CN109417119B - 纳米荧光粉转换的量子光子成像器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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。
技术领域
本发明涉及固态成像器领域。
背景技术
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，“Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.7,767,479，“Quantum Photonic Imager and Methods ofFabrication Thereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.7,829,902，“Quantum PhotonicImager and Methods of Fabrication Thereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.8,049,231，“Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.8,243,770，“Quantum Photonic Imager and Methods of FabricationThereof”，El-Ghoroury等；美国专利No.8,567,960，“Quantum Photonic Imager andMethods of Fabrication Thereof”，El-Ghoroury等和美国专利No.8,098,265，“Hierarchical Multicolor Primaries Temporal Multiplexing System”，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。
发明内容
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）图示了本发明的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的优选实施例。
图1（b）图示了本发明的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的替代实施例。
图2图示了本发明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图示了在本发明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图示了与本发明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图示了与本发明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）图示了在本发明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图示了本发明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图示了本发明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图示了本发明的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的功能框图。
图10（a）图示了本发明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）图示了本发明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发明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），在本发明中，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InGaN MQW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（MOCVD）技术在蓝宝石（Al2O3）晶片上外延生长，该晶片的直径可以是约2“-6”。
在图1（a）中，G和R光发射均由纳米荧光粉层产生，纳米荧光粉层又由其相关的InGaN固态紫蓝发光层激发。在图3的示例中图示了示例性的纳米荧光粉转换过程。在该示例中，使用锰掺杂的硒化锌（ZnSe：Mn）形成II-VI半导体纳米晶体荧光粉纳米颗粒。这些纳米颗粒被形成为具有直径约2nm的内核（或核心），其由硒化锰（MnSe）或重锰掺杂（富Mn，例如1018cm-3至1018cm-3）MnZnSe合金形成。然后将这些纳米级核心生长成具有硒化锌（ZnSe）外壳的纳米颗粒，以产生所需的能带结构，该结构取决于ZnMnSe合金的性质和取代掺入的Mn离子掺杂剂的性质。在典型的ZnSe：Mn纳米荧光粉中，MnSe核被ZnSe壳覆盖，形成直径约10nm大小的纳米晶粒。
由于ZnSe壳的带隙，图3的示例中所图示的纳米荧光粉能带结构吸收波长为约460nm或更短的激发光。纳米荧光粉ZnSe壳的Mn掺杂用于调节短于460nm的所需波长的激发光；例如，在激励层中使用的425nm和450nm设计了图1（a）的NPC-SSI结构图示的示例。此外，ZnSe壳和纳米荧光粉颗粒的MnSe核两者的Mn掺杂在壳和核两者更宽的带隙内产生更窄的中间能带。通过吸收ZnSe壳内的激发光而被光激发的载流子通过ZnSe壳和MnSe核之间的界面弛豫，然后跨Mn掺杂中间带隙辐射地再组合，导致目标波长的发射，在图1（a）所图示的NPC-SSI像素结构的情况下，目标波长为550nm和635nm。已经证明紫蓝激发的ZnSe：Mn纳米荧光粉的量子产率（QY）水平高于0.8。
用于在图1（a）的NPC-SSI像素结构中产生R发射的前述段落中描述的II-VI纳米颗粒结构的替代物是铕（Eu3+）掺杂的氧化钇（Y2O3）纳米颗粒。使用Y2O3：Eu纳米荧光粉的优点是其窄（高度饱和）R-621nm发射。在图1（a）的NPC-SSI像素结构中产生R发射的另一种替代方案是Eu掺杂的硅酸锶（（Sr，Ba，Ca）3SiO5：Eu）纳米荧光粉，其作为替代提供与高度饱和的R-621 nm发射相同的优点。
图1（a）所图示的纳米荧光粉转换层可以通过将前面段落中描述的纳米荧光粉材料悬浮在沉积在其相应的激发光发射层顶侧上的氧化硅（SiO2）层中来实现。在此过程中，首先将纳米荧光粉颗粒以所需要的用户定义的比例混合到液体形式的旋涂玻璃（SOG）中，以达到所需的激发光吸收水平，然后在激发发光层的顶部将液体混合物涂覆成薄层。随后，通过将SOG退火到SiO2中来固化SOG，导致纳米荧光粉颗粒悬浮在G和R发射纳米荧光粉层中。
返回参考图1（a），覆盖G和R发射纳米荧光粉层中的每一个的是具有多种用途的带通滤波器（BPF）层，其中最重要的是滤除用于光学泵浦相关的纳米荧光粉层的激发光。图4图示了与图1（a）的NPC-SSI结构的每个纳米荧光粉层相关的BPF层的结构。如图4的优选实施例所图示，每个BPF层是具有交替的高/低折射率值的电介质层的1/4波堆叠。可用于实现BPF层的介电材料的示例包括用于产生BPF高折射率层的氧化钛（TiO2）或氮化硅（Si3N4），其中相应地，前者的折射率范围为2.49-2.6，后者的折射率为2.02；以及用于产生BPF低折射率层的氧化硅（SiO2），其折射率范围为1.4-1.55。
如图1（a）所图示，SSI像素的内部是由像素的反射侧壁和反射接触限定的光学限制腔。添加覆盖每个G和R发射纳米荧光粉层的BPF层进一步将SSI像素的光学限制腔划分为光学限制子腔，每个子腔与NPC-SSI的R和G发射层相关联。与R发射层相关联的光学限制子腔由像素的反射侧壁和下部接触加上其相关BPF层的反射作用限定，该BPF层反射该层的激发光以及来自相关R发射纳米荧光粉层的任何二次宽带发射。类似地，与G发射层相关联的光学限制子腔由像素的反射侧壁加上其相关BPF滤波层的反射作用限定，该反射作用反射该层的激发光以及来自相关R发射纳米荧光粉层的任何二次宽带发射。另外，与G发射纳米荧光粉层相关的BPF也传输来自其下方的R发射层的发射。
图5图示了与本发明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。如图5所图示，与R发射层相关的BPF（在此称为BPF-1）将传输以目标R发射峰值波长（635nm）为中心加上R发射的目标半峰全宽（FWHM）的留量（allowance）的光谱波长。例如，如果目标R发射峰值波长和FWHM分别是635nm和20nm，则覆盖R发射纳米荧光粉层的BPF层将具有相称的中心波长和FWHM带宽。类似地，与G发射层相关联的BPF（在此称为BPF-2）将传输以目标G发射峰值波长（550nm）为中心加上G发射的目标半峰全宽（FWHM）的留量的光谱波长。例如，如果目标G发射峰值波长和FWHM分别为550nm和40nm，则覆盖G发射纳米荧光粉层的BPF层将具有相称的中心波长和FWHM带宽。同样如图5所图示，与G发射层相关的BPF的第二光谱带通将传输以目标R发射峰值波长（550nm）为中心加上R发射的目标半峰全宽（FWHM）的留量的光谱波长，因此允许BPF覆盖G发射纳米荧光粉层以传输其相关纳米荧光粉层的G发射以及来自其下方的NPC层的R发射两者。
如图5所图示，与R和G发射NPC层相关联的每个BPF通过反射阻挡与未被吸收的每个NPC层相关联的紫—蓝（VB）激发光，因此不通过其相关的纳米荧光粉层转换成目标波长光发射。由与其相关的BPF反射的每个R和G发射NPC层相关联的V-B激发光然后将通过R和G发射NPC层的每个对应的光学限制子腔的光学限制作用再循环。结果不仅阻挡了来自像素光谱发射的V-B激发光，而且还增加了由相应的纳米荧光粉层对V-B激发光的吸收，从而导致从NPC-SSI像素的R和G发射的提高的纳米荧光粉转换效率。
前面的讨论确定了与R和G发射NPC层相关的BPF的以下多种用途：（1）阻挡与每个NPC层相关的V-B激发光；（2）再循环与每个NPC层相关的V-B激发光；以及（3）对R和G像素光谱发射进行整形以匹配所需的中心波长和FWHM。后一种用途特别重要，因为它能够使NPC-SSI的发射色域整形以匹配所需的多色发射色域，例如用于显示应用的NTSC或HD色域。在这方面同样特别重要的是使用与R和G发射NPC层相关联的BPF以匹配人类视觉系统（HVS）的明视响应，使得通过G发射层的BPF实现的FWHM足够宽（例如，40-50nm FWHM）以利用该光谱区域中较高的明视效率，以便增加来自本发明的NPC-SSI的光发射的HVS感知亮度。
图1（a）所图示的NPC-SSI结构的优选制造工艺包括以下段落中描述的步骤。该过程开始于在B发射和V-B激发发射光子晶片的半导体发光光子晶片上形成SSI像素阵列。此过程的优选方法（在此称为“像素化”）涉及使用已知半导体光刻和蚀刻工艺蚀刻具有约1微米宽度和延伸通过半导体发光材料的异质结二极管结构的深度的像素侧壁。使用半导体沉积工艺将蚀刻的像素阵列侧壁用氧化硅或氮化硅的薄层钝化，然后涂覆薄的反射金属（诸如例如铝（Al））层。然后使用半导体金属沉积工艺用金属填充像素侧壁。然后在B发射和V-B光子晶片上处理相同的像素化图案。在晶片上添加对准标记以帮助在后续处理期间对准蚀刻的像素图案。
在B发射和V-B光子晶片的半导体发光光子晶片被像素化之后，使用诸如电子束沉积的半导体金属沉积技术将图6（a）和图6（b）中所图示的顶部接触图案沉积在形成的像素阵列上。图6（a）所图示的接触图案用于B发射光子晶片，并且图6（b）所图示的接触图案用于V-B激发光光子晶片。沉积的接触金属优选是薄金属（例如Ti/Al）堆叠，其与B发射和V-B光子晶片的氮化铟镓（InGaN）异质结二极管半导体发光结构形成欧姆接触。
在制造图1（a）所图示的NPC-SSI结构的优选方法中，例如，玻璃晶片用作衬底，多层像素结构在该衬底上堆叠并且然后结合到Si-CMOS晶片（驱动电路晶片）的顶表面上，该顶表面被处理以包括与堆叠在玻璃晶片上的多层像素结构相同的像素图案。
在制造图1（b）所图示的NPC-SSI结构的另一种方法中，使用Si-CMOS作为衬底，在该衬底上堆叠多层像素结构和纳米荧光粉纳米颗粒结构，然后像素化的多层晶片被结合到玻璃盖晶片上。在任一种方法中，处理步骤都是类似的，并且前者将用于描述优选的NPC-SSI制造工艺的其余部分。
图6（a）和图6（b）图示了使用常规半导体和光刻以及金属沉积制造工艺沉积在上述像素化B和V-B光子晶片的相应顶表面上的微像素金属接触层的示例性图案。图6（a）中所示出的像素接触图案可以在像素化B光子晶片上用作波导以在接触开口的直径时产生准直（例如，±17°）到准朗伯（例如，±45°）像素发射，高度和间隔形成适当的光波导结构，以用于提取从NPC-SSI像素发射的光。图6（b）中所示出的像素接触图案用在像素化B光子晶片上，以从NPC-SSI像素产生朗伯发射。图6（b）中所示出的像素接触图案也用在像素化V-B光子晶片上，以允许从NPC-SSI像素结构的下层到上层的最大光传输。
在图1（b）所图示的NPC-SSI像素结构的替代优选实施例中，首先处理玻璃盖晶片以图案化像素尺寸的微光学元件阵列，其限定与NPC-SSI像素阵列匹配的微透镜阵列，从而提供每像素的单个微光学元件。当具有像素尺寸微光学元件的玻璃盖晶片用作其上形成NPC-SSI多层堆叠的衬底时，所得到的像素阵列除了调制阵列中的各个像素的颜色和亮度之外还具有调制像素发光的方向的能力。
在B光子晶片像素化并且沉积顶部接触层之后，然后使用半导体结合技术（诸如例如熔融结合）将晶片结合到玻璃盖晶片上，其中合并或不合并掺入像素尺寸的微光学元件。然后通常使用半导体激光剥离（LLO）技术剥离外延生长蓝宝石晶片，并且将结构减薄以去除外延生长GaN缓冲，仅留下包括封闭在所形成的像素侧壁内的B-465半导体发光异质结二极管结构的薄层（< 2微米）。在像素化B-465光子晶片的背面暴露的情况下，使用半导体金属沉积技术将图6（b）的像素阵列背面接触图案沉积为薄金属堆叠，例如Ti / Al。
然后处理像素化的B-465光子晶片背面以根据前面描述的过程沉积BPF-2层以实现图5中所图示的光谱响应。在沉积BFF-2层之后，进一步处理晶片表面以通过BFF-2层延伸像素侧壁，包括如前所述的蚀刻，钝化和金属沉积。该步骤延伸像素反射侧壁以将BPF-2的像素化元件包围在每个像素结构内。
然后处理像素化晶片的BPF-2侧以按照先前描述的过程沉积G-550纳米荧光粉层，以实现图7中所图示的G-550纳米荧光粉转换的光谱发射。在沉积G-550纳米荧光粉层之后，晶片表面被进一步处理以使像素侧壁延伸通过G-550纳米荧光粉层，包括如前所述的蚀刻，钝化和金属沉积。该步骤延伸像素反射侧壁以包围每个像素结构内的G-550纳米荧光粉层的像素化元件。
然后进一步处理NPC-SSI处理中（in-process）晶片的顶侧以结合B-425激发光子层。这是通过使用半导体结合工艺（诸如例如熔融结合）将像素化B-425光子晶片结合到NPC-SSI处理中晶片的顶侧来实现的。在该过程中，像素化B-425光子的扩展像素侧壁也在与像素化B-425激发光子晶片的侧壁相同的结合步骤中结合。
在将像素化的B-425激发光子晶片结合到NPC-SSI加工中晶片的情况下，然后通常使用半导体激光剥离（LLO）技术将B-425激发光子晶片的外延生长蓝宝石晶片剥离，并且将结构减薄以去除外延生长GaN缓冲，仅留下包括封闭在所形成的像素侧壁内的B-425半导体发光异质结二极管结构的薄层（< 2微米）。在像素化B-425光子晶片的背面暴露的情况下，使用半导体金属沉积技术将图6（b）的像素阵列背面接触图案沉积为薄金属堆叠，例如Ti /Al。
然后处理NPC-SSI处理中晶片的顶侧以按照先前描述的工艺沉积BPF-1层以实现图5中所图示的光谱响应。在沉积BFF-1层之后，进一步处理NPC-SSI处理中晶片表面以使像素侧壁延伸通过BFF-1层，包括如前所述的蚀刻，钝化和金属沉积。该步骤延伸像素反射侧壁以在每个像素结构内封闭BPF-1的像素化元件。
然后根据前面描述的过程处理NPC-SSI处理中晶片的BPF-1侧以沉积G-550纳米荧光粉层，以实现图7中所图示的R-635纳米荧光粉转换的光谱发射。在沉积G-R-635纳米荧光粉层之后，进一步处理晶片表面以使像素侧壁延伸通过R-635纳米荧光粉层，包括如前所述的蚀刻，钝化和金属沉积。该步骤使像素反射侧壁延伸以包围每个像素结构内的R-635纳米荧光粉层的像素化元件。
然后进一步处理NPC-SSI处理中晶片的顶侧以结合B-450激发光子层。这是通过使用半导体结合工艺（诸如例如熔融结合）将像素化B-450光子晶片结合到NPC-SSI处理中晶片的顶侧来实现的。在该过程中，像素化B-450光子的扩展像素侧壁也在与像素化B-450激发光子晶片的侧壁相同的结合步骤中结合。
在将像素化B-450激发光子晶片结合到NPC-SSI加工中晶片的情况下，然后通常使用半导体激光剥离（LLO）技术剥离B-450激发光子晶片的外延生长蓝宝石晶片，并且将结构减薄以去除外延生长GaN缓冲，仅留下包括封闭在所形成的像素侧壁内的B-450半导体发光异质结二极管结构的薄层（< 2微米）。在像素化B-450光子晶片的背面暴露的情况下，使用半导体金属沉积技术将图6（c）的像素阵列背面接触图案沉积为薄金属堆叠，例如Ti / Al。
如图6（c）的优选实施例所图示，NPC-SSI处理中晶片的顶侧每个像素具有三个接触通孔：中心接触通孔（其是像素的B-450激发光子层的独特接触），x侧壁接触通孔（其是像素的B-425激发光子层的独特接触），以及x侧壁接触通孔（其是像素的B-425激发光子层的独特接触）。整个像素阵列的公共接触；即，B-465，B-425和B-450光子层顶侧上的三个中间接触层形成为公共接触轨，其延伸到NPC-SSI管芯的外围边缘，在此它们连接到一组公共接触通孔，其在NPC-SSI管芯的外围边界处形成环。然后，NPC-SSI处理中晶片顶侧包括微尺度接触通孔的阵列，其中像素中心通孔是像素阵列的B-450激发光子层的独特接触，x侧壁接触通孔是像素阵列的B-425激发光子层的独特接触，y侧壁接触通孔是像素阵列的B-465发射光子层与NPC-SSI管芯的外围边界处的微通孔环的独特接触，以便提供像素阵列的所有三个光子层的公共接触。
每个NPC-SSI管芯的顶侧包括Si-CMOS晶片，该Si-CMOS晶片包括微通孔阵列，其具有与前一段中描述的NPC-SSI处理中的微通孔阵列的图案匹配的图案。当使用半导体结合技术（诸如例如熔融结合）将Si-CMOS晶片对准并结合到NPC-SSI处理中晶片时，结合界面微通孔阵列提供NPC-SSI的多个光子层的像素阵列的独特接触之间的电接触以及包括NPC-SSI晶片的每个NPC-SSI管芯的外围边界处的公共接触环，如图8所图示。此图8图示了公共接触通孔在NPC-SSI管芯的外围边界处形成环的一部分以及每像素独特接触，X和Y接触彼此成90度。图8的其余部分是高度示意性的，在图1（a）和图1（b）中更精确地图示了不同的层。当然，在最终结合步骤之后，无论使用哪种制造方法，都将晶片级最终产品切割以提供本发明的各个纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）。
图9图示了NPC-SSI的功能框图。图9示出了由其Si-CMOS的控制逻辑驱动的NPC-SSI的多色微像素阵列。图9还示出了具有两个相关替代接口的NPC-SSI Si-CMOS控制逻辑的两种优选配置。在第一优选配置中，NPC-SSI Si-CMOS控制逻辑的功能仅包括多色微像素阵列驱动器和NPC-SSI，其将接收包含来自外部源的每个像素的每种颜色的脉冲宽度调制（PWM）位的像素阵列位域。
在第二优选配置中，NPC-SSI Si-CMOS控制逻辑的功能可以包括为多色微像素阵列生成PWM位域所需的逻辑功能。在后一种配置中，NPC-SSI Si-CMOS控制逻辑通过其接口块接收包含视频和相关控制数据的串行比特流。在NPC-SSI Si-CMOS控制逻辑的这种配置中，接收的视频比特流由颜色和亮度控制块处理，以便跨微像素阵列进行去伽马线性化，色域变换，白点调整以及颜色和亮度均匀性校正。然后将比特流颜色和亮度控制块转换为PWM位域，然后计时到像素驱动器阵列中。实际上，在NPC-SSI Si-CMOS控制逻辑的后一种配置中，NPC-SSI不需要外部视频流处理支持，并且用标准高速接口（例如低压差分信号（LVDS）接口）来操作。NPC-SSI Si-CMOS的后一种配置表现出理想的更低功耗和更小的体积方面。
所描述的NPC-SSI的主要优点之一是其低功耗，其通过多种因素来实现：（1）其B发射和V-B激发光子层的高内部量子效率（IQE）；（2）与其G和R发射相关的纳米荧光粉层的高量子产率（QY）转换效率；（3）通过NPC-SSI像素光学腔的光限制作用，提高其V-B激发光的转换效率；（4）通过由像素的BPF层和反射侧壁和接触形成的光学子腔的光限制作用，提高其V-B激发光的转换效率；以及（5）像素的BPF层的光谱整形作用以匹配HVS明视响应。
所描述的NPC-SSI的低功耗使其在需要小体积方面和低功耗时的更高亮度的显示器应用中非常有效，例如用于虚拟现实和增强现实（AR/VR）应用的近眼显示器。对于在近眼显示器中的应用，例如目的是所选择的波长，并且遵循本发明的相同方法的其他波长选择是可能的并且预期落入本发明的范围内。此外，所描述的发射微尺度像素与所描述的NPC-SSI的低功耗相结合使其在光场显示应用中非常有效，这些应用通常需要小的体积方面和低功耗下的更高亮度，并且期望能够实现定向调制的微像素发射。当然这两种显示应用的组合；即，光场近眼AR/VR显示将实质上受益于本发明的NPC-SSI的小体积，高亮度和低功耗优点。
应该提到的是，在前面的NPC-SSI结构的描述中使用的发射和激发波长值以及制造本发明的方法是本发明方法的示例性说明。本领域技术人员将知道如何使用本发明公开的方法来使用用户定义的或不同的激发光波长组来产生纳米荧光粉转换的发射微像素空间光调制器，以产生不同发射波长组。本领域技术人员将知道如何使用由具有不同设计参数的像素的反射侧壁，反射接触和带通滤波器（BPF）产生的NPC-SSI结构像素光学限制的公开方法来创建高效微像素阵列。
最后，图10（a）图示了本发明的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的另一替代实施例，并且图10（b）图示了本发明的纳米荧光粉转换固态成像器（NPC-SSI）的又一替代实施例。特别地，图10（a）类似于图1（a），并且图10（b）类似于图1（b），但没有图1（a）和图1（b）的第三或蓝色或B465光子层。这样的显示器当然将限于两种颜色，但是在限制内，仍然可以控制色度。此外，虽然可以使用其他颜色，但作为示例，红色和绿色是非常合适的示例性颜色，因为这些颜色对于信息/警告显示将是理想的，因为红色传达停止，提防或注意，而绿色传达一切都很好。
因此，本发明具有许多方面，这些方面可以根据需要单独实施或以各种组合或子组合来实施。同样，尽管出于示例性说明而不是出于限制的目的，本文已经公开和描述了本发明的某些优选实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (41)

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。
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，其中高折射率值电介质层是氧化钛（TiO2）或氮化硅（Si3N4），并且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具有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，其中所述第二带通滤波器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，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具有提高的纳米荧光粉转换效率。
31.根据权利要求20所述的固态成像器，还包括在所述第一光子层下面的驱动电路芯片。
32.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体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。
33.根据权利要求20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，用于第一和第二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。
34.一种制造固态成像器的方法，每个固态成像器具有驱动电路芯片，在驱动电路芯片上的用于发射波长比红光短的光的第一光子层，第一光子层上的用于在被第一光子层发射激发时发射红光的第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，第一纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第一带通滤波器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用于发射波长比绿光短的光的第二光子层，第二光子层上的用于在被第二光子层的发射激发时发射绿光的第二纳米荧光粉纳米颗粒结构，第二纳米荧光粉纳米颗粒结构上的使红光和绿光通过并且阻挡来自第二光子层的光的第二带通滤波器，第二带通滤波器上的用于发射蓝光的第三光子层，以及第三光子层上的接触和波导层，该方法包括：
a）在相应的第一衬底上的外延生长缓冲上形成第一、第二和第三光子层的半导体发光光子晶片；
b）通过蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁并用金属填充像素侧壁，使第一、第二和第三光子层的半导体发光光子晶片像素化；
c）在b）中形成的像素化半导体发光光子晶片上沉积顶部接触图案，第三光子层的顶部接触图案形成接触和波导层；
d）将第三光子层结合到玻璃盖晶片上，剥离相应的第一衬底并减薄结果以除去外延生长缓冲；
e）在现在暴露的第三光子层表面上沉积底部接触图案，并沉积形成第二带通滤波器的层；
f）使用e）的结果，蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁，并用金属填充像素侧壁以使像素侧壁延伸通过第二带通滤波器；
g）沉积第二纳米荧光粉纳米颗粒结构，蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁，并用金属填充像素侧壁以使像素侧壁延伸通过第二纳米荧光粉纳米颗粒结构；
h）将第二光子层结合到g）的结果，剥离相应的第一衬底并减薄结果以去除外延生长缓冲；
i）在第二光子层的现在暴露的表面上沉积底部接触图案并沉积形成第一带通滤波器的层；
j）使用i）的结果，蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁，并用金属填充像素侧壁以使像素侧壁延伸通过第一带通滤波器；
k）沉积第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁，并用金属填充像素侧壁以使像素侧壁延伸通过第一纳米荧光粉纳米颗粒结构；
l）将第一光子层结合到k）的结果，剥离相应的第一衬底并减薄结果以去除外延生长缓冲；
m）将l）的结果与驱动电路晶片结合；以及
n）切割a）到m）的结果以提供固态成像器。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括在沉积c）中的第三光子层的顶部接触图案之前在玻璃盖晶片上形成微光学元件阵列，使得微光学元件阵列在玻璃盖晶片和第三光子层之间，用于调制每个像素的发光方向。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述微光学元件的尺寸被确定，并且随后的像素化与所述微光学元件阵列对准，以为微尺度像素阵列的每个像素提供单个微光学元件。
37.根据权利要求34所述的方法，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带通滤波器的底侧上的氧化硅层中的相应纳米荧光粉颗粒，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带通滤波器顶部上的薄层，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。
38.一种制造固态成像器的方法，每个固态成像器具有驱动电路芯片，在驱动电路芯片上的用于发射波长比红光短的光的第一光子层，第一光子层上的用于在被第一光子层发射激发时发射红光的第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，第一纳米荧光粉纳米颗粒结构上的第一带通滤波器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用于发射波长比绿光短的光的第二光子层，第二光子层上的用于在被第二光子层发射激发时发射绿光的第二纳米荧光粉纳米颗粒结构，第二纳米荧光粉纳米颗粒结构上的使红光和绿光通过并且阻挡来自第二光子层的光的第二带通滤波器，第二带通滤波器上的用于发射蓝光的第三光子层，以及第三光子层上的接触和波导层，该方法包括：
a）形成驱动电路晶片；
b）在相应的第一衬底上的外延生长缓冲上形成第一、第二和第三光子层的半导体发光光子晶片；
c）通过蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁并用金属填充像素侧壁，使第一、第二和第三光子层的半导体发光光子晶片和底部接触像素化；
d）在第一、第二和第三光子层上沉积底部接触图案；
e）将第一光子层及其底部接触图案结合到驱动电路晶片，剥离相应的第一衬底并减薄结果以去除外延生长缓冲；
f）沉积第一纳米荧光粉纳米颗粒结构，蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁，并用金属填充像素侧壁以使像素侧壁延伸通过第一纳米荧光粉纳米颗粒结构；
g）沉积形成第一带通滤波器的层并蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁，并用金属填充像素侧壁以使像素侧壁延伸通过第一带通滤波器；
h）将第二光子层结合到g）的结果，剥离相应的第一衬底并减薄结果以去除外延生长缓冲；
i）在h）的结果上沉积顶部接触图案，沉积第二纳米荧光粉纳米颗粒结构，蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁并用金属填充像素侧壁以延伸像素侧壁通过第二纳米荧光粉纳米颗粒结构；
j）在i）的结果上沉积形成第二带通滤波器的层，蚀刻像素侧壁，钝化像素侧壁，然后用反射金属涂覆像素侧壁并用金属填充像素侧壁以通过第二带通滤波器延伸像素侧壁；
k）在第二带通滤波器上沉积底部接触图案，将第三光子层结合到第二带通滤波器和底部接触层，剥离相应的第一衬底并减薄结果以去除外延生长缓冲；
l）将顶部接触图案沉积到k）的结果，该顶部接触图案用于形成接触和波导层；
m）将玻璃盖晶片结合到l）的结果，以及
n）切割l）的结果以提供单独的固态成像器。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括在将所述玻璃盖晶片结合到l）的结果之前在所述玻璃盖晶片上形成微光学元件阵列，以便所述微光学元件阵列位于玻璃盖晶片和第三光子层之间，用于调制每个像素的光发射的方向。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述微光学元件的尺寸被确定且与所述微光学元件阵列对准，以为微尺度像素阵列的每个像素提供单个微光学元件。
41.根据权利要求38所述的方法，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带通滤波器的底侧上的氧化硅层中的相应纳米荧光粉颗粒，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带通滤波器顶部上的薄层，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。
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