專利名稱：量子光子成像器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括可以在數(shù)字投影系統(tǒng)中用作圖像源的多色激光發(fā)射器的單片半 導(dǎo)體陣列的發(fā)射成像器器件(emissive imager device) 0
背景技術(shù)：
數(shù)字顯示技術(shù)的出現(xiàn)引起對(duì)數(shù)字顯示器的顯著需求。準(zhǔn)備好有若干顯示技術(shù)以解 決該需求包括等離子顯示板(PDP)、液晶顯示器(LCD)和基于成像器的投影顯示器(其使 用微反射鏡)、硅上液晶(LCOS)器件或高溫多晶硅(HTPS)器件(參考文獻(xiàn)[33])。對(duì)于本 發(fā)明的領(lǐng)域具有特別興趣的是基于投影的顯示器，其使用成像器器件，例如那些作為圖像 形成器件提到的成像器器件。這些類型的顯示器面對(duì)來自PDP和LCD顯示器的激烈競(jìng)爭(zhēng)并 且因此急切需要有效方法來提高它們的性能同時(shí)顯著降低它們的成本。在這些類型的顯示 器中主要的性能和成本推動(dòng)者是使用的成像器，例如微反射鏡、LCOS和HTPS器件等。作為 無源成像器(passive imager)，這樣的器件需要復(fù)雜的照明光學(xué)系統(tǒng)并且最終浪費(fèi)大部分 產(chǎn)生的光，這降低性能并且增加顯示系統(tǒng)的成本。本發(fā)明的目的是通過引入包括可以在數(shù) 字投影系統(tǒng)中用作圖像源的多色激光發(fā)射器的陣列的發(fā)射成像器器件來克服這樣的成像 器器件的缺點(diǎn)。圖IA和IB是在使用無源成像器的投影顯示系統(tǒng)中使用的典型投影機(jī)架構(gòu)100的 框示，該無源成像器分別例如使用包括微反射鏡的反射成像器或LCOS成像器器件的 那些(圖1A)和使用例如HTPS成像器器件等透射成像器的那些(圖1B)。一般而言，圖IA 的典型的投影顯示系統(tǒng)的投影機(jī)100由成像器110構(gòu)成，其由將光源130產(chǎn)生的光耦合到 成像器120的表面上的照明光學(xué)系統(tǒng)120來照射。光源130可以是產(chǎn)生白光的燈或半導(dǎo)體 光源，例如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管，其可以產(chǎn)生紅(R)、綠(G)或藍(lán)(B)光。在使用圖IA中圖示的反射成像器的投影機(jī)100的情況下，當(dāng)燈用作光源時(shí)，包含 R、G和B濾光器的色輪添加在照明光學(xué)系統(tǒng)和成像器之間以調(diào)制需要的顏色。當(dāng)半導(dǎo)體光 源與反射成像器結(jié)合使用時(shí)，顏色通過打開具有需要的顏色(是R、G或B)的半導(dǎo)體光源器 件來調(diào)制。在使用圖IB中圖示的透射成像器的投影機(jī)100的情況下，當(dāng)燈用作光源時(shí)，照明 光學(xué)系統(tǒng)120包括用于將燈產(chǎn)生的白光分裂成R、G和B光分束(light patch)(它們照射 三個(gè)HTPS成像器器件的背面)的光學(xué)裝置并且增加二向色棱鏡組件以將調(diào)制的R、G和B 光組合并且將它耦合在投影光學(xué)系統(tǒng)140上。投影光學(xué)系統(tǒng)140光學(xué)耦合于成像器110的表面并且驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備150電耦合于 成像器110。光學(xué)引擎通過調(diào)制由光源130產(chǎn)生的光的強(qiáng)度、使用成像器110且像素灰度作 為圖像數(shù)據(jù)輸入給驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備150而產(chǎn)生待投影的圖像。當(dāng)使用例如微反射鏡或LCOS成像器器件等反射成像器(圖1A)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備向成像器110提供像素灰度數(shù)據(jù)并且 使它的操作與色輪的R、G和B段(segment)的順序(當(dāng)白光燈用作光源時(shí))、或與打開R、 G或B半導(dǎo)體光源的順序同步。當(dāng)使用例如HTPS成像器器件等透射成像器時(shí)，驅(qū)動(dòng)電子設(shè) 備向成像器110提供像素灰度數(shù)據(jù)并且使R、G和B HTPS成像器器件中的每個(gè)的操作同步 以便調(diào)制每個(gè)像素的期望顏色強(qiáng)度(color intensity)。
典型地與光到成像器110表面上的耦合所關(guān)聯(lián)的損耗是顯著的因?yàn)樗鼈儼ㄅc 成像器110自身關(guān)聯(lián)的本征損耗(例如器件反射率或透射率值等)，加上與采集來自光源 130的光、將它準(zhǔn)直、過濾和中繼到成像器110的表面關(guān)聯(lián)的損耗。全體地這些損耗可以總 計(jì)達(dá)幾乎90% ；這意味著幾乎由光源130產(chǎn)生的光的90%會(huì)損耗掉。另外，在例如微反射鏡或LCOS成像器器件等反射成像器110的情況下，由反射像 素的空間陣列構(gòu)成的成像器110通過在照射特定顏色的時(shí)段期間改變每個(gè)個(gè)體像素的反 射開/關(guān)狀態(tài)而順序地調(diào)制耦合到它的像素化反射表面上的光的相應(yīng)顏色。實(shí)際上，典型 的現(xiàn)有技術(shù)反射成像器能夠僅調(diào)制耦合到它的像素化反射表面上的光的強(qiáng)度，引起利用由 光源130產(chǎn)生的光通量方面的極低效率的限制在產(chǎn)生的圖像上引入偽像，增加整個(gè)顯示系 統(tǒng)的復(fù)雜性和成本并且引入利用由光源130產(chǎn)生的光方面的低效率的又一個(gè)來源。此外反 射以及透射類型的成像器都遭受稱為“光子泄漏”的效應(yīng)，其引起光泄漏到離軸像素上，這 相當(dāng)大地限制了這些類型的成像器能夠獲得的對(duì)比度和黑色水平(black level)。如較早說明的，本發(fā)明的目的是通過引入包括可以在數(shù)字投影系統(tǒng)中用作圖像 源的多色激光發(fā)射器的陣列的發(fā)射成像器器件來克服現(xiàn)有技術(shù)成像器的缺點(diǎn)。盡管半導(dǎo) 體激光二極管最近已經(jīng)成為用于在圖IA的投影機(jī)100中使用的備選光源130 (參考文獻(xiàn) [1]-[4])以照射例如微反射鏡成像器器件等反射成像器110，半導(dǎo)體激光二極管作為光源 的使用沒有幫助克服上文論述的現(xiàn)有技術(shù)成像器的任何缺點(diǎn)。另外存在許多現(xiàn)有的技術(shù)， 其描述使用被掃描的激光束產(chǎn)生投影像素的投影顯示器(參考文獻(xiàn)[5]_[6])。現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)[7]描述包括單獨(dú)可尋址激光像素(laser pixel)的二維陣列 的激光圖像投影機(jī)，激光像素每個(gè)是由有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)泵浦的有機(jī)垂直腔激光器 (organic vertical cavity laser) 0在現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)[7]中描述的激光圖像投影機(jī) 的像素亮度可能會(huì)是由泵浦光源(pumping light source)提供的亮度中的一小部分，該泵 浦光源是基于OLED的光源，其不可能會(huì)提供足夠的光量，致使由現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)[7]的 激光投影機(jī)產(chǎn)生的亮度幾乎無法足夠在大多數(shù)投影顯示應(yīng)用中具有實(shí)際用途。盡管存在許多描述激光器陣列的現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)(參考文獻(xiàn)[8]_[30])，沒有 發(fā)現(xiàn)教導(dǎo)在成像器器件中使用多色激光發(fā)射器作為像素的現(xiàn)有技術(shù)。如在下列詳細(xì)說明中 將變得明顯的，本發(fā)明涉及通過在光和電上分離單片分層的激光發(fā)射半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的堆疊而 形成的多色激光像素的單獨(dú)可尋址陣列。關(guān)于創(chuàng)建光和電分離的(隔離的)半導(dǎo)體激光發(fā) 射器陣列，參考文獻(xiàn)[10]教導(dǎo)了用于形成單波長(zhǎng)激光半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)具有通過 移除發(fā)光區(qū)域之間的材料或通過鈍化半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的發(fā)光器之間的區(qū)域而形成的在發(fā)光區(qū) 域之間的隔離區(qū)域(即物理屏障)。然而，在參考文獻(xiàn)[10]中描述的這些方法只可以用于 創(chuàng)建在從700至SOOnm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的單獨(dú)可尋址的單波長(zhǎng)激光發(fā)射器的一維線性陣列。關(guān)于創(chuàng)建單獨(dú)可尋址的多色激光發(fā)射器的陣列，參考文獻(xiàn)[21]描述紅色和藍(lán)色 激光器結(jié)構(gòu)的邊緣發(fā)射陣列。盡管參考文獻(xiàn)[21]針對(duì)多色激光器結(jié)構(gòu)，但它僅涉及邊緣發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的雙色一維線性陣列。盡管參考文獻(xiàn)[22]描述使用垂直腔表面發(fā)射激光(VCSEL) 二極管的陣列的顯示系統(tǒng)，但由于在參考文獻(xiàn)[22]中描述的VCSEL 二極管的固有尺寸，所描述的方法由于它使 用的多色VCSEL 二極管(它們并排設(shè)置在相同平面中形成像素陣列)的固有尺寸而會(huì)趨于 產(chǎn)生相當(dāng)大的像素尺寸，從而致使它不可作為成像器器件使用。鑒于當(dāng)前可用的成像器器件的前述缺點(diǎn)，克服這樣的弱點(diǎn)的成像器一定會(huì)具有相 當(dāng)大的商業(yè)價(jià)值。因此本發(fā)明的目的是提供包括可以在數(shù)字投影系統(tǒng)中用作圖像源的多色 激光發(fā)射器的單片半導(dǎo)體2維陣列的發(fā)射成像器器件。本發(fā)明另外的目的和優(yōu)勢(shì)將從下列 與參照附圖一起進(jìn)行的其的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明變得明顯。參考文獻(xiàn)美國(guó)專利文件[1]US Patent No. 6，975，366B2，F(xiàn)lint，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，F(xiàn)loyd, 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
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本發(fā)明在附圖的圖表中通過示例的方式而非限制的方式說明，附圖中相同的標(biāo)號(hào) 指相似的元件。圖IA和IB圖示現(xiàn)有技術(shù)成像器的投影顯示器架構(gòu)背景。圖2A圖示本發(fā)明的量子光子成像器(Quantum Photonic imager)器件的等視軸 圖(isometric view)。圖2B圖示構(gòu)成本發(fā)明的量子光子成像器器件的發(fā)射表面的多色像素的等視軸 圖。圖2C圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的頂視圖。圖2D圖示本發(fā)明的備選量子光子成像器器件的等視軸圖。圖3圖示多色像素激光器堆疊的橫截面視圖。 圖4A圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的紅色激光二極管結(jié)構(gòu)的詳細(xì)橫截面視 圖。圖4B圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的綠色激光二極管結(jié)構(gòu)的詳細(xì)橫截面視 圖。圖4C圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)的詳細(xì)橫截面視 圖。
圖4D圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的備選紅色激光二極管結(jié)構(gòu)的詳細(xì)橫截 面視圖。圖5A圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的紅色激光二極管結(jié)構(gòu)的能帶圖。圖5B圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的綠色激光二極管結(jié)構(gòu)的能帶圖。圖5C圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)的能帶圖。圖6A圖示多色像素側(cè)壁的水平橫截面視圖。圖6B圖示多色像素側(cè)壁的垂直橫截面視圖。圖6C圖示多色像素側(cè)壁接觸通孔布局。
圖7圖示多色像素接觸盤(contact pad)布局。圖8A圖示多色像素輸出波導(dǎo)的垂直橫截面視圖。圖8B圖示多色像素輸出波導(dǎo)的水平橫截面視圖。圖9A圖示由本發(fā)明的多色激光成像器發(fā)射的光的強(qiáng)度輪廓。圖9B圖示本發(fā)明的多色激光成像器的垂直波導(dǎo)可以設(shè)置而成多種圖案。圖IOA圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直橫截面。圖IOB圖示使本發(fā)明的量子光子成像器器件的光子和數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)接口的接 觸金屬層的布局。圖IOC圖示在本發(fā)明的量子光子成像器器件內(nèi)用于功率信號(hào)的金屬層的布局。圖IOD圖示在本發(fā)明的量子光子成像器器件內(nèi)用于路由負(fù)載(load)和啟動(dòng) (enable)信號(hào)的金屬層的布局。圖IOE圖示在本發(fā)明的量子光子成像器器件內(nèi)用于路由數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的金屬 層的布局。圖IlA圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的數(shù)字控制邏輯。圖IlB圖示與構(gòu)成本發(fā)明的量子光子成像器器件的每個(gè)像素關(guān)聯(lián)的數(shù)字邏輯單兀。圖12圖示用于制造本發(fā)明的量子光子成像器器件的半導(dǎo)體工藝流程。圖13圖示使用本發(fā)明的量子光子成像器器件作為數(shù)字圖像源的示范性投影機(jī)的 橫截面視圖。圖14A圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的色域(color gamut)。圖14B圖示使用本發(fā)明的量子光子成像器器件的示范性像素的合成。圖15A圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件的圖像數(shù)據(jù)處理器相伴器件的框圖。圖15B圖示量子光子成像器器件時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的下列詳細(xì)說明中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的提及意思是與實(shí)施例 有關(guān)的描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。在該詳細(xì)說明的 各種不同地方中短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”的出現(xiàn)不必定都是指相同的實(shí)施例。發(fā)射成像器在本文中描述。在下列說明中，為了解釋的目的，闡述許多具體細(xì)節(jié)以 便提供本發(fā)明的全面理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將是明顯的，本發(fā)明可以采用不同 的特定細(xì)節(jié)而實(shí)施。在其他情況下，結(jié)構(gòu)和器件采用框圖形式示出以便避免使本發(fā)明模糊不清。QPI 架構(gòu)本文描述的稱為“量子光子成像器”(QPI)的發(fā)射多色數(shù)字圖像形成器件是包括多 色激光發(fā)射器的單片陣列的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的量子光子成像器由多個(gè)發(fā)射多色像素構(gòu) 成，由此在一個(gè)實(shí)施例 中每個(gè)像素包括紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)發(fā)光激光二極管的堆疊。每 個(gè)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過多個(gè)垂直波導(dǎo)(其光學(xué)地 耦合于構(gòu)成每個(gè)像素的每個(gè)R、G和B激光二極管的光學(xué)限制區(qū)域)發(fā)射。構(gòu)成量子光子成 像器器件的多個(gè)像素由絕緣半導(dǎo)體材料的側(cè)壁在光和電上分離，電互連(通孔)嵌入在該 絕緣半導(dǎo)體材料中，這些電互連用于路由電流到每個(gè)像素的組成激光二極管。構(gòu)成量子光 子成像器器件的多個(gè)像素中的每個(gè)像素電耦合于控制邏輯電路，其路由(使能夠)電流信 號(hào)到它的組成紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)激光二極管中的每個(gè)。與多個(gè)像素關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)邏輯電 路形成驅(qū)動(dòng)邏輯陣列，其與紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)激光二極管的堆疊接合在一起以形成多 色激光像素和驅(qū)動(dòng)電路的單片陣列。圖2A、2B和2C圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件200的優(yōu)選實(shí)施例。圖2A圖示 量子光子成像器器件200的等視軸圖，而圖2B圖示其中一個(gè)它的組成像素230的等視軸圖 并且圖2C是示出構(gòu)成量子光子成像器器件200的像素230的陣列和放置在像素陣列外圍 的數(shù)字控制邏輯229的頂視示。如在圖2A中圖示的，量子光子成像器器件200將由兩個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成即光子 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210和數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210和220通過芯片級(jí)接合或晶圓級(jí) 接合而接合在一起以形成在圖2A中圖示的量子光子成像器器件200。構(gòu)成量子光子成像 器器件200的兩個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步由多個(gè)半導(dǎo)體層構(gòu)成。如在圖 2A中圖示的，量子光子成像器器件200的數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220在表面面積上將典型地大于 光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210以允許數(shù)字控制邏輯229和焊盤(bonding pad) 221放置成可在該器 件的頂側(cè)被接入，功率和圖像數(shù)據(jù)信號(hào)通過數(shù)字控制邏輯229和焊盤221而提供給該器件。 光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210由多個(gè)發(fā)射多色像素構(gòu)成而數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220由向光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 210提供功率和控制信號(hào)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)邏輯電路構(gòu)成。圖2B是構(gòu)成本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的量子光子成像器器件200的其中一個(gè)像素230 的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面等視軸圖示。如在圖2B中圖示的，每個(gè)像素230將具有提供相鄰像素 之間的光和電分離的側(cè)壁235。如將在隨后的段落中更詳細(xì)說明的，向像素230的光子半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)210部分供應(yīng)功率信號(hào)所需要的電互連將嵌入像素側(cè)壁235內(nèi)。如在圖2B的像素等視軸剖視圖中圖示的，在像素230內(nèi)部之內(nèi)的光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 210的部分將由垂直堆疊的半導(dǎo)體襯底240、紅(R)激光二極管多層231、綠(G)激光二極 管多層232和藍(lán)(B)激光二極管多層233構(gòu)成。構(gòu)成量子光子成像器器件200的每個(gè)像素 230的激光將在垂直于該器件頂面的平面的方向(在下文中稱為垂直方向)上通過多個(gè)垂 直波導(dǎo)290而發(fā)射，每個(gè)垂直波導(dǎo)290光學(xué)耦合于每個(gè)激光二極管231、232和233的光學(xué) 諧振器(optical resonator)(或光學(xué)限制區(qū)域)。多個(gè)垂直波導(dǎo)290將形成激光發(fā)射器陣 列，其限定構(gòu)成本發(fā)明的量子光子成像器器件200的每個(gè)像素230的激光發(fā)射橫截面(或 光學(xué)特性)。垂直堆疊激光二極管231、232和233并且使垂直波導(dǎo)290與堆疊的激光二極 管231、232和233中每個(gè)的光學(xué)諧振器(或光學(xué)限制區(qū)域)光學(xué)耦合的本發(fā)明的新方法將使這些激光二極管產(chǎn)生的多色激光能夠通過垂直波導(dǎo)290的陣列而發(fā)射，從而使構(gòu)成本發(fā) 明的量子光子成像器器件200的像素230成為發(fā)射多色激光像素。圖2C是示出包括多色像素230的2維陣列(形成該器件的發(fā)射表面)的光子半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的頂部和延伸超出光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的區(qū)域以給予器件焊盤221需要的面 積和器件控制邏輯229的布局面積的數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220的頂部的頂視示。本發(fā)明的 量子光子成像器200的優(yōu)選實(shí)施例的像素230的典型尺寸將在10 X 10微米的范圍中，使提 供VGA分辨率(640 X 480像素)的量子光子成像器器件200的發(fā)射表面是6. 4X4. 8mm。光 子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的實(shí)際尺寸在每側(cè)上將延伸超出發(fā)射表面面積幾個(gè)附加像素，使光子半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的典型尺寸在6. 6X5mm的范圍中并且數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220將延伸超出該面 積以給予控制邏輯229和器件焊盤221的布局面積，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的范圍中。已經(jīng)描述本發(fā)明的量子光子成像器器件200的下面的架構(gòu)，下列段落提供它的組 成部件及其制造方法的詳細(xì)說明。QPI半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖3是形成本發(fā)明的量子光子成像器器件200的半導(dǎo)體多結(jié)構(gòu)的橫截面視 示。相同的標(biāo)號(hào)用于相同的項(xiàng)目，然而在像素230形成之前紅、綠和藍(lán)激光二極管半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)將分別稱為多層激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270。根據(jù)本發(fā)明的量子光子成像器器件200的制造方法的優(yōu)選實(shí)施例，多層激光二極 管結(jié)構(gòu)250、260和270將使用適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體工藝單獨(dú)制造為半導(dǎo)體晶圓，然后后處理以形 成晶圓尺寸多層堆疊光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210，其包含如在圖3中圖示的金屬和絕緣層。晶圓尺 寸多層堆疊光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210然后將進(jìn)一步后處理以形成像素的側(cè)壁235 (其構(gòu)形激光 二極管231、232和233)和像素的垂直波導(dǎo)290，如在圖2B中圖示的。此外，數(shù)字半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)220將也使用適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體工藝單獨(dú)制造為半導(dǎo)體晶圓，然后與多層堆疊光子半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)210晶圓級(jí)或芯片級(jí)接合以形成在圖2A中圖示的量子光子成像器器件200。下列段落描 述多層激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270和數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220的詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)范以及形成本 發(fā)明的量子光子成像器器件200需要的晶圓后處理和制造流程的詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)范。圖3的圖示示出由半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210和220構(gòu)成的量子光子成像器器件200，其中 這兩個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的每個(gè)進(jìn)一步由多個(gè)半導(dǎo)體層構(gòu)成。如在圖3中圖示的，光子半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)210由硅(Si)襯底240和由電介質(zhì)絕緣體(例如二氧化硅(SiO2))的層241、251、261 和271分離的三個(gè)多層激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270的堆疊構(gòu)成，該電介質(zhì)絕緣體每個(gè) 優(yōu)選地150-200nm厚，其提供三個(gè)多層激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270每個(gè)之間的頂部和 底部電絕緣。光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210內(nèi)還包括分別構(gòu)成紅色多層激光二極管250的ρ接觸和η接 觸金屬層的金屬層252和253、分別構(gòu)成綠色多層激光二極管260的ρ接觸和η接觸金屬 層的金屬層262和263以及分別構(gòu)成藍(lán)色多層激光二極管270的ρ接觸和η接觸金屬層的 金屬層272和273。每個(gè)金屬層252、253、262、263、272和273優(yōu)選地是150_200nm厚的半 導(dǎo)體互連金屬化層，其具有低電子遷移和應(yīng)力遷移特性，例如金錫(Au-Sn)或金鈦(Au-Ti) 多層金屬化等。金屬化層252、253、262、263、272和273將還包括擴(kuò)散勢(shì)壘(diffusion barrier)，其將防止金屬化層過度擴(kuò)散進(jìn)入絕緣層241、252、261和271。
如在圖3中圖示的，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210和220之間的界面在光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210側(cè) 是金屬層282，而在數(shù)字控制結(jié)構(gòu)220側(cè)是金屬層222。金屬層282和222都將蝕刻以在兩 個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210和220之間包含電互連焊盤。金屬層222還將包含器件焊盤221。絕緣層241、251、261和271以及金屬化層252、253、262、263、272和273將使用例 如化學(xué)氣相沉積(CVD)等典型的半導(dǎo)體氣相沉積工藝沉積。兩層241和252將直接沉積在 Si襯底層240上，并且所得的多層堆疊240-241-252然后使用直接晶圓接合、擴(kuò)散接合或陽(yáng) 極接合技術(shù)或類似技術(shù)晶圓級(jí)接合到紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250的ρ層。所得的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)然后用作襯底，層253、251和262將使用例如CVD或類似 技術(shù)等氣相沉積技術(shù)沉積在其上，并且所得的多層堆疊240-241-252-250-253-251-262然 后用直接晶圓接合、擴(kuò)散接合或陽(yáng)極接合技術(shù)或類似技術(shù)晶圓級(jí)接合到綠色激光二極管結(jié) 構(gòu)260的ρ層，以及移除綠色激光二極管之前在其上形成的襯底。所得的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)然后用作襯底，層263、261和272將使用例如CVD或類似 技術(shù)等氣相沉積技術(shù)沉積在其上，并且所得的多層堆疊240-241-252-250-253-251-262-26 0-263-261-272然后用直接晶圓接合、擴(kuò)散接合、陽(yáng)極接合技術(shù)或類似技術(shù)晶圓級(jí)接合到藍(lán) 色激光二極管結(jié)構(gòu)270的ρ層，以及移除藍(lán)色激光二極管之前在其上形成的襯底。所得的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)然后用作襯底，層273、271和282將使用例如CVD或類似 技術(shù)等氣相沉積技術(shù)沉積在其上。金屬層282然后使用半導(dǎo)體光刻工藝蝕刻以形成焊盤圖 案并且蝕刻的區(qū)域用絕緣體材料(優(yōu)選地SiO2)重新填充并且表面然后被拋光和清潔。所 得的光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210然后使用倒裝芯片接合技術(shù)晶圓級(jí)接合到數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220的 對(duì)應(yīng)焊盤表面。激光二極管多層結(jié)構(gòu)每個(gè)多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)250、260和270將是使用眾所周知的外延沉積工藝(通常稱 為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD))各自在它自己的襯底上作為獨(dú)立晶圓生長(zhǎng)的多量子阱 (MQff)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光二極管。還可以使用例如液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)、 金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)、氫化物氣相外延(HVPE)、氫化物金屬有機(jī)氣相外延(H-MOVPE) 等其他沉積工藝或其他已知的晶體生長(zhǎng)工藝。紅色激光二極管圖4A圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件200的紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250的多層 橫截面的示范性實(shí)施例。圖4A的多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是基于磷化物的，其中它的參數(shù)選擇成 使得由紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250產(chǎn)生激光將具有615nm的主波長(zhǎng)。如在圖4A中示出的， 厚度IOOnm的η摻雜GaAs的襯底移除蝕刻停止層412在厚(大約2000nm)GaAS襯底410 上生長(zhǎng)，GaAs襯底410如較早說明的將在紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250晶圓級(jí)接合到多層堆疊 240-241-252后被蝕刻掉。η摻雜GaAs蝕刻停止層412將具有大約8X IO18CnT3的硅(Si) 或硒(Se)摻雜。厚GaAs襯底用于確保在其上高質(zhì)量印i層的生長(zhǎng)。在襯底移除蝕刻停止層412上沉積η型Ala5Ina5P或(Ala7Gaa3)a5Ina5超晶格 (SL)的包層414，其將典型地是120nm厚并且具有1 X 1018cm_3的Si或Se摻雜。在包層414 上沉積IOOnm厚η型(Ala55Gaa45)a5Ina5P波導(dǎo)層416，其將典型地被硅(Si)或硒(Se)摻 雜到至少lX1018cm_3。在波導(dǎo)層416上沉積由多個(gè)Gaa6Ina4P量子阱層420構(gòu)成的紅色激 光二極管250的有源區(qū)(active region) 421，這些量子阱層420被圍在Ala5Ina5P勢(shì)壘層
15418內(nèi)，它們分別典型地以最小0.01 X IO18CnT3禾口 0. 1 X IO18CnT3的水平被硅(Si)或硒(Se) 摻雜。如在圖4A中示出的，量子阱層420和勢(shì)壘層418的厚度分別選擇為4. Snm和4nm，然 而這些層的厚度可以增加或減小以便精細(xì)調(diào)整紅色激光二極管250的發(fā)射特性。盡管圖4A示出由三個(gè)量子阱構(gòu)成的紅色激光二極管250的有源區(qū)421，使用的量 子阱的數(shù)量可以增加或減小以便精細(xì)調(diào)整紅色激光二極管250的發(fā)射特性。此外，紅色激 光二極管250的有源區(qū)421還可以由大量的量子線或量子點(diǎn)代替量子阱構(gòu)成。在有源區(qū)421上面沉積140nm厚ρ型(Ala55Gaa45)a5Ina5P波導(dǎo)層422，其將典型 地以至少IXlO18Cnr3的水平被鎂(Mg)摻雜。在波導(dǎo)層422上沉積23nm厚Ala5Ina5P反隧 穿層(anti-turmeling layer) 424，其具有至少1 X IO18CnT3的鎂摻雜水平。在反隧穿層424 上沉積厚度25nm的電子阻擋層(electron blocker layer) 426，其由Gaa5Ina5P量子阱和 Ala5Ina5P勢(shì)壘的交替層構(gòu)成，Gaa5Ina5P量子阱和Ala5Ina5P勢(shì)壘每個(gè)以至少IX 1018cm_3 的水平被鎂摻雜。電子阻擋層426被包含以便減小電子漏電流，其將減小紅色激光二極管 結(jié)構(gòu)250的閾值電流和運(yùn)行溫度。在電子阻擋層426 上沉積 120nm 厚 ρ 型 Ala 5Ιη0.5Ρ 或(Ala 7Ga0.3) 0.5In0.5SL包層 428， 其將典型地以至少0. 5 X IO18CnT3的水平被鎂摻雜。在包層428上沉積IOOnm厚ρ型GaAs 接觸層429，其將以至少IX IO18CnT3的水平被鎂重?fù)诫s。如較早說明的，接觸層429將是用 于紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250和多層堆疊240-241-252的晶圓級(jí)接合的界面層。多層416-421-422對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員稱為紅色激光二極管250的光學(xué)諧振 器或光學(xué)限制區(qū)域，由MQW有源區(qū)421產(chǎn)生的紅色激光將被限制在其內(nèi)。如將在隨后的段 落中說明的，由紅色激光二極管250產(chǎn)生的光將從量子光子成像器器件200的表面通過垂 直波導(dǎo)290垂直發(fā)射，該垂直波導(dǎo)290光學(xué)耦合于紅色激光二極管250的光學(xué)限制多層 416-421-422。綠色激光二極管圖4Β圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件200的綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260的多層 橫截面的示范性實(shí)施例。圖4Β的多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是基于氮化物的，其中它的參數(shù)選擇成使 得由綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260產(chǎn)生激光將具有520nm的主波長(zhǎng)。如在圖4B中示出的，厚度 IOOnm并且以6 X IO18CnT3的Si摻雜的η摻雜Inatl5Gaa95N的襯底移除蝕刻停止層432在厚 GaN襯底430上生長(zhǎng)，其如較早說明的該厚GaN襯底430將在綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260晶圓 級(jí)接合到多層堆疊240-241-252-250-253-251-262后被蝕刻掉。η摻雜Inatl5Gaa95N蝕刻停 止層432將具有6Χ IO18CnT3的硅(Si)摻雜。盡管圖4Β示出是GaN的襯底430，InGaN材 料合金也可以用于襯底430。在襯底移除蝕刻停止層432上沉積η型Ala 18Ga0.82N/GaN SL的包層434，其將典 型地是451nm厚并且具有2X 1018cm_3的Si摻雜。在包層434上沉積98. 5nm厚η型GaN 波導(dǎo)層436，其將典型地以6. 5 X IO18CnT3的水平被Si摻雜。在波導(dǎo)層436上沉積由多個(gè) Ina 535Gaa 465N量子阱層450構(gòu)成的綠色激光二極管260的有源區(qū)，該量子阱層450每個(gè)以 0. 05 X IO18cnT3的水平被Si摻雜并且被圍在Inao4Gaa96N勢(shì)壘層438 (每個(gè)以6. 5 X IO18cnT3 的水平被Si摻雜)內(nèi)。如在圖4Β中示出的，量子阱層450和勢(shì)壘層438的厚度分別選擇 為5. 5nm和8. 5nm,然而這些層的厚度可以增加或減小以便精細(xì)調(diào)整綠色激光二極管260的 發(fā)射特性。
盡管圖4B示出由三個(gè)量子阱構(gòu)成的綠色激光二極管260的有源區(qū)431，使用的量 子阱的數(shù)量可以增加或減小以便精細(xì)調(diào)整綠色激光二極管260的發(fā)射特性。此外，綠色激 光二極管260的有源區(qū)431還可以由大量的量子線或量子點(diǎn)代替量子阱構(gòu)成。在有源區(qū)431上面沉積8. 5nm厚ρ型GaN波導(dǎo)層452，其將典型地以50 X IO18CnT3 的水平被鎂(Mg)摻雜。在波導(dǎo)層452上沉積20nm厚Ala2Gaa8N電子阻擋層454，其具有大 約100X IO18CnT3的鎂(Mg)摻雜水平。電子阻擋層454被包含以便減小電子漏電流，其將減 小綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260的閾值電流和運(yùn)行溫度。在電子阻擋層454上面沉積90nm厚ρ型GaN波導(dǎo)層456，其將典型地以 75X IO1W3的水平被鎂(Mg)摻雜。在波導(dǎo)層456上沉積45Inm厚ρ型Al0.18Ga0.82N/GaN SL包層458，其將典型地以75 X IO18CnT3的水平被鎂摻雜。在包層458上沉積IOOnm厚ρ型 GaN接觸層459，其以75 X IO18CnT3的水平被鎂(Mg)摻雜。如較早說明的，接觸層459將是 用于綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260和多層堆疊240-241-252-250-253-251-262的晶圓級(jí)接合的 界面層。多層436-431-452對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知為綠色激光二極管260的光學(xué)諧振 器或光學(xué)限制區(qū)域，由MQW有源區(qū)431產(chǎn)生的綠色激光將被限制在其內(nèi)。如將在隨后的段 落中說明的，由綠色激光二極管260產(chǎn)生的光將從量子光子成像器器件200的表面通過光 學(xué)耦合于綠色激光二極管260的光學(xué)限制多層436-431-452的垂直波導(dǎo)290垂直發(fā)射。藍(lán)色激光二極管圖4C圖示本發(fā)明的量子光子成像器器件200的藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270的多層 橫截面的示范性實(shí)施例。圖4C的多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是基于氮化物的，其中它的參數(shù)選擇成使 得由藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270產(chǎn)生的激光將具有460nm的主波長(zhǎng)。如在圖4C中示出的，厚 度IOOnm以6X IO18CnT3的水平Si摻雜的η摻雜Inatl5Gaa95N的襯底移除蝕刻停止層462在 厚GaN襯底460上生長(zhǎng)，該厚GaN襯底460如較早說明的將在藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270晶 圓級(jí)接合到多層堆疊240-241-252-250-253-251-262-260-263-261-272后蝕刻掉。η摻雜 InaC15Gaa95N蝕刻停止層462將具有6 X IO18CnT3的硅(Si)摻雜。盡管圖4C示出是GaN的襯 底460，InGaN材料合金也可以用于襯底460。在襯底移除蝕刻停止層462上沉積η型Ala 18Ga0.82N/GaN SL的包層464，其將典型 地是45Inm厚并且具有2 X IO18CnT3的Si摻雜。在包層464上沉積98. 5nm厚η型GaN波導(dǎo)層 466，其將典型地以6. 5 X IO1W3的水平被Si摻雜。在波導(dǎo)層466上沉積由多個(gè)Ina41Gaa59N 量子阱層470構(gòu)成的藍(lán)色激光二極管270的有源區(qū)，該量子阱層470每個(gè)以0. 05Χ 1018cm_3 的水平被Si摻雜并且被圍在每個(gè)以6. 5 X IO18CnT3的水平Si摻雜的Intl.C14Gaa96N勢(shì)壘層468 內(nèi)。如在圖4C中示出的，量子阱層470和勢(shì)壘層468的厚度分別選擇為5. 5nm和8. 5nm，然 而這些層的厚度可以增加或減小以便精細(xì)調(diào)整藍(lán)色激光二極管270的發(fā)射特性。盡管圖4C示出由三個(gè)量子阱構(gòu)成的藍(lán)色激光二極管270的有源區(qū)461，使用的量 子阱的數(shù)量可以增加或減小以便精細(xì)調(diào)整藍(lán)色激光二極管270的發(fā)射特性。此外，藍(lán)色激 光二極管270的有源區(qū)461還可以由大量的量子線或量子點(diǎn)代替量子阱構(gòu)成。在有源區(qū)461上面沉積8. 5nm厚ρ型GaN波導(dǎo)層472，其將典型地以50 X IO18CnT3 的水平被鎂(Mg)摻雜。在波導(dǎo)層472上沉積20nm厚Ala2Gaa8N電子阻擋層474，其具有大 約100X IO18CnT3的鎂(Mg 摻雜水平。電子阻擋層474被包含以便減小電子漏電流，其將減小藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270的閾值電流和運(yùn)行溫度。在電子阻擋層474上面沉積90nm厚ρ型GaN波導(dǎo)層476，其將典型地以 75X IO18CnT3的水平被鎂(Mg)摻雜。在波導(dǎo)層476上沉積45Inm厚ρ型Alai8Gaa82N/GaN SL 包層478，其將典型地以75X IO18CnT3的水平被鎂摻雜。在包層478上沉積IOOnm厚ρ型GaN接觸層479，其以75 X IO18CnT3的水平被鎂摻雜。如較早說明的，接觸層479將是用于藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270和多層堆疊240-241-25 2-250-253-251-262-260-263-261-272 的晶圓級(jí)接合的界面層。多層466-461-472對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知為藍(lán)色激光二極管270的光學(xué)諧振 器或光學(xué)限制區(qū)域，由MQW有源區(qū)461產(chǎn)生的藍(lán)色激光將被限制在其內(nèi)。如將在隨后的段 落中說明的，由藍(lán)色激光二極管270產(chǎn)生的光將從量子光子成像器器件200的表面通過光 學(xué)耦合于藍(lán)色激光二極管270的光學(xué)限制多層466-461-472的垂直波導(dǎo)290垂直發(fā)射。量子光子成像器器件200的多層紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250的基于氮化物的備選示 范性實(shí)施例在圖4D中圖示。作為基于氮化物的，圖4D的多層紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250的 備選示范性實(shí)施例將具有與圖4Β的基于氮化物的綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260和圖4C的藍(lán)色 激光二極管結(jié)構(gòu)270類似的設(shè)計(jì)規(guī)定，其中不同的是它的層參數(shù)將選擇成使得產(chǎn)生的激光 將具有615nm的主波長(zhǎng)。圖4D的備選的基于氮化物的多層紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250將通 過增加多個(gè)量子阱419的銦含量到0. 68而成為可能。盡管圖4D示出由三個(gè)量子阱構(gòu)成的 它的有源區(qū)，使用的量子阱的數(shù)量可以增加或減小以便精細(xì)調(diào)整紅色激光二極管250的發(fā) 射特性。此外，在圖4D中圖示的紅色激光二極管250的備選示范性實(shí)施例的有源區(qū)還可以 由大量的量子線或量子點(diǎn)代替量子阱構(gòu)成。盡管圖4D示出是GaN的襯底480，InGaN材料 合金也可以用于襯底480。QPI 色域如將隨后說明的，由量子光子成像器器件200的前述示范性實(shí)施例中對(duì)激光二極 管250、260和270指定的三個(gè)顏色所限定的色域?qū)@得相對(duì)于例如HDTV和NTSC等彩色圖 像顯示器的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展色域(寬色域)。具體地，在量子光子成像器器件200的前述示 范性實(shí)施例中對(duì)激光二極管250、260和270指定的三個(gè)顏色將獲得差不多是由NTSC標(biāo)準(zhǔn) 限定的色域的200%的色域。由本發(fā)明的量子光子成像器器件200獲得的色域可以通過增加包含在光子半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)210內(nèi)的激光二極管的數(shù)量超出在前述示范性實(shí)施例中對(duì)激光二極管250、260和 270指定的三個(gè)顏色而進(jìn)一步擴(kuò)展成包括超過可見色域的90%以獲得超寬色域能力。具體 地當(dāng)構(gòu)成量子光子成像器器件200的堆疊激光二極管的數(shù)量增加至包括黃色(572nm)激光 二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(其放置在紅色和綠色激光二極管結(jié)構(gòu)250和260之間)和青色(488nm) 激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(其放置在綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260和藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270之 間)從而使量子光子成像器器件200由涵蓋紅色(615nm)、黃色(572nm)、綠色(520nm)、青 色(488nm)和藍(lán)色(460nm)的波長(zhǎng)的五個(gè)激光二極管結(jié)構(gòu)的堆疊構(gòu)成時(shí)，由量子光子成像 器器件200發(fā)射的光的色域可以進(jìn)一步擴(kuò)展成獲得超寬色域。通過該五個(gè)激光二極管半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的堆疊，本發(fā)明的量子光子成像器器件200將能夠產(chǎn)生涵蓋超過可見色域的 90%的超寬色域。盡管在量子光子成像器器件200的光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的前述示范性實(shí)施例中，激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270的波長(zhǎng)分別選擇為615nm、520nm和460nm，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人 員將知道如何使用除對(duì)前述示范性實(shí)施例的激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270選擇的那些之 外的其他的波長(zhǎng)值來遵照本發(fā)明的教導(dǎo)。此外，盡管在量子光子成像器器件200的前述示 范性實(shí)施例中，光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210由三個(gè)激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270構(gòu)成，本領(lǐng)域內(nèi) 技術(shù)人員將知道如何使用超過三個(gè)激光二極管結(jié)構(gòu)來遵照本發(fā)明的教導(dǎo)。此外，盡管在量 子光子成像器器件200的前述示范性實(shí)施例中，光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210由采用在圖3中圖示 的順序堆疊的三個(gè)激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270構(gòu)成，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將知道如何采 用以不同順序堆 疊的激光二極管結(jié)構(gòu)來遵照本發(fā)明的教導(dǎo)。激光二極管能帶圖5A、圖5B和圖5C分別圖示基于磷化物的紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250和基于氮化 物的綠色激光二極管260和藍(lán)色激光二極管270的前述示范性實(shí)施例的能帶。在圖5A、圖 5B和圖5C中示出的能帶從左到右圖示每層的厚度以及從底部到頂部圖示能量。厚度和能 級(jí)意在示出定性值而不是確切厚度和能級(jí)的定量測(cè)量。然而，在圖5A、圖5B和圖5C中的標(biāo) 號(hào)分別對(duì)應(yīng)于在圖4A、圖4B和圖4C中的層的標(biāo)號(hào)。如這些示的，ρ型和η型包層的能 級(jí)在能量上限制P型和η型波導(dǎo)層以及多個(gè)量子阱能級(jí)(quantum well level)。因?yàn)槎鄠€(gè) 量子阱的能級(jí)代表局部低的能級(jí)，如在圖5A、圖5B和圖5C中圖示的，電子將被限制在量子 阱內(nèi)以待與對(duì)應(yīng)的空穴高效地復(fù)合以產(chǎn)生光。參照?qǐng)D5A，反隧穿層424的厚度選擇成使得它足夠大而能夠防止電子隧穿然而足 夠小而能夠在電子阻擋層426的超晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)保持電子相干性。為了降低發(fā)射激光的閾值 (lasing threshold)，電子阻擋層426、454和474分別在激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270的 示范性實(shí)施例中使用。如在圖5A中圖示的，在紅色激光結(jié)構(gòu)250中使用的電子阻擋層426 由多個(gè)采用P摻雜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的并且具有在波導(dǎo)層422和包層428的能級(jí)之間交替的能級(jí)的 量子勢(shì)壘(MQB)構(gòu)成。MQB電子阻擋層426的包含由于電子在MQB中的量子干涉而相當(dāng)大 地改善了電子限制，引起在波導(dǎo)-包層界面處勢(shì)壘高度的巨大增加，這相當(dāng)大地抑制電子 漏電流。如在圖5B和5C中圖示的，在綠色激光結(jié)構(gòu)260和藍(lán)色激光結(jié)構(gòu)270中使用的電 子阻擋層放置在P型波導(dǎo)層的兩段之間并且具有相當(dāng)大地高于波導(dǎo)層以及包層的能級(jí)以 便相當(dāng)大地改善了電子限制并且隨之抑制了電子漏電流。像素側(cè)壁構(gòu)成量子光子成像器器件200的多個(gè)像素230由像素側(cè)壁235在光和電上分離， 像素側(cè)壁235由絕緣半導(dǎo)體材料構(gòu)成并且垂直電互連(接觸通孔)嵌入其中用于路由電流 到每個(gè)像素的組成激光二極管。圖6A是構(gòu)成量子光子成像器器件200的多個(gè)多色像素230 中的一個(gè)的水平橫截面視圖，其圖示像素側(cè)壁235的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如在圖6A中圖示的，像素 側(cè)壁235限定多色像素230的邊界并且由嵌入介電材料(例如SiO2等)的側(cè)壁內(nèi)部237的 金屬接觸通孔236構(gòu)成。圖6B是像素側(cè)壁235中的一個(gè)的垂直橫截面視圖，其圖示多層光子結(jié)構(gòu)210和側(cè) 壁235之間的界面。在圖6A和圖6B中圖示的像素側(cè)壁235將通過在多層光子結(jié)構(gòu)210中 蝕刻1微米寬的槽的正交方網(wǎng)格而形成。這些槽將被蝕刻成等于像素寬度的間距(其在量 子光子成像器器件200的該示范性實(shí)施例中選擇為10微米)和從焊盤層282開始并且在 SiO2絕緣層241結(jié)束的深度。蝕刻的槽然后用低介電常數(shù)(低k)絕緣材料(例如SiO2或摻雜硅碳的氧化硅(SiOC)等)再填充然后再蝕刻以形成接觸通孔236的150nm寬的槽。接 觸通孔236的再蝕刻槽然后使用氣相沉積技術(shù)(例如CVD或類似技術(shù))用金屬(例如金錫 (Au-Sn)或金鈦(Au-Ti)等)再填充以獲得具有金屬化層252、253、262、263、272和273的 接觸。為像素側(cè)壁235蝕刻的槽可具有如在圖6B中圖示的平行側(cè)或可如使用的蝕刻工 藝控制的稍稍傾斜。盡管任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體蝕刻技術(shù)可用于蝕刻側(cè)壁235和接觸通孔236 的槽，一個(gè)示范性蝕刻技術(shù)是干法蝕刻技術(shù)，例如基于氯化物的化學(xué)輔助離子束蝕刻(基 于Cl的CAIBE)。然而，可使用例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或類似技術(shù)等其他蝕刻技術(shù)。如上文描述的像素側(cè)壁235的形成在多層光子結(jié)構(gòu) 210的形成期間采用多個(gè)中間 階段進(jìn)行。圖6C是嵌入像素側(cè)壁235內(nèi)的接觸通孔236的垂直橫截面視圖。如在圖6C中 圖示的，每個(gè)接觸通孔236將由分別用于紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250p接觸和η接觸的段254 和256、分別用于綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260ρ接觸和η接觸的段264和266、分別用于藍(lán)色激 光二極管結(jié)構(gòu)270ρ接觸和η接觸的段274和276這六段構(gòu)成。在多層結(jié)構(gòu)240-241-252-250如較早說明地形成后，像素側(cè)壁235的槽從紅色激 光二極管多層250的側(cè)部被雙蝕刻到多層結(jié)構(gòu)中(其中在金屬層252下面和上面具有第一 和第二停止蝕刻層)。蝕刻的槽然后用例如SiO2等絕緣材料再填充然后再蝕刻(其中停止 蝕刻層是金屬層252)并且用接觸金屬材料再填充以如在圖6C中圖示的形成接觸通孔254 的基底段。在接觸層253和絕緣層251沉積后，像素側(cè)壁235的槽被雙蝕刻到沉積層中(其 中在金屬層253下面和上面具有第一和第二停止蝕刻層)，用絕緣材料再填充，再蝕刻(其 中停止蝕刻層是金屬層253)并且用接觸金屬材料再填充以如在圖6C中圖示的形成接觸通 孔256的基底并且延伸接觸通孔254。在接觸層262沉積并且綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260與多層結(jié)構(gòu)接合后，像素側(cè)壁235 的槽從綠色激光二極管多層260的側(cè)部被雙蝕刻到形成的多層結(jié)構(gòu)中(其中在金屬層262 下面和上面具有第一和第二停止蝕刻層)。蝕刻的槽然后用例如SiO2等絕緣材料再填充然 后再蝕刻(其中停止蝕刻層是金屬層262)并且用接觸金屬材料再填充以如在圖6C中圖示 的形成接觸通孔264的基底段并且延伸接觸通孔254和256。在接觸層263和絕緣層261沉積后，像素側(cè)壁235的槽被雙蝕刻到沉積層中(其 中在金屬層263下面和上面具有第一和第二停止蝕刻層)，用絕緣材料再填充，再蝕刻(其 中停止蝕刻層是金屬層263)并且用接觸金屬材料再填充以如在圖6C中圖示的形成接觸通 孔266的基底段并且延伸接觸通孔254、256和264。在接觸層272沉積并且藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270與多層結(jié)構(gòu)接合后，像素側(cè)壁235 的槽從藍(lán)色激光二極管多層270的側(cè)部被雙蝕刻到形成的多層結(jié)構(gòu)中，其中在金屬層272 下面和上面具有第一和第二停止蝕刻層。蝕刻的槽然后用例如SiO2等絕緣材料再填充然 后再蝕刻(其中停止蝕刻層是金屬層272)并且用接觸金屬材料再填充以如在圖6C中圖示 的形成接觸通孔274的基底段并且延伸接觸通孔254、256、264和266。在接觸層273和絕緣層271沉積后，像素側(cè)壁235的槽被雙蝕刻到沉積層中(其 中在金屬層273下面和上面具有第一和第二停止蝕刻層)，用絕緣材料再填充，再蝕刻(其 中停止蝕刻層是金屬層263)并且用接觸金屬材料再填充以如在圖6C中圖示的形成接觸通孔276的基底段并且延伸接觸通孔254、256、264、266和274。在像素側(cè)壁235形成后，金屬層282將沉積然后蝕刻以形成金屬接觸(其通過接觸通孔254、256、264、266、274和276而建立)之間的分離槽，并且蝕刻的槽然后用例如SiO2 等絕緣材料再填充然后拋光以形成在圖7中圖示的像素接觸盤700。像素接觸盤700將形 成光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210和數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220之間的接觸界面。垂直波導(dǎo)在如上文說明的像素側(cè)壁235形成后，光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210將由形成的側(cè)壁235 分隔為電和光分離的方形區(qū)域，這些區(qū)域限定光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的個(gè)體像素230。每個(gè)形成的 像素230的光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)于是將由激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)250、260和270的部分構(gòu)成并 且將分別標(biāo)為231、232和233。除了在電和光上分離量子光子成像器器件200的多色像素230，由例如SiO2等介 電材料構(gòu)成的且具有嵌入它的內(nèi)部的在圖6C中圖示的金屬通孔236的像素側(cè)壁235將還 形成光學(xué)屏障，它們將光學(xué)地密封構(gòu)成每個(gè)多色像素230的激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和270 的光學(xué)限制區(qū)域的部分中每個(gè)部分的垂直邊緣。也就是說，在激光二極管結(jié)構(gòu)250、260和 270之間中的絕緣和金屬接觸層連同在像素側(cè)壁235內(nèi)的絕緣和接觸通孔將形成垂直堆疊 多色激光二極管諧振器的陣列，這些多色激光二極管諧振器在水平以及垂直平面上光和電 分離。這樣的電和光分離將最小化像素230之間任何可能的電或光串?dāng)_并且允許在陣列內(nèi) 的每個(gè)像素以及在每個(gè)像素內(nèi)的每個(gè)激光二極管是單獨(dú)可尋址的。從每個(gè)像素230輸出的 激光將通過垂直波導(dǎo)290的陣列被垂直發(fā)射，這些垂直波導(dǎo)290光學(xué)耦合于形成每個(gè)像素 230的垂直堆疊激光二極管231、232和233中的每個(gè)的光學(xué)限制區(qū)域。圖8A和圖8B分別圖示構(gòu)成本發(fā)明的量子光子成像器器件200的像素230中的一 個(gè)的垂直波導(dǎo)的陣列的垂直波導(dǎo)290中的一個(gè)的垂直和水平橫截面視圖。如在圖8A和圖 8B中圖示的，每個(gè)垂直波導(dǎo)290將沿它的垂直高度與構(gòu)成像素230的三個(gè)垂直堆疊激光二 極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域光學(xué)耦合。如在圖8A和圖8B中圖示的，每個(gè)垂直波導(dǎo) 290將由將包圍在多層包層292內(nèi)的波導(dǎo)芯291構(gòu)成。像素的波導(dǎo)290的陣列將典型地被 蝕刻通過光子多層結(jié)構(gòu)210的Si襯底240側(cè)，它們的內(nèi)部然后將被涂覆有多層包層292并 且這些波導(dǎo)然后將用介電材料再填充以形成垂直波導(dǎo)芯291。盡管適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體蝕刻技術(shù) 可用于蝕刻垂直波導(dǎo)290，一個(gè)示范性蝕刻技術(shù)是干法蝕刻技術(shù)，例如基于氯化物的化學(xué)輔 助離子束蝕刻(基于Cl的CAIBE)。然而，可使用例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或類似技術(shù)等其 他蝕刻技術(shù)。盡管任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體涂覆技術(shù)可用于形成垂直波導(dǎo)290的芯291和多層包 層292，一個(gè)示范性層沉積技術(shù)是等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PE-CVD)。蝕刻用于垂直波導(dǎo) 290的槽優(yōu)選地將具有根據(jù)在激光二極管堆疊中各個(gè)激光二極管的遞增波長(zhǎng)的稍稍傾斜的 側(cè)，如在圖8A中圖示的。如在圖8A和圖8B中圖示的，每個(gè)垂直波導(dǎo)290將典型地具有環(huán)形橫截面并且它 的垂直高度將延伸Si襯底240的厚度加上構(gòu)成像素230的三個(gè)垂直堆疊激光二極管231、 232和233的相加厚度。優(yōu)選地像素的垂直波導(dǎo)290在與每個(gè)激光二極管231、232和233 的耦合區(qū)域的中心處的直徑(折射率引導(dǎo)直徑)將等于相應(yīng)激光二極管的波長(zhǎng)。垂直波導(dǎo)的第一實(shí)施例在本發(fā)明的量子光子成像器器件200的一個(gè)實(shí)施例中像素的垂直波導(dǎo)290的芯291將“消散場(chǎng)耦合(evanescence field coupled) ”于形成單個(gè)像素230的堆疊激光二極 管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域。在該實(shí)施例中垂直波導(dǎo)包層292將由50nm至IOOnm厚 的絕緣材料(例如SiO2等)的外層293和高反射金屬(例如鋁(Al)、銀(Ag)或金(Au))的 內(nèi)層294構(gòu)成。垂直波導(dǎo)290的芯291可以被空氣填充或用例如SiO2、氮化硅(Si3N4)或五 氧化鉭(TaO5)等介電材料填充。通過該實(shí)施例的消散場(chǎng)耦合，限制在每個(gè)激光二極管231、 232和233的光學(xué)限制區(qū)域內(nèi)的一部分激光將耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290的電介質(zhì)芯291，其中 它將通過在波導(dǎo)包層292的高反射金屬內(nèi)包層294上的反射而被垂直引導(dǎo)。在本發(fā)明的量子光子成像器器件200的該實(shí)施例中，構(gòu)成每個(gè)像素230的堆疊激 光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域和它的組成垂直波導(dǎo)290之間的耦合將由于橫跨 金屬內(nèi)包層294的光子隧穿而發(fā)生。當(dāng)波導(dǎo)包層292的反射金屬內(nèi)包層294的厚度選擇為 足夠小于消散場(chǎng)向波導(dǎo)包層292的反射金屬內(nèi)包層294中的穿透深度時(shí)，將發(fā)生這樣的光 子隧穿。也就是說，與限制在堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域內(nèi)的光關(guān)聯(lián) 的能量將在它返回進(jìn)入堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域之前并且當(dāng)反射金 屬層294的厚度足夠小時(shí)被傳輸進(jìn)入金屬內(nèi)包層294 —短的距離，該能量的一部分將耦合 進(jìn)入垂直波導(dǎo)芯291并且將通過在波導(dǎo)包層292的高反射金屬內(nèi)包層294上的反射而被垂 直引導(dǎo)并且垂直于量子光子成像器器件200的表面發(fā)射。從堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域傳輸?shù)椒瓷浣饘賹?94中的消 散場(chǎng)將指數(shù)衰減并且將具有平均穿透深度“d”，其由
(1)給出，其中λ是耦合光的波長(zhǎng)， 和Ii1分別是外包層293和內(nèi)包層294的折射率， 并且θ i是從激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域到內(nèi)包層294上的光入射角。如由公式(1)指出的，對(duì)于給定的IV Ii1和Qi，消散場(chǎng)穿透深度隨光波長(zhǎng)λ的減 小而減小。為了使用將有效地耦合由激光二極管231、232和233產(chǎn)生的三個(gè)不同波長(zhǎng)的內(nèi) 包層294的一個(gè)厚度值，內(nèi)包層294的厚度將使用公式(1)選擇，其中λ的值是與由堆疊激 光二極管231、232和233產(chǎn)生的最短波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)，其在前述實(shí)施例的情況下是與藍(lán)色 激光二極管233關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)。當(dāng)內(nèi)包層294的厚度基于該準(zhǔn)則選擇時(shí)，由堆疊激光二極管 231,232和233產(chǎn)生的光將耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290，將分別是由堆疊激光二極管231、232和 233的光學(xué)限制區(qū)域和垂直波導(dǎo)290之間的界面反射的光的強(qiáng)度的0. 492,0. 416和0. 368。 當(dāng)內(nèi)包層294的厚度增加時(shí)，耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290的光量將按比例減少。內(nèi)包層294向 激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域和向垂直波導(dǎo)芯291的反射率將分別由 給出，其中n2是垂直波導(dǎo)芯291的折射率并且Ic1是內(nèi)包層294的吸收系數(shù)。在本發(fā)明的耦合消散場(chǎng)的垂直波導(dǎo)290的上文示范性實(shí)施例中，其中SiO2用作外 包層293以及Si3N4用作波導(dǎo)芯291材料，50nm厚銀(Ag)內(nèi)包層294將耦合激光二極管 231,232和233的光學(xué)限制區(qū)域和垂直波導(dǎo)290之間的界面上入射的激光的大約36%，同
22時(shí)在垂直波導(dǎo)290的內(nèi)部?jī)?nèi)獲得大約62%的反射率。應(yīng)該注意到?jīng)]有耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo) 290的那部分光將被內(nèi)包層294吸收(大約0. 025)或?qū)⒈换厥者M(jìn)入激光二極管231、232和 233的光學(xué)限制區(qū)域，其中它將被激光二極管231、232和233的有源區(qū)放大并且再耦合進(jìn)入 垂直波導(dǎo)290。垂直波導(dǎo)的第二實(shí)施例在本發(fā)明的量子光子成像器器件200的另一個(gè)實(shí)施例中，像素的垂直波導(dǎo)290的 芯291將通過各向異性多層薄包層的使用而耦合于形成單個(gè)像素230的堆疊激光二極管 231,232和233的光學(xué)限制區(qū)域。在該上下文中“各向異性”的意思是反射/透射特性在垂 直波導(dǎo)290和堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域之間的界面的任一側(cè)將是不 對(duì)稱的。該實(shí)施例的最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)將是使用具有介于波導(dǎo)芯291和激光二極管231、232和 233的光學(xué)限制區(qū)域的折射率之間的折射率值并且具有優(yōu)選地用介電材料(優(yōu)選地具有至 少等于堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域的折射率的折射率)填充的波導(dǎo)芯 291的單個(gè)薄包層293。薄介電多層涂層的反射和透射特性在參考文獻(xiàn)[39]中詳細(xì)描述。在法向入射角， 在激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域和包層293之間的界面的反射率將由 給出，其中Ivn1和Ii2分別是堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域的、 包層293和波導(dǎo)芯291的折射率。當(dāng)在激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域和包層 293之間的界面的入射角增加時(shí)，反射率增加直到當(dāng)達(dá)到臨界角時(shí)所有光被完全反射。因?yàn)?臨界角取決于橫跨界面的折射率的比率，當(dāng)該比率選擇成使得激光二極管231、232和233 的光學(xué)限制區(qū)域和包層293之間的界面的臨界角大于波導(dǎo)芯291和包層293之間的臨界角 時(shí)，一部分光將耦合進(jìn)入波導(dǎo)芯291并且將由像素的垂直波導(dǎo)290通過全內(nèi)反射(TIR)被 折射率引導(dǎo)以垂直于量子光子成像器器件200的表面發(fā)射。在垂直波導(dǎo)290通過多層薄包層的使用的耦合的上文示范性實(shí)施例中，其中大約 IOOnm厚的SiO2用作包層293并且二氧化鈦(TiO2)用作波導(dǎo)芯291材料，在激光二極管 231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域和垂直波導(dǎo)290之間的界面上入射的激光的大約8. 26%將 耦合進(jìn)入波導(dǎo)芯291并且由像素的垂直波導(dǎo)290通過全內(nèi)反射被折射率引導(dǎo)以垂直于量子 光子成像器器件200的表面發(fā)射。與前面的實(shí)施例的消散場(chǎng)耦合比較，垂直波導(dǎo)290通過多層薄包層的使用的耦合 將耦合來自堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域的更少量的光進(jìn)入波導(dǎo)芯291， 但耦合的光當(dāng)它穿越垂直波導(dǎo)290的長(zhǎng)度時(shí)將不經(jīng)歷任何損失(因?yàn)楣獗籘IR引導(dǎo))，因 此大約相同量的光將通過垂直波導(dǎo)290垂直于量子光子成像器器件200的表面而輸出。應(yīng) 該注意到?jīng)]有被內(nèi)包層293耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290的那部分光(其在該示例的情況下將是 91. 74% )將被回收進(jìn)入激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域，其中它將被激光二極 管231、232和233的有源區(qū)放大并且再耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290。盡管在垂直波導(dǎo)290通過多層薄包層的使用的耦合的上文示范性實(shí)施例中，僅舉 例說明單層，多個(gè)薄包層可以用于改變耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290的光強(qiáng)與被回收回到激光二 極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域中的光強(qiáng)的比率。例如當(dāng)兩個(gè)薄包層(其中外包層是 150nm厚Si3N4和內(nèi)包層是IOOnm厚SiO2)協(xié)同TiO2波導(dǎo)芯291使用時(shí)，在激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域和垂直波導(dǎo)290之間的界面上入射的激光的大約7. 9%將耦合 進(jìn)入波導(dǎo)芯291并且由像素的垂直波導(dǎo)290TIR引導(dǎo)以垂直于量子光子成像器器件200的 表面被發(fā)射。使用的薄包層的數(shù)量的選擇、它們的折射率和厚度是可以利用以精細(xì)調(diào)整像 素的垂直波導(dǎo)290的耦合特性并且進(jìn)而精細(xì)調(diào)整量子光子成像器器件200的總性能特性的 設(shè)計(jì)參數(shù)。垂直波導(dǎo)290的第三實(shí)施例在本發(fā)明的量子光子成像器器件200的另一個(gè)實(shí)施例中像素的垂直波導(dǎo)290的 芯291將通過非線性光學(xué)(NLO)包層的使用而耦合于形成單個(gè)像素230的堆疊激光二極管 231,232和233的光學(xué)限制區(qū)域。該實(shí)施例的主要優(yōu)勢(shì)是它將使本發(fā)明的量子光子成像器 器件200能夠作為鎖模激光發(fā)射器件操作(鎖模使激光器件能夠發(fā)射超短的光脈沖)。作 為該實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的量子光子成像器器件200的鎖模操作的結(jié)果，量子光子成像器器件200 將獲得提高的功耗效率和更高的峰均發(fā)射光強(qiáng)度。該實(shí)施例的鎖模操作將與前面實(shí)施例的 垂直波導(dǎo)耦合方法結(jié)合而包含在像素的垂直波導(dǎo)290的包層292內(nèi)。該實(shí)施例將通過如圖8B中圖示的在堆疊激光二極管231、232和233的光學(xué)限制 區(qū)域和外包層293之間增加薄外包層295實(shí)現(xiàn)，該薄外包層295在下文將稱為門包層。門 包層295將是例如單晶聚PTS聚丁二炔(PTS-PDA)或聚二噻吩并噻吩(PDTT)或其類似物 等的NLO材料的薄層。這樣的NLO材料的折射率η將不是獨(dú)立于入射光的常數(shù)，相反它的 折射率隨入射光的強(qiáng)度I增加而改變。對(duì)于這樣的NLO材料，折射率η遵循與入射光強(qiáng)度 的下列關(guān)系η = n0+x (3)Ι(4)在公式(4)中，χ 是NLO材料的三階非線性極化率并且Iitl是NLO材料對(duì)入射光 強(qiáng)度I的低值展現(xiàn)的線性折射率值。在該實(shí)施例中線性折射率Iitl和構(gòu)成門包層295的NLO 材料的厚度選擇成使得在低入射光強(qiáng)度I，大致上來自堆疊激光二極管231、232和233的光 學(xué)限制區(qū)域在多層包層292上入射的光的全部都將反射回并且回收進(jìn)入激光二極管231、 232和233的光學(xué)限制區(qū)域，其中它將被激光二極管231、232和233的有源區(qū)放大。當(dāng)在激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)度由于積分光通量而增 加時(shí)，門包層295的折射率η將根據(jù)公式(4)改變，引起回收回激光二極管231、232和233 的光學(xué)限制區(qū)域中的光強(qiáng)度與耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290的光強(qiáng)的比率減小，從而引起在激光 二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域內(nèi)積分的光通量的一部分耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290并 且垂直于量子光子成像器器件200的表面發(fā)射。當(dāng)光耦合進(jìn)入波導(dǎo)290時(shí)，在激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域內(nèi)的積 分光通量將減小，引起在門包層295上入射的光的強(qiáng)度I降低，其進(jìn)而將引起折射率η將根 據(jù)公式(4)改變，引起回收回到激光二極管231、232和233的光學(xué)限制區(qū)域中的光強(qiáng)度與 耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290的光強(qiáng)的比率增加，從而引起在激光二極管231、232和233的光學(xué) 限制區(qū)域內(nèi)的光通量積分的循環(huán)被重復(fù)。實(shí)際上包含該實(shí)施例的NLO的多層包層的使用將引起像素的激光二極管231、232 和233的光學(xué)限制區(qū)域作為光子容器(photoniccapacitor)操作，這些光子電容器將周期 性地積分由像素的激光二極管231、232和233在周期間產(chǎn)生的光通量，在這些周期期間積 分光通量耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290并且在量子光子成像器器件200的像素230的表面發(fā)射。
當(dāng)NLO門包層295與前面的實(shí)施例的垂直波導(dǎo)290耦合示例的多層薄包層結(jié)合使 用時(shí)，耦合性能將是同等的，不同在于耦合進(jìn)入垂直波導(dǎo)290和在像素230的表面發(fā)射的 光將作為一串脈沖出現(xiàn)。當(dāng)具有大約IOOnm的厚度的PTS-PDA的NLO門包層295與大約 IOOnm厚的SiO2內(nèi)包層293結(jié)合使用并且二氧化鈦(TiO2)用作波導(dǎo)芯291材料時(shí)，從像素 230的表面發(fā)射的光脈沖將典型地具有在大約20ps至30ps的范圍中的持續(xù)時(shí)間與在大約 50ps至IOOps的范圍中的脈沖間時(shí)間段。與NLO門包層295結(jié)合使用的薄包層的數(shù)量的選 擇、它們的折射率和厚度是可以利用以精細(xì)調(diào)整像素的垂直波導(dǎo)290的耦合特性以及從像 素230發(fā)射的多色激光的脈沖特性并且隨之精細(xì)調(diào)整量子光子成像器器件200的總性能特 性的設(shè)計(jì)參數(shù)。垂直波導(dǎo)290的第四實(shí)施例垂直波導(dǎo)290的第四實(shí)施例在圖2D中可見。在該實(shí)施例中，波導(dǎo)在每個(gè)激光二極 管的光學(xué)限制區(qū)域的末端結(jié)束，以致在放置在堆疊的頂部的激光二極管結(jié)束的波導(dǎo)將耦合 僅來自該激光二極管的光并且在從堆疊中的最高激光二極管的第二個(gè)激光二極管結(jié)束的 波導(dǎo)將耦合來自第一和第二激光二極管的光并且在從堆疊的頂部的第三個(gè)激光二極管結(jié) 束的波導(dǎo)將耦合來自堆疊中第一、第二和第三激光二極管的光。優(yōu)選地這些波導(dǎo)將是直的， 非錐形的。這些波導(dǎo)也可被空氣填充或用例如SiO2等合適的電介質(zhì)填充。使用這些不同 高度的波導(dǎo)，從堆疊中第一激光二極管耦合的光量將高于從堆疊中第二激光二極管耦合的 光量，并且從堆疊中第二激光二極管耦合的光量將高于從堆疊中第三激光二極管耦合的光 量。因?yàn)闈M意的 色域?qū)ū燃t更多的綠和比藍(lán)更多的紅，可以放置綠色二極管在頂部、紅 色在中間而藍(lán)色在堆疊的底部。像素波導(dǎo)陣列如在前面的論述中說明的，構(gòu)成量子光子成像器器件200的每個(gè)像素230將包括 多個(gè)垂直波導(dǎo)290，由像素的激光二極管231、232和233產(chǎn)生的激光將通過這些垂直波導(dǎo) 290在垂直于量子光子成像器器件200的表面的方向上發(fā)射。多個(gè)像素的垂直波導(dǎo)290將 形成發(fā)射器陣列，由像素的激光二極管231、232和233產(chǎn)生的光將通過發(fā)射器陣列發(fā)射?？?慮到前面的前三個(gè)實(shí)施例的垂直波導(dǎo)290光耦合方法，從每個(gè)像素的垂直波導(dǎo)290發(fā)射的 光將具有高斯橫截面，其在它的半最大強(qiáng)度處具有大約士20度的角寬度。在量子光子成像 器器件200的優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)像素的垂直波導(dǎo)290將采用選擇成減小從像素230的表 面發(fā)射的光的最大發(fā)散角(準(zhǔn)直角)的數(shù)量和圖案來設(shè)置，以提供橫過像素的區(qū)域的均勻 亮度并且最大化像素亮度。在使用相控發(fā)射器(phased emitter array)陣列的眾所周知理論(參考文獻(xiàn) [41])時(shí)，在包括N個(gè)像素的垂直波導(dǎo)290的子午面內(nèi)由像素230發(fā)射的光的角強(qiáng)度將由K θ ) = Ε(θ) {J1[aX(0)]/aX(0)}2{Sin[NdX(0)]/Sin[dX(0)]}2 (5. a)給出，其中Χ( θ ) = (Ji Sin θ )/λ(5. b)J1O是貝塞爾函數(shù)，λ是由像素的垂直波導(dǎo)290發(fā)射的光的波長(zhǎng)，a是垂直波導(dǎo) 290的直徑，d是像素的垂直波導(dǎo)290之間的中心到中心距離，并且Ε(θ)是從每個(gè)像素的 垂直波導(dǎo)290發(fā)射的光的強(qiáng)度輪廓，其如較早說明的將典型地是高斯輪廓(在它的半最大 強(qiáng)度處具有大約士20度的角寬度)。優(yōu)選地參數(shù)a(像素的垂直波導(dǎo)290在與每個(gè)激光二極管231、232和233的耦合區(qū)域的中心處的直徑(折射率引導(dǎo)直徑))將等于相應(yīng)激光二極 管的波長(zhǎng)。參數(shù)d(像素的垂直波導(dǎo)290之間的中心到中心距離)的典型值將是至少1. 2a 并且它的具體值將選擇以精細(xì)調(diào)整像素230的發(fā)射特性。圖9A圖示在包含像素的對(duì)角線的子午面內(nèi)在像素230發(fā)射的波長(zhǎng)的多個(gè)值處 的由IOX 10微米像素230發(fā)射的光的角強(qiáng)度，這些像素包括9X9均勻間隔的垂直波導(dǎo) 290 (具有如上文規(guī)定的直徑a和中心到中心d = 2a)的陣列。具體地，在圖9A中輪廓910、 920和930圖示由像素230在紅色波長(zhǎng)(615nm)、綠色波長(zhǎng)(520nm)和藍(lán)色波長(zhǎng)(460nm)發(fā) 射的光的角強(qiáng)度。如在圖9A中圖示的，由像素230并且隨之由量子光子成像器200發(fā)射的 多色激光將具有緊密準(zhǔn)直的發(fā)射模式，其中準(zhǔn)直角良好地在士5°內(nèi)，從而使量子光子成像 器器件200具有大約4. 8的光學(xué)f/#。在像素230表面內(nèi)的垂直波導(dǎo)290的圖案可以調(diào)整以獲得在量子光子成像器器件 200的光學(xué)f/#方面所要求的發(fā)射特性。在形成垂直波導(dǎo)290的圖案中重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是 以要求的光學(xué)"#產(chǎn)生均勻發(fā)射同時(shí)在垂直波導(dǎo)290的陣列蝕刻后為像素的發(fā)光激光二極 管231、232和233保留足夠面積。圖9B圖示在像素230表面內(nèi)的垂直波導(dǎo)290的若干可 能的圖案，其可以與本發(fā)明的量子光子成像器器件200結(jié)合使用。基于本發(fā)明的教導(dǎo)，本領(lǐng) 域內(nèi)技術(shù)人員將知道如何選擇將產(chǎn)生最適合本發(fā)明的量子光子成像器器件200的計(jì)劃應(yīng) 用的發(fā)光光學(xué)f/#的像素230表面內(nèi)垂直波導(dǎo)290的圖案。數(shù)字結(jié)構(gòu)圖IOA圖示量子光子成像器器件200的數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220的垂直橫截面。數(shù)字 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220將用常規(guī)CMOS數(shù)字半導(dǎo)體技術(shù)制造，并且如在圖IOA中圖示的將由多個(gè)金 屬層222、223、224和225 (它們被例如SiO2絕緣半導(dǎo)體材料的薄層分離)和使用常規(guī)CMOS 數(shù)字半導(dǎo)體技術(shù)沉積在Si襯底227上沉積的數(shù)字控制邏輯226構(gòu)成。如在圖IOB中圖示的，金屬層222將包含多個(gè)像素的接觸盤圖案，由此每個(gè)接觸盤 圖案將大致上與在圖7中圖示的光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的像素接觸盤圖案的相同。如較早說 明的，金屬層222的多個(gè)像素接觸盤圖案將構(gòu)成光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210和數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220 之間的接合界面。金屬層222將還在它的外圍包含如在圖2C中圖示的整個(gè)量子光子成像 器器件200的器件接觸焊盤221。圖IOC圖示金屬層223的布局，其包含指定用于分別分配功率和地線到像素的 紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的獨(dú)立功率和接地金屬軌線(rail) 310、315 和320，以及指定用于路由功率和地線到數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220的數(shù)字邏輯部分的金屬軌線 325。圖IOD圖示金屬層224的布局，其包含指定用于分別分配數(shù)據(jù)410、更新415和清除 420信號(hào)到數(shù)字控制邏輯半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)226部分(指定用于控制像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光 二極管231、232和233的開關(guān)狀態(tài))的獨(dú)立金屬跡線。圖IOE圖示金屬層225的布局，其 包含指定用于分別分配負(fù)載510和啟動(dòng)520信號(hào)到數(shù)字控制邏輯半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)226部分(指 定用于控制像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)狀態(tài))的獨(dú)立金屬 跡線。數(shù)字控制邏輯半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)226將由直接放置在光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210下面的像素的 數(shù)字邏輯部分228 (圖2B)和如在圖2C中圖示的放置在數(shù)字邏輯區(qū)域228外圍的控制邏輯 區(qū)域229構(gòu)成。圖IlA圖示數(shù)字控制邏輯半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)226的控制邏輯部分229的示范性實(shí)施例，其設(shè)計(jì)成分別接受紅色、綠色和藍(lán)色PWM串行位流輸入數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)425、426和 427 (其在量子光子成像器器件200外部產(chǎn)生)加上控制時(shí)鐘信號(hào)428和429，并且將接受 的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制和數(shù)據(jù)信號(hào)410、415、420、510和520，它們通過互連金屬層 224和225路由到數(shù)字邏輯部分228。
數(shù)字控制邏輯半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)226的數(shù)字邏輯部分228將由像素邏輯單元的二維陣列 構(gòu)成，由此每個(gè)這樣的邏輯單元將直接放置在構(gòu)成量子光子成像器器件200的像素230中 的一個(gè)的下面。圖IlB圖示構(gòu)成數(shù)字控制邏輯半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)226的數(shù)字邏輯部分228的數(shù)字 邏輯單元300的示范性實(shí)施例。如在圖IlB中圖示的，與構(gòu)成量子光子成像器器件200的每 個(gè)像素230關(guān)聯(lián)的像素邏輯單元300將由分別與紅色、綠色和藍(lán)色像素的激光二極管231、 232和233對(duì)應(yīng)的數(shù)字邏輯電路810、815和820構(gòu)成。如在圖IlB中圖示的，數(shù)字邏輯電 路810、815和820分別將接受控制和數(shù)據(jù)信號(hào)410、415、420、510和520并且基于接受的數(shù) 據(jù)和控制信號(hào)將使功率和接地信號(hào)310、315和320到紅色、綠色和藍(lán)色像素的激光二極管 231,232和233的連接性成為可能。數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220將制造為單片CMOS晶圓，其將包含多種數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 220 (圖2A)。如較早說明的，數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220將使用晶圓級(jí)直接接合技術(shù)或類似技術(shù) 與光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210接合以形成集成多晶圓結(jié)構(gòu)，其然后將在每個(gè)單個(gè)量子光子成像器 器件200芯片區(qū)域的外圍被蝕刻以便暴露器件接觸焊盤221，然后將切割為在圖2A和圖2C 中圖示的個(gè)體量子光子成像器器件200芯片。備選地，數(shù)字半導(dǎo)體220晶圓將切割為一個(gè) 個(gè)芯片并且分別地光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210晶圓將也切割為一個(gè)個(gè)芯片，每個(gè)芯片具有包含需 要數(shù)量的像素的激光二極管231、232和233的區(qū)域，然后每個(gè)光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210芯片將 使用倒裝芯片技術(shù)或類似技術(shù)芯片級(jí)接合到數(shù)字半導(dǎo)體220芯片以形成在圖2A和圖2C中 圖示的單個(gè)量子光子成像器器件200。QPI制造流程圖12是圖示用于制造根據(jù)在前面的段落中描述的示范性實(shí)施例的量子光子成像 器器件200的半導(dǎo)體工藝流程的流程圖。如在圖12中圖示的，工藝以步驟S02開始并且繼 續(xù)到步驟S30，在此期間接合各種不同的晶圓并且沉積絕緣和金屬層，形成互連通孔、側(cè)壁 和垂直波導(dǎo)。應(yīng)該注意到激光二極管多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)250、260和270以及數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 220的半導(dǎo)體制造流程將分別進(jìn)行并且在圖12中圖示的制造工藝流程以外，圖12是意在圖 示接合這些晶圓并且形成像素結(jié)構(gòu)230和互連的半導(dǎo)體工藝流程的示范性實(shí)施例。在步驟S02，SiO2絕緣層241將沉積在基底Si襯底240晶圓上。在步驟S04將沉 積P接觸金屬層，并且在步驟S06，所形成的堆疊將與激光二極管多層半導(dǎo)體晶圓接合并且 激光二極管晶圓被向下蝕刻到停止蝕刻層。在步驟S08，像素側(cè)壁槽被雙蝕刻首先向下蝕 刻到在步驟S04中沉積的金屬層前面的絕緣層，然后向下蝕刻到在步驟S04沉積的金屬層， 并且蝕刻的槽然后用SiO2再填充。在步驟S10，像素垂直接觸通孔的槽被向下蝕刻到在步 驟S04沉積的金屬層，然后沉積薄絕緣層并且其被蝕刻以暴露沉積的通孔。在步驟S12，將 沉積η接觸金屬層然后其被蝕刻以延伸像素的側(cè)壁槽的高度。在步驟S14，沉積SiO2絕緣 層，然后對(duì)將包含在量子光子成像器器件200中的每個(gè)激光二極管多層半導(dǎo)體晶圓重復(fù)進(jìn) 行步驟S04至S14的工藝流程。在步驟S16，沉積用于形成接合接觸盤700需要的金屬層然后其被蝕刻以形成在圖7中圖示的接觸盤圖案。在步驟S20，垂直波導(dǎo)290被蝕刻通過所形成的多層結(jié)構(gòu)的Si 襯底側(cè)以形成像素230的波導(dǎo)圖案，例如在圖9B中圖示的那些。在步驟S22中，沉積波導(dǎo) 包層292然后在步驟S24波導(dǎo)空腔用波導(dǎo)芯291材料再填充。在步驟S26，形成的多層激 光二極管結(jié)構(gòu)的Si襯底側(cè)被拋光到光學(xué)質(zhì)量并且按要求涂覆以形成量子光子成像器器件 200的發(fā)射表面。步驟S02至S28將產(chǎn)生晶圓尺寸光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210，其將在步驟S28與 數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220晶圓進(jìn)行晶圓級(jí)盤側(cè)接合。在步驟S30，所得的多晶圓堆疊被蝕刻以暴露個(gè)體芯片量子光子成像器器件200 的接觸盤221并且多晶圓堆疊被切割為一個(gè)個(gè)量子光子成像器器件200的個(gè)體芯片。步驟S30的工藝的備選方法將是將工藝步驟S02至S26形成的光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 210切割成量子光子成像器器件200需要的芯片尺寸并且分別切割數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220晶 圓為一個(gè)個(gè)芯片然后使用倒裝芯片技術(shù)將兩個(gè)芯片進(jìn)行盤側(cè)接合以形成量子光子成像器 器件200的個(gè)體芯片。QPI投影機(jī)量子光子成像器器件200典型地將用作在正或背投顯示系統(tǒng)中使用的數(shù)字圖像 投影機(jī)中的數(shù)字圖像源。圖13圖示包含本發(fā)明的量子光子成像器器件200作為數(shù)字圖像 源的典型數(shù)字圖像投影機(jī)800的示范性實(shí)施例。量子光子成像器器件200將與配套數(shù)字器 件850 (其將稱為圖像數(shù)據(jù)處理器并且在隨后的段落中將在功能上描述)集成在印刷電路 板上，配套數(shù)字器件850將用于將數(shù)字圖像輸入轉(zhuǎn)換為到量子光子成像器器件200的PWM 格式化輸入。如在圖13中圖示的，量子光子成像器器件200的發(fā)射光學(xué)孔徑將與投影光學(xué) 透鏡組810 (其將放大由量子光子成像器器件200產(chǎn)生的圖像到需要的投影圖像尺寸)耦
I=I O如較早說明的，從量子光子成像器器件200發(fā)射的光將典型地包含在大約4. 8的 光學(xué)f/#內(nèi)，其使得使用中等復(fù)雜性的少量透鏡(典型地2或3個(gè)透鏡)獲得在20至50范 圍中的源圖像放大是可能的。使用具有大約2. 4的光學(xué)f/#的例如微反射鏡、LCOS或HTPS 成像器器件等現(xiàn)有數(shù)字成像器的典型的數(shù)字投影機(jī)將典型需要8個(gè)那么多的透鏡以獲得 源圖像放大的同等的水平。此外，使用例如微反射鏡、LCOS或HTPS成像器器件等無源的 (意思是反射或透射類型)數(shù)字成像器的典型數(shù)字投影機(jī)將需要復(fù)雜光學(xué)組件以照射成像 器。相比之下，因?yàn)榱孔庸庾映上衿髌骷?00是發(fā)射成像器，使用量子光子成像器器件200 的數(shù)字圖像投影機(jī)800將不需要任何復(fù)雜的光學(xué)照明組件。放大所需要的透鏡的數(shù)量的減 少外加照明光學(xué)系統(tǒng)的消除將使得使用量子光子成像器器件200的數(shù)字圖像投影機(jī)800比 使用例如微反射鏡、LCOS或HTPS成像器器件等現(xiàn)有數(shù)字成像器的數(shù)字投影機(jī)明顯更不復(fù) 雜并且隨之更緊湊并且成本更低。QPI器件效率本發(fā)明的量子光子成像器器件200的重要方面是它的流明(亮度)性能和它的對(duì) 應(yīng)功耗。具有如分別在圖4A、圖4B和圖4C中指定的前面的示范性實(shí)施例的激光二極管結(jié) 構(gòu)231,232和233的單個(gè)10X10微米像素230將分別消耗大約4. 5 μ W、7. 4 μ W和11. 2 μ W 以產(chǎn)生大約0. 68 μ W、1. IyW和1.68 μ W的紅色(615nm)、綠色(520nm)和藍(lán)色(460nm)的 輻射通量，其等于1毫流明的在8000K2色溫的光通量。也就是說，量子光子成像器器件200 的單個(gè)IOX 10微米像素230將消耗大約23 μ W以產(chǎn)生大約1毫流明的在8000Κ2色溫的光通量，當(dāng)像素放大到0. 5X0. 5毫米時(shí)其將足夠提供超過1，200坎德拉/米2的亮度。在大 多數(shù)現(xiàn)有商業(yè)顯示器提供的亮度(其典型地范圍在350坎德拉/米2至500坎德拉/米2 之間)，量子光子成像器器件200的單個(gè)10 X 10微米像素230當(dāng)尺寸上放大到0. 5 X 0. 5毫 米時(shí)將消耗小于10 μ W，其差不多比現(xiàn)有商業(yè)顯示器(例如使用微反射鏡、LCOS或HTPS器 件的PDP、LCD或投影顯示器等)需要的功耗小一個(gè)半的數(shù)量級(jí)。作為消除與在使用例如微反射鏡、LCOS或HTPS成像器器件等現(xiàn)有數(shù)字成像器的 所有投影機(jī)中需要的照明光學(xué)系統(tǒng)和成像器光學(xué)耦合關(guān)聯(lián)的低效率的直接結(jié)果，當(dāng)與現(xiàn)有 數(shù)字成像器相比時(shí)本發(fā)明的量子光子成像器器件200將獲得高得多的效率。具體地，與在 圖13中圖示的使用本發(fā)明的量子光子成像器200的數(shù)字投影機(jī)800關(guān)聯(lián)的損耗將限制到 由于投影光學(xué)透鏡組810引起的損耗，其將大約是4%。意味著在圖13中圖示的使用量子 光子成像器200的數(shù)字投影機(jī)800的效率在投影的光通量與產(chǎn)生的光通量的比率方面將是 大約96%，其相當(dāng)大地高于由使用例如微反射鏡、LCOS或HTPS成像器器件等現(xiàn)有數(shù)字成像 器的投影機(jī)獲得的小于10%的效率。例如，在圖13中圖示的使用本發(fā)明的量子光子成像器200的具有一百萬像素的數(shù) 字投影機(jī)800將消耗大約25. 4瓦以產(chǎn)生大約1，081流明的在8000K2色溫的光通量，其將足 夠以大約1，000坎德拉/米2的亮度在正投影屏幕上投影具有60”對(duì)角線的圖像。當(dāng)考慮 典型的投影屏幕的效率時(shí)，數(shù)字投影機(jī)800的舉出的示例將在背投影屏幕上投影具有大約 560坎德拉/米2的亮度的圖像。為了比較的目的，獲得在350坎德拉/米2范圍中的亮度 的典型現(xiàn)有背投影顯示器的功耗將超過250瓦，其指出使用量子光子成像器200作為圖像 源的數(shù)字投影機(jī)800將甚至以低得多的功耗獲得比現(xiàn)有正和背投影顯示器高得多的投影 圖像亮度。QPI優(yōu)勢(shì)&應(yīng)用使用量子光子成像器器件200的數(shù)字圖像投影機(jī)800的緊湊性和低成本特性當(dāng)與 量子光子成像器器件200的低功耗結(jié)合時(shí)將使設(shè)計(jì)和制造可以有效嵌入在例如蜂窩電話、 膝上型PC或類似的移動(dòng)裝置等移動(dòng)平臺(tái)中的數(shù)字圖像投影機(jī)成為可能。特別地，例如在圖 13中圖示的具有640 X 480像素并且設(shè)計(jì)成獲得士25度投影視場(chǎng)的使用本發(fā)明的量子光子 成像器200的數(shù)字投影機(jī)800將達(dá)到大約15 X 15mm體積并且將消耗小于1. 75瓦以投影具 有大約200坎德拉/米2的亮度的18”投影圖像對(duì)角線(為了參考的目的，膝上型PC的典 型亮度是大約200坎德拉/米2)。因?yàn)樗木o湊性和低功耗，本發(fā)明的量子光子成像器200將還適合近眼應(yīng)用，例 如頭盔顯示器和面罩(visor)顯示器。此外，因?yàn)樗某瑢挿秶芰?，本發(fā)明的量子光子成 像器200將還適合要求真實(shí)圖像顏色渲染的應(yīng)用，例如模擬器顯示器和游戲顯示器。QPI 操作通過在前面的段落中描述的它的基于像素的激光產(chǎn)生能力，量子光子成像器器件 200將能夠轉(zhuǎn)換從外部輸入接收的數(shù)字源圖像數(shù)據(jù)為光學(xué)圖像，其將耦合進(jìn)入如在圖13中 圖示的投影機(jī)800的投影光學(xué)系統(tǒng)。在使用本發(fā)明的量子光子成像器器件200以合成源圖 像時(shí)，每個(gè)圖像像素的明度(Iuma)(亮度)和色度(顏色)分量將通過對(duì)應(yīng)像素的紅色、 綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)占空比的分?jǐn)傇O(shè)置而同時(shí)合成。具體地，對(duì) 于每個(gè)源圖像像素，像素的色度分量將通過設(shè)置對(duì)應(yīng)像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)占空比為相對(duì)比(其反映像素的需要顏色坐標(biāo))而合成。相似地，對(duì) 于每個(gè)源圖像像素，像素的明度分量將通過設(shè)置對(duì)應(yīng)像素的發(fā)光紅色、綠色和藍(lán)色激光二 極管231、232和233的開關(guān)占空比為集合開關(guān)占空比值(collective on/off duty cycle value)(其反映像素的需要亮度)而合成。也就是說，每個(gè)源圖像像素的像素的明度和色度 分量將通過控制量子光子成像器器件200的對(duì)應(yīng)像素的發(fā)光紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管 231,232和233的開關(guān)占空比和同時(shí)性而合成。通過控制像素的激光二極管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的示范性實(shí)施例的選擇的波長(zhǎng)對(duì)于像素的紅色激光二極管231 是615nm，對(duì)于像素的綠色激光二極管232是520nm，對(duì)于像素的藍(lán)色激光二極管233是 460nm)的開關(guān)占空比和同時(shí)性，本發(fā)明的量子光子成像器器件200將能夠合成任何在圖 14A中圖示的參照CIE XYZ顏色空間的其固有色域905內(nèi)的像素的顏色坐標(biāo)。具體地，量子 光子成像器器件200像素的激光二極管231、232和233的示范性實(shí)施例的前述操作波長(zhǎng)將 分別限定如在圖14A中圖示的參照CIE XYZ顏色空間的其固有色域905的頂點(diǎn)902、903和 904。源圖像的具體色域?qū)⒌湫偷鼗诶鏝TSC和HDTV標(biāo)準(zhǔn)等圖像顏色標(biāo)準(zhǔn)。為了比 較的目的，NTSC308和HDTV309的顯示色域標(biāo)準(zhǔn)也在圖14A上作為參考示出以圖示由基色 波長(zhǎng)(對(duì)于紅色在615nm，綠色在520nm和藍(lán)色在460歷)限定的量子光子成像器器件200 的示范性實(shí)施例的固有色域305將包括NTSC308和HDTV309色域標(biāo)準(zhǔn)并且將擴(kuò)展超過這些 色域標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)大的量?？紤]在圖14A中圖示的量子光子成像器器件200的擴(kuò)展固有色域305，源圖像數(shù) 據(jù)將必須從它的參考色域(例如在圖14A中對(duì)于NTSC308和HDTV309色域所圖示的)映射 (轉(zhuǎn)換)到量子光子成像器器件200的固有色域305。這樣的色域轉(zhuǎn)換將通過對(duì)每個(gè)源圖 像像素的[R、G和B]分量應(yīng)用下列矩陣變換完成 其中3 X 3變換矩陣M將從在給定的參考顏色空間(例如CIE XYZ顏色空間等)內(nèi) 的源圖像色域的白色點(diǎn)和基色的坐標(biāo)和量子光子成像器器件200的白色點(diǎn)和基色902、903 和904(圖14B)的坐標(biāo)的色度值計(jì)算出。由公式(6)限定的矩陣變換的結(jié)果將關(guān)于量子光 子成像器器件200的固有色域305來限定源圖像像素的分量[Rqpi，Gqpi，Bqpi]。圖14B圖示由公式(6)限定的矩陣變換關(guān)于由頂點(diǎn)902、903和904限定的量子光 子成像器器件200固有色域305來限定兩個(gè)示范性像素906和907的源圖像像素的分量 [Rqpi，Gqpi，Bqpi]的結(jié)果。如在圖14B中圖示的，值[Rqpi，Gqpi，Bqpi]將跨越整個(gè)色域305，使量 子光子成像器器件200能夠合成源圖像的像素[R，G，B]值，其具有比由NTSC308和HDTV309 色域提供的色域?qū)挼枚嗟纳?圖14A)。由于更寬的色域標(biāo)準(zhǔn)和寬色域數(shù)字圖像和視頻輸 入內(nèi)容變?yōu)榭捎玫?，使用本發(fā)明的量子光子成像器200的數(shù)字投影機(jī)800將準(zhǔn)備采用這樣 的寬色域格式投影源圖像和視頻內(nèi)容。在此期間，量子光子成像器200的寬色域能力將允 許它以比在較早段落中舉例的示范性值甚至更低的功耗合成具有現(xiàn)有色域(例如NTSC308 和HDTV309色域等)的數(shù)字圖像和視頻輸入。
在源圖像中的每個(gè)像素的[R，G，B]值將使用由公式(6)限定的變換映射(轉(zhuǎn)換) 到量子光子成像器器件200的固有色域305 (顏色空間)。不失一般性地，在假設(shè)源圖像的 白色點(diǎn)具有[R，G，B] = [1,1,1]時(shí)，一直滿足條件將源圖像中的每個(gè)像素的[R，G，B]值除 以白色點(diǎn)的[R，G，B]值，對(duì)于每個(gè)源圖像像素由公式(6)限定的變換的結(jié)果將是具有范圍 在黑色的
和白色的[1，1，1]之間的值的矢量[Rqpi，Gqpi，Bqpi]。上文的表示具有好 處由值[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與該像素的之間的在參考顏色空間(例如CIE XYZ顏色空間等)內(nèi)的距離也限定它 的相應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)占空比值λ R = Rgpiλ G = Gqpi(7)λ B = Bqpi其中λ R、Xe和λ 別指示合成構(gòu)成源圖像的像素中的每個(gè)的[R，G，B]值所需 要的量子光子成像器器件200紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的各個(gè)像素230 的開關(guān)占空比。典型源圖像數(shù)據(jù)輸入(不管靜態(tài)圖像還是動(dòng)態(tài)視頻圖像)將由以例如60Hz或 120Hz的幀率輸入的圖像幀構(gòu)成。對(duì)于給定的源圖像幀率，合成源圖像像素的[R，G，B]值 所需要的量子光子成像器器件200分別紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233相應(yīng) 像素230的開時(shí)間將是由值λκ、Xe和λ Β限定的幀持續(xù)時(shí)間的分?jǐn)?shù)。為了解決可能由構(gòu)成光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的半導(dǎo)體材料特性的可能變化引起的 可能像素到像素亮度變化，在將典型地出現(xiàn)在較早描述的器件制造步驟完成時(shí)的量子光子 成像器器件200的測(cè)試期間，將測(cè)量器件流明輪廓(luminance profile)并且將對(duì)每個(gè)像 素計(jì)算亮度均勻性權(quán)重因子。亮度均勻性權(quán)重因子將存儲(chǔ)為查找表(LUT)并且由量子光子 成像器器件200配套圖像數(shù)據(jù)處理器850應(yīng)用。當(dāng)考慮這些亮度均勻性權(quán)重因子時(shí)，量子 光子成像器器件200的每個(gè)像素230的開時(shí)間將由Λ K = Kk λ κΛ G = Kg λ G(8)ΛΒ = Kb λ β給出，其中KK、Ke和Kb分別是量子光子成像器器件200像素的每個(gè)紅色、綠色和藍(lán) 色激光二極管231、232和233的亮度均勻性權(quán)重因子。由公式(8)表示的構(gòu)成量子光子成像器器件200的每個(gè)像素230的紅色、綠色和 藍(lán)色激光二極管231、232和233的開時(shí)間值將使用常規(guī)脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)轉(zhuǎn)換為串 行位流并且連同像素地址(構(gòu)成量子光子成像器器件200的像素陣列內(nèi)的相應(yīng)像素的行和 列地址)和適當(dāng)?shù)耐綍r(shí)鐘信號(hào)以源圖像的幀率輸入到量子光子成像器器件200。轉(zhuǎn)換圖像源數(shù)據(jù)為量子光子成像器器件200需要的輸入信號(hào)將由配套圖像數(shù)據(jù) 處理器850根據(jù)公式(6)至(8)進(jìn)行。圖15A和圖15B分別圖示量子光子圖像數(shù)據(jù)處理 器850的框圖和與它的與量子光子成像器器件200的接口關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。參照?qǐng)D15A和圖 15B，SYNC&控制模塊851將接受與源圖像或視頻輸入關(guān)聯(lián)的幀同步輸入信號(hào)856并且產(chǎn)生 幀處理時(shí)鐘信號(hào)857和PWM時(shí)鐘858。PWM時(shí)鐘858率將由源圖像或視頻輸入的幀率和字長(zhǎng) 指定。在圖15B中圖示的PWM時(shí)鐘858率反映以120Hz和16位字長(zhǎng)操作的量子光子成像器200和配套圖像數(shù)據(jù)處理器850的示范性實(shí)施例。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將知道如何使用本發(fā)明的教導(dǎo)以使量子光子成像器200和它的配套圖像數(shù)據(jù)處理器850支持具有與在圖15B 中反映的那些不同的幀率和字長(zhǎng)的源圖像或視頻輸入。與幀時(shí)鐘信號(hào)857同步地，顏色空間轉(zhuǎn)換模塊852將接受源圖像或視頻數(shù)據(jù)的每 個(gè)幀，并且使用源輸入色域坐標(biāo)將執(zhí)行由公式(6)限定的數(shù)字處理以映射每個(gè)源輸入像素 [R，G，B]值到像素坐標(biāo)值[Rqpi，Gqpi，Bqpi]。使用源圖像或視頻數(shù)據(jù)輸入的白色點(diǎn)坐標(biāo)，顏色 空間轉(zhuǎn)換模塊852然后將使用公式(7)轉(zhuǎn)換每個(gè)像素值[Rqpi，Gqpi，Bqpi]到量子光子成像器 200的對(duì)應(yīng)像素230的分別紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)占空比值 λ R、λ G 和 λ B。值λκ、和λΒ然后將由均勻性校正模塊853使用且與存儲(chǔ)在均勻性輪廓 LUT854中的像素亮度權(quán)重因子KK、Ke和&結(jié)合以使用公式(8)產(chǎn)生量子光子成像器200的 每個(gè)像素230的均勻性校正的開時(shí)間值[Λκ，Ag, Λβ]。由均勻性校正模塊853產(chǎn)生的值[Λκ，Ae，Λ B](其典型地對(duì)每個(gè)像素將采用三個(gè) 16位字表示)然后由PWM轉(zhuǎn)換模塊855轉(zhuǎn)換為三個(gè)串行位流，其將與PWM時(shí)鐘同步提供給 量子光子成像器200。由PWM轉(zhuǎn)換模塊855對(duì)每個(gè)像素230產(chǎn)生的三個(gè)PWM串行位流將向 量子光子成像器器件200提供3位字，其中每個(gè)限定PWM時(shí)鐘信號(hào)858的持續(xù)時(shí)間內(nèi)像素 的發(fā)光紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)狀態(tài)。由PWM轉(zhuǎn)換模塊855產(chǎn) 生的3位字將載入量子光子成像器器件200的數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)220的適當(dāng)?shù)南袼氐刂凡⑶?將如較早說明的用于在PWM時(shí)鐘信號(hào)858限定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)打開或關(guān)閉相應(yīng)像素的紅色、 綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233。在前面本發(fā)明的量子光子成像器器件200的操作的示范性實(shí)施例中，由像素[R， G，B]值指定的源圖像像素顏色和亮度將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直接合成以用于源圖像中的每個(gè)個(gè)體像素。因?yàn)閭€(gè)體像素亮度和顏色 直接合成，量子光子成像器器件200的該操作模式稱為直接顏色合成模式。在量子光子成 像器器件200的操作的備選示范性實(shí)施例中，源圖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，并且像素顏色和亮度然后使用源圖 像色域的合成基色來合成。在量子光子成像器器件200的該操作模式中，像素的紅色、綠色 和藍(lán)色激光二極管231、232和233集體將順序地合成源圖像的RGB基色。這將通過劃分幀 持續(xù)時(shí)間成三段來完成，由此每段將專用于產(chǎn)生源圖像的一個(gè)基色并且使像素的紅色、綠 色和藍(lán)色激光二極管231、232和233中的每個(gè)的默認(rèn)值(白色點(diǎn))順序地反映每個(gè)幀段中 的一個(gè)源圖像基色的坐標(biāo)。專用于每個(gè)基色段的幀的持續(xù)時(shí)間和在該段期間像素的紅色、 綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的相對(duì)開時(shí)間值將基于需要的白色點(diǎn)色溫來選擇。 因?yàn)閭€(gè)體像素亮度和顏色順序合成，量子光子成像器器件200的該操作模式稱為順序顏色 合成模式。在量子光子成像器器件200的順序顏色合成模式中，在幀內(nèi)的PWM時(shí)鐘周期的總 數(shù)將分?jǐn)偨o三個(gè)基色子幀，其中一個(gè)子幀專用于源圖像色域的R基色，第二個(gè)專用于源圖 像色域的G基色并且第三個(gè)專用于源圖像色域的B基色。在R基色子幀、G基色子幀和B基 色子幀期間量子光子成像器器件200像素的每個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和 233的開時(shí)間將基于參考顏色空間內(nèi)源圖像基色和量子光子成像器器件200固有色域的基色之間的距離確定。這些開時(shí)間值然后將用源圖像的相應(yīng)像素的[R，G和B]值順序調(diào)制。量子光子成像器器件200的直接顏色合成模式和順序顏色合成模式之間的區(qū)別 在圖15B中圖示，其示出在各個(gè)情況下將提供給像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、 232和233的啟動(dòng)信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)860的順序圖示像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、 232和233采用直接顏色合成模式的操作，其中源圖像像素的像素的明度和色度分量將通 過控制對(duì)應(yīng)像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)占空比和同時(shí)性直 接合成。啟動(dòng)信號(hào)870的順序圖示像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233采 用順序顏色合成模式的操作，其中源圖像色域的基色將使用固有色域305的基色902、903 和904合成并且源圖像像素的明度和色度分量將使用源圖像色域的合成基色順序合成。量子光子成像器器件200的直接顏色合成模式和順序顏色合成模式將在獲得的 器件的操作效率方面不同，因?yàn)樗鼈冓呌谝蟛煌姆寰β黍?qū)動(dòng)條件以獲得同等的水平 的圖像亮度。然而在兩種操作模式中本發(fā)明的量子光子成像器器件200將能夠支持同等的 源圖像幀率和[R，G，B]字長(zhǎng)。QPI動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間、對(duì)比度和黑色水平量子光子成像器器件200的動(dòng)態(tài)范圍能力(限定為可以在每個(gè)源圖像像素的合成 中產(chǎn)生的灰度水平的總數(shù))將由可以支持的PWM時(shí)鐘持續(xù)時(shí)間的最小值確定，其進(jìn)而將由 像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233的開關(guān)切換時(shí)間確定。在前面的段落 中描述的光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的示范性實(shí)施例(圖2A)將獲得在持續(xù)時(shí)間上是一納秒的分 數(shù)的開關(guān)切換時(shí)間，使量子光子成像器器件200能夠容易地獲得16位的動(dòng)態(tài)范圍。為了比 較，最近可用的顯示系統(tǒng)以8位動(dòng)態(tài)操作。此外，可以由光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210獲得的在持續(xù) 時(shí)間上是一納秒的分?jǐn)?shù)的開關(guān)切換時(shí)間將還使量子光子成像器器件200能夠獲得在持續(xù) 時(shí)間上是一納秒的分?jǐn)?shù)的響應(yīng)時(shí)間。為了比較，可以由LCOS和HTPS型成像器獲得的響應(yīng) 時(shí)間典型地是大約4至6毫秒并且微反射鏡型成像器的響應(yīng)時(shí)間典型地是大約一微秒。成 像器響應(yīng)時(shí)間在可以由顯示系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量上起關(guān)鍵作用，特別對(duì)于產(chǎn)生視頻圖像 起關(guān)鍵作用。LCOS和HTPS型成像器的相對(duì)緩慢的響應(yīng)時(shí)間將趨于在產(chǎn)生的視頻圖像中形 成不期望的偽像。數(shù)字顯示器的質(zhì)量還由它可以產(chǎn)生的對(duì)比度和黑色水平測(cè)量，其中對(duì)比度是在圖 像內(nèi)白和黑區(qū)域的相對(duì)水平的測(cè)量而黑色水平是響應(yīng)于黑色提交的輸入而可以獲得的最 大的黑色。顯示的對(duì)比度和黑色水平在使用例如微反射鏡、LCOS或HTPS成像器等成像器 的現(xiàn)有投影顯示器中都相當(dāng)大地降級(jí)(因?yàn)榕c這樣的成像器關(guān)聯(lián)的光子泄漏的相當(dāng)高的 水平)。對(duì)于這些類型的成像器典型的高光子泄漏是由從成像器像素的開狀態(tài)到它的關(guān)狀 態(tài)的光泄漏引起的，從而引起對(duì)比度和黑色水平降級(jí)。當(dāng)這樣的成像器采用顏色順序模式 操作時(shí)該影響是更明顯的。相比之下量子光子成像器器件200將不具有光子泄漏，因?yàn)樗?的像素的紅色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)是大致上互斥的，使 可以由量子光子成像器器件200獲得對(duì)比度和黑色水平高出可以由微反射鏡、LCOS或HTPS 成像器獲得的對(duì)比度和黑色水平若干數(shù)量級(jí)?？偟膩碚f，本發(fā)明的量子光子成像器器件200克服其他成像器的弱點(diǎn)外加展現(xiàn)下 列若干優(yōu)勢(shì)1.它需要低功耗，因?yàn)樗母咝剩?br> 2.它減小總尺寸并且相當(dāng)大地降低投影系統(tǒng)的成本，因?yàn)樗枰?jiǎn)單的投影光 學(xué)系統(tǒng)并且不需要復(fù)雜的照明光學(xué)系統(tǒng)；3.它提供擴(kuò)展的色域，使它能夠支持下一代顯示系統(tǒng)的寬色域要求；以及
4.它提供快速響應(yīng)時(shí)間、擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍，外加高對(duì)比度和黑色水平，其共同將相 當(dāng)大地提高顯示圖像的質(zhì)量。在前面的詳細(xì)說明中，本發(fā)明已經(jīng)參考其的具體實(shí)施例描述。然而，各種改動(dòng)和變 化可以對(duì)其做出而不偏離本發(fā)明更寬的精神和范圍，這將是明顯的。因此設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和圖將 認(rèn)為是說明性的而不是限制性的意義。技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的部分可與上文對(duì)于優(yōu)選 實(shí)施例描述的實(shí)現(xiàn)不同地實(shí)現(xiàn)。例如，技術(shù)人員將意識(shí)到本發(fā)明的量子光子成像器器件200 可以實(shí)現(xiàn)且具有對(duì)下列各項(xiàng)的許多改變構(gòu)成光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210的多層激光二極管的數(shù) 量、多層激光二極管250、260和270的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、垂直波導(dǎo)290的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、與像 素的垂直波導(dǎo)290的具體圖案的選擇關(guān)聯(lián)的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、半導(dǎo)體制造程序的具體細(xì)節(jié)、 投影機(jī)800的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、配套圖像數(shù)據(jù)處理器器件850的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、耦合圖像數(shù)據(jù) 輸入到量子光子器件200需要的數(shù)字控制和處理的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，和與構(gòu)成量子光子器件 200和它的配套圖像數(shù)據(jù)處理器850的芯片組的選擇的操作模式關(guān)聯(lián)的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。技 術(shù)人員還將認(rèn)識(shí)到可以對(duì)本發(fā)明的前述實(shí)施例的細(xì)節(jié)做出許多改變而不偏離其的基礎(chǔ)原 理和教導(dǎo)。因此本發(fā)明的范圍應(yīng)該僅由下列權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
一種發(fā)射多色數(shù)字圖像形成(成像器)器件，包括多色激光發(fā)射像素的二維陣列，由此每個(gè)多色激光發(fā)射像素包括垂直堆疊的多個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每個(gè)用于發(fā)射不同的顏色，其中在多色像素陣列內(nèi)具有將每個(gè)多色像素與相鄰多色像素電和光分離的垂直側(cè)壁的網(wǎng)格；以及多個(gè)垂直波導(dǎo)，其光學(xué)耦合于所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以從所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的堆疊的第一表面垂直發(fā)射由所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的激光；所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的堆疊通過與所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的堆疊的第一表面相對(duì)的第二表面堆疊到數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上；以及在所述數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的多個(gè)數(shù)字半導(dǎo)體電路，每個(gè)數(shù)字半導(dǎo)體電路電耦合成從所述數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的外圍接收控制信號(hào)并且通過嵌入所述垂直側(cè)壁內(nèi)的垂直互連電耦合于所述多色激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以單獨(dú)控制每個(gè)所述多色激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有在其的頂部和底部 上的金屬層，相鄰激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的金屬層由相應(yīng)金屬層之間的絕緣層分離。
3.如權(quán)利要求2所述的器件，其中所述金屬層提供與每個(gè)堆疊的激光二極管半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)的正和負(fù)接觸。
4.如權(quán)利要求3所述的器件，還包括圖案化的金屬互連層，其用圖案化的絕緣層與所 述金屬層隔離并且連接到所述垂直互連以提供用于將所述數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與所述多色激 光發(fā)射像素的二維陣列中的每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)互連的接觸盤。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過所述接觸盤是單獨(dú) 可尋址的。
6.如權(quán)利要求1所述的器件，其中在其中具有垂直互連的所述垂直側(cè)壁包括圍繞每 個(gè)像素的絕緣和金屬交替層，由此在每個(gè)像素周圍由所述金屬層提供的光學(xué)分離是不間斷 的。
7.如權(quán)利要求1所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)和光學(xué)限制 區(qū)域，每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的有源區(qū)由AlxIni_xP、GaxIni_xP或InxGai_xN的多個(gè)半導(dǎo)體 層構(gòu)成并且形成多個(gè)量子阱、多個(gè)量子線或多個(gè)量子點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求7所述的器件，其中所述半導(dǎo)體層的組成使每個(gè)所述激光二極管半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生具有在包括430nm至650nm的可見光范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的激光。
9.如權(quán)利要求7所述的器件，其中所述半導(dǎo)體層的組成使每個(gè)多色激光發(fā)射像素能夠 發(fā)射包括紅色、黃色、綠色、青色和藍(lán)色波長(zhǎng)的固有色域的多個(gè)基色。
10.如權(quán)利要求7所述的器件，其中所述垂直波導(dǎo)光學(xué)耦合于所述激光二極管半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)的光學(xué)限制區(qū)域中的每個(gè)。
11.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述垂直波導(dǎo)由芯和多層包層構(gòu)成，所述芯用介電 材料填充或被空氣填充。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)和光學(xué)限 制區(qū)域，所述多層包層由介電材料的外包層和反射金屬材料的內(nèi)薄包層構(gòu)成，所述內(nèi)薄包 層材料的厚度選擇成允許由所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的有源區(qū)所產(chǎn)生的并且限制在所 述限制區(qū)域內(nèi)的光的一部分被消散場(chǎng)耦合到所述垂直波導(dǎo)的芯中并且從所述二維陣列的表面垂直發(fā)射。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)和光學(xué)限 制區(qū)域，所述多層包層由介電材料的多個(gè)薄層構(gòu)成，所述芯和所述多個(gè)薄包層的折射率和 所述多個(gè)包層的厚度選擇成允許由所述有源區(qū)產(chǎn)生的并且限制在所述限制區(qū)域內(nèi)的光的 一部分被耦合到所述垂直波導(dǎo)的芯中并且被折射率引導(dǎo)以及從所述二維陣列的表面垂直 發(fā)射。
14.如權(quán)利要求11所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)和光學(xué)限 制區(qū)域，所述多層包層包括非線性光學(xué)材料的薄層，其使它的厚度和線性及非線性折射率 選擇成當(dāng)所述薄非線性包層的折射率響應(yīng)于限制在所述限制區(qū)域內(nèi)的光的強(qiáng)度上的變化 而變化時(shí)引起由所述有源區(qū)產(chǎn)生的并且限制在所述限制區(qū)域內(nèi)的所述光的耦合被抑制或 被允許，由此引起耦合進(jìn)入所述垂直波導(dǎo)并且由所述垂直波導(dǎo)折射率引導(dǎo)并且從所述二維 陣列的表面垂直發(fā)射的所述光以短間隔分離的短脈沖來發(fā)生。
15.如權(quán)利要求1所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)和光學(xué)限 制區(qū)域，每個(gè)垂直波導(dǎo)具有環(huán)形橫截面，其中在所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的限制區(qū)域中 的每個(gè)內(nèi)的耦合區(qū)域的中心處的折射率引導(dǎo)直徑等于由相應(yīng)有源區(qū)產(chǎn)生的激光的波長(zhǎng)。
16.如權(quán)利要求1所述的器件，其中每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)和光學(xué)限 制區(qū)域，并且其中對(duì)于每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)垂直波導(dǎo)從所述激光二極管 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的堆疊的第一表面延伸并且在這個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的光學(xué)限制區(qū)域的 末端結(jié)束。
17.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述垂直波導(dǎo)采用選擇成減小從所述二維陣列的 表面發(fā)射的光的最大發(fā)散角的圖案來設(shè)置。
18.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述垂直波導(dǎo)在所述像素表面區(qū)域內(nèi)被間隔開以 提供橫跨每個(gè)像素區(qū)域的均勻亮度并且在數(shù)量上被提供為最大化像素亮度。
19.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括下列半導(dǎo)體合金材料中的一種或多種的多個(gè)半導(dǎo)體層AlJrihP、(AlxGaJylrVyP、GaJrihP、AlxGahN、AlxGahN/GaN、Ir^GahN、GaN ；每個(gè)在GaAs、GaN或InGaN的厚襯底層上的單獨(dú)晶圓上形成；每個(gè)包括相同的相應(yīng)半導(dǎo)體襯底層材料類型的n型蝕刻停止層和p型接觸層；每個(gè)包括n型和P型波導(dǎo)層和包層，它們限定它們相應(yīng)的光學(xué)限制區(qū)域；每個(gè)具有至少一個(gè)被限定它們相應(yīng)有源區(qū)的兩個(gè)勢(shì)壘層圍繞的量子阱；以及每個(gè)包括嵌入它們相應(yīng)P型波導(dǎo)層內(nèi)或在它們相應(yīng)P型波導(dǎo)和包層之間的電子阻擋層。
20.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)響應(yīng)于串行位流，其是多個(gè)位 字的串行表示，其每個(gè)限定相應(yīng)像素的顏色分量和亮度以轉(zhuǎn)換源數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸入為光學(xué) 圖像，由此每個(gè)所述多色像素發(fā)射具有反映由所述相應(yīng)像素的源數(shù)字圖像輸入數(shù)據(jù)表示的 顏色和亮度值的顏色和亮度的光。
21.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括配套器件用以接收?qǐng)D像源數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)換所述圖 像源數(shù)據(jù)為構(gòu)成所述發(fā)射多色圖像形成器件的每個(gè)像素的激光二極管的開關(guān)占空比值，所 述配套器件包括顏色空間轉(zhuǎn)換模塊； 均勻性校正模塊，包括權(quán)重因子查找表； 脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換模塊；以及 同步和控制模塊；所述權(quán)重因子查找表存儲(chǔ)由器件級(jí)測(cè)試確定的每個(gè)像素的每個(gè)顏色的亮度均勻性權(quán) 重因子，在所述器件級(jí)測(cè)試中測(cè)量包括發(fā)射孔徑的所述像素陣列的亮度并且對(duì)每個(gè)像素的 每個(gè)激光顏色計(jì)算亮度均勻性權(quán)重因子。
22.如權(quán)利要求21所述的器件，其中所述器件配置成接收在堆疊的激光二極管半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)的陣列中的每個(gè)顏色激光二極管的串行數(shù)據(jù)流和每個(gè)激光二極管的開關(guān)占空比控制 的控制信號(hào)，所述配套器件配置成提供在堆疊的激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的陣列中的每個(gè)顏 色激光二極管的串行數(shù)據(jù)流和每個(gè)激光二極管的開關(guān)占空比控制的控制信號(hào)。
23.如權(quán)利要求1所述的器件，其中每個(gè)二維多色激光發(fā)射像素陣列從多個(gè)二維多色 激光發(fā)射像素陣列的晶圓上切割下來，并且每個(gè)數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從多個(gè)數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的 晶圓上切割下來，每個(gè)二維多色激光發(fā)射像素陣列與相應(yīng)數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)芯片級(jí)接合。
24.一種用于接合于二維多色發(fā)光像素陣列的數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括 多個(gè)二維像素邏輯單元陣列；放置在所述像素邏輯單元陣列的外圍的數(shù)字控制邏輯區(qū)域； 放置在所述數(shù)字控制邏輯區(qū)域的外圍的多個(gè)器件接觸盤；以及 多個(gè)金屬層，其配置成互連所述像素邏輯單元陣列與所述數(shù)字控制邏輯區(qū)域； 連接所述數(shù)字控制邏輯區(qū)域與所述多個(gè)器件接觸盤；以及 互連所述像素邏輯單元陣列與二維多色發(fā)光像素陣列。
25.如權(quán)利要求24所述的結(jié)構(gòu)，其中，頂部金屬層由圖案化為匹配待接合于其上的二 維多色發(fā)光像素陣列的像素接觸盤的陣列構(gòu)成。
26.如權(quán)利要求25所述的結(jié)構(gòu)，其中，一個(gè)金屬層包括多個(gè)單獨(dú)功率和接地軌線以用 于分配功率和地線到所述數(shù)字控制邏輯區(qū)域；所述像素邏輯單元陣列；以及接合于所述像素接觸盤的二維多色發(fā)光像素陣列。
27.如權(quán)利要求26所述的結(jié)構(gòu)，其中，一個(gè)金屬層包括用于分配數(shù)據(jù)、更新和清除信號(hào) 到所述像素邏輯單元的多個(gè)金屬跡線。
28.如權(quán)利要求27所述的結(jié)構(gòu)，其中，一個(gè)金屬層包括用于分配負(fù)載和啟動(dòng)信號(hào)到所 述像素邏輯單元的多個(gè)單獨(dú)金屬跡線。
29.如權(quán)利要求28所述的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)二維像素邏輯單元陣列包括多個(gè)邏輯電路， 其用于響應(yīng)于由所述數(shù)字控制邏輯區(qū)域產(chǎn)生的啟動(dòng)信號(hào)選通到相應(yīng)像素接觸盤的功率； 以及響應(yīng)于由所述數(shù)字控制邏輯區(qū)域產(chǎn)生的負(fù)載信號(hào)對(duì)接合于其上的二維多色發(fā)光 像素陣列的一個(gè)顏色鎖存相應(yīng)像素接觸盤的下一個(gè)開關(guān)狀態(tài)。
30.如權(quán)利要求29所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)邏輯電路每個(gè)響應(yīng)于由配套器件提供的限定接合于其上的二維多色發(fā)光像素陣列的相應(yīng)像素接觸 盤在輸入時(shí)鐘周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)的串行位流輸入而產(chǎn)生每個(gè)相應(yīng)像素邏輯單 元的啟動(dòng)和負(fù)載信號(hào)，所述串行位流和時(shí)鐘輸入通過所述多個(gè)器件接觸盤路由到所述數(shù)字 控制邏輯區(qū)域。
31.一種投影機(jī)，包括采用多色激光發(fā)射像素的二維陣列的形式的發(fā)射多色數(shù)字圖像形成器件；以及耦合于所述多色成像器器件的發(fā)射孔徑以放大由所述發(fā)射多色數(shù)字圖像形成器件形 成的圖像尺寸的投影透鏡組。
32.如權(quán)利要求31所述的投影機(jī)，還包括配套器件和印刷電路板，所述發(fā)射多色數(shù)字 圖像形成器件和它的配套器件安裝在其上，所述投影透鏡組安裝在適當(dāng)位置以實(shí)現(xiàn)所述發(fā) 射多色數(shù)字圖像形成器件的所述發(fā)射孔徑的光學(xué)耦合。
33.如權(quán)利要求32所述的投影機(jī)，配置成接受數(shù)字圖像或視頻輸入并且產(chǎn)生所述數(shù)字 圖像或視頻輸入的多色光學(xué)圖像或視頻表示。
34.如權(quán)利要求33所述的投影機(jī)，配置成在正投影或背投影顯示系統(tǒng)中使用以顯示多 色圖像或視頻。
35.如權(quán)利要求33所述的投影機(jī)，配置成在移動(dòng)平臺(tái)中使用以顯示多色圖像或視頻。
36.如權(quán)利要求33所述的投影機(jī)，配置成在近眼顯示系統(tǒng)中使用以顯示單色或多色圖 像或視頻。
37.如權(quán)利要求31所述的投影機(jī)，還包括配套器件，并且其中所述配套器件電耦合成 接收?qǐng)D像源數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)換所述圖像源數(shù)據(jù)為構(gòu)成所述發(fā)射多色圖像形成器件的每個(gè)像素 的激光二極管的開關(guān)占空比值，所述配套器件包括顏色空間轉(zhuǎn)換模塊；均勻性校正模塊，包括權(quán)重因子查找表；脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換模塊；以及同步和控制模塊。
38.如權(quán)利要求37所述的投影機(jī)，其中所述顏色空間模塊配置成接收?qǐng)D像源數(shù)據(jù)并且 從源圖像色域轉(zhuǎn)換所述數(shù)據(jù)為所述發(fā)射多色圖像形成器件固有色域，并且映射所轉(zhuǎn)換的數(shù) 據(jù)為對(duì)于所述發(fā)射多色圖像形成器件的激光二極管中的每個(gè)所需要的開關(guān)占空比值。
39.如權(quán)利要求37所述的投影機(jī)，其中所述均勻性校正模塊配置成接收像素的激光二 極管開關(guān)占空比值并且應(yīng)用所述均勻性模塊查找表的權(quán)重因子以在投影的圖像中提供顏 色和亮度均勻性。
40.如權(quán)利要求39所述的投影機(jī)，其中所述均勻性模塊查找表的權(quán)重因子對(duì)于在所述 投影機(jī)中的具體發(fā)射多色數(shù)字圖像形成器件是唯一的且如通過在所述發(fā)射多色數(shù)字圖像 形成器件制造后的測(cè)試中所確定那樣。
41.如權(quán)利要求37所述的投影機(jī)，其中所述同步和控制模塊配置成接收源圖像幀同步 信號(hào)并且轉(zhuǎn)換所述源圖像幀同步信號(hào)為像素脈沖寬度調(diào)制時(shí)鐘信號(hào)。
42.如權(quán)利要求37所述的投影機(jī)，其中所述脈沖寬度調(diào)制模塊配置成接收像素的激光 二極管中的每個(gè)的均勻性校正開關(guān)占空比值并且轉(zhuǎn)換所述均勻性校正開關(guān)占空比值為表 示在由所述同步和控制模塊產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制時(shí)鐘信號(hào)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)所述像素的激光二極管中的每個(gè)的開關(guān)狀態(tài)的串行位流。
43.如權(quán)利要求37所述的投影機(jī)，其中所述投影機(jī)配置成采用直接顏色合成模式操 作，其中源圖像像素的顏色和亮度值使用所述發(fā)射多色圖像形成器件的固有色域直接合成 以用于所述源圖像中的每個(gè)個(gè)體像素。
44.如權(quán)利要求37所述的投影機(jī)，其中所述投影機(jī)配置成采用順序顏色合成模式操 作，其中源圖像色域的基色首先使用所述發(fā)射多色圖像形成器件的固有色域的基色來合成；以及所述源圖像像素的顏色和亮度然后使用所述源圖像色域的合成基色來順序合成。
45.如權(quán)利要求37所述的投影機(jī)，其中所述投影機(jī)配置成在例如模擬器顯示器和游戲 顯示器等要求真實(shí)圖像顏色渲染的寬色域應(yīng)用中使用。
46.一種制作多色激光發(fā)射像素的二維陣列的方法，其中每個(gè)多色激光發(fā)射像素包括 垂直堆疊的多個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每個(gè)用于發(fā)射不同的顏色，其中在多色像素陣列 內(nèi)具有將每個(gè)多色像素與相鄰多色像素電和光分離的垂直側(cè)壁的網(wǎng)格；以及多個(gè)垂直波 導(dǎo)，其光學(xué)耦合于所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以從所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的堆疊的第 一表面垂直發(fā)射由所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的激光；所述方法包括a)形成不同顏色的激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每個(gè)具有下列半導(dǎo)體合金材料中的一種 或多種的多個(gè)半導(dǎo)體層AlxIni_xP、(AlxGaiJyliVyP、Gajrvf、AlxGai_xN、AlxGai_xN/GaN、 InxGai_xN、GaN，每個(gè)在GaAs、GaN或InGaN的厚襯底層上的單獨(dú)晶圓上形成；每個(gè)包括相同 的相應(yīng)半導(dǎo)體襯底層材料類型的n型蝕刻停止層和p型接觸層；每個(gè)包括n型和p型波導(dǎo) 層和包層，它們限定它們相應(yīng)的光學(xué)限制區(qū)域；每個(gè)具有至少一個(gè)被限定它們相應(yīng)有源區(qū) 的兩個(gè)勢(shì)壘層圍繞的量子阱；以及每個(gè)包括嵌入它們相應(yīng)P型波導(dǎo)層內(nèi)或在它們相應(yīng)P型 波導(dǎo)和包層之間的電子阻擋層；b)在Si襯底晶圓上沉積Si02層；c)在所述Si02層上沉積n接觸金屬層；d)一個(gè)顏色的激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)晶圓的p型接觸層與沉積的n接觸金屬層進(jìn)行晶 圓級(jí)接合并且向下蝕刻它的GaAs、GaN或InGaN厚襯底至它的n型蝕刻停止層；e)向下蝕刻具有垂直側(cè)壁的槽的網(wǎng)格至所述n接觸金屬層并且用Si02回填該蝕刻的槽；f)蝕刻這些槽以用于垂直互連金屬通孔并且用金屬回填蝕刻的槽；g)沉積P接觸金屬層并且蝕刻所述側(cè)壁槽；以及h)沉積另一個(gè)3102層；i)對(duì)于將包含在多色激光發(fā)射像素的所述二維陣列內(nèi)的每個(gè)其他顏色的激光二極管 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)重復(fù)b)至h)；j)沉積并且蝕刻金屬層以形成接觸盤并且用Si02再填充蝕刻的間隙； k)蝕刻開口通過所述Si襯底側(cè)以用于所述垂直波導(dǎo)； 1)在開口的內(nèi)壁上沉積薄包層；以及m)用介電材料回填剩余在所述薄包層內(nèi)部的所述開口的內(nèi)部或者將其留置然后填充6空氣。
47. 一種制作發(fā)射多色數(shù)字圖像形成器件的方法，包括a)形成多色激光發(fā)射像素的二維陣列的晶圓，由此每個(gè)多色激光發(fā)射像素包括垂直 堆疊的多個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每個(gè)用于發(fā)射不同的顏色，其中在多色像素陣列內(nèi)具 有將每個(gè)多色像素與相鄰多色像素電和光分離的垂直側(cè)壁的網(wǎng)格；多個(gè)垂直波導(dǎo)，其光學(xué) 耦合于所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以從所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的堆疊的第一表面垂 直發(fā)射由所述激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的激光，以及多個(gè)向每個(gè)激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 提供電接觸的接觸盤；b)形成數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶圓，每個(gè)數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有在相應(yīng)數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的 多個(gè)數(shù)字半導(dǎo)體電路，每個(gè)數(shù)字半導(dǎo)體電路電耦合成從所述數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的外圍接收控 制信號(hào)并且電耦合于接觸盤以單獨(dú)控制可連接到其上的每個(gè)多色激光二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 的開關(guān)狀態(tài)；c)將多色激光發(fā)射像素的二維陣列的晶圓和數(shù)字半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶圓進(jìn)行接觸盤側(cè)對(duì) 接觸盤側(cè)的晶圓級(jí)接合；d)蝕刻通過像素區(qū)域之間的所述光子半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以暴露所述器件接觸盤；以及e)將所述多晶圓切割成一個(gè)個(gè)芯片以形成多個(gè)發(fā)射多色數(shù)字圖像形成器件。
全文摘要
由數(shù)字可尋址多色像素的空間陣列構(gòu)成的發(fā)射量子光子成像器。每個(gè)像素是多個(gè)半導(dǎo)體激光二極管的垂直堆疊，每個(gè)半導(dǎo)體激光二極管可以產(chǎn)生不同顏色的激光。在每個(gè)多色像素內(nèi)，從二極管的堆疊產(chǎn)生的光垂直于成像器器件的平面通過多個(gè)垂直波導(dǎo)發(fā)射，該垂直波導(dǎo)耦合于構(gòu)成成像器器件的多個(gè)激光二極管中的每個(gè)的光學(xué)限制區(qū)域。構(gòu)成單個(gè)像素的激光二極管中的每個(gè)是單獨(dú)可尋址的，使每個(gè)像素能夠以每個(gè)顏色的任何需要的開關(guān)占空比同時(shí)發(fā)射與激光二極管關(guān)聯(lián)的顏色的任何組合。每個(gè)個(gè)體多色像素可以通過控制它們相應(yīng)激光二極管的開關(guān)占空比同時(shí)發(fā)射需要的顏色和亮度值。
文檔編號(hào)H01S5/10GK101874330SQ200880118773
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2008年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月27日
發(fā)明者A·J·蘭佐內(nèi), D·A·麥克奈爾, H·S·艾爾-古魯里, H·登貝爾, R·G·W·布朗 申請(qǐng)人:奧斯坦多科技公司