Brevet FR2702851A1 — publié le 19940923

MODULATEUR DE LUMIERE A CRISTAL LIQUIDE FERROELECTRIQUE ET A ADRESSAGE OPTIQUE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un modulateur de lumière à cristal liquide ferroélectrique et à adressage optique. Elle trouve une application notamment dans l'affichage et le traitement optique limages. Etat de la technique antérieure Un modulateur de lumière à cristal liquide ferroélectrique est un dispositif qui comprend, très généralement - un substrat semiconducteur supportant une matrice de cellules élémentaires de modulation de la lumière, chaque cellule comprenant un photodétecteur, une électrode réfléchissante, un circuit intégré, des interconnexions, - une plaque transparente revêtue d'une contre-électrode transparente, - des cales drépaisseur pour tenir écartés la plaque et le substrat, - un film de cristal liquide ferroélectrique intercalé entre la plaque et le substrat. Un faisceau de lumière dit d'écriture commande 11 état des photodétecteurs, lesquels, par l'intermédiaire des circuits intégrés, commandent Irapplication sur les électrodes de potentiels appropriés. Le cristal liquide ferroélectrique est alors soumis à un champ électrique. Un faisceau de lumière dit de lecture sera modulé en conséquence à sa double traversée du cristal liquide et d1un polariseur-analyseur placé devant la cellule. Lut intérêt de ces dispositifs vient de ce que les tensions requises pour commander le cristal liquide ferroélectrique sont compatibles avec les tensions de fonctionnement des circuits intégrés obtenus par intégration à très grande échelle (VLSI). Cela permet donc d'intégrer , dans une même cellule réalisée sur un substrat semiconducteur, les fonctions de détection de la lumière dlécriture, de traitement du signal, d'interconnexion et de modulation de la lumière de lecture. De tels modulateurs sont décrits par exemple dans l'article C. COLLINES, W.A. CROSSLAND, P.J. AYCLIFF, D.G. VASS, I. UNDERWOOD, intitulé V?Evolutionary Development of Advanced Liquid Crystal Saptial Light Modulators", publié dans Applied Optics, vol. 28, n 22, pp. 4740-4747", 1989 et dans l'article de L.K. COTTER, T.J. DRABIK, R.J. DILLON, M.A. HANDSCHY, intitulé Integrated-Circuit Spatial Light Modulateur, publié dans Optics Letters, vol. 15, n 5, pp. 291-293, 1990. Dans ces dispositifs, la fonction de photodétection est en général obtenue par 1 T utilisation, comme substrat, de silicium amorphe hydrogéné, a-Si:H, dont on utilise les propriétés photoconductrices. I1 est également connu d'employer des phototransistors à jonction réalisés dans du silicium. Une telle variante est mentionnée dans l'article de M.A. HANDSCHY, T.J. DRABIK, intitulé "Progress in Silicon VLSI/Ferroelectric-Liquid-Crystal Micropower Optoelectronic Computing Devices, publié dans Spatial Light Modulators and their Applications, vol. 14 de OSA Technical Digest Series, pp 98-100, 1990. Dans tous les cas, (y compris ceux où l'adressage ne serait pas optique mais électrique avec des lignes et des colonnes d'adressage), adressage), chaque cellule du modulateur doit posséder une électrode réfléchissante servant à appliquer le champ électrique approprié au cristal liquide, pour la fonction de modulation. Deux solutions sont connues pour réaliser cette électrode - dans la première, (qui est celle du document qui vient d'être cité), l'électrode est placée au-dessus du circuit intégré ; - dans la seconde, l'électrode est placée à côté du photodétecteur et du circuit, sur la surface du substrat. Cette seconde solution est décrite dans l'article de D.J. McKNIGHT, D.G. VASS, R.M. SILLITTO, intitulé "Development of a Spatial Light Modulator : a Randomly Addressed Liquid-Crystal Over-nMOS Array", publié dans Applied Optics, vol. 28, n022, pp. 4757-4762, 1989. La première solution entraîne un gain de place et améliore la résolution du modulateur. En outre, elle permet d'isoler le circuit de la lumière incidente et de supprimer la photo-génération de porteurs, lesquels pourraient perturber le fonctionnement du circuit. Ce point est important lors de ltopération de lecture, où le faisceau lumineux incident est intense. Cependant, cette solution présente des inconvénients. En effet, il est difficile d'obtenir une surface parfaitement plate, au sens optique, car ltélectrode est déposée sur un circuit qui nTest pas plan mais présente un certain relief. Il en résulte des variations dlépaisseur pour la couche de cristal liquide, donc des variations de phase du rayonnement optique. Cela entraîne des variations de contraste pour la lumière réfléchie. Ce défaut est particulièrement grave dans les applications de traitement optique utilisant de la lumière cohérente. Un autre inconvénient lié à l'état de surface défectueux de l'électrode est que la lumière incidente va se trouver diffusée et diffractée par llélectrode. Les faisceaux modulés se trouvent alors perturbés et peuvent en particulier interagir sur les cellules adjacentes. Cette perturbation peut devenir très importante lorsque plusieurs modulateurs sont associés et combinés dans une architecture complexe. La seconde solution évite ces inconvénients puisqu'elle préconise de déposer directement llélectrode sur le substrat. Selon le dernier document cité, on dépose à cette fin un alliage d'aluminium (Al, Cu, Si) sur un substrat en silicium. Si le substrat présente un poli optique, il n'en va cependant pas de même pour la couche métallique qui le recouvre, laquelle présente en fait une surface avec un certain grain. Cet état de surface provoque encore une diffusion de la lumière. Il est donc- en général nécessaire de polir la surface métallique obtenue, avant montage du modulateur, ce qui, naturellement, complique singulièrement le procédé de réalisation. Exposé de 1'invention La présente invention a justement pour but de remédier à tous ces inconvénients. A cette fin, elle préconise d'utiliser la surface même du substrat semiconducteur comme électrode semiréfléchissante, à In endroit même où est réalisé le photodétecteur. Cette surface présente en effet un poli optique remarquable, ce qui évite tous les inconvénients de llart antérieur. Par ailleurs, le dépôt dlune couche métallique se trouve évité, ce qui simplifie considérablement le procédé de réalisation du modulateur. Il convient naturellement de trouver un compromis entre l'absorption de la lumière d'écriture et la réflexion de la lumière de lecture. On pourra choisir, par exemple, un coefficient d'absorption sensiblement égal au coefficient de réflexion. Si la proportion de lumière incidente perdue par divers effets parasites est de tordre de 30%, les coefficients de réflexion et d'absorption pourront être choisis égaux chacun à environ 30%. Cette égalité des coefficients est très favorable à la mise en cascade des cellules. De façon précise, la présente invention a donc pour objet un modulateur de lumière à cristal liquide ferroélectrique et à adressage optique, du genre de ceux qui ont été décrits plus haut et qui est caractérisé par le fait que le photodétecteur de chaque cellule est réalisé sur la face du substrat semiconducteur, côté cristal liquide et présente une surface semiréfléchissante constituant 1T électrode. Selon une autre caractéristique de llinvention, les circuits intégrés et les interconnexions de chaque cellule forment des reliefs entourant au moins en partie le photodétecteur. Ces reliefs constituent alors des cales d'épaisseur. La plaque transparente peut ainsi reposer directement sur ces reliefs, ce qui évite llemploi de billes de verre comme espaceurs, lesquels souvent à llorigine de défauts optiques ou électriques. Brève description des dessins - la figure 1 est une vue de dessus dVune cellule selon IVinvention - la figure 2 est une vue en coupe de cette cellule selon un premier mode de réalisation - la figure 3 est une vue en coupe de cette cellule selon un second mode de réalisation - la figure 4 illustre un exemple des connexions établies dans chaque cellule et entre cellules voisines. Exposé détaillé de modes de réalisation On voit, sur la figure 1, une vue de dessus schématique dTune cellule selon llinvention. Cette cellule, qui porte la référence générale 10, comprend dlabord un photodétecteur 12, qui constitue en même temps llélectrode semiréfléchissante de la cellule. On trouve en outre un circuit intégré 14, qui traite les signaux détectés par le photodétecteur et qui délivre divers signaux pour la commande de la cellule ou pour le transfert de certains signaux vers des cellules adjacentes (comme on le comprendra mieux en liaison avec la figure 4). On trouve enfin un réseau d'interconnexions 16. La figure 2 montre la cellule selon une coupe passant par le photodétecteur. Un substrat 20, par exemple en silicium de type p, contient une zone 22 dopée n. La zone dopée 22 de type n et le substrat 20 de type p forment une photodiode np. La surface 24 de la zone dopée constitue la surface réfléchissante de la cellule. De préférence, on dépose sur cette surface 24 une couche 26 destinée à aligner correctement les molécules du cristal liquide. Le substrat sert également à intégrer le circuit de traitement et de commande, lequel est disposé à l'extérieur de la zone 22. On a représenté, à titre explicatif, une zone dopée 30, une couche isolante 32, par exemple en silice, une couche métallique 34 venant prendre contact avec la photodiode 20-22, et enfin une couche de passivation 36. Ces diverses couches ainsi que d'autres non représentées, forment les circuits de la cellule et les connexions. L'ensemble des couches 32, 34, 36 forme un relief 38 qui présente une certaine épaisseur. Cette épaisseur est choisie pour être égale à l'épaisseur désirée pour le film de cristal liquide. On pourra alors déposer la plaque transparente 40, avec sa contre-électrode 42 et sa couche d'alignement 44, directement sur les reliefs 38, sans utiliser d'autres cales d'épaisseur. Le cristal liquide 50 sera alors confiné dans un caisson délimité, en bas, par la couche d'alignement 26, en haut, par la couche d'alignement 44, sur les côtés, par les reliefs 38. L'orientation des molécules du cristal liquide est bien meilleure que dans le cas où seuls le substrat et la plaque transparente limitent le ilm. Les défauts d'aspect en zigs-zags disparaissent. La plaque 40 peut être en verre et la contre-électrode 42 en ITO (oxyde d'étain et d'indium). Les couches d'alignement peuvent être en polymère ou en oxyde de silicium SiO déposé obliquement. La coupe de la figure 3 ne diffère de celle de la figure 2 que par la structure du photodétecteur. Il s'agit, cette fois, d'un phototransistor formé d'une zone 21 dopée n, d'un puits 23 dopé p et du substrat 20 qui, dans ce cas, est dopé n. La figure 4, enfin, montre un exemple de connexions pouvant être mis en oeuvre dans l'invention. Sur ce schéma, qui se réfère encore à une seule cellule 10, on retrouve la photodiode référencée 60, avec, reliés à celle-ci, un premier inverseur 62, un second inverseur 64, un premier transistor 66 commandé par un signal fA t un second transistor 68, commandé par un signal + . L'ensemble 62, 64, 66, 68 forme une boucle mémoire dans laquelle circule le signal détecté par la photodiode lors de son éclairement par le faisceau d'écriture. Le circuit représenté comprend encore un circuit logique 70, un transistor 72 commandé par un signal +2 et des transistors de décalage de signaux en provenance des cellules adjacentes, à savoir : un transistor 74 de décalage de la gauche, un transistor 76 de décalage du haut, un transistor 78 de décalage de la droite et un transistor 80 de décalage du bas. Tous ces transistors, ainsi que les transistors de la boucle mémoire, sont commandés par le circuit 70. Par ailleurs, les sorties des deux inverseurs 62 et 64 sont reliées respectivement vers la droite et vers le haut pour l'inverseur 62 et vers la gauche et vers le bas pour l'inverseur 64. REVENDICATIONS 1. Modulateur de lumière à cristal liquide ferroélectrique et à adressage optique comprenant a) un substrat semiconducteur (20) supportant une matrice de cellules élémentaires de modulation de la lumière (10), chaque cellule comprenant un photodétecteur (12), une électrode réfléchissante (26), un circuit intégré (14), des interconnexions (16), b) une plaque transparente (40) revêtue d'une contreélectrode transparente (42), c) des cales d'épaisseur (38) pour tenir écartés la plaque (40) et le substrat (20), d) un film de cristal liquide ferroélectrique (50) intercalé entre la plaque (40) et le substrat (20), ce modulateur étant caractérisé par le fait que le photodétecteur (12) de chaque cellule est réalisé sur la face (24) du substrat semiconducteur (20) côté cristal liquide (50) et présente une surface semi-réfléchissante (24) qui constitue ladite électrode. 2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le photodétecteur (12) est constitué par une photodiode comprenant, en surface, une zone (22) dopée n, le substrat (20) étant dopé p. 3. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le photodétecteur (12) est constitué par un phototransistor comprenant, en surface, une zone (21) dopée n, en profondeur, une couche (23) dopée p, le substrat (20) étant dopé n. 4. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les circuits intégrés et les interconnexions forment des reliefs (38) entourant au moins en partie le photodétecteur (12), ces reliefs (38) constituant lesdites cales d'épaisseur, la plaque transparente (40) reposant sur ces reliefs (38). 5. Modulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le substrat (20) est en silicium.