具有电阻性开关元件的基于相变材料的显示器装置的制作方法
本发明总体涉及基于双稳态相变材料(或双稳态pcm)的显示器装置的领域，并且特别涉及无源矩阵寻址的、基于pcm的显示器装置。
背景技术：
已经对相变材料(pcm)技术及其在诸如超高分辨率反射显示器、透视显示器和力传感器之类的光电装置中的应用进行了大量研究。pcm包括可以在多于一相之间电切换的材料，该材料具有不同的光电特性。双稳态pcm是特别有吸引力的，因为在已经完成相变之后，不必继续施加功率以将装置保持在该装置的当前状态。
根据显示器如何寻址，显示器总体可以被分类为无源矩阵(pm)显示器和有源矩阵(am)显示器。一般而言，am显示器比pm显示器具有更高的效率和更长的寿命，但是具有更高的产品成本。am显示器的高成本主要来自所需的薄膜晶体管(tft)背板。由于材料固有的一些限制，tft背板制造昂贵。pm显示器比am显示器便宜。但是，pm显示器的性能通常不太令人满意：pm显示器总体上具有较短的寿命、有限的分辨率和尺寸、以及较低的功率效率。
能够制造具有可接受性能的低成本、基于pcm的pm显示器将是相当令人感兴趣的。然而，正如本发明发明人已经意识到的，这种显示器的正常工作存在挑战。
技术实现要素：
根据第一方面，本发明被实施为显示器装置。该显示器装置包括一组像素，每个像素具有层结构，该层结构包括：双稳态相变材料或双稳态pcm；以及加热元件。双稳态pcm具有至少两种可逆的可切换状态，其中pcm表现出折射率和/或光吸收的两个不同的值。加热元件在层结构中与pcm电绝缘并且与pcm热连通。显示器装置进一步包括一组非线性单稳态电阻性开关元件，该元件可能形成像素的一部分。电阻性开关元件分别与像素之一的加热元件电连通。电阻性开关元件被设计成表现出低电阻、不稳定状态和高电阻、稳定状态。低电阻状态使得加热元件能够经由电阻性开关元件被通电(energized)，以便在操作中使pcm加热并且可逆地改变该pcm的折射率和/或光吸收。高电阻状态允许减轻泄漏电流，以便防止pcm在操作中从该pcm的状态中的一种无意地切换到另一种状态。最后，该装置进一步包括控制器，该控制器被配置为经由电阻性开关元件中的一个电阻性开关元件对像素中相应的像素通电，以便将电阻性开关元件从高电阻状态切换到该电阻性开关元件的低电阻状态，从而对相应的加热元件通电，进而可逆地改变相应的pcm的折射率和/或吸收。
受益于电阻性开关元件，本装置可以滤除诸如“潜行路径”电流或漏电流等的寄生电流或电压信号。这又防止了pcm元件的无意切换。该解决方案对于无源矩阵寻址显示器特别有益。
因此，本显示器装置优选地被实施为无源矩阵寻址显示器。这样的显示器装置进一步包括电极对的布置，其中电极对中的每一对经由以下电阻性开关元件与像素之一的加热元件电连通：电阻性开关元件中串联连接在所述电极对中的该每一对之间的相应的一个电阻性开关元件，以便像素中的每一个能够由显示器装置中的控制器单独寻址。
优选地，像素中的每一个包括电阻性开关元件中的相应的一个电阻性开关元件，该电阻性开关元件中的该相应的一个被堆叠在像素中的所述每一个的层结构中。该解决方案特别容易制造。
在优选的实施例中，电极对的布置形成矩阵，其中电极对的第一电极被布置成列，并且电极对的第二电极被布置成行。在电阻性开关元件被堆叠在像素的层结构中的情况下，像素中的每一个可以优选地从在第一电极之一与第二电极之一的交叉点处形成的交叉点横向偏移，即，在垂直于像素的层结构的堆叠方向的方向上偏移，。电极的每一对中的电极各自与像素的电阻性开关元件电连通。像素的偏移产生简单的平面结构，并且避免对像素的光学特性的干扰，如果层堆叠件如在通常的交叉点配置中那样夹在电极之间，则电极会导致该干扰，
在其它实施例中，电极对中的每一对通过两个通孔与像素之一的加热元件电连通，该通孔各自平行于像素的层结构的堆叠方向延伸。所述通孔之一包括电阻性开关元件，该电阻性开关元件分别与像素之一的加热元件电连通。该方法允许3d结构，这使得例如，与如以上所描写的偏移结构相比，可以改善像素的密度。
在特定的实施例中，通孔均在电极对的布置的平均平面和像素的加热元件的平均平面之间延伸。加热元件优选地被配置为光学反射器。
在其它特定的实施例中，电极对的第一电极在加热元件的平均平面的一侧上的第一平面中延伸，并且电极对中的第二电极在加热元件的平均平面的另一侧上的第二平面中延伸。所述两个通孔中的一个连接到所述第一电极中的一个，通孔中的另一个连接到第二电极中的一个。再次地，第二电极可以优选地被配置为光学反射器。
在优选的实施例中，像素的层结构进一步包括导热的光学反射器和导热的间隔件，该导热的间隔件可透光并被布置在反射器上。pcm被布置在间隔件上，以便反射器、间隔件和pcm沿层结构的堆叠方向连续堆叠。加热元件相对于反射器与pcm相对。另外，层结构被配置成使得加热元件经由反射器和间隔件与pcm热连通。在该方法中，包含pcm的光学有源元件通过电绝缘屏障与加热元件分离，然而，该电绝缘屏障是导热的。正如本发明人已经意识到的，这使得可以切换pcm的大部分，同时保留光学有源子结构的排序的层的序列(即，pcm-间隔件-反射器)。可逆地可切换状态使pcm表现出折射率和/或吸收的两个不同的值，从而允许在光学特性方面的第一自由度(第一光学功能)。同时，间隔件的厚度可以被调节(或者从一层结构变化到另一层结构)，这实现在光学特性方面的第二自由度(第二光学功能)。实际上，由于干涉效应，该干涉效应取决于pcm的(复数)折射率和光学堆叠件的所有层的厚度，包括pcm本身的厚度，因此这使得可以利用反射率将根据光的波长而显著地变化的事实。结果，受益于间隔件，可以调谐器件的光学特性(例如，赋予子像素“颜色”)，而不需要额外的滤光器。因此，本装置可以被设计成利用两个光学功能，同时允许切换pcm的大部分。
特定的实施例提供额外的优点，显著地是在切换(以有利于大面积的切换)和光学特性方面。例如，在实施例中，反射器的平均厚度在50nm到1μm之间，间隔件的平均厚度在10nm到250nm之间，并且pcm的平均厚度在0.5nm和500nm之间，优选地在1nm和100nm之间，并且更优选地在7nm和15nm之间。
在实施例中，加热元件的平均厚度在20nm和2μm之间，并且优选地在60nm和140nm之间，而电阻性开关元件的平均厚度在10nm和100nm之间，优选地在10nm和30nm之间。
本文使用的电阻性开关元件可能是阈值开关器件，例如，双向阈值开关、金属-绝缘体转换装置、二极管或阈值真空开关。然而，在实施例中，电阻性开关元件不是二极管，原因将在下文变得清楚。
在优选的实施例中，电阻性开关元件中的每一个包括以下材料中的一种：氧化物、氮化物、硫化物、氮氧化物以及钻石。电阻性开关元件中的每一个可以例如包括一种或多种材料，该材料包括以下中的每一种、一种或多种：nbox、vox、hfo2、sio2、zro2以及tio2。
优选地，pcm包括以下化合物中的一种或多种：gesbte、vox、nbox、gete、gesb、gasb、aginsbte、insb、insbte、inse、sbte、tegesbs、agsbse、sbse、gesbmnsn、agsbte、ausbte以及alsb。
在实施例中，加热元件包括以下中的一种或多种：nicrsi、nicr、w、tiw、pt、ta、mo、nb以及ir。
根据另一方面，本发明被实施为一种用于控制诸如以上提到的显示器装置的方法。基本上，该方法包括经由控制器重复地对像素通电，以便可逆地切换与像素的相应的加热元件电连通的电阻性开关元件并且与以上提到的原理一致地，对相应的加热元件通电以可逆地改变像素的相应的pcm的折射率和/或光吸收。
现在将通过非限制性示例并参考附图来描述实施本发明的装置、系统和方法。
附图说明
图1示出了如根据实施例的显示器装置所涉及的与控制器电连通的pcm像素的2d截面图；
图2是示意性地示出如实施例中所涉及的非线性电阻性开关元件的电流-电压特征的曲线图；
图3是根据实施例的系统级无源矩阵pcm显示器的示意图；
图4是如实施例中所涉及的偏移pcm像素结构的俯视图，示出了在交叉点处与电极的连接；
图5和图6是pcm从非晶态切换到晶态的电流强度分布的示意图并且反之亦然；
图7是根据实施例的经由横向通孔连接到交叉点电极的pcm像素的3d(部分)视图。图8示出了图7的pcm像素的侧视图；以及
图9是图7和图8的变型的3d(部分)视图，并且图10是对应的侧视图。
附图示出了如实施例中所涉及的装置或该装置的部件的简化表示。附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。特别地，为了描述，夸大了一些尺寸或纵横比。除非另有说明，否则附图中相似的或功能相似的元件已经被分配相同的附图标记。
具体实施方式
如本发明人已经观察到的，由于pcm像素致动的电阻性质，制造无源矩阵、基于pcm的显示器存在挑战。每个pcm像素通常由电阻加热器元件致动，并且必须连接在矩阵地址结构的交叉的纵横制电极(crossbarelectrodes)的接头上。当像素加热器由纵横制址致动时，电流流动通过所选择的加热器，但是相邻元件之间也存在其它相邻路径或“潜行路径”。因此，其它像素可能碰巧同时被激活。换言之，独特的无源矩阵地址将无法正常工作。
正如发明人已经进一步认识到的，该问题可以通过在电流路径中串联地插入(强)非线性来解决，以更有选择地使加热器加热，进而切换pcm。然而，电流路径和热路径可以部分地独立，使得可以实现pcm的均匀切换，如稍后详细说明的。非线性元件允许访问精心选择的像素，而不干扰其它像素或通过(数千或数百万)其它交叉点的交叉引起浪费的泄漏。插入的非线性元件抑制通过未选择的像素的潜行电流路径。
参照图1、图4、图7至图10，现在详细描述本发明的总体方面，该总体方面涉及显示器装置1、1a-d。显示器装置包括一组像素，每个像素具有层结构2、2c、2d。
该层结构显著地包括双稳态相变材料10(以下称为pcm)。pcm具有至少两种可逆的可切换状态，其中该至少两种可逆的可切换状态表现出波长相关的、复数折射率(n+ik)的两个不同的值。例如，至少对于一些有用的光波长，n或k可以相差至少0.2，如以下所讨论的。pcm的可逆可切换状态可以进一步表现出不同的光吸收。为了说明，以下描述的示例性实施例依赖于两种不同折射率的状态。然而，应当理解，可以设想变型，在变型中pcm的折射率和/或光吸收可以在切换时改变。如本文所设想的pcm在施加加热脉冲的情况下可逆地切换。这些材料本身是已知的。稍后描述这样的材料的示例。
该层结构进一步包括加热元件17、17c、17d，其根据层结构2、2c、2d的配置与pcm10电绝缘但与pcm10热连通。
显示器装置进一步包括一组非线性单稳态电阻性开关元件21(或简称为rse)。正如我们将要看到的，rse可以形成像素的层结构的一部分，或者不形成像素的层结构的一部分。在所有情况下，每个rse与像素之一的加热元件17、17c、17d电连通。
设计rse中的每一个以便表现出两种不同的状态r1、r2。在本上下文中，rse表示非线性元件，即，具有非线性电流-电压特征的元件，并且因此可以被通电，以便达到比rse的默认的高电阻状态r1更低的电阻状态r2(即，稳定状态)。rse的低电阻(高电导率)状态使得加热元件17、17c、17d能够经由电阻性开关元件21被通电。在显示装置的操作中，这又可以使pcm10加热并可逆地改变pcm10的折射率。相反地，rse的高电阻状态(低导电率)允许减轻泄漏电流或其它寄生信号，以便防止pcm10在操作中从该pcm10的状态中的一种无意地切换到另一种状态。虽然关断电流通常可以比正常导通电流小一个数量级，但是关断电流很可能导致改变pcm的折射率并因此恶化显示器的视觉性能。
装置进一步包括控制器30，以启动像素并实现装置的显示功能。可以独立地控制像素，以便成为“所有点”或像素可寻址的。控制器总体被配置为经由任一rse21对相应的像素通电，以便将rse21从高电阻状态切换到低电阻状态。这使得控制器能够对相应的加热元件17、17c、17d(即，启动的像素的加热元件)通电，并且进而可逆地改变相应的pcm10的折射率。即，对加热元件17、17c、17d通电导致产生热量(通常通过焦耳加热)，这又加热pcm10，并且如果足够的热量被传递给pcm，则切换pcm，使得可以改变pcm的折射率。该改变是可逆的，因为由控制器施加后续信号将允许另一个热脉冲到达pcm，以便将pcm切换回初始状态。
控制器30通常被配置为施加将首先切换rse21的电流信号或电压信号，以使rse21产生将到达加热元件17、17c、17d的电流。到达加热元件的电流使得加热元件17、17c、17d加热并且由此切换pcm。当加热元件被加热时，热量(例如，经由反射器和间隔件)被迅速传递给pcm，以便加热pcm，并且由此允许pcm从一种状态切换到另一种状态。
如所述的，pcm10是双稳态的，即，pcm10表现出折射率的两种不同的稳定状态。这样，pcm像素可以保持该pcm像素的当前状态(直到该pcm像素被再次刷新)，而不需要控制机构(例如，无源矩阵)来维持功率，以便保持pcm像素的当前状态。这相应地节省了功率。另外，不需要复杂的电路(例如，tft背板)，这简化了显示器装置的设计和制造并且因此降低了显示器装置的制造成本。
优选地，为了提高根据本方法所需的热连通和电连通的效率，pcm10优选地位于加热元件17、17c、17d的顶部，加热元件17、17c、17d本身位于rse21的顶部(例如，与rse21直接接触)。
与pcm相反，rse21是单稳态的，高电阻是稳定状态。rse本身是已知的。电阻开关是指在材料中发生的物理现象，该材料在例如足够的电流或电场或任何合适形式的局部热量的作用下突然改变该材料电阻。过去已经提出了若干类开关材料，从金属氧化物到硫族化物。在功耗、集成密度潜力和耐久性方面，这些材料的性能得到显著提升。
本文使用的rse具有非线性电流-电压特征，如下文参照图2所描述的。因为rse是单稳态的，所以该改变不是永久性的，即，当由控制器30施加的信号停止时，rse自发地恢复到rse的高电阻(低导通状态)。因此，rse不需要被再次通电以返回到高电阻状态，在高电阻状态中泄漏电流被减轻。因此，使用如以上所描述的rse防止了pcm的无意切换，同时需要很少的功率，并且这不需要任何复杂的电路。本方法对于无源矩阵寻址显示器特别有意义，如稍后详细讨论的。
虽然原则上可以考虑若干通电方案来切换rse21，但是rse21通过施加电压信号，即，基于波形的电压信号来优选地切换，该基于波形的电压信号具有切换rse所需的幅度。该控制信号实际上可以包括一系列脉冲，例如已知的电压脉冲。注意到，在本上下文中，与用于切换rse21相同的电压信号可以有利地使加热器加热，并且进而，一旦已经达到rse的电压设定点，就切换pcm。即，不需要施加后续信号来使加热器加热。因此，即使rse的低电阻状态具有相对短的持续时间，也可以切换pcm，这简化了控制器功能36和多路复用31、32，图3。如果需要，依赖函数发生器34来产生合适的信号。类似地，可以使用单个信号将pcm切换回初始状态。例如，rse被再次通电，以便产生明显的热脉冲并且将pcm切换回来。
在变型中，可能需要施加一个或多个脉冲来获得相同的结果。因为在实践中，这里通常更难以在感兴趣的装置中提供电流，所以在所有情况下，电压脉冲优于电流。然而，在一些情况下，电流脉冲控制可以在显示器的操作中提供改进的性能(例如，更快的切换、更低的功率等)，并且控制器可以被配置为提供这些改进的性能。
图2中表示的电流-电压图仅是指示rse应当具有的非线性特征的模型。当然，真实装置可以表现出或多或少明显的拐点(约为v2和v4)以及磁滞回线，该真实装置的实际电阻r被定义为导数
可以依赖各种类型的rse，该各种类型的rse具有合适的非线性特征。例如，rse21可以被设计为阈值开关装置，例如，作为双向阈值开关、金属-绝缘体转换装置、二极管(例如，薄膜、平面等)或阈值真空开关。
本rse21将通常包括氧化物、氮化物、硫化物、氮氧化物和/或金刚石。例如，rse可以包括一种或多种材料，该材料包括以下化合物中的每一种、一种或多种：nbox、vox、hfo2、sio2、zro2以及tio2。使用这样的材料，rse21的平均厚度优选地在10nm和100nm之间，更优选地在10nm和30nm之间。
虽然二极管确实可以考虑用于本目的，但是二极管的使用可能引起额外的问题。首先，因为二极管需要多层n型材料和p型材料，而非线性选择器可以由均匀材料制成，所以使用二极管可能导致额外的复杂性。另外，二极管很难在不损失性能的情况下缩小到亚微米尺寸。最后，pcm装置需要大量的电流，由于该电流，薄膜二极管很快会恶化。因此，rse21优选地不是二极管；rse21可能宁可由单一、均匀的材料制成。
优选的pcm包括以下化合物中的一种：gesbte、vox、nbox、gete、gesb、gasb、aginsbte、insb、insbte、inse、sbte、tegesbs、agsbse、sbse、gesbmnsn、agsbte、ausbte以及alsb。然而，可以设想其它材料，该其它材料包括以上化合物中引用的元素的化学组合。特别地，pcm可以是这样的元素的组合的化合物或合金，即，选自ag、al、au、ga、ge、in、mn、nb、o、s、sb、se、sn、te以及v。应当理解的是，可以设想以上材料的各种化学计量形式。例如，可以使用gexsbytez，特别是ge2sb2te5(也称为gst)。在其它实施例中，合适的材料可以是ag3in4sb76te17(也称为aist)。使用这样的材料，pcm10的平均厚度将通常在0.5nm和500nm之间，并且优选地在1nm和100nm之间。
优选的pcm是那些有利于均匀(批量(bulk))切换的pcm，即，在切换过程中涉及材料的大部分，而不是丝状切换。注意到，多个(平行)细丝的形成也可以最终相当于批量切换和召集。然而，如果pcm的厚度太高，则可能无法确保正确的切换，因此需要限制pcm层的厚度，如稍后所例示的。
对于依赖于不同折射率的pcm的状态的实施例，对于pcm的两种状态的折射率，通常需要在可见波长范围的至少一部分上至少为0.2的差异。例如，在高折射率状态下，pcm可以具有n＝2.4，而在低折射率状态下，n＝1.6。两种状态下的折射率差异通常在0.2到4之间。典型pcm的折射率的典型值和消光系数的典型值可以例如在“whppernice和h.bhaskaran于2012年发表在应用物理快报第101卷011243的“使用相变材料的光子非易失性存储器”中找到。对于gst，可以在pcm中达到的温度曲线通常可以在500℃至600℃的范围内，或者甚至更高(>600℃)。开关温度取决于材料，并且并非所有材料都在相同温度下切换。
加热元件17、17c、17d可以例如包括具有高电阻率和导热率的金属或金属合金。例如，加热元件由以下中的一种或多种形成：nicrsi、nicr、w、tiw、pt、ta、mo、nb以及ir。然而，可以设想其它材料，诸如tin、tan、或相似金属或金属合金的组合。在其它变型中，加热元件可以包括ito或其它透明的电阻材料，例如，用于透明显示器或透射显示器。加热元件通常具有高于pcm10的熔化温度的熔化温度，以实现必要的热脉冲。加热元件17、17c、17d的平均厚度优选地在20nm和2μm之间，并且更优选地在60nm和140nm之间。
现在共同参照图3、图4、图7至图10，本显示器装置可以有利地被实施为无源矩阵寻址显示器1a-1d。这种显示器通常包括形成矩阵的电极对221、222的布置，由此第一电极221被布置成列，并且第二电极222被布置成行。在本上下文中，电极中的每一对需要经由相应的rse21与像素2、2c、2d之一的加热元件17、17c、17d电连通。该rse串联连接在每一对的电极221、222之间。这样，像素2、2c、2d中的每一个可以由显示器装置中的控制器30单独地容易地寻址。rse滤除不需要的电流，而不需要涉及复杂的电路。
像素通常被布置在列线和行线中并且形成阵列，以形成显示器的成像区域。通常，矩阵寻址方案要求控制器能够独立地应用m+n个控制信号以寻址m×n个像素的显示器。
例如，图3的示意性无源矩阵显示器涉及交叉点配置的行221电极和列222电极，在交叉点配中像素2位于每个交叉点附近。为简单起见，在图3的图中的每个交叉点上示出了像素2。然而，实际上，像素2可能需要从交叉点横向偏移(如图4中所示)。然而，可以设计更复杂的3d结构，如稍后参照图7至图8所讨论的，以避免偏移配置并增加像素填充因子。在图3的系统中，行电极221由多路复用器31寻址，并且列电极222由另一个多路复用器32寻址。多路复用器由微处理器36控制，而定时和信号由函数发生器34处理。所有这样的电子接口元件在本领域中是公知的，例如，该电子接口元件是无源矩阵显示器的标准特征，该电子接口元件便于pcm像素显示器的接口连接。仍然，函数发生器需要被馈送或可以访问合适的波形定义，并且考虑到rse21的响应时间、加热元件17的响应时间和pcm10的响应时间，该函数发生器的定时函数需要适应当前事件序列中涉及的时序。
在图1的示例中，rse21被集成在像素中，即，rse被堆叠在像素的层结构2中。因为rse在形成堆叠件时仅需要额外的层沉积，所以该方法简化了装置1的制造。注意到，层堆叠件2位于电极221、222上，其中rse21桥接电极，但层堆叠件2不夹在电极之间。即，rse21与加热器17和电极221、222串联，但pcm与电流路径电隔离。在该意义上，电路径和热/光路径是相关的，这防止电极干扰像素的光学特性。
实际上，在通常的交叉点装置结构中，有源元件通常在交叉点处制造，并且夹在行电极和列电极之间。然而，在本上下文(显示器)中，人们可能想要避免夹层配置并防止电极干扰像素的光学特性。如以上所提到的，这可以通过横向移动像素来简单地解决。这在图4中示出。这里，每个像素2从在电极221、222的交叉处形成的交叉点横向偏移(即，在垂直于层结构的堆叠方向z的方向上)。仍然，电极221、222与所描绘的像素2的rse(在图4中不可见)电连通。例如，像素2的边缘可以是平行的并且与电极的一个222相距一定距离并且通过辅助臂222a接触，形成与电极部分222的接合。因此，相同像素2的另一个、邻接边缘可以与另一个电极221直接接触。
作为将像素定位成远离交叉点的结果，必须例如，使用电介质元件或桥225使行电极和列电极的交叉点绝缘。然而，绝缘可以由嵌入电极的层提供。
例如，桥225可以由聚合物材料制成，该聚合物材料在每个交叉点处首先在列电极222上，例如，以盘形的形式，光刻制造。然后将聚合物盘加热超过玻璃转变温度，使得每个盘形成透镜状，然后冷却每个盘。然后，在列电极222和桥接层225上制造行电极221，其中桥225的透镜形状在每个交叉点上引导行电极221，同时使急变的倾斜度最小化，否则可能导致电阻增加或故障增加。在变型中，桥可以被制成通过掩模沉积的氧化物或氮化物(例如，si3n4)。
虽然不允许最高密度的像素，但是图4的偏移配置对于许多显示器应用来说是足够的并且通常将覆盖70％或更多的有效区域。例如，黑矩阵可以用于覆盖剩余区域(除了像素区域)，包括电极221、22和电介质桥225。
在变型中，可以设想更复杂的结构，该结构允许更大的像素填充，如现在参照图7至图10所讨论的。这种实施例的一个关键方面在于通过横向通孔将电极221、222连接到像素的加热元件。即，并且如在图7至图10中看出的，电极中的每一对可以通过两个横向通孔41、42与像素2c、2d的加热元件17c、17d电连通，每个横向通孔41、42平行于层结构的堆叠方向z延伸。
特别有利的是将所述通孔41、42之一41或每一个配置为非线性电阻元件。使得通孔41、42之一被配置为rse通常应当满足于本目的。然而，使得两个通孔41、42配置为rse允许rse的厚度减小。例如，因为两个通孔与加热器串联，所以使得两个半厚度通孔41,42原则上应当导致与全厚度通孔相同的性能。
在图7至图10中，通孔41包括非线性电阻材料，诸如在前面讨论的rse21中所使用的(有效地，通孔41是rse)。否则，通孔41与加热元件17c、17d电连通。这种设计允许3d结构，这使得可以增加像素可用的表面。即，现在，与图4中像素横向偏移的更平面的结构相反，层结构2c、2d可以跨越最佳表面，例如，基本上对应于每个交叉点可用的单元区域。因此，可以增加由像素或填充因子填充的相对表面。
现在更具体地参照图7、图8：在实施例中，通孔41、42中的每一对可以都位于电极221、222和加热元件17c之间。注意到，为了清楚起见，图7和图8中未示出堆叠件的剩余层2c。另外，这里仅描绘了对应于装置的一个像素的基础设施1c。
更详细地，通孔41、42中的每一对可以被设置在电极221、222的平均平面和加热元件17c的平均平面之间的空间中。在该情况下，通孔41、42都位于加热器元件的同一侧上。通常，通孔41、42被嵌入层23中，并且电极221、222被图案化到基板22上。
图7、图8中使用的设计允许增加填充因子，同时保持相对简单的制造。这种解决方案允许获得基于pcm的像素的矩阵寻址阵列1c，其中行电极221和列电极222、非线性元件41和无源互连元件42位于加热器元件17c下方。
特别有利的是将加热元件17c被配置为光学反射器，该加热元件17c因此将用作光学堆叠件的反射镜元件。然而，加热元件17c可能需要做得很窄，以便有效加热。在该情况下，加热元件可以具有蛇形设计。此外，互补反射镜部件27可以填充剩余区域，以改善反射镜层的光学反射。
现在参照图9、图10，显示器装置1d可以被设计为使得电极221、222在加热器17d的平面的任一侧上延伸。在图9、图10中，所表示的基础设施对应于四个像素；为了清楚起见，未示出堆叠件2d的上层。
详细地，行电极221在加热元件17d的平均平面的一侧上(即，下方)的第一平面中延伸(在堆叠件2d的底部，未示出)，而列电极222在加热元件17d的另一侧上(即，上方)的第二平面中延伸。包括非线性材料21的通孔41将电极221连接到相应的加热元件17d。其它通孔42将加热元件17d连接到顶部的列电极222。列电极222将有利地被配置为反射镜。这节省了必须使用绝缘体的块来分离行电极221和列电极222(尽管列电极222可以很好地被嵌入层23中，在图9中未示出)。此外，该方法允许顶部的电极222加倍作为反射镜。这又允许加热器17d小且不反射，该加热器17d的材料特性可以替代地被调谐以获得更高的电阻。
在如图1或图9和图10的实施例中，只要光学反射器是足够导热的，则提供相对于光学反射器15、222与pcm10相对的加热元件17、17c、17d可以是有利的。例如，再次参照图1，除了先前已经描述的rse21、加热元件17和pcm10之外，显示器装置1可以具有包括光学反射器15和间隔件14的层结构2。
反射器15和间隔件14都是导热的。间隔件14是透光的并且被布置在反射器15上。间隔件可以例如包括一种或多种材料的层，材料的层中的每一种足够薄或透明，以使间隔层整体上基本上透光。pcm10被布置在间隔件14上。值得注意的是，加热元件17相对于反射器15被定位成与pcm10相对，即，位于反射器15的另一侧上，因此不与pcm直接接触。仍然，根据上述配置，加热元件17经由反射器15和间隔件14与pcm10热连通。然而，pcm10与加热元件17电绝缘。为此目的，可以提供额外的电绝缘但导热的层18。在变型中，反射器可以被设计为电介质反射镜或漫射光学反射器。
加热元件优选地被设置为层，从而完成层10、层14、层15的堆叠。即，加热元件17、反射器15、间隔件14和pcm10沿着层结构2的堆叠方向z被堆叠为层。各种元件17、15、14和10在结构2中形成适当排序的序列。然而，这样的元件不一定是紧接地连续的。即，该序列可以包括插入序列中的诸如层18的一个或多个额外的层。然而，任何额外的层应当具有合适的物理特性，以便在加热器17和pcm10之间保持所需的热路径和电屏障。
层10至层17优选地都具有相同的横向尺寸x、y(垂直于堆叠方向z)。结构2可以沿z具有基本上恒定的横向尺寸，以便形成紧凑的、突出的结构，并因此有利于加热器17和pcm10之间沿z的均匀热量传播。这又有助于实现均匀的切换并且优化功耗。然而，只要热量可以令人满意地沿z传递到pcm，在层堆叠件中具有基本上相同的横向尺寸就是并不重要的。
特别地，加热元件17的横向尺寸可以基本上与上部元件10-15的横向尺寸匹配，或者甚至略大，以便有利于热量传递。此外，可以选择各种元件17、15、14的厚度，以便优化热特性。更一般地，装置1可以被设计为在pcm10的大部分上或者如果可能的话在pcm10的主要部分上有利于均匀切换。
有利地，加热器17在堆叠中的位置不会扰乱层10-层14-层15的排序的序列，这又可以在层10-层14-层15的光学特性方面进行优化。这允许例如针对每个像素或子像素调节间隔件厚度，以便利用取决于pcm10的折射率和间隔件14的厚度的干涉效应。因此，不需要使用滤色器，但是如果需要，可以使用与间隔件互补的这样的滤光器。此外，装置可以包括光学衰减器或电光衰减器，或者仍然是任何被配置为获得所需的显示器色调的滤光器。
另外，如果加热元件17与pcm直接接触，即，在反射器上，则加热元件17不需要透光。相反，加热元件17可以在加热元件17所需的电/热特性(例如，高电阻)方面进行优化。加热器17串联连接在反射器15下方的低电阻率电极221、222之间，以优化功率转化，同时对像素通电并使功耗最小化。因为唯一的电接触部位于结构2的背面，而没有夹住有源光学区域的电极，所以这进一步简化了整体结构。
受益于本层结构，子像素可以更容易地制造(和电寻址)，每个子像素能够提供不同的颜色。优选地选择加热器17，以便使用标准cmos技术致动加热器17。子像素可以具有基本上不同的厚度的间隔件以提供不同的颜色。在无源显示器应用中，优选地选择加热器17，以便与该加热器17的相应的列线和行线相比具有高电阻，以确保从控制器施加的大部分电压将在加热器上有效地降低。然而，加热器应当优选地不太电阻性，以避免需要太高的电压才能达到足够高的温度。
注意到，层10-17不一定是完美的平面；虽然层10-17通常沿着堆叠方向z堆叠，但是层10-17可以替代地构造。特别地，加热器17可以被构造为改善通过该加热器17的温度分布，并因此改善切换。
通常，透明覆盖层16被布置在pcm10的顶部上，pcm10的表面16s限定观察表面，如图1中所看出的。
层16、层10和层14需要最小程度的透明度。通常需要至少10％的入射光透射率。对于pcm层，通常需要至少1％。透射率的确切值取决于层的实际厚度。反射器15通常需要光学的厚度。例如，如果反射层15可以基本上由银制成并且具有至少60nm的厚度，并且优选地，至少需要100nm的厚度。反射器优选地在感兴趣的波长范围内平均具有大于80％、90％或甚至95％的反射率。
实际上，具有相对于反射器15与pcm10相对的加热元件17允许切换较大的pcm表面。在图7至图10的上下文中，在加热器17c、17d不用作反射镜的变型中也可以采用相似的结构。
为了同时优化显示器装置的热-光学特性，可以进一步将反射器15的平均厚度强制施加在50nm和1μm之间。同时，间隔件14的平均厚度通常在10nm和250nm之间，并且pcm10的平均厚度在1nm和100nm之间，并且优选地在7nm和15nm之间。pcm的厚度可以例如在3nm和10nm之间，例如，具有6nm或7nm，特别是在使用gst的情况下。发现这样的尺寸有利于pcm的均匀切换，特别是在使用gst的情况下。相反，横向尺寸没有特别限制(但是通常大于0.5nm)。层结构的最大、横向尺寸取决于预期的显示器的类型、结构和所用材料。
现在参照图2和图3讨论显示器的操作示例。在该示例中，作为起始点，图3的示意性阵列中的九个像素中的每一个处于关断状态，其中每个像素的rse处于高电阻状态。假设在下一步中将一个像素切换为导通。在黑白显示器的情况下，导通状态可能对应于明亮的、白色电平(level)。为了将像素切换为导通，在与该像素有关的行电极221和列电极222之间施加信号(以下假设为电压，虽然也可以使用波形或电流脉冲)。施加的电压v3需要超过转换电压v2。实际上，这可以很好地安排在cmos电路的正常电压范围内。当rse达到低电阻状态r(切换为导通)时，rse在控制器30施加的信号v3下产生具有随时间变化的特定分布的电流脉冲(图6)，该电流脉冲到达与感兴趣的像素相关联的加热器17，使得pcm像素经历从结晶态到非晶态的快速相变。当施加的信号停止时，pcm10保持导通，而相应的rse返回到高电阻状态。同时，剩余的像素(到目前为止尚未被寻址)保持关断。只有非常小的、剩余的泄漏电流可以流动到像素的加热器元件，因为加热器元件的现在都处于关断的相应的rse滤除了寄生信号。为了将(当前为导通的)pcm像素从非晶态切换回结晶态，可以从控制器30施加产生不同电流分布的第二信号(图5)。这为像素设置了黑色状态。实际上，可以使用控制器30和多路复用器电路技术31、32并行地寻址一个或多个像素。
从控制器30施加的信号使得在rse的输出端中产生信号s1、s2，该输出信号具有确定加热器17、17c、17d中的热量分布的脉冲特征(幅度和持续时间)，并且热量又传递给pcm10。例如，在pcm处于非晶态的同时，将具有第一特征的信号s1提供给加热器，以将pcm设置为结晶态。例如，施加的信号s1使得在pcm中产生第一温度分布p1(来自加热元件)。响应于将第一信号施加到加热器，加热器产生传导到pcm的热量以引起温度t1，该温度t1高于结晶温度tc，但是低于熔化温度tm，并且在足以使pcm结晶的时间内保持高于tc。
类似地，在通过控制器施加适合信号的情况下，可以在rse的输出端中产生具有第二特征的第二信号s2，同时pcm仍然处于结晶态，如图6所示。这又在pcm中产生第二热量分布p2，该第二热量分布p2将pcm设置回非晶态。这里，响应于第二信号，电阻加热器元件17产生第二热量分布，由此热量被传导到pcm。这导致在pcm中，温度t2现在高于熔化温度tm，并且引起向液相的转换。在施加的脉冲的下降沿之后使得温度能够快速衰减导致pcm在非晶态下固化。注意到，由加热器产生的加热器温度分布t1、t2具有与在rse之外获得的电流强度分布s1、s2基本上相同的形状。
从材料17、18、15、14、10的性质及材料的尺寸开始，从控制器施加的脉冲可以例如通过反复试验并且基于所有相关参数来调整和细化。在这方面，可以选择和设计材料21、17、18、15、14、10、16(例如，在厚度方面)，以便具有确保从pcm10快速散热的热特性、光特性和/或电特性，是为了减轻熔化后(在非晶化过程中)pcm的再结晶。
在图3的示例中，阵列中的所有像素可以通过在行(221)电极和列(222)电极的每个组合之间顺序地施加信号来独立地寻址。这可以通过向每个行电极施加行选择信号(例如，给定极性和幅度的电压，该电压本身不足以激活rse，即，小于v2)来实现。虽然该信号对于每一行都有效，但是同时对每个列电极施加相反极性的寻址信号(具有大小和持续时间以在当前有源行的每个交叉点处使pcm区域结晶、重新非晶化或使pcm区域保持不变)。然后，与行选择信号极性相反的信号可以与行选择电压一起使得行中预期像素的加热器和rse元件两端的总电压超过v2并产生预期的电流脉冲。以这种方式，可以在给定时间段内寻址阵列的每一行，并且可以在分配的帧时间内顺序地寻址所有行以更新显示器上的完整图像。
这种行方式寻址是显示器驱动中的标准方法。其它的、更复杂的无源矩阵寻址方案也是众所周知的，该无源矩阵寻址方案使用施加到行的正交波形作为激活信号，允许同时激活阵列内的多个行，同时保持每个交叉上产生的切换信号的独立性。根据实施例，这种“矩阵驱动”或“并行驱动”方案也可以被应用于基于pcm的显示器。
相反，行可以以非连续顺序寻址，并且行可以在给定帧周期中被寻址多于一次，其中在激活时间段期间寻址每行中的一部分像素，以便在空间上分离同时激活或在时间上接近的时间段期间被激活的像素。这可以使得能够从各个像素进行更有效的散热并且防止来自像素的热量的局部积聚以紧密的空间和时间连续性被激活，这会对像素的成功的重新非晶化带来干扰。
更一般地，如本文所公开的用于控制显示器装置1、1a-d的方法包括经由控制器30重复对像素通电，以便可逆地切换与像素的相应的加热元件电连通的rse21并且对相应的加热元件17、17c、17d通电。如先前所讨论的，这使得相应的pcm10的折射率能够被可逆地改变。
总体上，以上描述的装置可以用于制造显示器装置中的显示器和(子)像素。所得到的装置可以由制造商以原始形式(即，作为具有多个未包装装置的单个产品)或以包装形式分发。在任何情况下，该装置然后可以与其它装置、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为(a)中间产品或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括诸如以上描述的光学器件的任何产品，范围从低端应用到高级产品。
虽然已经参照有限数量的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定实施例、变型中描述或图中示出的特征(类似装置或类似方法)可以与另一实施例、变型或附图中的另一特征组合或替换。因此，可以设想关于任何以上实施例或变型描述的特征的各种组合，这些组合仍然在所附权利要求的范围内。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多微小的变型以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明旨在不局限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。另外，可以设想除以上明确触及的许多其它变型。例如，可以设想除明确提到的那些材料或厚度之外的其它材料或厚度。
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