Ｒ_S を介して信号線につながり、ドレイン領域７７がドレイン抵抗Ｒ_D を介して共通線（グランド線）８４につながっている。ソース側を出力としてコンタクトホール７８を介して各個別電極３０と電気結線されて、コモン・グランド電極で接地されるソース接地方式である。

このように、薄膜トランジスタとしてｎ型ＭＯＳトランジスタを使用しソース接地すると、（ドレイン側回路の抵抗）／（ソース側回路の抵抗）＝ドレイン電圧利得で各圧電素子を効率よく駆動することができる。

本発明に係る空間光変調器の典型的な例を示す説明図。 反射型の空間光変調器の基本動作を示す説明図。 電圧駆動による磁化方向の制御についての説明図。 アクティブ電圧駆動についての説明図。 本発明に係る空間光変調器の一実施例を示す全体断面図。 薄膜トランジスタ回路層の他の例を示す説明図。 薄膜トランジスタの一例を示す説明図。 薄膜トランジスタの他の例を示す説明図。

符号の説明

１０ 磁気光学層
１２ 圧電層
１４ 薄膜トランジスタ回路層
１６ 画素
１８ 薄膜トランジスタ
２０ アクティブ・マトリックス式電気配線
２２ 透明基板
２４ 磁気光学素子
２６ 圧電材料
２８ 共通電極
３０ 個別電極

Claims (5)

1. それぞれ独立に磁化方向を設定可能で、磁気光学効果により入射光の偏光方向に回転を与える複数の画素を備えている磁気光学層と、変形することで前記の各画素に個別に応力を印加する複数の応力付与要素を備えている圧電層とを具備している空間光変調器において、
   前記画素の選択及び応力付与要素への電圧印加時間の延長のために各画素毎に薄膜トランジスタを配設すると共に、各薄膜トランジスタを選択駆動するアクティブ・マトリックス式電気配線を形成した薄膜トランジスタ回路層を具備し、前記磁気光学層、圧電層、薄膜トランジスタ回路層が、その順序で積層されていることを特徴とする空間光変調器。
2. 前記磁気光学層の各画素の背面側にミラーを設けた反射型であって、前記圧電層は、圧電材料を２種の電極で挟み込んだ構造であり、その一方の電極は共通電極で磁気光学層側に位置するベタ膜で前記ミラーを兼ねており、他方の電極は各画素を投影した形状、配列に準じて分離されている個別電極で薄膜トランジスタ回路層側に位置している請求項１記載の空間光変調器。
3. 各薄膜トランジスタと対応する画素毎の個別電極がコンタクトホールを介して電気結線され、前記コンタクトホールの大きさ及び前記薄膜トランジスタのチャンネル部の寸法は画素毎の個別電極の面積の１／４以下、ゲート及びドレイン／ソース配線幅は個別電極の辺の長さの１／２以下であり、前記薄膜トランジスタは画素の中心からオフセットされた位置に配置され、前記アクティブ・マトリックス式電気配線は、各画素の間を投影し薄膜トランジスタと同層に配置される請求項２記載の空間光変調器。
4. 前記アクティブ・マトリックス式電気配線は、走査線と信号線とコモン線からなり、前記薄膜トランジスタは、ソース接地になるように形成されている請求項２又は３記載の空間光変調器。
5. 前記磁気光学層は、その磁気光学材料からなり膜面垂直な方向に磁化方向をもつ磁性膜を有し、前記圧電層から受ける応力方向の大きさ及び方向により内部磁気スピンを回転させることで磁気光学効果が変化し、前記薄膜トランジスタで圧電層による歪み状態を必要時間保持するようにした請求項１乃至４のいずれかに記載の空間光変調器。
   

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