CN112352317B - 并入有颜色可调固态发光微像素的量子光子成像器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括数字可寻址多色微像素的空间阵列的发射量子光子成像器。每一像素是包括单片颜色可调半导体发光二极管的发射微光学腔。由每一颜色可调像素二极管产生的光直接或经由多个竖直波导垂直地发射到成像器的平面，多个竖直波导提取从像素二极管产生的光且使光准直。每一像素二极管可个别寻址以使得像素能够在用于每一颜色的任何开/关占空比下发射与其单片颜色可调半导体发光二极管相关联的颜色中的任一个。个别像素通过控制相应颜色可调二极管的驱动电流和/或开/关占空比来调制其所需颜色和亮度值。像素级微光学件进一步使从微像素发射的光准直且定向地调制从微像素发射的光。

Description

并入有颜色可调固态发光微像素的量子光子成像器
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月30日提交的美国临时申请第62/664,714号的权益，所述临时申请的公开内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及包括可用作数字显示器系统中的图像源的单片半导体多色固态光微像素发射器阵列的发射光调制器装置。
背景技术
移动数字媒体的出现已形成对提供移动装置与其用户之间的主要接口的数字显示器的明显需求。对在如移动智能电话的移动装置中使用的直观式显示的普遍相依性已产生对增大的显示亮度、减少的功率消耗以及较高显示器分辨率的需求。新兴的可穿戴移动装置(如智能手表以及近眼扩增现实和虚拟现实(augmented and virtual reality；AR/VR)装置)已进一步形成对改进的显示器分辨率以及减少的功率消耗的增大需求。
若干显示技术已尝试解决以上需求，包含低温多晶硅液晶显示器(lowtemperature poly-silicon liquid crystal display；LTPS-LCD)、有机发光二极管(organic light emitting diode；OLED)、激光束扫描(laser beam scanning；LBS)、量子点(quantum dot；QDD)以及微型LED(micro LED；MLED)。然而，这些技术中的每一个具有某些限制，所述限制妨碍其成为满足新兴移动数字媒体装置的迫切且通常冲突的需求的理想显示器。
举例来说：(1)虽然LTPS-LCD提供比当前LCD显示器更高的分辨率，但这种技术仍受到LCD的低亮度和高功率消耗特性的困扰；(2)OLED有可能提供较高显示器分辨率，但其亮度较微弱，尤其对于白天应用来说；(3)LBS在其峰值/平均亮度超出激光安全性限制时存在眼睛安全性问题；(4)QDD具有与LCD相同的限制，这是由于其仅是替代滤色器技术；以及(5)MLED受到限制其分辨率的空间颜色多工问题困扰。
在本公开的领域中备受关注的是称作“量子光子成像器”显示器的显示器(“
Figure GDA0002837314200000011
成像器”，QPI是奥斯坦多技术有限公司(Ostendo Technologies,Inc.)的注册商标，见美国专利第7,623,560号、第7,767,479号以及第7,829,902号)。利用QPI成像器的微米级像素和功率效率，能够解决与新兴的数字移动媒体装置相关联的高分辨率和低功耗问题。为了确保QPI成像器的市场潜力，减小QPI成像器制造的成本将是有益的。虽然在制造当前QPI成像器中使用的固态发光(光子)材料的成本已在过去五年期间大大降低，但此类光子材料成本仍构成当前QPI成像器的总制造材料清单(bill of material；“BOM”)的大部分，使得如果此类成本可进一步减小，那么较好地保证QPI成像器的将来市场潜力。
美国专利申请公开案第2016/0359300号，“具有中间载流子阻挡层的单片全彩GaN类LED的生长(Growth of Monolithic Full-Color GaN-based LED with IntermediateCarrier Blocking Layers)”，H.S.El-Ghoroury等人，AIP进展(AIP Advances)6，075316(2016)以及“世界第一个单片全彩LED(The World First Monolithic Full-Color LED)”，J-C Chin等人，化合物半导体(Compound Semiconductors)，第22卷，第8期，2016年11月-12月描述发光颜色可由电荷载流子注入电流电平控制的现有技术多色固态发光单片III-V材料和结构。这种类型的多色固态发光单片III-V材料作为用于QPI成像器的光子材料的使用提供减小QPI成像器光子材料和制造成本的机会。此类成本减小源于仅需要多色固态发光单片III-V材料的单一个光子层而非各自发射在当前QPI成像器中使用的不同颜色的三个独立接合光子层。
此外，通过减小QPI成像器中的每一像素的控制所需的电触点的数目，这种类型的多色固态发光单片III-V材料作为光子材料的使用提供进一步减小QPI成像器像素大小的机会，由此增大其分辨率。
发明内容
本公开提供一种固态成像器，包括：数字可寻址多色像素的阵列，其中每一像素包括单片颜色可调半导体发光二极管或结构，所述单片颜色可调半导体发光二极管或结构包括单一个光子层，其中所述像素的相应颜色和亮度值通过控制电荷载流子注入驱动电流电平和/或相应的所述颜色可调半导体发光二极管或结构的开/关占空比进行调制，其中每一像素可个别寻址以使得所述像素能够在用户定义的用于所发射颜色的亮度或预定开/关占空比下发射与其相应单片颜色可调半导体发光二极管或结构相关联的一组用户定义的颜色，其中所述像素中的每一个包括独特可寻址电触点和共同金属触点，其中所述共同金属触点在所有或多个所述像素阵列当中共享。
因此，本公开的方面公开用于利用可调多色固态发光单片III-V材料来利用所述材料实现的许多益处的QPI成像器的操作、制造以及应用的装置和方法。本公开的额外方面和优点将从参考附图进行的各种实施例的以下详细描述变得显而易见。
附图说明
本公开在附图的各图中借助于实例而非限制进行说明，且在附图中，相似元件符号指代类似元件。
图1说明在每一像素中使用三个独立发光层来产生微像素原色的现有技术量子光子成像器装置。
图2A说明使用单一个颜色可调发光层来产生微像素可寻址颜色的本公开的单片量子光子成像器装置的平面图。
图2B说明其微像素阵列到达装置的横向边缘的本公开的单片量子光子成像器装置的等角视图。
图2C说明包括本公开的单片量子光子成像器装置的颜色可调多色像素和颜色可调像素的横截面层的剖面等角视图。
图2D说明并入有用于使微像素发光准直的多个波导的本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的单微像素的发射表面的平面图。
图2E说明具有来自微像素的大体上朗伯发光的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的单微像素的平面图。
图2F说明具有来自微像素的准朗伯发光的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的单微像素的横截面图。
图2G说明包括并入有用于使微像素发光准直和对微像素发光进行方向调制的像素级微光学元件的本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的微像素的横截面图。
图3A说明例示包括本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的光子结构的异质结多层量子约束类发光二极管结构的能带概况。
图3B说明例示包括并入有用于使电流注入控制的光学发射功率与蓝光发射区中的相关联色域光谱轨迹平衡的构件的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的光子结构的异质结多层量子约束类发光二极管结构的能带概况。
图3C说明例示包括并入有用于使电流注入控制的光学发射功率与红光发射区中的相关联色域光谱轨迹平衡的构件的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的光子结构的异质结多层量子约束类发光二极管结构的能带概况。
图3D说明形成本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的像素的半导体光子结构的横截面图。
图3E说明形成本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的半导体光子结构的有源层的相对光学发射功率。
图3F说明形成本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的半导体光子结构的示范性外延设计的CIE色域。
图3G说明形成本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的半导体光子结构的示范性外延设计的所测量电致发光(electroluminescence；EL)光谱。
图3H说明形成本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的半导体光子结构的示范性外延设计的所测量光致发光(photoluminescence；PL)光谱。
图4A说明本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的数字半导体结构的横截面。
图4B说明本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的数字半导体结构的功能框图。
图4C说明在本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的整个上下文内的处理逻辑的功能框图。
图4D说明本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素驱动器的第一实施例的功能框图。
图4E说明本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素驱动器的第二实施例的功能框图。
图4F说明本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素驱动器的第三实施例的功能框图。
图4G说明由本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素驱动器的实施例实现的像素调制信号。
图4H说明由本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素驱动器的实施例实现的像素调制信号。
图4I说明本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素调制驱动电路。
图4J说明由本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素驱动器的实施例实现的像素调制信号。
图5说明其中数字结构的阵列的布局面积与像素阵列面积匹配的本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的实施例。
图6A说明沿用于本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的原色的调制的像素光谱轨迹的多个候选颜色点的实例。
图6B说明与本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的驱动电压有关的亮度。
图6C说明用于相对于像素的光谱色域RGB拐角的色度坐标调制在本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的色域的内部内的任意颜色点的实施例。
图6D说明用于相对于像素的光谱色域RGB拐角的色度坐标调制在本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的色域的内部内的任意颜色点的替代实施例。
图6E说明用于相对于像素的光谱色域RGB拐角的色度坐标调制在本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的色域的内部内的任意颜色点的另一替代实施例。
具体实施方式
在本公开的以下详细描述中参考“一个实施例”或“实施例”意谓结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在这一详细描述中的各处的出现未必都指同一实施例。
图1说明在每一像素100中使用三个独立并接合的发光层从像素100产生微像素原色的现有技术量子光子成像器装置1。
本文中公开单片多色发射成像器。在以下描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以便提供对本公开的理解。然而，对半导体领域的技术人员显而易见的是本公开可以不同具体细节实践。在其它情况下，可以框图形式示出结构和装置以避免混淆本公开。
单片QPI成像器架构
本文中所描述的图2A和图2B的所公开发射多色数字图像成像器(称作“单片量子光子成像器”装置或简称“M-QPI”成像器200)是包括本文中还称为像素或微像素210的单片颜色可调固态发光光子结构的阵列的半导体装置。本公开的M-QPI成像器200包括多个发射微像素210，由此每一像素210包括电颜色可调固态发光二极管。由发射像素2D阵列的发射颜色可调微像素210界定的表面面积构成M-QPI成像器200的发射光学光圈。
如下文更详细地描述，M-QPI成像器200像素210通常是视预期应用需要而具有五微米(或取决于所用半导体接合技术而小于五微米)或大于五微米的范围内的尺寸像素间距的微型多色固态光发射器。多个像素210的颜色可调固态发光二极管中的每一个由包括绝缘半导体材料和反射金属包层的侧壁以光学和电气方式分离。多个像素210的颜色可调固态发光二极管中的每一个具有独特可寻址触点和共同金属触点，所述共同金属触点在所有或多个像素阵列210当中共享。两种金属触点优选地是光学反射性的。像素侧壁的反射金属包层与像素反射触点一起形成相应M-QPI成像器200微像素210的光学腔。
像素210中的每一个的多色光直接通过光学光圈表面或通过光学耦合到像素210的光学腔的多个竖直波导垂直地发射到M-QPI成像器200光学光圈的表平面。除了M-QPI成像器200像素侧壁的光学和电分离功能之外，侧壁的金属包层用作将电流路由到每一像素210的构成电可调多色固态发光二极管的电互连件(或通孔)。
包括M-QPI成像器200的多个像素210中的每一个电耦合到路由电流信号的控制逻辑电路，所述控制逻辑电路独立地控制其相应多色固态发光二极管的颜色发射。与多个M-QPI成像器像素210相关联的驱动逻辑电路形成接合到多色固态发光像素阵列以形成颜色可调像素与集成驱动电路的单片阵列的驱动逻辑阵列。
图2A-2G说明本公开的M-QPI成像器200的各种实施例。图2A说明使用单一颜色可调发光层来产生微像素的可寻址颜色的本公开的M-QPI成像器200的平面图。
图2B说明其微像素阵列到达成像器的光学光圈边缘的本公开的M-QPI成像器200的替代配置的等角视图。图2B的M-QPI成像器200的最小边缘配置实现在其发射微像素阵列之间具有最小间隙的多个M-QPI成像器200的平铺。此类能力使得微像素阵列大小的膨胀能够使用多个M-QPI成像器200来实现较高总体像素计数以匹配预期应用。
图2C说明M-QPI成像器200构成像素230的剖面等角视图且说明像素230的构成层和侧壁235的横截面。
图2D是示出包括多个光波导光圈240的像素230的发射光圈的平面图图示。
图2E是示出像素230的发射光圈大体上是除像素的顶部侧接触金属的面积之外的像素230的整个顶部侧或表面面积的平面图图示。当像素230的发射光圈大体上是如图2E中所说明的整个像素的顶部侧区域时，像素230发光大体上是朗伯(Lambertian)。
图2F说明颜色可调M-QPI成像器200的单微像素的横截面图，其中像素230的发光通过在像素230的光圈上具有深度、直径以及图案的像素的顶部侧波导240以从微像素产生准朗伯发光。
参考图2F，可选择像素230的光圈上的像素230顶部侧波导240深度、直径以及图案以调整在约15°到约45°的范围内的像素230的发光角宽度。如此，可选择像素230的顶部侧波导240的设计参数以使从像素230发射的光准直。
像素230的发光角宽度或准直角度是像素230的设计参数，实现M-QPI成像器200的许多应用，其中成像器的发光的准直角度具有重要性；例如，当耦合到外部波导光学件(如近眼显示器中所常见)中或有效光学耦合到投影光学件中时。在无此类发射光准直能力的情况下，当连接到波导光学件或投影光学件时，从典型朗伯成像器发射的光被浪费到渐晕。如所公开，M-QPI成像器200的发射光准直能力使其成为光学有效颜色可调显示器。
图2G说明颜色可调M-QPI成像器200的单微像素的横截面图，其中像素230的发光由像素的顶部侧波导240耦合以便使从正连接到所匹配光圈微光学元件或透镜206的光学光圈的像素230产生的光充分准直。像素级微光学元件206设计成进一步使微像素230发光准直或定向地调制微像素230发光(美国专利申请公开案第2017/0184776号)。像素230的顶部侧波导240与像素级微光学元件206的组合实现M-QPI成像器200的许多应用，其中成像器的发光的准直角度和方向性具有重要性；如在光场显示器中，确切地说对于近眼和直观式光场显示器应用。
转回到图2C，M-QPI成像器200包括两个主要半导体结构；即光子发光半导体结构210和数字半导体结构220。光子发光半导体结构210包括多个发射颜色可调半导体发光微像素。数字半导体结构220包括将功率和控制信号提供到光子半导体结构210的像素阵列230的数字驱动逻辑电路。半导体结构210具有将电驱动信号耦合到M-QPI成像器200像素阵列的个别像素230的顶部接触层205和背接触层215。
半导体结构210和半导体结构220使用裸片级接合、晶片级接合或类似物由接合层225接合在一起。M-QPI成像器200的发射顶部侧由使用裸片级接合或晶片级接合来接合到成像器顶部侧的透明覆盖层204囊封。包括M-QPI成像器200的两个半导体结构210和半导体结构220中的每一个进一步包括多个半导体层。如图2A中所说明，一个实施例的M-QPI成像器200的数字半导体结构220的表面面积可比发射像素阵列面积更大以使得数字结构220边缘接触衬垫221的放置在成像器的顶部侧处对于使用线接合或类似物的外部接口连接是可访问的，功率和图像数据信号通过所述数字结构220边缘接触衬垫221提供到M-QPI成像器200。
在图2B的等角视图中所说明的本公开的M-QPI成像器200的另一实施例中，数字结构220的面积大致等于发射像素230的阵列的面积，其中最小或无横向突起超出发射像素阵列区域光学光圈。在这一实施例中，选择数字控制结构220的晶体管/电路几何形状以使得整个数字结构220的布局面积并不大于发射像素230的阵列的面积。在这种情况下，成像器触点222可实现为微球栅阵列(micro ball grid array；MBGA)，所述微球栅阵列安置于成像器的背侧或后表面上且使用硅穿孔(through-silicon via；TSV)连接到数字控制结构220。这一实施例最小化或消除超出发射像素阵列光学光圈的M-QPI成像器总面积的突起。
通过这一实施例实现的益处至少：(1)当与当将M-QPI成像器嵌入到体积敏感移动装置中时具有特定重要性的显示系统的其它元件集成时最小化M-QPI成像器200的总体积方面；以及，(2)允许多个M-QPI成像器平铺在一起以形成较大发射微像素阵列。这一实施例的M-QPI成像器配置在本文中称作“零边缘”M-QPI成像器配置。如图2B中所说明，颜色可调像素230的零边缘M-QPI发射二维阵列大体上覆盖装置的整个顶部或上部表面面积以形成M-QPI成像器200的发射表面或光学光圈。
本公开的零边缘M-QPI成像器200的一个实施例的像素230的典型大小在5×5微米的范围内。在这一像素大小下，包括M-QPI成像器200的顶部表面的发射光圈的尺寸是约6.4×3.6毫米，其是大致23平方毫米；从而在1280×720像素下提供HD分辨率。零边缘M-QPI成像器的小尺寸和高分辨率使得其在如AR/VR显示器的可穿戴显示器应用中极有效。确切地说，其小尺寸准许整个零边缘M-QPI集成于此类显示器的光学组合件内而无突起，以实现在外观上是流线型的真实可穿戴显示器。
图2C是包括本公开的两个先前论述实施例中的任一个的M-QPI成像器200的像素230群组的剖面等角图示。图2C说明包括M-QPI成像器200的像素阵列的像素230中的一个的横截面图。如图2C中所说明，像素230中的每一个具有提供邻近像素之间的光学和电分离的侧壁235。将功率信号供应到光子半导体发光结构210的顶部接触层205所需的电互连件嵌入于像素侧壁235内。来自包括M-QPI成像器200的像素230中的每一个的光在垂直于成像器顶部表面的平面的方向(下文称为竖直方向)上直接通过像素光学光圈的顶部表面或通过多个竖直波导240(图2D)发射，所述多个竖直波导240中的每一个光学耦合到像素230的光学腔。
图2D说明M-QPI成像器200的示范性实施例，其中来自像素230中的每一个的光由各自连接到对应像素230光学腔的光波导240的用户定义的图案化阵列发射。波导240通过像素230的顶部接触金属层205蚀刻。波导240中的每一个的直径和其具体阵列图案240以及借以蚀刻波导240的像素230的顶部接触金属层205的厚度(即，波导240的深度)确定从M-QPI成像器200像素230发射的光的准直程度。因此，波导240的直径、深度以及图案的设计选择实现从±45°的准朗伯发光到±15°的窄准直角度的从M-QPI成像器200像素230发射的光的所要准直，如由具体应用所指定。用以发射准直光的M-QPI成像器200的独特能力使其适合直接与可穿戴显示器应用中最普遍的全内反射(total internal reflection；TIR)波导光学件一起使用，而不需要增加体容度且导致过量渐晕和耦合光到显示器观看者的损耗的额外准直光学件。
图2E说明其中M-QPI成像器200的顶部接触金属层205的设计实现大体上朗伯发光的实施例。如图2E中所说明，M-QPI成像器200的顶部接触金属层205允许对像素光子结构210的顶部侧的有效接触，同时还允许最大大小像素发光光圈。虽然M-QPI成像器200像素的发光是大体上朗伯，但这一实施例的M-QPI成像器200配置允许从M-QPI成像器200发射光圈耦合最大光辐照度。此类高亮度朗伯发光M-QPI成像器200适用于需要极高亮度的应用，如投影显示器。这一实施例的M-QPI成像器200的小尺寸实现适合于嵌入式移动应用的体积紧凑的投影仪。
在M-QPI成像器200的另一实施例中，准直发光使得有可能将微光学层206添加到紧接在透明覆盖层204下方的M-QPI成像器200结构，如图2G中所说明(美国专利申请公开案第2017/0184776号)。M-QPI成像器200像素230的微光学元件层206实现来自M-QPI成像器200的非远心发光，其用于进一步使从像素230中的每一个发射的光准直。替代地，这一实施例可用于调制从像素230发射的光的方向以便使成像器适合于许多应用，如直接耦合到通常用于AR显示器中的TIR波导光学件中或调制光场显示器的多视图(美国专利第7,767,479号)。
本公开的新颖方面中的一个是使用颜色可调固态发光二极管III氮化物材料来形成像素230的多色发射二极管结构210，所述多色发射二极管结构210通过像素结构来最小化电互连件且除了用于整个M-QPI成像器像素阵列的共同触点之外减小每像素可寻址触点到单一个触点的数目。使用单一个光子半导体层210实现M-QPI成像器200像素230多色发光除了将像素间距减小到5μ以下之外大体上简化M-QPI成像器制造工艺，这是由于M-QPI成像器像素中的每一个仅需要一个独特可寻址触点的事实。
M-QPI成像器颜色可调半导体结构
图3A示出例示包括M-QPI成像器200的光子结构210的图3D的异质结多层量子约束类发光二极管结构300的能带概况。图3D是形成本公开的M-QPI成像器200像素230的多色发光二极管的半导体光子结构210的横截面图。相同附图标记用于相同元件，然而光子结构210的颜色可调发光层在形成像素230之前在本文中称作多层半导体发光二极管结构300。
根据本公开的M-QPI成像器200的制造方法的一个实施例，多层发光二极管外延结构300使用适当外延生长半导体工艺分别制造为半导体晶片，随后进行后处理以产生并入有如图2C中所说明的像素的侧壁235以及金属接触层205和金属接触层215的晶片大小多层光子半导体结构210。数字半导体结构220使用适当半导体工艺分别制造为半导体晶片，如硅类CMOS，随后与多层堆叠光子半导体结构210进行晶片级或裸片级接合以产生图2A或图2B中说明的M-QPI成像器200。
以下段落描述多层发光二极管结构300和数字半导体结构220的设计规范以及可用于产生本公开的M-QPI成像器200的晶片后处理和制造流程的设计规范。
图3A示出例示异质结多层量子约束类发光二极管结构300的有源区能带概况。具有如由其相应组合物界定的优化后的用户定义的带隙且具有如受到其掺杂程度影响的相对于光学有源区330中的结构的用户定义的带偏移的专门设计的中间载流子阻挡层(intermediate carrier blocking layer；IBL)333直接并入到光学有源区330中以提供用于选择性地控制有源子区331之间的载流子输送且平衡有源子区331的载流子俘获率的构件。取决于发光二极管结构300的目标或所要发射波长范围，图3A的发光二极管结构的多个层可包括III-V化合物半导体合金，如GaAsP、AlGaAs、AlGaInP或AlGaInN。如由图3A的二极管结构例示的本文中所描述的方法适用于固态发光二极管结构，其中极性或半极性或非极性结晶结构具有并入有量子约束(如量子阱、量子线或量子点)的构件的光学有源层。
在显示器应用中备受关注的是使用用于异质结多层量子约束类发光二极管结构300的外延生长的III氮化物(AlGaInN)材料，这是由于III氮化物材料的带隙范围覆盖整个可见光光谱。在不限制前述公开内容的范围的情况下，III氮化物材料用于本公开的各种方面的所说明实例，然而其它III-V材料可取决于由本公开的M-QPI成像器200覆盖的所要多色发射光谱波长范围而使用。
图3D说明多层发光二极管外延结构300。图3D示出根据本公开的单片多色异质结多层量子约束III氮化物类发光二极管外延结构300的说明性但非限制性实施例的简化示意横截面图。可使用如金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapordeposition；MOCVD)的已知外延沉积技术形成的多层外延结构300外延地生长在例如GaN、Si、蓝宝石(Al2O3)或碳化硅(SiC)晶片的适合的衬底311上，所述衬底311具有在其上形成的成核/缓冲层312和异质结结构300的上覆N掺杂层310(例如，包括Si作为N型掺杂剂)。上覆N层310的是多层光学有源区330，例如，包括GaN、InGaN、AlGaN以及AlInGaN层的组合。上覆有源区330的是通常很大程度上包括P掺杂AlGaN的任选的电子阻挡层(electron blockinglayer；EBL)340且后面是P掺杂层320，例如，均包括Mg作为P型掺杂剂。
如图3D中详细地说明，多层(MQW)有源区330包括具有其相应量子阻挡层332的多个用于发蓝光的量子阱类光学有源子区331B、用于发绿光的量子阱类光学有源子区331G以及用于发红光的量子阱类光学有源子区331R。光学有源子区331B、光学有源子区331G、光学有源子区331R中的每一个包括至少一个QW层，其中选择所述QW层的带隙以实现相应波长发射。阻挡层332中的每一个的厚度是约5到10纳米厚且主要包括GaN。光学有源子区331B、光学有源子区331G以及光学有源子区331R的量子阱各自是约2到3纳米厚且包括InxGa1-xN。子区331B、子区331G以及子区331R中的铟x的比率确定与这些子区的量子约束层相关联的带隙且因此其发射波长。
多层有源区330还包括并入有改变量的铝(Al)且进行掺杂以调整其相应带隙和带偏移的AlxGa1-xN的多个专门设计的中间载流子阻挡层(IBL)333。在这一上下文中，术语带偏移是指IBL 333带隙相对于有源区330内部带隙的能量偏移。IBL 333用于选择性地控制所注入载流子填入到有源区330的相应MQW中以便增强其自发性发光。典型地，IBL的带隙将大于其相关联量子阱层的带隙，且在10纳米的范围内选择IBL厚度以避免IBL内的量子约束，但不过厚以避免可引起性能下降的所得高顺向电压和过度发热。如图3A中所说明，如由其材料组合物以及掺杂类型和水平所确定的IBL的带隙和带偏移可取决于其在有源区330内的位置而选择且进行选择以取决于载流子到有源区330中的注入水平而特定地控制电荷载流子到其相应子区331B、子区331G以及子区331R中的流动。如图3A中所说明，IBL 333的导电带(conduction band；CB)边缘通常朝向结构的P掺杂侧320逐渐较高且其价带(valence band；VB)边缘朝向结构的N掺杂侧310逐渐较低。
IBL 333在实现到光学有源子区331B、光学有源子区331G以及光学有源子区331R的量子阱中的基于注入电流电平的选择性载流子注入中起重要作用。如图3A中所说明，选择定位在子区331R与子区331G之间的IBL1 333-1和定位在子区331G与子区331B之间的IBL2333-2的材料组合物和掺杂以使得：(1)IBL1 333-1和IBL2 333-2的导电带(CB)边缘高于QW阻挡层332的CB边缘；(2)IBL1 333-1和IBL2 333-2的价带(VB)边缘低于QW阻挡层332的VB边缘；(3)IBL1 333-1的导电带(CB)边缘高于IBL2 333-2的CB边缘；以及(4)IBL2 333-2的价带(VB)边缘低于IBL1 333-1的VB边缘。
利用适当设计的IBL 333组合物和掺杂程度(美国专利申请公开案第2016/0359300号)，多层发光二极管外延结构300的发光在低电流注入范围下由有源子区331R主导、在中等电流注入范围下由有源层331G主导且在高电流注入范围下由331B有源子区主导。这种效应说明于图3E中，其说明相对光学发射功率αn＝Ln/∑Ln，其中指数n表示在注入电流的全范围内的有源层331B、有源层331G以及有源层331R。如图3E中所示出，红色有源子区331R在低电流注入范围下主导发射，从而指示大部分所注入载流子选择性地填入红色有源子区331R。
当电流注入增大时，绿色有源子区331G主导发射，从而指示大部分所注入载流子在较高电流下选择性地填入绿色有源子区331G。当电流注入进一步增大时，蓝色有源子区331B主导发射，从而指示大部分所注入载流子在较高电流下选择性地填入蓝色有源子区331B。
上文所描述的选择性载流子注入效应作为载流子阻挡的直接结果而发生，从而在不同电流注入水平下减幅或抑制IBL 333-1和IBL 333-2的动作：
(1)在低电流注入范围下，红色/绿色IBL1 333-1的空穴阻挡动作使得所注入空穴主要填入红色有源子区331R作为电子，由空穴拥挤的红色有源层331R的偏振场吸引，还主要填入红色有源层331R，由此引起红色有源层331R主导如图3E中所示出的发射。
(2)当电流注入水平增大时，红色/绿色IBL1 333-1的电子阻挡动作使得所注入电子主要填入绿色有源层331G，作为空穴，由电子拥挤的绿色有源层331G的偏振场吸引，输送超出红色/绿色IBL1 333-1以及主要填入绿色有源层331G，由此引起绿色有源子区331G主导如图3E中所示出的发射。
(3)当电流注入水平进一步增大时，蓝色/绿色IBL2 333-2的电子阻挡动作使得所注入电子主要填入蓝色有源层331B，作为空穴，由电子拥挤的蓝色有源子区331B的偏振场吸引，输送超出绿色/蓝色IBL2 333-2且主要填入蓝色有源子区331B，由此引起蓝色有源子区331B主导如图3E中所示出的发射。
IBL 333-1和IBL 333-2的所描述注入电流相依载流子阻挡动作因此引起所注入载流子到三个有源子区331R、有源子区331G以及有源子区331B中的注入电流相依选择性注入以实现多层发光二极管外延结构300的在图3E中说明的注入电流相依多色可调属性。
外延生长设计实例
图3F说明具有在x＝0.12、x＝0.27以及x＝0.34下选择的光学有源子区331B、光学有源子区331G以及光学有源子区331R InxGa1-xN组合物的QW的多层发光二极管外延结构300的示范性设计的CIE色域以分别实现在625nm、525nm以及465nm下的发光波长。分别在y＝0.2，15×1017Mg掺杂和y＝0.07，5×1017Mg掺杂下选择IBL 333-1和IBL 333-2AlyGa1-yN组合物和掺杂。图3F示出根据本公开外延地生长的多层发光二极管结构300实现高清晰度(highdefinition；HD)色域的近全覆盖。重要的是应注意，由根据本公开外延地生长的多层发光二极管结构300实现的沿图3F中示出的发射光谱轨迹的任何颜色点可如在后续段落中将描述通过控制结构300的载流子注入速率(或电流驱动电平)进行选择。
图3G和图3H的发射示出多层发光二极管外延结构300的示范性设计的分别所测量电致发光(EL)和光致发光(PL)光谱。图3G示出在低(红线)、中等(绿线)以及高(蓝线)注入电流密度下在室温下测量的归一化EL光谱。
对于约0.5安/平方厘米的低电流密度(较低子曲线图)，发光主要在具有约50纳米的半高全宽(full width at halfmaximum；FWHM)的625nm红色中。对于约10安/平方厘米的中等电流密度，发光主要在具有约45纳米的半高全宽(FWHM)的525nm绿色中。对于约50安/平方厘米的电流密度，发光主要在具有约35纳米的半高全宽(FWHM)的465nm蓝色中。
如从图3F和图3G可看出，多层发光二极管外延结构300的多色发光通过在其设计的操作范围内控制其注入电流而在主导颜色发射的从红色到绿色随后到蓝色的HD色域上可调。此后，多层发光二极管外延结构300称作“多色可调发光二极管外延结构300”。
如上文所解释且图3F中所说明，由于多色可调发光二极管结构300的电流注入在其从低到高操作范围内改变，QW类光学有源层331B、QW类光学有源层331G以及QW类光学有源层331R的InxGa1-xN组合物(由此带隙)确定色域拐角的颜色坐标，且IBL 333-1和IBL333-2的AlyGa1-yN组合物和掺杂确定形成这些色域拐角之间的光谱轨迹的发射颜色轨迹。光学有源子区331B、光学有源子区331G以及光学有源子区331R中的每一个中的量子阱(quantum well；QW)的数目是多色可调发光二极管结构300的设计参数。相对光学发射功率或光通量αn＝Ln/∑Ln，其中指数n表示光学有源层331B、光学有源层331G以及光学有源层331R；分别，且可通过恰当地选择光学有源层331B、光学有源层331G以及光学有源层331R中的每一个中的QW的数目进行平衡。举例来说，实现在高电流注入下发生的蓝色色域拐角可需要在蓝色有源层331B中并入大于一个QW。此外，实现与红色色域拐角相关联的所需发光发射功率可需要在红色有源层331R中并入大于一个QW。
平衡相对光学发射功率αn＝Ln/∑Ln确保多色可调发光二极管结构300的颜色调谐动态范围的有效利用。多色可调发光二极管结构300的总光学发射功率或光通量∑Ln作为其光学有源子区331B、光学有源子区331G以及光学有源子区331R的光学发射功率的加权和是电流注入i相依的，
∑Ln＝L(i)＝αR(i)LR+αG(i)LG+αB(i)LB
αR(i)+αG(i)+αB(i)＝1
其中αR(i)、αG(i)以及αB(i)分别表示在电流注入水平i下多色可调发光二极管结构300的光学有源层331B、光学有源层331G以及光学有源层331R的(相对)光学发射功率贡献。参数αR(i)、αG(i)以及αB(i)与在电流注入水平i下以填入光学有源层331B、光学有源层331G以及光学有源层331R结束的总注入载流子的比率成正比。在多色可调发光二极管结构300的电流注入i操作范围内的参数αR(i)、αG(i)以及αB(i)的值确定其色域的光谱轨迹。
在图3B中说明的另一实施例中，电流注入控制的光学发射功率和相关联的色域光谱轨迹的进一步平衡可通过在多色可调发光二极管结构300的N侧处在N掺杂层310与MQW有源区330之间添加N掺杂AlyGa1-yN载流子阻挡层315来实现。阻挡层315响应于在高电流注入水平下由高度电子拥挤的蓝色有源子区331B引起的强偏振场而减少超出蓝色有源子区331B的空穴的可能输送。载流子阻挡层315的添加实现在较低注入电流水平下来自蓝色有源子区331B的较高光学发射功率，由此在所述子区中使用较少QW使来自蓝色有源子区331B的发射能够到达色域的蓝色拐角。
在图3C中说明的另一实施例中，电流注入控制的光学发射功率和相关联的色域光谱轨迹的进一步平衡可通过在多色可调发光二极管结构300的有源区330的红色子区331R的两个QW之间添加P掺杂AlyGa1-yN载流子阻挡层333-1b来实现。阻挡层333-1b与阻挡层333-1a一起用于扩展红色子区331R的电流注入范围。额外QW和具有红色子区331R的其相关联载流子阻挡层333-1b的添加实现在多色可调发光二极管结构300的红色波长光谱发射范围内的较高光学发射功率。
除了其在平衡电流注入控制的光学发射功率与相关联色域光谱轨迹中的作用之外，IBL333-1和IBL 333-2以及AlyGa1-yN层315充当多色可调发光二极管外延结构300内的外延应力消除层。含有层315、层333-1以及层333-2的铝(Al)的这种添加功能是达到实现来自光学有源子区331B、光学有源子区331G以及光学有源子区331R的多色发光所需的连续较高铟(In)摄入率中的重要特征。
M-QPI成像器控制半导体结构
图4A说明M-QPI成像器200的数字半导体结构220的横截面。数字半导体结构220可使用常规Si类互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)技术制造且包括由绝缘半导体材料(如SiO2)的薄层分离的多个金属层420、金属层422、金属层423和金属层424以及控制逻辑425，所述数字半导体结构220包括像素的驱动器阵列450、处理逻辑460以及接口逻辑465，且可使用常规CMOS半导体技术沉积在Si衬底上。沉积于金属层420的顶部上的是提供控制逻辑425与共熔焊料接触球222之间的连接性的像素的接触通孔421和硅穿孔(TSV)431，其提供与控制逻辑425的外部接口连接性。
图4B说明M-QPI成像器200的数字半导体结构220的功能框图。出于清楚的目的，示出连接到提供控制逻辑425与发射多色像素230阵列250之间的接口的像素驱动器455阵列450的发射多色像素230阵列250。像素的驱动器455中的每一个将其经由内部接口430从控制逻辑425接收的电控制信号转换成对多色像素230的独特触点440中的每一个的适当的电信号(电压)电平。发射多色像素230阵列250的共同接触金属层205(图2C、图2D以及图2E)经由像素阵列250边缘像素的侧壁连接到控制逻辑425。连接到共熔接触球222的控制逻辑425的接口块465将功率和接地信号连接到整个数字半导体结构220且将接收到的数字图像数据转送到处理逻辑460。
图4C说明在M-QPI成像器200的整个上下文内的处理逻辑460的功能框图。处理逻辑460可实现为专用数字逻辑或实现为在嵌入式数字信号处理核心上执行的软件，所述嵌入式数字信号处理核心设计成具有匹配处理功能和吞吐量。
如图4C中所说明，由接口块425耦合到数字半导体结构220的输入图像数据首先由颜色空间转换处理块461处理，所述颜色空间转换处理块461将接收到的图像数据从其输入颜色空间转换到RGB颜色空间，所述RGB颜色空间一致地用于包括处理逻辑460的整个图像处理步骤中。颜色空间转换的图像数据随后由去伽玛(de-gamma)块462线性化，随后预校正以补偿像素阵列250上的像素230的颜色和亮度非均一性。像素230的均一性预校正使用在M-QPI成像器200制造工艺结束时测量的像素阵列250校准查找表(look up table；LUT)464实现。预校正图像数据随后由像素的颜色调制块465转换成像素特异的调制值且像素的颜色调制数据作为输入提供到像素的驱动器455，其转而将像素的颜色调制数据转换成像素阵列250的个别像素230的电驱动信号。
图4D说明像素的驱动器455的第一实施例的功能框图。由于像素230的半导体发光二极管驱动电流通常通过肖克利(Shockley)二极管等式(二极管电流i通过肖克利(i，v)二极管等式与二极管电压v相关：
Figure GDA0002837314200000121
其中Is是二极管饱和电流，VT是热电压
Figure GDA0002837314200000122
且n是二极管理想因子。)与其驱动电压相关，在这一实施例以及其它后续实施例中，通过控制像素230的电流注入水平来控制像素230的多色发射在不损失一般性的情况下通过控制像素230的电压驱动电平等效地实现。在这一实施例中，像素的驱动器455包括由图4C的像素颜色调制块465所产生的像素调制信号452控制的电压电平切换块451，以将所选电压电平453路由到像素230独特触点440。在这一实施例中，像素调制信号452使多个电压电平包括453(三个电压电平在图4D中说明为实例)中的一个在指定导通时间周期内路由到像素230独特触点440，由此此类时间周期是图像视频帧持续时间的一部分。对于共同60Hz视频帧率，例如，图像视频帧持续时间是16.67ms。
本文中，指定像素颜色发射的导通时间周期称作“颜色调制周期Tm”。在一个实施例中，所选电压电平453在指定导通时间周期内提供到像素230独特触点440作为连续波形(continuous waveform；CW)信号以实现像素230的连续时间调制。在另一实施例中，所选电压电平453在指定导通时间周期内提供到像素230独特触点440作为所选电压电平453下的一连串脉冲式波形(pulsed waveform；PW)信号以实现像素230的脉冲式调制。在两种情况下，像素调制信号452实现电压电平453和导通时间的持续时间的选择。这一实施例的像素的驱动器455实现CW或PW调制模式中的像素230的单一到多个电压电平调制。
在像素驱动器455的第一实施例中，像素230颜色发射的控制可使用多种方法中的一种实现。在CW调制情况中，选择多个电压电平453以使得多个电压电平453中的每一个对应于像素230的发光光谱范围中的一个。举例来说，在其中像素驱动器455具有三个电压电平453的情况下，最低电压电平与实现红色光谱范围内的像素230发光所需的电压相称，而中间电压电平与实现绿色光谱范围内的像素230发光所需的电压相称且最高电压电平与实现蓝色光谱范围内的像素230发光所需的电压相称。这种方法中的像素230颜色的控制由为像素230指定所要颜色发射范围的像素调制信号452实现，且作为响应，像素驱动器455将对应电压电平路由到像素230触点。
像素驱动器455的第一实施例的PW调制情况可利用单一或多个电压电平453实施。在其中使用单一电压电平PW调制的这种实施例的方法中，像素230多色发射通过控制在像素230多色发射的颜色调制周期Tm的持续时间内的载流子注入速率来在其全光谱范围内进行控制。在这种实施例的方法中，用于PW调制的单一电压是需要实现在相关联调制周期内的需要电压电平的最高值的光谱范围(在这种情况下，在调制周期TmB内的蓝色光谱范围)内的像素230的发光的电压。
对于绿色和红色光谱范围中的像素230发光，PW调制速率和因此相关联载流子注入速率通过增大调制周期而按比例减小以使得TmB＜TmG＜TmR以便分别实现绿色和红色颜色发射区中的所要颜色发射。在其中使用利用多个电压电平的PW调制的这种实施例的方法中，像素230多色发射通过在电压电平中的每一个下控制载流子注入速率而在全光谱范围的区内进行控制，例如，其中像素230多色发射的全光谱范围划分成红色-绿色发射和绿色-蓝色发射区的两个区(可能有一些重叠)。在红色-绿色发射区中，用于PW调制的两个电压电平中的较低电压电平与实现在调制周期TmG内的绿色光谱范围中的像素230发光相称，且红色-绿色光谱范围内的颜色发射在按比例增大的调制周期处以使得TmG＜TmR。
在绿色-蓝色发射范围中，用于PW调制的两个电压电平中的较高电压电平与实现在调制周期TmB内的蓝色光谱范围中的像素230发光相称，且绿色-蓝色光谱范围内的颜色发射在按比例增大的调制周期处以使得TmB＜TmG。类似地，像素230全光谱发射可划分成三个区，例如红色、绿色以及蓝色发射区。在这种情况下，像素230光多色发射通过选择与所要光谱区相称的电压电平，随后选择与所选光谱区内的所要发射颜色相称的调制周期Tm的持续时间来在全光谱范围内进行控制。这是用于像素驱动器455的第一实施例的PW调制方法的像素230颜色调制的新颖解决方案且实现其色域光谱轨迹的全范围内的像素230颜色发射的直接调制。
图4E说明像素的驱动器455的第二实施例的功能框图。在这一实施例中，像素的驱动器455包括具有充放电速率的电容器类能量存储元件454，所述充放电速率由图4C的像素颜色调制块465所产生的像素230的调制信号452控制。在这一实施例中，单一电压电平用于为电容器类能量存储元件454充电且像素调制信号452控制充到电容器类元件454中的能量的量和调制周期Tm的持续时间，在所述时间期间此类存储的能量路由到像素230独特触点440。
在这一实施例中，像素230的多色发射通过控制存储于电容器类元件454中的激发能递送到像素230的速率进行控制。举例来说，蓝色颜色范围中的来自像素230的发光的激发通过将电容器类能量存储元件454充电到其最高可能能量存储水平，随后释放在电压电平下的所存储能量来实现，所述电压电平与实现在调制周期TmB内的蓝色颜色光谱范围中的像素230发光所需的电压电平相称。
一般来说，在其全光谱范围内的任何所要颜色下的来自像素230的发光的激发需要将能量存储元件454充电到对应于所需颜色发射的值，随后释放在电压电平下和调制周期Tm内的所存储能量，所述调制周期与实现在像素230的全光谱范围内的所需颜色下的像素230发光相称。类似于第一实施例，像素驱动器455的这一第二实施例实现在其色域光谱轨迹的全范围内的像素230颜色发射的直接调制的新颖方法。
图4F说明像素的驱动器455的第三实施例的功能框图。在这一实施例中，像素的驱动器455包括将表示为包括N位的数字信号的像素调制信号452作为输入的数/模(digital-to-analog；D/A)转换器456。在这种情况下，像素调制信号452由D/A 456转换成像素230电压驱动电平，所述电压驱动电平是与像素调制信号452N位值成比例的D/A参考电压Vref的按比例调整值。在一个实施例中，可选择D/A 456参考电压Vref作为实现在相关联调制周期内的需要电压电平的最高值的光谱范围(在这种情况下，其是在调制周期TmB内的蓝色光谱范围)内的像素230的发光所必须的电压值。驱动蓝色光谱范围中的像素230颜色发射需要N位像素调制信号452是调制周期TmB内的最大值。驱动绿色和红色光谱范围中的像素230发光需要具有调制周期上的相称增大的N位像素调制信号452的按比例减小值使得TmB＜TmG＜TmR以便分别实现绿色和红色颜色发射区中的所要颜色发射。类似于前一实施例，这一实施例的像素的驱动器455还将像素230的驱动信号调制为指定调制周期Tm内的电压电平调制CW。
在另一实施例中，选择D/A 456情况参考电压Vref作为实现所需光谱范围内的像素230发光所需的电压值。举例来说，蓝色、绿色或红色光谱发射范围和N位像素调制信号452用于在适当选择调制周期TmC的情况下控制每一光谱范围内的具体颜色。在这一实施例中，调整D/A参考电压Vref界定像素230颜色光谱发射范围，而N位像素调制信号452字词界定所述范围内的具体颜色点。举例来说，当选择D/A参考电压Vref的三个离散值(例如界定蓝色、绿色或红色光谱发射范围)时，用于控制像素230颜色光谱发射的动态范围是3×2N。实际上，因此，选择D/A参考电压Vref的离散值的数目以及像素调制信号452的字词长度以控制在选择像素230颜色发射中的分辨率。
由像素的驱动器455的前一实施例的所描述方法实现的像素230的调制信号452说明于图4G、图4H、图4I以及图4J中。
图4G说明像素230的驱动方法，其中提供到像素230独特触点440以调制其多色发光的驱动信号452是对应调制的离散多电平电压信号，其中每一离散电压电平Vm进行调制以用于调制周期Tm。在这种像素230驱动方法中，所选电压电平Vm和其对应的周期调制周期Tm分别确定从像素230发射的颜色和其对应的明度。在这种像素230驱动方法中，像素230的“颜色”和“明度”通过由像素的驱动器455通过像素调制信号452实现的所选电压电平Vm和调制周期Tm值进行调制。作为说明性实例，图4G示出具有跨越整个视频帧持续时间TF的其共同对应周期调制周期Tm的三个离散电压电平Vm，所述视频帧持续时间在60Hz视频帧率的情况下例如是16.7ms。在这一实例中，三个离散电压电平Vm和调制周期Tm对应于在用于每一颜色的指定明度下的红色、绿色以及蓝色颜色光谱区中的像素230发光以便实现在视频帧持续时间TF期间的具体(颜色、明度)像素230发射。举例来说，如果像素230将在显示白色(颜色)点处发射光，那么通过像素调制信号452选择电压电平Vm和调制周期Tm以实现在适当明度平衡下的来自像素230的红色、绿色以及蓝色颜色发射以实现在视频帧持续时间TF期间的白色(颜色)发射。
替代地，如图4H中所说明，整个视频帧持续时间TF划分成持续时间的子帧TsF，在所述子帧中的每一个期间选择电压电平Vm以用于成比例调制子周期Tsm。类似地在这种情况下，通过像素调制信号452选择电压电平Vm和调制周期Tsm以实现在适当明度平衡下来自像素230的红色、绿色以及蓝色颜色发射从而实现在视频帧持续时间TSF期间和随后在整个视频帧持续时间TF期间的白色(颜色)发射。应注意，在以上段落中描述的像素230的驱动方法还可使用相较于在前一实例中使用的大量离散电压电平来实现以实现在较早描述的像素230多色发射光谱轨迹上的具有更多颜色点的像素230的颜色和明度。换句话说，像素230的驱动方法可与任何数目的原色(视需要大于三个)一起使用，所述原色通过选择其对应电压电平作为用于这种驱动方法的一组离散电压电平Vm来沿像素230的发光光谱轨迹界定。在这一段落中描述的像素230的驱动方法可使用像素的驱动器455的上文所描述的第一实施例、第二实施例或第三实施例中的任一个实现，由此在每一情况下，像素的驱动器455的像素调制输入信号452适当地设计成实现电压电平Vm和调制周期Tm值的选择。
图4I说明另一像素230的驱动方法，其中与前一方法的所述组离散连续电压电平相比，供应到像素230独特触点440以调制其多色发光的驱动信号是连续调制的可变电压电平信号。在可通过像素的驱动器455的以上实施例实现的这种像素230驱动方法中，在调制周期Tm内调制的电压电平Vm可在电压范围(Vmin，Vmax)内的任何值下，其中Vmin和Vmax的值分别是实现像素230的光谱发射轨迹的分别最长λmax和最短λmin波长(例如红色光谱发射区和蓝色光谱发射区)下的像素230发光所需的电压电平。
重要的是应注意，这种驱动方法使得能够驱动像素230以通过选择对应电压电平Vm和(类似于前一情况)调制周期Tm来直接发射沿像素光谱发射轨迹的任何颜色，在所述调制周期期间所述调制电压电平Vm是持续的。这与总视频帧持续时间TF成比例地确定从像素230发射的颜色的明度水平。在这一段落中描述的像素230的驱动方法使用像素的驱动器455的所描述第二实施例或第三实施例中的任一个实现，由此在每一情况下，到像素的驱动器455的像素调制信号452输入适当地设计成实现电压范围(Vmin，Vmax)内的任何值下的调制电压电平Vm的选择从而实现沿像素230光谱发射轨迹(λmax，λmin)的任何所要像素230发光颜色且选择在其期间所选电压值为持续的对应调制周期Tm值以实现来自像素230的发射颜色下的所要明度。除了用以调制沿像素230光谱轨迹的任何颜色点的这种驱动方法的能力之外，这种驱动方法可用于调制沿视频帧持续时间TF期间的像素230光谱轨迹的一组离散的颜色点，其中与所调制颜色点中的每一个相关联的相对明度通过选择调制周期Tm进行调制，在所述调制周期期间对应于颜色点的电压电平Vm在视频帧持续时间TF期间是持续的。
图4J说明另一像素230的驱动方法，其中用以调制其多色发光的供应到像素230独特触点440的驱动信号是使用一或多个电压电平Vm的脉冲式波形(PW)调制的一连串脉冲，由此每一电压电平进行调制以用于调制周期Tm。
在这种方法中，在调制周期Tm期间使用给定电压电平Vm来调制给定时间宽度TP(持续时间)的PW电压脉冲的数目N。调制占空比与所选电压电平Vm的值相乘确定平均像素调制电压Vavg＝(NTP/Tm)Vm；其中NTP≤Tm。由于像素230的半导体发光二极管驱动电流大体上以指数方式与其驱动电压成正比，平均像素调制电压Vavg等于平均电流或到像素230中的平均载流子注入速率。由此这种像素230的驱动方法通过选择所选电压电平Vm下的电压脉冲调制占空比D＝NTP/Tm的值来实现沿像素230的光谱轨迹的发光颜色点中的任一个的调制，所述所选电压电平产生平均像素调制电压Vavg，所述平均像素调制电压对应于沿在其目标明度下的像素230的光谱轨迹的目标颜色点。当这种像素230的驱动方法与单一电压电平一起使用时，实现光谱轨迹的像素230的蓝色区处的发光所需的电压电平将优选地是所选单一电压电平；即，Vm＝VmB。
还可能的是这种像素230的驱动方法与多个电压电平一起使用，所述多个电压电平将像素230的整个光谱轨迹划分成对应光谱发射区。举例来说，在使用两个电压电平时，可选择较低电压电平作为实现光谱轨迹的像素230的绿色区中的发光的电压电平，即，Vm＝VmG，且可选择较高电压电平作为实现光谱轨迹的像素230的蓝色区处的发光的电压电平，即，Vm＝VmB。利用两个电压电平的这一选择，选择较低电压电平VmG下的电压脉冲调制占空比D＝NGTP/TmG产生实现沿从红色到绿色的像素230的光谱轨迹的部分的发光的平均像素调制电压VGavg。选择较高电压电平VmB下的电压脉冲的调制占空比D＝NBTP/TmB产生实现沿从绿色到蓝色的像素230的光谱轨迹的部分的发光的平均像素调制电压VBavg。类似地，取决于设计折衷，较高数目的电压电平Vm可用于将像素230的光谱发射划分成在前一实例中选择的较高数目的区，例如三个电压电平Vm或大于三个电压电平。在这一段落中描述的像素230的驱动方法可使用像素的驱动器455的所描述第二实施例或第三实施例中的任一个实现，由此在每一情况下，到像素的驱动器455的像素调制信号452输入适当地设计成实现调制周期Tm内的电压电平Vm和电压脉冲调制占空比D值的选择。类似于前一像素230驱动方法，这种方法实现利用界定沿像素230的光谱轨迹的所调制颜色点的电压脉冲调制占空比D值和界定所调制颜色点处的所实现明度的其相关联调制周期Tm的持续时间来调制沿像素230的光谱轨迹的任何颜色点处的像素230发射。
如本公开的以下段落中所描述，用以实现沿像素230光谱发射轨迹的任何颜色和明度(亮度)的调制的像素230的驱动方法的所描述独特能力使得新颖方法能够调制由相对于所界定参考白点明度的任何所要明度水平下的像素230光谱轨迹界定的色域内的任何颜色点。此类能力使得能够使用沿像素230光谱轨迹的两个、三个或大于三个参考颜色点(原色)来调制多色像素230的色域内的任何颜色点的调制，由此提供在参考颜色点的最有效明度平衡下调制色域内的所要颜色点的能力。这实际上形成一组可编程色域原色(参考颜色点)，其可用于进行像素230多色调谐能力的高效使用以及在以下段落中描述的其它益处。
前一段落描述用于实施可在其半导体(芯片级)实体布局面积中不同的像素的驱动器455的各种方法。另外，有益的是包含像素的驱动器455的阵列的数字结构220的实体布局面积在像素230的阵列面积(即，M-QPI成像器200的发光光圈)内受限。
图5说明其中可使用给定CMOS几何形状使数字结构220的阵列(包含像素的驱动器455的阵列)的布局面积与像素230阵列250面积匹配以实施M-QPI成像器200的数字结构220的实施例。在这一实施例中，像素230的阵列250分割成像素230的多个子阵列252，本文中称作调制群组252，由此包括调制群组252的像素230由单一驱动器455以时间顺序驱动。利用这种方法，像素驱动器455的所需总数目减少到等于包括像素阵列250的像素230的总数目除以包括调制群组252的像素230的总数目的数目。
如图5中所说明，调制群组252的阵列经由包括多个连接元件472的连接矩阵470连接到像素驱动器455的阵列450。包括连接矩阵470的连接元件472中的每一个由控制逻辑460控制以将其从控制逻辑460接收的像素调制值路由到包括其对应调制群组252的像素230中的一个的独特触点440。整个连接矩阵470由控制逻辑460控制从而以时间顺序将像素调制值路由到多个像素调制群组252内的一组指定像素230以便产生显示帧持续时间TF内的整个像素阵列250的指定依序调制扫描模式。举例来说，连接矩阵470可设计成同时调制像素230的行的指定数目(例如8个、16个、32个、64个…行)，随后依序调制行的相等数目以便调制整个像素阵列250。在这一实例中，同时调制的像素230的行的数目确定所需像素驱动器455的数目，且像素驱动器455的这一数目的组合布局面积加上其相关联连接矩阵470的布局面积确定专用于驱动像素230的阵列250的总布局面积。控制逻辑460和接口块425所需的布局面积加上用于驱动像素230的阵列250所需的布局面积确定需要使数字结构220的总布局面积与像素230的阵列250的面积匹配的CMOS几何形状。
并入有控制逻辑460和接口块425加上用于驱动阵列250所需的布局面积(如上文所解释)的M-QPI成像器200的数字半导体结构220可使用适当CMOS几何形状技术来制造为单片Si-CMOS晶片，其中每一此类晶片并入有多个M-QPI成像器200裸片。如较早所解释，数字半导体结构220晶片使用晶片级直接融合接合技术或类似技术接合到光子半导体结构204-205-210-215以形成切割(分割)成图2A和图2B中说明的个别M-QPI成像器200裸片的集成多(3D)晶片结构。替代地，数字半导体220晶片或光子半导体结构204-205-210-215可切割(分割)成裸片，所述裸片使用裸片至晶片直接接合或共熔接合技术或类似技术分别裸片级接合到相对晶片以形成并入有切割(分割)成图2A和图2B中说明的个别M-QPI成像器200裸片的多个M-QPI成像器200裸片的晶片。
M-QPI成像器操作-像素颜色和亮度调制
如较早所解释，随其电流注入水平i而变的像素230发光的光通量L(i)或等效地其触点上所施加的电压电平是从构成光子层331R、光子层331G以及光子层331B的像素230中的每一个发射的光通量(LR，LG，LB)的加权和：
L(i)＝αR(i)LR+αG(i)LG+αB(i)LB
αR(i)+αG(i)+αB(i)＝1
由于加权因子αR(i)、αG(i)以及αB(i)的值是电流相依的，或等效地电压相依的，且还控制构成光子层331R、光子层331G以及光子层33lB的像素230中的每一个的相对贡献，因此注入到像素230中的电流的值或等效地其触点上的电压的值控制沿像素230的光谱发射轨迹的颜色点和光通量。由于从红色到蓝色光谱区域的像素230的发光的光通量与像素230的电流注入电平或等效地电压电平成比例地系统上较高，因此所调制颜色点处的像素230的光度明度(感知亮度)使用所调制颜色点的相对持续时间(或相对调制时间Tm/TF；其中TF是显示帧持续时间)进行控制。这意谓像素230的颜色和亮度两者可由像素230的电流注入水平或等效地电压电平控制。
原色
使用在前一实施例中描述的像素230的驱动方法中的一种，M-QPI成像器200像素230的色度(颜色)和亮度(或色度和明度)可使用本文中所描述的多个像素调制方法中的一种进行调制，所述多个像素调制方法使用多个离散CW或PW电压电平或单一CW或PW可变电压。离散或可变的所选电压电平进行时间上多工以合成沿像素230的光谱发射轨迹的多个原色点，本文中这些合成的颜色点简称为“原色”，所述原色随后用于调制在显示(视频)帧持续时间TF期间的像素230的发光颜色和亮度。由于沿像素230的发光光谱轨迹的任一点处的像素230的发光是来自像素230的光谱色域R、光谱色域G以及光谱色域B拐角的发光的加权和，选择这些点有效地等于选择来自像素230的光谱色域RGB拐角的发光的其相关联加权和。
此外，由于沿像素230的发射光谱轨迹的任何颜色点可通过适当地选择待由像素的驱动器455提供给像素230的其对应驱动电压电平进行选择，实际上沿包含光谱色域RGB拐角的像素230的光谱轨迹的任何适当选择的一组颜色点c可通过选择待由像素的驱动器455提供给像素230的其对应驱动电压电平来选择作为调制原色，随后在显示(视频)帧持续时间TF期间在适当的比率τc＝Tmc/TF下对这些所选电压电平进行时间上多工以便调制来自像素230的发光的所要颜色和亮度。
显示白点
像素230的亮度的调制与显示白点的所选亮度水平相关。在其中选择像素230的光谱色域RGB拐角作为原色的一实施例中，RGB原色的显示的最大亮度水平是实现所要白点亮度所需的原色的亮度值。由于在这一实施例中所选原色是像素230的光谱色域RGB拐角，因此其颜色和亮度对应于来自像素230的发光层331中的每一个的主要光谱发射。因此，显示白点W的亮度LW和色度坐标(Wx，Wy)由亮度(LR，LG，LB)和色度坐标(Rx，Ry)、(Gx，Gy)确定；且由M-QPI成像器像素230的RGB发光层331R、RGB发光层331G以及RGB发光层331B的分别(Bx，By)确定，如由以下等式2-1和等式2-2表示。
白点W的亮度LW＝αW LR+βW LG+γW LB 等式2-1
αW+βW+αW＝1
颜色点W的色度坐标Wx＝αW Rx+βWGx+γWBx 等式2-2
Wy＝αW Ry+βW Gy+γW By
在另一实施例中，沿像素230的光谱轨迹的适当地选择的一组颜色点用作用于调制像素230的颜色和亮度的原色。在这一实施例中，沿像素230的光谱轨迹的任何颜色点c的最大亮度水平在此类颜色点用作调制原色时是实现所要显示白点亮度所需的颜色点的亮度值。
图6A说明用作像素调制原色的沿像素230的光谱轨迹610的多个候选颜色点c的实例。在这一实施例中，借助于图6A中示出的实例，所要显示白点W选择为D65，其对应于6500°K显示白点温度。沿包含图6A中示出的示范性候选颜色点的像素230的光谱轨迹610的任何颜色点c的色度坐标(cx，cy)和亮度Lc由M-QPI成像器像素230的RGB发光层331R、RGB发光层331G以及RGB发光层331B的色度坐标(Rx，Ry)、(Gx，Gy)以及(Bx，By)和亮度(LR，LG，LB)确定，如由以下等式2-3、等式2-4以及等式2-5所表示：
颜色点c的亮度Lc＝αc LR+βc LG+γcLB 等式2-3
αc+βc+αc＝1
颜色点c的色度(x，y)坐标cx＝αc Rx+βc Gx+γcBx 等式2-4
cy＝αc Ry+βc Gy+γcBy
由R层贡献的颜色点c的亮度的分率
Figure GDA0002837314200000181
由G层贡献的颜色点c的亮度的分率
Figure GDA0002837314200000182
由B层贡献的颜色点c的亮度的分率
Figure GDA0002837314200000183
如较早所解释，M-QPI成像器200像素230的发光RGB层331R、发光RGB层331G以及发光RGB层331B的同步发射颜色比率(αc，βc，γc)分别在沿像素230的光谱轨迹的每一颜色点c处取决于像素230的注入电流电平ic或等效地(如较早所解释)其对应的驱动电压值vc。因此，以上等式2-5中的颜色点c索引的亮度值(LR，LG，LB)c意谓表示分别在对应于沿像素230的光谱轨迹610的颜色点c的驱动电压值vc下的M-QPI成像器200像素230的发光RGB层331R、发光RGB层331G以及发光RGB层331B的亮度(LR，LG，LB)。
典型地，与包括M-QPI成像器像素230的二极管类似的半导体发光异质结二极管的亮度与二极管结上的注入电流电平成正比，所述注入电流电平还通过二极管(i，v)等式与二极管电压驱动电平相关。
图6B说明与其驱动电压有关的M-QPI成像器像素230的亮度(或明度)。图6B的曲线620说明在其对应全占空比电压驱动电平vc下与沿M-QPI成像器像素230的光谱轨迹的一组示范性颜色点c相关联的如由等式2-3表示的亮度(或明度)Lc。
光谱色域RGB拐角处的M-QPI成像器像素230的对应亮度由分别在图6B的曲线620上的字母R、字母G以及字母B标记(指示)且利用沿M-QPI成像器像素230的光谱轨迹的颜色点c的中间的亮度表示。还如较早所解释，沿光谱轨迹610的M-QPI成像器像素230的发光的轨迹和由此沿图6A中说明的光谱轨迹610的色度与二极管结上的注入电流电平直接相关(或可由所述注入电流电平控制)，所述注入电流电平通过二极管(i，v)等式与二极管电压驱动电平相关。因此，如由图6A的曲线610和由图6B的曲线620说明，来自M-QPI成像器200像素230的发光除了具有与如由等式2-4表示的像素230的电压驱动电平vc有关的沿从R→G→B的像素230的光谱轨迹610改变的色度之外还具有如由等式2-3表示的沿像素230的光谱轨迹的与像素230的电压驱动电平vc成正比例增大的亮度。因此，当沿像素230的光谱轨迹610的任何适当地选择的一组颜色点c用作用于调制像素230的颜色和亮度的原色时，为了设置显示白点色度和亮度，与沿像素230的光谱轨迹610的颜色点c中的每一个相关联的时间多工比率τc＝Tmc/TF首先通过因子εc＝Lmax/Lc＝LB/Lc按比例调整，其相对于沿像素230的光谱轨迹610的最大亮度来归一化与颜色点c相关联的亮度。如图6B中所说明，这是与B原色点相关联的亮度，然后，相对于如由等式2-1所阐述的显示白点LW的所要亮度进一步按比例调整。
当所述点用作用于调制含有图6B的光谱轨迹610的色域的内部内的任一点的亮度和颜色的原色时，由图6B中的曲线630说明的所得时间多工比率τc＝Tmc/TF设置沿像素230的光谱轨迹610的对应颜色点c的最大亮度值。如图6B的曲线630上所标记(或指示)的对应于光谱色域RGB拐角的所得时间多工比率τR、τG和τB是用于产生用作目标白点以供显示的所要白点亮度的时间多工比率，所述所要白点亮度在由图6B中的曲线630说明的实例中选择为D-65。
除了使用用于产生目标显示白点亮度的对应于光谱色域RGB拐角的时间多工比率τR、τG和τB之外，沿像素230的光谱轨迹610的适当地选择的一组颜色点c的在图6B中的曲线630所说明的时间多工比率τc＝Tmc/TF还可用于产生目标显示白点亮度。在一个实施例中，用于选择用以产生目标显示白点亮度的沿像素230的光谱轨迹610的一组颜色点c的规则是选择光谱色域RGB拐角加上沿像素230的光谱轨迹610的颜色点c中的位于从所选光谱色域RGB拐角延伸到目标白点的交叉色域线与像素230的光谱轨迹610的相交点处的仅一个。举例来说，如图6A中所参考，蓝色(B)色域拐角与位于从蓝色(B)色域拐角延伸到目标显示白点W的图6A中的线640的相交点处的颜色点Y一起可在图6B的曲线630上所指示的其对应时间多工比率τc＝Tmc/TF下用于产生目标显示白点亮度。
在另一实施例中，用于选择用以产生目标显示白点亮度的沿像素230的光谱轨迹610的一组颜色点c的规则是选择沿像素230的光谱轨迹610的位于含有目标显示白点的任何色域和弦与像素230的光谱轨迹610的相交点处的任何颜色点对(c1，c2)。举例来说，如图6A中所参考，其中穿过目标显示白点W的色域和弦与像素230的光谱轨迹610相交的沿像素230的光谱轨迹610的两个颜色点对(c1，c2)可在由图6B的曲线630界定的其对应时间多工比率τc＝Tmc/TF下用于产生目标显示白点亮度。
应注意，在其中色域RGB拐角用于合成所需亮度下的目标显示白点W的实施例中，三个像素的驱动电压电平需要在如由图6B的曲线630界定的多工比率τR，τG和τB下进行时间上多工，而在后两个实施例中，仅两个像素的驱动电压电平需要在其对应多工比率τc下进行时间上多工以便合成所需亮度下的目标显示白点W。
显示颜色点调制
当由M-QPI成像器像素230调制的颜色(或色度)位于沿像素230的光谱轨迹610的任一点处时，所述颜色可通过选择用以驱动像素230的其对应的电压电平进行调制。待调制以用于所述M-QPI成像器像素230的所需亮度通过相对于由图6B的曲线630界定的颜色点的目标白点时间多工比率τc＝Tmc/TF按比例调整对应时间多工比率来进行调制。举例来说，如果所述颜色点处的全亮度需要通过M-QPI成像器像素230进行调制，那么由图6B的曲线630界定的其对应白点时间多工比率τc＝Tmc/TF的全值用于调制M-QPI成像器像素230的亮度。类似地，如果所述颜色点处的例如0.75、0.5或0.25亮度需要通过M-QPI成像器像素230进行调制，那么由图6B的曲线630界定的其对应白点时间多工比率τc＝Tmc/TF分别通过0.75、0.5或0.25的因子按比例调整以调制M-QPI成像器像素230的亮度。
当待由M-QPI成像器像素230调制的颜色(或色度)位于像素230的光谱轨迹610的内部色域内的任一点P处时，颜色可通过在其对应时间多工比率(τR，τG，τB)下选择光谱色域RGB拐角的像素230的驱动电压电平(vR，vG，vB)进行调制，如图6B中所说明，其中这些时间多工比率通过待调制的像素颜色P相对于如图6C中所说明的像素230的光谱色域RGB拐角的色度坐标的归一化色度距离而进行按比例调整。
待调制以用于M-QPI成像器像素230的所需亮度在这种情况下通过由待调制的亮度值相对于用于目标白点的对应亮度值的比率进一步按比例调整光谱色域RGB拐角的所得时间多工比率来进行调制。举例来说，如果颜色点P处的全亮度需要由M-QPI成像器像素230调制，那么光谱色域RGB拐角的所得时间多工比率的全值用于调制所调制色度下的M-QPI成像器像素230的亮度。类似地，如果所调制色度下的例如0.75、0.5或0.25亮度需要由M-QPI成像器像素230调制，那么光谱色域RGB拐角的所得时间多工比率的全值分别进一步由0.75、0.5或0.25的因子按比例调整，以调制所调制色度下的M-QPI成像器像素230的亮度。
在用于调制位于像素230的光谱轨迹610的内部色域内的任一点P处的M-QPI成像器像素230的颜色(或色度)的替代实施例中，颜色可通过选择对应于在如图6B中所说明的颜色点对(c1，c2)对应时间多工比率(τc1，τc2)下沿与色域和弦650的像素230的光谱轨迹610相交点的在图6D中说明的颜色点对(c1，c2)的像素230的驱动电压水平(vc1，vc2)进行调制，其中时间多工比率通过待调制的像素颜色P相对于如图6D中所说明的两个颜色点(c1，c2)的色度坐标的归一化色度距离来按比例调整。待调制以用于M-QPI成像器像素230的所需亮度在这一情况下通过由待调制的亮度值相对于由图6B的曲线630说明的目标白点的其对应亮度值的比率进一步按比例调整两个颜色点(c1，c2)的所得时间多工比率进行调制。
举例来说，如果颜色点P处的全亮度需要由M-QPI成像器像素230调制，那么两个颜色点(c1，c2)的所得时间多工比率的全值用于调制所调制色度下的M-QPI成像器像素230的亮度。类似地，如果所调制色度下的例如0.75、0.5或0.25亮度需要由M-QPI成像器像素230调制，那么两个颜色点(c1，c2)的所得时间多工比率的全值分别进一步由0.75、0.5或0.25的因子按比例调整，以调制所调制色度下的M-QPI成像器像素230的亮度。
在用于调制位于像素230的光谱轨迹610的内部色域内的任一点P处的M-QPI成像器像素230的颜色(或色度)的替代实施例中，所述颜色可通过选择对应于在如图6B中所说明的颜色点对(c′1，c′2)对应时间多工比率
Figure GDA0002837314200000201
下沿与色域最小宽度和弦655的像素230的光谱轨迹610相交点的在图6E中说明的颜色点对(c′1，c′2)的像素230的驱动电压水平
Figure GDA0002837314200000202
进行调制，其中这些时间多工比率各自通过待调制的像素颜色P相对于如图6D中所说明的两个颜色点(c′1，c′2)的色度坐标的归一化色度距离来按比例调整。
待调制以用于M-QPI成像器像素230的所需亮度在这一情况下通过由待调制的亮度值相对于由图6B的曲线630说明的目标白点的其对应亮度值的比率进一步按比例调整两个颜色点(c′1，c′2)的所得时间多工比率进行调制。举例来说，如果颜色点P处的全亮度需要由M-QPI成像器像素230调制，那么颜色点对(c′1，c′2)的所得时间多工比率的全值用于调制所调制色度下的M-QPI成像器像素230的亮度。类似地，如果所调制色度下的例如0.75、0.5或0.25亮度需要由M-QPI成像器像素230调制，那么颜色点对(c′1，c′2)的所得时间多工比率的全值分别进一步由0.75、0.5或0.25的因子按比例调整，以调制所调制色度下的M-QPI成像器像素230的亮度。
应注意，在其中色域RGB拐角用于调制所需亮度下的显示点P的实施例中，三个像素的驱动电压电平需要在如由图6B的曲线630界定的多工比率τR，τG和τB下进行时间上多工，而在后两个实施例中，仅两个像素的驱动电压电平需要在其对应多工比率τc下进行时间上多工以便调制所需亮度下的显示点P。
在其中由最小宽度色域和弦655与像素230的光谱轨迹610的相交点界定的所述对颜色点(c′1，c′2)用于调制所需亮度下的显示点P的实施例中，最小宽度色域和弦655的位置独特地界定(即，识别)颜色点(c′1，c′2)的色度坐标。因此，在指定显示点P的色度中，仅指定含有显示点P的色域610内的最小宽度色域和弦655的位置和相对于和弦宽度归一化的显示点P到和弦末端颜色点(c′1，c′2)的色度距离是足够的。
归一化的和弦色度距离指定色域和弦宽度内的显示点P相对于颜色点对(c′1，c′2)的位置，而色域610内的最小宽度色域和弦655的位置识别颜色点对(c′1，c′2)。由此其对应像素230的驱动电压水平
Figure GDA0002837314200000212
以及其对应时间多工比率
Figure GDA0002837314200000211
在由归一化的和弦色度距离按比例调整时产生显示点P的所指定色度。显示点P的指定亮度通过由待调制的亮度值相对于由图6B的曲线630说明的目标白点的其对应亮度值的比率进一步按比例调整所得时间多工比率
Figure GDA0002837314200000213
进行调制。
输入数据转换
在前一实施例中，显示颜色点P的颜色和亮度的调制需要两个色度相关值和亮度相关值的规范。第一色度值是最小宽度和弦655内的颜色点P的位置，而第二色度值是像素230的色域610内的最小宽度色域和弦655的位置。亮度相关值指定相对于显示白点W的亮度的显示点P的亮度。举例来说，这些色度相关值和亮度相关值从显示输入数据提取，所述显示输入数据通常还在两个色度坐标值(x，y)和亮度Y方面如在CIExyY颜色空间标准的情况下指定用于显示颜色点P。像素230的色域610内的最小宽度色域和弦655的位置在其位置方面相对于从色域的R到B顶点延伸到色域的G顶点的主色域和弦的色度距离而指定。
替代地，显示颜色点P的色度坐标可相对于两个轴界定；一个轴是从色域的R到B顶点延伸的主色域和弦，而第二个轴是从色域的G顶点延伸且穿过显示白点W以与主色域和弦轴相交的线。可以是CIExyY颜色空间或RGB标准的输入数据格式的变换例如是通过颜色空间转换操作(图4C的处理块461)，所述颜色空间转换操作基于设定变换矩阵将输入数据变换到这一实施例的颜色空间中的一个。
色域控制
M-QPI成像器像素230的显示色域可进行调整以匹配标准显示色域，如NTSC或HDTV色域，或动态地调整以适应视频帧输入的显示色域(美国专利第8,098,265号和第9,524,682号)。在任一情况下，额外时隙添加到显示像素230的调制帧，所述调制帧专用于调制指定时间多工比率下的显示白点W。白点W的时间多工将颜色点c的色度沿正朝向白点W调制的像素230的光谱轨迹610移位等于所添加白点W的时间多工比率的比率。
添加所需比率下的显示白点W通过在适当的时间多工比率下调制颜色点c的互逆色域颜色点c′而实现。这执行以使得色域颜色点c′的添加比率结合颜色点c的时间多工比率的一部分产生将颜色点c的色度朝向白点W移位所需量所需的白点W的比率。这转而使得每一颜色点调制周期包括光谱色域颜色点c与其互逆色域颜色点c′的给定时间混合比率且使得所调制颜色点c能够朝向白点W调整与两个颜色点(c，c′)的时间混合比率成比例的量。
这种颜色调制方法需要用于像素230的像素230的(vc，vc′)的两个对应电压驱动电平，使得能够将沿像素230的光谱轨迹610的颜色点c的色度的调整朝向白点W调制与像素230的两个对应电压驱动电平(vc，vc′)的时间多工比率成正比的比率。这种色度调整方法实现由像素230的光谱轨迹610界定的色域的调整以匹配标准显示色域，例如NTSC或HDTV色域。类似地，使用这种色度调整方法允许在逐视频帧基础上动态地调整由像素230的光谱轨迹610界定的色域以匹配输入视频帧色域。后一种方法引起显示亮度的增大以及使用利用较短字长的压缩输入视频格式来表示所调制显示像素230的色度值的能力。
应注意，例如在前述实施例的描述中概述的用于控制颜色可调半导体发光二极管结构(如300)的颜色和亮度的方法适用于任何颜色可调半导体发光二极管结构，其中从发光二极管结构发射的光的颜色随其注入电流而变。
此类颜色可调半导体发光二极管结构将通常并入有多个(至少两个)有源子区，由此到每一此类有源子区中的载流子注入随载流子注入水平而变，使得从颜色可调半导体发光二极管结构发射的光的光通量和色度是从结构的有源子区中的每一个发射的光的分别光通量和色度的注入电流相依加权和。
在前述详细描述中，本公开己参考其特定实施例加以描述。然而，显而易见的是，在不脱离本公开的较宽广的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和改变。因此，应在说明性意义上而非限制性意义上看待设计细节和附图。所属领域的技术人员将认识到，本公开的部分可与上文关于实施例所描述的实施方案不同地实施。
举例来说，所属领域的技术人员将了解，本公开的M-QPI成像器200像素230可在以下许多变化形式的情况下实施：包括光子半导体结构210的有源子区层330的数目、多层颜色可调发光二极管结构300的具体设计细节、像素230的具体设计细节、M-QPI成像器200的半导体制造程序的具体细节以及用于将图像数据输入耦合到M-QPI成像器200所需的数字控制和处理的具体设计细节。所属领域的技术人员将进一步认识到，可在不脱离本公开的基础原理和教示的情况下对本公开的前述实施例的细节作出许多改变。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求确定。

Claims (10)

1.一种固态成像器，包括：
数字可寻址多色像素的阵列，其中每一像素结构包括发射单片颜色可调半导体发光二极管或结构，所述发射单片颜色可调半导体发光二极管或结构包括单一个光子层，
其中所述像素的相应颜色和亮度值通过控制电荷载流子注入驱动电流电平和/或相应的所述颜色可调半导体发光二极管或结构的开/关占空比进行调制，
其中每一像素可个别寻址以使得所述像素能够在用户定义的用于所发射颜色的亮度或预定开/关占空比下发射与其相应单片颜色可调半导体发光二极管或结构相关联的一组用户定义的颜色，
其中所述像素二极管或结构中的每一个包括独特可寻址电触点和共同金属触点，其中所述共同金属触点在所有或多个所述像素阵列当中共享。
2.根据权利要求1所述的固态成像器，其中每一像素结构包括微光学腔，所述微光学腔包括所述像素的单片颜色可调半导体发光二极管或结构，
其中由所述像素产生的光垂直地发射到所述固态成像器的平面，
其中由所述像素产生的光经由多个竖直波导垂直地发射到所述成像器的平面，所述竖直波导配置成提取从所述像素产生的所述光且使所述光准直，
其中所述像素结构进一步包括像素级微光学元件，所述像素级微光学元件配置成进一步使从所述像素发射的所述光准直且定向地调制所述光。
3.根据权利要求2所述的固态成像器，其中所述像素的单片颜色可调发光二极管或结构由包括绝缘半导体材料和反射性金属包层的侧壁以光学和电气方式分离，
其中所述像素的金属触点是反射性的且与所述像素的反射侧壁一起界定所述像素的光学微空腔，
其中所述像素的侧壁反射性金属包层用作将驱动电流路由到所述像素的单片颜色可调发光二极管或结构的电互连件。
4.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述成像器电耦合到路由和产生电信号的控制驱动逻辑电路，所述电信号独立地控制所述像素的单片颜色可调半导体发光二极管或结构的发光，
其中所述控制驱动逻辑电路包括多个控制驱动逻辑，所述控制驱动逻辑界定接合到根据权利要求1所述的像素的所述阵列的控制驱动逻辑阵列，
其中所述像素阵列和其相关联的控制驱动逻辑阵列均在所述固态成像器的光学光圈边缘内，
其中所述成像器的控制驱动逻辑电路外部电气接口在所述控制驱动逻辑电路的背侧处形成为硅穿孔。
5.根据权利要求2所述的固态成像器，其中所述数字可寻址多色像素的所述阵列中的每一像素配置成从所述像素的顶部表面直接发射朗伯(Lambertian)光，或从所述多个波导中的相应者发射准朗伯光，
由此所述每一像素具有根据所述像素的发射光圈上的多个波导深度、直径和图案而选择的一组准朗伯发光参数，
由此选择所述像素的发射光圈上的所述多个波导深度、直径和图案以使来自所述像素发射的所述光准直。
6.根据权利要求1所述的固态成像器，进一步包括配置成进一步使来自所述像素的发光准直或定向地调制来自所述像素的发光的光圈微光学元件或透镜，
其中选择所述像素光圈微光学元件或透镜方向调制以进一步将所述像素的阵列发光配置成远心或非远心发光图案。
7.根据权利要求1所述的固态成像器，进一步包括光子发光半导体结构和数字半导体结构，所述光子发光半导体结构包括多个发射颜色可调半导体发光微像素，所述数字半导体结构包括数字驱动逻辑电路，所述数字驱动逻辑电路配置成将功率和控制信号提供到所述光子半导体结构的所述多个微像素，其中所述数字半导体结构包括将电驱动信号耦合到所述像素阵列的个别像素的顶侧接触层和将外部电驱动信号耦合到所述固态成像器中的背侧接触层。
8.根据权利要求7所述的固态成像器，其中所述光子发光半导体层和所述数字半导体结构由接合层接合在一起，且所述成像器的发射顶部侧由接合到所述成像器的透明覆盖层囊封。
9.根据权利要求7所述的固态成像器，其中所述光子发光半导体层具有大体上等于所述数字半导体结构的表面面积的表面面积，且包括安置于所述固态成像器的背表面上的微球栅阵列以将外部电信号耦合到所述成像器中。
10.根据权利要求9所述的固态成像器，其中所述光子发光半导体层具有大体上等于所述数字半导体结构的表面面积的表面面积，且包括硅穿孔的阵列以将来自所述微球栅阵列的成像器外部电驱动信号耦合到数字半导体结构硅穿孔阵列。
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