一种采用相变材料设计的非易失性显示单元和显示阵列的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明所涉及一种采用相变材料设计的非易失性显示单元和显示阵列，属于微电子技术领域。
【背景技术】
[0002]相变材料，又称硫系化合物，主要指的是VI族元素与II1-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。
[0003]相变材料主要依靠电脉冲的焦耳热累积，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，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；施加中等强度的电脉冲，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。
[0004]目前市场化的显示技术主要包括液晶显示器IXD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-1nk，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-1nk目前的缺点是制备成本高、显示画面切换速度慢等。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用相变材料设计的非易失性显示单元和显示阵列。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种采用相变材料设计的非易失性显示单元，所述单元由一层或多层相变材料层和沉积于相变材料层两侧的导电电极组成。
[0007]进一步地，上述相变材料层的层数至少为两层。
[0008]一种采用相变材料设计的非易失性显示单元，所述单元由一个或多个相变结构和沉积于相变结构两侧的导电电极组成，所述相变结构由多个相变材料层叠加组成，各个相变材料层的相变电压阈值互不相同。
[0009]进一步地，上述相变材料层为第VI主族元素与第III~V主族元素组成的合金化合物。
[0010]进一步地，所述第VI主族元素选自Te、Se ;所述第III~V主族元素选自Ge、S1、Sb中的一种或多种。
[0011]进一步地，上述相变材料层的厚度小于200nm。
[0012]进一步地，上述导电电极的材料为第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。
[0013]进一步地，上述导电电极的材料为ITO、石墨稀、氧化锌等。
[0014]进一步地，上述导电电极的厚度小于200nm。
[0015]一种采用相变材料设计的非易失性显示阵列，所述显示阵列由多个上述的显示单元排列组成。
[0016]本发明的有益效果是:本发明设计的非易失性显示单元，属于非易失性显示，采用了相态可变的相变材料，在导电电极的电压控制下可以显示出不同的颜色，同样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-1nk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1ms内完成。此外，本发明的显示像素横向尺寸在10nm-300nm之间，小于传统显示器(50微米以上)多个数量级，因此可实现超高分辨率显示。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】
[0017]图1是本发明的一种非易失性显示单元示意图；
图2是本发明的另一种非易失性显示单元示意图；
图3是本发明的另一种非易失性显示单元示意图；
图4是本发明的另一种非易失性显示单元示意图；
图5是本发明的另一种非易失性显示单元示意图；
图6是本发明的一种非易失性显示阵列示意图；
图7是本发明的passive反射式显示示意图；
图8是本发明的passive透射式显示示意图；
图9是本发明的active透射式显示示意图；
图10是本发明的active透射投影式显示示意图。
【具体实施方式】
[0018]如图1和2和3所示，一种采用相变材料设计的非易失性显示单元，所述单元由相变材料层和沉积于相变材料层两侧的导电电极组成。相变材料层可以为一层或多层，每一层至少具备两种相态变化，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，分别对应显示出不同的颜色。相变材料层层数越多，叠加后显示的颜色组合数越多。例如，如图2所示，具有两层相变材料层的显示单元，其中每层可以显示2种颜色，那么整个单元至多可以显示2X 2种颜色组合。
[0019]如图4所示的为本发明另一种采用相变材料设计的非易失性显示单元，所述单元由相变结构和沉积于相变结构两侧的导电电极组成，所示相变结构由多个相变材料层组成，各个相变材料层的相变电压阈值互不相同。例如，图3的结构中，相变材料层1~4的相变电压阈值分别为a、b、c、d，且b > a > c > d，每个相变材料层可以显示2种颜色，如两侧的导电电极之间的电压为V1，其中V1S b，那么4个相变层均发生相变，显示单元组合显示颜色I ;若两侧的导电电极之间的电压为V2，其中b > V2^ a，那么相变材料层1、3、4发生相变，相变材料层2未发生相变，显示单元组合显示出颜色2 ;以此类推，至多可以显示5种颜色组合。这种显示单元仅需要两层导电层，减少了工艺步骤，同时，导电层的柔性要比相变材料层的柔性差，因此导电层数越少，整个显示单元做成柔性更容易。
[0020]如图5所示的为本发明另一种采用相变材料设计的非易失性显示单元，相变结构和沉积于相变结构两侧的导电电极组成，可视为图3所示相变显示结构的组合。如图5所示相变结构有三层导电层，每两层导电层中间夹带两层相变材料层。每一层相变材料层至少具备两种相态变化，分别对应显示出不同的颜色。这种具有4层相变材料层的显示单元，至多可以显示2X2X2X2种颜色组合。
[0021]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，对不同波长的光具有不同的反射率和折射率，分别对应显示出不同的颜色。
[0022]显示性能比较好的合金化合物有由Te或Se与Ge、S1、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Ge2Sb2Te^料薄膜会表现出两种不同的颜色。其他同类的相变材料有GeTeAsS1、GeTe, GeTeBi, GeTeAs, InTe, AsSbTe, SeSbTe, GeSbTeN, GeSbTeSn, AgInSbTe, GeSbTeO,AsTeAg、AuSbTe、AulnTe、SiTeGe> SiSbTe、SbTe 合金材料等。
[0023]上述的相变材料层厚度小于200nm。不同厚度的相变材料层对光的吸收量不同，厚度越大，对光的吸收量越多。厚度大于200nm，会大幅削弱材料层的透光性能，影响整个结构颜色的显示效果。
[0024]所述导电电极的材料为第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，典型的化合物为ITO、石墨烯、氧化锌等。
[0025]上述的导电电极厚度小于200nm。不同厚度的导电电极对光的吸收量不同，厚度越大，对光的吸收量越多。当大于200nm，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。
[0026]如图6所示为本发明的一种非易失性显示阵列，它由多个显示单元组成，所有显示单元可以为如图1或2或3所示的显示单元，也可以是如图4或5所示的显示单元，也可以是如图1或2或3所示的显示单元与如图4或5所示的显示单元按照任意排列方式进行组合。每个显示单元仅固定显示两种颜色，如单元I显示颜色A、B，单元2显示颜色C、D，单元3显示颜色E、F，单元4显示颜色G、H，那么这四个单元组成的结构，至多可以混合为2 X 2 X 2 X 2种颜色数量，再这四个单元组成的结构以2 X 2矩阵平铺方式排列，形成像素化组合的显示阵列。
[0027]上述颜色的显示通过以下4种方式:
(I)如图7所示passive反射式显示方式:整个显示装置依靠外光源显示，外部光线通过多个相变显示单元时，每个相变显示单元改变自身的相态，对不同波长的光有不同的透射率，进而