量子光子成像器及其制造方法技术

由数字可寻址多色像素的空间阵列构成的发射量子光子成像器。每个像素是多个半导体激光二极管的垂直堆叠，每个半导体激光二极管可以产生不同颜色的激光。在每个多色像素内，从二极管的堆叠产生的光垂直于成像器器件的平面通过多个垂直波导发射，该垂直波导耦合于构成成像器器件的多个激光二极管中的每个的光学限制区域。构成单个像素的激光二极管中的每个是单独可寻址的，使每个像素能够以每个颜色的任何需要的开关占空比同时发射与激光二极管关联的颜色的任何组合。每个个体多色像素可以通过控制它们相应激光二极管的开关占空比同时发射需要的颜色和亮度值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包括可以在数字投影系统中用作图像源的多色激光发射器的单片半 导体阵列的发射成像器器件(emissive imager device) 0
技术介绍
数字显示技术的出现引起对数字显示器的显著需求。准备好有若干显示技术以解 决该需求包括等离子显示板(PDP)、液晶显示器(LCD)和基于成像器的投影显示器(其使 用微反射镜)、硅上液晶(LCOS)器件或高温多晶硅(HTPS)器件(参考文献[33])。对于本 专利技术的领域具有特别兴趣的是基于投影的显示器，其使用成像器器件，例如那些作为图像 形成器件提到的成像器器件。这些类型的显示器面对来自PDP和LCD显示器的激烈竞争并 且因此急切需要有效方法来提高它们的性能同时显著降低它们的成本。在这些类型的显示 器中主要的性能和成本推动者是使用的成像器，例如微反射镜、LCOS和HTPS器件等。作为 无源成像器(passive imager)，这样的器件需要复杂的照明光学系统并且最终浪费大部分 产生的光，这降低性能并且增加显示系统的成本。本专利技术的目的是通过引入包括可以在数 字投影系统中用作图像源的多色激光发射器的阵列的发射成像器器件来克服这样的成像 器器件的缺点。图IA和IB是在使用无源成像器的投影显示系统中使用的典型投影机架构100的 框示，该无源成像器分别例如使用包括微反射镜的反射成像器或LCOS成像器器件的 那些(图1A)和使用例如HTPS成像器器件等透射成像器的那些(图1B)。一般而言，图IA 的典型的投影显示系统的投影机100由成像器110构成，其由将光源130产生的光耦合到 成像器120的表面上的照明光学系统120来照射。光源130可以是产生白光的灯或半导体 光源，例如发光二极管(LED)或激光二极管，其可以产生红(R)、绿(G)或蓝(B)光。在使用图IA中图示的反射成像器的投影机100的情况下，当灯用作光源时，包含 R、G和B滤光器的色轮添加在照明光学系统和成像器之间以调制需要的颜色。当半导体光 源与反射成像器结合使用时，颜色通过打开具有需要的颜色(是R、G或B)的半导体光源器 件来调制。在使用图IB中图示的透射成像器的投影机100的情况下，当灯用作光源时，照明 光学系统120包括用于将灯产生的白光分裂成R、G和B光分束(light patch)(它们照射 三个HTPS成像器器件的背面)的光学装置并且增加二向色棱镜组件以将调制的R、G和B 光组合并且将它耦合在投影光学系统140上。投影光学系统140光学耦合于成像器110的表面并且驱动电子设备150电耦合于 成像器110。光学引擎通过调制由光源130产生的光的强度、使用成像器110且像素灰度作 为图像数据输入给驱动电子设备150而产生待投影的图像。当使用例如微反射镜或LCOS成像器器件等反射成像器(图1A)时，驱动电子设备向成像器110提供像素灰度数据并且 使它的操作与色轮的R、G和B段(segment)的顺序(当白光灯用作光源时)、或与打开R、 G或B半导体光源的顺序同步。当使用例如HTPS成像器器件等透射成像器时，驱动电子设 备向成像器110提供像素灰度数据并且使R、G和B HTPS成像器器件中的每个的操作同步 以便调制每个像素的期望颜色强度(color intensity)。典型地与光到成像器110表面上的耦合所关联的损耗是显著的因为它们包括与 成像器110自身关联的本征损耗(例如器件反射率或透射率值等)，加上与采集来自光源 130的光、将它准直、过滤和中继到成像器110的表面关联的损耗。全体地这些损耗可以总 计达几乎90% ；这意味着几乎由光源130产生的光的90%会损耗掉。另外，在例如微反射镜或LCOS成像器器件等反射成像器110的情况下，由反射像 素的空间阵列构成的成像器110通过在照射特定颜色的时段期间改变每个个体像素的反 射开/关状态而顺序地调制耦合到它的像素化反射表面上的光的相应颜色。实际上，典型 的现有技术反射成像器能够仅调制耦合到它的像素化反射表面上的光的强度，引起利用由 光源130产生的光通量方面的极低效率的限制在产生的图像上引入伪像，增加整个显示系 统的复杂性和成本并且引入利用由光源130产生的光方面的低效率的又一个来源。此外反 射以及透射类型的成像器都遭受称为“光子泄漏”的效应，其引起光泄漏到离轴像素上，这 相当大地限制了这些类型的成像器能够获得的对比度和黑色水平(black level)。如较早说明的，本专利技术的目的是通过引入包括可以在数字投影系统中用作图像 源的多色激光发射器的阵列的发射成像器器件来克服现有技术成像器的缺点。尽管半导 体激光二极管最近已经成为用于在图IA的投影机100中使用的备选光源130 (参考文献 [1]-[4])以照射例如微反射镜成像器器件等反射成像器110，半导体激光二极管作为光源 的使用没有帮助克服上文论述的现有技术成像器的任何缺点。另外存在许多现有的技术， 其描述使用被扫描的激光束产生投影像素的投影显示器(参考文献[5]_[6])。现有技术参考文献[7]描述包括单独可寻址激光像素(laser pixel)的二维阵列 的激光图像投影机，激光像素每个是由有机发光二极管(OLED)泵浦的有机垂直腔激光器 (organic vertical cavity laser) 0在现有技术参考文献[7]中描述的激光图像投影机 的像素亮度可能会是由泵浦光源(pumping light source)提供的亮度中的一小部分，该泵 浦光源是基于OLED的光源，其不可能会提供足够的光量，致使由现有技术参考文献[7]的 激光投影机产生的亮度几乎无法足够在大多数投影显示应用中具有实际用途。尽管存在许多描述激光器阵列的现有技术参考文献(参考文献[8]_[30])，没有 发现教导在成像器器件中使用多色激光发射器作为像素的现有技术。如在下列详细说明中 将变得明显的，本专利技术涉及通过在光和电上分离单片分层的激光发射半导体结构的堆叠而 形成的多色激光像素的单独可寻址阵列。关于创建光和电分离的(隔离的)半导体激光发 射器阵列，参考文献[10]教导了用于形成单波长激光半导体结构的方法，该结构具有通过 移除发光区域之间的材料或通过钝化半导体结构的发光器之间的区域而形成的在发光区 域之间的隔离区域(即物理屏障)。然而，在参考文献[10]中描述的这些方法只可以用于 创建在从700至SOOnm的波长范围内的单独可寻址的单波长激光发射器的一维线性阵列。关于创建单独可寻址的多色激光发射器的阵列，参考文献[21]描述红色和蓝色 激光器结构的边缘发射阵列。尽管参考文献[21]针对多色激光器结构，但它仅涉及边缘发射激光器结构的双色一维线性阵列。尽管参考文献[22]描述使用垂直腔表面发射激光(VCSEL) 二极管的阵列的显示系统，但由于在参考文献[22]中描述的VCSEL 二极管的固有尺寸，所描述的方法由于它使 用的多色VCSEL 二极管(它们并排设置在相同平面中形成像素阵列)的固有尺寸而会趋于 产生相当大的像素尺寸，从而致使它不可作为成像器器件使用。鉴于当前可用的成像器器件的前述缺点，克服这样的弱点的成像器一定会具有相 当大的商业价值。因此本专利技术的目的是提供包括可以在数字投影系统中用作图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发射多色数字图像形成（成像器）器件，包括：多色激光发射像素的二维阵列，由此每个多色激光发射像素包括：垂直堆叠的多个激光二极管半导体结构，每个用于发射不同的颜色，其中在多色像素阵列内具有将每个多色像素与相邻多色像素电和光分离的垂直侧壁的网格；以及多个垂直波导，其光学耦合于所述激光二极管半导体结构以从所述激光二极管半导体结构的堆叠的第一表面垂直发射由所述激光二极管半导体结构产生的激光；所述激光二极管半导体结构的堆叠通过与所述激光二极管半导体结构的堆叠的第一表面相对的第二表面堆叠到数字半导体结构上；以及在所述数字半导体结构中的多个数字半导体电路，每个数字半导体电路电耦合成从所述数字半导体结构的外围接收控制信号并且通过嵌入所述垂直侧壁内的垂直互连电耦合于所述多色激光二极管半导体结构以单独控制每个所述多色激光二极管半导体结构的开关状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-9-27 60/975,772;US 2007-12-26 11/964,642一种发射多色数字图像形成(成像器)器件，包括多色激光发射像素的二维阵列，由此每个多色激光发射像素包括垂直堆叠的多个激光二极管半导体结构，每个用于发射不同的颜色，其中在多色像素阵列内具有将每个多色像素与相邻多色像素电和光分离的垂直侧壁的网格；以及多个垂直波导，其光学耦合于所述激光二极管半导体结构以从所述激光二极管半导体结构的堆叠的第一表面垂直发射由所述激光二极管半导体结构产生的激光；所述激光二极管半导体结构的堆叠通过与所述激光二极管半导体结构的堆叠的第一表面相对的第二表面堆叠到数字半导体结构上；以及在所述数字半导体结构中的多个数字半导体电路，每个数字半导体电路电耦合成从所述数字半导体结构的外围接收控制信号并且通过嵌入所述垂直侧壁内的垂直互连电耦合于所述多色激光二极管半导体结构以单独控制每个所述多色激光二极管半导体结构的开关状态。2.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构具有在其的顶部和底部 上的金属层，相邻激光二极管半导体结构上的金属层由相应金属层之间的绝缘层分离。3.如权利要求2所述的器件，其中所述金属层提供与每个堆叠的激光二极管半导体结 构的正和负接触。4.如权利要求3所述的器件，还包括图案化的金属互连层，其用图案化的绝缘层与所 述金属层隔离并且连接到所述垂直互连以提供用于将所述数字半导体结构与所述多色激 光发射像素的二维阵列中的每个激光二极管半导体结构互连的接触盘。5.如权利要求4所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构通过所述接触盘是单独 可寻址的。6.如权利要求1所述的器件，其中在其中具有垂直互连的所述垂直侧壁包括围绕每 个像素的绝缘和金属交替层，由此在每个像素周围由所述金属层提供的光学分离是不间断 的。7.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限制 区域，每个激光二极管半导体结构的有源区由AlxIni_xP、GaxIni_xP或InxGai_xN的多个半导体 层构成并且形成多个量子阱、多个量子线或多个量子点。8.如权利要求7所述的器件，其中所述半导体层的组成使每个所述激光二极管半导体 结构能够产生具有在包括430nm至650nm的可见光范围内的波长的激光。9.如权利要求7所述的器件，其中所述半导体层的组成使每个多色激光发射像素能够 发射包括红色、黄色、绿色、青色和蓝色波长的固有色域的多个基色。10.如权利要求7所述的器件，其中所述垂直波导光学耦合于所述激光二极管半导体 结构的光学限制区域中的每个。11.如权利要求1所述的器件，其中所述垂直波导由芯和多层包层构成，所述芯用介电 材料填充或被空气填充。12.如权利要求11所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，所述多层包层由介电材料的外包层和反射金属材料的内薄包层构成，所述内薄包 层材料的厚度选择成允许由所述激光二极管半导体结构的有源区所产生的并且限制在所 述限制区域内的光的一部分被消散场耦合到所述垂直波导的芯中并且从所述二维阵列的表面垂直发射。13.如权利要求11所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，所述多层包层由介电材料的多个薄层构成，所述芯和所述多个薄包层的折射率和 所述多个包层的厚度选择成允许由所述有源区产生的并且限制在所述限制区域内的光的 一部分被耦合到所述垂直波导的芯中并且被折射率引导以及从所述二维阵列的表面垂直 发射。14.如权利要求11所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，所述多层包层包括非线性光学材料的薄层，其使它的厚度和线性及非线性折射率 选择成当所述薄非线性包层的折射率响应于限制在所述限制区域内的光的强度上的变化 而变化时引起由所述有源区产生的并且限制在所述限制区域内的所述光的耦合被抑制或 被允许，由此引起耦合进入所述垂直波导并且由所述垂直波导折射率引导并且从所述二维 阵列的表面垂直发射的所述光以短间隔分离的短脉冲来发生。15.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，每个垂直波导具有环形横截面，其中在所述激光二极管半导体结构的限制区域中 的每个内的耦合区域的中心处的折射率引导直径等于由相应有源区产生的激光的波长。16.如权利要求1所述的器件，其中每个激光二极管半导体结构包括有源区和光学限 制区域，并且其中对于每个激光二极管半导体结构，至少一个垂直波导从所述激光二极管 半导体结构的堆叠的第一表面延伸并且在这个激光二极管半导体结构的光学限制区域的 末端结束。17.如权利要求1所述的器件，其中所述垂直波导采用选择成减小从所述二维阵列的 表面发射的光的最大发散角的图案来设置。18.如权利要求1所述的器件，其中所述垂直波导在所述像素表面区域内被间隔开以 提供横跨每个像素区域的均勻亮度并且在数量上被提供为最大化像素亮度。19.如权利要求1所述的器件，其中所述激光二极管半导体结构包括下列半导体合金材料中的一种或多种的多个半导体层AlJrihP、(AlxGaJylrVyP、GaJrihP、AlxGahN、AlxGahN/GaN、Ir^GahN、GaN ；每个在GaAs、GaN或InGaN的厚衬底层上的单独晶圆上形成；每个包括相同的相应半导体衬底层材料类型的n型蚀刻停止层和p型接触层；每个包括n型和P型波导层和包层，它们限定它们相应的光学限制区域；每个具有至少一个被限定它们相应有源区的两个势垒层围绕的量子阱；以及每个包括嵌入它们相应P型波导层内或在它们相应P型波导和包层之间的电子阻挡层。20.如权利要求1所述的器件，其中所述数字半导体结构响应于串行位流，其是多个位 字的串行表示，其每个限定相应像素的颜色分量和亮度以转换源数字图像数据输入为光学 图像，由此每个所述多色像素发射具有反映由所述相应像素的源数字图像输入数据表示的 颜色和亮度值的颜色和亮度的光。21.如权利要求1所述的器件，还包括配套器件用以接收图像源数据并且转换所述图 像源数据为构成所述发射多色图像形成器件的每个像素的激光二极管的开关占空比值，所 述配套器件包括颜色空间转换模块； 均勻性校正模块，包括权重因子查找表； 脉冲宽度调制转换模块；以及 同步和控制模块；所述权重因子查找表存储由器件级测试确定的每个像素的每个颜色的亮度均勻性权 重因子，在所述器件级测试中测量包括发射孔径的所述像素阵列的亮度并且对每个像素的 每个激光颜色计算亮度均勻性权重因子。22.如权利要求21所述的器件，其中所述器件配置成接收在堆叠的激光二极管半导体 结构的阵列中的每个颜色激光二极管的串行数据流和每个激光二极管的开关占空比控制 的控制信号，所述配套器件配置成提供在堆叠的激光二极管半导体结构的阵列中的每个颜 色激光二极管的串行数据流和每个激光二极管的开关占空比控制的控制信号。23.如权利要求1所述的器件，其中每个二维多色激光发射像素阵列从多个二维多色 激光发射像素阵列的晶圆上切割下来，并且每个数字半导体结构从多个数字半导体结构的 晶圆上切割下来，每个二维多色激光发射像素阵列与相应数字半导体结构芯片级接合。24.一种用于接合于二维多色发光像素阵列的数字半导体结构，包括 多个二维像素逻辑单元阵列；放置在所述像素逻辑单元阵列的外围的数字控制逻辑区域； 放置在所述数字控制逻辑区域的外围的多个器件接触盘；以及 多个金属层，其配置成互连所述像素逻辑单元阵列与所述数字控制逻辑区域； 连接所述数字控制逻辑区域与所述多个器件接触盘；以及 互连所述像素逻辑单元阵列与二维多色发光像素阵列。25.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：HS艾尔古鲁里，RGW布朗，DA麦克奈尔，H登贝尔，AJ兰佐内，
申请(专利权)人：奥斯坦多科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]