量子光子成像器及其制造方法

专利名称：量子光子成像器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及包括可以在数字投影系统中用作图像源的多色激光发射器的单片半 导体阵列的发射成像器器件(emissive imager device) 0
背景技术：
数字显示技术的出现引起对数字显示器的显著需求。准备好有若干显示技术以解 决该需求包括等离子显示板(PDP)、液晶显示器(LCD)和基于成像器的投影显示器(其使 用微反射镜)、硅上液晶(LCOS)器件或高温多晶硅(HTPS)器件(参考文献[33])。对于本 发明的领域具有特别兴趣的是基于投影的显示器，其使用成像器器件，例如那些作为图像 形成器件提到的成像器器件。这些类型的显示器面对来自PDP和LCD显示器的激烈竞争并 且因此急切需要有效方法来提高它们的性能同时显著降低它们的成本。在这些类型的显示 器中主要的性能和成本推动者是使用的成像器，例如微反射镜、LCOS和HTPS器件等。作为 无源成像器(passive imager)，这样的器件需要复杂的照明光学系统并且最终浪费大部分 产生的光，这降低性能并且增加显示系统的成本。本发明的目的是通过引入包括可以在数 字投影系统中用作图像源的多色激光发射器的阵列的发射成像器器件来克服这样的成像 器器件的缺点。图IA和IB是在使用无源成像器的投影显示系统中使用的典型投影机架构100的 框示，该无源成像器分别例如使用包括微反射镜的反射成像器或LCOS成像器器件的 那些(图1A)和使用例如HTPS成像器器件等透射成像器的那些(图1B)。一般而言，图IA 的典型的投影显示系统的投影机100由成像器110构成，其由将光源130产生的光耦合到 成像器120的表面上的照明光学系统120来照射。光源130可以是产生白光的灯或半导体 光源，例如发光二极管(LED)或激光二极管，其可以产生红(R)、绿(G)或蓝(B)光。在使用图IA中图示的反射成像器的投影机100的情况下，当灯用作光源时，包含 R、G和B滤光器的色轮添加在照明光学系统和成像器之间以调制需要的颜色。当半导体光 源与反射成像器结合使用时，颜色通过打开具有需要的颜色(是R、G或B)的半导体光源器 件来调制。在使用图IB中图示的透射成像器的投影机100的情况下，当灯用作光源时，照明 光学系统120包括用于将灯产生的白光分裂成R、G和B光分束(light patch)(它们照射 三个HTPS成像器器件的背面)的光学装置并且增加二向色棱镜组件以将调制的R、G和B 光组合并且将它耦合在投影光学系统140上。投影光学系统140光学耦合于成像器110的表面并且驱动电子设备150电耦合于 成像器110。光学引擎通过调制由光源130产生的光的强度、使用成像器110且像素灰度作 为图像数据输入给驱动电子设备150而产生待投影的图像。当使用例如微反射镜或LCOS成像器器件等反射成像器(图1A)时，驱动电子设备向成像器110提供像素灰度数据并且 使它的操作与色轮的R、G和B段(segment)的顺序(当白光灯用作光源时)、或与打开R、 G或B半导体光源的顺序同步。当使用例如HTPS成像器器件等透射成像器时，驱动电子设 备向成像器110提供像素灰度数据并且使R、G和B HTPS成像器器件中的每个的操作同步 以便调制每个像素的期望颜色强度(color intensity)。
典型地与光到成像器110表面上的耦合所关联的损耗是显著的因为它们包括与 成像器110自身关联的本征损耗(例如器件反射率或透射率值等)，加上与采集来自光源 130的光、将它准直、过滤和中继到成像器110的表面关联的损耗。全体地这些损耗可以总 计达几乎90% ；这意味着几乎由光源130产生的光的90%会损耗掉。另外，在例如微反射镜或LCOS成像器器件等反射成像器110的情况下，由反射像 素的空间阵列构成的成像器110通过在照射特定颜色的时段期间改变每个个体像素的反 射开/关状态而顺序地调制耦合到它的像素化反射表面上的光的相应颜色。实际上，典型 的现有技术反射成像器能够仅调制耦合到它的像素化反射表面上的光的强度，引起利用由 光源130产生的光通量方面的极低效率的限制在产生的图像上引入伪像，增加整个显示系 统的复杂性和成本并且引入利用由光源130产生的光方面的低效率的又一个来源。此外反 射以及透射类型的成像器都遭受称为“光子泄漏”的效应，其引起光泄漏到离轴像素上，这 相当大地限制了这些类型的成像器能够获得的对比度和黑色水平(black level)。如较早说明的，本发明的目的是通过引入包括可以在数字投影系统中用作图像 源的多色激光发射器的阵列的发射成像器器件来克服现有技术成像器的缺点。尽管半导 体激光二极管最近已经成为用于在图IA的投影机100中使用的备选光源130 (参考文献 [1]-[4])以照射例如微反射镜成像器器件等反射成像器110，半导体激光二极管作为光源 的使用没有帮助克服上文论述的现有技术成像器的任何缺点。另外存在许多现有的技术， 其描述使用被扫描的激光束产生投影像素的投影显示器(参考文献[5]_[6])。现有技术参考文献[7]描述包括单独可寻址激光像素(laser pixel)的二维阵列 的激光图像投影机，激光像素每个是由有机发光二极管(OLED)泵浦的有机垂直腔激光器 (organic vertical cavity laser) 0在现有技术参考文献[7]中描述的激光图像投影机 的像素亮度可能会是由泵浦光源(pumping light source)提供的亮度中的一小部分，该泵 浦光源是基于OLED的光源，其不可能会提供足够的光量，致使由现有技术参考文献[7]的 激光投影机产生的亮度几乎无法足够在大多数投影显示应用中具有实际用途。尽管存在许多描述激光器阵列的现有技术参考文献(参考文献[8]_[30])，没有 发现教导在成像器器件中使用多色激光发射器作为像素的现有技术。如在下列详细说明中 将变得明显的，本发明涉及通过在光和电上分离单片分层的激光发射半导体结构的堆叠而 形成的多色激光像素的单独可寻址阵列。关于创建光和电分离的(隔离的)半导体激光发 射器阵列，参考文献[10]教导了用于形成单波长激光半导体结构的方法，该结构具有通过 移除发光区域之间的材料或通过钝化半导体结构的发光器之间的区域而形成的在发光区 域之间的隔离区域(即物理屏障)。然而，在参考文献[10]中描述的这些方法只可以用于 创建在从700至SOOnm的波长范围内的单独可寻址的单波长激光发射器的一维线性阵列。关于创建单独可寻址的多色激光发射器的阵列，参考文献[21]描述红色和蓝色 激光器结构的边缘发射阵列。尽管参考文献[21]针对多色激光器结构，但它仅涉及边缘发射激光器结构的双色一维线性阵列。尽管参考文献[22]描述使用垂直腔表面发射激光(VCSEL) 二极管的阵列的显示系统，但由于在参考文献[22]中描述的VCSEL 二极管的固有尺寸，所描述的方法由于它使 用的多色VCSEL 二极管(它们并排设置在相同平面中形成像素阵列)的固有尺寸而会趋于 产生相当大的像素尺寸，从而致使它不可作为成像器器件使用。鉴于当前可用的成像器器件的前述缺点，克服这样的弱点的成像器一定会具有相 当大的商业价值。因此本发明的目的是提供包括可以在数字投影系统中用作图像源的多色 激光发射器的单片半导体2维阵列的发射成像器器件。本发明另外的目的和优势将从下列 与参照附图一起进行的其的优选实施例的详细说明变得明显。参考文献美国专利文件[1]US Patent No. 6，975，366B2，Flint，Dec. 13，2005[2]US Patent Application No. 2004/0008392A1, Kappel et al, Jan. 15,2004[3]US Patent Application No. 2006/0268241A1, Watson et al, Nov.30,2006[4]US Patent Application No. 2006/0023173A1, Mooradian et al, Feb. 2,2006[5]US Patent No. 6，869，185B2, Kaminsky et al, Mar. 22,2005[6]US Patent No. 6, 853, 490B2, Wang et al, Mar. 8,2005[7]US Patent No. 6，939，012B2，Cok et al, Sep. 6 2005[8]US Patent No. 7，177，335B2, Kamp et al, Feb.13,2007[9]US Patent No. 7，122，843B2, Kahen et al, Oct.17,2006[10]US Patent No. 7，120，182B2, Chua et al, Oct.10,2006[11]US Patent No. 7, 092, 424B2, Trezza et al, Aug. 15,2006[12]US Patent No. 6, 934, 309B2, Nishikawa et al, Aug. 23,2005[13]US Patent No. 6, 853, 490B2, Wang et al, Feb.8,2005[14]US Patent No. 6，744，800B2，Kneissl et al, Jun. 1,2004[15]US Patent No. 6, 741, 625B2, Hirata et al, May 25,2004[16]US Patent No. 6, 668, 003B2, Ungar et al, Dec.23,2003[17]US Patent No. 6, 633, 421B2, Trezza et al, Oct.14,2003[18]US Patent No. 6, 233, 265B1, Bour et al, May 15,2001[19]US Patent No. 6，205，160B2, Grewell et al, Mar. 20,2001[20]US Patent No. 6，144，685，Iwasa et al, Nov.7,2000[21]US Patent No. 5，920，766，Floyd, Jul. 6，1999[22]US Patent No. 5，583，351，Brown et al, Dec.10，1996[23]US Patent No. 5，809，052，Seko et al, Sep. 15，1998[24]US Patent No. 5，715，264，Patel et al, Feb 3，1998[25]US Patent No. 5，708，674，Beernink et al, Jan. 13，1998[26]US Patent No. 5，386，428，Thornton et al, Jan. 31，1995[27]US Patent No. 5，323，411，Shirasoka et al, Jun.21，1994[28]US Patent No. 4，976，539，Carlson et al, Dec.11，1990
[29] US Patent No. 4，947，401，Hinata et al，Aug. 7，1990[30]US Patent No. 4，817，104，Yaneya et al, Mar. 28，1989[31]US Patent No. 4，799，229，Miyazawa et al, Jun.17，1989[32]US Patent No. 4，794，609，Hara et al, Dec. 27，1988[33]US Patent No. 4，744，088，Heinen et al, May 10,1988其他文件[34]J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill,1996, Chapter7, pp. 172-214[35] Jansen et al, "Visible Laser and Laser Array Sources for ProjectionDisplays", Proc. of SPIE Vol. 6135,2006[36]Poynton, Charles, "Digital Video and HDTV Algorithms and Interfaces，，，SanFrancisco :Morgan Kaufmann, 2003. pp. 252-253[37]Chow et al, "Semiconductor-Laser Physics，，，Springer 1997[38] Robert W. Boyd, "Nonlinear Optics-Second Edition，，，Academic Press
2003[39]M. Elexe et al, "Wafer Bonding :Application and Technology",Springer
2004[40]A.Thelen,"Design of Optical Interface Coatings", McGraw-Hill, Chapter 2,pp.5-24[41]M. Born et al, "Principles of Optics，，，Cambridge University Press, Chapter 8,pp.439-44

本发明在附图的图表中通过示例的方式而非限制的方式说明，附图中相同的标号 指相似的元件。图IA和IB图示现有技术成像器的投影显示器架构背景。图2A图示本发明的量子光子成像器(Quantum Photonic imager)器件的等视轴 图(isometric view)。图2B图示构成本发明的量子光子成像器器件的发射表面的多色像素的等视轴 图。图2C图示本发明的量子光子成像器器件的顶视图。图2D图示本发明的备选量子光子成像器器件的等视轴图。图3图示多色像素激光器堆叠的横截面视图。 图4A图示本发明的量子光子成像器器件的红色激光二极管结构的详细横截面视 图。图4B图示本发明的量子光子成像器器件的绿色激光二极管结构的详细横截面视 图。图4C图示本发明的量子光子成像器器件的蓝色激光二极管结构的详细横截面视 图。
图4D图示本发明的量子光子成像器器件的备选红色激光二极管结构的详细横截 面视图。图5A图示本发明的量子光子成像器器件的红色激光二极管结构的能带图。图5B图示本发明的量子光子成像器器件的绿色激光二极管结构的能带图。图5C图示本发明的量子光子成像器器件的蓝色激光二极管结构的能带图。图6A图示多色像素侧壁的水平横截面视图。图6B图示多色像素侧壁的垂直横截面视图。图6C图示多色像素侧壁接触通孔布局。
图7图示多色像素接触盘(contact pad)布局。图8A图示多色像素输出波导的垂直横截面视图。图8B图示多色像素输出波导的水平横截面视图。图9A图示由本发明的多色激光成像器发射的光的强度轮廓。图9B图示本发明的多色激光成像器的垂直波导可以设置而成多种图案。图IOA图示本发明的量子光子成像器器件的数字半导体结构的垂直横截面。图IOB图示使本发明的量子光子成像器器件的光子和数字半导体结构接口的接 触金属层的布局。图IOC图示在本发明的量子光子成像器器件内用于功率信号的金属层的布局。图IOD图示在本发明的量子光子成像器器件内用于路由负载(load)和启动 (enable)信号的金属层的布局。图IOE图示在本发明的量子光子成像器器件内用于路由数据和控制信号的金属 层的布局。图IlA图示本发明的量子光子成像器器件的数字控制逻辑。图IlB图示与构成本发明的量子光子成像器器件的每个像素关联的数字逻辑单兀。图12图示用于制造本发明的量子光子成像器器件的半导体工艺流程。图13图示使用本发明的量子光子成像器器件作为数字图像源的示范性投影机的 横截面视图。图14A图示本发明的量子光子成像器器件的色域(color gamut)。图14B图示使用本发明的量子光子成像器器件的示范性像素的合成。图15A图示本发明的量子光子成像器器件的图像数据处理器相伴器件的框图。图15B图示量子光子成像器器件时序图。
具体实施例方式在本发明的下列详细说明中对“一个实施例”或“实施例”的提及意思是与实施例 有关的描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在该详细说明的 各种不同地方中短语“在一个实施例中”的出现不必定都是指相同的实施例。发射成像器在本文中描述。在下列说明中，为了解释的目的，阐述许多具体细节以 便提供本发明的全面理解。然而，对于本领域内技术人员将是明显的，本发明可以采用不同 的特定细节而实施。在其他情况下，结构和器件采用框图形式示出以便避免使本发明模糊不清。QPI 架构本文描述的称为“量子光子成像器”(QPI)的发射多色数字图像形成器件是包括多 色激光发射器的单片阵列的半导体器件。本发明的量子光子成像器由多个发射多色像素构 成，由此在一个实施例 中每个像素包括红(R)、绿(G)和蓝(B)发光激光二极管的堆叠。每 个所述像素的多色激光垂直于量子光子成像器器件的表面通过多个垂直波导(其光学地 耦合于构成每个像素的每个R、G和B激光二极管的光学限制区域)发射。构成量子光子成 像器器件的多个像素由绝缘半导体材料的侧壁在光和电上分离，电互连(通孔)嵌入在该 绝缘半导体材料中，这些电互连用于路由电流到每个像素的组成激光二极管。构成量子光 子成像器器件的多个像素中的每个像素电耦合于控制逻辑电路，其路由(使能够)电流信 号到它的组成红(R)、绿(G)和蓝(B)激光二极管中的每个。与多个像素关联的驱动逻辑电 路形成驱动逻辑阵列，其与红(R)、绿(G)和蓝(B)激光二极管的堆叠接合在一起以形成多 色激光像素和驱动电路的单片阵列。图2A、2B和2C图示本发明的量子光子成像器器件200的优选实施例。图2A图示 量子光子成像器器件200的等视轴图，而图2B图示其中一个它的组成像素230的等视轴图 并且图2C是示出构成量子光子成像器器件200的像素230的阵列和放置在像素阵列外围 的数字控制逻辑229的顶视示。如在图2A中图示的，量子光子成像器器件200将由两个半导体结构构成即光子 半导体结构210和数字半导体结构220。半导体结构210和220通过芯片级接合或晶圆级 接合而接合在一起以形成在图2A中图示的量子光子成像器器件200。构成量子光子成像 器器件200的两个半导体结构中的每个半导体结构进一步由多个半导体层构成。如在图 2A中图示的，量子光子成像器器件200的数字半导体结构220在表面面积上将典型地大于 光子半导体结构210以允许数字控制逻辑229和焊盘(bonding pad) 221放置成可在该器 件的顶侧被接入，功率和图像数据信号通过数字控制逻辑229和焊盘221而提供给该器件。 光子半导体结构210由多个发射多色像素构成而数字半导体结构220由向光子半导体结构 210提供功率和控制信号的数字驱动逻辑电路构成。图2B是构成本发明的一个实施例的量子光子成像器器件200的其中一个像素230 的半导体结构的剖面等视轴图示。如在图2B中图示的，每个像素230将具有提供相邻像素 之间的光和电分离的侧壁235。如将在随后的段落中更详细说明的，向像素230的光子半导 体结构210部分供应功率信号所需要的电互连将嵌入像素侧壁235内。如在图2B的像素等视轴剖视图中图示的，在像素230内部之内的光子半导体结构 210的部分将由垂直堆叠的半导体衬底240、红(R)激光二极管多层231、绿(G)激光二极 管多层232和蓝(B)激光二极管多层233构成。构成量子光子成像器器件200的每个像素 230的激光将在垂直于该器件顶面的平面的方向(在下文中称为垂直方向)上通过多个垂 直波导290而发射，每个垂直波导290光学耦合于每个激光二极管231、232和233的光学 谐振器(optical resonator)(或光学限制区域)。多个垂直波导290将形成激光发射器阵 列，其限定构成本发明的量子光子成像器器件200的每个像素230的激光发射横截面(或 光学特性)。垂直堆叠激光二极管231、232和233并且使垂直波导290与堆叠的激光二极 管231、232和233中每个的光学谐振器(或光学限制区域)光学耦合的本发明的新方法将使这些激光二极管产生的多色激光能够通过垂直波导290的阵列而发射，从而使构成本发 明的量子光子成像器器件200的像素230成为发射多色激光像素。图2C是示出包括多色像素230的2维阵列(形成该器件的发射表面)的光子半 导体结构210的顶部和延伸超出光子半导体结构210的区域以给予器件焊盘221需要的面 积和器件控制逻辑229的布局面积的数字半导体结构220的顶部的顶视示。本发明的 量子光子成像器200的优选实施例的像素230的典型尺寸将在10 X 10微米的范围中，使提 供VGA分辨率(640 X 480像素)的量子光子成像器器件200的发射表面是6. 4X4. 8mm。光 子半导体结构210的实际尺寸在每侧上将延伸超出发射表面面积几个附加像素，使光子半 导体结构210的典型尺寸在6. 6X5mm的范围中并且数字半导体结构220将延伸超出该面 积以给予控制逻辑229和器件焊盘221的布局面积，使提供VGA分辨率的量子光子成像器 器件200的典型尺寸在7. 6 X 6mm的范围中。已经描述本发明的量子光子成像器器件200的下面的架构，下列段落提供它的组 成部件及其制造方法的详细说明。QPI半导体结构图3是形成本发明的量子光子成像器器件200的半导体多结构的横截面视 示。相同的标号用于相同的项目，然而在像素230形成之前红、绿和蓝激光二极管半导体结 构将分别称为多层激光二极管结构250、260和270。根据本发明的量子光子成像器器件200的制造方法的优选实施例，多层激光二极 管结构250、260和270将使用适当的半导体工艺单独制造为半导体晶圆，然后后处理以形 成晶圆尺寸多层堆叠光子半导体结构210，其包含如在图3中图示的金属和绝缘层。晶圆尺 寸多层堆叠光子半导体结构210然后将进一步后处理以形成像素的侧壁235 (其构形激光 二极管231、232和233)和像素的垂直波导290，如在图2B中图示的。此外，数字半导体结 构220将也使用适当的半导体工艺单独制造为半导体晶圆，然后与多层堆叠光子半导体结 构210晶圆级或芯片级接合以形成在图2A中图示的量子光子成像器器件200。下列段落描 述多层激光二极管结构250、260和270和数字半导体结构220的详细设计规范以及形成本 发明的量子光子成像器器件200需要的晶圆后处理和制造流程的详细设计规范。图3的图示示出由半导体结构210和220构成的量子光子成像器器件200，其中 这两个半导体结构中的每个进一步由多个半导体层构成。如在图3中图示的，光子半导体 结构210由硅(Si)衬底240和由电介质绝缘体(例如二氧化硅(SiO2))的层241、251、261 和271分离的三个多层激光二极管结构250、260和270的堆叠构成，该电介质绝缘体每个 优选地150-200nm厚，其提供三个多层激光二极管结构250、260和270每个之间的顶部和 底部电绝缘。光子半导体结构210内还包括分别构成红色多层激光二极管250的ρ接触和η接 触金属层的金属层252和253、分别构成绿色多层激光二极管260的ρ接触和η接触金属 层的金属层262和263以及分别构成蓝色多层激光二极管270的ρ接触和η接触金属层的 金属层272和273。每个金属层252、253、262、263、272和273优选地是150_200nm厚的半 导体互连金属化层，其具有低电子迁移和应力迁移特性，例如金锡(Au-Sn)或金钛(Au-Ti) 多层金属化等。金属化层252、253、262、263、272和273将还包括扩散势垒(diffusion barrier)，其将防止金属化层过度扩散进入绝缘层241、252、261和271。
如在图3中图示的，半导体结构210和220之间的界面在光子半导体结构210侧 是金属层282，而在数字控制结构220侧是金属层222。金属层282和222都将蚀刻以在两 个半导体结构210和220之间包含电互连焊盘。金属层222还将包含器件焊盘221。绝缘层241、251、261和271以及金属化层252、253、262、263、272和273将使用例 如化学气相沉积(CVD)等典型的半导体气相沉积工艺沉积。两层241和252将直接沉积在 Si衬底层240上，并且所得的多层堆叠240-241-252然后使用直接晶圆接合、扩散接合或阳 极接合技术或类似技术晶圆级接合到红色激光二极管结构250的ρ层。所得的半导体多层结构然后用作衬底，层253、251和262将使用例如CVD或类似 技术等气相沉积技术沉积在其上，并且所得的多层堆叠240-241-252-250-253-251-262然 后用直接晶圆接合、扩散接合或阳极接合技术或类似技术晶圆级接合到绿色激光二极管结 构260的ρ层，以及移除绿色激光二极管之前在其上形成的衬底。所得的半导体多层结构然后用作衬底，层263、261和272将使用例如CVD或类似 技术等气相沉积技术沉积在其上，并且所得的多层堆叠240-241-252-250-253-251-262-26 0-263-261-272然后用直接晶圆接合、扩散接合、阳极接合技术或类似技术晶圆级接合到蓝 色激光二极管结构270的ρ层，以及移除蓝色激光二极管之前在其上形成的衬底。所得的半导体多层结构然后用作衬底，层273、271和282将使用例如CVD或类似 技术等气相沉积技术沉积在其上。金属层282然后使用半导体光刻工艺蚀刻以形成焊盘图 案并且蚀刻的区域用绝缘体材料(优选地SiO2)重新填充并且表面然后被抛光和清洁。所 得的光子半导体结构210然后使用倒装芯片接合技术晶圆级接合到数字半导体结构220的 对应焊盘表面。激光二极管多层结构每个多层半导体结构250、260和270将是使用众所周知的外延沉积工艺(通常称 为金属有机化学气相沉积(MOCVD))各自在它自己的衬底上作为独立晶圆生长的多量子阱 (MQff)双异质结构半导体激光二极管。还可以使用例如液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)、 金属有机气相外延(MOVPE)、氢化物气相外延(HVPE)、氢化物金属有机气相外延(H-MOVPE) 等其他沉积工艺或其他已知的晶体生长工艺。红色激光二极管图4A图示本发明的量子光子成像器器件200的红色激光二极管结构250的多层 横截面的示范性实施例。图4A的多层半导体结构是基于磷化物的，其中它的参数选择成 使得由红色激光二极管结构250产生激光将具有615nm的主波长。如在图4A中示出的， 厚度IOOnm的η掺杂GaAs的衬底移除蚀刻停止层412在厚(大约2000nm)GaAS衬底410 上生长，GaAs衬底410如较早说明的将在红色激光二极管结构250晶圆级接合到多层堆叠 240-241-252后被蚀刻掉。η掺杂GaAs蚀刻停止层412将具有大约8X IO18CnT3的硅(Si) 或硒(Se)掺杂。厚GaAs衬底用于确保在其上高质量印i层的生长。在衬底移除蚀刻停止层412上沉积η型Ala5Ina5P或(Ala7Gaa3)a5Ina5超晶格 (SL)的包层414，其将典型地是120nm厚并且具有1 X 1018cm_3的Si或Se掺杂。在包层414 上沉积IOOnm厚η型(Ala55Gaa45)a5Ina5P波导层416，其将典型地被硅(Si)或硒(Se)掺 杂到至少lX1018cm_3。在波导层416上沉积由多个Gaa6Ina4P量子阱层420构成的红色激 光二极管250的有源区(active region) 421，这些量子阱层420被围在Ala5Ina5P势垒层
15418内，它们分别典型地以最小0.01 X IO18CnT3禾口 0. 1 X IO18CnT3的水平被硅(Si)或硒(Se) 掺杂。如在图4A中示出的，量子阱层420和势垒层418的厚度分别选择为4. Snm和4nm，然 而这些层的厚度可以增加或减小以便精细调整红色激光二极管250的发射特性。尽管图4A示出由三个量子阱构成的红色激光二极管250的有源区421，使用的量 子阱的数量可以增加或减小以便精细调整红色激光二极管250的发射特性。此外，红色激 光二极管250的有源区421还可以由大量的量子线或量子点代替量子阱构成。在有源区421上面沉积140nm厚ρ型(Ala55Gaa45)a5Ina5P波导层422，其将典型 地以至少IXlO18Cnr3的水平被镁(Mg)掺杂。在波导层422上沉积23nm厚Ala5Ina5P反隧 穿层(anti-turmeling layer) 424，其具有至少1 X IO18CnT3的镁掺杂水平。在反隧穿层424 上沉积厚度25nm的电子阻挡层(electron blocker layer) 426，其由Gaa5Ina5P量子阱和 Ala5Ina5P势垒的交替层构成，Gaa5Ina5P量子阱和Ala5Ina5P势垒每个以至少IX 1018cm_3 的水平被镁掺杂。电子阻挡层426被包含以便减小电子漏电流，其将减小红色激光二极管 结构250的阈值电流和运行温度。在电子阻挡层426 上沉积 120nm 厚 ρ 型 Ala 5Ιη0.5Ρ 或(Ala 7Ga0.3) 0.5In0.5SL包层 428， 其将典型地以至少0. 5 X IO18CnT3的水平被镁掺杂。在包层428上沉积IOOnm厚ρ型GaAs 接触层429，其将以至少IX IO18CnT3的水平被镁重掺杂。如较早说明的，接触层429将是用 于红色激光二极管结构250和多层堆叠240-241-252的晶圆级接合的界面层。多层416-421-422对于本领域内技术人员称为红色激光二极管250的光学谐振 器或光学限制区域，由MQW有源区421产生的红色激光将被限制在其内。如将在随后的段 落中说明的，由红色激光二极管250产生的光将从量子光子成像器器件200的表面通过垂 直波导290垂直发射，该垂直波导290光学耦合于红色激光二极管250的光学限制多层 416-421-422。绿色激光二极管图4Β图示本发明的量子光子成像器器件200的绿色激光二极管结构260的多层 横截面的示范性实施例。图4Β的多层半导体结构是基于氮化物的，其中它的参数选择成使 得由绿色激光二极管结构260产生激光将具有520nm的主波长。如在图4B中示出的，厚度 IOOnm并且以6 X IO18CnT3的Si掺杂的η掺杂Inatl5Gaa95N的衬底移除蚀刻停止层432在厚 GaN衬底430上生长，其如较早说明的该厚GaN衬底430将在绿色激光二极管结构260晶圆 级接合到多层堆叠240-241-252-250-253-251-262后被蚀刻掉。η掺杂Inatl5Gaa95N蚀刻停 止层432将具有6Χ IO18CnT3的硅(Si)掺杂。尽管图4Β示出是GaN的衬底430，InGaN材 料合金也可以用于衬底430。在衬底移除蚀刻停止层432上沉积η型Ala 18Ga0.82N/GaN SL的包层434，其将典 型地是451nm厚并且具有2X 1018cm_3的Si掺杂。在包层434上沉积98. 5nm厚η型GaN 波导层436，其将典型地以6. 5 X IO18CnT3的水平被Si掺杂。在波导层436上沉积由多个 Ina 535Gaa 465N量子阱层450构成的绿色激光二极管260的有源区，该量子阱层450每个以 0. 05 X IO18cnT3的水平被Si掺杂并且被围在Inao4Gaa96N势垒层438 (每个以6. 5 X IO18cnT3 的水平被Si掺杂)内。如在图4Β中示出的，量子阱层450和势垒层438的厚度分别选择 为5. 5nm和8. 5nm,然而这些层的厚度可以增加或减小以便精细调整绿色激光二极管260的 发射特性。
尽管图4B示出由三个量子阱构成的绿色激光二极管260的有源区431，使用的量 子阱的数量可以增加或减小以便精细调整绿色激光二极管260的发射特性。此外，绿色激 光二极管260的有源区431还可以由大量的量子线或量子点代替量子阱构成。在有源区431上面沉积8. 5nm厚ρ型GaN波导层452，其将典型地以50 X IO18CnT3 的水平被镁(Mg)掺杂。在波导层452上沉积20nm厚Ala2Gaa8N电子阻挡层454，其具有大 约100X IO18CnT3的镁(Mg)掺杂水平。电子阻挡层454被包含以便减小电子漏电流，其将减 小绿色激光二极管结构260的阈值电流和运行温度。在电子阻挡层454上面沉积90nm厚ρ型GaN波导层456，其将典型地以 75X IO1W3的水平被镁(Mg)掺杂。在波导层456上沉积45Inm厚ρ型Al0.18Ga0.82N/GaN SL包层458，其将典型地以75 X IO18CnT3的水平被镁掺杂。在包层458上沉积IOOnm厚ρ型 GaN接触层459，其以75 X IO18CnT3的水平被镁(Mg)掺杂。如较早说明的，接触层459将是 用于绿色激光二极管结构260和多层堆叠240-241-252-250-253-251-262的晶圆级接合的 界面层。多层436-431-452对于本领域内技术人员已知为绿色激光二极管260的光学谐振 器或光学限制区域，由MQW有源区431产生的绿色激光将被限制在其内。如将在随后的段 落中说明的，由绿色激光二极管260产生的光将从量子光子成像器器件200的表面通过光 学耦合于绿色激光二极管260的光学限制多层436-431-452的垂直波导290垂直发射。蓝色激光二极管图4C图示本发明的量子光子成像器器件200的蓝色激光二极管结构270的多层 横截面的示范性实施例。图4C的多层半导体结构是基于氮化物的，其中它的参数选择成使 得由蓝色激光二极管结构270产生的激光将具有460nm的主波长。如在图4C中示出的，厚 度IOOnm以6X IO18CnT3的水平Si掺杂的η掺杂Inatl5Gaa95N的衬底移除蚀刻停止层462在 厚GaN衬底460上生长，该厚GaN衬底460如较早说明的将在蓝色激光二极管结构270晶 圆级接合到多层堆叠240-241-252-250-253-251-262-260-263-261-272后蚀刻掉。η掺杂 InaC15Gaa95N蚀刻停止层462将具有6 X IO18CnT3的硅(Si)掺杂。尽管图4C示出是GaN的衬 底460，InGaN材料合金也可以用于衬底460。在衬底移除蚀刻停止层462上沉积η型Ala 18Ga0.82N/GaN SL的包层464，其将典型 地是45Inm厚并且具有2 X IO18CnT3的Si掺杂。在包层464上沉积98. 5nm厚η型GaN波导层 466，其将典型地以6. 5 X IO1W3的水平被Si掺杂。在波导层466上沉积由多个Ina41Gaa59N 量子阱层470构成的蓝色激光二极管270的有源区，该量子阱层470每个以0. 05Χ 1018cm_3 的水平被Si掺杂并且被围在每个以6. 5 X IO18CnT3的水平Si掺杂的Intl.C14Gaa96N势垒层468 内。如在图4C中示出的，量子阱层470和势垒层468的厚度分别选择为5. 5nm和8. 5nm，然 而这些层的厚度可以增加或减小以便精细调整蓝色激光二极管270的发射特性。尽管图4C示出由三个量子阱构成的蓝色激光二极管270的有源区461，使用的量 子阱的数量可以增加或减小以便精细调整蓝色激光二极管270的发射特性。此外，蓝色激 光二极管270的有源区461还可以由大量的量子线或量子点代替量子阱构成。在有源区461上面沉积8. 5nm厚ρ型GaN波导层472，其将典型地以50 X IO18CnT3 的水平被镁(Mg)掺杂。在波导层472上沉积20nm厚Ala2Gaa8N电子阻挡层474，其具有大 约100X IO18CnT3的镁(Mg 掺杂水平。电子阻挡层474被包含以便减小电子漏电流，其将减小蓝色激光二极管结构270的阈值电流和运行温度。在电子阻挡层474上面沉积90nm厚ρ型GaN波导层476，其将典型地以 75X IO18CnT3的水平被镁(Mg)掺杂。在波导层476上沉积45Inm厚ρ型Alai8Gaa82N/GaN SL 包层478，其将典型地以75X IO18CnT3的水平被镁掺杂。在包层478上沉积IOOnm厚ρ型GaN接触层479，其以75 X IO18CnT3的水平被镁掺杂。如较早说明的，接触层479将是用于蓝色激光二极管结构270和多层堆叠240-241-25 2-250-253-251-262-260-263-261-272 的晶圆级接合的界面层。多层466-461-472对于本领域内技术人员已知为蓝色激光二极管270的光学谐振 器或光学限制区域，由MQW有源区461产生的蓝色激光将被限制在其内。如将在随后的段 落中说明的，由蓝色激光二极管270产生的光将从量子光子成像器器件200的表面通过光 学耦合于蓝色激光二极管270的光学限制多层466-461-472的垂直波导290垂直发射。量子光子成像器器件200的多层红色激光二极管结构250的基于氮化物的备选示 范性实施例在图4D中图示。作为基于氮化物的，图4D的多层红色激光二极管结构250的 备选示范性实施例将具有与图4Β的基于氮化物的绿色激光二极管结构260和图4C的蓝色 激光二极管结构270类似的设计规定，其中不同的是它的层参数将选择成使得产生的激光 将具有615nm的主波长。图4D的备选的基于氮化物的多层红色激光二极管结构250将通 过增加多个量子阱419的铟含量到0. 68而成为可能。尽管图4D示出由三个量子阱构成的 它的有源区，使用的量子阱的数量可以增加或减小以便精细调整红色激光二极管250的发 射特性。此外，在图4D中图示的红色激光二极管250的备选示范性实施例的有源区还可以 由大量的量子线或量子点代替量子阱构成。尽管图4D示出是GaN的衬底480，InGaN材料 合金也可以用于衬底480。QPI 色域如将随后说明的，由量子光子成像器器件200的前述示范性实施例中对激光二极 管250、260和270指定的三个颜色所限定的色域将获得相对于例如HDTV和NTSC等彩色图 像显示器的规定标准的扩展色域(宽色域)。具体地，在量子光子成像器器件200的前述示 范性实施例中对激光二极管250、260和270指定的三个颜色将获得差不多是由NTSC标准 限定的色域的200%的色域。由本发明的量子光子成像器器件200获得的色域可以通过增加包含在光子半导 体结构210内的激光二极管的数量超出在前述示范性实施例中对激光二极管250、260和 270指定的三个颜色而进一步扩展成包括超过可见色域的90%以获得超宽色域能力。具体 地当构成量子光子成像器器件200的堆叠激光二极管的数量增加至包括黄色(572nm)激光 二极管半导体结构(其放置在红色和绿色激光二极管结构250和260之间)和青色(488nm) 激光二极管半导体结构(其放置在绿色激光二极管结构260和蓝色激光二极管结构270之 间)从而使量子光子成像器器件200由涵盖红色(615nm)、黄色(572nm)、绿色(520nm)、青 色(488nm)和蓝色(460nm)的波长的五个激光二极管结构的堆叠构成时，由量子光子成像 器器件200发射的光的色域可以进一步扩展成获得超宽色域。通过该五个激光二极管半 导体结构210的堆叠，本发明的量子光子成像器器件200将能够产生涵盖超过可见色域的 90%的超宽色域。尽管在量子光子成像器器件200的光子半导体结构210的前述示范性实施例中，激光二极管结构250、260和270的波长分别选择为615nm、520nm和460nm，本领域内技术人 员将知道如何使用除对前述示范性实施例的激光二极管结构250、260和270选择的那些之 外的其他的波长值来遵照本发明的教导。此外，尽管在量子光子成像器器件200的前述示 范性实施例中，光子半导体结构210由三个激光二极管结构250、260和270构成，本领域内 技术人员将知道如何使用超过三个激光二极管结构来遵照本发明的教导。此外，尽管在量 子光子成像器器件200的前述示范性实施例中，光子半导体结构210由采用在图3中图示 的顺序堆叠的三个激光二极管结构250、260和270构成，本领域内技术人员将知道如何采 用以不同顺序堆 叠的激光二极管结构来遵照本发明的教导。激光二极管能带图5A、图5B和图5C分别图示基于磷化物的红色激光二极管结构250和基于氮化 物的绿色激光二极管260和蓝色激光二极管270的前述示范性实施例的能带。在图5A、图 5B和图5C中示出的能带从左到右图示每层的厚度以及从底部到顶部图示能量。厚度和能 级意在示出定性值而不是确切厚度和能级的定量测量。然而，在图5A、图5B和图5C中的标 号分别对应于在图4A、图4B和图4C中的层的标号。如这些示的，ρ型和η型包层的能 级在能量上限制P型和η型波导层以及多个量子阱能级(quantum well level)。因为多个 量子阱的能级代表局部低的能级，如在图5A、图5B和图5C中图示的，电子将被限制在量子 阱内以待与对应的空穴高效地复合以产生光。参照图5A，反隧穿层424的厚度选择成使得它足够大而能够防止电子隧穿然而足 够小而能够在电子阻挡层426的超晶格结构内保持电子相干性。为了降低发射激光的阈值 (lasing threshold)，电子阻挡层426、454和474分别在激光二极管结构250、260和270的 示范性实施例中使用。如在图5A中图示的，在红色激光结构250中使用的电子阻挡层426 由多个采用P掺杂区域实现的并且具有在波导层422和包层428的能级之间交替的能级的 量子势垒(MQB)构成。MQB电子阻挡层426的包含由于电子在MQB中的量子干涉而相当大 地改善了电子限制，引起在波导-包层界面处势垒高度的巨大增加，这相当大地抑制电子 漏电流。如在图5B和5C中图示的，在绿色激光结构260和蓝色激光结构270中使用的电 子阻挡层放置在P型波导层的两段之间并且具有相当大地高于波导层以及包层的能级以 便相当大地改善了电子限制并且随之抑制了电子漏电流。像素侧壁构成量子光子成像器器件200的多个像素230由像素侧壁235在光和电上分离， 像素侧壁235由绝缘半导体材料构成并且垂直电互连(接触通孔)嵌入其中用于路由电流 到每个像素的组成激光二极管。图6A是构成量子光子成像器器件200的多个多色像素230 中的一个的水平横截面视图，其图示像素侧壁235的内部结构。如在图6A中图示的，像素 侧壁235限定多色像素230的边界并且由嵌入介电材料(例如SiO2等)的侧壁内部237的 金属接触通孔236构成。图6B是像素侧壁235中的一个的垂直横截面视图，其图示多层光子结构210和侧 壁235之间的界面。在图6A和图6B中图示的像素侧壁235将通过在多层光子结构210中 蚀刻1微米宽的槽的正交方网格而形成。这些槽将被蚀刻成等于像素宽度的间距(其在量 子光子成像器器件200的该示范性实施例中选择为10微米)和从焊盘层282开始并且在 SiO2绝缘层241结束的深度。蚀刻的槽然后用低介电常数(低k)绝缘材料(例如SiO2或掺杂硅碳的氧化硅(SiOC)等)再填充然后再蚀刻以形成接触通孔236的150nm宽的槽。接 触通孔236的再蚀刻槽然后使用气相沉积技术(例如CVD或类似技术)用金属(例如金锡 (Au-Sn)或金钛(Au-Ti)等)再填充以获得具有金属化层252、253、262、263、272和273的 接触。为像素侧壁235蚀刻的槽可具有如在图6B中图示的平行侧或可如使用的蚀刻工 艺控制的稍稍倾斜。尽管任何适当的半导体蚀刻技术可用于蚀刻侧壁235和接触通孔236 的槽，一个示范性蚀刻技术是干法蚀刻技术，例如基于氯化物的化学辅助离子束蚀刻(基 于Cl的CAIBE)。然而，可使用例如反应离子蚀刻(RIE)或类似技术等其他蚀刻技术。如上文描述的像素侧壁235的形成在多层光子结构 210的形成期间采用多个中间 阶段进行。图6C是嵌入像素侧壁235内的接触通孔236的垂直横截面视图。如在图6C中 图示的，每个接触通孔236将由分别用于红色激光二极管结构250p接触和η接触的段254 和256、分别用于绿色激光二极管结构260ρ接触和η接触的段264和266、分别用于蓝色激 光二极管结构270ρ接触和η接触的段274和276这六段构成。在多层结构240-241-252-250如较早说明地形成后，像素侧壁235的槽从红色激 光二极管多层250的侧部被双蚀刻到多层结构中(其中在金属层252下面和上面具有第一 和第二停止蚀刻层)。蚀刻的槽然后用例如SiO2等绝缘材料再填充然后再蚀刻(其中停止 蚀刻层是金属层252)并且用接触金属材料再填充以如在图6C中图示的形成接触通孔254 的基底段。在接触层253和绝缘层251沉积后，像素侧壁235的槽被双蚀刻到沉积层中(其 中在金属层253下面和上面具有第一和第二停止蚀刻层)，用绝缘材料再填充，再蚀刻(其 中停止蚀刻层是金属层253)并且用接触金属材料再填充以如在图6C中图示的形成接触通 孔256的基底并且延伸接触通孔254。在接触层262沉积并且绿色激光二极管结构260与多层结构接合后，像素侧壁235 的槽从绿色激光二极管多层260的侧部被双蚀刻到形成的多层结构中(其中在金属层262 下面和上面具有第一和第二停止蚀刻层)。蚀刻的槽然后用例如SiO2等绝缘材料再填充然 后再蚀刻(其中停止蚀刻层是金属层262)并且用接触金属材料再填充以如在图6C中图示 的形成接触通孔264的基底段并且延伸接触通孔254和256。在接触层263和绝缘层261沉积后，像素侧壁235的槽被双蚀刻到沉积层中(其 中在金属层263下面和上面具有第一和第二停止蚀刻层)，用绝缘材料再填充，再蚀刻(其 中停止蚀刻层是金属层263)并且用接触金属材料再填充以如在图6C中图示的形成接触通 孔266的基底段并且延伸接触通孔254、256和264。在接触层272沉积并且蓝色激光二极管结构270与多层结构接合后，像素侧壁235 的槽从蓝色激光二极管多层270的侧部被双蚀刻到形成的多层结构中，其中在金属层272 下面和上面具有第一和第二停止蚀刻层。蚀刻的槽然后用例如SiO2等绝缘材料再填充然 后再蚀刻(其中停止蚀刻层是金属层272)并且用接触金属材料再填充以如在图6C中图示 的形成接触通孔274的基底段并且延伸接触通孔254、256、264和266。在接触层273和绝缘层271沉积后，像素侧壁235的槽被双蚀刻到沉积层中(其 中在金属层273下面和上面具有第一和第二停止蚀刻层)，用绝缘材料再填充，再蚀刻(其 中停止蚀刻层是金属层263)并且用接触金属材料再填充以如在图6C中图示的形成接触通孔276的基底段并且延伸接触通孔254、256、264、266和274。在像素侧壁235形成后，金属层282将沉积然后蚀刻以形成金属接触(其通过接触通孔254、256、264、266、274和276而建立)之间的分离槽，并且蚀刻的槽然后用例如SiO2 等绝缘材料再填充然后抛光以形成在图7中图示的像素接触盘700。像素接触盘700将形 成光子半导体结构210和数字半导体结构220之间的接触界面。垂直波导在如上文说明的像素侧壁235形成后，光子半导体结构210将由形成的侧壁235 分隔为电和光分离的方形区域，这些区域限定光子半导体结构的个体像素230。每个形成的 像素230的光子半导体结构于是将由激光二极管半导体结构250、260和270的部分构成并 且将分别标为231、232和233。除了在电和光上分离量子光子成像器器件200的多色像素230，由例如SiO2等介 电材料构成的且具有嵌入它的内部的在图6C中图示的金属通孔236的像素侧壁235将还 形成光学屏障，它们将光学地密封构成每个多色像素230的激光二极管结构250、260和270 的光学限制区域的部分中每个部分的垂直边缘。也就是说，在激光二极管结构250、260和 270之间中的绝缘和金属接触层连同在像素侧壁235内的绝缘和接触通孔将形成垂直堆叠 多色激光二极管谐振器的阵列，这些多色激光二极管谐振器在水平以及垂直平面上光和电 分离。这样的电和光分离将最小化像素230之间任何可能的电或光串扰并且允许在阵列内 的每个像素以及在每个像素内的每个激光二极管是单独可寻址的。从每个像素230输出的 激光将通过垂直波导290的阵列被垂直发射，这些垂直波导290光学耦合于形成每个像素 230的垂直堆叠激光二极管231、232和233中的每个的光学限制区域。图8A和图8B分别图示构成本发明的量子光子成像器器件200的像素230中的一 个的垂直波导的阵列的垂直波导290中的一个的垂直和水平横截面视图。如在图8A和图 8B中图示的，每个垂直波导290将沿它的垂直高度与构成像素230的三个垂直堆叠激光二 极管231、232和233的光学限制区域光学耦合。如在图8A和图8B中图示的，每个垂直波导 290将由将包围在多层包层292内的波导芯291构成。像素的波导290的阵列将典型地被 蚀刻通过光子多层结构210的Si衬底240侧，它们的内部然后将被涂覆有多层包层292并 且这些波导然后将用介电材料再填充以形成垂直波导芯291。尽管适当的半导体蚀刻技术 可用于蚀刻垂直波导290，一个示范性蚀刻技术是干法蚀刻技术，例如基于氯化物的化学辅 助离子束蚀刻(基于Cl的CAIBE)。然而，可使用例如反应离子蚀刻(RIE)或类似技术等其 他蚀刻技术。尽管任何适当的半导体涂覆技术可用于形成垂直波导290的芯291和多层包 层292，一个示范性层沉积技术是等离子辅助化学气相沉积(PE-CVD)。蚀刻用于垂直波导 290的槽优选地将具有根据在激光二极管堆叠中各个激光二极管的递增波长的稍稍倾斜的 侧，如在图8A中图示的。如在图8A和图8B中图示的，每个垂直波导290将典型地具有环形横截面并且它 的垂直高度将延伸Si衬底240的厚度加上构成像素230的三个垂直堆叠激光二极管231、 232和233的相加厚度。优选地像素的垂直波导290在与每个激光二极管231、232和233 的耦合区域的中心处的直径(折射率引导直径)将等于相应激光二极管的波长。垂直波导的第一实施例在本发明的量子光子成像器器件200的一个实施例中像素的垂直波导290的芯291将“消散场耦合(evanescence field coupled) ”于形成单个像素230的堆叠激光二极 管231、232和233的光学限制区域。在该实施例中垂直波导包层292将由50nm至IOOnm厚 的绝缘材料(例如SiO2等)的外层293和高反射金属(例如铝(Al)、银(Ag)或金(Au))的 内层294构成。垂直波导290的芯291可以被空气填充或用例如SiO2、氮化硅(Si3N4)或五 氧化钽(TaO5)等介电材料填充。通过该实施例的消散场耦合，限制在每个激光二极管231、 232和233的光学限制区域内的一部分激光将耦合进入垂直波导290的电介质芯291，其中 它将通过在波导包层292的高反射金属内包层294上的反射而被垂直引导。在本发明的量子光子成像器器件200的该实施例中，构成每个像素230的堆叠激 光二极管231、232和233的光学限制区域和它的组成垂直波导290之间的耦合将由于横跨 金属内包层294的光子隧穿而发生。当波导包层292的反射金属内包层294的厚度选择为 足够小于消散场向波导包层292的反射金属内包层294中的穿透深度时，将发生这样的光 子隧穿。也就是说，与限制在堆叠激光二极管231、232和233的光学限制区域内的光关联 的能量将在它返回进入堆叠激光二极管231、232和233的光学限制区域之前并且当反射金 属层294的厚度足够小时被传输进入金属内包层294 —短的距离，该能量的一部分将耦合 进入垂直波导芯291并且将通过在波导包层292的高反射金属内包层294上的反射而被垂 直引导并且垂直于量子光子成像器器件200的表面发射。从堆叠激光二极管231、232和233的光学限制区域传输到反射金属层294中的消 散场将指数衰减并且将具有平均穿透深度“d”，其由
(1)给出，其中λ是耦合光的波长， 和Ii1分别是外包层293和内包层294的折射率， 并且θ i是从激光二极管231、232和233的光学限制区域到内包层294上的光入射角。如由公式(1)指出的，对于给定的IV Ii1和Qi，消散场穿透深度随光波长λ的减 小而减小。为了使用将有效地耦合由激光二极管231、232和233产生的三个不同波长的内 包层294的一个厚度值，内包层294的厚度将使用公式(1)选择，其中λ的值是与由堆叠激 光二极管231、232和233产生的最短波长关联的波长，其在前述实施例的情况下是与蓝色 激光二极管233关联的波长。当内包层294的厚度基于该准则选择时，由堆叠激光二极管 231,232和233产生的光将耦合进入垂直波导290，将分别是由堆叠激光二极管231、232和 233的光学限制区域和垂直波导290之间的界面反射的光的强度的0. 492,0. 416和0. 368。 当内包层294的厚度增加时，耦合进入垂直波导290的光量将按比例减少。内包层294向 激光二极管231、232和233的光学限制区域和向垂直波导芯291的反射率将分别由 给出，其中n2是垂直波导芯291的折射率并且Ic1是内包层294的吸收系数。在本发明的耦合消散场的垂直波导290的上文示范性实施例中，其中SiO2用作外 包层293以及Si3N4用作波导芯291材料，50nm厚银(Ag)内包层294将耦合激光二极管 231,232和233的光学限制区域和垂直波导290之间的界面上入射的激光的大约36%，同
22时在垂直波导290的内部内获得大约62%的反射率。应该注意到没有耦合进入垂直波导 290的那部分光将被内包层294吸收(大约0. 025)或将被回收进入激光二极管231、232和 233的光学限制区域，其中它将被激光二极管231、232和233的有源区放大并且再耦合进入 垂直波导290。垂直波导的第二实施例在本发明的量子光子成像器器件200的另一个实施例中，像素的垂直波导290的 芯291将通过各向异性多层薄包层的使用而耦合于形成单个像素230的堆叠激光二极管 231,232和233的光学限制区域。在该上下文中“各向异性”的意思是反射/透射特性在垂 直波导290和堆叠激光二极管231、232和233的光学限制区域之间的界面的任一侧将是不 对称的。该实施例的最简单的实现将是使用具有介于波导芯291和激光二极管231、232和 233的光学限制区域的折射率之间的折射率值并且具有优选地用介电材料(优选地具有至 少等于堆叠激光二极管231、232和233的光学限制区域的折射率的折射率)填充的波导芯 291的单个薄包层293。薄介电多层涂层的反射和透射特性在参考文献[39]中详细描述。在法向入射角， 在激光二极管231、232和233的光学限制区域和包层293之间的界面的反射率将由 给出，其中Ivn1和Ii2分别是堆叠激光二极管231、232和233的光学限制区域的、 包层293和波导芯291的折射率。当在激光二极管231、232和233的光学限制区域和包层 293之间的界面的入射角增加时，反射率增加直到当达到临界角时所有光被完全反射。因为 临界角取决于横跨界面的折射率的比率，当该比率选择成使得激光二极管231、232和233 的光学限制区域和包层293之间的界面的临界角大于波导芯291和包层293之间的临界角 时，一部分光将耦合进入波导芯291并且将由像素的垂直波导290通过全内反射(TIR)被 折射率引导以垂直于量子光子成像器器件200的表面发射。在垂直波导290通过多层薄包层的使用的耦合的上文示范性实施例中，其中大约 IOOnm厚的SiO2用作包层293并且二氧化钛(TiO2)用作波导芯291材料，在激光二极管 231、232和233的光学限制区域和垂直波导290之间的界面上入射的激光的大约8. 26%将 耦合进入波导芯291并且由像素的垂直波导290通过全内反射被折射率引导以垂直于量子 光子成像器器件200的表面发射。与前面的实施例的消散场耦合比较，垂直波导290通过多层薄包层的使用的耦合 将耦合来自堆叠激光二极管231、232和233的光学限制区域的更少量的光进入波导芯291， 但耦合的光当它穿越垂直波导290的长度时将不经历任何损失(因为光被TIR引导)，因 此大约相同量的光将通过垂直波导290垂直于量子光子成像器器件200的表面而输出。应 该注意到没有被内包层293耦合进入垂直波导290的那部分光(其在该示例的情况下将是 91. 74% )将被回收进入激光二极管231、232和233的光学限制区域，其中它将被激光二极 管231、232和233的有源区放大并且再耦合进入垂直波导290。尽管在垂直波导290通过多层薄包层的使用的耦合的上文示范性实施例中，仅举 例说明单层，多个薄包层可以用于改变耦合进入垂直波导290的光强与被回收回到激光二 极管231、232和233的光学限制区域中的光强的比率。例如当两个薄包层(其中外包层是 150nm厚Si3N4和内包层是IOOnm厚SiO2)协同TiO2波导芯291使用时，在激光二极管231、232和233的光学限制区域和垂直波导290之间的界面上入射的激光的大约7. 9%将耦合 进入波导芯291并且由像素的垂直波导290TIR引导以垂直于量子光子成像器器件200的 表面被发射。使用的薄包层的数量的选择、它们的折射率和厚度是可以利用以精细调整像 素的垂直波导290的耦合特性并且进而精细调整量子光子成像器器件200的总性能特性的 设计参数。垂直波导290的第三实施例在本发明的量子光子成像器器件200的另一个实施例中像素的垂直波导290的 芯291将通过非线性光学(NLO)包层的使用而耦合于形成单个像素230的堆叠激光二极管 231,232和233的光学限制区域。该实施例的主要优势是它将使本发明的量子光子成像器 器件200能够作为锁模激光发射器件操作(锁模使激光器件能够发射超短的光脉冲)。作 为该实施例实现的量子光子成像器器件200的锁模操作的结果，量子光子成像器器件200 将获得提高的功耗效率和更高的峰均发射光强度。该实施例的锁模操作将与前面实施例的 垂直波导耦合方法结合而包含在像素的垂直波导290的包层292内。该实施例将通过如图8B中图示的在堆叠激光二极管231、232和233的光学限制 区域和外包层293之间增加薄外包层295实现，该薄外包层295在下文将称为门包层。门 包层295将是例如单晶聚PTS聚丁二炔(PTS-PDA)或聚二噻吩并噻吩(PDTT)或其类似物 等的NLO材料的薄层。这样的NLO材料的折射率η将不是独立于入射光的常数，相反它的 折射率随入射光的强度I增加而改变。对于这样的NLO材料，折射率η遵循与入射光强度 的下列关系η = n0+x (3)Ι(4)在公式(4)中，χ 是NLO材料的三阶非线性极化率并且Iitl是NLO材料对入射光 强度I的低值展现的线性折射率值。在该实施例中线性折射率Iitl和构成门包层295的NLO 材料的厚度选择成使得在低入射光强度I，大致上来自堆叠激光二极管231、232和233的光 学限制区域在多层包层292上入射的光的全部都将反射回并且回收进入激光二极管231、 232和233的光学限制区域，其中它将被激光二极管231、232和233的有源区放大。当在激光二极管231、232和233的光学限制区域内的光强度由于积分光通量而增 加时，门包层295的折射率η将根据公式(4)改变，引起回收回激光二极管231、232和233 的光学限制区域中的光强度与耦合进入垂直波导290的光强的比率减小，从而引起在激光 二极管231、232和233的光学限制区域内积分的光通量的一部分耦合进入垂直波导290并 且垂直于量子光子成像器器件200的表面发射。当光耦合进入波导290时，在激光二极管231、232和233的光学限制区域内的积 分光通量将减小，引起在门包层295上入射的光的强度I降低，其进而将引起折射率η将根 据公式(4)改变，引起回收回到激光二极管231、232和233的光学限制区域中的光强度与 耦合进入垂直波导290的光强的比率增加，从而引起在激光二极管231、232和233的光学 限制区域内的光通量积分的循环被重复。实际上包含该实施例的NLO的多层包层的使用将引起像素的激光二极管231、232 和233的光学限制区域作为光子容器(photoniccapacitor)操作，这些光子电容器将周期 性地积分由像素的激光二极管231、232和233在周期间产生的光通量，在这些周期期间积 分光通量耦合进入垂直波导290并且在量子光子成像器器件200的像素230的表面发射。
当NLO门包层295与前面的实施例的垂直波导290耦合示例的多层薄包层结合使 用时，耦合性能将是同等的，不同在于耦合进入垂直波导290和在像素230的表面发射的 光将作为一串脉冲出现。当具有大约IOOnm的厚度的PTS-PDA的NLO门包层295与大约 IOOnm厚的SiO2内包层293结合使用并且二氧化钛(TiO2)用作波导芯291材料时，从像素 230的表面发射的光脉冲将典型地具有在大约20ps至30ps的范围中的持续时间与在大约 50ps至IOOps的范围中的脉冲间时间段。与NLO门包层295结合使用的薄包层的数量的选 择、它们的折射率和厚度是可以利用以精细调整像素的垂直波导290的耦合特性以及从像 素230发射的多色激光的脉冲特性并且随之精细调整量子光子成像器器件200的总性能特 性的设计参数。垂直波导290的第四实施例垂直波导290的第四实施例在图2D中可见。在该实施例中，波导在每个激光二极 管的光学限制区域的末端结束，以致在放置在堆叠的顶部的激光二极管结束的波导将耦合 仅来自该激光二极管的光并且在从堆叠中的最高激光二极管的第二个激光二极管结束的 波导将耦合来自第一和第二激光二极管的光并且在从堆叠的顶部的第三个激光二极管结 束的波导将耦合来自堆叠中第一、第二和第三激光二极管的光。优选地这些波导将是直的， 非锥形的。这些波导也可被空气填充或用例如SiO2等合适的电介质填充。使用这些不同 高度的波导，从堆叠中第一激光二极管耦合的光量将高于从堆叠中第二激光二极管耦合的 光量，并且从堆叠中第二激光二极管耦合的光量将高于从堆叠中第三激光二极管耦合的光 量。因为满意的 色域将包括比红更多的绿和比蓝更多的红，可以放置绿色二极管在顶部、红 色在中间而蓝色在堆叠的底部。像素波导阵列如在前面的论述中说明的，构成量子光子成像器器件200的每个像素230将包括 多个垂直波导290，由像素的激光二极管231、232和233产生的激光将通过这些垂直波导 290在垂直于量子光子成像器器件200的表面的方向上发射。多个像素的垂直波导290将 形成发射器阵列，由像素的激光二极管231、232和233产生的光将通过发射器阵列发射。考 虑到前面的前三个实施例的垂直波导290光耦合方法，从每个像素的垂直波导290发射的 光将具有高斯横截面，其在它的半最大强度处具有大约士20度的角宽度。在量子光子成像 器器件200的优选实施例中，多个像素的垂直波导290将采用选择成减小从像素230的表 面发射的光的最大发散角(准直角)的数量和图案来设置，以提供横过像素的区域的均勻 亮度并且最大化像素亮度。在使用相控发射器(phased emitter array)阵列的众所周知理论(参考文献 [41])时，在包括N个像素的垂直波导290的子午面内由像素230发射的光的角强度将由K θ ) = Ε(θ) {J1[aX(0)]/aX(0)}2{Sin[NdX(0)]/Sin[dX(0)]}2 (5. a)给出，其中Χ( θ ) = (Ji Sin θ )/λ(5. b)J1O是贝塞尔函数，λ是由像素的垂直波导290发射的光的波长，a是垂直波导 290的直径，d是像素的垂直波导290之间的中心到中心距离，并且Ε(θ)是从每个像素的 垂直波导290发射的光的强度轮廓，其如较早说明的将典型地是高斯轮廓(在它的半最大 强度处具有大约士20度的角宽度)。优选地参数a(像素的垂直波导290在与每个激光二极管231、232和233的耦合区域的中心处的直径(折射率引导直径))将等于相应激光二极 管的波长。参数d(像素的垂直波导290之间的中心到中心距离)的典型值将是至少1. 2a 并且它的具体值将选择以精细调整像素230的发射特性。图9A图示在包含像素的对角线的子午面内在像素230发射的波长的多个值处 的由IOX 10微米像素230发射的光的角强度，这些像素包括9X9均勻间隔的垂直波导 290 (具有如上文规定的直径a和中心到中心d = 2a)的阵列。具体地，在图9A中轮廓910、 920和930图示由像素230在红色波长(615nm)、绿色波长(520nm)和蓝色波长(460nm)发 射的光的角强度。如在图9A中图示的，由像素230并且随之由量子光子成像器200发射的 多色激光将具有紧密准直的发射模式，其中准直角良好地在士5°内，从而使量子光子成像 器器件200具有大约4. 8的光学f/#。在像素230表面内的垂直波导290的图案可以调整以获得在量子光子成像器器件 200的光学f/#方面所要求的发射特性。在形成垂直波导290的图案中重要的设计准则是 以要求的光学"#产生均勻发射同时在垂直波导290的阵列蚀刻后为像素的发光激光二极 管231、232和233保留足够面积。图9B图示在像素230表面内的垂直波导290的若干可 能的图案，其可以与本发明的量子光子成像器器件200结合使用。基于本发明的教导，本领 域内技术人员将知道如何选择将产生最适合本发明的量子光子成像器器件200的计划应 用的发光光学f/#的像素230表面内垂直波导290的图案。数字结构图IOA图示量子光子成像器器件200的数字半导体结构220的垂直横截面。数字 半导体结构220将用常规CMOS数字半导体技术制造，并且如在图IOA中图示的将由多个金 属层222、223、224和225 (它们被例如SiO2绝缘半导体材料的薄层分离)和使用常规CMOS 数字半导体技术沉积在Si衬底227上沉积的数字控制逻辑226构成。如在图IOB中图示的，金属层222将包含多个像素的接触盘图案，由此每个接触盘 图案将大致上与在图7中图示的光子半导体结构210的像素接触盘图案的相同。如较早说 明的，金属层222的多个像素接触盘图案将构成光子半导体结构210和数字半导体结构220 之间的接合界面。金属层222将还在它的外围包含如在图2C中图示的整个量子光子成像 器器件200的器件接触焊盘221。图IOC图示金属层223的布局，其包含指定用于分别分配功率和地线到像素的 红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的独立功率和接地金属轨线(rail) 310、315 和320，以及指定用于路由功率和地线到数字半导体结构220的数字逻辑部分的金属轨线 325。图IOD图示金属层224的布局，其包含指定用于分别分配数据410、更新415和清除 420信号到数字控制逻辑半导体结构226部分(指定用于控制像素的红色、绿色和蓝色激光 二极管231、232和233的开关状态)的独立金属迹线。图IOE图示金属层225的布局，其 包含指定用于分别分配负载510和启动520信号到数字控制逻辑半导体结构226部分(指 定用于控制像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关状态)的独立金属 迹线。数字控制逻辑半导体结构226将由直接放置在光子半导体结构210下面的像素的 数字逻辑部分228 (图2B)和如在图2C中图示的放置在数字逻辑区域228外围的控制逻辑 区域229构成。图IlA图示数字控制逻辑半导体结构226的控制逻辑部分229的示范性实施例，其设计成分别接受红色、绿色和蓝色PWM串行位流输入数据和时钟信号425、426和 427 (其在量子光子成像器器件200外部产生)加上控制时钟信号428和429，并且将接受 的数据和时钟信号转换为控制和数据信号410、415、420、510和520，它们通过互连金属层 224和225路由到数字逻辑部分228。
数字控制逻辑半导体结构226的数字逻辑部分228将由像素逻辑单元的二维阵列 构成，由此每个这样的逻辑单元将直接放置在构成量子光子成像器器件200的像素230中 的一个的下面。图IlB图示构成数字控制逻辑半导体结构226的数字逻辑部分228的数字 逻辑单元300的示范性实施例。如在图IlB中图示的，与构成量子光子成像器器件200的每 个像素230关联的像素逻辑单元300将由分别与红色、绿色和蓝色像素的激光二极管231、 232和233对应的数字逻辑电路810、815和820构成。如在图IlB中图示的，数字逻辑电 路810、815和820分别将接受控制和数据信号410、415、420、510和520并且基于接受的数 据和控制信号将使功率和接地信号310、315和320到红色、绿色和蓝色像素的激光二极管 231,232和233的连接性成为可能。数字半导体结构220将制造为单片CMOS晶圆，其将包含多种数字半导体结构 220 (图2A)。如较早说明的，数字半导体结构220将使用晶圆级直接接合技术或类似技术 与光子半导体结构210接合以形成集成多晶圆结构，其然后将在每个单个量子光子成像器 器件200芯片区域的外围被蚀刻以便暴露器件接触焊盘221，然后将切割为在图2A和图2C 中图示的个体量子光子成像器器件200芯片。备选地，数字半导体220晶圆将切割为一个 个芯片并且分别地光子半导体结构210晶圆将也切割为一个个芯片，每个芯片具有包含需 要数量的像素的激光二极管231、232和233的区域，然后每个光子半导体结构210芯片将 使用倒装芯片技术或类似技术芯片级接合到数字半导体220芯片以形成在图2A和图2C中 图示的单个量子光子成像器器件200。QPI制造流程图12是图示用于制造根据在前面的段落中描述的示范性实施例的量子光子成像 器器件200的半导体工艺流程的流程图。如在图12中图示的，工艺以步骤S02开始并且继 续到步骤S30，在此期间接合各种不同的晶圆并且沉积绝缘和金属层，形成互连通孔、侧壁 和垂直波导。应该注意到激光二极管多层半导体结构250、260和270以及数字半导体结构 220的半导体制造流程将分别进行并且在图12中图示的制造工艺流程以外，图12是意在图 示接合这些晶圆并且形成像素结构230和互连的半导体工艺流程的示范性实施例。在步骤S02，SiO2绝缘层241将沉积在基底Si衬底240晶圆上。在步骤S04将沉 积P接触金属层，并且在步骤S06，所形成的堆叠将与激光二极管多层半导体晶圆接合并且 激光二极管晶圆被向下蚀刻到停止蚀刻层。在步骤S08，像素侧壁槽被双蚀刻首先向下蚀 刻到在步骤S04中沉积的金属层前面的绝缘层，然后向下蚀刻到在步骤S04沉积的金属层， 并且蚀刻的槽然后用SiO2再填充。在步骤S10，像素垂直接触通孔的槽被向下蚀刻到在步 骤S04沉积的金属层，然后沉积薄绝缘层并且其被蚀刻以暴露沉积的通孔。在步骤S12，将 沉积η接触金属层然后其被蚀刻以延伸像素的侧壁槽的高度。在步骤S14，沉积SiO2绝缘 层，然后对将包含在量子光子成像器器件200中的每个激光二极管多层半导体晶圆重复进 行步骤S04至S14的工艺流程。在步骤S16，沉积用于形成接合接触盘700需要的金属层然后其被蚀刻以形成在图7中图示的接触盘图案。在步骤S20，垂直波导290被蚀刻通过所形成的多层结构的Si 衬底侧以形成像素230的波导图案，例如在图9B中图示的那些。在步骤S22中，沉积波导 包层292然后在步骤S24波导空腔用波导芯291材料再填充。在步骤S26，形成的多层激 光二极管结构的Si衬底侧被抛光到光学质量并且按要求涂覆以形成量子光子成像器器件 200的发射表面。步骤S02至S28将产生晶圆尺寸光子半导体结构210，其将在步骤S28与 数字半导体结构220晶圆进行晶圆级盘侧接合。在步骤S30，所得的多晶圆堆叠被蚀刻以暴露个体芯片量子光子成像器器件200 的接触盘221并且多晶圆堆叠被切割为一个个量子光子成像器器件200的个体芯片。步骤S30的工艺的备选方法将是将工艺步骤S02至S26形成的光子半导体结构 210切割成量子光子成像器器件200需要的芯片尺寸并且分别切割数字半导体结构220晶 圆为一个个芯片然后使用倒装芯片技术将两个芯片进行盘侧接合以形成量子光子成像器 器件200的个体芯片。QPI投影机量子光子成像器器件200典型地将用作在正或背投显示系统中使用的数字图像 投影机中的数字图像源。图13图示包含本发明的量子光子成像器器件200作为数字图像 源的典型数字图像投影机800的示范性实施例。量子光子成像器器件200将与配套数字器 件850 (其将称为图像数据处理器并且在随后的段落中将在功能上描述)集成在印刷电路 板上，配套数字器件850将用于将数字图像输入转换为到量子光子成像器器件200的PWM 格式化输入。如在图13中图示的，量子光子成像器器件200的发射光学孔径将与投影光学 透镜组810 (其将放大由量子光子成像器器件200产生的图像到需要的投影图像尺寸)耦
I=I O如较早说明的，从量子光子成像器器件200发射的光将典型地包含在大约4. 8的 光学f/#内，其使得使用中等复杂性的少量透镜(典型地2或3个透镜)获得在20至50范 围中的源图像放大是可能的。使用具有大约2. 4的光学f/#的例如微反射镜、LCOS或HTPS 成像器器件等现有数字成像器的典型的数字投影机将典型需要8个那么多的透镜以获得 源图像放大的同等的水平。此外，使用例如微反射镜、LCOS或HTPS成像器器件等无源的 (意思是反射或透射类型)数字成像器的典型数字投影机将需要复杂光学组件以照射成像 器。相比之下，因为量子光子成像器器件200是发射成像器，使用量子光子成像器器件200 的数字图像投影机800将不需要任何复杂的光学照明组件。放大所需要的透镜的数量的减 少外加照明光学系统的消除将使得使用量子光子成像器器件200的数字图像投影机800比 使用例如微反射镜、LCOS或HTPS成像器器件等现有数字成像器的数字投影机明显更不复 杂并且随之更紧凑并且成本更低。QPI器件效率本发明的量子光子成像器器件200的重要方面是它的流明(亮度)性能和它的对 应功耗。具有如分别在图4A、图4B和图4C中指定的前面的示范性实施例的激光二极管结 构231,232和233的单个10X10微米像素230将分别消耗大约4. 5 μ W、7. 4 μ W和11. 2 μ W 以产生大约0. 68 μ W、1. IyW和1.68 μ W的红色(615nm)、绿色(520nm)和蓝色(460nm)的 辐射通量，其等于1毫流明的在8000K2色温的光通量。也就是说，量子光子成像器器件200 的单个IOX 10微米像素230将消耗大约23 μ W以产生大约1毫流明的在8000Κ2色温的光通量，当像素放大到0. 5X0. 5毫米时其将足够提供超过1，200坎德拉/米2的亮度。在大 多数现有商业显示器提供的亮度(其典型地范围在350坎德拉/米2至500坎德拉/米2 之间)，量子光子成像器器件200的单个10 X 10微米像素230当尺寸上放大到0. 5 X 0. 5毫 米时将消耗小于10 μ W，其差不多比现有商业显示器(例如使用微反射镜、LCOS或HTPS器 件的PDP、LCD或投影显示器等)需要的功耗小一个半的数量级。作为消除与在使用例如微反射镜、LCOS或HTPS成像器器件等现有数字成像器的 所有投影机中需要的照明光学系统和成像器光学耦合关联的低效率的直接结果，当与现有 数字成像器相比时本发明的量子光子成像器器件200将获得高得多的效率。具体地，与在 图13中图示的使用本发明的量子光子成像器200的数字投影机800关联的损耗将限制到 由于投影光学透镜组810引起的损耗，其将大约是4%。意味着在图13中图示的使用量子 光子成像器200的数字投影机800的效率在投影的光通量与产生的光通量的比率方面将是 大约96%，其相当大地高于由使用例如微反射镜、LCOS或HTPS成像器器件等现有数字成像 器的投影机获得的小于10%的效率。例如，在图13中图示的使用本发明的量子光子成像器200的具有一百万像素的数 字投影机800将消耗大约25. 4瓦以产生大约1，081流明的在8000K2色温的光通量，其将足 够以大约1，000坎德拉/米2的亮度在正投影屏幕上投影具有60”对角线的图像。当考虑 典型的投影屏幕的效率时，数字投影机800的举出的示例将在背投影屏幕上投影具有大约 560坎德拉/米2的亮度的图像。为了比较的目的，获得在350坎德拉/米2范围中的亮度 的典型现有背投影显示器的功耗将超过250瓦，其指出使用量子光子成像器200作为图像 源的数字投影机800将甚至以低得多的功耗获得比现有正和背投影显示器高得多的投影 图像亮度。QPI优势&应用使用量子光子成像器器件200的数字图像投影机800的紧凑性和低成本特性当与 量子光子成像器器件200的低功耗结合时将使设计和制造可以有效嵌入在例如蜂窝电话、 膝上型PC或类似的移动装置等移动平台中的数字图像投影机成为可能。特别地，例如在图 13中图示的具有640 X 480像素并且设计成获得士25度投影视场的使用本发明的量子光子 成像器200的数字投影机800将达到大约15 X 15mm体积并且将消耗小于1. 75瓦以投影具 有大约200坎德拉/米2的亮度的18”投影图像对角线(为了参考的目的，膝上型PC的典 型亮度是大约200坎德拉/米2)。因为它的紧凑性和低功耗，本发明的量子光子成像器200将还适合近眼应用，例 如头盔显示器和面罩(visor)显示器。此外，因为它的超宽范围能力，本发明的量子光子成 像器200将还适合要求真实图像颜色渲染的应用，例如模拟器显示器和游戏显示器。QPI 操作通过在前面的段落中描述的它的基于像素的激光产生能力，量子光子成像器器件 200将能够转换从外部输入接收的数字源图像数据为光学图像，其将耦合进入如在图13中 图示的投影机800的投影光学系统。在使用本发明的量子光子成像器器件200以合成源图 像时，每个图像像素的明度(Iuma)(亮度)和色度(颜色)分量将通过对应像素的红色、 绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关占空比的分摊设置而同时合成。具体地，对 于每个源图像像素，像素的色度分量将通过设置对应像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关占空比为相对比(其反映像素的需要颜色坐标)而合成。相似地，对 于每个源图像像素，像素的明度分量将通过设置对应像素的发光红色、绿色和蓝色激光二 极管231、232和233的开关占空比为集合开关占空比值(collective on/off duty cycle value)(其反映像素的需要亮度)而合成。也就是说，每个源图像像素的像素的明度和色度 分量将通过控制量子光子成像器器件200的对应像素的发光红色、绿色和蓝色激光二极管 231,232和233的开关占空比和同时性而合成。通过控制像素的激光二极管231、232和233(具有在前面的段落中描述的量子光子成像器器件200的示范性实施例的选择的波长对于像素的红色激光二极管231 是615nm，对于像素的绿色激光二极管232是520nm，对于像素的蓝色激光二极管233是 460nm)的开关占空比和同时性，本发明的量子光子成像器器件200将能够合成任何在图 14A中图示的参照CIE XYZ颜色空间的其固有色域905内的像素的颜色坐标。具体地，量子 光子成像器器件200像素的激光二极管231、232和233的示范性实施例的前述操作波长将 分别限定如在图14A中图示的参照CIE XYZ颜色空间的其固有色域905的顶点902、903和 904。源图像的具体色域将典型地基于例如NTSC和HDTV标准等图像颜色标准。为了比 较的目的，NTSC308和HDTV309的显示色域标准也在图14A上作为参考示出以图示由基色 波长(对于红色在615nm，绿色在520nm和蓝色在460歷)限定的量子光子成像器器件200 的示范性实施例的固有色域305将包括NTSC308和HDTV309色域标准并且将扩展超过这些 色域标准相当大的量。考虑在图14A中图示的量子光子成像器器件200的扩展固有色域305，源图像数 据将必须从它的参考色域(例如在图14A中对于NTSC308和HDTV309色域所图示的)映射 (转换)到量子光子成像器器件200的固有色域305。这样的色域转换将通过对每个源图 像像素的[R、G和B]分量应用下列矩阵变换完成 其中3 X 3变换矩阵M将从在给定的参考颜色空间(例如CIE XYZ颜色空间等)内 的源图像色域的白色点和基色的坐标和量子光子成像器器件200的白色点和基色902、903 和904(图14B)的坐标的色度值计算出。由公式(6)限定的矩阵变换的结果将关于量子光 子成像器器件200的固有色域305来限定源图像像素的分量[Rqpi，Gqpi，Bqpi]。图14B图示由公式(6)限定的矩阵变换关于由顶点902、903和904限定的量子光 子成像器器件200固有色域305来限定两个示范性像素906和907的源图像像素的分量 [Rqpi，Gqpi，Bqpi]的结果。如在图14B中图示的，值[Rqpi，Gqpi，Bqpi]将跨越整个色域305，使量 子光子成像器器件200能够合成源图像的像素[R，G，B]值，其具有比由NTSC308和HDTV309 色域提供的色域宽得多的色域(图14A)。由于更宽的色域标准和宽色域数字图像和视频输 入内容变为可用的，使用本发明的量子光子成像器200的数字投影机800将准备采用这样 的宽色域格式投影源图像和视频内容。在此期间，量子光子成像器200的宽色域能力将允 许它以比在较早段落中举例的示范性值甚至更低的功耗合成具有现有色域(例如NTSC308 和HDTV309色域等)的数字图像和视频输入。
在源图像中的每个像素的[R，G，B]值将使用由公式(6)限定的变换映射(转换) 到量子光子成像器器件200的固有色域305 (颜色空间)。不失一般性地，在假设源图像的 白色点具有[R，G，B] = [1,1,1]时，一直满足条件将源图像中的每个像素的[R，G，B]值除 以白色点的[R，G，B]值，对于每个源图像像素由公式(6)限定的变换的结果将是具有范围 在黑色的
和白色的[1，1，1]之间的值的矢量[Rqpi，Gqpi，Bqpi]。上文的表示具有好 处由值[Rqpi，Gqpi，Bqpi]限定的量子光子成像器器件200的固有色域305的基色902、903 和904与该像素的之间的在参考颜色空间(例如CIE XYZ颜色空间等)内的距离也限定它 的相应红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关占空比值λ R = Rgpiλ G = Gqpi(7)λ B = Bqpi其中λ R、Xe和λ 别指示合成构成源图像的像素中的每个的[R，G，B]值所需 要的量子光子成像器器件200红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的各个像素230 的开关占空比。典型源图像数据输入(不管静态图像还是动态视频图像)将由以例如60Hz或 120Hz的帧率输入的图像帧构成。对于给定的源图像帧率，合成源图像像素的[R，G，B]值 所需要的量子光子成像器器件200分别红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233相应 像素230的开时间将是由值λκ、Xe和λ Β限定的帧持续时间的分数。为了解决可能由构成光子半导体结构210的半导体材料特性的可能变化引起的 可能像素到像素亮度变化，在将典型地出现在较早描述的器件制造步骤完成时的量子光子 成像器器件200的测试期间，将测量器件流明轮廓(luminance profile)并且将对每个像 素计算亮度均勻性权重因子。亮度均勻性权重因子将存储为查找表(LUT)并且由量子光子 成像器器件200配套图像数据处理器850应用。当考虑这些亮度均勻性权重因子时，量子 光子成像器器件200的每个像素230的开时间将由Λ K = Kk λ κΛ G = Kg λ G(8)ΛΒ = Kb λ β给出，其中KK、Ke和Kb分别是量子光子成像器器件200像素的每个红色、绿色和蓝 色激光二极管231、232和233的亮度均勻性权重因子。由公式(8)表示的构成量子光子成像器器件200的每个像素230的红色、绿色和 蓝色激光二极管231、232和233的开时间值将使用常规脉冲宽度调制(PWM)技术转换为串 行位流并且连同像素地址(构成量子光子成像器器件200的像素阵列内的相应像素的行和 列地址)和适当的同步时钟信号以源图像的帧率输入到量子光子成像器器件200。转换图像源数据为量子光子成像器器件200需要的输入信号将由配套图像数据 处理器850根据公式(6)至(8)进行。图15A和图15B分别图示量子光子图像数据处理 器850的框图和与它的与量子光子成像器器件200的接口关联的时序图。参照图15A和图 15B，SYNC&控制模块851将接受与源图像或视频输入关联的帧同步输入信号856并且产生 帧处理时钟信号857和PWM时钟858。PWM时钟858率将由源图像或视频输入的帧率和字长 指定。在图15B中图示的PWM时钟858率反映以120Hz和16位字长操作的量子光子成像器200和配套图像数据处理器850的示范性实施例。本领域内技术人员将知道如何使用本发明的教导以使量子光子成像器200和它的配套图像数据处理器850支持具有与在图15B 中反映的那些不同的帧率和字长的源图像或视频输入。与帧时钟信号857同步地，颜色空间转换模块852将接受源图像或视频数据的每 个帧，并且使用源输入色域坐标将执行由公式(6)限定的数字处理以映射每个源输入像素 [R，G，B]值到像素坐标值[Rqpi，Gqpi，Bqpi]。使用源图像或视频数据输入的白色点坐标，颜色 空间转换模块852然后将使用公式(7)转换每个像素值[Rqpi，Gqpi，Bqpi]到量子光子成像器 200的对应像素230的分别红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关占空比值 λ R、λ G 和 λ B。值λκ、和λΒ然后将由均勻性校正模块853使用且与存储在均勻性轮廓 LUT854中的像素亮度权重因子KK、Ke和&结合以使用公式(8)产生量子光子成像器200的 每个像素230的均勻性校正的开时间值[Λκ，Ag, Λβ]。由均勻性校正模块853产生的值[Λκ，Ae，Λ B](其典型地对每个像素将采用三个 16位字表示)然后由PWM转换模块855转换为三个串行位流，其将与PWM时钟同步提供给 量子光子成像器200。由PWM转换模块855对每个像素230产生的三个PWM串行位流将向 量子光子成像器器件200提供3位字，其中每个限定PWM时钟信号858的持续时间内像素 的发光红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关状态。由PWM转换模块855产 生的3位字将载入量子光子成像器器件200的数字半导体结构220的适当的像素地址并且 将如较早说明的用于在PWM时钟信号858限定的持续时间内打开或关闭相应像素的红色、 绿色和蓝色激光二极管231、232和233。在前面本发明的量子光子成像器器件200的操作的示范性实施例中，由像素[R， G，B]值指定的源图像像素颜色和亮度将使用量子光子成像器器件200的固有色域305的 基色902、903和904直接合成以用于源图像中的每个个体像素。因为个体像素亮度和颜色 直接合成，量子光子成像器器件200的该操作模式称为直接颜色合成模式。在量子光子成 像器器件200的操作的备选示范性实施例中，源图像色域的基色首先使用量子光子成像器 器件200的固有色域305的基色902、903和904合成，并且像素颜色和亮度然后使用源图 像色域的合成基色来合成。在量子光子成像器器件200的该操作模式中，像素的红色、绿色 和蓝色激光二极管231、232和233集体将顺序地合成源图像的RGB基色。这将通过划分帧 持续时间成三段来完成，由此每段将专用于产生源图像的一个基色并且使像素的红色、绿 色和蓝色激光二极管231、232和233中的每个的默认值(白色点)顺序地反映每个帧段中 的一个源图像基色的坐标。专用于每个基色段的帧的持续时间和在该段期间像素的红色、 绿色和蓝色激光二极管231、232和233的相对开时间值将基于需要的白色点色温来选择。 因为个体像素亮度和颜色顺序合成，量子光子成像器器件200的该操作模式称为顺序颜色 合成模式。在量子光子成像器器件200的顺序颜色合成模式中，在帧内的PWM时钟周期的总 数将分摊给三个基色子帧，其中一个子帧专用于源图像色域的R基色，第二个专用于源图 像色域的G基色并且第三个专用于源图像色域的B基色。在R基色子帧、G基色子帧和B基 色子帧期间量子光子成像器器件200像素的每个红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和 233的开时间将基于参考颜色空间内源图像基色和量子光子成像器器件200固有色域的基色之间的距离确定。这些开时间值然后将用源图像的相应像素的[R，G和B]值顺序调制。量子光子成像器器件200的直接颜色合成模式和顺序颜色合成模式之间的区别 在图15B中图示，其示出在各个情况下将提供给像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、 232和233的启动信号。启动信号860的顺序图示像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、 232和233采用直接颜色合成模式的操作，其中源图像像素的像素的明度和色度分量将通 过控制对应像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关占空比和同时性直 接合成。启动信号870的顺序图示像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233采 用顺序颜色合成模式的操作，其中源图像色域的基色将使用固有色域305的基色902、903 和904合成并且源图像像素的明度和色度分量将使用源图像色域的合成基色顺序合成。量子光子成像器器件200的直接颜色合成模式和顺序颜色合成模式将在获得的 器件的操作效率方面不同，因为它们趋于要求不同的峰均功率驱动条件以获得同等的水平 的图像亮度。然而在两种操作模式中本发明的量子光子成像器器件200将能够支持同等的 源图像帧率和[R，G，B]字长。QPI动态范围、响应时间、对比度和黑色水平量子光子成像器器件200的动态范围能力(限定为可以在每个源图像像素的合成 中产生的灰度水平的总数)将由可以支持的PWM时钟持续时间的最小值确定，其进而将由 像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233的开关切换时间确定。在前面的段落 中描述的光子半导体结构210的示范性实施例(图2A)将获得在持续时间上是一纳秒的分 数的开关切换时间，使量子光子成像器器件200能够容易地获得16位的动态范围。为了比 较，最近可用的显示系统以8位动态操作。此外，可以由光子半导体结构210获得的在持续 时间上是一纳秒的分数的开关切换时间将还使量子光子成像器器件200能够获得在持续 时间上是一纳秒的分数的响应时间。为了比较，可以由LCOS和HTPS型成像器获得的响应 时间典型地是大约4至6毫秒并且微反射镜型成像器的响应时间典型地是大约一微秒。成 像器响应时间在可以由显示系统产生的图像的质量上起关键作用，特别对于产生视频图像 起关键作用。LCOS和HTPS型成像器的相对缓慢的响应时间将趋于在产生的视频图像中形 成不期望的伪像。数字显示器的质量还由它可以产生的对比度和黑色水平测量，其中对比度是在图 像内白和黑区域的相对水平的测量而黑色水平是响应于黑色提交的输入而可以获得的最 大的黑色。显示的对比度和黑色水平在使用例如微反射镜、LCOS或HTPS成像器等成像器 的现有投影显示器中都相当大地降级(因为与这样的成像器关联的光子泄漏的相当高的 水平)。对于这些类型的成像器典型的高光子泄漏是由从成像器像素的开状态到它的关状 态的光泄漏引起的，从而引起对比度和黑色水平降级。当这样的成像器采用颜色顺序模式 操作时该影响是更明显的。相比之下量子光子成像器器件200将不具有光子泄漏，因为它 的像素的红色、绿色和蓝色激光二极管231、232和233开状态和关状态是大致上互斥的，使 可以由量子光子成像器器件200获得对比度和黑色水平高出可以由微反射镜、LCOS或HTPS 成像器获得的对比度和黑色水平若干数量级。总的来说，本发明的量子光子成像器器件200克服其他成像器的弱点外加展现下 列若干优势1.它需要低功耗，因为它的高效率；
2.它减小总尺寸并且相当大地降低投影系统的成本，因为它需要更简单的投影光 学系统并且不需要复杂的照明光学系统；3.它提供扩展的色域，使它能够支持下一代显示系统的宽色域要求；以及
4.它提供快速响应时间、扩展的动态范围，外加高对比度和黑色水平，其共同将相 当大地提高显示图像的质量。在前面的详细说明中，本发明已经参考其的具体实施例描述。然而，各种改动和变 化可以对其做出而不偏离本发明更宽的精神和范围，这将是明显的。因此设计细节和图将 认为是说明性的而不是限制性的意义。技术人员将认识到本发明的部分可与上文对于优选 实施例描述的实现不同地实现。例如，技术人员将意识到本发明的量子光子成像器器件200 可以实现且具有对下列各项的许多改变构成光子半导体结构210的多层激光二极管的数 量、多层激光二极管250、260和270的具体设计细节、垂直波导290的具体设计细节、与像 素的垂直波导290的具体图案的选择关联的具体设计细节、半导体制造程序的具体细节、 投影机800的具体设计细节、配套图像数据处理器器件850的具体设计细节、耦合图像数据 输入到量子光子器件200需要的数字控制和处理的具体设计细节，和与构成量子光子器件 200和它的配套图像数据处理器850的芯片组的选择的操作模式关联的具体设计细节。技 术人员还将认识到可以对本发明的前述实施例的细节做出许多改变而不偏离其的基础原 理和教导。因此本发明的范围应该仅由下列权利要求确定。
权利要求
一种发射多色数字图像形成(成像器)器件，包括多色激光发射像素的二维阵列，由此每个多色激光发射像素包括垂直堆叠的多个激光二极管半导体结构，每个用于发射不同的颜色，其中在多色像素阵列内具有将每个多色像素与相邻多色像素电和光分离的垂直侧壁的网格；以及多个垂直波导，其光学耦合于所述激光二极管半导体结构以从所述激光二极管半导体结构的堆叠的第一表面垂直发射由所述激光二极管半导体结构产生的激光；所述激光二极管半导体结构的堆叠通过与所述激光二极管半导体结构的堆叠的第一表面相对的第二表面堆叠到数字半导体结构上；以及在所述数字半导体结构中的多个数字半导体电路，每个数字半导体电路电耦合成从所述数字半导体结构的外围接收控制信号并且通过嵌入所述垂直侧壁内的垂直互连电耦合于所述多色激光二极管半导体结构以单独控制每个所述多色激光二极管半导体结构的开关状态。
2.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构具有在其的顶部和底部 上的金属层，相邻激光二极管半导体结构上的金属层由相应金属层之间的绝缘层分离。
3.如权利要求2所述的器件，其中所述金属层提供与每个堆叠的激光二极管半导体结 构的正和负接触。
4.如权利要求3所述的器件，还包括图案化的金属互连层，其用图案化的绝缘层与所 述金属层隔离并且连接到所述垂直互连以提供用于将所述数字半导体结构与所述多色激 光发射像素的二维阵列中的每个激光二极管半导体结构互连的接触盘。
5.如权利要求4所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构通过所述接触盘是单独 可寻址的。
6.如权利要求1所述的器件，其中在其中具有垂直互连的所述垂直侧壁包括围绕每 个像素的绝缘和金属交替层，由此在每个像素周围由所述金属层提供的光学分离是不间断 的。
7.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限制 区域，每个激光二极管半导体结构的有源区由AlxIni_xP、GaxIni_xP或InxGai_xN的多个半导体 层构成并且形成多个量子阱、多个量子线或多个量子点。
8.如权利要求7所述的器件，其中所述半导体层的组成使每个所述激光二极管半导体 结构能够产生具有在包括430nm至650nm的可见光范围内的波长的激光。
9.如权利要求7所述的器件，其中所述半导体层的组成使每个多色激光发射像素能够 发射包括红色、黄色、绿色、青色和蓝色波长的固有色域的多个基色。
10.如权利要求7所述的器件，其中所述垂直波导光学耦合于所述激光二极管半导体 结构的光学限制区域中的每个。
11.如权利要求1所述的器件，其中所述垂直波导由芯和多层包层构成，所述芯用介电 材料填充或被空气填充。
12.如权利要求11所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，所述多层包层由介电材料的外包层和反射金属材料的内薄包层构成，所述内薄包 层材料的厚度选择成允许由所述激光二极管半导体结构的有源区所产生的并且限制在所 述限制区域内的光的一部分被消散场耦合到所述垂直波导的芯中并且从所述二维阵列的表面垂直发射。
13.如权利要求11所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，所述多层包层由介电材料的多个薄层构成，所述芯和所述多个薄包层的折射率和 所述多个包层的厚度选择成允许由所述有源区产生的并且限制在所述限制区域内的光的 一部分被耦合到所述垂直波导的芯中并且被折射率引导以及从所述二维阵列的表面垂直 发射。
14.如权利要求11所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，所述多层包层包括非线性光学材料的薄层，其使它的厚度和线性及非线性折射率 选择成当所述薄非线性包层的折射率响应于限制在所述限制区域内的光的强度上的变化 而变化时引起由所述有源区产生的并且限制在所述限制区域内的所述光的耦合被抑制或 被允许，由此引起耦合进入所述垂直波导并且由所述垂直波导折射率引导并且从所述二维 阵列的表面垂直发射的所述光以短间隔分离的短脉冲来发生。
15.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，每个垂直波导具有环形横截面，其中在所述激光二极管半导体结构的限制区域中 的每个内的耦合区域的中心处的折射率引导直径等于由相应有源区产生的激光的波长。
16.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，并且其中对于每个激光二极管半导体结构，至少一个垂直波导从所述激光二极管 半导体结构的堆叠的第一表面延伸并且在这个激光二极管半导体结构的光学限制区域的 末端结束。
17.如权利要求1所述的器件，其中所述垂直波导采用选择成减小从所述二维阵列的 表面发射的光的最大发散角的图案来设置。
18.如权利要求1所述的器件，其中所述垂直波导在所述像素表面区域内被间隔开以 提供横跨每个像素区域的均勻亮度并且在数量上被提供为最大化像素亮度。
19.如权利要求1所述的器件，其中所述激光二极管半导体结构包括下列半导体合金材料中的一种或多种的多个半导体层AlJrihP、(AlxGaJylrVyP、GaJrihP、AlxGahN、AlxGahN/GaN、Ir^GahN、GaN ；每个在GaAs、GaN或InGaN的厚衬底层上的单独晶圆上形成；每个包括相同的相应半导体衬底层材料类型的n型蚀刻停止层和p型接触层；每个包括n型和P型波导层和包层，它们限定它们相应的光学限制区域；每个具有至少一个被限定它们相应有源区的两个势垒层围绕的量子阱；以及每个包括嵌入它们相应P型波导层内或在它们相应P型波导和包层之间的电子阻挡层。
20.如权利要求1所述的器件，其中所述数字半导体结构响应于串行位流，其是多个位 字的串行表示，其每个限定相应像素的颜色分量和亮度以转换源数字图像数据输入为光学 图像，由此每个所述多色像素发射具有反映由所述相应像素的源数字图像输入数据表示的 颜色和亮度值的颜色和亮度的光。
21.如权利要求1所述的器件，还包括配套器件用以接收图像源数据并且转换所述图 像源数据为构成所述发射多色图像形成器件的每个像素的激光二极管的开关占空比值，所 述配套器件包括颜色空间转换模块； 均勻性校正模块，包括权重因子查找表； 脉冲宽度调制转换模块；以及 同步和控制模块；所述权重因子查找表存储由器件级测试确定的每个像素的每个颜色的亮度均勻性权 重因子，在所述器件级测试中测量包括发射孔径的所述像素阵列的亮度并且对每个像素的 每个激光颜色计算亮度均勻性权重因子。
22.如权利要求21所述的器件，其中所述器件配置成接收在堆叠的激光二极管半导体 结构的阵列中的每个颜色激光二极管的串行数据流和每个激光二极管的开关占空比控制 的控制信号，所述配套器件配置成提供在堆叠的激光二极管半导体结构的阵列中的每个颜 色激光二极管的串行数据流和每个激光二极管的开关占空比控制的控制信号。
23.如权利要求1所述的器件，其中每个二维多色激光发射像素阵列从多个二维多色 激光发射像素阵列的晶圆上切割下来，并且每个数字半导体结构从多个数字半导体结构的 晶圆上切割下来，每个二维多色激光发射像素阵列与相应数字半导体结构芯片级接合。
24.一种用于接合于二维多色发光像素阵列的数字半导体结构，包括 多个二维像素逻辑单元阵列；放置在所述像素逻辑单元阵列的外围的数字控制逻辑区域； 放置在所述数字控制逻辑区域的外围的多个器件接触盘；以及 多个金属层，其配置成互连所述像素逻辑单元阵列与所述数字控制逻辑区域； 连接所述数字控制逻辑区域与所述多个器件接触盘；以及 互连所述像素逻辑单元阵列与二维多色发光像素阵列。
25.如权利要求24所述的结构，其中，顶部金属层由图案化为匹配待接合于其上的二 维多色发光像素阵列的像素接触盘的阵列构成。
26.如权利要求25所述的结构，其中，一个金属层包括多个单独功率和接地轨线以用 于分配功率和地线到所述数字控制逻辑区域；所述像素逻辑单元阵列；以及接合于所述像素接触盘的二维多色发光像素阵列。
27.如权利要求26所述的结构，其中，一个金属层包括用于分配数据、更新和清除信号 到所述像素逻辑单元的多个金属迹线。
28.如权利要求27所述的结构，其中，一个金属层包括用于分配负载和启动信号到所 述像素逻辑单元的多个单独金属迹线。
29.如权利要求28所述的结构，其中每个二维像素逻辑单元阵列包括多个逻辑电路， 其用于响应于由所述数字控制逻辑区域产生的启动信号选通到相应像素接触盘的功率； 以及响应于由所述数字控制逻辑区域产生的负载信号对接合于其上的二维多色发光 像素阵列的一个颜色锁存相应像素接触盘的下一个开关状态。
30.如权利要求29所述的结构，其中所述多个逻辑电路每个响应于由配套器件提供的限定接合于其上的二维多色发光像素阵列的相应像素接触 盘在输入时钟周期的持续时间内的开关状态的串行位流输入而产生每个相应像素逻辑单 元的启动和负载信号，所述串行位流和时钟输入通过所述多个器件接触盘路由到所述数字 控制逻辑区域。
31.一种投影机，包括采用多色激光发射像素的二维阵列的形式的发射多色数字图像形成器件；以及耦合于所述多色成像器器件的发射孔径以放大由所述发射多色数字图像形成器件形 成的图像尺寸的投影透镜组。
32.如权利要求31所述的投影机，还包括配套器件和印刷电路板，所述发射多色数字 图像形成器件和它的配套器件安装在其上，所述投影透镜组安装在适当位置以实现所述发 射多色数字图像形成器件的所述发射孔径的光学耦合。
33.如权利要求32所述的投影机，配置成接受数字图像或视频输入并且产生所述数字 图像或视频输入的多色光学图像或视频表示。
34.如权利要求33所述的投影机，配置成在正投影或背投影显示系统中使用以显示多 色图像或视频。
35.如权利要求33所述的投影机，配置成在移动平台中使用以显示多色图像或视频。
36.如权利要求33所述的投影机，配置成在近眼显示系统中使用以显示单色或多色图 像或视频。
37.如权利要求31所述的投影机，还包括配套器件，并且其中所述配套器件电耦合成 接收图像源数据并且转换所述图像源数据为构成所述发射多色图像形成器件的每个像素 的激光二极管的开关占空比值，所述配套器件包括颜色空间转换模块；均勻性校正模块，包括权重因子查找表；脉冲宽度调制转换模块；以及同步和控制模块。
38.如权利要求37所述的投影机，其中所述颜色空间模块配置成接收图像源数据并且 从源图像色域转换所述数据为所述发射多色图像形成器件固有色域，并且映射所转换的数 据为对于所述发射多色图像形成器件的激光二极管中的每个所需要的开关占空比值。
39.如权利要求37所述的投影机，其中所述均勻性校正模块配置成接收像素的激光二 极管开关占空比值并且应用所述均勻性模块查找表的权重因子以在投影的图像中提供颜 色和亮度均勻性。
40.如权利要求39所述的投影机，其中所述均勻性模块查找表的权重因子对于在所述 投影机中的具体发射多色数字图像形成器件是唯一的且如通过在所述发射多色数字图像 形成器件制造后的测试中所确定那样。
41.如权利要求37所述的投影机，其中所述同步和控制模块配置成接收源图像帧同步 信号并且转换所述源图像帧同步信号为像素脉冲宽度调制时钟信号。
42.如权利要求37所述的投影机，其中所述脉冲宽度调制模块配置成接收像素的激光 二极管中的每个的均勻性校正开关占空比值并且转换所述均勻性校正开关占空比值为表 示在由所述同步和控制模块产生的脉冲宽度调制时钟信号的持续时间内所述像素的激光二极管中的每个的开关状态的串行位流。
43.如权利要求37所述的投影机，其中所述投影机配置成采用直接颜色合成模式操 作，其中源图像像素的颜色和亮度值使用所述发射多色图像形成器件的固有色域直接合成 以用于所述源图像中的每个个体像素。
44.如权利要求37所述的投影机，其中所述投影机配置成采用顺序颜色合成模式操 作，其中源图像色域的基色首先使用所述发射多色图像形成器件的固有色域的基色来合成；以及所述源图像像素的颜色和亮度然后使用所述源图像色域的合成基色来顺序合成。
45.如权利要求37所述的投影机，其中所述投影机配置成在例如模拟器显示器和游戏 显示器等要求真实图像颜色渲染的宽色域应用中使用。
46.一种制作多色激光发射像素的二维阵列的方法，其中每个多色激光发射像素包括 垂直堆叠的多个激光二极管半导体结构，每个用于发射不同的颜色，其中在多色像素阵列 内具有将每个多色像素与相邻多色像素电和光分离的垂直侧壁的网格；以及多个垂直波 导，其光学耦合于所述激光二极管半导体结构以从所述激光二极管半导体结构的堆叠的第 一表面垂直发射由所述激光二极管半导体结构产生的激光；所述方法包括a)形成不同颜色的激光二极管半导体结构，每个具有下列半导体合金材料中的一种 或多种的多个半导体层AlxIni_xP、(AlxGaiJyliVyP、Gajrvf、AlxGai_xN、AlxGai_xN/GaN、 InxGai_xN、GaN，每个在GaAs、GaN或InGaN的厚衬底层上的单独晶圆上形成；每个包括相同 的相应半导体衬底层材料类型的n型蚀刻停止层和p型接触层；每个包括n型和p型波导 层和包层，它们限定它们相应的光学限制区域；每个具有至少一个被限定它们相应有源区 的两个势垒层围绕的量子阱；以及每个包括嵌入它们相应P型波导层内或在它们相应P型 波导和包层之间的电子阻挡层；b)在Si衬底晶圆上沉积Si02层；c)在所述Si02层上沉积n接触金属层；d)一个颜色的激光二极管半导体结构晶圆的p型接触层与沉积的n接触金属层进行晶 圆级接合并且向下蚀刻它的GaAs、GaN或InGaN厚衬底至它的n型蚀刻停止层；e)向下蚀刻具有垂直侧壁的槽的网格至所述n接触金属层并且用Si02回填该蚀刻的槽；f)蚀刻这些槽以用于垂直互连金属通孔并且用金属回填蚀刻的槽；g)沉积P接触金属层并且蚀刻所述侧壁槽；以及h)沉积另一个3102层；i)对于将包含在多色激光发射像素的所述二维阵列内的每个其他颜色的激光二极管 半导体结构重复b)至h)；j)沉积并且蚀刻金属层以形成接触盘并且用Si02再填充蚀刻的间隙； k)蚀刻开口通过所述Si衬底侧以用于所述垂直波导； 1)在开口的内壁上沉积薄包层；以及m)用介电材料回填剩余在所述薄包层内部的所述开口的内部或者将其留置然后填充6空气。
47. 一种制作发射多色数字图像形成器件的方法，包括a)形成多色激光发射像素的二维阵列的晶圆，由此每个多色激光发射像素包括垂直 堆叠的多个激光二极管半导体结构，每个用于发射不同的颜色，其中在多色像素阵列内具 有将每个多色像素与相邻多色像素电和光分离的垂直侧壁的网格；多个垂直波导，其光学 耦合于所述激光二极管半导体结构以从所述激光二极管半导体结构的堆叠的第一表面垂 直发射由所述激光二极管半导体结构产生的激光，以及多个向每个激光二极管半导体结构 提供电接触的接触盘；b)形成数字半导体结构的晶圆，每个数字半导体结构具有在相应数字半导体结构中的 多个数字半导体电路，每个数字半导体电路电耦合成从所述数字半导体结构的外围接收控 制信号并且电耦合于接触盘以单独控制可连接到其上的每个多色激光二极管半导体结构 的开关状态；c)将多色激光发射像素的二维阵列的晶圆和数字半导体结构的晶圆进行接触盘侧对 接触盘侧的晶圆级接合；d)蚀刻通过像素区域之间的所述光子半导体结构以暴露所述器件接触盘；以及e)将所述多晶圆切割成一个个芯片以形成多个发射多色数字图像形成器件。
全文摘要
由数字可寻址多色像素的空间阵列构成的发射量子光子成像器。每个像素是多个半导体激光二极管的垂直堆叠，每个半导体激光二极管可以产生不同颜色的激光。在每个多色像素内，从二极管的堆叠产生的光垂直于成像器器件的平面通过多个垂直波导发射，该垂直波导耦合于构成成像器器件的多个激光二极管中的每个的光学限制区域。构成单个像素的激光二极管中的每个是单独可寻址的，使每个像素能够以每个颜色的任何需要的开关占空比同时发射与激光二极管关联的颜色的任何组合。每个个体多色像素可以通过控制它们相应激光二极管的开关占空比同时发射需要的颜色和亮度值。
文档编号H01S5/10GK101874330SQ200880118773
公开日2010年10月27日 申请日期2008年9月16日 优先权日2007年9月27日
发明者A·J·兰佐内, D·A·麦克奈尔, H·S·艾尔-古鲁里, H·登贝尔, R·G·W·布朗 申请人:奥斯坦多科技公司