JPH0748095B2 - 光活性化型ライトバルブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

A.産業上の利用分野 本発明は光で活性化される光活性化型ライトバルブ（li
ght activated light valves−LALV）に係り、更に具体
的に云えば、シリコン制御素子を有する、全体的に固体
のライトバルブに係る。 B.従来技術 ライトバルブは投影型表示において重要な素子である。
好ましくは、そのようなライトバルブは、信号を入力す
るためにマトリツクス・アドレス動作を用いて又はマト
リツクス動作とともにシフト・レジスタを用いて、ビデ
オ又はデータ信号により直接活性化される。従来、適当
なライトバルブ媒体として、液晶及びエレクトロケミク
ロミツク材料が研究されているが、液晶（LC）が今日よ
り広く受入れられている。エレクトロクロミツク及びエ
レクトロケミクロミツク材料の定義については、A,Kmet
z及びF.K.Von Willisenにより編集された、I.F.Changに
よる論文・Nonemissive Electro−Optic Display",Plen
um Press,1978年の文献を参照されたい。今日、種々の
駆動回路技術が研究されているが、能動的なシリコン集
積回路の駆動装置は、液晶及びエレクトロケミクロツク
媒体の両方に適合することが解り、従つて直視型又は投
影型表示のいずれへの適用にも極めて望ましい手段を与
える（SID Symposium Digest、８、64〜65、1977におけ
るL.T.Lipton等による論文及びSID Symposium Digest,1
1、124〜153、1980におけるD.J.Barclay等による論文を
参照）。しかし、必要とされるシリコン・チツプの複雑
さ及び寸法は、コストを高め、解像度を限定する要因と
なつている。 注目されているもう１つの技術（例えば、SID Symposiu
m Digest、9.96〜97、1978におけるL.T.Lipton等による
論文を参照）は、光活性化型ライトバルブ（Proc.SPIE
317、179、1981におけるW.P.Bleha等による論文を参
照）とも呼ばれる、光によるアドレス動作又は活性化を
用いたバルブである。この場合には、光活性化型ライト
バルブの感光性の裏面に光学像が加えられ、LCセルに加
えられた局所的AC電圧を変化させるために、その光強度
が用いられる。局所的なセルの反射率はセル電圧の大き
さの関数である。初期には、LCに加えられたAC電圧を点
毎に変化させる感光素子として、Se又はCdSの光導電層
が用いられた。励起を生ぜしめる像は、レンズ又は光フ
アイバ・プレートにより光導電層に結合されたCRTによ
り生ぜしめられた。その後には、例えば、光検出制御素
子として、光導電層の代りに単結晶Si上のSiO₂層を有し
ているLALV等が用いられた（SID Digest of Technical
Papers、142、1981におけるV.Efron等による論文を参
照）。マイクロダイオードの格子は解像素子を分離させ
るように働く。その結果得られたMOSダイオードは単一
方向性であり、従つて充電し直さなければならない。従
つて、LCに加えられる電圧の符号は変化せず、素子はDC
モードで動作した。初めは、液晶における動的散乱モー
ドが用いられた。最近においては、電圧制御複屈折モー
ドで動作されるネマテイツク液晶が用いられている。 光導電制御型のACの液晶LALVは、原則として良好な素子
である。しかし、光導電性は概して応答時間と感度との
間に良好なバランスを与えない。光導電体は、光のレベ
ルに依存するずれ即ち非線形の応答（ガンマ1/2）を
示し、輝く光によつて容易に損傷を受ける。それらはバ
ーン・イン（burn−in）効果を示す。光導電材の適用範
囲は一般的に光の感知に限定されている。従つて、その
性能特性及び信頼性のために必要な材料系の研究は不完
全であり、不充分なことが多い。シリコン・ダイオード
を用いたものは、DC動作に限定されている。 C.発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、LALVの光導電層並びに関連する光を遮
蔽及び反射する層の代りに、接合フオトダイオードの配
列体を含むモノリシツク・シリコン・チツプが用いら
れ、液晶層にAC電圧が加えられるようにLALVを提供する
ことである。従来技術におけるそのような手段の例は、
前述のSID Digest of Technical Papers、142、1981に
おけるV.Efron等による論文に記載されている。ビジコ
ン用に光導電体をシリコン・ダイオード配列体で置換え
た技術、並びにSID Symposium Digest 102、1973及びPr
oc.of SID、16、227、1975におけるI.F.Chang等による
論文に記載されている、電子ビームによりアドレスされ
る記憶CRTである。シリコン・フオトダイオード配列体
は直接電子ビームにより又は螢光体を用いた結合により
アドレスすることができるので、フオトダイオード配列
体により制御されるACの液晶ライトバルブを小型CRTの
ためのフエースプレートとして形成することができる。
そのような手段の利点としては、AC液晶セルはより高い
信頼性を有すること、液晶層とシリコン制御構造体との
界面に液晶配列のために適切に処理された誘導体を用い
ることができること、AC動作は簡便な充電及び放電機構
を与えて過渡応答を可能にすること、電子ビームによる
アドレス動作は高解像度のライトバルブをアドレスする
効果的な方法であること等が挙げられる。 D.問題点を解決するための手段 本発明は、シリコン技術及び液晶表示技術に基づく、フ
オトダイオード配列体制御型表示ライトバルブを提供す
る。単結晶シリコン・ウエハにおけるエツチング及び拡
散又はピタキシヤル成長の如き従来のシリコン処理技術
を用いて好ましい素子を形成することができ、フオトダ
イオード配列体は、ACバイアスの下で、受取つた光によ
る励起に応じて変化するAC電圧を液晶ライトバルブに転
送することができる。更に具体的に云えばキヤパシタと
して働くことができる液晶（LC）層が分割されて、AC電
源と直列に２つのフオトダイオードに接続され、それら
の２つのダイオードは上記回路において背中合せに接続
されている。AC動作の下で、一方のダイオードが所与の
時間に逆方向にバイアスされて、２つの半分のLCキヤパ
シタにおいて電圧が降下する。加えられた方形波に応答
して、各ダイオードは半サイクル毎に逆方向にバイアス
され、順方向にバイアスされたダイオードは極めて僅か
な電圧降下しか生じない。フオトダイオードが光により
活性化されると、ダイオード接合キヤパシタンスの電圧
が液晶に転送され、そのターン・オン閾値電界が生じ
る。励起光のリフレツシユ速度及び持続並びに回路のRC
時定数に応じて、LCセルはビデオ・モード又は記憶モー
ドで動作することができる。そのような素子は、例えば
全体で1000×1000個の画素のマトリツクスに容易に拡張
することができる。外側の電極（観察側）が、各々１画
素に対応する、電気的に浮遊してる正方形領域に区分さ
れる場合には、適当な配列体が形成されるように、各々
１画素に対応するダイオード対のすべてを並列に接続
し、単一のAC電源により駆動させることができる。本発
明の一実施例においては、単結晶シリコン・ウエハが基
板として用いられ、該基板上にエピタキシヤル成長させ
ることができる高抵抗層中に、従来の拡散又はエピタキ
シヤル方法によつて、pn接合ダイオードが形成される。
それから、２つの異なる導電型の境界においてエツチン
グを停止させるために自己制限エツチング方法を用い
て、基板がエツチングされる。それから、ダイオードを
形成され、そして絶縁体及び電極領域を画成されたシリ
コンの膜が、上述の如く画素電極として画成された透明
電極を有するガラス・プレート上に装着される。それか
ら、液晶が満たされて、封止される。AC電源の接続のた
めに２本の電極リード線だけを設ければよい。その結果
得られたライトバルブは、レンズ又は高解像度の光フア
イバのフエースプレートを用いて小型CRTにより直接ア
ドレスすることができる。又は、このライトバルブをフ
エースプレートとしてCRTに封止させて、電子ビームに
より直接アドレスすることもできる。 本発明のライトバルブは、フオトダイオードをpn型の平
坦な層により形成し、基板中に溝をエツチングすること
により分離領域を設けることによつて形成することもで
きる。 本発明におけるシリコン・ダイオード配列体は、ビジコ
ンのターゲツトと同様にして容易に製造することがで
き、液晶ライトバルブの制御において光導電体よりも優
れた性能を示す。 E.実施例 フオトダイオード10の配列体は、第１図の平面に垂直に
延びる複数の対に配置されている。各行には、その行に
おけるダイオードに加えられる共通電位が供給される。
それらの対の行は同一の電圧線20に接続されており、行
間のキヤパシタンスが最小限に保たれる。加えられた方
形波即ちAC電圧の任意の半サイクルにおいて、１行置き
のダイオードが順方向にバイアスされる。第２図に示さ
れている如く、電極40を、液晶セル30に跨つて、縦方向
の各ダイオード対の反対側に配置された、分離され且つ
電気的に浮遊している矩形領域にパターン化することに
より、回路素子が対に設けられている。１つのダイオー
ド対の等価回路を第2A図に示す。常に、ダイオード対の
一方は逆方向にバイアスされ、他方は順方向にバイアス
されている。それらの回路素子は、ダイオード・キヤパ
シタンスC_d、LCセル・キヤパシタンスC_1c、電極40を形
成するITO被膜の抵抗Ｒ、並びに暗電流漏洩及び逆方向
バイアス・ダイオードの照射により生じる電流ジエネレ
ータＩ又はＩ′である。抵抗Ｒは、加えられたACの半分
の期間よりもRC充電時間が相当に短かく、その半サイク
ルの間に平衡状態に達するように、充分に小さく設計さ
れている。Ｒは次のような場合には無視される。液晶セ
ルにおける漏洩は小さく、極めて低い周波数動作の場合
以外は無視することができる。高周波動作のフアクタで
ある、行に沿つた伝播の遅延も同様に無視される。初め
に、ダイオード・キヤパシタンスC_dは電圧に依存しない
ものと仮定する。 次に、配列体の動作を３つのケースについて考察する。 ケースＩ ダイオード対の液晶（LC）セル・キヤパシタンスが充電
されていて、照射が突然除去される。この際、ダイオー
ドの暗電流は無視できるものと仮定する。このケース
は、貯蔵電荷の減衰の時定数及び印加電圧から生じるバ
ツクグラウンド貯蔵電荷を決定するために用いることが
できる。 ケースII 初めは充電されていないダイオード対に均一な照射が加
えられる。このケースは、両ダイオードが等しく照射さ
れた場合の蓄積速度及び平衡状態の貯蔵電荷を決定する
ために用いることができる。 ケースIII ダイオード対の一方だけ照射され、他方は照射されな
い。 ケースIIと組合わされたケースIIIは、像強度が縦方向
の線に沿つて変化する場合に常に生じる、ダイオード対
の不均一な照射の場合をカバーする。一対のダイオード
は、１つの縦方向の画素を構成する。横方向の解像度は
所与の行におけるダイオードの密度により決定される。 加えられる方形波の振幅はＶであると仮定する。ダイオ
ードにおける漏洩電流は、実際の場合にはそうではない
が、零であると仮定する。従つて、漏洩から生じる一定
のバツクグラウンド電荷は無視される。しかし、電圧源
により注入された電荷からも一定のバツクグラウンド電
荷が生じる。そのバツクグラウンド電荷はLCセルの閾値
の振舞によつて抑制できるものと仮定する。これは、バ
ツクグラウンド電荷が閾値に近いように、印加電圧を適
切にセツトすることによつて行われる。 初めに、LCセルに貯蔵された電荷について考察する。こ
の電荷は、セルに現われる電圧を決定する。電圧の符号
でなく、その大きさが、セルの反射率を決定する。一対
のセルにおける両方のセルの電荷は同一であることに留
意されたい。対をなすセルの電圧は常に反対の位相にあ
る。 その分析は簡単である。それは、前の半サイクルから貯
蔵された電荷を初期状態として、加えられた方形波電波
±Ｖの各半サイクル後に、各キヤパシタC_1cに貯蔵され
た電荷を計算することにより成る。各ダイオードにおけ
る逆バイアス状態の間に電流源Ｉ又はＩ′により発生さ
れた電荷が、任意の半サイクルの間の信号電荷として考
えられる。他方のダイオードの順方向の降下は充電サイ
クルの終りにおいて小さく、従つてキヤパシタC_1cの電
圧は印加電圧Ｖに略等しい。この際、ダイオード・キヤ
パシタンスの電圧依存性は無視する。 第ｎ番目のサイクル後にC_lcに貯蔵された電荷q_nに関す
る漸化関係は、以下の説明で明らかにされるが、初期電
荷によつてq_nに関する級数表現を得るために用いること
ができる。その級数表現は幾何級数であり、容易に和を
求めることができる。 次に、上記ケースについて更に具体的に考察する。 ケースＩ 正の半サイクルの終りにおいて、電荷q₀がC_1cに貯蔵さ
れ、その後は何ら照射されない。 カウント開始に続く第ｎ番目の半サイクル後の貯蔵電荷
は次式より与えられる。 q_n＝rⁿq₀＋（−１）ⁿC_tV〔（１−（−ｒ）ⁿ）／（１＋
ｒ）〕 〔１〕 上記式において、 ｒ＝C_t/cd＝C_1c／（C_1c＋2C_d） C_t＝（2/C_1c＋1/C_d）^-1 〔２〕 である。比率ｒは常に１よりも小さい。キヤパシタンス
C_tは、ジエネレータにおける全直列キヤパシタンスであ
る（行間のキヤパシタンス又は他の分路キヤパシタンス
はカウントしない）ダイオード対の一方は常に順方向に
バイアスされているので、C_dは一度しかカウントされな
い。 電荷q_nは２つの成分を有する。１つの成分は、初期電荷
q₀から生じ、続く半サイクル毎に上記フアクタによつて
大きさが減少する。時間平均を用い、半サイクルの終り
に対応する時間をとると、パラメータｎを、 ｎ＝2ft_n により置換えることができる。上記ｆは方形波の周波数
であり、t_nは第ｎ番目の半サイクルの終りに対応する時
間である。従つて、次の関係式が得られる。 rⁿ＝exp−t_n／τ τ＝（−2f 1n r）^-1 〔３〕 ｆが増加するに従つて、減衰τ−１の速度が増加する。
Cdが零に近づくに従つて、ｒは１に近づき、時定数は無
限大に近づく。従つて、ダイオード・キヤパシタンスは
過渡特性を与える重要な役割を果たす。 q_nの第２の成分はC_tVに比例する交代する電荷である。
これは、次の大きさの交代するバツクグラウンド電荷を
表わす。 ｑバツクグラウンド＝C_tV／（１＋ｒ） 〔４〕 C_tVを含む項全体は、素子がターン・オンされた直後で
あれば、バツクグラウンド電荷の過渡的な蓄積の振舞を
表わす。これは、簡単にq₀＝０を選択した場合である。
その過渡の項は交代しない。この状態が予測されそして
バツクグラウンド電荷がq₀に含まれている場合には、過
渡の項は存在しない。従つて、式 q_n＝rⁿ（q₀−C_tV／（１＋ｒ））＋（−１）ⁿC_tV／（１
＋ｒ） は、初期信号電荷の定常減衰及び一定のバツクグラウン
ド電荷をより明確に区別する。 ケースII 均一な照射が存在し、ダイオードは続く半サイクルにお
いて信号電荷q_s及び−q_sを生じ、初期電荷は存在しな
い。正の半サイクルに続く第ｎ番目の半サイクル後の電
荷は、次式により表わされる。 q_n＝（−１）ⁿ〔rq₃＋C_tV〕〔１−（−ｒ）ⁿ）／（１＋
ｒ）〕 〔５〕 バツクグラウンド電荷は前述の場合と同じである。信号
電荷は定常状態値を有し、次式の如く、符号が交代し、 ｑ∞＝rq_s／（１＋ｒ） 〔６〕 又rⁿのように減衰する交代しない過渡成分を有する。過
渡時定数は同様に τ＝（−2f 1n r）^-1である。 液晶セルにおいて達成できるコントラストは、最大信号
電荷とバツクグラウンド電荷との比率に依存する。これ
は、ダイナミツク・レンジと呼ぶことができる。q_sの最
大値は、1/2C_1cである。従つて、ダイナミツク・レンジ
D.R.は次式により表わされる。 大きなダイナミツク・レンジを得るためには、比率C_1c
／C_dを最大限にすることが望ましい。これは、１に近づ
くｒを意味し、それは応答時定数を増加させる。従つ
て、ダイナミツク・レンジと応答時間とをバランスさせ
なければならない。 ケースIII 一方のダイオードだけが照射されて、信号電荷q_sを生じ
る。 正の半サイクルルに続く第ｎ番目の半サイクルの終りに
おける電荷は、次式により示される。 （ｎ＝寄数） q_n＝-rq_s（１−rⁿ⁺¹）／（１−r²）−C_tV（１＋rⁿ）／
（１＋ｒ） 〔８〕 （ｎ＝偶数） q_n＝-r²q_s（１−rⁿ）／（１−r²）＋C_tV（１−rⁿ）／
（１＋ｒ） バツクグラウンド電荷は前述の場合と同じである。 信号電荷は定常状態値 ｑ∞＝rq_s／（１−r²）（ｎ＝寄数） ｑ∞＝r²q_s／（１−r²）（ｎ＝偶数）

〔９〕 及び同一の蓄積時間を有する過渡の項を有する。全サイ
クルにおける第２半サイクルのための信号電荷の大きさ
は、係数ｒだけ減少する。全サイクル中の平均信号電荷
は、次式により示される。 これは、均一な照射の場合と異なる。ｒ＝1/3の場合に
は、両者は同一の応答を有する。 ｒ1/3の場合には、均一でない照射の成分が増大さ
れ、その逆も同じである。この部分は、定常バツクグラ
ウンド成分が存在すること、過渡的振舞は指数関数的時
定数τ＝−（2fln r）^-1によつて特徴付けられ、それは
ｒ＝1/3の場合には印加されたAC電圧の半分の期間に略
等しいことを述べて、要約することができる。ｔ＝1/3
の選択は、均一な照射に対する応答と不均一な照射の平
均に対する応答とを等しくし、半サイクル中にダイオー
ドにより生じた、光による電荷と漏洩電荷との合計の1/
4の信号電荷を与える。ｒ＝1/3の選択はC_d＝C_cに対応す
るダイナミツク・レンジはr/（１−ｒ）であり、ｒ＝1/
3を選択した場合には、1/2の値を有する。より大きなダ
イナミツク・レンジを得るためには、１により近いｒを
必要とする。 動作モード 本発明によるフオトダイオードLALVは、ビデオ・モード
又は記憶モードで動作することができる。ビデオ・モー
ドでは、加えられた方形波は一定の周波数を有する。ラ
イトバルブがCRTにより駆動される場合には、CRTのフレ
ーム速度は方形波周波数の２倍であるべきである。この
場合、照射が一定でないので、積分時間（integration
time）は無意味である。しかし、フレーム速度を方形波
周波数の２倍のより大きい倍数にセツトすることより、
電荷の蓄積が可能である。照射がゆつくり変化する場合
には、積分時間はその期間の半分である。この場合は、
単に駆動周波数を変化させることにより、感度と過渡応
答とをバランスさせることができる。フリツカのない観
察を得るためには、駆動周波数は60Hz以下に減少すべき
でないが、方形波による駆動の場合にはフリツカが減少
する傾向があるので、より遅い速度も許容されることが
解つた。 フオトダイオード配列体は電子による励起に対しても感
応す。従つて、ダイオード配列体LALVは、螢光体スクリ
ーン及び光学系の介在を必要とせずに、CRTの電子ビー
ムによつて直接活性化することができる。 記憶モードでは、LALVは、数サイクルの高周波方形波を
用いて、入力光なしの動作で消去される。その結果、タ
ーゲットには、定常状態バツクグラウンド電荷だけが残
される。それから、定常DC電圧が加えられる。書込にお
けるCRTの単一のフレーム走査は、貯蔵電荷の像を液晶
セルに与える。この場合には、ｎ＝１が適用され、ケー
スIIとケースIIIとの間に区別はない。貯蔵電荷はいず
れの場合も±rq_sである。１に近いｒの値が望ましい。
より長い時定数は、消去に要するサイクル数を増加させ
ること以外は、無意味である。しかし、消去中の方形波
の周波数は、消去時間を短かく保つて、より大きくする
ことができる。 １に近いｒの選択は、恐らく、ビデオ・モードには特に
有害ではない。それは、応答時間を増加させ、高い空間
周波数への応答を強めるが、それらの両効果は恐らく許
容される。従つて、記憶モードのために最適化された表
示は、ビデオ・モードにおいても有用である。より大き
いダイナミツク・レンジが極めて望ましい。 記憶のためには、液晶セルが開回路モードにおいて浮遊
することができるならば、像が比較的長い時間の間維持
される。結局は、LC層における貯蔵電荷は漏洩して、再
分配される。しかし、閉回路モードでは、各対の逆方向
にバイアスされたフオトダイオードにおける暗電流漏洩
は液晶セルに徐々により多くの電荷を加え、結局は電界
が飽和する。記憶のための時定数はダイオードの漏洩及
びキヤパシタンスに依存する。数秒間の時定数が可能で
ある。それから、消去−書込サイクルが、この場合には
セルに電界のサイクリングを与えるためにセルに反対符
号のDC電圧を用いて、反復される。消去−書込サイクル
は、特に煩雑でない程度に、充分に速くすることができ
る。書込のためのCRTフレーム時間は従来の場合よりも
長くして、より多数の画素を可能にすることができる。 このライトバルブを記憶モードで動作させるもう１つの
方法は、アドレス動作を行うCRTに長時間残像を生じる
螢光体を用いることである。このモードでは、ライトバ
ルブがACの下で動作され、記憶時間は螢光体の残像時間
により制御される。 感度 LALVの感度は光感知手段に依存する。AR被膜及び良好な
形態を有するシリコン・ダイオードの場合には、量子効
率は、最大が0.8ミクロン近傍である。0.4乃至0.9ミク
ロンの範囲に亘つて、100％に近づくことができる。ス
ペクトル応答は、１ミクロンを越えると急速に低下す
る。その応答は線形（ガンマ＝１）であり、ダイオード
は何らずれを生じない。フオトダイオードLALVの過渡応
答時定数は、加えられた方形波電圧の期間に大略等し
い。そのフオトダイオードは概して、光レベルが低い場
合以外は、光導電体よりも感度が大きい。そのフオトダ
イオードは１の利得を有する。光導電体においては、導
通促進トラツプの寿命は、低い光レベルにおいて長い。
これは、高い光導電利得を可能にするが、大きなずれを
生ぜしめる。従つて、低い光レベルでの使用は必ずしも
望ましくない。光導電体の電子効率は数パーセントにす
ぎない。光導電体の利得は光レベルの増加とともに低下
し、従つて電荷−光特性は線形でない（ガンマ1/
2）。フオトダイオードの感度は本質的に電圧に依存し
ない。光導電体の利得は電圧とともに増加する。 具体例 次に、第１図のライトバルブ構造体を実現するための２
つの実施例について述べる。第１実施例が第３図に示さ
れている。 例えば単結晶シリコン・ウエハである基板が、従来の基
板14上に厚い半絶縁性のエピタキシヤル層11を成長させ
ることにより形成される（第3A図参照）。それから、深
いパターン化されたｎ型層12が拡散されて、導電体の列
が形成される。交互の列が周辺部で共通に接続されてい
るｎ型拡散の後、酸化物マスクが剥離され、新しい酸化
物層18が成長される。ｐ型拡散のために開孔が形成され
て、ｐ型層13が形成される。ｐ型拡散の後、金属層が付
着され、矩形の分離された金属反射電極17が各ダイオー
ドの中心に合わせて配置されるようにパターン化され
る。それらの矩形の金属領域は、（１）LCセルのための
電極、（２）反射板、及び（３）投影光からフオトダイ
オードを保護するための遮光層としての３つの機能を有
する。矩形の金属領域間の光路は遮断されなければなら
ない。 それから、初めの基板層が、ダイオード配列体の反対側
の領域において、成長されたエピタキシヤル層に達する
まで、均一にエツチングされる。ダイオード配列体の周
囲の領域は厚く保たれて、薄い感光領域のための支持部
材として働く。均一な薄さは、達成可能な２つの層のた
めの差の大きいエツチング速度によって得られる。厚い
支持枠上に拡げられた10ミクロン程の薄い膜は丈夫な構
造を有し、しかもフオトダイオードが光により生じた少
数キヤリア（記載の形態の場合にはホール）を集めるこ
とができる程充分に薄い。励起光は、拡散されたｎ型層
12の近傍又は内部に吸収されるように、近赤外線領域に
あるべきである。金属層中の開孔の下におけるｎ型層間
のスペースには、その金属層をマスクとして用いてイオ
ン衝撃（例えば、金）を施すことができる。その場合、
金は強い再結合中心であるので、遮光手段は不要であ
る。可視の投影光は、注入領域内の表面近傍で吸収さ
れ、実際において少数キヤリアは何らダイオードに達し
ない。 所望ならば、エツチングされた領域に透明材料15を充填
することにより、膜を堅固にすることができる（第3A図
参照）。それから、フオトダイオード配列体が誘導体層
16で被覆され、その誘電体層16は、（１）液晶セルの１
つの境界になり、（２）膜を堅固にするという２つの目
的に役立つ。それから、ダイオードが形成されそしてい
絶縁体領域及び電極領域が画成された、そのシリコン膜
が、ガラス・プレート50上に装着される。 導電型の符号の選択における特徴の１つは、フオトダイ
オードが撮像営として像を形成するためのターゲツトと
して働くことができることである。これは、開発中に、
暗電流、感度、スペクトル応答、解像度、ダイオード・
キヤパシタンス、及び欠陥を招く処理の問題の診断を可
能にする。この構造では、両方の組の列が相互に電気的
に接続されており、ターゲツトのバツク・プレートとし
て働く。この特定の手段は、源としてCRTを用いた光子
による像形成に代る１つの方法として、直接シリコンを
電子ビームで走査することができるという利点を有して
いる。 本発明のもう１つの実施例が第４図に示されている。こ
の場合は、シリコン基板は、プロセスにおいてエツチン
グにより除去されていなければ、左側に存在する。その
シリコン基板はｎ型であるように選択される。均一なｐ
型層が成長された後、厚さ数ミクロンのｎ型層が設けら
れる。最後に、薄いn⁺型層21が成長又は拡散される。そ
れから、そのシリコンは、窓及びシリコン支持体として
働く、サフアイア又はガラスのプレート22上に装着及び
結合される。それから、その基板は、ｐ型層に達するま
でエツチングされる。次に、金属層23及び誘電体層24が
均一に付着される。それから、矩形の格子の水平方向素
子がパターン化され、シリコンが支持体に達するまでエ
ツチングされる。これは、ｎ型層に交流電位を加えるこ
とができるように、交叉指形パターンに行を分離させ
る。それから、垂直方向が分離されるようにパターン化
され、シリコンが部分的にエツチングされる。これは、
行に連続性を与え、しかも所与の行におけるダイオード
を分離させる。メサ・ダイオードを表面安定化するため
に、誘導体を設けてもよい。 薄いn⁺型層は、可視光により発生したホールが極めて高
い効率で集められるようにする、低い表面再結合の界面
を生じるように働く。そのn⁺型層は、ダイオードの行の
直列抵抗を減少させる。 シリコン・フオトダイオード配列体の設計 前述の如く、フオトダイオードは、逆方向バイアスの下
で、LCセルのキヤパシタンスよりも小さい、接合キヤパ
シタンスを有するように設計することが望ましい。典型
的には、LCセルは、30Hzにおいて数ボルト、例えば５ボ
ルトの電位で動作することができる。セルの厚さは例え
ば10ミクロンである。従つて、画素寸法が25ミクロン平
方でありそしてLSの誘電定数が５である液晶セルは、約
２×10^-15Ｆのキヤパシタンスを有する。フオトダイオ
ードの接合キヤパシタンスをより小さくするために、設
計パラメータを次式から決定することができる（急峻な
接合）。 上記式において^ε Siはシリコンの誘電定数 N_siはシリコン中のドービング・レベル、 V_biは作りつけ電圧19ボルト（N_si＝10¹⁵〜10¹⁶cm^-3の
場合）、 Ｖはバイアス電圧、 ｑは電荷、そして Ａはダイオード接合領域 である。２〜３×10¹⁵cm^-3のドーピング・レベルが選択
された場合には、ダイオードは４乃至５ミクロン平方よ
りも小さい接合寸法を有するように設計されるべきであ
る。これは、今日のリソグラフイを用いて行うことがで
きる。一般的には、より高いドーピングを選択すれば、
より小さいダイオードを形成することができ、又その逆
も云える。 全固体の信号入力 シリコン・フオトダイオード配列体は、それをLC配列体
制御素子として適したものにする特性を有している。前
述の如く、バルフのシリコン基板における少数キヤリア
の光による励起及びその後の逆方向にバイアスされたダ
イオードへの拡散は、入力手段を表わしている。既に述
べた如く、エネルギ電子衝撃により励起も任意に用いら
れる。従つて、小型のCRTが書込のために適切に選択さ
れる。しかし、他の選択も可能である。 電荷結合亜素子（CCD）が像形成とともに表示にも用い
ることができることを既に認識されている。特に、直接
バンドギヤツプの半導体におけるフレーム記憶装置（fr
ame store）のCCDは、少数キヤリアが貯蔵されるすべて
の空乏領域の井戸が同時に崩壊した場合に、光を生じる
ことが解つた。突入する多数キヤリアは放射を伴つて少
数キヤリアと結合し、貯蔵電荷に比例した光を生じる。
貯蔵電荷における局所的変動が光学像を生じることにな
る。 間接バンドギヤツプの半導体であるシリコンは書込用CC
Dには適していないが、CCDに適していることが照明され
ているGaAsは有効である。0.88ミクロンで放出された放
射は、シリコン・フォトダイオードの感度のピークに近
い。 GaAsのCCDフレーム記憶装置及びシリコン・ダイオード
配列体LALVより成るサンドイツチ構造体は、全体的に固
体の手段を与える。 非効率的な発光体及び効率的なフオトダイオードを生じ
る、シリコンにおける少数キヤリアの長い拡散長は、フ
オトダイオード配列体の基板中に少数キヤリアを直接注
入するための機構を与える。一実施例においては、シリ
コン基板はフオトダイオード配列体の反対側にCCDフレ
ーム記憶装置を有している。書込中のCCDの動作は、ラ
イトバルブ制御素子の動作から独立している。 ダイオード配列体に電圧を印加した後、充分に充たされ
たフレーム記憶装置の空乏領域が崩壊し、基板の界面に
おける蓄積領域によつて置換えられる。これは、貯蔵さ
れた少数キヤリアを基板内に注入し、それらが界面に戻
らないようにする。少数キヤリアは、逆方向にバイアス
されたダイオードに損失を生じることなく拡散する。横
方向拡散は、基板の零でない厚さとともに、解像度の損
失を生じる。これは、バルク領域の厚さをダイオード対
の空間的拡がりに比べて小さく、即ち基板の厚さを25乃
至50ミクロンの範囲にすることによつて、最小限に留め
られる。これらの条件の下での両面処理は、難しいが、
達成可能である。 CCDのためのビデオ速度は、CRTのための可能な速度を相
当に越えることができる。これは、標準的フレーム速度
で動作する高解像度のライトバルブを可能にする。 本明細書に記載のCCDライトバルブは、液晶の状態を制
御するために注入された少数キヤリアを用いた機構、及
びLCにDCでなACを用いている点で、SID Digest、13、25
0、1982においてLittle等により記載されているHughes
のCCDライトバルブとは異なつている。 以上において、従来のACの光活性化型ライトバルブにお
ける均質な光導電層に代る、光活性化型ライトバルブの
ための新しいシリコン制御素子について述べた。これは
均質な光導電体よりも複雑であるが、今日のシリコン技
術によれば比較的簡単である。本明細書に記載のシリコ
ン制御素子を用いることにより、ライトバルブの要件、
即ち感度、ずれ、光応答の直線性、丈夫さ、及び高さオ
ーバーローに耐える能力等に対する材料系（液晶）の適
合性について基本的理解に関する多数の利点を実現する
ことができる。更に、シリコン・ダイオードの簡単な構
造は、高歩留り及び低コストを可能にし、従つて効率的
な光活性化型ライトバルブの基盤となり得る。この制御
素子はCCDフレーム記憶装置と組合わされて、全固体の
ライトバルブを与える。 F.発明の効果 本発明によれば、LALVの光導電層並びに関連する光を遮
断及び反射する層の代りに、接合フオトダイオードの配
列体を含むモノリシツク・シリコン・チツプが用いら
れ、液晶層にAC電圧が加えられるLALVが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるフオトダイオード配列体制御型液
晶LALVを示す概略図、第２図は第１図のLALVにおけるフ
オトダイオード−液晶セルの構造を示す概略図、第2A図
は第２図に示されているフオトダイオード−液晶セルの
等価回路図、第３図は本発明によるフオトダイオード配
列体制御型液晶LALVの一実施例の形成を示す図、第3A図
は第３図の形成の一部を詳細に示す図、第４図は本発明
によるフオトダイオード配列体制御型液晶LALVのもう１
つの実施例の形成を示す図である。 10……フオトダイオード（配列体）、11……エピタキシ
ヤル層、12……ｎ型層、13……ｐ型層、14……基板、15
……透明材料、16、24……誘電体層、17……金属反射電
極、18……酸化物層、20……電圧源、21……n⁺型層、2
2、50……ガラス・プレート、23……金属層、30……液
晶セル、40……電極、C_d……ダイオード・キヤパシタン
ス、C_1c……LCセル・キヤパシタンス、Ｒ……電極40の
抵抗、Ｉ、Ｉ′……電流ジエネレータ（電流源）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する第１及び第２の側を有する液晶層
   と、 該液晶層の第１の側に配置された第１の電極と、 上記第１の電極の第１の部分に対面して、上記液晶層の
   第２の側に設けられた電極に接続する第１の導電型の半
   導体領域とこれに接して設けられた第２の導電型の半導
   体領域との接合によって形成される第１のフォトダイオ
   ードと、 上記第１の電極の上記第１の部分に連続する第２の部分
   に対面して、上記液晶層の第２の側に設けられた電極に
   接続する第１の導電型の半導体領域とこれに接して設け
   られた第２の導電型の半導体領域との接合によって形成
   される、上記第１のフォトダイオードと電気的に絶縁さ
   れた第２のフォトダイオードと、 上記第１のフォトダイオードの上記第２の導電型の半導
   体領域と上記第２のフォトダイオードの上記第２の導電
   型の半導体領域との間に交流電圧を印加する手段と、 を備え、上記第１の電極と上記第１および第２のフォト
   ダイオードで１つの液晶セルを構成してなる光活性化型
   ライトバルブ。