(57)【要約】【課題】隣接する画素電極間の隙間を通って不要光として画素回路に入射する回折光を低減すると共に、画素電極で反射された読み出し光に混入することがある遮光膜のエッジにより回折された光による迷光を低減して、コントラストの低下を効果的に抑制する。【解決手段】駆動基板１１には、各画素電極１２毎に画素回路が形成されている。全ての画素電極１２は、絶縁性及び光透過特性を有する表面が平坦な平坦化層１４により被覆されている。平坦化層１４の光学的な厚みは、入射光の波長λの１／４倍に設定されている。遮光膜１５は、平坦化層１４の表面の、隙間１３を覆う上方位置で、かつ、画素電極１２をできるだけ覆わない上方位置に被覆されている。遮光膜１５のエッジで発生する回折光が平坦化層１４を透過して画素電極１２で反射された後、更に平坦化層１４を透過した迷光と、遮光膜１５のエッジで発生する回折光との干渉効果により互いを打ち消す。【選択図】図１
2013186360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に２次元マトリクス状に、かつ、互いの間に隙間を有して電気的に分離して配置された、それぞれ導電性及び光反射特性を備える複数の画素電極と、
絶縁性及び光透過特性を備え、かつ、光学的な膜厚が入射光の波長の１／４倍に設定されており、前記複数の画素電極の上面を被覆する表面が平坦な平坦化層と、
前記平坦化層の上面であって、前記複数の画素電極のうち隣接する２つの画素電極間の前記隙間の上方位置に、少なくとも前記隙間を覆う幅で形成された遮光膜と、
光透過特性を備える第２の基板上に形成された導電性及び光透過特性を備える共通電極と、
前記複数の画素電極と前記共通電極とが離間対向するように配置された前記第１及び第２の基板の間の空間に充填封入された液晶層と
を有することを特徴とする反射型液晶素子。
【請求項２】
前記第１の基板に電気的に分離して複数の画素選択用のスイッチング素子が設けられており、
前記複数の画素電極のそれぞれは、前記複数のスイッチング素子の上方に形成された層間絶縁膜上に、前記複数のスイッチング素子のうち対応するスイッチング素子を覆う位置に形成されると共に、対応するスイッチング素子に前記層間絶縁膜に形成されたスルーホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の反射型液晶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反射型液晶素子に係り、特に導電性及び光反射特性を有する複数の画素電極が画素電極間に隙間を有して規則的に配置された反射型液晶表示素子等の反射型液晶素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイビジョン放送規格に代表される高精細映像の表示用ディスプレイ等のように、映像を大画面に表示するための投射型液晶表示装置が盛んに利用されている。この種の投射型液晶表示装置には、大別すると透過型液晶素子を用いた投射型液晶表示装置と、反射型液晶素子を用いた投射型液晶表示装置とがある。このうち、前者の透過型液晶表示素子は、各画素に設けられたＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）の領域が光を透過させる画素の透過領域とならないために開口率が小さくなるという欠点を有している。一方、後者の反射型液晶表示素子は、透過型液晶表示素子に比べて光の利用効率が高く、また高精細な画像表示が可能であるため、近年注目されている。
【０００３】
一般的に、上記した反射型液晶表示素子では、半導体基板（Ｓｉ基板）上に複数のスイッチング素子をそれぞれ電気的に分離して設け、かつ、複数のスイッチング素子の上方に積層した多層膜のうちで最上層の膜の複数のスイッチング素子と対応する位置に、複数の画素電極をそれぞれ電気的に分離して設けると共に、一つのスイッチング素子に接続した一つの画素電極及びスイッチング素子用の保持容量部とを組にして一つの画素を形成する。更に、この画素を半導体基板上にマトリクス状に複数配置すると共に、複数の画素電極に対向して全画素共通となる導電性及び光透過特性を備える共通電極（対向電極）を透明基板（ガラス基板）の下面に成膜して、複数の画素電極と共通電極との間に液晶層を充填封入して液晶表示素子を構成する。
【０００４】
そして、この液晶表示素子の透明基板側から入射光を共通電極を介して液晶層内に入射させて、この入射光を各画素毎のスイッチング素子を通して画素電極に印加される映像信号電圧と共通電極の印加電圧との間の電位差に応じて画素毎の液晶層で光変調した後、複数の画素電極に入射して反射させ、その反射した光を読み出し光として液晶層及び透明基板を順次に透過させて出射させるものである。このような構成の反射型液晶表示素子は、一般的にＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子と呼ばれる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、これらのＬＣＯＳ素子を投写型液晶表示装置として用いるのみならず、空間光変調素子（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）として用いる応用研究が進んでいる。特に、ＬＣＯＳ素子が持つ複数の画素と液晶の光変調機能により、任意形状の位相変調が可能となるために光通信用途の応用開発が盛んに行われており、一つに波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）への応用が検討されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
ところで、上記のＬＣＯＳ素子（反射型液晶表示素子）では、画素電極の隙間の周期構造により回折光が発生し、その回折光が隣接する画素に迷光として入り込み、コントラスト低下を招くことが知られている。
【０００７】
ここで、回折光の回折角度は次式で表される。
【０００８】
d（sinθm＋sinθi）＝mλ  ・・・（１）
θm：回折角度  θi：入射光角度  d:画素間距離  ｍ：回折次数  λ：入射光波長
従って、画素間距離ｄを８μmとしたとき、入射光角度θiが垂直（θi＝０）の場合に、入射光波長λが投射型液晶表示装置で用いる５５０ｎｍの場合には、一次の回折角度θmは３.９°であり、一方、入射光波長λが光通信用途で用いる１５５０ｎｍの場合には、一次の回折角度θmは１１.２°となる。従って、光通信用途で波長の長いレーザ光を用いるＷＳＳでは、投射型液晶表示装置に比べて回折光の影響がより顕著になり、特に対策を講じる必要性がある。
【０００９】
このような回折光の影響を低減するために、画素電極上に平坦な絶縁膜を形成し、更にその絶縁膜と液晶層との間に隣接する画素電極の間隙の少なくとも一部を覆う位置に導電膜を形成する構造の反射型液晶表示装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。この反射型液晶表示装置によれば、導電膜を光反射性又は光吸収性のものとすることにより、隣接する画素電極の間隙を通って画素回路に入射する迷光の影響を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−０７２１０６号公報
【特許文献２】特開２００９−２５８４３８号公報
【特許文献３】特開平１０−２８８７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献３に記載の反射型液晶表示装置では、画素電極上に形成された平坦な絶縁膜は、その膜厚が画素電極から反射された変調光を導電膜で反射された変調光との間の値とすることで、本来無効とされていた画素間隙領域の入射光を有効利用するために設定されているものであり、導電膜により回折された光が、画素電極で反射された読み出し光の迷光となってコントラストを低減することを防止するためには利用されていない。
【００１２】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、隣接する画素電極間の隙間を通って不要光として画素回路に入射する回折光を低減すると共に、画素電極で反射された読み出し光に混入することがある遮光膜のエッジにより回折された光による迷光を低減して、コントラストの低下を効果的に抑制し得る反射型液晶素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明の反射型液晶素子は、第１の基板上に２次元マトリクス状に、かつ、互いの間に隙間を有して電気的に分離して配置された、それぞれ導電性及び光反射特性を備える複数の画素電極と、絶縁性及び光透過特性を備え、かつ、光学的な膜厚が入射光の波長の１／４倍に設定されており、複数の画素電極の上面を被覆する表面が平坦な平坦化層と、平坦化層の上面であって、複数の画素電極のうち隣接する２つの画素電極間の隙間の上方位置に、少なくとも隙間を覆う幅で形成された遮光膜と、光透過特性を備える第２の基板上に形成された導電性及び光透過特性を備える共通電極と、複数の画素電極と共通電極とが離間対向するように配置された第１及び第２の基板の間の空間に充填封入された液晶層とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、上記の目的を達成するため、本発明の反射型液晶素子は、第１の基板に電気的に分離して複数の画素選択用のスイッチング素子が設けられており、複数の画素電極のそれぞれは、複数のスイッチング素子の上方に形成された層間絶縁膜上に、複数のスイッチング素子のうち対応するスイッチング素子を覆う位置に形成されると共に、対応するスイッチング素子に層間絶縁膜に形成されたスルーホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、隣接する画素電極間の隙間を通って不要光として画素回路に入射する回折光を低減すると共に、画素電極で反射された読み出し光に混入することがある遮光膜のエッジにより回折された光による迷光を低減して、コントラストの低下を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の反射型液晶素子の一実施の形態の断面図である。
【図２】図１中の遮光膜の構成を示す平面図である。
【図３】本発明の反射型液晶素子の他の実施の形態の断面図である。
【図４】図３の要部の一例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の反射型液晶素子の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明になる反射型液晶素子の一実施の形態の断面図を示す。図１において、本発明の反射型液晶素子の実施の形態である反射型液晶表示素子１０は、駆動基板１１上に導電性及び光反射特性をそれぞれ有する複数の画素電極１２が、それらの間に隙間１３を有して互いに電気的に分離されて２次元マトリクス状に規則的に配置されている。一つの画素電極１２の矩形状平面の一辺の長さは例えば８μｍ程度であり、また、隙間１３の長さは例えば約０.４μｍである。
【００１９】
駆動基板１１には、各画素電極１２毎に画素回路が形成されている。各画素回路は、行選択信号によりスイッチング制御される画素選択用スイッチングトランジスタと画素選択用スイッチングトランジスタを通して入力される映像信号電圧を保持して一つの画素電極１２に印加する電荷保持容量とを含む。
【００２０】
全ての画素電極１２は、絶縁性及び光透過特性を有する表面が平坦な平坦化層１４により被覆されている。平坦化層１４は、単一の誘電体、もしくは複数の誘電体を用いて構成することができ、光に対する透明性が高い材料であれば、特に材質に制限はない。代表的には、二酸化シリコン（ＳiＯ2）や、酸化アルミニウム（Ａl2Ｏ3）があげられる。
【００２１】
この平坦化層１４の光学的な厚みは、後述する遮光膜１５による回折光を低減するための最適な膜厚に設定されており、具体的には入射光の波長λの１／４倍に設定されている。その理由は、遮光膜１５のエッジで発生する回折光が、画素電極１２で反射され読み出し光の迷光となった場合、光学的な厚みを（１／４）λとすることで、遮光膜１５のエッジで発生する回折光が平坦化膜１４を透過して画素電極１２で反射され、再び平坦化層１４を透過した迷光と、遮光膜１５のエッジで発生する回折光との位相が１８０°（＝（１／２）λ）ずれることになり、それらの干渉効果により互いを打ち消すような効果が得られるからである。
【００２２】
このため、例えば、平坦化層１４にＳiＯ2を用いた場合には、入射光波長が光通信用途で用いる１５５０ｎｍの場合のＳiＯ2の屈折率は１.４０であるので、入射光波長が１５５０ｎｍの反射型液晶表示素子では、平坦化層１４の光学的な厚みを２８０ｎｍ程度に設定することが好適である。
【００２３】
遮光膜１５は、隣接する画素電極１２間の隙間１３を通って不要光として駆動基板１１に形成された画素回路に入射する回折光を低減するために、平坦化層１４の表面の、隙間１３を覆う上方位置で、かつ、画素電極１２をできるだけ覆わない上方位置に被覆されている。図２は、遮光膜１５の構成を示す平面図を示す。図１及び図２に示すように、遮光膜１５は、画素電極１２の隙間１３を覆うように平坦化層１４の表面に配置される。複数の画素電極１２は、隣接する画素電極間に隙間１３を有して行方向及び列方向に２次元マトリクス状に規則的に配列されるから、隣接する画素電極１２の隙間１３を覆う遮光膜１５は、その平面形状が図２に示すように格子状になる。
【００２４】
なお、遮光膜１５の幅は大きいほど隙間１３を通して駆動基板１１へ入射する回折光を防ぐ効果があるが、大きすぎる場合には、画素電極１２の開口率を下げてしまい、反射率が低下してしまう。従って、遮光膜１５は、平坦化層１４の上面であって、複数の画素電極１２のうち隣接する２つの画素電極間の隙間１３の上方位置に、少なくとも隙間１３を覆う幅で形成される。一例として、遮光膜１５の幅は隙間１３の幅に対して、＋０.１〜０.６μmほど大きめにすることが好適であり、例えば、０.８μm幅に設定される。
【００２５】
遮光膜１５は、十分な遮光性を確保する観点から、例えばアルミニウム（Ａl）、チタン（Ｔi）、クロム（Ｃr）などの金属の単一構造とするか、酸化チタン（ＴｉＯ2）や酸化クロム（ＣｒＯ2）などの金属酸化物と複数の金属を用いた多層構造とし、入射光の波長に対して反射防止構造としてもよい。この場合には、遮光膜１５の表裏共に反射防止構造とすることが望ましい。また、遮光性を確保するという観点から、遮光膜１５の膜厚は１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２６】
液晶層１６は、上面に遮光膜１５が形成された平坦化層１４と、下面に導電性及び光透過特性を備える共通電極１７が全画素共通に形成されたガラス基板等の光透過特性を備える透明基板１８との間の空間に、充填封入されている。すなわち、画素電極１２と共通電極１７とは平坦化層１４、遮光膜１５及び液晶層１６を介在させて離間対向配置されている。
【００２７】
かかる構造の反射型液晶表示素子１０は、外部から透明基板１８に入射した入射光１９を、透明基板１８及び共通電極１７をそれぞれ透過して液晶層１６に入射させ、ここで画素電極１２と共通電極１７との間の画素電圧に応じて画素毎に光変調させた後、画素電極１２に入射し反射させる。更に、画素電極１２で反射された反射光は、読み出し光２０として液晶層１６、共通電極１７及び透明基板１８を透過して透明基板１８の外部へ出射する。
【００２８】
このとき、特にレーザ等のコヒーレントな入射光１９を用いた場合に、遮光膜１５のエッジで回折光が発生し、その回折光が画素電極１２で反射された読み出し光２０の迷光となることがある。しかし、本実施の形態の反射型液晶表示素子１０によれば、平坦化層１４の膜厚が入射光１９の波長λの１／４倍に設定されているため、遮光膜１５のエッジで発生する回折光が平坦化層１４を透過して画素電極１２で反射された後、更に平坦化層１４を透過した迷光と、遮光膜１５のエッジで発生する回折光との干渉効果により互いを打ち消すために、迷光は大幅に抑圧される。なお、入射光１９の波長は、反射型液晶表示素子１０を投射型液晶装置で用いる場合には、４００ｎｍ〜７００ｎｍであり、光通信用途で用いる場合には、１５００ｎｍ〜１６００ｎｍである。
【００２９】
次に、本実施の形態の反射型液晶表示素子１０と比較装置との比較結果について説明する。比較装置は、本実施の形態の反射型液晶表示素子１０における平坦化層１４及び遮光膜１５を有さず、画素電極の大きさは本実施の形態と同じ構造の反射型液晶表示素子である。本実施の形態の反射型液晶表示素子１０と比較装置にそれぞれ波長１５５０ｎｍの光を垂直に入射して読み出し光のコントラストを比較したところ、本実施の形態の方が高いコントラストが得られることが分かった。従って、投射型液晶表示装置に比べて回折光の影響がより大きな、光通信用途で波長の長いレーザ光を用いるＷＳＳであっても、本実施の形態の反射型液晶表示素子１０によれば、従来に比べて効果的に回折光を打ち消し、高いコントラストが得られると共に精度の高い光スイッチが可能となることが分かる。
【００３０】
このように、本実施の形態の反射型液晶表示素子１０によれば、画素電極１２上に所定の膜厚の平坦化層１４を設け、更に平坦化層１４上に隣接する画素電極１２の間の隙間１３を覆うような遮光膜１５を形成することで、隣接する画素電極１２間の隙間１３を通って不要光として駆動基板１１に形成された画素回路に入射する回折光を低減すると共に、画素電極１２で反射された読み出し光２０に混入することがある遮光膜１５のエッジにより回折された光による迷光を低減して、コントラストの低下を効果的に抑制することができる。
【００３１】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
【００３２】
図３は、本発明になる反射型液晶素子の他の実施の形態の断面図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図３に示す本実施の形態の液晶表示素子２５は、駆動基板１１が半導体基板２１上に画素回路が形成されており、その画素回路のスイッチング素子２２の上方を覆う位置に画素電極１２が形成された構成である点に特徴がある。
【００３３】
具体的には、図４の要部断面図に示すように、半導体基板２１には拡散層２３及び２４が形成され、同じ導電型の拡散層２３及び２４の間の半導体基板２１上の位置に絶縁膜を介してポリシリコン等のゲート電極２５が形成されている。また、半導体基板２１には拡散層２４に対してフィールド酸化膜３３により電気的に絶縁された位置に拡散層２６が形成され、更に拡散層２６上には絶縁膜２８を介してポリシリコン等の電極２７が形成されている。拡散層２３及び２４とゲート電極２５とからなる電界効果トランジスタは、画素選択用のスイッチング素子２２を構成している。また、拡散層２６、電極２７及び絶縁膜２８は電荷保持容量を構成している。電極２７は層間絶縁膜２３に形成されたスルーホール２９内の配線、金属層３１、スルーホール３０内の配線を通してスイッチング素子２２のドレインとなる拡散層２４に電気的に接続されると共に、金属膜３１及び層間絶縁膜２３に形成されたスルーホール３２内の配線を通して画素電極１２に電気的に接続されている。なお、図４では、本発明と直接の関係はないので図示を省略したが、金属層３１から画素電極１２までの間は一般には複数のメタル層と層間絶縁膜とが交互に積層されている。
【００３４】
ここで、本実施の形態の液晶表示素子２５では、図３及び図４の断面図に示すように、スイッチング素子２２の上方を覆う位置に画素電極１２が形成され、遮光膜１５はスイッチング素子２２の上方とは異なる位置で、かつ、平坦化層１４の表面に形成されている。従って、遮光膜の機能を果たすブラックマトリクスがスイッチング素子の上方に当該スイッチング素子を覆うように配置される従来のブラックマトリクス構成の透過型液晶表示素子と比較した場合、本実施の形態の液晶表示素子２５は、遮光膜１５の配置位置がスイッチング素子の上方に存在しない点で相違する。
【００３５】
なお、以上の実施の形態では液晶表示素子について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、所謂、輝度変調型の光通信用スイッチとして用いることも可能である。この場合、画素電極上の反射率が平坦化層によって若干低下するが、画像表示用途に比べれば多少の反射率の低下はあまり問題とはならないので有効である。このように、本発明の反射型液晶素子は、反射型液晶表示素子や光通信用スイッチなどの用途に用いられる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  反射型液晶表示素子
１１  駆動基板（第１の基板）
１２  画素電極
１３  隙間
１４  平坦化層
１５  遮光膜
１６  液晶層
１７  共通電極（対向電極）
１８  透明基板（第２の基板）
１９  入射光
２０  読み出し光
【図１】
2013186360.tif 000003
【図３】
2013186360.tif 000004
【図４】
2013186360.tif 000005
【図２】
2013186360.tif 000006