基于干涉效应的非易失性像素单元的制作方法

本发明涉及光学领域，显示技术领域，微纳加工领域，尤其涉及一种基于干涉效应的非易失性像素单元。

背景技术：

在数千万年前就有生物系统可以利用纳米结构来产生在阳光下呈现不同颜色的表面，例如蝴蝶等多彩的昆虫。其原理是纳米结构影响了照射在其表面的光的光路，导致干涉，选择性反射等现象的发生，呈现出不同的颜色，并且这种颜色的呈现是被动式的。这类纳米结构被用于制作超疏水材料，应用于自清洁表面等。

相变材料，又称硫系化合物，主要指的是VI族元素与III-V族元素组成的合金。这类合金具有可变的非晶态、多晶态等相态，并能够在相态之间进行纳秒级转变(10～30ns)。在不同相态下，其光学特性包括折射率与吸收系数具有相当大的差异，其电学特性主要表现为电阻值也有相当大的差异。在近30年，相变材料被广泛用于多媒体光学存储，如DVD中；近10年间，随着微电子技术的发展，相变材料开始被应用于高速非易失性存储器中。

相变材料主要依靠焦耳热的累积，完成非晶态与晶态之间的相互转变。对相变材料施加较强的电脉冲、激光或热传导等热激励方式，当材料的温度超过熔化温度后快速冷却，材料呈现非晶态结构，电阻阻值相对较大，对整个光谱的折射性能相对较好，透过性能相对较好；施加中等强度的热激励，当材料的温度仅超过结晶温度后缓慢冷却，材料呈现晶态结构，电阻阻值相对较小，对整个光谱的折射性能相对较差，透过性能相对较差。因此，相变材料可以在不同相态下呈现不同的光学性能。

目前市场化的显示技术主要包括液晶显示器LCD及其分支，自发光显示器OLED及其分支，以及电子纸E-paper三大类。其中，液晶显示器和自发光显示器在工作时，显示画面需要不断通电保持，不属于非易失性显示方式。电子纸E-paper属于非易失性显示方式，其中最具代表性的技术是电子墨水E-ink，它采用有色带电化学胶囊团构成像素，通过对胶囊的物理浮动与数量变化显示图像，具有显示保持功耗低、非易失性显示、形态可弯曲卷曲等优点；但相对LCD和OLED来说，E-ink目前的缺点是制备成本高、显示画面切换速度慢以及彩色实现较困难等。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种由反射层、第一透明层、相变层构成的非易失性像素单元，用于实现彩色非易失性显示单元和显示阵列。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于干涉效应的非易失性像素单元，所述像素单元包括多个亚像素单元，所述亚像素单元包括反射层、位于反射层上的第一透明层、位于第一透明层上的相变层；多个亚像素单元中的第一透明层的光学常数不完全相同或厚度不完全相同。

进一步地，所述相变层上方还有第二透明层，所述第一透明层和第二透明层均由导电材料构成。

进一步地，所述第一透明层选自ITO，ZnO，AZO等材料；所述第二透明层选自ITO，ZnO，AZO等材料。

进一步地，所述亚像素单元还包括位于相变层一侧或两侧的透明电极，透明电极与相变层相连。

进一步地，所述任意两个亚像素单元中的第一透明层的光学常数或厚度不相同。

进一步地，所述多个亚像素单元中的相变层不完全相同。

进一步地，所述任意两个亚像素单元中的相变层不相同。

进一步地，亚像素元的面积为0.01μm²～0.25mm²。

进一步地，所述相变层由相变材料构成，所述相变材料选自GeSbTe、GeTeAsSi、GeTe、GeTeBi、GeTeAs、InTe、AsSbTe、SeSbTe、GeSbTeN、GeSbTeSn、AgInSbTe、GeSbTeO、AsTeAg、AuSbTe、AuInTe、SiTeGe、SiSbTe、SbTe等合金材料。

进一步地，所述像素单元包括4个亚像素单元，相变层均由GeSbTe构成，第二透明层厚度均为15nm，相变层厚度为5nm，第一透明层和第二透明层均为ITO，4个亚像素单元中的第一透明层厚度分别为33nm、145nm、165nm、255nm。

本发明的有益效果是：本发明设计的显示单元，属于非易失性显示，采用了相态可变的相变材料，每个亚像素元在导电电极的电压控制下可以显示出两种不同的颜色，通过阵列组合可以显示出多种不同的颜色。同时本发明具有显示保持功耗低、非易失性显示、形态可弯曲卷曲等优点。针对E-ink的显示缺点：本发明设计的非易失性显示单元，制备成本低、相态变化在纳秒级完成，显示画面切换在10ms内完成。此外，本发明的显示像素面积可以在0.01μm²～0.25mm²之间，因此可以根据实际应用实现超高分辨率显示或者实现低成本大面积低分辨率显示。本发明使用的导电层和相变材料厚度均在纳米量级，易制备成柔性结构，因此可以做在各种基材上，包括透明的玻璃、柔性可卷可弯抗拉伸的材料，这是传统显示器远不能达到的。

附图说明

图1是本发明的一种亚像素元示意图；

图2是本发明的另一种像素元示意图；

图3是本发明的一种显示阵列示意图；

图4是本发明的一种驱动电路示意图；

图5a～g表示相变层3与TFT控制电路的不同连接方式；

图中，反射层1、第一透明层2、相变层3、第二透明层4、透明电极5。

具体实施方式

本发明公开一种基于干涉效应的非易失性像素单元，所述像素单元包括多个亚像素单元，还可以包括相变控制电路；所述亚像素单元包括反射层1、位于反射层1上的第一透明层2、位于第一透明层2上的相变层3；多个亚像素单元中的第一透明层2的光学常数不完全相同或厚度不完全相同。自然光射入显示阵列表面，在空气和表面的界面发生一次反射，在第一透明层2和反射层1界面发生一次反射，由于第一透明层2的光学常数不完全相同或厚度不完全相同，两束反射光光程不同，产生干涉，并且出射光谱与光程差有关，因此调制第一透明层2即可得到不同颜色的亚像素元。在此基础上，将相变层3与现有的相变控制电路，即TFT控制电路，相连后，可进一步通过控制电路实现对相变层3的相变调控，实现二元颜色变化。

若像素单元包括n个亚像素单元，各个亚像素单元中的第一透明层2的光学常数或厚度各不相同，各个亚像素单元中的相变层3各不相同，则可实现n²种颜色，进一步通过TFT控制电路对相变层颜色进行调控，则可表达2×n²种颜色。

作为相变控制电路的TFT控制电路如图4所示，每一个TFT动作元件对应一个上述的亚像素元，由栅线输入信号控制TFT栅电极，作为相变用电压的开关，从源线输入电压信号控制相变，当TFT元件处于低阻抗时，电压施加到显示薄膜上，使相变材料薄膜发生相变。

从色彩多元化考虑，所述任意两个亚像素单元中的第一透明层2的光学常数或厚度不相同。所述多个亚像素单元中的相变层3不完全相同，甚至于任意两个亚像素单元中的相变层3不相同。

如图5所示，相变层3与TFT控制电路相连的方式包括：

(1)直接与TFT控制电路相连；

(2)当第一透明层2为导电层时，可以通过第一透明层2与TFT控制电路相连；

(3)当相变层3上方还有由导电材料构成的第二透明层4，相变层3可以通过第二透明层4与TFT控制电路相连；

(4)当具有透明电极5时，相变层3还可以通过第二透明层4与TFT控制电路相连；透明电极5一般平铺在相变层3上，保证导电均匀性。

上述的相变材料层为第VI主族元素与第III～V主族元素组成的合金化合物，这种合金化合物具有可变的非晶态、多晶态等相态。其中的晶态结构，第VI主族元素与周围的多个其他族元素原子之间形成共价键，形成多面体结构，这些共价键有强有弱，在非晶化过程中较弱的共价键断裂，晶态结构转变为非晶体结构，这样的共价键部分重组，使得相变材料能够在相态之间进行纳秒级转变(10～30ns)。在不同相态下，这种合金化合物的光学特性包括折射系数与吸收系数具有相当大的差异，可用于改变每个亚像素元的状态。

在可见光波段光学性能比较好的合金化合物有由Te或Se与Ge、Si、As、Sb中的一种或多种组成的合金化合物，其中VI主族元素为必要元素，与其他III～V主族元素组成二元、三元或四元的合金化合物。这类合金化合物的相态变化速度快、常温下结构稳定、不同相态的光学性能差异大。比如：GeSbTe合金系列材料中的Ge₂Sb₂Te₅，在非晶态时对短波长光的反射率要比晶态时的反射率高，在晶态时对长波长光的反射率要比非晶态时的反射率高，处于这两种相态的Ge₂Sb₂Te₅材料薄膜会表现出两种不同的颜色。其他同类的相变材料有GeTeAsSi、GeTe、GeTeBi、GeTeAs、InTe、AsSbTe、SeSbTe、GeSbTeN、GeSbTeSn、AgInSbTe、GeSbTeO、AsTeAg、AuSbTe、AuInTe、SiTeGe、SiSbTe、SbTe合金材料等。

用于连接控制电路与相变层3的材料为第III～V主族元素中的一种形成的单质或多种按照任意配比组成的化合物。这种化合物透光性能和导电性能较好，并可以做成柔性结构，典型的材料为ITO、ZnO、AZO、石墨烯等，导电电极可以同时充当透明层的作用，例如ITO、ZnO、AZO等，也可以只作为电极，与透明层不使用同种材料，例如石墨烯加上任意透明介质等。

上述的透明层厚度小于300nm。不同厚度的透明层对光的吸收量不同，厚度越大，对光的吸收量越多，并且厚度对亚像素元呈现出的颜色有极大的影响。当大于300nm，会大幅削弱导电电极的透光性能，影响整个结构颜色的显示效果和导电效果。

本发明中的相变材料层在生长的时候是非晶态，因此不受限于衬底，因此本技术理论上可以在包括传统单晶/多晶硅衬底、玻璃衬底、高聚物衬底、金属衬底上实现。

本发明中的薄膜结构可以用磁控溅射等方法生长，可以用光刻掩模、纳米压印等工艺制备像素阵列。例如使用射频磁控溅射在基底上生长ITO薄膜时，靶材直径为60nm，In₂O₃:Sn₂O₂为90％：10％，溅射本底真空为2×10^-4Pa，功率为200W，溅射时间为300s、480s、800s、1200s时，厚度分别为50nm、70nm、120nm、180nm。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，列出一种亚像素元示意图。在相变层3两侧加电极，可以通过施加电信号实现相变层在两种相态之间转变，不同相态的光学特性具有相当大的差异，对不同波长的光具有不同的反射率和折射率，起到调节整个亚像素元的可见光反射率的作用。第一透明层2的厚度可以调制，其厚度影响在不同面反射的光的光程，进而影响干涉效应对不同波长光的增强和减弱效应，使得亚像素元呈现出不同的颜色。

如图2所示的一种由多个亚像素元组成的像素元，像素元中的n个(图中为3个)亚像素元的第一透明层2厚度不同，导致亚像素元呈现出不同的颜色。每个亚像素元可以在相变材料的控制下呈现出高反射率和低反射率的状态，对应着两种颜色，因此单个像素元在不同状态的亚像素元的组合下，可以有2ⁿ种(图中为8种)可能的状态。

如图3所示的一种由图2中所示的像素元组成的显示阵列，可以通过底层电路调节每个像素元的状态，使其呈现不同的颜色，经过组合可以显示出想要显示的图案。