CN1250952A - 反射阵列的孔径比单元结构 - Google Patents

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Abstract

一种LCD反射显示阵列,由两个或多个反射前表面镜面实现,上层镜面具有吸收光的背表面。与每个像素相关的镜面电连接到像素输出电极。下层镜面适当地三维定位,以获得几乎100%的孔径填充。

Description

反射阵列的孔径比单元结构
本发明一般涉及反射阵列显示器件的领域，特别涉及一种新颖的反射阵列结构，提供了新颖的多镜面结构使孔径比最大化，同时使光能吸收最小化。
在透射或反射显示阵列中，需要单元的孔径比尽可能地高，以使需要的照明量和阵列的光能吸收最小化。更好的显示来自于更高的亮度和效率。
图1示出了对于LCD反射显示光阀例如10μm节距的吸收间隙单元10的物理布局，图2示出了它的等效电路。如图2所示，在有源矩阵阵列LCD显示中，每个像素“单元”包括(薄膜)晶体管15，电容20和其它的元件(未示出)，可以使用公知的CMOS制造技术制造。
具体地如图1和2所示，吸收间隙单元10包括下面重要的功能层：导电的“P1”层(掺杂的多晶硅)，向晶体管20的栅提供控制信号，用于确定单元的光学性质并形成电容器“Csub”的一个电极以及具有借助衬底返回的另一个电极；第一金属层“M1”，将数据信号传递到有源晶体管15的源端；上表面铝镜面(mirror)层“M2”，位于液晶材料(未示出)的下面，形成液晶显示电容器元件CLC的一个电极，并具有由如ITO等的透明导电体形成的上极板电极。此外，作为吸收间隙单元设计制造的一部分，还有与M2和M1金属层形成电容CAR的抗反射“AR”层。
图3(a)示出了沿线X1-X1’截取的图1的吸收间隙单元10的剖面图。图3(b)示出了沿线Y1-Y1’截取的图1的吸收间隙单元10的剖面图。如图3(a)和3(b)所示，该单元包括：注入的硅区，例如N+区，由区域“RX”表示，形成薄膜晶体管20的栅和漏/源区；P1多晶硅导电层，形成晶体管的栅和电容Csub的一个电极，另一个电极由注入的硅(RX层)形成；第一金属化层，将数据控制信号传输到有源晶体管层RX的源端，并提供电容器CAR的另一端；第二金属化层，为光能吸收层“AR”，例如由氮化钛、铝和钛的三层复合层形成；以及第三级金属化层M2，为位于液晶材料(未示出)下的上表面铝镜面层，提供了具有反射光学性质的液晶单元。如图1和3(a)所示，提供接触“CA”将M1层连接到P1接触。
如图3(b)所示，氮化钛、铝、钛抗反射或吸收层AR提供在整个单元的M1和M2之间。通过上部的氮化钛层提供抗反射或光吸收，铝芯层提供电导率，下面的钛层提供良好的接触以及铝和下面的SiO2之间的阻挡。所述AR层保持在上极板电极的电位(连接未示出)，通常制备在M2镜面表面下，深度等于λ/(2*n)的整数，用于在通常的黑模式中定向地偏振照射光，其中λ为照明光的波长。显示的铝镜面M2借助通道“V1”接触AR吸收层下的M1金属层，通道例如为钨栓塞，连接M1和M2层。如图1和3(a)所示，除去通道“V1”周围的AR层的区域 AR，以便电连接AR层。
在包括图1所示的吸收间隙像素单元(c-Si技术)的有源矩阵阵列中，M2反射镜表面区域覆盖了部分像素表面区域，单元的其余区域为间隙“G”。设置在间隙“G”下面的是吸收照明能量的镜面M1和M2之间的AR层。由此，如果指向单元处的照明强度足够高，那么吸收的光能和从阵列除去热量将是设计问题，是由于为小型化通常封装光阀阵列，和容纳的热沉会增大封装的尺寸，和/或需要附加的风扇冷却，增加了系统重量和噪声。这也适用于利用玻璃基片(未示出)的p-Si技术制造的吸收间隙单元。这些问题混合在减小单元节距或引入二元面积加权(binary area weighted)镜面。由此，现有技术吸收间隙单元设计显示出孔径比减小，即降低了光反射效率。
因此非常需要增加孔径比以减小照明要求并减小阵列能量吸收，由此节约成本。
本发明涉及反射显示阵列，由两个或多个反射前表面镜面实现，上层镜面具有吸收背表面。与每个像素相关的镜面电连接到像素输出电极。下层镜面适当地三维定位，以获得几乎100％的孔径填充(aperture fill)。由此，以前的吸收间隙已由镜面代替。
由此，根据本发明的原理，提供一种用于反射LCD显示的像素结构，包括第一反射材料层，根据控制信号反射射向单元结构的光；第二反射材料层，设置在反射材料的第一层上，根据控制信号反射射向单元结构的光；以及将控制信号提供到所述结构内的第一和第二层的装置，用于控制它们的反射量；由此通过提供第一和第二反射材料层，形成孔径比显著增加的反射LCD显示。
有利的是，和反射单元吸收间隙制造技术使用的掩模数相比，制备反射阵列显示的所述多镜面结构不需要附加的掩模，因为金属层数相同。
考虑了下面参考附图的详细说明，本发明的其它特点和优点将变得更显然，附图给出并示出了本发明的优选实施例，其中在所有的图中类似的元件由相同的参考数字表示，其中：
图1示出了LCD反射显示现有的吸收间隙单元的物理布局。
图2示出了图1的吸收间隙设计的等效电路。
图3(a)示出了沿线X1-X1’截取的图1的吸收间隙单元的剖面图。
图3(b)示出了沿线Y1-Y1’截取的图1的吸收间隙单元的剖面图。
图4示出了本发明的反射间隙像素单元100的物理布局。
图5示出了图4的反射间隙设计的等效电路。
图6(a)示出了沿线X2-X2’截取的图4的反射间隙单元100的剖面图。
图6(b)示出了沿线Y2-Y2’截取的图4的反射间隙单元100的剖面图。
图7示出了包括四个图4的反射LCD单元的2×2有源矩阵阵列200。
图8示出了沿线Z1-Z1’截取的图7的反射间隙单元有源矩阵阵列200的剖面图。
图4示出了使用例如晶体硅(c-Si)CMOS技术用于投影LCD显示的本发明的反射间隙像素单元100的叠层。如图所示，反射单元设计100中的P1、RX、M1层和M2层以及CA接触与图1的吸收单元设计10中的相同。例如，上层镜面(M2)的构图与吸收单元设计(图1)相同。然而，根据本发明，M2和M1层之间的AR层用带有下面的钛阻挡层的反射材料制备，如铝等。由此，有源矩阵阵列中反射镜面M2之间间隙内露出的是反射材料的AR层。
图6(a)示出了沿线X2-X2’截取的图4的反射间隙单元100的剖面图。图6(b)示出了沿线Y2-Y2’截取的图4的反射间隙单元100的剖面图。如图6(a)和6(b)所示，下面的单元M2金属化(镜面)层为吸收材料层101，例如约50nm的TiN(氮化钛)。由于照到单元的光和进入间隙G的光不完全平行，可能由于例如M2层的非平面表面和侧壁的二次反射，上层镜面的下侧或背表面需要具有吸收性，以使光远离硅衬底。由此吸收TiN层101起吸收在有源矩阵阵列中镜面M2之间的间隙传输的光、从每个像素中AR或任何其它下面的层反射、然后朝M2的下侧向上反射回的光的功能。非平行反射可能由例如光路中AR层或任何其它层的表面粗糙度引起的。应该理解AR层正下方的SiO2层可以通过通常的化学机械抛光(Chemech)工序平面化。
在优选的实施例中，AR层的反射镜面材料的深度优选为λ/(2*n)的整数，其中λ为波长，n为分离镜面的如Si3N4的介质的折射率。使用如制造吸收间隙单元(图1)使用的CMOS器件制造技术可以容易地获得反射间隙单元设计，不需要任何附加的掩模。具体地，如图6(a)所示，在M2间隙区域中腐蚀M2层下面的氮化钛。M2层提供了除去M2间隙中氮化钛的腐蚀掩模，由此不需要附加的光刻掩模或步骤。
特别是，在图3(a)的吸收间隙单元的剖面图中，AR吸收层由钛和氮化钛之间覆盖的铝组成。在本发明的反射单元间隙设计中，通过改变氮化钛淀积的顺序可以制造上表面反射和背表面吸收的镜面M2。由此，带有由氮化钛、铝和钛的三层复合层组成的AR的间隙吸收设计(图3(a)-3(b))使用的相同工艺可以用于本发明的多镜面间隙反射设计(图6(a)-6(b))。因此，反射间隙设计不需要开发新工艺。
在图4的反射LCD像素单元100的制造中，AR层必须具有露出的间隙，因为相同的图形在x和y中分级，必须具有与相邻像素的电隔离。要获得电隔离，在反射材料层的AR层中设计L形切口(cut)101，以形成电隔离阵列的每个像素的区域 AR。由连接AR反射级与像素的M2镜面层的额外通道“V2”提供在AR级处控制光反射的电连接。图5示出了图4的反射间隙单元设计的等效电路。由于存在反射的AR层，其借助通道V2连接到M2层，M2层和AR层之间不存在附加的电容。此外，连接M1和M2的钨栓塞V1除去了M1和AR之间的电容，有效消除了图5中现有技术的电容CAR。
图7示出了具有图4的反射像素单元的2×2反射间隙单元布局200，每个通过四个L形AR层切口201a-201d(由层 AR表示)相互电隔离。在图7中，显示了一个反射间隙像素100’。相对于像素100’，显示在圈中的AR切口201a的部分301暴露在相邻列像素的镜面M2之间的间隙G中。类似地，显示在圈中的AR切口201d的部分302暴露在相邻行像素的镜面M2之间的间隙G中。像素单元100’内所有其它的区域都有露出的AR反射层。由此，位置301、302仅为允许光穿透到单元内反射间隙LCD像素单元内的区域。然而应该理解由于设计中存在 AR切口部分(AR层切口)301、302，孔径比的任何减小实际上无关紧要。
图8示出了沿线Z1-Z1’截取的图4的2×2反射间隙单元100的剖面图。如图8所示，存在AR层不连续即AR切口的小区域301，由此照明的光线L1可以M2间隙G中找到它的路径穿过AR层。仅留下M1层，保护下面的c-Si电路。如图8所示，M1在AR切口301正下方有平坦的形貌，但也存在改变如光线L2等倾斜光线方向的部分M1层形貌，使光进一步进入到c-Si电路内。然而，应该理解在实际的设计中，光源和所得光线完全正交光阀，例如平行并于正交的光阀角度小于1°。由此，光线L2仅表示光线损失(没有反射回的光线)，在实际的光阀设计中接近零。
M2镜面重叠的量取决于镜面之间的间距和每次反射吸收的量。如果相邻的像素的镜面M2之间的间距为λ/n，其中λ为光波长，n为分离镜面的如Si3N4的介质的折射率，例如约0.55μm/1.9＝0.29μm，30％反射回到镜面的背表面，假设0.15N.A.的照明镜片(optics)，那么0.5μm镜面重叠将最大角度光线的幅值减小到大于104的数量级。
应该理解这里介绍的本发明可以容易地适用于提供每面积单元两个或多个不同尺寸镜面的二元面积加权镜面单元设计。
虽然这里参考说明性实施例具体地显示和介绍了本发明，应该理解本领域的技术人员可以进行以上和其它形式的改变，而不脱离仅由附带的权利要求书的范围限定的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种用于反射LCD显示的像素结构，包括：
第一反射材料层，根据控制信号反射射向单元结构的光；
第二反射材料层，设置在所述第一反射材料层上，根据控制信号反射射向单元结构的光；以及
将控制信号提供到所述像素结构内的所述第一和第二层的装置，用于控制它的反射量；
由此因提供了第一和第二反射材料层，形成孔径比显著增加的反射LCD显示。
2.根据权利要求1的结构，其中所述第二反射材料层限定了区域中比像素表面区域小的反射表面区域并露出了它的间隙，所述第一反射材料层具有基本上形成在所述露出的间隙中的表面。
3.根据权利要求1的结构，其中所述第二反射材料层与所述第一反射材料层以重叠关系设置。
4.根据权利要求3的结构，还包括直接设置在所述第二反射材料层下面的第三反射材料层，用于吸收从所述第一层反射的不需要的反射光。
5.根据权利要求4的结构，还包括限定像素结构两维边界的装置，所述装置包括位于所述像素结构内的非反射材料，并限定了基本上小于所述像素结构的反射材料的所述第一和第二反射区域的表面区域。
6.根据权利要求3的结构，其中所述第一层反射材料层设置在所述第二层下面的深度使来自所述第一层的反射光与第二反射材料层反射回的光同相位。
7.根据权利要求3的结构，其中所述第一层反射材料层设置在所述第二层下面的深度使从所述第一层反射的光与从第二反射材料层反射回的光不同相。
8.根据权利要求1的结构，其中将控制信号提供到所述像素结构中的所述第一和第二层的所述装置包括半导体晶体管和电容器。
9.一种反射LCD有源矩阵阵列屏幕显示系统，具有多个独立可控的反射间隙单元结构，每个反射单元结构包括：
第一反射材料层，根据控制信号反射射向单元结构处的光；
第二反射材料层，部分地设置在所述像素的区域内和所述的第一层上，根据控制信号反射射向单元结构的光；以及
将控制信号提供到所述结构内的第一和第二层的装置，用于控制它们的反射量；
由此由于提供了第一和第二反射材料层，形成了孔径比显著增加的反射LCD显示。
10.根据权利要求9的显示系统，其中所述第二反射材料层限定了区域中比像素表面区域小的反射表面区域并露出了它的间隙，所述第一反射材料层具有基本上形成在所述露出的间隙中的表面。
11.根据权利要求10的显示系统，其中所述第二反射材料层与所述第一反射材料层以重叠关系设置。
12.根据权利要求11的显示系统，还包括直接设置在所述第二反射材料层下面的第三反射材料层，用于吸收从所述第一层反射的不需要的反射光。
13.根据权利要求12的显示系统，还包括限定像素结构两维边界的装置，所述装置包括位于所述像素结构内的非反射材料，并限定了基本上小于所述像素结构的反射材料的所述第一和第二反射区域的表面区域。
14.根据权利要求11的显示系统，其中所述第一层反射材料层设置在所述第二层下面的深度使来自所述第一层的反射光与从第二反射材料层反射回的光同相位。
15.根据权利要求11的显示系统，其中所述第一层反射材料层设置在所述第二层下面的深度使从所述第一层反射的光与从第二反射材料层反射回的光不同相。
16.根据权利要求9的显示系统，其中所述第一和第二层包括反射镜表面，所述第二反射材料限定了相邻像素单元结构之间的间隙，所述间隙基本上由所述第一反射材料层填充。
17.根据权利要求16的显示系统，其中所述第二反射材料层与所述第一层以重叠的关系设置。
18.根据权利要求9的显示系统，其中将控制信号提供到所述像素结构中的所述第一和第二层的所述装置包括半导体晶体管和电容器。
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