本申請(qǐng)是下述申請(qǐng)的分案申請(qǐng)：

發(fā)明名稱(chēng)：量子光子成像器及其制造方法，

申請(qǐng)日：2008年9月16日，

申請(qǐng)?zhí)枺?00880118773.2。

對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2007年9月27日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?0/975,772的權(quán)益。

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(emissiveimagerdevice)。

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(lèi)型的顯示器面對(duì)來(lái)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(lái)提高它們的性能同時(shí)顯著降低它們的成本。在這些類(lèi)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(wú)源成像器(passiveimager)，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(guò)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(lái)克服這樣的成像器器件的缺點(diǎn)。

圖1a和1b是在使用無(wú)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的框圖圖示，該無(wú)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1a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(lái)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1a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(guò)打開(kāi)具有需要的顏色(是r、g或b)的半導(dǎo)體光源器件來(lái)調(diào)制。

在使用圖1b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(lightpatch)(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(guò)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(kāi)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bhtps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(colorintensity)。

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(lái)自光源130的光、將它準(zhǔn)直、過(guò)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(guò)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(kāi)/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(lái)源。此外反射以及透射類(lèi)型的成像器都遭受稱(chēng)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(lèi)型的成像器能夠獲得的對(duì)比度和黑色水平(blacklevel)。

如較早說(shuō)明的，本發(fā)明的目的是通過(guò)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(lái)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1a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(méi)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(laserpixel)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(organicverticalcavitylaser)。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(pumpinglightsource)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(wú)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(méi)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(shuō)明中將變得明顯的，本發(fā)明涉及通過(guò)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(guò)移除發(fā)光區(qū)域之間的材料或通過(guò)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800nm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(shuō)明變得明顯。

參考文獻(xiàn)

美國(guó)專(zhuān)利文件

[1]uspatentno.6,975,366b2，flint，dec.13，2005

[2]uspatentapplicationno.2004/0008392a1，kappeletal，jan.15，2004

[3]uspatentapplicationno.2006/0268241a1，watsonetal，nov.30，2006

[4]uspatentapplicationno.2006/0023173a1，mooradianetal，feb.2，2006

[5]uspatentno.6,869,185b2，kaminskyetal，mar.22，2005

[6]uspatentno.6,853,490b2，wangetal，mar.8，2005

[7]uspatentno.6,939,012b2，coketal，sep.62005

[8]uspatentno.7,177,335b2，kampetal，feb.13，2007

[9]uspatentno.7,122,843b2，kahenetal，oct.17，2006

[10]uspatentno.7,120,182b2，chuaetal，oct.10，2006

[11]uspatentno.7,092,424b2，trezzaetal，aug.15，2006

[12]uspatentno.6,934,309b2，nishikawaetal，aug.23，2005

[13]uspatentno.6,853,490b2，wangetal，feb.8，2005

[14]uspatentno.6,744,800b2，kneissletal，jun.1，2004

[15]uspatentno.6,741,625b2，hirataetal，may25，2004

[16]uspatentno.6,668,003b2，ungaretal，dec.23，2003

[17]uspatentno.6,633,421b2，trezzaetal，oct.14，2003

[18]uspatentno.6,233,265b1，bouretal，may15，2001

[19]uspatentno.6，205，160b2，grewelletal，mar.20，2001

[20]uspatentno.6,144,685，lwasaetal，nov.7，2000

[21]uspatentno.5,920,766，floyd，jul.6，1999

[22]uspatentno.5,583,351，brownetal，dec.10，1996

[23]uspatentno.5,809,052，sekoetal，sep.15，1998

[24]uspatentno.5,715,264，pateletal，feb3，1998

[25]uspatentno.5,708,674，beerninketal，jan.13，1998

[26]uspatentno.5,386,428，thorntonetal，jan.31，1995

[27]uspatentno.5,323,411，shirasokaetal，jun.21，1994

[28]uspatentno.4,976,539，carlsonetal，dec.11，1990

[29]uspatentno.4,947,401，hinataetal，aug.7，1990

[30]uspatentno.4,817,104，yaneyaetal，mar.28，1989

[31]uspatentno.4,799,229，miyazawaetal，jun.17，1989

[32]uspatentno.4,794,609，haraetal，dec.27，1988

[33]uspatentno.4,744,088，heinenetal，may10，1988

其他文件

[34]j.w.goodman，introductiontofourieroptics，mcgraw-hill，1996，chapter7，pp.172-214

[35]jansenetal，“visiblelaserandlaserarraysourcesforprojectiondisplays”，proc.ofspievol.6135，2006

[36]poynton，charles，“digitalvideoandhdtv：algorithmsandlnterfaces”，sanfrancisco：morgankaufmann，2003.pp.252-253

[37]chowetal，“semiconductor-laserphysics”，springer1997

[38]robertw.boyd，“nonlinearoptics-secondedition”，academicpress2003

[39]m.elexeetal，“waferbonding：applicationandtechnology”，springer2004

[40]a.thelen，“designofopticalinterfacecoatings”，mcgraw-hill，chapter2，pp.5-24

[41]m.bornetal，“principlesofoptics”，cambridgeuniversitypress，chapter8，pp.439-443

附圖說(shuō)明

本發(fā)明在附圖的圖表中通過(guò)示例的方式而非限制的方式說(shuō)明，附圖中相同的標(biāo)號(hào)指相似的元件。

圖1a和1b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(quantumphotonicimager)器件的等視軸圖(isometricview)。

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(pán)(contactpad)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10a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10b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10c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10d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10e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11a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11b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)字邏輯單元。

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(colorgamut)。

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)施方式

在本發(fā)明的下列詳細(xì)說(shuō)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(shuō)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(shuō)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(chēng)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(guò)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的頂視圖圖示。

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(guò)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(pán)(bondingpad)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(guò)數(shù)字控制邏輯229和焊盤(pán)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(shuō)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(chēng)為垂直方向)上通過(guò)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(opticalresonator)(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(guò)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(pán)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的頂部的頂視圖圖示。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10×10微米的范圍中，使提供vga分辨率(640×480像素)的量子光子成像器器件200的發(fā)射表面是6.4×4.8mm。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6.6×5mm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(pán)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7.6×6mm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(shuō)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)的橫截面視圖圖示。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(chēng)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p接觸和n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p接觸和n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p接觸和n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(diffusionbarrier)，其將防止金屬化層過(guò)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(pán)。金屬層222還將包含器件焊盤(pán)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(lèi)似技術(shù)晶圓級(jí)接合到紅色激光二極管結(jié)構(gòu)250的p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(lèi)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(lèi)似技術(shù)晶圓級(jí)接合到綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260的p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(lèi)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240-241-252-250-253-251-262-260-263-261-272然后用直接晶圓接合、擴(kuò)散接合、陽(yáng)極接合技術(shù)或類(lèi)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p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(lèi)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(pán)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(pán)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(chēng)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(mqw)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100nm的n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(shuō)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。n摻雜gaas蝕刻停止層412將具有大約8×10¹⁸cm^-3的硅(si)或硒(se)摻雜。厚gaas襯底用于確保在其上高質(zhì)量epi層的生長(zhǎng)。

在襯底移除蝕刻停止層412上沉積n型al0.5in0.5p或(al0.7ga0.3)0.5in0.5超晶格(sl)的包層414，其將典型地是120nm厚并且具有1×10¹⁸cm^-3的si或se摻雜。在包層414上沉積100nm厚n型(al0.55ga0.45)0.5in0.5p波導(dǎo)層416，其將典型地被硅(si)或硒(se)摻雜到至少1×10¹⁸cm^-3。在波導(dǎo)層416上沉積由多個(gè)ga0.6in0.4p量子阱層420構(gòu)成的紅色激光二極管250的有源區(qū)(activeregion)421，這些量子阱層420被圍在al0.5in0.5p勢(shì)壘層418內(nèi)，它們分別典型地以最小0.01×10¹⁸cm^-3和0.1×10¹⁸cm^-3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4.8nm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p型(al0.55ga0.45)0.5in0.5p波導(dǎo)層422，其將典型地以至少1×10¹⁸cm^-3的水平被鎂(mg)摻雜。在波導(dǎo)層422上沉積23nm厚al0.5in0.5p反隧穿層(anti-tunnelinglayer)424，其具有至少1×10¹⁸cm^-3的鎂摻雜水平。在反隧穿層424上沉積厚度25nm的電子阻擋層(electronblockerlayer)426，其由ga0.5in0.5p量子阱和al0.5in0.5p勢(shì)壘的交替層構(gòu)成，ga0.5in0.5p量子阱和al0.5in0.5p勢(shì)壘每個(gè)以至少1×10¹⁸cm^-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p型al0.5in0.5p或(al0.7ga0.3)0.5in0.5sl包層428，其將典型地以至少0.5×10¹⁸cm^-3的水平被鎂摻雜。在包層428上沉積100nm厚p型gaas接觸層429，其將以至少1×10¹⁸cm^-3的水平被鎂重?fù)诫s。如較早說(shuō)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(chēng)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(shuō)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(guò)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4b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4b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100nm并且以6×10¹⁸cm^-3的si摻雜的n摻雜in0.05ga0.95n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(shuō)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。n摻雜in0.05ga0.95n蝕刻停止層432將具有6×10¹⁸cm^-3的硅(si)摻雜。盡管圖4b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n型al0.18ga0.82n/gansl的包層434，其將典型地是451nm厚并且具有2×10¹⁸cm^-3的si摻雜。在包層434上沉積98.5nm厚n型gan波導(dǎo)層436，其將典型地以6.5×10¹⁸cm^-3的水平被si摻雜。在波導(dǎo)層436上沉積由多個(gè)in0.535ga0.465n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0.05×10¹⁸cm^-3的水平被si摻雜并且被圍在in0.04ga0.96n勢(shì)壘層438(每個(gè)以6.5×10¹⁸cm^-3的水平被si摻雜)內(nèi)。如在圖4b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p型gan波導(dǎo)層452，其將典型地以50×10¹⁸cm^-3的水平被鎂(mg)摻雜。在波導(dǎo)層452上沉積20nm厚al0.2ga0.8n電子阻擋層454，其具有大約100×10¹⁸cm^-3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p型gan波導(dǎo)層456，其將典型地以75×10¹⁸cm^-3的水平被鎂(mg)摻雜。在波導(dǎo)層456上沉積451nm厚p型al0.18ga0.82n/gansl包層458，其將典型地以75×10¹⁸cm^-3的水平被鎂摻雜。在包層458上沉積100nm厚p型gan接觸層459，其以75×10¹⁸cm^-3的水平被鎂(mg)摻雜。如較早說(shuō)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(shuō)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(guò)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100nm以6×10¹⁸cm^-3的水平si摻雜的n摻雜in0.05ga0.95n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(shuō)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。n摻雜in0.05ga0.95n蝕刻停止層462將具有6×10¹⁸cm^-3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n型al0.18ga0.82n/gansl的包層464，其將典型地是451nm厚并且具有2×10¹⁸cm^-3的si摻雜。在包層464上沉積98.5nm厚n型gan波導(dǎo)層466，其將典型地以6.5×10¹⁸cm^-3的水平被si摻雜。在波導(dǎo)層466上沉積由多個(gè)in0.41ga0.59n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0.05×10¹⁸cm^-3的水平被si摻雜并且被圍在每個(gè)以6.5×10¹⁸cm^-3的水平si摻雜的in0.04ga0.96n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p型gan波導(dǎo)層472，其將典型地以50×10¹⁸cm^-3的水平被鎂(mg)摻雜。在波導(dǎo)層472上沉積20nm厚al0.2ga0.8n電子阻擋層474，其具有大約100×10¹⁸cm^-3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p型gan波導(dǎo)層476，其將典型地以75×10¹⁸cm^-3的水平被鎂(mg)摻雜。在波導(dǎo)層476上沉積451nm厚p型al0.18ga0.82n/gansl包層478，其將典型地以75×10¹⁸cm^-3的水平被鎂摻雜。

在包層478上沉積100nm厚p型gan接觸層479，其以75×10¹⁸cm^-3的水平被鎂摻雜。如較早說(shuō)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240-241-252-250-253-251-262-260-263-261-272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(shuō)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(guò)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4b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(lèi)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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)可見(jiàn)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(guò)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(guò)可見(jiàn)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(lái)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(guò)三個(gè)激光二極管結(jié)構(gòu)來(lái)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(lái)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)。如這些圖圖示的，p型和n型包層的能級(jí)在能量上限制p型和n型波導(dǎo)層以及多個(gè)量子阱能級(jí)(quantumwelllevel)。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(lasingthreshold)，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(guò)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(pán)層282開(kāi)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(lèi)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?xún)A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(lèi)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n接觸的段254和256、分別用于綠色激光二極管結(jié)構(gòu)260p接觸和n接觸的段264和266、分別用于藍(lán)色激光二極管結(jié)構(gòu)270p接觸和n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(shuō)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(guò)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(pán)700。像素接觸盤(pán)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(shuō)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(shuō)，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(guò)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(guò)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(lèi)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?xún)A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(evanescencefieldcoupled)”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100nm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(guò)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(guò)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(shuō)，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294一短的距離，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(guò)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：

給出，其中λ是耦合光的波長(zhǎng)，n0和n1分別是外包層293和內(nèi)包層294的折射率，并且θi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n0、n1和θi，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k1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(guò)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(chēng)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n0、n1和n2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)榕R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(guò)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(guò)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100nm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(guò)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(guò)多層薄包層的使用的耦合將耦合來(lái)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)楣獗籺ir引導(dǎo))，因此大約相同量的光將通過(guò)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(guò)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(shuō)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100nm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(guò)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(guò)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(chēng)為門(mén)包層。門(mén)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(lèi)似物等的nlo材料的薄層。這樣的nlo材料的折射率n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n遵循與入射光強(qiáng)度的下列關(guān)系：

n＝n0+χ⁽³⁾i(4)

在公式(4)中，χ⁽³⁾是nlo材料的三階非線性極化率并且n0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n0和構(gòu)成門(mén)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(lái)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(mén)包層295的折射率n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(mén)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n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(mén)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100nm的厚度的pts-pda的nlo門(mén)包層295與大約100nm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100ps的范圍中的脈沖間時(shí)間段。與nlo門(mén)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(jiàn)。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(lái)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(lái)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(lái)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(mǎn)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(shuō)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(guò)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(guò)發(fā)射器陣列發(fā)射。考慮到前面的前三個(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±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(lái)設(shè)置，以提供橫過(guò)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(phasedemitterarray)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：

i(θ)＝e(θ){j1[ax(θ)]/ax(θ)}²{sin[ndx(θ)]/sin[dx(θ)]}²(5.a)

給出，其中：

x(θ)＝(πsinθ)/λ(5.b)

j1(.)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e(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(shuō)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±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10×10微米像素230發(fā)射的光的角強(qiáng)度，這些像素包括9×9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±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)f/#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?；诒景l(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10a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10a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10b中圖示的，金屬層222將包含多個(gè)像素的接觸盤(pán)圖案，由此每個(gè)接觸盤(pán)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(pán)圖案的相同。如較早說(shuō)明的，金屬層222的多個(gè)像素接觸盤(pán)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(pán)221。

圖10c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10d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(kāi)關(guān)狀態(tài))的獨(dú)立金屬跡線。圖10e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(kāi)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11a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(guò)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11b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11b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11b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(shuō)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(lèi)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(pán)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(lèi)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(kāi)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n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(pán)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(pán)圖案。在步驟s20，垂直波導(dǎo)290被蝕刻通過(guò)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(pán)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(pán)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(pán)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(chēng)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)耦合。

如較早說(shuō)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(wú)源的(意思是反射或透射類(lèi)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)10×10微米像素230將分別消耗大約4.5μw、7.4μw和11.2μw以產(chǎn)生大約0.68μw、1.1μw和1.68μw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8000k^o色溫的光通量。也就是說(shuō)，量子光子成像器器件200的單個(gè)10×10微米像素230將消耗大約23μw以產(chǎn)生大約1毫流明的在8000k^o色溫的光通量，當(dāng)像素放大到0.5×0.5毫米時(shí)其將足夠提供超過(guò)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)10×10微米像素230當(dāng)尺寸上放大到0.5×0.5毫米時(shí)將消耗小于10μw，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(wàn)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8000k^o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(guò)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(lèi)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640×480像素并且設(shè)計(jì)成獲得±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15×15mm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(guò)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(luma)(亮度)和色度(顏色)分量將通過(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)占空比為集合開(kāi)關(guān)占空比值(collectiveon/offdutycyclevalue)(其反映像素的需要亮度)而合成。也就是說(shuō)，每個(gè)源圖像像素的像素的明度和色度分量將通過(guò)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(kāi)關(guān)占空比和同時(shí)性而合成。

通過(guò)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(kāi)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ciexyz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ciexyz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鏽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460nm)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(guò)這些色域標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)大的量。

考慮在圖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(guò)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3×3變換矩陣m將從在給定的參考顏色空間(例如ciexyz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(lái)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(lái)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(mǎn)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[0，0，0]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ciexyz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(kāi)關(guān)占空比值：

其中λr、λg和λb分別指示合成構(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(kāi)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(kāi)時(shí)間將是由值λr、λg和λb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(luminanceprofile)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(kāi)時(shí)間將由：

給出，其中kr、kg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(kāi)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(kāi)關(guān)占空比值λr、λg和λb。

值λr、λg和λb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kr、kg和kb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(kāi)時(shí)間值[λr，λg，λb]。

由均勻性校正模塊853產(chǎn)生的值[λr，λg，λb](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(kāi)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覍⑷巛^早說(shuō)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(kāi)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(chēng)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(lái)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(guò)劃分幀持續(xù)時(shí)間成三段來(lái)完成，由此每段將專(zhuān)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(zhuān)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(kāi)時(shí)間值將基于需要的白色點(diǎn)色溫來(lái)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(chēng)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(zhuān)用于源圖像色域的r基色，第二個(gè)專(zhuān)用于源圖像色域的g基色并且第三個(gè)專(zhuān)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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?jǐn)?shù)的開(kāi)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(kāi)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(lèi)型的成像器典型的高光子泄漏是由從成像器像素的開(kāi)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南袼氐募t色、綠色和藍(lán)色激光二極管231、232和233開(kāi)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)。

總的來(lái)說(shuō)，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?/p>

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(shuō)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(shuō)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。