(57)【要約】【課題】薄膜オプトカプラを使用して形成されるアクティブマトリックスバックプレーンを提供する。【解決手段】デバイスは、バックプレーンであって、バックプレーンの出力面上にアレイ状に配置されている複数の出力端子２３０を有する、バックプレーンを含む。デバイスは、それぞれバックプレーンの入力端子と出力端子との間に結合されている、薄膜ソリッドステート光スイッチ２２０を備えるアクティブマトリクスアレイをさらに含む。蓄積容量がそれぞれ出力端子に結合され得る。ピクセル化光源が、光スイッチを制御するピクセル化光である。【選択図】図２
2020123732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックプレーンであって、
前記バックプレーンの出力面上に配置されている複数の出力端子、
オプトカプラアクティブマトリクスアレイであって、
それぞれ前記バックプレーンの入力端子と前記出力端子との間に結合されている薄膜ソリッドステート光スイッチであって、前記光スイッチおよび前記出力端子はアレイ状に配置されている、薄膜ソリッドステート光スイッチ、および
それぞれ前記出力端子に結合されている蓄積容量
を備える、オプトカプラアクティブマトリクスアレイ
を備える、バックプレーンと、
前記光スイッチを制御するピクセル化光を提供するように構成されているピクセル化光源と
を備える、デバイス。
【請求項２】
前記ピクセル化光源は、
光ビームを提供するように構成されている少なくとも１つの光生成デバイスと、
少なくとも１つのミラーと、
前記ミラーの少なくとも２つの寸法に沿った運動を可能にするように構成されている運動機構と
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ピクセル化光源は複数の光生成デバイスを含み、前記複数の光生成デバイスの各々は、前記光スイッチの少なくとも１つを制御するように配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ピクセル化光源は、
少なくとも１つの光生成デバイスと、
複数の回転可能なマイクロミラーを備えるマイクロミラーアレイと
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ピクセル化光源はフラットパネルディスプレイを含み、前記フラットパネルディスプレイの各ピクセルは、前記アクティブマトリクスアレイのピクセルに対応する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記光スイッチはピクセルグループ内に配置され、各ピクセルグループは、少なくとも、第１の入力に結合されている第１の光スイッチおよび第２の入力に結合されている第２の光スイッチであって、前記第１の光スイッチおよび前記第２の光スイッチは共通の出力端子に接続されている、第１の光スイッチおよび第２の光スイッチと、
前記ピクセル化光源と前記第１の光スイッチとの間に配置されている第１の通過帯域色を有する第１の光フィルタと、
前記ピクセル化光源と前記第２の光スイッチとの間に配置されている第２の通過帯域色を有する第２の光フィルタとを含み、
前記ピクセル化光源は、前記第１の色を放出することによって前記第１の光スイッチを起動し、前記第２の色を放出することによって前記第２の光スイッチを起動するように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
バックプレーンであり、
前記バックプレーンの出力面上にアレイ状に配置されている複数の出力端子と、
アクティブマトリクスアレイと
を備える、バックプレーン
を備えるデバイスであって、前記アクティブマトリクスアレイは、
それぞれ前記バックプレーンの少なくとも１つの入力端子と前記出力端子との間に結合されている薄膜ソリッドステート光スイッチを備え、各光スイッチは、
側方に延伸する感光性材料の層と、
前記感光性材料の層に沿って互いから側方に離間されている第１の電極および第２の電極であって、前記第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の接合部および第２の接合部において前記感光性材料に接している、第１の電極および第２の電極と、
前記感光性材料から電気的に絶縁されており、前記感光性材料の層に沿って側方に、前記第１の接合部および前記第２の接合部を越えて延伸している少なくとも１つのフィールドプレートであって、前記少なくとも１つのフィールドプレートは前記第１の電極または前記第２の電極に電気的に接続されている、少なくとも１つのフィールドプレートと
を備える、デバイス。
【請求項８】
前記出力端子の各々に結合されている蓄積容量をさらに備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つの入力端子に結合されている電圧源をさらに備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記光スイッチはピクセルグループ内に配置されており、各ピクセルグループは、デジタル入力信号をアナログ出力信号に変換するように配置されている、請求項７に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概してアクティブマトリクスアレイ、ならびに、そのようなアレイに関するデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブマトリクスアレイは、多数の電子素子にアクセスする方法を提供する。これらのアレイは、一般的に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイのように、高密度発光素子をアドレス指定するのに使用されている。ＬＣＤまたはＯＬＥＤディスプレイ素子にアクセスするために使用されているアクティブマトリクスバックプレーンは、平坦なパネルディスプレイにするのを容易にするために薄くされている。アクティブマトリクスアドレス指定はまた、高電圧によって作動される電子素子を制御するのにも有用であり得る。高電圧用途は、制御回路と出力回路との間の何らかのタイプの電気的遮蔽を使用することを伴うことが多い。高電圧用途に有用である高密度アクティブマトリクスアレイが必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
いくつかの実施形態は、バックプレーンであって、バックプレーンの出力面上にアレイ状に配置されている複数の出力端子を有する、バックプレーンを含むデバイスを含む。デバイスは、それぞれバックプレーンの入力端子と出力端子との間に結合されている、薄膜ソリッドステート光スイッチを備えるアクティブマトリクスアレイを含む。蓄積容量がそれぞれ出力端子に結合され得る。ピクセル化光源が、光スイッチを制御するピクセル化光を提供する。
【０００４】
いくつかの実施形態は、バックプレーンであって、当該バックプレーンの出力面上に配置されている複数の出力端子と、それぞれバックプレーンの少なくとも１つの入力端子とアレイ状に配置されている出力端子との間に結合されている薄膜ソリッドステート光スイッチを備えるアクティブマトリクスアレイとを含む、バックプレーンに関する。各光スイッチは、側方に延伸する感光性材料の層と、感光性材料の層に沿って互いから側方に離間されている第１の電極および第２の電極であって、第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の接合部および第２の接合部において感光性材料に接している、第１の電極および第２の電極と、感光性材料から電気的に絶縁されており、感光性材料の層に沿って側方に、第１の接合部および第２の接合部を越えて延伸している少なくとも１つのフィールドプレートであって、少なくとも１つのフィールドプレートは第１の電極または第２の電極に電気的に接続されている、少なくとも１つのフィールドプレートとを含む。
【０００５】
様々な実施形態のこれらのおよび他の特徴および態様は、以下の詳細な説明および添付の図面に照らして理解することができる。
【０００６】
下記の説明は添付の図面を参照し、図面において、同じ参照符号が複数の図面内で同様の／同じ構成要素を識別するために使用されている場合がある。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本明細書において開示されている実施形態によるオプトカプラアクティブマトリクス（オプトカム）を使用するシステムのブロック図である。
【図２】図２は、いくつかの実施形態によるオプトカムバックプレーンの回路図である。
【図３】図３は、図２のオプトカムバックプレーンの例示的な入力波形を示す図である。
【図４】図４は、いくつかの実施形態による、２セットの入力線およびピクセルあたり２つの光スイッチを使用するオプトカムバックプレーンの回路図である。
【図５Ａ１】図５Ａ１は、いくつかの実施形態による、各ピクセル内にデジタル−アナログ変換器を含むオプトカムバックプレーンの回路図である。
【図５Ａ２】図５Ａ２は、いくつかの実施形態による、各ピクセル内にデジタル−アナログ変換器を含むオプトカムバックプレーンの回路図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａのオプトカムバックプレーンのデジタル入力波形を示す図である。
【図６】図６は、いくつかの実施形態による、複数の色フィルタを含むオプトカムバックプレーンの回路図である。
【図７】図７は、いくつかの実施形態による、制御光源としてフラットパネルディスプレイを使用するオプトカムバックプレーンの側面図である。
【図８】図８は、いくつかの実施形態による、制御光源としてフラットパネルディスプレイを使用し、オプトカムバックプレーンとフラットパネルディスプレイとの間に配置されている光学素子を含むオプトカムバックプレーンの側面図である。
【図９】図９は、いくつかの実施形態による、オプトカムバックプレーン、および、制御光源として使用されるプロジェクタを示す図である。
【図１０】図１０は、いくつかの実施形態によるオプトカムバックプレーンの測定波形の図である。
【図１１】図１１は、いくつかの実施形態によるオプトカムバックプレーンの測定波形の図である。
【図１２】図１２は、標準的なＰＩＮ光検出器の暗電流および明電流のグラフである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、いくつかの実施形態による薄膜光スイッチの断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、いくつかの実施形態による薄膜光スイッチの上面図である。
【図１４】図１４は、いくつかの実施形態による、２つのフィールドプレートを含む薄膜光スイッチの上面図である。
【図１５】図１５は、図１３Ａおよび図１３Ｂに示す光スイッチの暗および明Ｉ−Ｖ特性を提示する図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、いくつかの実施形態によるｐ＋／ｉ／ｐ＋構造を有する光スイッチの断面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、いくつかの実施形態によるｐ＋／ｉ／ｐ＋構造を有する光スイッチの上面図である。
【図１７】図１７は、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す光スイッチの暗および明Ｉ−Ｖ特性を提示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面は必ずしも原寸に比例していない。図面において同様の参照符号が使用されている場合、これは同様の構成要素を指す。しかしながら、所与の図面における構成要素を指すための番号の使用は、同じ参照符号を付されている、別の図面にある構成要素を限定するようには意図されていない。
【０００９】
本明細書において開示されている実施形態は、光結合された高電圧出力を提供する高密度バックプレーンに関する。光結合は、高電圧ノードを低電圧制御システムから遮蔽する役割を果たす。大面積光結合バックプレーンは、高電圧出力のアレイを提供することが可能であり、メンブレンディスプレイおよび光学ミラーアレイのような微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスを駆動することを含む、多種多様な用途に対する機会を提示する。説明されているいくつかの実施形態は、アレイピッチが約１００μｍ未満である多数の、たとえば、５００×５００、１０００×１０００以上のピクセルを含むことができるオプトカプラアクティブマトリクス（オプトカム）バックプレーンに関する。様々な実施形態において、オプトカムバックプレーンの光スイッチは、フラットパネルディスプレイまたはプロジェクタを用いて生成されるピクセル化光によって制御することができる。本明細書において説明されているいくつかの実施形態は、オプトカムバックプレーンのための光結合を可能にするために使用することができる新規の薄膜光スイッチを含む。
【００１０】
図１は、本明細書において説明されている様々な実施形態によるオプトカムバックプレーン１１０を組み込んでいる例示的なシステムの断面図である。オプトカムバックプレーン１１０は、出力端子１３１のアレイ、たとえば、多次元アレイ、二次元、またはｘｙアレイを含む出力面１３０を有する。出力端子１３１は、デバイス１９０、たとえば、ＭＥＭＳアレイなどを駆動するように結合することができる。
【００１１】
図１には示されていないが、バックプレーン１１０内には、入力電圧、たとえば、高電圧入力を、出力端子１３１に結合する薄膜光スイッチがある。高電圧出力を提供することができ、オプトカムバックプレーンに適している薄膜光スイッチの構造は、下記により詳細に説明される。バックプレーン１１０の光スイッチは、バックプレーン１１０の光スイッチを起動するためのピクセル化光１９９を生成する光源１２０によって制御される。
【００１２】
図２は、二次元アレイ状に配置されている、多数のピクセル２１０を示すオプトカムバックプレーン２００の概略図である。各ピクセル２１０は、光２６０の存否によってオンまたはオフにすることができる光スイッチ、たとえば、光スイッチ２２０を含む。光スイッチ２２０がオンにされると、入力２５０、たとえば、高電圧入力が低インピーダンスを通じてピクセル出力端子２３０に結合され、光スイッチ２２０がオフにされると、入力２５０が、入力２５０と出力端子２３０との間の高インピーダンスによってピクセル出力端子２３０から分離される。各ピクセルは、ピクセル出力端子２３０に結合されている出力蓄積容量２４０を含むことができる。行走査アクティブマトリクススイッチ式ＬＣＤディスプレイバックプレーンに一般的であるように、ピクセル２１０の各列が個々にアドレス指定可能である代わりに、いくつかまたはすべてのピクセル２１０の入力（「データ」）線２５０を接続することができ、単純化された２ポート電気インターフェースがもたらされる。個々のピクセルアドレス指定は、光スイッチ２２０に光学的に結合されている光源（図２には示さず）によって生成されるピクセル化光の個々のピクセルのオン／オフ制御によって達成される。図２は４×４ピクセルのアレイを示しているが、バックプレーン２００は１Ｋ×１Ｋピクセル以上に拡大可能である。
【００１３】
いくつかの実施形態において、バックプレーン２００の各ピクセル２１０は、出力端子２３０において複数の電圧レベルを提供する機能を有する。制御光源は、出力端子アレイの出力端子２３０上で複数レベルの高電圧出力を達成するために、複数のグレーレベルを生成する必要はない。図３は、電圧を駆動する入力２５０の例示的な波形３１０、および、ピクセルのグループＡ、Ｂ、Ｃをオンにするタイミング３２１、３２２、３２３を提示する波形の部分を示す。この特定の例において、Ｖ１がピクセルグループＡの蓄積容量内に蓄積され、０がピクセルグループＢの蓄積容量内に蓄積され、Ｖ２はピクセルグループＣの蓄積容量内に蓄積される。Ｖ１およびＶ２は、図示されているように反対の極性を有することができるか、または、用途による要求に応じて同じ極性を有してもよい。このプロセスによって任意の数の出力電圧レベルを提供することができ、リフレッシュレートが低減することを代償に、より多くのグレーレベルが可能である。
【００１４】
図４は、複数レベルの出力電圧を提供するオプトカムバックプレーンの概略図を示す。図４のオプトカムバックプレーンは、複数の電圧レベルを達成するために、複数の入力線４５１、４５２と、１つのピクセル４１０内の複数の光スイッチ４２１、４２２とを含む。各ピクセル４１０は、光スイッチ４２１、４２２および出力端子４３０に結合されている蓄積容量４４０を含むことができる。光スイッチ４２１、４２２を制御する光を、パルス幅を変調するように変調することによって、上部出力端子４３０における出力電圧を、Ｖ１とＶ２との間の任意のレベルに調節することができる。
【００１５】
代替的に、ＯＬＥＤまたはＬＣＤディスプレイのような何らかの二次元（２Ｄ）光源が、各個々のピクセルのグレーレベル光出力を生成することが可能である。これらのタイプの光源を組み込んでいる実施形態において、Ｖ１とＶ２との間の任意の電圧は、光スイッチ４２１および４２２を制御する光源の相対的な光レベルによって生成することができる。
【００１６】
いくつかの実施態様によれば、Ｖ１およびＶ２はＤＣまたは擬似ＤＣ（光源がオンのサイクルの１つの間に変化がない）である必要はない。代わりに、Ｖ１およびＶ２の一方または両方を、高周波電圧生成器によって駆動することができる。一例において、Ｖ１は、１ＭＨｚ正弦関数生成器に接続することができ、Ｖ２は接地に接続することができる。オンにされている光スイッチ４２１を励起する光源ピクセルを有するピクセルグループは、上部電極において１ＭＨｚ電圧を出力することになり、一方で、光スイッチ４２２を励起する、オンにされている光源ピクセルを有するピクセルグループは、０Ｖを出力することになる。この構成は、高周波駆動を必要とするデバイスまたはアプリケーションをイネーブルすることができる。たとえば、オプトカムバックプレーンが任意の微小粒子アクチュエータのために使用される場合、この手法は、誘電泳動駆動を可能にする。図２に示すより単純なオプトカムバックプレーンは、高周波電位を上部電極に選択的に出力することも可能である。しかしながら、これは選択的な「接地」電極を提供せず、むしろ、照明によってアドレス指定されていない任意のバックプレーンピクセルが、蓄積容量を通じて接地に接続されることになる。多くの用途について、これは十分であるはずである。
【００１７】
図５Ａ（図５Ａ１および図５Ａ２）ならびに図５Ｂは、光源の個々の光源ピクセルのオン／オフ制御のみによって複数レベルの高電圧出力を生成するまた別の実施形態を示す。オプトカムバックプレーンの各ピクセル５１０は、光デジタル出力を有する小型デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を含む。たとえば、図５Ａは、各々が光スイッチ５２１、５２２、５２３によって制御され、加重容量５８１、５８２、５８３に接続されている３ビットデジタル入力を有するバックプレーンピクセル構成を示す。蓄積容量５４０は、バックプレーンピクセル出力端子５３０、および、加重容量５８１、５８２、５８３の各々に電気的に接続されている。光スイッチ５２１、５２２、５２３は、入力電圧波形と協働するパターンにおいてオンにされる。図５Ｂは、図５Ａの入力端子５７１に印加される入力波形５７０を示す。図５Ａおよび図５Ｂに示す例において、入力波形５７０がＶ１であるときの時間間隔５８２の間に光スイッチ５２３および５２１がオンにされ、入力電圧波形が０であるときの時間間隔５８１の間に光スイッチ５２２がオンにされる。図５Ｂに示すタイミングパターン５８１、５８２および入力波形５７０を使用すると、ピクセル５１０の出力端子５３０における電圧は（５／７）*Ｖ１である。使用されるタイミングパターンおよび入力電圧波形に応じて様々な他のアナログ電圧レベルが出力端子５３０において達成されてもよいことが、読者には諒解されよう。
【００１８】
図６は、光源の分解能要件を倍増させる代わりに使用することができる構成を有するオプトカムバックプレーンの概略図である。この実施形態において、光源は、カラーディスプレイのような２Ｄカラー光源である。各ピクセル６１０は、２つの光スイッチ６２１、６２２を含む。光スイッチ６２１と、光スイッチ６２１を励起する光ピクセルとの間に色フィルタ６７１が配置されている。光スイッチ６２２と、光スイッチ６２２を励起する光ピクセルとの間に色フィルタ６７２が配置されており、色フィルタ６７１の光通過帯域は、色フィルタ６７２の光通過帯域とは異なる。色フィルタ６７１の通過帯域内の波長の光６８１がバックプレーンピクセル６１０に向けて方向付けられると、光スイッチ６２１がオンになり、光スイッチ６２２がオフになる。逆に、色フィルタ６７２の通過帯域内の波長を有する光６８２がバックプレーンピクセル６１０に向けて方向付けられると、光スイッチ６２２がオンになり、光スイッチ６２１がオフになる。したがって、カラーディスプレイを使用して、ピクセル６１０の各光スイッチ６２１、６２２を別個に制御することが可能である。カラーディスプレイは、色フィルタ６７２の通過帯域内の光を実質的に放出することなく色フィルタ６７１の通過帯域内の相当量の光を放出することが可能であり、色フィルタ６７１の通過帯域内の光を実質的に放出することなく色フィルタ６７２の通過帯域内の相当量の光を放出することが可能である。カラーディスプレイを２Ｄ光源として使用すると、図４に示すオプトカムバックプレーンを制御するのに必要とされる２Ｄ光源の分解能を、図２の分解能要件に戻して緩和することが可能である。
【００１９】
図７は、バックプレーン２Ｄ出力端子アレイ７３０の断面を示す、オプトカムバックプレーン７１０の側面図を示す。オプトカムバックプレーン７１０の光スイッチは、２Ｄ光源、たとえば、フラットパネルディスプレイ７６０によって制御される。図７において、バックプレーン７１０のピクセルピッチは２Ｄ光源７６０のピクセルピッチに実質的に等しく、バックプレーンの基板厚さｄは、光源ピクセルからの光の分散に起因するクロストークが大きくならないように十分に小さい。このシナリオにおいて、光源７６０は、介在する光学素子なしに、直にオプトカムバックプレーン７１０に結合することができる。
【００２０】
図７は、フラットパネルディスプレイ７６０、たとえば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイまたは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）がオプトカムバックプレーン７１０の背面に直に光学的に結合されている実施形態を示す。オプトカムバックプレーンの基板厚さｄがバックプレーン光スイッチアレイのピクセルピッチよりもはるかに小さい限り、この手法は十分であるはずである。現在のディスプレイ産業において開発されているこの薄型透明基板の現在の傾向を利用すると、この手法は有用であり得る。必要とされるアレイピッチが基板厚さよりも小さい場合、図８に示す適切な中継光学素子８７０を使用することができる。中継光学素子８７０は、バックプレーン８１０の表面に沿って、出力端子８３０の反対に配置されて示されている。たとえば、中継光学素子８７０は、分散光を遮断するためのピンホールマスク、および／または、ディスプレイ８６０からの光をオプトカムバックプレーン８１０の光スイッチ上に合焦させるように構成されているマイクロレンズアレイ、たとえば、セルフォック（登録商標）レンズアレイを含んでもよい。
【００２１】
図９は、光生成デバイスとして使用されるプロジェクタ９６１と、傾斜ミラー９６３と、傾斜ミラーを１つまたは複数の軸に沿って平行移動させるように構成されている走査機構９６２とを含むプロジェクタシステムを使用する構成を示す。プロジェクタ９６１、ミラー９６３、および走査装置９６２は、オプトカムバックプレーンの出力アレイ９３０において所望のパターン出力を提供するようにオプトカムバックプレーン９１０の光スイッチを制御するためのピクセル化２Ｄ光源を提供することができる。図７に示す構成と比較して、たとえば、プロジェクタシステムは通常、よりかさばる光学機器を必要とする。プロジェクタシステムは、いくつかの有用な特徴を提供する。たとえば、図２にあるような光スイッチが単一であるピクセルを有するオプトカムバックプレーンが使用される場合、プロジェクタの光学ズームを使用して、予め設計されているアレイピッチとは無関係に、容易にスケーリングすることができる電位マップパターンを生成することができる。ミラーおよびプロジェクタは、大きいパターンフィールドを提供することができるように、１Ｄまたは２Ｄにおいてリアルタイムで走査するように設計することもできる。
【００２２】
図９のプロジェクタ、ミラー、および走査装置に対する代替形態として、マイクロミラーをプロジェクタによって生成される光ビームに向けて、または、光ビームから外方に傾斜させ、したがって光スイッチをオンまたはオフにする走査機構を有する、多くのピクセルサイズ回転可能マイクロミラーを組み込んでいるデジタル光プロジェクタ（ＤＬＰ）システムを使用することが可能である。
【００２３】
図１０および図１１は、図２に示すようなピクセル回路および接続ならびに図９に示すような２Ｄ光源を有するオプトカムバックプレーンの動作を示すグラフである。測定は、オシロスコープ（ＴＤＳ２０１４Ｂ）および高インピーダンス電圧プローブ（Ｔｒｅｋ  ８００高インピーダンス電圧計）を用いて実施された。図１０は、Ｖ１の正の立ち上がりエッジと同期して０．１秒でオンにされる方形灯の上でホバリングしているプローブによって検出される信号を示す。図１１は、同様の測定値を示しているが、プローブは、負のＶ１サイクルの立ち下がりエッジと同期して０．１秒でオンにされる方形灯の上でホバリングしている。図１０および図１１の両方が、ピクセルが設計電圧へと迅速に充電され、光源がオフにされると（Ｖ１の電圧に続いて）ゆるやかに減衰することを示しており、これはオプトカムバックプレーン動作に期待されていることである。この測定のリフレッシュレートは２秒であったが、実際の適用については、電圧出力のリップリングを最小限に抑えるためにはるかにより高いリフレッシュレートを使用することができる。
【００２４】
上述したオプトカムバックプレーンの応用形態は、ＭＥＭＳデバイスのようなデバイスを制御するための高電圧スイッチングを含む。高電圧スイッチングは通常、標準的なＶＬＳＩプロセスには適合しない。低電圧回路から高電圧を遮蔽するための１つの技法は、オプトカプラの使用を含む。しかしながら、図１２が示すように、標準的なＰＩＮ光検出器は、高逆バイアス電圧においては漏れ電流が大きいため、高電圧用途には適していない。図１２は、１ｍｍ2の面積および１μｍの厚さを有する標準的なＰＩＮ（ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）光検出器の暗および明Ｉ−Ｖ特性のグラフである。図１２に示すように、オン／オフ比は｜Ｖ｜＞２０Ｖについて急速に降下し、５０Ｖの後１０未満に降下する。
【００２５】
本明細書において開示されている実施形態は、前述したオプトカムバックプレーンを含む、様々な用途に使用することができる薄膜半導体光スイッチを含む。本明細書において説明されている薄膜光スイッチの適切な構造は、いくつかの観点で薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の構造と同様であり得る。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、活性半導体層、誘電体層、および非伝導支持基板の上の金属コンタクトの薄膜（たとえば、約１ｎｍ〜１０μｍの範囲内の厚さを有する）を堆積することによって作成される３端子デバイスである。
【００２６】
しかしながら、様々な実施形態による薄膜光スイッチは、超低漏れ電流（１００Ｖにおいて約１ｐＡ）を必要とする用途を目標として、高電圧オプトカプラのための高電圧光伝導デバイスを構築するために、照明下での薄膜半導体における側方伝導に依拠して、２端子デバイスとして動作するように構成されている点において、薄膜トランジスタとは異なる。下記において説明されているいくつかの実施形態は、薄膜構成を含み、いくつかは、側方ｐ＋／ｉ／ｐ＋構造に基づく。
【００２７】
本明細書において説明されている薄膜光スイッチは、感光性材料と側方に離間されている第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つとの間の接合部を遮蔽する１つまたは複数のフィールドプレートを含む。フィールドプレートは、バイアまたは電極の延長部を通じて電極に電気的に接続することができる。本明細書において開示されている薄膜光スイッチは、薄膜オプトカプラバックプレーンに使用することができる単純で効率的なソリューションを提供する。開示されている設計は、側方伝導を制御するための照明に依拠する。これらの構成は、短絡を生成する可能性があり得る高電圧交差をもたらす場合がある、トランジスタゲートを制御するための任意の余分な電圧源の必要性を取り除く。
【００２８】
本明細書において説明されている薄膜光スイッチ構成は、５００ｃｄ／ｍ2の照明レベルにおいて、−１００〜＋１００の電圧レベルにわたって約５００よりも大きい、約７５０よりも大きい、またはさらには約１０００よりも大きい同様のオン／オフ比を有する。薄膜光スイッチは、約７×１０13光子／秒の一般的照明条件をもたらす顕微鏡光を使用して試験された。照明レベルは図１２、図１５、および図１７の測定値と同じである。光スイッチの暗状態漏れ電流は、第１の電極と第２の電極との間で±１００Ｖに於いて約１×１０-12アンペア未満であり得る。
【００２９】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、薄膜適合プロセスを使用して作製することができる薄膜光スイッチのそれぞれ断面および側方デバイス構造を示す。光スイッチは、絶縁層１３２０、たとえば、窒化物を含み、その上に感光層１３１０、たとえば、ａ−Ｓｉ：Ｈが配置される。第１の電極１３３１および第２の電極１３３２（たとえば、金属、金属合金、透明導電体、またはドーピングされたｎ＋材料）は、感光層１３１０に対して側方にずれている。電極１３３１、１３３２は、接合領域１３３１Ａ、１３３２Ａにおいて感光層１３１０に接している。絶縁層、たとえば、窒化物層１３５０が、感光層１３１０の上に配置され得る。
【００３０】
フィールドプレート１３４０が、感光層１３１０に沿ってｘおよびｙ方向に延伸している。フィールドプレート１３４０は、絶縁層１３２０によって感光層１３１０から電気的に絶縁されており、接続部１３６０において電極１３３２に電気的に接続されている。フィールドプレート１３４０は、少なくとも、図１３Ａにおける、フィールドプレートと、接合領域１３３２Ａ内の感光性半導体１３１０との間の、ｚ軸に沿った分離よりも大きい幅だけｘおよび／またはｙ方向において側方に延伸している。フィールドプレート１３４０と感光性半導体１３１０との間の分離は、約１００ｎｍ〜約１μｍの範囲内であり得る。ｘおよび／またはｙ方向における接合領域１３３２Ａを越えた延伸は、接合領域１３３２Ａにおける絶縁体１３２０の（ｚ軸に沿った）厚さの約２倍よりも大きい物であり得る。感光性半導体層１３１０のｚ軸に沿った厚さは、約５０ｎｍ〜約１μｍの範囲内であり得る。接合領域１３３２Ａにおける絶縁体１３２０のｚ軸に沿った厚さは、約１００ｎｍ〜約１μｍであり得る。ｚ軸に沿ったフィールドプレートの厚さは、約１００ｎｍ〜数マイクロメートルであり得る。
【００３１】
この構成を有するフィールドプレート１３４０は、プール・フレンケル漏れ電流を軽減する。フィールドプレート１３４０は、２つの電極１３３１、１３３２の間の高電圧降下から生じる場合がある高電場から接合領域１３３２Ａを遮蔽するように構成されている。フィールドプレート１３４０は、図１３Ａにおいて方向付けられているようなデバイスの底部から光が照らしているときに光応答を増強するために、金属を含んでもよく、または、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明導電性材料を含んでもよい。図１３Ａにおける照明（光）は、図１３Ａにおいて方向付けられているように上部から照らすように引き込まれるが、いくつかの構成においては、照明は、底部から照らしていてもよく、または、デバイスの上部および底部の両方から照らしていてもよい。電極１３３１、１３３２は、いくつかの実施形態においては透明導電性材料を含んでもよい。
【００３２】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、一方のバイアス方向における高電圧遮蔽を可能にするように設計されている１つのフィールドプレートを有するデバイスを示す。図１４は、２つのフィールドプレート１４４１、１４４２を有するデバイスの側方構造を示す。図１４のデバイスは、両方のバイアス方向における高電圧遮蔽を可能にするように設計されている。フィールドプレート１４４１、１４４２は、２つの電極１４３１、１４３２の間の高電圧降下から生じる場合がある高電場から接合領域１４３１Ａ、１４３２Ａを遮蔽するように構成されている。
【００３３】
図１４のデバイスは、接合部１４３１Ａおよび１４３２Ａにおいて感光層１４１０に接している電極１４３１および１４３２を有する感光層１４１０を含む。フィールドプレート１４４１、１４４２が、感光層１４１０に沿ってｘおよびｙ方向に延伸している。フィールドプレート１４４１、１４４２は、絶縁層によって感光層１４１０から電気的に絶縁されており、接続部１４６１、１４６２において電極１４３１、１４３２に電気的に接続されている。フィールドプレート１４４１、１４４２はそれぞれの接合領域１４３１Ａ、１４３２Ａを越えて延伸している。たとえば、フィールドプレート１４４１、１４４２の各々は、少なくとも、図１４における、フィールドプレート１４４１、１４４２と、接合領域１４３１Ａ、１４３２Ａ内の感光性半導体との分離よりも大きい幅だけｘおよび／またはｙ方向において側方に延伸している。フィールドプレート１４４１、１４４２と感光性半導体１４１０との間の分離は一般的に、約１００ｎｍ〜１μｍの範囲内であり得る。ｘおよびｙ方向における接合領域を超える延伸は通常、絶縁層の厚さの約２倍よりも大きい。感光性半導体層１４１０の厚さは、約５０ｎｍ〜約１μｍの範囲内である。絶縁体の厚さは一般的に、約１００ｎｍ〜約１μｍである。フィールドプレート１４４１、１４４２の厚さは一般的に、約１００ｎｍ〜数マイクロメートルである。
【００３４】
図１５は、図１３Ａおよび図１３Ｂの構成を有するデバイスの暗および明Ｉ−Ｖ特性ならびにオン／オフ比を示す。試験されるデバイスは、電極金属としてＭｏＣｒを使用し、これは、いくらかの光を遮断するが、デバイスをオンにするには拡散光で十分である。
【００３５】
図１６Ａおよび図１６Ｂは、ソース電極およびドレイン電極に一体化されているフィールドプレートを含むｐ＋／ｉ／ｐ＋構造に基づく光スイッチの、それぞれ断面および側方構造を示す。側方ｐ＋／ｉ／ｐ＋構造がこの例において示されているが、側方に離間された電極を有する他の構造が使用されてもよく、たとえば、いくつかの実施形態において、デバイスは側方ｐ＋／ｎ−／ｐまたは側方ｎ＋／ｐ−／ｎ＋構造を有し得ることが、当業者には諒解されよう。デバイスは、絶縁層１６２０、たとえば、窒化物層上に配置されている感光層１６１０、たとえば、ａ−Ｓｉ：Ｈを含む。ｐ＋／ｉ／ｐ＋層は側方に離間されている。第１の電極１６３１および第２の電極１６３２（たとえば、ソース電極およびドレイン電極）は、感光層１６１０に対して側方に離間されており、それぞれ第１の接合領域１６３１Ａおよび第２の接合領域１６３２Ａにおいて感光層１６１０に接する。様々な実施形態において、電極１６３１、１６３２は、金属、金属合金、たとえば、ＭｏＣｒ、ｐ＋ドープ材料、またはＩＴＯのような透明導電体を含んでもよい。
【００３６】
フィールドプレート１６４１、１６４２は接合領域１６３１Ａ、１６３２Ａを越えて側方に延伸し、それぞれ電極１６３１、１６３２に電気的に接続されている。フィールドプレート１６４１、１６４２は、絶縁体領域１６２１Ａ、１６２１Ｂ、１６２２Ａ、１６２２Ｂによって感光層１６１０から電気的に絶縁されている。フィールドプレート１６４１、１６４２は、フィールドプレートと感光性半導体との間の絶縁層１６２１Ａ、１６２１Ｂ、１６２２Ａ、１６２２Ｂの厚さの約２倍超にわたって、１つまたは複数の絶縁体領域の上で接合領域１６３１Ａ、１６３２Ａを越えて延伸し得る。絶縁層１６２１Ａ、１６２１Ｂ、１６２２Ａ、１６２２Ｂは、たとえば、接合領域１６３１Ａ、１６３２Ａ付近で約１００ｎｍ〜１μｍの厚さを有し得る。感光性半導体層１６１０の厚さは、約５０ｎｍ〜約１μｍの範囲内であり得る。フィールドプレート１６４１、１６４２は、約１００ｎｍ〜１μｍ厚であり得る。
【００３７】
図１７は、図１６Ａおよび図１６Ｂの構造を有するデバイスの暗および明Ｉ−Ｖ特性ならびにオン／オフ比を示す。−１００〜＋１００Ｖのバイアスを通じて概ね３桁分が観測される。暗Ｉ−Ｖ特性のゼロ交差は、掃引レートが相対的に高いために−２５Ｖにシフトした。
【００３８】
本明細書において開示されている光スイッチは、半導体接合部を高電場から遮蔽するために、側方光伝導および１つまたは複数のフィールドプレートを使用するように設計されている。開示されている構造は、高電圧用途に適合する光スイッチを提供する。これらの光スイッチは、大面積プロセスに適合し、たとえば、ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈのような感光性非ドープ半導体を含むことができる。２つの電極（たとえば、ソースおよびドレイン）は半導体層に対して側方にずれている。感光性半導体層は平坦であってもよく、または、いくつかの実施形態において、感光性半導体層は、メサ部分構造のような１つまたは複数の非平坦部分構造の上に共形に配置されてもよい。
【００３９】
感光性半導体層と一方または両方の電極との間の接合部は、電極を半導体接合部に対して遮蔽する、電極と同じ電位にあるフィールドプレートによって被覆される。様々な実施形態において、制御光は、光スイッチの上部、底部または上部および底部の両方から供給する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ１】
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【図５Ａ２】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月28日(2020.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックプレーンであって、
前記バックプレーンの出力面上に配置されている複数の出力端子と、
オプトカプラアクティブマトリクスアレイであって、
前記バックプレーンの複数の入力端子のいずれかと複数の前記出力端子のいずれかとの間にそれぞれ結合されている薄膜ソリッドステート光スイッチであって、前記入力端子は、各々が列方向に沿って延び且つ互いに電気的に接続された状態で行方向に配列された複数の入力線のいずれかに接続されており、前記光スイッチおよび前記出力端子はアレイ状に配置され、前記光スイッチは光の存否によって個々にオンまたはオフされる、前記薄膜ソリッドステート光スイッチ、および
それぞれ前記出力端子に結合されている蓄積容量
を備える、前記オプトカプラアクティブマトリクスアレイと
を備える、前記バックプレーンと、
前記光スイッチを制御するピクセル化光を提供するように構成されているピクセル化光源と
を備える、デバイス。
【請求項２】
前記ピクセル化光源は、
光ビームを提供するように構成されている少なくとも１つの光生成デバイスと、
少なくとも１つのミラーと、
前記ミラーの少なくとも２つの寸法に沿った運動を可能にするように構成されている運動機構と
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ピクセル化光源は複数の光生成デバイスを含み、前記複数の光生成デバイスの各々は、前記光スイッチの少なくとも１つを制御するように配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ピクセル化光源は、
少なくとも１つの光生成デバイスと、
複数の回転可能なマイクロミラーを備えるマイクロミラーアレイと
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ピクセル化光源はフラットパネルディスプレイを含み、前記フラットパネルディスプレイの各ピクセルは、前記アクティブマトリクスアレイのピクセルに対応する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記光スイッチはピクセルグループ内に配置され、各ピクセルグループは、少なくとも、第１の入力に結合されている第１の光スイッチおよび第２の入力に結合されている第２の光スイッチであって、前記第１の光スイッチおよび前記第２の光スイッチは共通の出力端子に接続されている、請求項１乃至５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
前記ピクセル化光源と前記第１の光スイッチとの間に配置されている第１の通過帯域色を有する第１の光フィルタと、
前記ピクセル化光源と前記第２の光スイッチとの間に配置されている第２の通過帯域色を有する第２の光フィルタとを更に含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ピクセル化光源は、前記第１の色を放出することによって前記第１の光スイッチを起動し、前記第２の色を放出することによって前記第２の光スイッチを起動するように構成されている、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
電圧源を更に備え、
前記電圧源は、前記入力端子に結合され、且つ、前記入力端子において時間的に変化する入力電圧を提供するように構成されており、
前記アクティブマトリクスアレイは、前記時間的に変化する入力電圧に基づいて前記出力に複数の電圧レベルを提供するように構成されている、請求項１乃至８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
前記光スイッチは、
側方に延伸する感光性材料の層と、
前記感光性材料の層に沿って互いから側方に離間されている第１の電極および第２の電極であって、前記第１の電極および第２の電極はそれぞれ第１の接合部および第２の接合部において前記感光性材料に接している、第１の電極および第２の電極と、
少なくとも１つの絶縁体領域によって前記感光性材料から分離されており、前記感光性材料の層に沿って側方に、前記第１の接合部および前記第２の接合部を越えて延伸している少なくとも１つのフィールドプレートであって、前記少なくとも１つのフィールドプレートは前記第１の電極または前記第２の電極に電気的に接続されている、少なくとも１つのフィールドプレートと
を備える、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記光スイッチはピクセルグループ内に配置されており、各ピクセルグループは、デジタル入力信号をアナログ出力信号に変換するように配置されている、請求項１０に記載のデバイス。