纳米荧光粉转换的量子光子成像器及其制造方法技术

发射型固态成像器（SSI）包括数字可寻址多色微像素的空间阵列。每个像素是包括蓝紫半导体发光二极管的多个光子层的微光学腔。所述光子层中的一个用于产生SSI的蓝原色的光。所述光子层中的两个用于产生紫蓝激发光，其与相关的纳米荧光粉层一起转换成SSI的绿原色和红原色。产生的光经由多个垂直光波导垂直于成像装置的平面发射，所述垂直光波导提取并准直所产生的光。每个像素二极管是可单独寻址的以使像素能够在每种颜色的任何所需的开/关占空比下同时发射与其多色纳米荧光粉转换的半导体发光二极管相关的颜色的任何组合。

Quantum Photon Imager with Nanometer Phosphor Conversion and Its Manufacturing Method

The transmitter solid-state imager (SSI) includes a spatial array of digitally addressable multicolor micro-pixels. Each pixel is a micro-optical cavity comprising a plurality of photon layers of a blue-violet semiconductor light emitting diode. One of the photon layers is used to generate blue primary light for SSI. Two of the photon layers are used to generate violet-blue excitation light, which together with the relevant nano-phosphor layers are converted into green and red primary colors of SSI. The generated light is emitted perpendicular to the plane of the imaging device through a plurality of vertical optical waveguides, which extract and collimate the generated light. Each pixel diode is addressable so that the pixel can simultaneously emit any combination of colors associated with its multicolor nanophosphor-converted semiconductor light emitting diode at any required on/off duty cycle for each color.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米荧光粉转换的量子光子成像器及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年5月12日提交的美国临时专利申请No.62/335,454的权益，该申请的全部内容通过引用完全并入本文。
本专利技术涉及固态成像器领域。
技术介绍
最近已经引入了一类新的发射微尺度像素阵列成像器装置，如在美国专利No.7,623,560，“QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.7,767,479，“QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.7,829,902，“QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.8,049,231，“QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.8,243,770，“QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.8,567,960，“QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof”，El-Ghoroury等和美国专利No.8,098,265，“HierarchicalMulticolorPrimariesTemporalMultiplexingSystem”，El-Ghoroury等中所公开的那样，这些专利的中的每个的全部内容通过引用完全并入本文。这些专利公开了有关光子层、波导构造等之间可能的互连的量子光子成像器构造的现有技术细节，其中一些在此不再重复。光子层之间的任何电互连，无论是在侧壁内还是通过像素本身，可以具有相同的基本构造，这种侧壁互连也延伸通过像素化的纳米荧光粉层，带通滤波器和相应的光子层之间的侧壁。在此方面，本文和权利要求中使用的词语“层”（例如在光子层中）在功能意义上被使用，因为本领域技术人员将认识到这样的功能层由多个在物理意义上的单独的层组成。以上公开的这种类型的发光结构和装置在本文中统称为“固态成像器”或“SSI”。这些装置理想地具有高亮度、非常快的多色光强度和空间调制能力的特征，所有这些特征都在包括所有必要的图像处理驱动电路的非常小的单个装置尺寸中。这种装置的固态发光（SSL）发射像素可以是发光二极管（LED）或激光二极管（LD）或两者，其开关状态由包含在CMOS芯片（或装置）内的驱动电路控制，该CMOS芯片（或装置）上结合有成像器的发射微尺度像素阵列。上述发射微尺度像素阵列装置内的像素可通过其CMOS芯片的驱动电路在空间上、色度上和时间上单独寻址。由这种成像器装置产生的光的亮度可以在相当低的功耗下达到100,000cd/m2的几倍。附图说明图1（a）图示了本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的优选实施例。图1（b）图示了本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的替代实施例。图2图示了本专利技术的在纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）中使用的紫蓝（425-465nm）波长范围内的基于多量子阱（MQW）的InGaN固态发光结构的能带结构。图3图示了在本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的发光层中使用的纳米荧光粉的能带结构。图4图示了与本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的每个纳米荧光粉层相关的带通滤波器（BPF）层的四分之一波堆叠结构。图5图示了与本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的每个纳米荧光粉层相关的带通滤波器（BPF）层的光谱响应。图6（a）至6（c）图示了在本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）中使用的微像素金属接触层图案的一组优选实施例。图7图示了本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的微像素的光谱发射。图8图示了本专利技术的光子层与纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的硅基CMOS之间的微通孔接触阵列界面的优选实施例。图9图示了本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的功能框图。图10（a）图示了本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的另一个替代实施例。图10（b）图示了本专利技术的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的又一替代实施例。具体实施方式虽然上述SSI装置提供优于现有技术装置的许多益处，但是本文公开了增强的彩色输出SSI装置，其具有增加的红色和绿色光输出和控制。转到附图，图1（a）示出了SSI专利技术的优选实施例作为示例而不是以限制的方式，并且图示了包括多个固态发光层的堆叠的固态成像器（SSI）像素结构，其位于用于独立控制所图示像素结构的多个固态发光层中的每一个的开关状态的硅基半导体互补金属氧化物（Si-CMOS）结构的顶部。图1（a）中所示出的SSI像素的表面尺寸通常为微尺度，其像素间距范围为约5微米至约20微米或更大。固态成像器（SSI）本身可以包括这种像素的二维阵列，在形成SSI微像素阵列的行和列的数量方面能够实现所需的像素分辨率。SSI像素的多个固态发光层的堆叠内的每个层可以被设计为发射不同的颜色，从而允许通过其Si-CMOS控制SSI像素以发射任何期望的多种颜色的组合；例如，来自相同像素孔径的红色（R），绿色（G）和蓝色（B）。返回参考图1（a），在本专利技术中，可以使用纳米荧光粉转换的固态光发射器产生SSI像素的至少一个固态发光层。图1（a）所图示的SSI像素的经纳米荧光粉转换的固态发光层可以设计成发射所需的颜色；例如，G或R，被在紫蓝波长范围（380-450nm）中适当选择的波长激发后。在图1（a）中，可以使用425nm波长源激发SSI像素的纳米荧光粉转换的固态发光层之一以发射550nm的G光（G-550），并且使用450nm波长源激发另一个以发射635nm的R光（R-635）。在两种情况下，可以使用III-V半导体合金氮化铟镓（InGaN）固态发光结构产生425nm和450nm激发波长光源。图1（a）中所图示的纳米荧光粉转换的NPC-SSI像素的蓝色发光层也可以是设计用于发射465nm光的InGaN固态发光结构。因此，对于图1（a）所图示的SSI像素，所有固态发光层可以是发射紫蓝（425-465nm）波长范围内的光的InGaN固态结构。由于在这样的波长范围内工作的InGaN固态发光结构可以被设计为实现达到0.95的高内部量子效率（IQE），图1（a）中所示出的SSI像素结构的发光层因此表现出改善的功耗效率。图2图示了发射紫蓝（425-465nm）波长范围内的光的基于多量子阱（MQW）的InGaN固态结构的典型能带结构。这些III-V固态发光结构的InGaNMQW内的铟（In）含量通常在0.12-0.2的范围内。在这些铟含量水平下，基于MQW的InGaN固态发光结构已经实现了在约0.95范围内的IQE。InGaN固态发光结构材料通常使用已知的金属有机化学气相沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态成像器，包括：驱动电路芯片；驱动电路芯片上的第一光子层，用于发射波长比红光短的光；第一光子层上的第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，用于在被第一光子层发射激发时发射红光；第一纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第一带通滤波器，用以使红光通过并阻挡来自第一光子层的光；第一带通滤波器上的第二光子层，用于发射波长比绿光短的光；第二光子层上的第二纳米荧光粉纳米颗粒结构，用于在被第二光子层发射激发时发射绿光；第二纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第二带通滤波器，用以使红光和绿光通过并阻挡来自第二光子层的光；第二带通滤波器上的第三光子层，用于发射蓝光；以及第三光子层上的接触和波导层；该第一、第二和第三光子层形成LED或激光二极管的堆叠，并且与第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，第一带通滤波器，第二纳米荧光粉纳米颗粒结构和第二带通滤波器一起共同限定微尺度像素阵列，其中每个像素可在空间上、色度上和时间上单独寻址。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.12 US 62/335454;2017.05.11 US 15/5926291.一种固态成像器，包括：驱动电路芯片；驱动电路芯片上的第一光子层，用于发射波长比红光短的光；第一光子层上的第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，用于在被第一光子层发射激发时发射红光；第一纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第一带通滤波器，用以使红光通过并阻挡来自第一光子层的光；第一带通滤波器上的第二光子层，用于发射波长比绿光短的光；第二光子层上的第二纳米荧光粉纳米颗粒结构，用于在被第二光子层发射激发时发射绿光；第二纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第二带通滤波器，用以使红光和绿光通过并阻挡来自第二光子层的光；第二带通滤波器上的第三光子层，用于发射蓝光；以及第三光子层上的接触和波导层；该第一、第二和第三光子层形成LED或激光二极管的堆叠，并且与第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，第一带通滤波器，第二纳米荧光粉纳米颗粒结构和第二带通滤波器一起共同限定微尺度像素阵列，其中每个像素可在空间上、色度上和时间上单独寻址。2.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述第三光子层上的所述接触和波导层限定所述光通过的波导，以及所述接触和波导层上的覆盖玻璃。3.根据权利要求2所述的固态成像器，其中微光学元件位于所述接触和波导层与所述覆盖玻璃之间，用于调制每个像素的光发射的方向。4.根据权利要求3所述的固态成像器，其中对于所述微尺度像素阵列的每个像素存在单个微光学元件。5.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述接触和波导层中的开口限定波导，所述波导具有选择的直径、高度和间隔以获得准直度。6.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括具有硒化锌（ZnSe）外壳的锰掺杂的硒化锌纳米颗粒。7.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括铕（Eu3+）掺杂的氧化钇（Y2O3）纳米颗粒。8.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括Eu掺杂的硅酸锶（（Sr，Ba，Ca）3SiO5：Eu）纳米颗粒。9.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括悬浮在相应的纳米荧光粉纳米颗粒结构中的第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒。10.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述第一和第二带通滤波器各自是具有交替的高/低折射率值的电介质层的1/4波堆叠。11.根据权利要求10所述的固态成像器，其中所述高折射率值电介质层是氧化钛（TiO2）或氮化硅（Si3N4），并且所述低折射率值电介质层是氧化硅。12.根据权利要求10所述的固态成像器，其中，所述第一带通滤波器传输以红色发射波长的峰值为中心加上红色发射的半峰全宽的留量的光谱波长。13.根据权利要求10所述的固态成像器，其中，所述第二带通滤波器传输以绿色发射波长的峰值为中心加上绿色发射的半峰全宽的留量的光谱波长，加上以红色发射波长的峰值为中心加上红色发射的半峰全宽的留量的第二光谱带通波长，从而允许第二带通滤波器自下传输绿色发射以及红色发射两者。14.根据权利要求10所述的固态成像器，其中所述第一和第二光子层发射紫蓝（V-B）激发光。15.根据权利要求14所述的固态成像器，其中在驱动电路芯片和第一光子层之间存在反射接触层，像素之间的侧壁是反射的，第三光子层与接触和波导层之间的接触层是反射的，LED或激光二极管堆叠中的每个LED或激光二极管具有光学限制腔，并且第一和第二带通滤波器通过反射阻挡第一和第二光子层的未被吸收或传输的光，并且因此不通过第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构被转换成红光和绿光发射，其中反射光在第一和第二光子层的光学限制腔中再循环，导致第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构的提高的纳米荧光粉转换效率。16.根据权利要求1所述的固态成像器，其中：第一光子层发射波长为450nm的光；在被第一光子层发射激发时，第一纳米荧光粉纳米颗粒结构将发射波长为635nm的光；第一带通滤波器使波长为635nm的光通过并阻挡来自第一光子层的光；第二光子层发射波长为425nm的光；第二纳米荧光粉纳米颗粒结构在被第二光子层发射激发时发射波长为550nm的光；第二带通滤波器使550nm至635nm波长范围内的光通过，并阻挡来自第二光子层的光；第三光子层发射波长为465nm的光。17.根据权利要求16所述的固态成像器，其中所述驱动电路芯片是CMOS芯片。18.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构各自包括悬浮在沉积在相应光子层的顶侧上的氧化硅层中的相应的纳米荧光粉颗粒，通过将所述纳米荧光粉颗粒以用户定义的比例混合成液体形式的旋涂玻璃以实现所需的激发光吸收水平，然后将液体混合物涂覆成相应层顶部上的薄层并通过将其退火到氧化硅层中而固化，导致纳米荧光粉颗粒被悬浮在相应的第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构中。19.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述微尺度像素阵列其中的每个像素具有反射侧壁，并且每个光子层在其底部上具有公共接触并且在其顶部具有独特接触，用于第一光子层的独特接触延伸通过第一光子层，用于第二和第三光子层的独特接触延伸通过微尺度像素阵列的像素之间的反射侧壁，公共接触形成为延伸到微尺度像素阵列的外围边缘的公共接触轨道，在此它们连接到一组公共接触通孔，其在微尺度像素阵列的外围边界处形成环。20.一种固态成像器，包括：用于发射第一波长的光的第一光子层；第一光子层上的第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，用于在被第一光子层的发射激发时发射比第一波长长的第二波长的光；第一纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第一带通滤波器，用以使第二波长的光通过并阻挡第一波长的光；第一带通滤波器上的第二光子层，用于发射第三波长的光；第二光子层上的第二纳米荧光粉纳米颗粒结构，用于在被第二光子层发射激发时发射比第三波长长的第四波长的光；第二纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第二带通滤波器，用以使第二和第四波长的光通过并阻挡来自第二光子层的光；以及第二带通滤波器上的接触和波导层；该第一和第二光子层形成LED或激光二极管的堆叠，并且与第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，第一带通滤波器，第二纳米荧光粉纳米颗粒结构和第二带通滤波器一起共同限定微尺度像素阵列，其中每个像素可以在空间上、色度上和时间上单独寻址。21.根据权利要求20所述的固态成像器，其中所述第二带通层上的所述接触和波导层限定所述光通过的波导，以及所述接触和波导层上的覆盖玻璃。22.根据权利要求21所述的固态成像器，其中微光学元件位于所述接触和波导层与所述覆盖玻璃之间，用于调制每个像素的光发射的方向。23.根据权利要求22所述的固态成像器，其中对于微尺度像素阵列的每个像素存在单个微光学元件。24.根据权利要求20所述的固态成像器，其中所述接触和波导层中的开口限定波导，所述波导具有选择的直径、高度和间隔以获得准直度。25.根据权利要求20所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括具有硒化锌（ZnSe）外壳的锰掺杂的硒化锌纳米颗粒。26.根据权利要求20所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括铕（Eu3+）掺杂的氧化钇（Y2O3）纳米颗粒。27.根据权利要求20所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括Eu掺杂的硅酸锶（（Sr，Ba，Ca）3SiO5：Eu）纳米颗粒。28.根据权利要求20所述的固态成像器，其中所述第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒结构包括悬浮在相应的纳米荧光粉纳米颗粒结构中的第一和第二纳米荧光粉纳米颗粒。29.根据权利要求20所述的固态成像器，其中，所述第一和第二带通滤波器每个都是具有交替的高/低折射率值的电介质层的1/4波堆叠。30.根据权利要求20所述的固态成像器，其中在所述第一光子层下方存在反射接触层，所述像素之间的侧壁是反射性的，所述第二带通滤波器与所述接触和波导层之间的接触层是反射性的，并且LED或...

【专利技术属性】
技术研发人员：HS埃尔古劳里，
申请(专利权)人：奥斯坦多科技公司，
类型：发明
国别省市：美国,US