KR20150061662A - 양자 포토닉 이미저 및 그 제조방법 - Google Patents

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로버트 쥐 더블유 브라운
데일 에이 맥닐
휘버트 덴버
앤드류 제이 란존
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오스텐도 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

디지털 어드레서블 멀티컬러 픽셀의 공간적 어레이를 포함하는 방출 양자 포토닉 이미저. 각각의 픽셀은 다중 반도체 레이저 다이오드의 수직 스택이며, 그 각각은 상이한 컬러의 레이저 광을 생성할 수 있다. 각각의 멀티컬러 픽셀 내에, 다이오드의 스택으로부터 생성된 광이 이미저 장치에 포함되는 다중 레이저 다이오드 각각의 광학적 감금 영역에 결합되는 복수의 수직 도파관을 통하여 이미저 장치의 평면에 대하여 수직으로 방출된다. 단일 픽셀에 포함되는 레이저 다이오드 각각은 개별적으로 어드레서블하여, 각각의 픽셀이 각각의 색에 대하여 임의의 요구되는 온/오프 듀티 사이클에서 레이저 다이오드에 관련된 컬러의 임의의 조합을 동시에 방출할 수 있게 된다. 각각의 개별적인 멀티컬러 픽셀은 그들 각각의 레이저 다이오드의 온/오프 듀티 사이클을 제어함으로써 요구되는 컬러 및 휘도 값을 동시에 방출할 수 있다.

Description

양자 포토닉 이미저 및 그 제조방법{QUANTUM PHOTONIC IMAGERS AND METHODS OF FABRICATION THEREOF}
본 출원은 2007년 9월 27일에 출원된 미국 가출원 제60/975,772호의 이익을 청구한다.
본 발명은 디지털 프로젝션 시스템(digital projection systems)에서 이미지 소스(image source)로 이용될 수 있는 멀티컬러 레이저 이미터(multicolor laser emitters)의 모노리식 반도체 어레이(monolithic semiconductor arrays)를 포함하는 방출이미저 장치(emissive imager device)에 관한 것이다.
디지털 디스플레이 기술의 출현은 디지털 디스플레이에 대한 경이로운 요구를 야기하고 있다. 몇몇 디스플레이 기술들은 이러한 요구를 다루기 위한 태세를 갖추고 있으며, 이는 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 및 마이크로 미러(micro-mirror), 실리콘 액정(liquid crystal on silicon, LCOS) 장치 또는 고온 폴리실리콘(high temperature poly-silicon, HTPS) 장치를 이용하는 이미저 기반 프로젝션 디스플레이(imager based projection displays)를 포함한다(선행기술문헌 33). 본 발명의 기술분야에서 특히 관심 대상은 이미지 형성 장치(image forming device)로, 전술한 바와 같은 이미저 장치(imager device)를 이용하는 프로젝션 기반 디스플레이(projection based displays)이다. 이러한 형태의 디스플레이는 PDP 및 LCD 디스플레이로부터 강한 경쟁에 직면하고 있으며, 비용을 현저하게 절감하면서 성능을 향상시키기 위한 효과적인 수단에 대한 중요한 요구가 있다. 이러한 형태의 디스플레이의 주요 성능 및 비용 구동자(driver)는 마이크로-미러, LCOS 및 HTPS 장치와 같은 이용된 이미저이다. 수동형 이미저(passive imager)이므로, 그러한 장치는 복합 조명 광학 장치(조명 광학 장치)를 필요로 하며, 생성된 빛의 상당 부분을 소비하게 되어, 디스플레이 시스템의 성능을 저하시키고, 비용을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 이미지 소스(image source)로 이용될 수 있는 멀티컬러 레이저 이미터의 어레이를 포함하는 방출 이미저 장치(emissive imager device)를 디지털 프로젝션 시스템에 도입함으로써, 그러한 이미저 장치의 단점을 극복하는 것이다.
도 1a 및 1b는 각각 마이크로-미러 또는 LCOS 이미저 장치를 포함하는 반사 이미저(reflective imager)를 이용하는 것(도 1a), 및 HTPS 이미저 장치와 같은 투과 이미저(transmissive imager)를 이용하는 것(도 1b)과 같은 수동형 이미저(passive imager)를 이용하는 프로젝션 디스플레이 시스템(projection display system)에 이용되는 전형적인 프로젝터 아키텍처(100)의 블록 다이어그램이다. 일반적으로, 도 1a의 전형적인 프로젝션 디스플레이 시스템의 프로젝터(100)는 이미저(120)의 표면 상에 광원(130)에 의하여 생성된 빛과 결합하는 조명 광학 장치(120)에 의하여 조명되는 이미저(110)로 구성된다. 광원(130)은 백색광을 생성하는 램프, 또는 적색(R) 광, 녹색(G) 광 또는 청색(B) 광을 생성할 수 있는 발광 다이오드 (LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode)와 같은 반도체 광원의 어느 하나일 수 있다.
도 1a에 나타낸 반사 이미저를 이용하는 프로젝터(100)의 경우, 램프가 광원으로 이용될 때, 원하는 컬러를 조절하기 위하여, 컬러 휠 통합 R, G 및 B 필터(color wheel incorporating R, G and B filters)가 조명 광학 장치와 이미저 사이에 부가된다. 반도체 광원이 반사 이미저와 결합되어 이용되는 경우, 컬러는 R, G 또는 B의 어느 하나인 원하는 컬러를 갖는 반도체 광원 장치를 켬으로써 변조된다(modulated).
도 1b에 나타낸 투과 이미저를 이용하는 프로젝터(100)의 경우, 램프가 광원으로 이용될 때, 조명 광학 장치(120)는 램프에 의하여 생성된 백색광을, 3개의 HTPS 이미저 장치의 후면을 조명하는 R, G 및 B 광 패치(light patches)로 분리하는 광학 수단을 포함하며, 다이크로익 프리즘 어셈블리(dichroic prisms assembly)가 변조된 R, G 및 B 광을 결합하기 위하여 부가되며, 이를 프로젝션 광학 장치(140)에 결합한다.
프로젝션 광학 장치(140)는 이미저(110)의 표면에 광학적으로 결합되고, 구동 전자 장치(150)는 이미저(110)에 전기적으로 결합된다. 광학 엔진은 이미저(110)를 이용하여 광원(130)에 의하여 생성된 광의 세기(intensity)를 변조함으로써 투영되어야 하는 이미지를 생성하며, 픽셀 그레이스케일 입력(pixel grayscale input)은 구동 전자 장치(150)에 이미지 데이터로 제공된다. 마이크로-미러 또는 LCOS 이미저 장치와 같은 반사 이미저가 이용되는 경우(도 1a), 구동 전자 장치는 픽셀 그레이스케일 데이터를 이미저(110)에 제공하고, 그 동작(operation)을, 백색광 램프가 광원으로 이용된 경우 컬러 휠의 R, G 및 B 단편(segment)의 순차적 순서와, 또는 R, G 또는 B 반도체 광원이 켜지는 순차적 순서와 동기화(synchronize)한다. HTPS 이미저 장치와 같은 투과 이미저가 이용되는 경우, 구동 전자 장치는 픽셀 그레이스케일 데이터를 이미저(110)에 제공하고, 각각의 픽셀에 대하여 원하는 컬러 세기(color intensity)를 변조하기 위하여, R, G 및 B HTPS 이미저 장치 각각의 동작을 동기화한다.
전형적으로, 이미저(110) 표면에 대한 광의 결합과 관련된 손실은 장치 반사율(reflectivity) 또는 투과율(transmissivity) 값과 같은 이미저(110) 자체와 관련된 본질적인 손실, 이에 더하여 광원(130)으로부터 광을 수집하는 것, 이를 이미저(110)의 표면으로 필터링(filtering) 및 릴레이(relaying)하는 것과 관련된 손실을 포함하기 때문에 심각하다. 집합적으로, 이러한 손실은 합계가 거의 90%가 되고, 이는 광원(130)에 의하여 생성된 광의 거의 90%가 손실되는 것을 의미한다.
또한, 마이크로-미러 또는 LCOS 이미저 장치와 같은 반사 이미저(110)가 이용되는 경우, 반사 픽셀의 공간적 어레이(spatial array)로 구성된 이미저(110)는 특정 컬러가 조명될 때의 시간 동안 각각의 개별적인 픽셀의 반사 온/오프 상태(reflective on/off state)를 변화시킴으로써, 그의 픽셀화된 반사 표면에 결합된 광의 각각의 컬러를 순차적으로 변조한다. 실제로, 전형적인 선행기술의 반사 이미저는 그의 픽셀화된 반사 표면에 결합된 광의 세기만을 변조시킬 수 있으며, 광원(130)에 의하여 생성된 광속(luminous flux)을 이용하는데 있어서 매우 큰 비효율성을 야기하는 제한은 생성된 이미지 상에 아티팩트(artifacts)fmf 도입하고, 전체 디스플레이 시스템에 복잡성과 비용을 부가하고, 광원(130)에 의하여 생성된 광을 이용하는데 있어서 다른 근원의 비효율성을 도입하게 된다. 또한, 반사 및 투과 이미저 모두 광이 오프-상태(off-state) 픽셀 상에 누출되도록 야기하는 "광자 누출(photonic leakage)"로 알려진 효과를 겪게 되며, 이는 이러한 형태의 이미저에 의하여 얻어질 수 있는 콘트라스트(contrast) 및 흑 레벨(black levels)을 심각하게 제한한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 목적은 디지털 프로젝션 시스템에서 이미지 소스로 이용될 수 있는 멀티컬러 레이저 이미터의 어레이를 포함하는 방출 이미저 장치(emissive imager device)를 도입함으로써 선행기술의 이미저의 단점을 극복하는 것이다. 반도체 레이저 다이오드가 최근 마이크로-미러 이미저 장치와 같은 반사 이미저(110)를 조명하기 위하여 도 1a의 프로젝터(100)에 이용되는 대안적인 광원(130)(선행기술문헌 1 내지 4)으로 되었으나, 광원으로서의 반도체 레이저 다이오드의 이용은 전술한 바와 같은 선행기술 이미저의 어떠한 단점을 극복하는데 도움을 주지 못한다. 또한 프로젝션 픽셀을 생성하기 위하여 주사 레이저 라이트 빔(scanned laser light beam)을 이용하는 프로젝션 디스플레이를 기재하고 있는 다수의 선행기술이 존재한다(선행기술문헌 5 및 6).
선행기술 7은 각각 유기 발광 다이오드(organic 발광 diode, OLED)에 의하여 펌프되는 유기 수직 캐비티 레이저(organic vertical cavity laser)인, 개별적 어드레서블 레이저 픽셀(individually addressable laser pixels)의 2차원 어레이(two dimensional array)를 포함하는 레이저 이미지 프로젝터를 기재한다. 선행기술문헌 7에 기재된 레이저 이미지 프로젝터의 픽셀 휘도(brightness)는 OLED 기반 광원인 펌핑 광원(pumping light source)에 의하여 제공되는 것의 일부 부분일 것이며, 충분한 양의 광을 제공하지 않을 것이며, 이는 선행기술문헌 7의 레이저 프로젝터에 의하여 생성되는 휘도를 대부분의 프로젝션 디스플레이 어플리케이션에 실용적으로 이용되기에 충분하지 않도록 만든다.
레이저 어레이를 기재하는 다수의 선행기술문헌이 존재하지만(선행기술문헌 8 내지 30), 이미저 장치에서 픽셀로서 멀티컬러 레이저 이미터의 이용을 교시하는 선행기술은 발견되지 않았다. 하기 상세한 설명에서 명백해지는 것과 같이, 본 발명은 레이저 방출 반도체 구조(laser emitting semiconductor structures)의 모노리식 적층 스택(monolithic layered stack)을 광학적으로 및 전기적으로 분리함으로써 형성되는 멀티컬러 레이저 픽셀의 개별적 어드레서블 어레이(separately addressable array)에 관한 것이다. 광학적으로 및 전기적으로 분리된(고립된) 반도체 레이저 이미터 어레이에 관하여, 선행기술문헌 10은 발광 영역 사이의 물질을 제거함으로써, 또는 반도체 구조의 광 이미터 사이의 영역을 패시베이팅(passivating)함으로써 형성된 발광 영역 사이의 고립 영역(즉, 물리적 장벽)을 갖는 단일 파장 레이저 반도체 구조를 형성하는 방법을 교시한다. 그러나, 선행기술문헌 10에 기재된 방법은 700 내지 800 ㎚의 파장 범위 내의 개별적 어드레서블 단일 파장 레이저 이미터의 일-차원 선형 어레이를 생성하는데만 이용될 수 있다.
개별적 어드레서블 멀티컬러 레이저 이미터의 어레이를 생성하는 것에 관하여, 선행기술문헌 21은 적색 및 청색 레이저 구조의 에지 방출 어레이(edge emitting array)를 기재한다.
선행기술문헌 21이 멀티컬러 레이저 구조를 다루지만, 이는 에지 방출 레이저 구조의 2-컬러 일-차원 선형 어레이(two-color one-dimensional linear array)에만 관련된다.
선행기술문헌 22는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) 다이오드의 어레이를 이용하는 디스플레이 시스템을 기재하나, 선행기술문헌 22에 기재된 VCSEL 다이오드의 고유 크기 때문에, 기재된 접근은, 픽셀 어레이를 형성하기 위하여 동일 평면에 나란히 정렬된 상기 시스템이 사용하는 VCSEL 다이오드의 다중 컬러의 고유 크기 때문에, 실질적으로 큰 픽셀 크기를 생성하는 경향이 있으며, 이는 상기 시스템을 이미저 장치에 이용할 수 없게 만든다.
현재 이용가능한 이미저 장치의 전술한 단점들을 고려할 때, 그러한 단점들을 극복하는 이미저는 중요한 상업적 가치를 갖는 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 디지털 프로젝션 시스템에서 이미지 소스로 이용될 수 있는 멀티컬러 레이저 이미터(multicolor laser emitter)의 모노리식 반도체 2-차원 어레이(monolithic semiconductor 2-dimensional array)를 포함하는 방출 이미저 장치(emissive imager device)를 제공하는 것이다. 본 발명의 부가적인 목적 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 그 바람직한 실시예의 하기 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
미국특허문헌
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(특허문헌 2) 2: 미국특허출원 제2004/0008392 A1호, Kappel et al, 2004년 1월 15일
(특허문헌 3) 3: 미국특허출원 제2006/0268241 A1호, Watson et al, 2006년 11월 30일
(특허문헌 4) 4: 미국특허출원 제2006/0023173 A1호, Mooradian et al, 2006년 2월 2일
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(특허문헌 6) 6: 미국특허 제6,853,490 B2호, Wang et al, 2005년 3월 8일
(특허문헌 7) 7: 미국특허 제6,939,012 B2호, Cok et al, 2005년 9월 6일
(특허문헌 8) 8: 미국특허 제7,177,335 B2호, Kamp et al, 2007년 2월 13일
(특허문헌 9) 9: 미국특허 제7,122,843 B2호, Kahen et al, 2006년 10월 17일
(특허문헌 10) 10: 미국특허 제7,120,182 B2호, Chua et al, 2006년 10월 10일
(특허문헌 11) 11: 미국특허 제7,092,424 B2호, Trezza et al, 2006년 8월 15일
(특허문헌 12) 12: 미국특허 제6,934,309 B2호, Nishikawa et al, 2005년 8월 23일
(특허문헌 13) 13: 미국특허 제6,853,490 B2호, Wang et al, 2005년 2월 8일
(특허문헌 14) 14: 미국특허 제6,744,800 B2호, Kneissl et al, 2004년 6월 1일
(특허문헌 15) 15: 미국특허 제6,741 ,625 B2호, Hirata et al, 2004년 5월 25일
(특허문헌 16) 16: 미국특허 제6,668,003 B2호, Ungar et al, 2003년 12월 23일
(특허문헌 17) 17: 미국특허 제6,633,421 B2호, Trezza et al, 2003년 10월 14일
(특허문헌 18) 18: 미국특허 제6,233,265 B1호, Bour et al, 2001년 5월 15일
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(특허문헌 20) 20: 미국특허 제6,144,685호, Iwasa et al, 2000년 11월 7일
(특허문헌 21) 21: 미국특허 제5,920,766호, Floyd, 1999년 7월 6일
(특허문헌 22) 22: 미국특허 제5,583,351호, Brown et al, 1996년 12월 10일
(특허문헌 23) 23: 미국특허 제5,809,052호, Seko et al, 1998년 9월 15일
(특허문헌 24) 24: 미국특허 제5,715,264호, Patel et al, 1998년 2월 3일
(특허문헌 25) 25: 미국특허 제5,708,674호, Beernink et al, 1998년 1월 13일
(특허문헌 26) 26: 미국특허 제5,386,428호, Thornton et al, 1995년 1월 31일
(특허문헌 27) 27: 미국특허 제5,323,411호, Shirasoka et al, 1994년 6월 21일
(특허문헌 28) 28: 미국특허 제4,976,539호, Carlson et al, 1990년 12월 11일
(특허문헌 29) 29: 미국특허 제4,947,401호, Hinata et al, 1990년 8월 7일
(특허문헌 30) 30: 미국특허 제4,817,104호, Yaneya et al, 1989년 3월 28일
(특허문헌 31) 31: 미국특허 제4,799,229호, Miyazawa et al, 1989년 6월 17일
(특허문헌 32) 32: 미국특허 제4,794,609호, Hara et al, 1988년 12월 27일
(특허문헌 33) 33: 미국특허 제4,744,088호, Heinen et al, 1988년 5월 10
비특허문헌
(비특허문헌 1)34: J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, 1996, Chapter 7, pp. 172-214
(비특허문헌 2)35: Jansen et al, "Visible Laser and Laser Array Sources for Projection Displays", Proc. of SPIE Vol. 6135, 2006
(비특허문헌 3)36: Poynton, Charles, "Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces", San Francisco: Morgan Kaufmann, 2003. pp. 252-253
(비특허문헌 4)37: Chow et al, "Semiconductor-Laser Physics", Springer 1997
(비특허문헌 5)38: Robert W. Boyd, "Nonlinear Optics - Second Edition", Academic Press 2003
(비특허문헌 6)39: M. Elexe et al, "Wafer Bonding: Application and Technology", Springer 2004
(비특허문헌 7)40: A. Thelen, "Design of Optical Interface Coatings", McGraw-Hill, Chapter 2, pp. 5-24
(비특허문헌 8)41: M. Born et al, "Principles of Optics", Cambridge University Press , Chapter 8, pp. 439-443
본 발명은 첨부된 도면의 그림에서 제한이 아닌 예로 설명되며, 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 및 1b는 종래기술 이미저의 프로젝션 디스플레이 아키텍처 관계를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 등측도(isometric view)를 나타낸다.
도 2b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 방출 표면에 포함되는 멀티컬러 픽셀의 등측도를 나타낸다.
도 2c는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 상면도를 나타낸다.
도 2d는 본 발명의 다른 양자 포토닉 이미저 장치의 등측도를 나타낸다.
도 3은 멀티컬러 픽셀 레이저 스택의 횡단면도를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 적색 레이저 다이오드 구조의 상세 횡단면도를 나타낸다.
도 4b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 녹색 레이저 다이오드 구조의 상세 횡단면도를 나타낸다.
도 4c는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 청색 레이저 다이오드 구조의 상세 횡단면도를 나타낸다.
도 4d는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 다른 적색 레이저 다이오드 구조의 상세 횡단면도를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 적색 레이저 다이오드 구조의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 5b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 녹색 레이저 다이오드 구조의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 5c는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 청색 레이저 다이오드 구조의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 6a는 멀티컬러 픽셀 측벽의 수평 횡단면도를 나타낸다.
도 6b는 멀티컬러 픽셀 측벽의 수직 횡단면도를 나타낸다.
도 6c는 멀티컬러 픽셀 측벽 콘택 바이어스 레이아웃(contact vias layout)을 나타낸다.
도 7은 멀티컬러 픽셀 콘택 패드 레이아웃(contact pad layout)을 나타낸다.
도 8a은 멀티컬러 픽셀 출력 도파관(output waveguide)의 수직 횡단면도를 나타낸다.
도 8b는 멀티컬러 픽셀 출력 도파관의 수평 횡단면도를 나타낸다.
도 9a는 본 발명의 멀티컬러 레이저 이미저에 의하여 방출된 광의 세기 프로파일(intensity profile)을 나타낸다.
도 9b는 본 발명의 멀티컬러 레이저 이미저의 수직 도파관(vertical waveguides)이 정렬될 수 있는 패턴의 다중성(multiplicity)을 나타낸다.
도 10a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 디지털 반도체 구조의 수직 횡단면도를 나타낸다.
도 10b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 포토닉 및 디지털 반도체 구조를 인터페이스하는 콘택 금속층의 레이아웃을 나타낸다.
도 10c는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치 내에서 전력 신호(power signal)를 위하여 이용되는 금속층의 레이아웃을 나타낸다.
도 10d는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치 내에 로드(load) 및 이네이블(enable) 신호를 보내는데 이용되는 금속층의 레이아웃을 나타낸다.
도 10e은 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치 내에 데이터(data) 및 컨트롤(control) 신호를 보내는데 이용되는 금속층의 레이아웃을 나타낸다.
도 11a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 디지털 컨트롤 로직(digital control logic)을 나타낸다.
도 11b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치에 포함되는 각각의 픽셀과 관련된 디지털 로직 셀(digital logic cell)을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치를 제조하기 위하여 이용되는 반도체 공정 흐름도를 나타낸다.
도 13은 디지털 이미지 소스로 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치를 이용하는 예시적인 프로젝터의 횡단면도를 나타낸다.
도 14a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 색역(color gamut)을 나타낸다.
도 14b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치를 이용하는 예시적인 픽셀의 합성을 나타낸다.
도 15a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치의 이미지 데이터 프로세서 컴패니언 장치(image data processor companion device)의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 15b는 양자 포토닉 이미저 장치 타이밍 다이어그램(timing diagram)을 나타낸다.
하기 본 발명의 상세한 설명에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련되어 기재된 특정한 특성, 구조, 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 이 상세한 설명의 다양한 부분에서 문구 "일 실시예에서"의 출현은 동일한 실시예를 나타내는 모든 것은 아니다.
방출 이미저(emissive imager)가 본 명세서에 기재된다. 하기 상세한 설명에서, 설명 목적으로, 다수의 특정 상세내용이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여 제시된다. 그러나, 본 발명이 상이한 특정 상세내용으로 실시될 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 다른 경우, 본 발명을 이해하기 어렵게 하는 것을 피하기 위하여, 구조 및 장치는 블록 다이어그램 형태로 나타내어진다.
QPI 아키텍처
"양자 포토닉 이미저(Quantum Photonic Imager)" (QPI)로 나타내어지는 본 명세서에 기재된 방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치(emissive multicolor digital image forming device)는 멀티컬러 레이저 이미터(multicolor laser emitter)의 모노리식 어레이(monolithic array)를 포함하는 반도체 장치이다. 본 발명의 양자 포토닉 이미저는 복수의 방출 멀티컬러 픽셀(emissive multicolor pixels)을 포함하며, 이에 의하여 일 실시예에서, 각각의 픽셀은 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B) 발광 레이저 다이오드의 스택(stack)을 포함한다. 각각의 픽셀에 포함되는 R, G 및 B 레이저 다이오드 각각의 광학적 감금 영역(optical confinement region)에 광학적으로 결합되는 복수의 수직 도파관(vertical waveguides)을 통하여, 각각의 상기 픽셀의 멀티컬러 레이저 광은 양자 포토닉 이미저 장치의 표면에 수직으로 방출된다. 양자 포토닉 이미저 장치에 포함되는 복수의 픽셀은 전류를 각각의 픽셀의 구성요소 레이저 다이오드로 보내는데 이용되는 전기적 상호 접속(electrical interconnects)(바이어스(vias))이 매립된 절연 반도체 물질의 측벽에 의하여 광학적 및 전기적으로 분리된다. 양자 포토닉 이미저 장치에 포함되는 복수의 픽셀 각각은 전류 신호를 그 구성요소 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B) 레이저 다이오드 각각에 보내는(이네이블하는(enable)) 컨트롤 로직 회로(control logic circuit)에 전기적으로 결합된다. 복수의 픽셀과 관련된 구동 로직 회로(drive logic circuits)는 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B) 레이저 다이오드의 스택(stack)과 함께 결합되는 구동 로직 어레이(drive logic array)를 형성하여, 멀티컬러 레이저 픽셀 및 구동 회로(drive circuitry)의 모노리식 어레이(monolithic array)를 형성한다.
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 2a는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 등측도를 나타내며, 도 2b는 그의 구성요소 픽셀(230)의 하나의 등측도를 나타내며, 도 2c는 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 픽셀(300)의 어레이, 및 상기 픽셀 어레이의 주변에 배치되는 디지털 컨트롤 로직(229)을 나타내는 상면도이다.
도 2a에 나타낸 바와 같이, 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 2종의 반도체 구조, 즉 포토닉 반도체 구조(photonic semiconductor structure)(210) 및 디지털 반도체 구조(digital semiconductor structure)(220)를 포함할 것이다. 반도체 구조(210, 220)는 다이-레벨 결합(die-level bonding) 또는 웨이퍼-레벨 결합(wafer-level bonding)의 어느 하나를 통하여 서로 결합되어, 도 2a에 나타낸 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 형성한다. 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 구성하는 2종 반도체 구조의 각각은 다중 반도체 층을 더 포함할 것이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 그를 통하여 전력 및 이미지 데이터 신호가 장치로 공급되는 디지털 컨트롤 로직(229) 및 본딩 패드(221)를 상기 장치의 상면에서 접근가능하게 배치시키도록 하기 위하여, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 디지털 반도체 구조(220)는 전형적으로 포토닉 반도체 구조(210)보다 표면적이 더 클 것이다. 포토닉 반도체 구조(210)는 복수의 방출 멀티컬러 픽셀(emissive multicolor pixels)을 포함하며, 디지털 반도체 구조(220)는 전력 및 컨트롤 신호(control signal)를 포토닉 반도체 구조(210)에 공급하는 디지털 구동 로직 회로(digital drive logic circuits)를 포함한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예의 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 픽셀(230)의 하나의 반도체 구조의 단면 등측도이다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, 픽셀(230)의 각각은 인접한 픽셀 사이에 광학적 및 전기적 분리(separation)를 제공하는 측벽(235)을 가질 것이다. 하기 단락에서 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이, 전력 신호를 픽셀(230)의 포토닉 반도체 구조(210) 부분에 공급하는데 필요한 전기적 상호 접속(electrical interconnects)은 픽셀 측벽(235) 내에 매립될 것이다.
도 2b의 픽셀 등측 단면도에 나타낸 바와 같이, 픽셀(230)의 내부 내의 포토닉 반도체 구조(210)의 부분은 수직으로 적층된 반도체 기판(240), 적색 (R) 레이저 다이오드 다층(231) , 녹색 (G) 레이저 다이오드 다층(232) 및 청색 (B) 레이저 다이오드 다층(233)을 포함할 것이다. 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 각각의 픽셀(230)의 레이저 광은 각각 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 각각의 광학 공진기(optical resonator)(또는 광학적 감금 영역)와 광학적으로 결합된 복수의 수직 도파관(vertical waveguides)(290)을 통하여 장치 상부 표면의 면에 수직인 방향 - 이후, 수직 방향으로 나타냄 - 으로 방출될 것이다. 복수의 수직 도파관(290)은 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 각각의 픽셀(230)의 레이저 광 방출 단면적(emission cross section)(또는 광학적 특성)을 정의하는 레이저 이미터 어레이(laser emitter array)를 형성할 것이다. 레이저 다이오드(231, 232, 233)를 수직으로 적층하고, 수직 도파관(290)을 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233) 각각의 광학 공진기(또는 광학적 감금 영역)에 광학적으로 결합하는, 본 발명의 새로운 접근은 수직 도파관(290) 어레이를 통하여 방출되는 이러한 레이저 다이오드에 의하여 생성되는 멀티컬러 레이저 광을 이네이블(enable)시킬 수 있으며, 따라서 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 픽셀(230)을 방출 멀티컬러 레이저 픽셀(emissive multicolor laser pixels)로 만들게 된다.
도 2c는 장치의 방출 표면(emissive surface)을 형성하는 멀티컬러 픽셀(230)의 2-차원 어레이(2-dimensional array)를 포함하는 포토닉 반도체 구조(210)의 상부, 및 장치 본딩 패드(221)에 요구되는 면적 및 장치 컨트롤 로직(229)을 위한 레이아웃 면적을 가능케 하는 포토닉 반도체 구조(210)의 상부를 넘어서 확대된 디지털 반도체 구조(220)의 상부를 나타내는, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 상면도이다. 본 발명의 양자 포토닉 이미저(200)의 바람직한 실시예의 픽셀(230)의 전형적인 크기는 10×10 미크론(micron)의 범위이며, 이에 의하여 VGA 해상도(640×480 픽셀)를 제공하는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 방출 표면이 6.4×4.8 ㎜로 될 것이다. 포토닉 반도체 구조(210)의 실제 크기는 각각의 면의 약간의 추가적인 픽셀에 의하여 방출 표면 면적 이상으로 확대될 것이며, 이에 의하여 포토닉 반도체 구조(210)의 전형적인 크기는 6.5×5 ㎜로 될 것이고, 디지털 반도체 구조(220)는 컨트롤 로직(229) 및 장치 본딩 패드(221)의 레이아웃 면적을 가능케 하는 영역 이상으로 연장되어, VGA 해상도를 제공하는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 전형적인 치수는 7.6×6 ㎜의 범위로 될 것이다.
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 기본 아키텍처를 설명하였으며, 하기 단락들은 그 구성부분 및 제조방법에 대한 상세한 설명을 제공한다.
QPI 반도체 구조
도 3은 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 형성하는 반도체 멀티 구조의 횡단면도이다. 동일한 참조부호는 동일한 항목에 대하여 이용되지만, 픽셀(230) 형성 이전의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드 반도체 구조는 각각 다층 레이저 다이오드 구조(multilayer laser diode structures)(250, 260, 270)으로 나타내어진다.
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200) 제조방법의 바람직한 실시예에 따르면, 다층 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)은 적절한 반도체 공정을 이용하여 반도체 웨이퍼로서 개별적으로 제조된 후, 후-처리되어(post- processed) 도 3에 나타낸 바와 같이, 금속 및 절연층을 통합하는 웨이퍼-크기 다층 스택(wafer-size multilayer stack) 포토닉 반도체 구조(210)를 생성한다. 다음으로, 도 2b에 나타내어진 바와 같이, 웨이퍼-크기 다층 스택 포토닉 반도체 구조(210)는 추가적으로 후처리되어, 레이저 다이오드(231, 232, 233)를 형성하는 픽셀의 측벽(235), 및 픽셀의 수직 도파관(290)을 생성한다. 또한, 디지털 반도체 구조(220)는 적절한 반도체 공정을 이용하여 반도체 웨이퍼로서 개별적으로 제조된 후, 다층 스택 포토닉 반도체 구조(210)와 웨이퍼-레벨(wafer-level) 또는 다이-레벨(die-level) 결합되어, 도 2a에 나타낸 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 생성한다. 하기 단락은 다층 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270) 및 디지털 반도체 구조(220)의 상세한 설계 사양, 및 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 생성하는데 필요하는 웨이퍼 후공정 및 제조 흐름의 상세한 설계 사양을 기재한다.
도 3은 다중 반도체 층을 더 포함하는, 이러한 2종 반도체 구조의 각각을 갖는, 반도체 구조(210, 220)을 포함하는 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 포토닉 반도체 구조(210)는 실리콘(Si) 기판(240), 및 3종의 다층 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270) 사이에 상부 및 하부 전기적 절연을 제공하는, 각각 바람직하게는 150 내지 200 ㎚인, 실리콘 디옥사이드(SiO2)와 같은 유전 절연체(dielectric insulator)의 층(241, 251, 261 및 271)에 의하여 분리된 3종의 다층 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)의 스택(stack)을 포함한다.
또한, 포토닉 반도체 구조(210) 내에는, 각각 적색 다층 레이저 다이오드(250)의 p-콘택 및 n-콘택 금속층을 구성하는 금속층(252, 253); 각각 녹색 다층 레이저 다이오드(260)의 p-콘택 및 n-콘택 금속층을 구성하는 금속층(262 및 263); 각각 청색 레이저 다이오드(270)의 p-콘택 및 n-콘택 금속층을 구성하는 금속층(272, 273)이 통합된다. 금속층(252, 253, 262, 263, 272, 273)의 각각은 금-주석(Au-Sn) 또는 금-티타늄(Au-Ti) 다층 금속배선(multilayer metallization)과 같은, 낮은 전자이동(electromigration) 및 응력-이동(stress-migration) 특성을 갖는 150 내지 200 ㎚ 두께의 반도체 상호 접속 금속배선층(smiconductor interconnect metallization layer)인 것이 바람직하다. 금속배선층(252, 253, 262, 263, 272, 273)은 절연층(241, 252, 261, 271)으로의 금속 배선층의 과도한 확산(diffusion)을 방지하는 확산 장벽(diffusion barrier)을 포함할 것이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 반도체 구조(210) 및 반도체 구조(220) 사이의 인터페이스(interface)는 포토닉 반도체 구조(210) 측의 금속층(282), 및 디지털 컨트롤 구조(220) 측의 금속층(222)이다. 금속층(282, 222)을 식각하여, 2종의 반도체구조(210 및 220) 사이의 전기적 상호 접속 본딩 패드(electrical interconnect bonding pads)를 통합할 것이다. 금속층(222)은 장치 본딩 패드(221)를 통합할 것이다.
절연층(241, 251, 261, 271) 및 금속배선층(metallization layers)(252, 253, 262, 263, 272, 273)은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)과 같은 전형적인 반도체 기상 증착 공장을 이용하여 증착될 것이다. 2개의 층(241, 252)을 Si 기판층(240) 위에 직접적으로 증착하고, 다음으로 결과물인 다층 스택(240-241-252)을 직접적 웨이퍼 결합(direct wafer bonding), 확산 결합(diffusion bonding) 또는 양극 접합 기술(anodic bonding techniques) 등을 이용하여 적색 레이저 다이오드 구조(250)의 p-층에 웨이퍼-레벨 결합시킨다.
결과물인 반도체 다층은 층(253, 251, 262)이 CVD 등과 같은 기상 증착 기술을 이용하여 증착되는 기판으로 이용되고, 다음으로 결과물인 다층 스택(240-241-252-250-253-251-262)을 직접적 웨이퍼 결합(direct wafer bonding), 확산 결합(diffusion bonding) 또는 양극 접합 기술(anodic bonding techniques) 등을 이용하여 녹색 레이저 다이오드 구조(260)의 p-층에 웨이퍼-레벨 결합시키고, 녹색 레이저 다이오드가 형성된 기판을 제거한다.
다음으로, 결과물인 반도체 다층 구조는 층(263, 261, 272)이 CVD 등과 같은 기상 증착 기술을 이용하여 증착되는 기판으로 이용되고, 다음으로, 결과물인 다층 스택(240-241-252-250-253-251-262-260-263-261-272)을 직접적 웨이퍼 결합(direct wafer bonding), 확산 결합(diffusion bonding) 또는 양극 접합 기술(anodic bonding techniques) 등을 이용하여 청색 레이저 다이오드 구조(270)의 p-층에 웨이퍼-레벨 결합시키고, 청색 레이저 다이오드가 형성된 기판을 제거한다.
다음으로, 결과물인 반도체 다층 구조는 층(273, 271, 282)이 CVD와 같은 기상 증착 기술을 이용하여 증착되는 기판으로 이용된다. 이어서, 금속층(282)을 식각하여, 반도체 리소그래피 공정을 이용하여 본딩 패드 패턴을 생성하고, 식각된 영역을 절연체 물질, 바람직하게 SiO2로 리필(refill)한 후, 표면을 폴리싱 및 세정한다. 다음으로 결과물인 포토닉 반도체 구조(210)를 플립-칩 결합 기술(flip-chip bonding techniques)을 이용하여 디지털 반도체 구조(220)의 상응하는 본딩 패드 표면에 웨이퍼-레벨 결합시킨다.
레이저 다이오드 다층 구조
다층 반도체 구조(250, 260, 270)의 각각은 유기 금속 화학 기상 증착(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 일반적으로 나타내어지는 잘 알려진 에피택셜 증착 공정(epitaxial deposition process)을 이용하여 그 자신의 기판 상에 각각 개별적인 웨이퍼로 성장된 다중 양자우물 이중 헤테로구조 반도체 레이저 다이오드(multiple quantum well (MQW) double heterostructure semiconductor laser diode)일 것이다. 액상 에피택시(liquid phase epitaxy (LPE), 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE), 유기 금속 기상 에피택시(metal organic vapor phase epitaxy, MOVPE), 하이브리드 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 하이브리드 유기 금속 기상 에피택시(hydride metal organic vapor phase epitaxy, H-MOVPE)과 같은 다른 증착 공정 또는 다른 공지의 결정 성장 공정이 이용될 수 있다.
적색 레이저 다이오드
도 4a는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 적색 레이저 다이오드 구조(250)의 다층 단면의 예시적 실시예를 나타낸다. 도 4a의 다층 반도체 구조는 적색 레이저 다이오드 구조(250)에 의하여 생성된 레이저 광이 615 ㎚의 주파장을 갖도록 선택된 그의 파라미터를 갖는 포스파이드(phosphide)계이다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 두께 100 ㎚의 n-도핑된 GaAs의 기판 제거 식각저지층(substrate removal etch-stop layer)(412)은, 전술한 바와 같이 적색 레이저 다이오드 구조(250)가 다층 스택(240-241-252)에 웨이퍼-레벨 결합된 후에 식각되어 제거되는 두꺼운(약 2000 ㎚) GaAs 기판(410) 상에 성장된다. n-도핑된 GaAs 식각저지층(412)은 약 8×1018㎝-3의 실리콘 (Si) 또는 셀레늄 (Se) 도핑의 어느 하나를 가질 것이다. 두꺼운 GaAs 기판은 고품질의 에피층(epi layer) 성장을 보장하기 위하여 이용된다.
기판 제거 식각저지층(412) 위에, 전형적으로 120 ㎚ 두께이며, 1×1018㎝-3의 Si 또는 Se 도핑을 갖는, Al0 .5In0 .5P 또는 (Al0 .7Ga0 .3)0.5In0 .5 초격자(superlattice, SL)의 어느 하나의 n-형의 클래딩층(cladding layer)(414)을 증착한다. 클래딩층(414) 위에, 전형적으로 적어도 1×1018㎝-3의 Si 또는 Se 도핑된 100 ㎚ 두께의 n-형 (Al0 .55Ga0 .45)0.5In0 .5P 도파관층(416)을 증착한다. 도파관층(416) 위에, Al0 .5In0 .5P 장벽층(418) 내에 둘러싸인 다중 Ga0 .6In0 .4P 양자우물층(420)을 포함하는 적색 레이저 다이오드(250)의 활성영역(421)을 증착하며, 양자우물층(420) 및 장벽층(418) 각각은 전형적으로 적어도 0.01×1018㎝-3 및 0.1×1018㎝-3 수준으로 실리콘 (Si) 또는 셀레늄 (Se) 도핑된다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 양자우물층(420) 및 장벽층(418)의 두께는 각각 4.8 ㎚ 및 4 ㎚가 되도록 선택된다. 그러나, 이러한 층들의 두께는 적색 레이저 다이오드(250)의 방출 특성을 미세하게 조정하기 위하여 증가 또는 감소될 수 있다.
도 4a는 3개의 양자우물을 포함하는 적색 레이저 다이오드(250)의 활성영역(421)을 나타내지만, 이용된 양자우물의 수는 적색 레이저 다이오드(250)의 방출 특성을 미세하게 조정하기 위하여 증가 또는 감소될 수 있다. 또한, 적색 레이저 다이오드(250)의 활성영역(421)은 양자우물 대신에 다수의 양자 와이어(quantum wires) 또는 양자점(quantum dots)을 포함할 수 있다.
활성영역(421) 위에, 적어도 1×1018㎝-3의 수준으로 마그네슘 (Mg) 도핑된 140 ㎚ 두께의 p-형 (Al0 .55Ga0 .45)0.5In0 .5P 도파관층(422)을 증착한다. 도파관층(422) 위에, 적어도 1×1018㎝-3의 마그네슘 도핑 수준을 갖는 23 ㎚ 두께의 Al0 .5In0 .5P 터널링방지층(anti-tunneling layer)(424)을 증착한다. 터널링방지층(424) 위에, 각각 적어도 1×1018㎝-3의 수준으로 마그네슘 도핑된 Ga0 .5In0 .5P 양자우물 및 Al0 .5In0 .5P 장벽의 교호층(alternating layers)을 포함하는 두께 25 ㎚의 전자차단제층(electron blocker layer)(426)을 증착한다. 전자차단제층(426)은 전자 누설 전류(electron leakage current)를 감소시키기 위하여 통합되며, 이는 적색 레이저 다이오드 구조(250)의 문턱 전류(threshold current) 및 작동 온도(operating temperature)를 감소시킬 것이다.
전자차단제층(426) 위에, 전형적으로 0.5×1018㎝-3의 수준으로 마그네슘 도핑된 Al0 .5In0 .5P 또는 (Al0 .7Ga0 .3)0.5In0 . 5 의 어느 하나의 120 ㎚ 두께의 p-형 SL 클래딩층(428)을 증착한다. 클래딩층(428) 위에, 적어도 1×1018㎝-3의 수준으로 고농도 마그네슘 도핑된 100 ㎚ 두께의 p-형 GaAs 콘택층(429)을 증착한다. 전술한 바와 같이, 콘택층(429)은 적색 레이저 다이오드 구조(250) 및 다층 스택(240-241-252)의 웨이퍼-레벨 결합을 위한 인터페이스 층(interface layer)일 것이다.
다층(416-421-422)은 MQW 활성영역(421)에 의하여 생성된 적색 레이저 광이 감금되는 적색 레이저 다이오드(250)의 광학 공진기(optical resonator) 또는 광학적 감금 영역(optical confinement region)으로 당업자에게 알려져 있다. 후속되는 단락에서 설명하는 바와 같이, 적색 레이저 다이오드(250)에 의하여 생성된 광은 적색 레이저 다이오드(250)의 광학적 감금 다층(416-421-422)에 광학적으로 결합되는 수직 도파관(290)을 통하여 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면으로부터 수직으로 방출될 것이다.
녹색 레이저 다이오드
도 4b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 녹색 레이저 다이오드 구조(260)의 다층 단면의 예시적인 실시예를 나타낸다. 도 4b의 다층 반도체 구조는 녹색 레이저 다이오드 구조(260)에 의하여 생성된 레이저 광이 520 ㎚의 주파장을 갖도록 선택된 파라미터를 갖는 나이트라이드(nitride)계이다. 도 4b에 나타내어진 바와 같이, 두께 100 ㎚의 n-도핑된 In0 .05Ga0 .95N 및 6×1018㎝-3의 수준으로 Si-도핑된 기판 제거 식각저지층(432)은, 전술한 바와 같이 녹색 레이저 다이오드 구조(260)가 다층 스택(240-241-252-250-53-251-262)에 웨이퍼-레벨 결합된 후, 식각되어 제거되는 두꺼운 GaN 기판(430) 위에 성장된다. n-도핑된 In0 .05Ga0 .95N 식각저지층(432)은 6×1018㎝-3의 실리콘 (Si) 도핑을 가질 것이다. 도 4b는 GaN인 기판(430)을 나타내지만, InGaN 물질 합금이 기판(430)용으로 이용될 수 있다.
기판 제거 식각저지층(432) 위에, 전형적으로 451 ㎚ 두께이며, 2×1018㎝-3의 Si 도핑을 갖는 n-형의 Al0 .18Ga0 .82N/GaN SL의 클래딩층(434)을 증착한다. 클래딩층(434) 위에, 전형적으로 6.5×1018㎝-3 수준으로 Si 도핑되는 98.5 ㎚ 두께의 n-형 GaN 도파관층(436)을 증착한다. 도파관층(436) 위에, 각각 6.5×1018㎝-3 수준으로 Si-도핑되는 In0 .04Ga0 .96N 장벽층(438) 내에 둘러싸이고, 0.05×1018㎝-3 수준으로 Si-도핑된 다중 In0 .535Ga0 .465N 양자우물층(450)을 포함하는 녹색 레이저 다이오드(260)의 활성영역을 증착한다. 도 4b에 나타내어진 바와 같이, 양자우물층(450) 및 장벽층(438)의 두께는 각각 5.5 ㎚ 및 8.5 ㎚가 되도록 선택된다. 그러나, 이러한 층들의 두께는 녹색 레이저 다이오드(260)의 방출 특성을 미세하게 조정하기 위하여 증가 또는 감소될 수 있다.
도 4b는 3개의 양자우물을 포함하는 녹색 레이저 다이오드(260)의 활성영역(431)을 나타내지만, 이용된 양자우물의 수는 녹색 레이저 다이오드(260)의 방출 특성을 미세하게 조정하기 위하여 증가 또는 감소될 수 있다. 또한, 녹색 레이저 다이오드(260)의 활성영역(431)은 양자우물 대신에 다수의 양자 와이어 또는 양자점을 포함할 수 있다.
활성영역(431) 위에, 전형적으로 50×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 (Mg) 도핑되는 8.5 ㎚ 두께의 p-형 GaN 도파관층(452)을 증착한다. 도파관층(452) 위에, 약 100×1018㎝-3의 마그네슘 (Mg) 도핑 수준을 갖는 20 ㎚ 두께의 Al0 .2Ga0 .8N 전자차단제층(454)을 증착한다. 전자차단제층(454)은 전자 누설 전류를 감소시키기 위하여 통합되며, 이는 녹색 레이저 다이오드 구조(260)의 문턱 전류 및 작동 온도를 감소시킬 것이다.
전자차단제층(454) 위에, 전형적으로 75×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 (Mg) 도핑된 90 ㎚ 두께의 p-형 GaN 도파관층(456)을 증착한다. 도파관층(456) 위에, 전형적으로 75×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 도핑되는 451 ㎚ 두께의 p-형 Al0 .18Ga0 .82N/GaN SL 클래딩층(458)을 증착한다. 클래딩층(458) 위에, 75×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 (Mg) 도핑되는 100 ㎚ 두께의 p-형 GaN 콘택층(459)을 증착한다. 전술한 바와 같이, 콘택층(459)은 녹색 레이저 다이오드 구조(260) 및 다층 스택(240-241-252-253-251-262)의 웨이퍼-레벨 결합을 위한 인터페이스층일 것이다.
다층(436-431-452)은 MQW 활성영역(431)에 의하여 생성된 녹색 레이저 광이 고립되는 녹색 레이저 다이오드(260)의 광학 공진기 또는 광학적 감금 영역으로 당업자에게 알려져 있다. 후속 단락에서 설명하는 바와 같이, 녹색 레이저 다이오드(260)에 의하여 생성된 광은 녹색 레이저 다이오드(260)의 광학적 감금 다층(436-431-452)에 광학적으로 결합되는 수직 도파관(290)을 통하여 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면으로부터 수직으로 방출될 것이다.
청색 레이저 다이오드
도 4c는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 청색 레이저 다이오드 구조(260)의 다층 단면의 예시적인 실시예를 나타낸다. 도 4c의 다층 반도체 구조는 청색 레이저 다이오드 구조(260)에 의하여 생성된 레이저 광이 460 ㎚의 주파장을 갖도록 선택된 파라미터를 갖는 나이트라이드(nitride)계이다. 도 4c에 나타내어진 바와 같이, 6×1018㎝-3 수준으로 Si-도핑된 100 ㎚ 두께의 n-도핑된 In0 .05Ga0 .95N의 기판 제거 식각저지층(462)은, 전술한 바와 같이, 청색 레이저 다이오드 구조(270)가 다층 스택(240-241-252-250-53-251-262-260-263-261-272)에 웨이퍼-레벨 결합된 후 식각되어 제거되는 두꺼운 GaN 기판(460) 상에 성장한다. n-도핑된 In0 .05Ga0 .95N 식각저지층(462)은 6×1018㎝-3의 실리콘 (Si) 도핑을 가질 것이다. 도 4c는 GaN인 기판을 나타내지만, InGaN 물질 합금이 기판(460)용으로 이용될 수 있다.
기판 제거 식각저지층(462) 위에, 전형적으로 451 ㎚의 두께이며, 2×1018㎝-3의 Si 도핑을 갖는 n-형의 Al0 .18Ga0 .82N/GaN SL의 클래딩층(464)을 증착한다. 클래딩층(464) 위에, 전형적으로 6.5×1018㎝-3 수준으로 Si 도핑되는 98.5 ㎚ 두께의 n-형 GaN 도파관층(466)을 증착한다. 도파관층(466) 위에 각각 6.5×1018㎝-3 수준으로 Si-도핑된 In0 .04Ga0 .96N 장벽층(468) 내에 둘러싸이며, 각각 0.05×1018㎝-3 수준으로 Si-도핑된 다중 In0 .41Ga0 .59N 양자우물층(470)을 포함하는 청색 레이저 다이오드(270)의 활성영역을 증착한다. 도 4c에 나타낸 바와 같이, 양자우물층(470) 및 장벽층(468)의 두께는 각각 5.5 ㎚ 및 8.5 ㎚가 되도록 선택된다. 그러나, 이러한 층들의 두께는 청색 레이저 다이오드(270)의 방출 특성을 미세하게 조정하기 위하여 증가 또는 감소될 수 있다.
도 4c는 3개의 양자우물을 포함하는 녹색 레이저 다이오드(260)의 활성영역(431)을 나타내지만, 양자우물의 수는 녹색 레이저 다이오드(260)의 방출 특성을 미세하게 조정하기 위하여 증가 또는 감소될 수 있다. 또한, 청색 레이저 다이오드(260)의 활성영역(431)은 양자우물 대신에 다수의 양자 와이어 또는 양자점을 포함할 수 있다.
활성영역(431) 위에, 전형적으로 50×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 (Mg) 도핑되는 8.5 ㎚ 두께의 p-형 GaN 도파관층(472)을 증착한다. 도파관층(472) 위에, 약 100×1018㎝-3의 마그네슘 (Mg) 도핑 수준을 갖는 20 ㎚ 두께의 Al0 .2Ga0 .8N 전자차단제층(474)을 증착한다. 전자차단제층(474)은 전자 누설 전류를 감소시키기 위하여 통합되며, 이는 청색 레이저 다이오드 구조(270)의 문턱 전류 및 동작 온도를 감소시킨다.
전자차단제층(474) 위에, 전형적으로 75×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 (Mg) 도핑된 90 ㎚ 두께의 p-형 GaN 도파관층(476)을 증착한다. 도파관층(476) 위에, 전형적으로 75×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 (Mg) 도핑되는 451 ㎚ 두께의 p-형 Al0.18Ga0.82N/GaN SL 클래딩층(478)을 증착한다.
클래딩층(478) 위에, 75×1018㎝-3 수준으로 마그네슘 도핑된 100 ㎚ 두께의 p-형 GaN 콘택층(479)을 증착한다. 전술한 바와 같이, 콘택층(479)은 청색 레이저 다이오드 구조(270) 및 다층 스택(240-241-252-253-251-262- 260-263-261-272)의 웨이퍼-레벨 결합을 위한 층일 것이다.
다층(466-461-472)은 MQW 활성영역(461)에 의하여 생성된 청색 레이저 광이 감금되는 광학 공진기 또는 광학적 감금 영역으로 당업자에게 알려져 있다. 후속되는 단락에서 설명하는 바와 같이, 청색 레이저 다이오드(270)에 의하여 생성되는 광은 청색 레이저 다이오드(270)의 광학적 감금 다층(466-461-472)에 광학적으로 결합되는 수직 도파관(290)을 통하여 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면으로부터 수직으로 방출될 것이다.
나이트라이드계인, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 다층 적색 레이저 다이오드 구조(250)의 대안적인 예시적 실시예를 도 4d에 나타낸다. 나이트라이드계이므로, 도 4d의 다층 적색 레이저 다이오드 구조(250)의 대안적인 예시적 실시예는 생성된 광이 615 ㎚의 주파장을 갖도록 그의 층 파라미터가 선택되는 것을 제외하고는, 도 4b의 나이트라이드계 녹색 레이저 다이오드, 및 도 4c의 청색 레이저 다이오드 구조(270)와 유사한 설계 처방을 가진다. 도 4d의 대안적인 나이트라이드계 다층 적색 레이저 다이오드 구조(250)는 다중 양자우물(419)의 인듐 함량을 0.68로 증가시킴으로써 이네이블될 것이다. 도 4d는 3개의 양자우물을 포함하는 활성영역을 나타내지만, 이용된 양자우물의 수는 적색 레이저 다이오드(250)의 방출 특성을 미세하게 조정하기 위하여 증가 또는 감소될 수 있다. 또한, 도 4d에 나타낸 적색 레이저 다이오드 구조(250)의 대안적인 예시적 실시예의 활성영역은 양자우물 대신에 다수의 양자 와이어 또는 양자점을 포함할 수 있다. 도 4d는 GaN인 기판(480)을 나타내지만, InGaN 물질 합금이 기판(480)용으로 이용될 수 있다.
QPI 색역( Color Gamut )
후술되는 바와 같이, 상기한 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 예시적 실시예의 레이저 다이오드(250, 260, 270)에 대하여 특정된 3가지 컬러에 의하여 정의된 색역(color gamut)은 HDTV 및 NTSC와 같은 컬러 이미지 디스플레이의 정의된 표준에 대하여 확장된 색역(와이드 색역(Wide Gamut))을 달성할 것이다. 특히, 상기한 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 예시적 실시예의 레이저 다이오드(250, 260, 270)에 대하여 특정된 3가지 컬러는 NTSC 표준에 의하여 정의된 색역의 거의 200%인 색역을 달성할 것이다.
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 의하여 달성되는 색역은 전술한 예시적인 실시예에서 레이저 다이오드(250, 260, 270)에 대하여 특정된 3가지 컬러 이상으로 포토닉 반도체 구조(210) 내에 통합된 레이저 다이오드 수를 증가시킴으로써, 울트라와이드 색역 능력((Ultra-Wide Gamut capability)을 달성하기 위하여, 90%보다 큰 가시 색역(visible color gamut)을 포함하도록 더 확장될 수 있다. 특히, 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 적층된 레이저 다이오드를 증가시켜, 적색 레이저 다이오드 구조(250) 및 녹색 다이오드 구조(260) 사이에 배치된 황색(572 ㎚) 레이저 다이오드 반도체 구조, 및 녹색 레이저 다이오드 구조(260) 및 청색 레이저 다이오드 구조(270) 사이에 배치된 청록색(cyan)(488 ㎚) 레이저 다이오드 구조를 포함함으로써, 양자 포토닉 이미저 장치(200)가 적색(615 ㎚), 황색(572 ㎚), 녹색(520 ㎚), 청록색(488 ㎚) 및 청색(460 ㎚)의 파장을 커버하는 5종의 레이저 다이오드 구조의 스택(stack)을 포함하도록 할 때, 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 의하여 방출된 광의 색역은 울트라-와이드 색역(Ultra-Wide Gamut)을 달성하도록 더 확장될 수 있다. 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 5종의 레이저 다이오드 반도체 구조의 이러한 스택으로, 90%보다 큰 가시 색역을 커버하는 울트라-와이드 색역을 생성할 수 있다.
전술한 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 포토닉 반도체 구조(210)의 예시적 실시예에서, 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)의 파장은 각각 615 ㎚, 520 ㎚, 및 460 ㎚가 되도록 선택되었으나, 당업자는 전술한 예시적인 실시예의 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)에 대하여 선택된 것과 다른 값의 파장을 이용하여 본 발명의 교시를 따르는 방법을 알 것이다. 또한, 전술한 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 예시적인 실시예에서, 포토닉 반도체 구조(210)는 3종의 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)를 포함하지만, 당업자는 3종 이상의 레이저 다이오드 구조를 이용하여 본 발명의 교시를 따르는 방법을 알 것이다. 또한, 전술한 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 예시적 실시예에서, 포토닉 반도체 구조(210)는 도 3에 나타낸 순서로 적층된 3종의 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)을 포함하지만, 당업자는 상이한 순서로 적층된 레이저 다이오드에 의하여 본 발명의 교시를 따르는 방법을 알 것이다.
레이저 다이오드 에너지 밴드
*도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 전술한 포스파이드계 적색 레이저 다이오드 구조(250) 및 나이트라이드계 녹색 레이저 다이오드(260) 및 청색 레이저 다이오드(270)의 에너지 밴드를 나타낸다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 나타낸 에너지 밴드는 왼쪽에서 오른쪽으로 각 층의 두께를 나타내고, 하부로부터 상부로 에너지를 나타낸다. 두께 및 에너지 레벨은 정확한 두께 및 에너지 레벨의 정성적인 측정값보다는 정량적인 측정값을 나타내도록 의도된다. 그럼에도 불구하고, 도 5a, 도 5b 및 도 5c의 참조부호는 각각 도 4a, 도 4b 및 도 4c에서 층의 참조부호에 상응한다. 이 도면들이 나타내는 바와 같이, p-형 및 n-형 클래딩층의 에너지 레벨은 p-형 및 n-형 도파관층, 및 다중 양자우물 레벨들을 에너지적으로 감금시킨다. 다중 양자우물의 에너지 레벨은 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 나타내어진 바와 같이 국소적으로 낮은 에너지 레벨을 나타내기 때문에, 광을 생성하기 위하여, 상응하는 홀(hole)과 효율적으로 재결합되는 양자우물 내에 전자가 감금될 것이다.
도 5a를 참조하면, 터널링방지층(424)의 두께는 전자 터널링을 방지하기에 충분히 크고, 전자 결합력(electron coherence)을 전자차단제층(426)의 초격자 구조 내에서 유지하기에 충분히 작도록 선택된다. 레이징 문턱값(lasing threshold)을 낮추기 위하여, 전자차단제층(426, 454, 474)은 각각 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)의 예시적인 실시예에 이용된다. 도 5a에 나타내어진 바와 같이, 적색 레이저 구조(250)에 이용된 전자차단제(426)는 p-도핑된 영역에 설치되며, 도파관층(422) 및 클래딩층(428)의 에너지 레벨을 오가는 에너지 레벨을 갖는 다중 양자 장벽(multiple quantum barriers, MQB)을 포함한다. MQB 전자차단제(426)를 포함하는 것은 MQB에서 전자의 양자 간섭(quantum interference)에 기인하여 전자 감금(electron confinement)을 실질적으로 향상시켜 도파관-클래딩 층 인터페이스에서 장벽 높이의 큰 증가를 일으키고, 이는 실질적으로 전자 누설 전류를 억제한다. 도 5b 및 도 5c에 나타내어진 바와 같이, 녹색 레이저 구조(260) 및 청색 레이저 구조(270)에 이용된 전자차단제는 p-형 도파관층의 2개의 세그먼트(segment) 사이에 위치하며, 전자 감금을 실질적으로 향상시키고, 전자 누설 전류를 실질적으로 억제하기 위하여, 도파관층 및 클래딩층 양자보다 실질적으로 높은 에너지 레벨을 갖는다.
픽셀 측벽
양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 복수의 픽셀(230)은 절연 반도체 물질로 구성되고, 각각의 픽셀의 구성요소 레이저 다이오드에 전류를 보내는데 이용되는 수직 전기적 상호 접속(콘택 바이어스)이 매립되는 픽셀 측벽(235)에 의하여 광학적으로 및 전기적으로 분리된다. 도 6a는 픽셀 측벽(235)의 내부 구조를 나타내는, 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 복수의 멀티컬러 픽셀(230)의 하나의 수평 횡단면도이다. 도 6a에 나타내어진 바와 같이, 픽셀 측벽(235)은 멀티컬러 픽셀(230)의 경계를 정의하고, SiO2와 같은 유전체 물질의 측벽 내부(237) 내에 매립된 금속 콘택 바이어스(236)를 포함한다.
도 6b는 다층 포토닉 구조(210) 및 측벽(235) 사이의 인터페이스를 나타내는, 픽셀 측벽(235)의 하나의 수직 횡단면도이다. 도 6a 및 6b에 나타낸 픽셀 측벽(235)은 폭이 1 미크론인 트렌치의 직각사각형 그리드(grid)를 다층 포토닉 구조(210)로 식각함으로써 형성될 것이다. 트렌치는, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 이러한 예시적인 실시예에서 10 미크론이 되도록 선택되는 픽셀 폭과 같은 피치(pitch)로, 및 본딩 패드 층(282)에서 시작되어 SiO2 절연층(241)에서 끝나는 깊이로 식각된다. 다음으로 식각된 트렌치는 SiO2 또는 실리콘 탄소-도핑된 실리콘 옥사이드(SiOC)와 같은 저유전율(low-k) 절연 물질로 리필(refill)된 후, 재식각되어, 콘택 바이어스(236)를 위한 150 ㎚ 폭의 트렌치를 형성한다. 다음으로 재식각된 콘택 바이어스(236)용 트렌치는 CVD 등의 기상 증착 기술을 이용하여, 금-주석 ((Au-Sn) 또는 금-티타늄 (Au-Ti)과 같은 금속으로 리필되어, 금속배선층(252, 253, 262, 263, 272, 273)과 콘택을 이룬다.
픽셀 측벽(235)용으로 식각된 트렌치는 도 6b에 나타내어진 바와 같이 평행면(parallel sides)을 가질 수 있으며, 또는 이용된 식각 공정에 의하여 영향받는 바와 같이 약간 경사질 수 있다. 임의의 적절한 반도체 식각 기술이 측벽(235) 및 콘택 비아(236)용 트렌치를 식각하는데 이용될 수 있지만, 하나의 예시적인 식각 기술은 염소계 화학적-보조된 이온 빔 식각(Cl-based CAIBE)과 같은 건식 식각 기술이다. 그러나, 반응성 이온 식각(RIE) 등과 같은 다른 식각 기술이 이용될 수 있다.
전술한 바와 같이 픽셀 측벽(235)의 형성은 다층 포토닉 구조(210)의 형성 중에 다수의 중간 단계에서 수행된다. 도 6c는 픽셀 측벽(235) 내에 매립된 콘택 바이어스(236)의 수직 횡단면도이다. 도 6c에 나타내어진 바와 같이, 콘택 바이어스(236)의 각각은 각각 적색 레이저 다이오드 구조(250) p-콘택 및 n-콘택을 위한 세그먼트(254, 256); 각각 녹색 레이저 다이오드 구조(260) p-콘택 및 n-콘택을 위한 세그먼트(264, 266); 및 각각 청색 레이저 다이오드 구조(270) p-콘택 및 n-콘택을 위한 세그먼트(274, 276)의 6개의 세그먼트(segment)를 포함할 것이다.
전술한 바와 같이 다층 구조(240-241-252-250)를 형성한 후에, 금속층(252) 아래 및 위를 제1 및 제2 식각저지층으로 하여, 픽셀 측벽(235)용 트렌치를 적색 레이저 다이오드 다층(250)의 면으로부터, 상기 다층 구조로 이중-식각한다. 다음으로 식각된 트렌치를 SiO2와 같은 절연 물질로 리필한 후, 금속층(252)을 식각저지층으로 하여 재식각하고, 콘택 금속 물질로 리필하여, 도 6c에 나타내어진 바와 같이 콘택 비아(264)의 베이스 세그먼트(base segment)를 형성한다.
콘택층(253) 및 절연층(251)을 증착한 후, 금속층(235)의 아래 및 위를 제1 및 제2 식각저지층으로 하여, 픽셀 측벽(235)용 트렌치를 상기 증착된 층으로 이중 식각하고, 절연물질로 리필하고, 금속층(253)을 식각저지층으로 하여 재식각하고, 콘택 금속 물질로 리필하여, 도 6c에 나타내어진 바와 같이 콘택 비아(256)의 베이스를 형성하고, 콘택 비아(254)를 연장한다.
콘택층(262)을 증착하고, 녹색 레이저 다이오드 구조(260)를 다층 구조와 결합하고, 금속층(262) 아래 및 위를 제1 및 제2 식각저지층으로 하여, 픽셀 측벽(235)용 트렌치를 녹색 레이저 다이오드 다층(250)의 면으로부터, 상기 형성된 다층 구조로 이중 식각한다. 다음으로, 식각된 트렌치를 SiO2와 같은 절연 물질로 리필한 후, 금속층(262)을 식각저지층으로 하여 재식각하고, 콘택 금속 물질로 리필하여, 도 6c에 나타내어진 바와 같이 콘택 비아(264)의 베이스 세그먼트를 형성하고, 콘택 바이어스(254, 256)를 연장한다.
콘택층(263) 및 절연층(261)을 증착하고, 금속층(263)의 아래 및 위를 제1 및 제2 식각저지층으로 하여 픽셀 측벽(235)용 트렌치를 상기 증착된 층으로 이중 식각하고, 절연 물질로 리필하고, 금속층(263)을 식각저지층으로 재식각하고, 콘택 금속 물질로 리필하여, 도 6c에 나타내어진 바와 같이 콘택 비아(266)의 베이스 세그먼트를 형성하고, 콘택 비아(254, 256, 264)를 연장한다.
콘택층(272)을 증착하고, 청색 레이저 다이오드 구조(270)를 다층 구조와 결합한 후, 금속층(272)의 아래 및 위를 제1 및 제2 식각저지층으로 하여 픽셀 측벽(235)용 트렌치를 녹색 레이저 다이오드 다층(250)의 면으로부터, 상기 형성된 다층 구조로 이중 식각한다. 다음으로 식각된 트렌치를 SiO2와 같은 절연물질로 리필한 후, 금속층(272)을 식각저지층으로 하여 재식각하고, 콘택 금속 물질로 리필하여, 도 6c에 나타내어진 바와 같이, 콘택 비아(274)의 베이스 세그먼트를 형성하고, 콘택 바이어스(254, 256, 264, 266)를 연장한다.
콘택층(273) 및 절연층(271)을 증착한 후, 금속층(273)의 아래 및 위를 제1 및 제2 식각저지층으로 하여 픽셀 측벽(235)용 트렌치를 상기 증착된 층으로 이중 시각하고, 절연 물질로 리필하고, 금속층(263)을 식각저지층으로 하여 재식각하고, 콘택 금속 물질로 리필하여, 도 6c에 나타내어진 바와 같이, 콘택 비아(276)의 베이스 세그먼트를 형성하고, 콘택 비아(254, 256, 264, 266, 274)를 연장한다.
픽셀 측벽(235)을 형성한 후, 금속층(282)을 증착하고, 식각하여 콘택 바이어스(254, 256, 264, 266, 274, 276)로 설정된 금속 콘택 사이에 분리 트렌치(separation trenches)를 생성한 후, 식각된 트렌치를 SiO2와 같은 절연 물질로 리필하고, 폴리싱하여, 도 7에 나타내어진 픽셀 콘택 패드(700)를 생성한다. 픽셀 콘택 패드(700)는 포토닉 반도체 구조(210)와 디지털 반도체 구조(220) 사이에 콘택 인터페이스(contact interface)를 형성할 것이다.
수직 도파관
전술한 바와 같이 픽셀 측벽(235)을 형성한 후에, 포토닉 반도체 구조(210)는 형성된 측벽(235)에 의하여 포토닉 반도체 구조의 개별적인 픽셀(230)을 정의하는, 전기적 및 광학적으로 분리된 사각형 영역으로 분할될 것이다. 각각의 픽셀(230)의 형성된 포토닉 반도체 구조는 각각 레이저 다이오드 반도체 구조(250, 260, 270)의 부분을 포함할 것이다.
양자 포토닉 이미저 장치(200)의 멀티컬러 픽셀(230)을 전기적 및 광학적으로 분리하는 것에 더하여, 내부에 매립된 도 6c에 도시된 금속 바이어스(236)를 갖고, SiO2와 같은 유전체 물질로 구성된 픽셀 측벽(235)은 각각의 멀티컬러 픽셀(230)에 포함되는 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270)의 광학적 감금 영역의 각각의 부분의 수직 모서리를 광학적으로 밀봉하는 광학적 장벽(optical barriers)을 형성할 것이다. 다시 말해서, 픽셀 측벽(235) 내의 절연 및 콘택 바이어스와 함께, 레이저 다이오드 구조(250, 260, 270) 사이의 절연층 및 금속 콘택층은 수평 및 수직 평면으로 광학적 및 전기적으로 분리되는 수직 적층된 멀티컬러 레이저 다이오드 공진기(resonators)의 어레이를 형성할 것이다. 그러한 전기적 및 광학적 분리는 픽셀(230) 사이의 가능한 전기적 또는 광학적 혼선(crosstalk)을 최소화하고, 어레이 내의 각각의 픽셀 및 각각의 픽셀 내의 각각의 레이저 다이오드를 독립적으로 어드레서블(addressable) 가능하게 한다. 각각의 픽셀(230)로부터의 레이저 광 출력은 각각의 픽셀(230)을 형성하는 수직으로 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역에 광학적으로 결합되는 수직 도파관(290)의 어레이를 통하여 수직으로 방출될 것이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 픽셀의 하나의 수직 도파관의 어레이에 포함되는 수직 도파관(290)의 하나의 수직 및 수평 횡단면도이다. 도 8a 및 도 8b에 나타내어진 바와 같이, 각각의 수직 도파관(290)은 그의 수직 높이를 따라서, 픽셀(230)에 포함되는 3종의 수직으로 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역에 광학적으로 결합할 것이다. 도 8a 및 도 8b에 나타내어진 바와 같이, 각각의 수직 도파관(290)은 다층 클래딩(292) 내에 둘러싸이는 도파관 코어(waveguide core)(291)를 포함할 것이다. 픽셀의 도파관(290)의 어레이는 전형적으로 포토닉 다층 구조(210)의 Si 기판(240) 면을 통하여 식각되고, 다음으로 그 내부는 다층 클래딩(292)으로 코팅된 후, 도파관은 유전체 물질로 리필되어, 수직 도파관 코어(291)을 형성할 것이다. 임의의 적절한 반도체 식각 기술이 수직 도파관(290)을 식각하는데 이용될 수 있으나, 하나의 예시적인 식각 기술은 염소계 화학적-보조 이온 빔 식각(Cl-based CAIBE)과 같은 건식 식각 기술이다. 그러나, 반응성 이온 식각(RIE)과 같은 다른 식각 기술이 이용될 수 있다. 임의의 적절한 반도체 코팅 기술이 수직 도파관(290)의 코어(291) 및 다층 클래딩(292)을 형성하는데 이용될 수 있으나, 하나의 예시적인 층 증착 기술은 플라즈마-보조 화학적 기상 증착(plasma-assisted chemical vapor deposition, PE-CVD)이다. 수직 도파관(290)용으로 식각된 트렌치는 레이저 다이오드 스택의 각각의 레이저 다이오드의 증가하는 파장에 따라서 도 8a에 나타내어진 바와 같이 약간 경사지는 것이 바람직하다.
도 8a 및 도 8b에 나타내어진 바와 같이, 각각의 수직 도파관(290)은 전형적으로 원형 단면적을 갖고, 그의 수직 높이는 Si 기판(240)의 두께 및 픽셀(230)에 포함되는 3종의 수직으로 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 결합된 두께를 연장시킨다. 바람직하게, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 각각을 갖는 결합 영역(coupling region)의 중심에서 픽셀의 수직 도파관(290)의 직경(인덱스 가이딩 직경(index guiding diameter))은 각각의 레이저 다이오드의 파장과 동일할 것이다.
수직 도파관의 제1 실시예
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 일 실시예에서, 픽셀의 수직 도파관(290)의 코어(291)는 단일 픽셀(230)을 형성하는 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역에 "소실장 결합(evanescence field coupled)"될 것이다. 이 실시예에서, 수직 도파관 클래딩(292)은 50 ㎚ 내지 100 ㎚ 두께의, SiO2와 같은 절연 물질의 외부층(293), 및 알루미늄 (Al), 은 (Ag) 또는 금 (Au)과 같은 고반사 금속(high reflective metal)의 내부층(294)을 포함할 것이다. 수직 도파관(290)의 코어(291)는 공기-충진(air-filled)되거나, 또는 SiO2, 실리콘 나이트라이드 (Si3N4) 또는 탄탈륨 펜톡사이드 (TaO5)와 같은 유전체 물질로 채워질 것이다. 이 실시예의 소실장 결합을 통하여, 각각의 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역 내에 감금된 레이저 광의 부분(fraction)은 수직 도파관(290)의 유전체 코어(291)로 결합되며, 여기에서 도파관 클래딩(292)의 고반사 금속성 내부 클래딩층(294)에서의 반사(reflections)를 통하여 수직으로 가이드된다(guided).
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 일 실시예에서, 금속성 내부 클래딩 층(294)을 가로지르는 광자 터널링(photon tunneling)에 기인하여, 각각의 픽셀(230)에 포함되는 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 그의 구성요소 수직 도파관(290) 사이의 결합이 이루어질 것이다. 그러한 광자 터널링은, 도파관 클래딩(292)의 반사 금속성 내부 클래딩층(294)의 두께가 도파관 클래딩(292)의 반사 금속성 내부 클래딩층(294)으로의 소실장의 침투 깊이(penetration depth)보다 충분히 작을 경우 일어날 것이다. 다시 말하여, 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역 내에 감금된 광과 관련된 에너지는 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로 되돌아가기 전에 짧은 거리로 금속성 내부 클래딩층(294)으로 전달되며, 반사 금속성 층(294)의 두께가 충분히 작은 경우, 이 에너지의 일부는 수직 도파관 코어(291)로 결합되고, 도파관 클래딩(292)의 고반사 금속성 내부 클래딩층(294)에서의 반사를 통하여 수직으로 가이드되고, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면에 대하여 수직으로 방출될 것이다.
적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로부터 반사 금속성 층(294)으로 전달된 소실장은 지수적으로(exponentially) 쇠퇴할 것이고, 하기로 주어지는 평균 침투 깊이(mean penetration depth) "d"를 가질 것이다:
[수학식 1]
Figure pat00001
상기에서, λ는 결합된 광의 파장이고, n 0 및 n l는 각각 외부 클래딩층(293) 및 내부 클래딩층(294)의 굴절률(refractive index)이고, θ i는 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로부터 내부 클래딩층(294)으로의 입사광 각도(light angle of incidence)이다.
수학식(1)로 나타내어진 바와 같이, 소정 n 0, n l, θ i에 대하여 소실장 침투 깊이(evanescence field penetration depth)는 광 파장 λ의 감소에 따라 감소한다. 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 의하여 생성되는 3개의 상이한 파장을 효과적으로 결합하는 내부 클래딩층(294)에 대한 하나의 두께 값을 이용하기 위하여, 내부 클래딩층(294)의 두께는 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 의하여 생성된 가장 짧은 파장에 관련된 파장 - 전술한 실시예에서 청색 레이저 다이오드(233)에 관련된 파장 - 인 λ 값으로 수학식(1)을 이용하여 선택된다. 내부 클래딩층(294)의 두께가 이 기준에 근거하여 선택되는 경우, 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 의하여 생성된 광은 수직 도파관(290)으로 결합되어, 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 수직 도파관(290) 사이의 인터페이스에 의하여 반사된 광의 세기가 각각 0.492, 0.416 및 0.368로 될 것이다. 내부 클래딩층(294)의 두께가 증가하는 경우, 수직 도파관(290)으로 결합된 광의 양은 비례적으로 감소할 것이다. 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역을 향한, 및 수직 도파관 코어(291)를 향한 내부 클래딩층(294)의 반사도(reflectivity)는 각각 하기로 주어질 것이다:
[수학식 2a]
Figure pat00002
[수학식 2b]
Figure pat00003
상기에서, n 2는 수직 도파관 코어(291)의 굴절률이고, k 1은 내부 클래딩층(294)의 흡수계수(absorption coefficient)이다.
SiO2가 외부 클래딩층(293)으로 이용되고, Si3N4가 도파관 코어(291) 물질로 이용되는, 본 발명의 소실장 결합된 수직 도파관(evanescence field coupled vertical waveguides)(290)의 상기 예시적 실시예에서, 50 ㎚ 두께의 은 (Ag) 내부 클래딩(294)은 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 수직 도파관(290) 사이의 인터페이스에 입사된 레이저 광의 약 36%를 결합(couple)하며, 수직 도파관(290)의 내부 내에서 약 62% 반사도(reflectivity)를 달성한다. 수직 도파관(290)으로 결합되지 않는 광의 부분은 내부 클래딩(294)에 의하여 흡수되거나(약 0.025), 또는 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로 되돌아가 재활용되며, 여기에서 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 활성영역에 의하여 증폭된 후, 수직 도파관(290)으로 재-결합(re-coupled)된다.
수직 도파관의 제2 실시예
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 다른 실시예에서, 픽셀의 수직 도파관(290)의 코어(291)는 이방성 다층 박막 클래딩(anisotropic multilayer thin cladding)의 이용을 통하여, 단일 픽셀(230)을 형성하는, 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역에 결합될 것이다. 이와 관련하여, "이방성(anisotropic)"이 의미하는 것은 수직 도파관(290)과 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역 사이의 인터페이스의 어느 한쪽에서 비대칭인 것이다. 본 실시예의 가장 간단한 실현은 도파관 코어(291)의 값과 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역의 값 사이의 굴절률 값을 갖고, 바람직하게 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역의 값과 적어도 동일한 굴절률을 갖는 유전체 물질로 바람직하게 채워진 도파관 코어(291)를 갖는 단일 박막 클래딩층(290)을 이용하는 것이다.
박막 유전체 다층 코팅(thin dielectric multilayer coatings)의 반사율(reflectance) 및 투과율(transmittance) 특성은 선행기술문헌 39에 상세하게 기재되어 있다. 정상적인 입사각(normal angle of incidence)에서, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 클래딩층(293) 사이의 인터페이스에서의 반사율(reflectivity)은 하기에 의하여 주어진다:
[수학식 3]
Figure pat00004
n 0, n 1 및 n 2는 각각 클래딩층(293) 및 도파관 코어(291)의 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역의 굴절률(refractive index)이다. 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 클래딩층(293) 사이의 인터페이스에서의 입사각이 증가할 때, 반사율(reflectivity)은, 임계각(critical angle)에 도달할 때, 모든 광이 전부 반사될 때까지 증가한다. 임계각이 인터페이스를 가로지르는 굴절률 비(ratio of refractive index)에 따라 달라지므로, 이 비가, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 클래딩층(293) 사이의 인터페이스의 임계각이 도파관 코어(291)와 클래딩층(293) 사이의 임계각보다 크도록 선택되는 경우, 광의 일부는 도파관 코어(291)로 결합되고, 픽셀의 수직 도파관(290)에 의한 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 통하여 인덱스 가이드되어(index guided), 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면에 대하여 수직으로 방출될 것이다.
약 100 ㎚ 두께의 SiO2가 클래딩층(293)으로 이용되고, 티타늄 디옥사이드 (TiO2)가 도파관 코어(291) 물질로 이용되는, 다층 박막 클래딩(multilayer thin cladding)의 이용을 통한 수직 도파관(290) 결합의 상기 예시적 실시예에서, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 수직 도파관(290) 사이의 인터페이스에 입사된 레이저 광의 약 8.26%가 도파관 코어(291)로 결합되고, 픽셀의 수직 도파관(290)에 의한 내부 전반사를 통하여 인덱스 가이드되어, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면에 대하여 수직으로 방출될 것이다.
전술한 실시예의 소실장 결합(evanescence field coupling)에 비교하여, 다층 박막 클래딩의 이용을 통한 수직 도파관(290)의 결합은 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로부터 도파관 코어(291)로 더 적은 양의 광을 결합하지만, 광은 TIR-가이드(TIR-guided)되기 때문에 수직 도파관(290)의 길이를 가로지르는 동안 결합된 광은 손실되지 않으며, 따라서, 대략적으로 동일한 양의 광이 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면에 대하여 수직인 수직 도파관(290)을 통하여 출력될 것이다. 내부 클래딩(293)에 의하여 수직 도파관(290)으로 결합되지 않은 광의 일부(이 실시예의 경우 91.74%)가 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로 되돌아가 재활용되고, 여기서 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 활성영역에 의하여 증폭된 후, 수직 도파관(290)으로 재-결합된다(re-coupled).
다층 박막 클래딩의 이용을 통한 수직 도파관(290)의 결합의 상기 예시적인 실시예에서, 단지 단일층만이 예시되어 있지만, 다중 박막 클래딩층이 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로 되돌아가 재활용되는 광 세기에 대한, 수직 도파관(290)으로 결합되는 광 세기(light intensity)의 비를 변화시키는데 이용될 수 있다. 예를 들어, TiO2 도파관 코어(291)와 함께, 150 ㎚ 두께의 Si3N4의 외부 클래딩 및 100 ㎚ 두께의 SiO2의 내부 클래딩을 갖는 2종의 박막 클래딩층이 이용되는 경우, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 수직 도파관(290) 사이의 인터페이스에 입사된 레이저 광의 약 7.9%가 도파관 코어(291)로 결합되며, 픽셀의 수직 도파관(290)에 의하여 TIR-가이드되어, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면에 대하여 수직으로 방출된다. 이용된 박막 클래딩층의 수, 그들의 굴절률, 및 두께의 선택은 픽셀의 수직 도파관(290), 및 그 결과로서 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 전체 성능 특성을 미세하게 조절하는데 이용될 수 있는 설계 파라미터이다.
수직 도파관(290)의 제3 실시예
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 다른 실시예에서, 픽셀의 수직 도파관(290)의 코어(291)는 비선형 광학(nonlinear optical (NLO)) 클래딩의 이용을 통하여 단일 픽셀(230)을 형성하는 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역에 결합될 것이다. 이 실시예의 주된 이점은 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 모드-잠김 레이저 방출 장치(mode-locked laser emissive device)(모드-잠김에 의하여 레이저 장치가 광의 초단파 펄스(ultra-short pluses)를 방출할 수 있는 것)로 동작할 수 있게 하는 것이다. 이 실시예에 의하여 실현되는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 모드-잠김 동작의 결과, 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 전력 소비 효율이 향상되고, 피크-대-평균 방출된 광 세기(peak-to-average emitted light intensity)를 더 높이게 된다. 이 실시예의 모드-잠김 동작은 전술한 실시예의 수직 도파관 결합 방법과 함께, 픽셀의 수직 도파관(290)의 클래딩(292) 내에 통합될 것이다.
이 실시예는 도 8b에 나타내어지는 바와 같이, 박막 외부 클래딩 층(thin outer cladding layer)(295) - 이후 게이트 클래딩층(gate cladding layer)으로 나타내어짐 - 을 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역과 외부 클래딩층(293) 사이에 첨가함으로써 실현될 것이다. 게이트 클래딩층(295)은 단일 결정 폴리 PTS 폴리디아세틸렌(PTS- PDA) 또는 폴리디티에노 티오펜(polydithieno thiophene, PDTT) 등과 같은 NLO 물질의 박층(thin layer)일 것이다. 그러한 NLO 물질의 굴절률 n은 입사광에 무관하게 정수(constant)가 아니며, 그 굴절률은 입사관의 세기 I의 증가에 따라 변화된다. 그러한 NLO 물질에 있어서, 굴절률 n은 입사광 세기에 대하여 하기 관계를 따른다:
[수학식 4]
Figure pat00005
수학식(4)에서, χ (3)은 NLO 물질의 3차 비선형 감수율(third order nonlinear susceptibility)이고, n 0는 NLO 물질이 입사광 세기 I의 낮은 값에 대하여 나타내는 선형 굴절률 값(linear refractive index value)이다. 이 실시예에서, 게이트 클래딩층(295)을 구성하는 NLO 물질의 선형 굴절률 n 0 및 두께는, 낮은 입사광 세기 I에서 적층된 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로부터 다층 클래딩(292)에 입사된 실질적으로 모든 광이 다시 반사되고 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로 재활용되며, 여기서 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 활성영역에 의하여 증폭되도록 선택된다.
레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역 내의 광 세기가 통합 광속(integration light flux)에 기인하여 증가하기 때문에, 게이트 클래딩층(295)의 굴절률 n은 수학식(4)에 따라 변화하여, 수직 도파관(290)으로 결합되는 광 세기에 대한, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로 되돌아가 재활용되는 광 세기의 비를 감소시키며, 따라서, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역 내에 통합되는 광속의 일부를 수직 도파관(290)으로 결합시키고, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면에 대하여 수직으로 방출시키게 된다.
광이 도파관(290)으로 결합되기 때문에, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역 내에 통합된 광속이 감소하여, 게이트 클래딩층(295)에 입사된 광의 세기 I를 감소시키며, 차례로 굴절률 n을 수학식(4)에 따라 변화시키고, 수직 도파관(290)으로 결합되는 광 세기에 대한, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역으로 되돌아가 재활용되는 광 세기의 비를 증가시키고, 따라서, 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역 내의 광속 통합(light flux integration)의 사이클(cycle)을 반복시키게 된다.
실제로, 이 실시예의 NLO를 통합하는 다층 클래딩의 이용에 의하여, 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 광학적 감금 영역은 통합된 광속이 수직 도파관(290)으로 결합되는 주기(period), 및 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 픽셀(230) 표면에 방출되는 주기의 사이에서 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 의하여 생성되는 광속을 주기적으로 통합하는 포토닉 캐패시터(photonic capacitors)로서 동작하게 된다.
NLO 게이트 클래딩층(295)이 전술한 실시예의 수직 도파관(290) 결합예의 다층 박막 클래딩과 함께 이용되는 경우, 결합 성능(coupling performance)은 수직 도파관(290)으로 결합되고, 픽셀(230)의 표면에서 방출되는 광이 펄스의 연속(train of pulses)으로 발생하는 것을 제외하고는 유사할 것이다. 약 100 ㎚의 두께를 갖는 PTS-PDA의 NLO 게이트 클래딩층(295)이 약 100 ㎚의 두께의 SiO2 내부 클래딩층(293)과 함께 이용되고, 티타늄 디옥사이드 (TiO2)가 도파관 코어(291) 물질로 이용되는 경우, 픽셀(230)의 표면으로부터 방출되는 광 펄스(light pulses)는 전형적으로 약 20 ps 내지 30 ps 범위의 지속시간(duration), 및 약 50 ps 내지 100 ps 범위의 펄스간 주기(inter-pulse period)를 가질 것이다. NLO 게이트 클래딩층(295)과 함께 이용된 박막 클래딩층의 수, 그들의 굴절률 및 두께의 선택은 픽셀의 수직 도파관(290)의 결합 특성, 및 픽셀(230)로부터 방출된 멀티컬러 레이저 광의 펄싱 특성(pulsing characteristics), 및 그 결과로서 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 전체 성능 특성을 미세하게 조절하는데 이용될 수 있는 설계 파라미터이다.
수직 도파관(290)의 제4 실시예
수직 도파관(290)의 제4 실시예는 도 2d에 나타내어질 수 있다. 이 실시예에서, 도파관은 각각의 레이저 다이오드의 광학적 감금 영역의 말단에서 종결되므로, 스택의 상부에 위치하는 레이저 다이오드의 말단에서 종료되는 도파관은 그 레이저 다이오드로부터의 광만을 결합하고, 스택의 상부 레이저 다이오드로부터 두 번째로 종료되는 도파관은 제1 및 제2 레이저 다이오드로부터의 광을 결합하고, 스택의 상부로부터 3번째 레이저 다이오드에서 종료되는 도파관은 스택의 제1, 제2 및 제3 레이저 다이오드로부터의 광을 결합하게 될 것이다. 바람직하게, 이러한 도파관은 점점 가늘어지지 않고 곧게 뻗을 것이다. 이러한 도파관은 공기-충진되거나, 또는 SiO2와 같은 적합한 유전체가 채워질 수 있다. 이와 같이 높이가 다른 도파관을 이용하여, 스택의 제1 레이저 다이오드로부터 결합된 광의 양이 스택의 제2 레이저 다이오드로부터 결합된 광의 양보다 더 크고, 스택의 제2 레이저 다이오드로부터의 광의 양이 스택의 제3 레이저 다이오로부터 결합된 광의 양보다 클 것이다. 충분한 색역(color gamut)은 적색보다는 녹색을, 청색보다는 적색을 포함하므로, 스택의 상부에 녹색 다이오드, 스택의 중간부에 적색 다이오드, 및 스택의 하부에 청색 다이오를 배치할 수 있다.
픽셀 도파관 어레이
전술한 논의에서 설명된 바와 같이, 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 각각의 픽셀(230)은, 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 의하여 생성된 광이 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 표면에 대하여 수직인 방향으로 방출되는 복수의 수직 도파관(290)을 포함할 것이다. 복수의 픽셀의 수직 도파관(290)은 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 의하여 생성된 광이 방출되는 이미터(emitters)의 어레이를 형성할 것이다. 전술한 처음 3개의 실시예의 수직 도파관(290) 광 결합 방법을 고려해 볼 때, 픽셀의 수직 도파관(290)의 각각으로부터 방출된 광은 그의 최대 세기의 절반에서 약 ±20도의 각도 너비(angular width)를 갖는 가우시안 단면(Gaussian cross-section)을 가질 것이다. 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 바람직한 실시예에서, 복수의 픽셀의 수직 도파관(290)은 픽셀(230)의 표면으로부터 방출된 광의 최대 발산각(maximum divergence angle)(콜리메이션 각(collimation angle)을 감소시키도록 선택되는 수 및 패턴으로 정렬되어, 픽셀의 면적(area)을 가로지르는 균일한 휘도(brightness)를 제공하고, 픽셀 휘도(brightness)를 최대화한다.
선행기술문헌 41의 잘 알려진 위상 이미터 어레이(phased emitter arrays)의 이론을 이용하여, 픽셀의 수직 도파관(290) N개를 포함하는 자오면(meridian plane) 내에서 픽셀(230)에 의하여 방출된 광의 각도 세기(angular intensity)는 하기에 의하여 주어진다:
[수학식 5a]
Figure pat00006
여기에서,
[수학식 5b]
Figure pat00007
J1 (.) 베셀 함수(Bessel function), λ는 픽셀의 수직 도파관(290)에 의하여 방출된 광의 파장이고, a는 수직 도파관(290)의 직경이고, d는 픽셀의 수직 도파관(290) 사이의 중심-대-중심(center-to-center) 거리이고, E(θ)는 픽셀의 수직 도파관(290)의 각각으로부터 방출된 광의 세기 프로파일(intensity profile)이며, 이는 전술한 바와 같이 전형적으로 그의 최대 세기의 절반에서 약 ±20도의 각도 너비를 갖는 가우시안 프로파일(Gaussian profile)일 것이다. 바람직하게, 파라미터 a, 각각의 레이저 다이오드(231, 232, 233)와읜 결합 영역(coupling region)의 중심에서 픽셀의 수직 도파관(290)의 직경(인덱스 가이딩 직경(index guiding diameter))은 각각의 레이저 다이오드의 파장과 동일할 것이다. 파라미터 d, 픽셀의 수직 도파관(290) 사이의 중심-대-중심 거리(center-to-center distance)는 적어도 1.2a이며, 그의 특정 값은 픽셀(230)의 방출 특성을 미세하게 조절하도록 선택될 것이다.
도 9a는 픽셀(230)에 의하여 방출된 파장의 다중 값에서 픽셀의 대각선을 함유하는 자오면 내에서, 전술한 바와 같이 특정된 직경 a 및 중심-대-중심 d = 2a를 갖는 9×9 균일하게 배치된 수직 도파관(290)의 어레이를 포함하는 10×10 미크론 픽셀(230)에 의하여 방출되는 광의 각도 세기를 나타낸다. 특히, 도 9a에서, 프로파일(910, 920, 930)은 적색 파장(615 ㎚), 녹색 파장(520 ㎚) 및 청색 파장(460 ㎚)에서 픽셀(230)에 의하여 방출된 광의 각도 세기를 나타낸다. 도 9a에 나타낸 바와 같이, 픽셀(230), 및 그 결과로서 양자 포토닉 이미저(200)에 의하여 방출된 멀티컬러 레이저 광은 ±5°이내의 콜리메이션 각을 갖는 단단히 시준된(tightly collimated) 방출 패턴을 가지므로, 양자 포토닉 이미저 장치(200)가 약 4.8의 광학적 f/#을 갖도록 한다.
픽셀(230) 표면 내의 수직 도파관(290)의 패턴은 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 대한 광학적 f/# 측면에서 요구되는 방출 특성을 달성하도록 맞춰질 수 있다. 수직 도파관(290)의 패턴을 형성하는데 있어서 중요한 설계 기준은 수직 도파관(290)의 어레이가 식각된 후에, 픽셀의 광 생성 레이저 다이오드(231, 232, 233)를 위한 충분한 면적을 유지하면서, 요구되는 광학적 f/#에서, 균일한 방출을 생성하는 것이다. 도 9b는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)와 함께 이용될 수 있는 픽셀(230) 표면 내에서 수직 도파관(290)의 몇몇 가능한 패턴을 나타낸다. 본 발명의 교시에 근거하여, 당업자는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 의도된 응용에 가장 적합한 광 방출 광학적 f/#를 생성하는 픽셀(230) 표면 내에서 수직 도파관(290)의 패턴을 선택하는 방법을 알 것이다.
디지털 구조
도 10a는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 디지털 반도체 구조(220)의 수직 횡단면도를 나타낸다. 디지털 반도체 구조(220)는 통상적인 CMOS 디지털 반도체 기술에 의하여 제조될 수 있으며, 도 10a에 나타낸 바와 같이, Si 기판(227) 상에 통상적인 CMOS 디지털 반도체 기술을 이용하여 증착된, SiO2와 같은 절연 반도체 물질의 박층에 의하여 분리되는 다중 금속층(222, 223, 224, 225) 및 디지털 컨트롤 로직(226)을 포함할 것이다.
도 10b에 나타내어진 바와 같이, 금속층(222)은 복수의 픽셀의 콘택 패드 패턴을 통합함으로써, 각각의 콘택 패드 패턴이 도 7에 나타낸 포토닉 반도체 구조(210)의 픽셀 콘택 패드 패턴의 것과 실질적으로 동일하게 될 것이다. 금속층(222)의 복수의 픽셀 콘택 패드 패턴은 전술한 바와 같이 포토닉 반도체 구조(210)와 디지털 반도체 구조(220) 사이의 본딩 인터페이스(bonding interface)를 구성할 것이다. 금속층(222)은 도 2c에 나타내어진 바와 같이, 그 주변에서, 전체 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 장치 콘택 본딩 패드(device contact bonding pads)(221)을 통합할 것이다.
도 10c는 각각 전력(power) 및 접지(ground)를 픽셀의 적색, 녹색, 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 분배하도록 지정되는 독립적인 전력 및 접지 금속 레일(power and ground metal rails), 및 전력 및 접지를 디지털 반도체 구조(220)의 디지털 로직 부분에 보내도록 지정되는 금속 레일(325)을 통합하는 금속층(223)의 레이아웃을 나타낸다. 도 10d는 데이터(410), 업데이트(update)(415), 및 클리어(clear)(420) 신호를, 각각 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온-오프(on-off) 상태를 제어하도록 지정되는 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조(226) 섹션으로 분배하도록 지정된 독립적인 금속 트레이스(metal traces)를 통합하는 금속층(224)의 레이아웃을 나타낸다. 도 10e는 로드(load)(510) 및 이네이블(enable)(520) 신호를, 각각 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온-오프(on-off) 상태를 제어하도록 지정되는 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조(226) 섹션으로 분배하도록 지정되는 독립적인 금속 트레이스를 통합하는 금속층(225)의 레이아웃을 나타낸다.
디지털 컨트롤 로직 반도체 구조(226)는 포토닉 반도체 구조(210) 바로 아래에 배치되는 픽셀의 디지털 로직 섹션(228)(도 2b), 및 도 2c에 나타낸 바와 같이, 디지털 로직 영역(228)의 주변에 배치되는 컨트롤 로직 영역(control logic region)(229)을 포함할 것이다. 도 11a는 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조(226)의 컨트롤 로직 섹션(229)의 예시적 실시예를 나타내며, 이는 컨트롤 클록 신호(control clock signal)(428, 429)에 더하여, 각각 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 대하여 외부적으로 생성된, 적색, 녹색 및 청색 PWM 시리얼 비트 스트림 입력 데이터(PWM serial bit stream input data) 및 클록 신호(425, 426, 427)를 수용하고, 수용된 데이터 및 클록 신호를, 상호 접속 금속층(224, 225)을 통하여 디지털 로직 섹션(228)으로 보내지는 컨트롤 및 데이터 신호(410, 415, 420, 510, 520)로 변환하도록 설계된다.
디지털 컨트롤 로직 반도체 구조(226)의 디지털 로직 섹션(228)은 픽셀의 로직 셀(300)의 2차원 어레이를 포함함으로써, 각각의 그러한 로직 셀은 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 픽셀(230)의 하나의 바로 아래에 배치될 것이다. 도 11b는 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조(226)의 디지털 로직 섹션(228)에 포함되는 디지털 로직 셀(300)의 예시적인 실시예를 나타낸다. 도 11b에 나타내어진 바와 같이, 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 각각의 픽셀에 관련되는 픽셀 로직 셀(300)은 각각 적색, 녹색 및 청색 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 상응하는 디지털 로직 회로(810, 815, 820)를 포함할 것이다. 도 11b에 나타내어진 바와 같이, 디지털 로직 회로(810, 815, 820)는 컨트롤 및 데이터 신호(410, 415, 420, 510, 520)를 수용하고, 수용된 데이터 및 컨트롤 신호에 근거하여, 전력 및 그라운드 신호(ground signals)(310, 315, 320)의 적색, 녹색 및 청색 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233) 각각에 대한 연결(connectivity)을 이네이블할 수 있게 될 것이다.
디지털 반도체 구조(220)는 다수의 디지털 반도체 구조(220)를 통합하는 모노리식 CMOS 웨이퍼로서 제조될 것이다(도 2a). 전술한 바와 같이, 디지털 반도체 구조(220)는 웨이퍼-레벨 직접 결합 기술 등을 이용하여 포토닉 반도체 구조(220)에 결합되어, 통합된 멀티 웨이퍼 구조(integrated multi wafer structure)를 형성하고, 이는 장치 콘택 본딩 패드(221)를 노출시키기 위하여 각각의 단일 양자 포토닉 이미저 장치(200) 다이 영역(die area) 주변에서 식각된 후, 도 2a 및 2b에 나타내어진 개별적인 양자 포토닉 이미저 장치(200)로 커팅될 것이다. 또는, 디지털 반도체(210) 웨이퍼가 다이(dies)로 커팅되고, 독립적으로 포토닉 반도체 구조(210) 웨이퍼가 다이로 커팅되며, 이들 각각은 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 요구되는 수를 포함하는 영역을 갖고, 이후, 각각의 포토닉 반도체 구조(210) 다이는 플립-칩 기술(flip-chip techniques) 등을 이용하여 디지털 반도체(210) 다이에 다이-레벨 결합되어, 도 2a 및 도 2c에 나타낸 단일 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 형성한다.
QPI 제조 흐름
도 12는 전술한 단락에 기재된 예시적인 실시예에 따라 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 제조하는데 이용되는 반도체 공정 흐름을 나타내는 플로우 차트이다. 도 12에 나타내어진 바와 같이, 공정은 단계 S02에서 시작하여 단계 S30까지 계속되며, 그 동안 다양한 웨이퍼를 결합하고, 절연층 및 금속층을 증착하고, 상호 접속 바이어스(interconnect vias), 측벽 및 수직 도파관을 형성한다. 레이저 다이오드 다층 반도체 구조(250, 260, 270) 및 디지털 반도체 구조(220)의 반도체 제조 흐름은 도 12에 나타낸 제조 공정 흐름과 독립적으로 및 외적으로 수행되며, 이는 이러한 웨이퍼의 결합, 및 픽셀 구조(230) 및 상호 접속의 형성의 반도체 공정 흐름의 예시적인 실시예를 나타내기 위한 것이다.
단계 S02에서, SiO2 절연층(241)을 베이스 Si 기판(240) 웨이퍼 상에 증착할 것이다. 단계 S04에서, p-콘택 금속층을 증착하고, 단계 S06에서, 형성된 스택을 레이저 다이오드 다층 반도체 웨이퍼와 결합하고, 레이저 다이오드 웨이퍼를 식각저지층까지 식각한다. 단계 S08에서, 픽셀 측벽 트렌치를 먼저, 단계 S04에서 증착된 금속층 전의 절연층까지, 다음으로 단계 S04에서 증착된 금속층까지 이중 식각하고, 다음으로 식각된 트렌치를 SiO2로 리필한다. 단계 S10에서, 픽셀 수직 콘택 바이어스를 위한 트렌치를 단계 S04에서 증착된 금속층까지 식각하고, 다음으로 얇은 절연층을 증착하고, 증착된 바이어스를 노출시키기 위하여 식각한다. 단계 S12에서, n-콘택 금속층을 증착한 후, 식각하여 픽셀의 측벽 트렌치의 높이를 연장한다. 단계 S14에서, SiO2의 절연층을 증착한 후, 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 통합되는 레이저 다이오드 다층 반도체 웨이퍼의 각각에 대하여 단계 S04에서 S14까지의 공정 흐름을 반복한다.
단계 S16에서, 본딩 콘택 패드(700)를 형성하는데 요구되는 금속층을 증착한 후, 식각하여 도 7에 나타내어진 콘택 패드 패턴을 형성한다. 단계 S20에서, 형성된 다층 구조의 Si 기판 면을 통하여 수직 도파관(290)을 식각하여, 도 9b에 나타낸 것과 같은 픽셀(230)의 도파관 패턴을 형성한다. 단계 S22에서, 도파관 클래딩층(282)을 증착한 후, 단계 S24에서 도파관 캐비티(cavities)를 도파관 코어(291) 물질로 리필한다. 단계 S26에서, 형성된 다층 레이저 다이오드 구조의 Si 기판 면을 광학적 품질로 폴리싱하고, 요구되는 바와 같이 코팅하여, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 방출 표면(emissive surface)을 형성한다. 단계 S02 내지 S28는 웨이퍼-크기 포토닉 반도체 구조(210)에 이르게 되고, 이는 단계 S28에서 디지털 반도체 구조(220) 웨이퍼와 웨이퍼-레벨 패드-면 결합된다(wafer-level pad-side bonded).
단계 S30에서, 결과물인 멀티-웨이퍼 스택(multi-wafer stack)을 식각하여, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 개별적인 다이의 콘택 패드(221)를 노출시키고, 멀티-웨이퍼 스택을 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 개별적인 다이로 커팅한다.
단계 S30의 공정에 대한 다른 대안적인 접근은 단계 S02 내지 S06의 공정에 의하여 형성된 포토닉 반도체 구조(210)를 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 대하여 요구되는 다이 크기(die size)로 커팅하고, 디지털 반도체 구조(220) 웨이퍼를 다이로 개별적으로 커팅한 후, 플립-칩 기술을 이용하여 2종의 다이를 패드-면 결합하여, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 개별적인 다이를 형성하는 것이다.
QPI 프로젝터
양자 포토닉 이미저 장치(200)는 전면(front) 또는 후면(rear) 프로젝션 디스플레이 시스템에 이용되는 디지털 이미지 프로젝터에서 디지털 이미지 소스로 전형적으로 이용될 것이다. 도 13은 디지털 이미지 소스로 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 포함하는 전형적인 디지털 이미지 프로젝터(800)의 예시적인 실시예를 나타낸다. 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 디지털 이미지 입력(input)을 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 대한 PWM 포매팅된 입력(PWM formatted input)으로 변환시키는, 컴패니언 디지털 장치(companion digital device)(850)(이미지 데이터 프로세서로 나타내어지며, 후속 단락에서 기능적으로 기재됨)와 함께 인쇄회로 기판(printed circuit board) 상에 통합될 것이다. 도 13에 나타내어지는 바와 같이, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 방출 광학 개구(emissive optical aperture)는 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 의하여 생성된 이미지를 요구되는 프로젝션 이미지 크기로 확대하는 프로젝션 광학 장치 렌즈계(projection optics lens group)(810)와 결합될 것이다.
전술한 바와 같이, 양자 포토닉 이미저 장치(200)로부터 방출된 광은 약 4.8의 광학적 f/# 내에 전형적으로 함유되며, 이에 의하여 적당한 복잡성(moderate complexity)의 적은 렌즈(전형적으로 2 또는 3개 렌즈)를 이용할 수 있게 되어, 20 내지 50의 범위의 소스 이미지 확대율(magnification)을 달성하게 된다. 약 2.4의 광학적 f/#를 갖는 마이크로-미러, LCOS 또는 HTPS 이미저 장치와 같은 기존의 디지털 이미저를 이용하는 전형적인 디지털 프로젝터는 소스 이미지 확대율의 유사한 수준을 달성하기 위하여 8개나 되는 렌즈를 전형적으로 필요로 할 것이다. 또한, 마이크로-미러, LCOS 또는 HTPS 이미저 장치와 같은 수동형(passive)(반사형(reflective) 또는 투과형(transmissive)을 의미함) 디지털 이미저를 이용하는 전형적인 디지털 프로젝터는 이미저를 조명하기 위한 복합 광학 어셈블리(complex optical assembly)를 필요로 할 것이다. 비교하면, 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 방출 이미저이므로, 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 이용하는 디지털 이미지 프로젝터(800)는 복합 광학 조명 어셈블리를 필요로 하지 않을 것이다. 조명 광학 장치의 제거에 더하여, 확대(magnification)를 위하여 요구되는 감소된 수의 렌즈는 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 이용하는 디지털 이미지 프로젝터(800)를 마이크로-미러, LCOS 또는 HTPS 이미저 장치와 같은 기존 디지털 이미저를 이용하는 디지털 프로젝터보다 실질적으로 덜 복잡하고, 실질적으로 더 컴팩트하고, 덜 비용이 나가게 할 수 있다.
OPI 장치 효율
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 중요한 측면은 그의 밝기(luminance)(휘도(brightness)) 성능 및 그의 상응하는 전력 소비이다. 각각 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 특정된 바와 같이 전술한 예시적 실시예의 레이저 다이오드 구조(231, 232, 233)를 갖는 단일 10×10 미크론 픽셀(230)은 약 4.5 μW, 7.4 μW, 및 11.2 μW를 소비하여, 각각 적색(615 ㎚), 녹색(520 ㎚) 및 청색(460 ㎚)의 약 0.68 μW, 1.1 μW 및 1.68 μW의 복사속(radiant flux)을 생성하며, 이는 8,000 K°의 색 온도(color temperature)에서 1 밀리 루멘(milli lumen)의 광속(luminous flux)과 동등시된다. 다시 말하여, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 단일 10×10 미크론 픽셀(230)은 8,000 K°의 색 온도에서 약 1 밀리 루멘의 광속을 생성하기 위하여 약 23 μW를 소비하며, 이는 픽셀이 0.5×0.5 밀리미터로 확대될 때, 1,200 칸델라(candela)/m2보다 큰 휘도를 제공하기에 충분하다. 전형적으로 350 칸델라/m2 내지 500 칸델라/m2의 범위인 대부분의 기존 판매되는 디스플레이에 의하여 제공되는 휘도에서, 0.5×0.5 밀리미터로 확대되는 경우 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 단일 10×10 미크론 픽셀(230)은 10 μW 미만을 소비하며, 이는 마이크로-미러, LCOS 또는 HTPS 장치를 이용하는 PDP, LCD 또는 프로젝션 디스플레이와 같은 기존의 판매되는 디스플레이에 의하여 요구되는 전력보다 거의 101.5 배(one and a half orders of magnitude) 작다.
마이크로-미러, LCOS 또는 HTPS 이미저 장치와 같은 디지털 이미저를 이용하는 모든 프로젝터에서 요구되는 조명 광학 장치(illumination optics) 및 이미저 광학 결합(imager optical coupling)에 관련된 비효율성 제거의 직접적인 결과로써, 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 기존의 디지털 이미저와 비교할 때 실질적으로 더 높은 효율성을 달성할 것이다. 특히, 본 발명의 양자 포토닉 이미저(200)를 이용하는 도 13에 나타내어진 디지털 프로젝터(800)에 관련된 손실은 프로젝션 광학 장치 렌즈계(810)에 기인하는 손실로 제한될 것이며, 이는 약 4%일 것이다. 이는, 생성된 광속(generated luminous flux)에 대한 투영된 광속(projected luminous flux)의 비율 측면에서, 양자 포토닉 이미저(200)를 이용하는 도 13에 나타내어진 디지털 프로젝터(800)의 효율성(efficiency)이 거의 96%라는 의미이며, 이는 마이크로-미러, LCOS 또는 HTPS 이미저 장치와 같은 기존의 디지털 이미저를 이용하는 프로젝터에 의하여 얻어지는 10% 미만의 효율성보다 실질적으로 높다.
예를 들어, 100만개의 픽셀을 갖는 본 발명의 양자 포토닉 이미저(200)를 이용하는 도 13에 나타내어진 디지털 프로젝터(800)는 8,000 K°의 색 온도에서 약 1,081 루멘(lumen)의 광속을 생성하기 위하여 약 25.4 와트(watts)를 소비할 것이며, 이는 전면 프로젝션 스크린(front projection screen)에서 약 1,000 칸델라/m2의 휘도로 60" 대각선(diagonal)을 갖는 이미지를 투영하기에 충분할 것이다. 전형적인 프로젝션 스크린의 효율성을 고려할 때, 디지털 프로젝터(800)의 인용된 예는 후면 프로젝션 스크린(rear projection screen)에서 약 560 칸델라/m2의 휘도를 갖는 이미지를 투영할 것이다. 비교 목적을 위하여, 350 칸델라/m2 범위의 휘도를 이루는 전형적인 기존의 후면 프로젝션 디스플레이의 전력 소비는 250 와트 이상일 것이며, 이는 이미지 소스로 양자 포토닉 이미저(200)를 이용하는 디지털 프로젝터(800)가 기존의 전면 및 후면 프로젝션 디스플레이에 비하여, 실질적으로 더 낮은 전력 소비로, 훨씬 더 높은 투영 이미지 휘도(projected image brightness)를 이루는 것을 나타낸다.
OPI 이점 및 어플리케이션
양자 포토닉 이미저 장치(200)를 이용하는 디지털 이미지 프로젝터(800)의 컴팩트성(compactness) 및 저 비용 특성은 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 낮은 전력 소비와 결합될 때, 휴대폰, 랩탑 PC 또는 유사한 모바일 장치와 같은 모바일 플랫폼(mobile platforms) 내에 효과적으로 매립될 수 있는 디지털 이미지 프로젝터를 설계 및 제조할 수 있게 할 것이다. 특히, 640×480 픽셀을 갖고, ±25도의 투영 시계(projection field of view)를 이루도록 설계된 도 13에 도시된 것과 같은, 본 발명의 양자 포토닉 이미저(200)를 이용하는 디지털 프로젝터(800)는 약 15×15 ㎜ 부피(volume)를 이루며, 약 200 칸델라/m2의 휘도를 갖는 18" 투영된 대각선 이미지(projected image diagonal)를 투영하기 위하여 1.75 와트 미만을 소비할 것이다(참조 목적으로, 랩탑 PC의 전형적인 휘도가 약 200 칸델라/m2이다).
그의 컴팩트성과 낮은 전력 소비 때문에, 본 발명의 양자 포토닉 이미저(200)는 헬멧-장착(helmet-mounted) 디스플레이 및 바이저(visor) 디스플레이와 같은 눈에 가까운(near-eye) 어플리케이션에 적합할 것이다. 또한, 그의 울트라와이드 색역 능력 때문에, 본 발명의 양자 포토닉 이미저(200)는 시뮬레이터 디스플레이 및 게이밍(gamming) 디스플레이와 같은 실제적인 이미지 컬러 렌디션(image color rendition)을 필요로 하는 어플리케이션에 적합할 것이다.
QPI 동작
이전 단락에 기재된 그의 픽셀 기반 레이저 광 생성 능력에 의하여, 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 외부 입력으로부터 수용된 디지털 소스 이미지 데이터를, 도 13에 나타내어진 프로젝터(800)의 프로젝션 광학 장치로 결합되는 광학적 이미지로 변환시킬 수 있을 것이다. 소스 이미지를 합성하기 위하여 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)를 이용할 때, 각각의 이미지 픽셀의 루마(luma)(휘도) 및 크로마(chroma)(색) 성분(components)은 상응하는 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온/오프 듀티 사이클(on/off duty cycle)의 배분된 설정(apportioned setting)을 통하여 동시에 합성될 것이다. 특히, 소스 이미지 픽셀의 각각에 대하여, 픽셀의 크로마 성분은 픽셀에 대하여 요구되는 색 좌표(color coordinate)를 반영하는, 상응하는 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233) 온/오프 듀티 사이클 상대적 비(on/off duty cycle relative ratio)를 설정함으로써 합성될 것이다. 유사하게, 소스 이미지 픽셀의 각각에 대하여, 픽셀의 루마 성분은 픽셀에 대하여 요구되는 휘도를 반영하는, 상응하는 픽셀의 광 생성 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233) 공통의 온/오프 듀티 사이클 값(collective on/off duty cycle values)의 온/오프 듀티 사이클을 설정함으로써 합성될 것이다. 다시 말하여, 소스 이미지 픽셀 각각의 픽셀의 루마 및 크로마 성분은 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 상응하는 픽셀의 광 생성 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온/오프 듀티 사이클 및 동시성(simultaneity)을 제어함으로써 합성될 것이다.
이전 단락에 기재된 양자 포토닉 이미저 장치(200) 의 예시적 실시예의 선택된 파장, 픽셀의 적색 레이저 다이오드(231)에 대하여 615 ㎚, 픽셀의 녹색 레이저 다이오드(232)에 대하여 520 ㎚, 및 픽셀의 청색 레이저 다이오드(433)에 대하여 460 ㎚를 갖는 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온/오프 듀티 사이클을 제어함으로써, 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 CIE XYZ 색 공간(color space)과 관련하여 도 14에 나타내어진 그의 고유 색역(native color gamut)(905) 내의 임의의 픽셀의 색 좌표(color coordinate)를 합성할 수 있을 것이다. 특히, 양자 포토닉 이미저 장치(200) 픽셀의 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 예시적 실시예의 전술한 동작 파장(operational wavelengths)은 CIE XYZ 색 공간과 관련하여 도 14a에 나타내어진 바와 같은 그의 고유 색역(905)의 정점(vertices)(902, 903, 904)을 각각 정의한다.
소스 이미지의 특정 색역은 전형적으로 NTSC 및 HDTV 표준과 같은 이미지 컬러 표준(image color standards)에 근거할 것이다. 비교 목적으로, NTSC(308) 및 HDTV(309)의 디스플레이 색역 표준(display color gamut standards)을 참고로 도 14a에 나타내며, 이는 적색에 대하여 615 ㎚, 녹색에 대하여 520 ㎚, 및 청색에 대하여 460 ㎚의 컬러 프라이머리 파장(color primaries wavelengths)에 의하여 정의된 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 예시적인 실시예의 고유 색역(305)이 NTSC(308) 및 HDTV(309) 색역 표준을 포함하며, 상당한 양으로 이러한 색역 표준(color gamut standards) 이상으로 확대되는 것을 나타내기 위한 것이다.
도 14a에 나타내어진 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 확대된 고유 색역(extended native color gamut)(305)을 고려해 볼 때, 소스 이미지 데이터는 그의 참조 색역(reference color gamut)(NTSC(308) 및 HDTV(309) 색역에 대하여 도 14a에 나타내어진 것과 같은)으로부터 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 고유 색역(305)으로 맵핑된다(변환된다). 그러한 색역 변환(color gamut conversion)은 소스 이미지 픽셀의 각각의 [R, G, 및B] 성분에 대하여 하기 매트릭스 변환(matrix transformation)을 적용함으로써 이루어질 수 있다:
[수학식 6]
Figure pat00008
상기에서, 3×3 변환 매트릭스 M은 예를 들어, CIE XYZ 색 공간과 같은 소정 참조 색역 내에서, 소스 이미지 색역의 백색점(white point) 및 컬러 프라이머리(color primaries)의 좌표의 색도값(chromaticity values)과 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 백색점 및 컬러 프라이머리(902, 903, 904)(도 14b)의 좌표로부터 산출된다. 수학식(6)에 의하여 정의된 매트릭스 변환의 결과는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 고유 색역(305)에 대하여 소스 이미지 픽셀의 성분 [R QPI , G QPI , B QPI ] 을 정의할 것이다.
도 14b는 정점(902, 903, 904)에 의하여 정의되는 양자 포토닉 이미저 장치(200) 고유 색역(305)에 대하여 2개의 예시적인 픽셀(906, 907)의 소스 이미지 픽셀의 성분 [R QPI , G QPI , B QPI ]을 정의하기 위하여, 수학식(6)에 의하여 정의되는 매트릭스 변환의 결과를 나타낸다. 도 14b에 나타내어진 바와 같이, 값 [R QPI , G QPI , B QPI ] 는 전체 색역(305)에 걸쳐, 양자 포토닉 이미저 장치(200)가 NTSC(308) 및HDTV(309) 색역(도 14a)에 의하여 제공되는 것보다 매우 광범위한 색역을 갖는 소스 이미지의 픽셀 [R, G, B] 값을 합성하게 할 수 있다. 더 광범위한 색역 표준 및 와이드-색역 디지털 이미지 및 비디오 입력 컨텐츠가 이용가능하게 되므로, 본 발명의 양자 포토닉 이미저(200)를 이용하는 디지털 프로젝터(800)는 그러한 와이드-색역 포맷으로 소스 이미지 및 비디오 컨텐를 투영할 수 있다. 그 동안에, 양자 포토닉 이미저(200)의 와이드-색역 능력에 의하여 이전 단락에서 인용된 예시적인 값보다 훨씬 낮은 전력에서 기존의 색역(NTSC(308) 및 HDTV(309) 색역)을 갖는 디지털 이미지 및 비디오 입력을 합성할 수 있게 된다.
소스 이미지에서 모든 픽셀의 [R, G, B] 값은 수학식(6)에 의하여 정의된 변환을 이용하여 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 고유 색역(305)(색 공간)으로 맵핑될 것이다(변환될 것이다). 일반성을 잃지 않고, 소스 이미지의 백색점이 [R, G, B] = [1, 1, 1]을 갖는 것, 소스 이미지의 모든 픽셀의 [R, G, B] 값을 백색점의 [R, G, B] 값으로 나눔으로써 항상 만족될 수 있는 조건인 것을 추정하면, 소스 이미지 픽셀의 각각에 대한 수학식(6)에 의하여 정의되는 변환의 결과는 검은색에 대한 [0, 0, 0] 내지 백색에 대한 [1, 1, 1] 범위의 벡터 [R QPI , G QPI , B QPI ]일 것이다. 상기 표현은 예를 들어 CIE XYZ 색역과 같은 참조 색 공간 내에서, 픽셀의 것과, 값 [R QPI , G QPI , B QPI ]에 의하여 정의되는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 고유 색역(305)의 컬러 프라이머리(902, 903, 904) 사이의 거리가 그 각각의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 대한 온/오프 듀티 사이클 값을 정의한다는 이점을 갖는다:
[수학식 7]
Figure pat00009
상기에서, λ R , λ G , 및 λ B 는 소스 이미지에 포함되는 각각의 픽셀의 [R, G, B] 값을 합성하는데 필요한, 양자 포토닉 이미저 장치(200) 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233) 각각의 픽셀(230)의 온/오프 듀티 사이클을 나타낸다.
정적 이미지이든지, 또는 동적 비디오 이미지이든지, 전형적인 소스 이미지 데이터 입력은 예를 들어, 60 ㎐ 또는 120 ㎐의 어느 하나인 프레임 속도(frame rate)로 입력되는 이미지 프레임(image frame)을 포함한다. 소정 소스 이미지 프레임 속도에 있어서, 소스 이미지 픽셀의 [R, G, B] 값을 합성하는데 필요한, 양자 포토닉 이미저 장치(200) 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 각각의 픽셀(230)의 온-타임(on-time)은 값 λ R , λ G , 및 λ B 에 의하여 정의되는 프레임 지속시간(frame duration)의 부분(fraction)일 것이다.
포토닉 반도체 구조(210)에 포함되는 반도체 물질 특성으로부터 야기될 수 있는 가능한 픽셀-대-픽셀(pixel-to-pixel) 휘도 변화를 설명하기 위하여, 전술한 장치 제조 단계의 종결시에 전형적으로 이루어지는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 시험 중에, 장치 밝기 프로파일(device luminance profile)을 측정하고, 휘도 균일성 가중 요소(brightness uniformity weighting factor)를 각각의 픽셀에 대하여 산출한다. 휘도 균일성 가중 요소는 룩업-테이블(lookup-table, LUT)로써 저장되며, 양자 포토닉 이미저 장치(200) 컴패니언 이미지 데이터 프로세서(850)에 의하여 적용될 것이다. 이러한 휘도 균일성 가중 요소를 고려할 때, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 픽셀(230)의 각각에 대한 온-타임(on-time)은 하기에 의하여 주어질 것이다:
[수학식 8]
Figure pat00010
상기에서, K R , K G 및 K B 는 양자 포토닉 이미저 장치(200) 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233) 각각에 대한 휘도 균일성 가중 요소이다.
수학식(8)에 의하여 표현되는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 각각의 픽셀(230)의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온-타임 값(on-time values)은 통상적인 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 기술을 이용하여 시리얼 비트 스트림(serial bit streams)으로 변환되고, 픽셀 어드레스(address)(양자 포토닉 이미저 장치(200)에 포함되는 픽셀의 어레이 내의 각각의 픽셀의 열(row) 및 행(column) 어드레스) 및 적절한 동기화 클록 신호(synchronization clock signal)와 함께, 소스 이미지의 프레임 속도로 양자 포토닉 이미저 장치(200)로 입력될 것이다.
양자 포토닉 이미저 장치(200)에 의하여 요구되는, 이미지 소스 데이터의 입력 신호로의 변환은 수학식(6) 내지 (8)에 따라 컴패니언 이미지 데이터 프로세서(850)에 의하여 수행될 것이다. 도 15a 및 도 15b는 각각 양자 포토닉 이미지 데이터 프로세서(850)의 블록 다이어그램 및 양자 포토닉 이미저 장치(200)와의 그의 인터페이스와 관련된 타이밍 다이어그램(timing diagram)을 나타낸다. 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 싱크 & 컨트롤 블록(SYNC & Control block)(851)은 소스 이미지 또는 비디오 입력과 관련된 프레임 동기화 입력 신호(frame synchronization input signal)(856)를 수용하고, 프레임 프로세싱 클록 신호(frame processing clock signal)(857) 및 PWM 클록(clock)(858)를 생성한다. PWM 클록(858) 속도는 프레임 속도 및 소스 이미지 또는 비디오 입력의 워드 길이(word length)에 의하여 영향을 받을 것이다. 도 15b에 나타내어진 PWM 클록(858) 속도는 120 ㎐의 프레임 속도 및 16-비트의 워드 길이에서 동작되는, 양자 포토닉 이미저(200)와 컴패니언 이미지 데이터 프로세서(850)의 예시적인 실시예를 반영한다. 당업자는 도 15b에 반영된 것과 상이한 프레임 속도 및 워드 길이를 갖는 소스 이미지 또는 비디오 입력을 서포트하기 위하여 양자 포토닉 이미저(200) 및 그의 컴패니언 이미지 데이터 프로세서(850)를 제조하는 방법을 알 것이다.
프레임 클록 신호(857)와 동기화되면, 색 공간 변환 블록(Color-Space Conversion block)(852)은 소스 이미지 또는 비디오 데이터의 각각의 프레임을 수용하고, 소스 입력 픽셀 [R, G, B] 값을 픽셀 좌표 값 [R QPI , G QPI , B QPI ] 으로 맵핑하기 위하여, 소스 입력 색역 좌표(source input gamut coordinates)를 이용하여, 수학식(6)에 의하여 정의되는 디지털 프로세싱을 수행할 것이다. 소스 이미지 또는 비디오 데이터 입력의 백색점 좌표를 이용하여, 색 공간 변환 블록(852)은 수학식(7)을 이용하여 픽셀 값 [R QPI , G QPI , B QPI ]의 각각을 양자 포토닉 이미저(200)의 상응하는 픽셀(230)의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233) 각각의 온/오프 듀티 사이클 값 λ R , λ G , 및 λ B 로 변환한다.
수학식(8)을 이용하여 양자 포토닉 이미저(200)의 픽셀(230)의 각각에 대하여 균일성 보정된 온-타임 값(uniformity corrected on-time values) [Λ R , Λ G , Λ B ]을 생성하기 위하여, 값 λ R , λ G , 및 λ B 는 균일성 프로파일 LUT(Uniformity Profile LUT)(854)에 저장된 픽셀 휘도 가중 요소 K R , K G , 및 K B 와 함께, 균일성 보정 블록(Uniformity Correction block)(853)에 의하여 이용될 것이다.
전형적으로 각각의 픽셀에 대하여 3개의 16-비트 워드로 표현되는, 균일성 보정 블록(853)에 의하여 생성되는 값 [Λ R , Λ G , Λ B ]은 PWM 변환 블록(PWM Conversion block)(855)에 의하여 3개의 시리얼 비트 스트림(serial bit streams)으로 변환되며, 이는 PWM 클록과 동기화되어 양자 포토닉 이미저(200)로 제공된다. 각각의 픽셀(230)에 대하여 PWM 변환 블록에 의하여 생성된 3개의 PWM 시리얼 비트 스트림은 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 3-비트 워드를 제공하고, 그 각각은 PWM 클록 신호(858)의 지속시간 내에서 픽셀의 광 생성 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온-오프 상태(on-off state)를 정의한다. PWM 변환 블록(855)에 의하여 생성된 3-비트 워드는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 디지털 반도체 구조(220)의 적절한 픽셀 어드레스로 로딩되며, 전술한 바와 같이 PWM 클록 신호(858)에 의하여 정의되는 지속시간 내에 각각의 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)를 턴온(turn on) 또는 턴오프(turn off)하기 위하여 이용될 것이다.
본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200) 동작의 전술한 예시적인 실시예에서, 픽셀 [R, G, B] 값에 의하여 특정된 소스 이미지 픽셀 컬러 및 휘도는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 고유 색역(305)의 컬러 프라이머리(902, 903, 904)를 이용하여 소스 이미지의 각각의 개별적인 픽셀에 대하여 직접적으로 합성될 것이다. 개별적인 픽셀 휘도 및 컬러가 직접적으로 합성되기 때문에, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 이러한 동작 모드(operational mode)는 직접-컬러 합성 모드(Direct-Color Synthesize Mode)로 나타내어진다. 양자 포토닉 이미저 장치(200) 동작의 대안적인 예시적 실시예에서, 소스 이미지 색역의 컬러 프라이머리는 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 고유 색역(305)의 컬러 프라이머리(902, 903, 904)를 이용하여 먼저 합성되고, 다음으로 픽셀 컬러 및 휘도는 합성된 소스 이미지 색역의 컬러 프라이머리를 이용하여 합성된다. 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 이러한 동작 모드에서, 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)는 집합적으로 소스 이미지의 RGB 컬러 프라이머리를 순차적으로 합성될 것이다. 이는 프레임 지속시간을 3개의 세그먼트로 나눔으로써, 각각의 세그먼트가 소스 이미지의 컬러 프라이머리의 하나를 생성하고, 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 각각의 디폴트 값(백색점)이 프레임 세그먼트 각각에서 순차적으로 소스 이미지 컬러 프라이머리의 하나의 좌표를 반영하도록 하는 것에 의하여 이루어질 것이다. 각각의 컬러 프라이머리 세그먼트에 주어진 프레임의 지속 시간, 그 세그먼트 동안 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 및 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 상대적인 온-타임 값(relative on-time values)은 필요한 백색점 색 온도에 근거하여 선택될 것이다. 개별적인 픽셀 휘도 및 컬러가 순차적으로 합성되기 때문에, 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 이러한 동작 모드는 순차적-컬러 합성 모드(Sequential-Color Synthesize Mode)로 나타내어진다.
양자 포토닉 이미저 장치(200)의 순차적-컬러 합성 모드에서, 프레임 내의 PWM 클록 사이클(clock cycles)의 총 수는 3종의 컬러 프라이머리 서브-프레임(sub-frames)으로 배분되며, 하나의 서브-프레임은 소스 이미지 색역의 R-프라이머리에 대하여, 두 번째는 G-프라이머리에 대하여, 및 세 번째는 B-프라이머리에 대하여 주어진다. R-프라이머리 서브-프레임, G-프라이머리 서브-프레임 및 B-프라이머리 서브-프레임 중의 양자 포토닉 이미저 장치(200) 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 각각의 온-타임(on-time)은 참조 색역 내에서, 소스 이미지 컬러 프라이머리와 양자 포토닉 이미저 장치(200) 고유 색역의 컬러 프라이머리 사이의 거리에 근거하여 결정될 것이다. 이러한 온-타임 값은 소스 이미지의 각각의 픽셀의 [R, G, 및 B] 값에 의하여 순착적으로 변조될 것이다.
양자 포토닉 이미저 장치(200)의 직접-컬러 합성 모드와 순차적-컬러 합성 모드 사이의 차이점은 도 15b에 나타내어지며, 이는 각 경우에 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)에 제공되는 이네이블 신호(enable signal)를 맵핑한다. 이네이블 신호(860)의 순서는, 소스 이미지 픽셀의, 픽셀의 루마 및 크로마 성분이 상응하는 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온/오프 듀티 사이클 및 동시성을 제어함으로써 직접적으로 합성되는 직접-컬러 합성 모드에서의 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 동작을 나타낸다. 이네이블 신호(870)의 순서는, 소스 이미지 색역의 프라이머리가 고유 색역(305)의 컬러 프라이머리(902, 903, 904)를 이용하여 합성되고, 소스 이미지 픽셀의 루마 및 크로마 성분이 합성된 소스 이미지 색역의 프라이머리를 이용하여 순차적으로 합성되는 순차적-컬러 합성 모드에서의 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 동작을 나타낸다.
양자 포토닉 이미저 장치(200)의 직접-컬러 합성 모드와 순차적-컬러 합성 모드는 유사한 수준의 이미지 휘도를 얻기 위하여 상이한 피크-대-평균(peak-to-average) 전력 구동 조건을 필요로 하는 경향이 있기 때문에 얻어지는 장치의 동작 효율(operating efficiency) 측면에서 상이할 수 있다. 그러나, 양 동작 모드에서 모두, 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 유사한 소스 이미지 프레임 및 [R, G, B] 워드 길이를 서포트할 수 있다.
QPI 다이나믹 레인지( Dynamic Range ), 반응 시간( Response Time ), 콘트라스트(Contrast) 및 흑 레벨(Black Level)
양자 포토닉 이미저 장치(200)의 다이나믹 레인지 능력(dynamic range capability)(소스 이미지 픽셀 각각에 대한 합성에서 생성될 수 있는 그레이스케일 레벨의 총 수로 정의됨)은 서포트될 수 있는 PWM 클록 지속 시간의 가장 작은 값에 의하여 결정되며, 이는 차례로 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)의 온-오프 스위칭 시간(on-off switching time)에 의하여 결정될 것이다. 이전 단락에 기재된 포토닉 반도체 구조(210)의 예시적인 실시예(도 2a)는 지속 시간이 나노 초(nanosecond)의 몇 분의 일인 온-오프 스위칭 시간을 이루며, 이에 의하여 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 16-비트의 다이나믹 레인지를 쉽게 이룰 수 있게 될 것이다. 비교를 위하여, 대부분의 현재 이용가능한 디스플레이 시스템은 8-비트 다이나믹에서 동작한다. 또한, 포토닉 반도체 구조(210)에 의하여 이루어질 수 있는 지속 시간이 나노 초의 몇 분의 일인 온-오프 스위칭 시간에 의하여, 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 지속 시간이 나노 초의 몇 분의 일인 반응 시간(response time)을 이룰 수 있게 될 것이다. 비교를 위하여, LCoS 및 HTPS 형 이미저에 의하여 이루어질 수 있는 반응 시간은 전형적으로 4 내지 6 밀리초(milliseconds)의 오더(order)이며, 마이크로 미러 형 이미저의 반응 시간은 전형적으로 1 마이크로 초의 오더이다. 이미저 반응 시간은 특히 비디오 이미지 생성에 있어서, 디스플레이 시스템에 의하여 생성될 수 있는 이미지의 품질에 대단히 중요한 역할을 한다. LCoS 및 HTPS 형 이미저의 상대적으로 느린 반응 시간은 생성된 비디오 이미지에 바람직하지 않은 아티팩트(artifacts)을 생성하는 경향이 있다.
디지털 디스플레이의 품질은 또한 그가 생성할 수 있는 콘트라스트(contrast) 및 흑 레벨(black level)에 의하여 측정되며, 콘트라스트는 이미지 내의 백색 및 검은색 영역의 상대적인 레벨의 측정값이고, 흑 레벨은 블랙 파일드 입력(black filed input)에 대한 응답으로 얻어질 수 있는 최대 검은색이다. 디스플레이의 콘트라스트 및 흑 레벨은 모두 마이크로 미러, LCoS 또는 HTPS 와 같은 이미저를 이용하는 기존의 프로젝션 디스플레이에서 현저하게 저하되며, 이는 그러한 이미저에 관련된 높은 수준의 광자 누출(photonic leakage) 때문이다. 이러한 형태의 이미저에 전형적인 높은 광자 누출은 이미저 픽셀의 온-상태(on-state)로부터 그의 오프-상태(off-state)로의 광 누출에 의하여 야기된다. 이러한 효과는 그러한 이미저가 컬러 순차적 모드에서 동작될 때 더 확연하다. 이와 비교하면, 온-상태 및 오프-상태에서 양자 포토닉 이미저 장치(200)의 픽셀의 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드(231, 232, 233)는 실질적으로 상호 배타적이므로, 양자 포토닉 이미저 장치(200)에 의하여 이루어질 수 있는 콘트라스트 및 흑 레벨을, 마이크로 미러, LCoS 또는 HTPS 이미저에 의하여 이루어질 수 있는 것보다 수십배 내지 수배백배(orders of magnitude) 우수하게 하므로, 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 광자 누출이 없다.
요약하면, 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)는 다른 이미저의 약점을 극복하는 것에 더하여, 하기 몇몇 이점을 발휘한다:
1. 상기 장치는 그의 높은 효율성 때문에 낮은 전력 소비를 요구한다;
2. 상기 장치는 더 간단한 프로젝션 광학 장치를 필요로 하고, 복잡한 조명 광학 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 프로젝션 시스템의 전체 크기를 감소시키고, 비용을 실질적으로 감소시킨다;
3. 상기 장치는 확장된 색역을 제공하여, 차세대 디스플레이 시스템의 와이드-색역(wide-gamut)을 서포트할 수 있게 된다;
4. 상기 장치는 빠른 반응 시간, 확대된 다이나믹 레인지, 높은 콘트라스트 및 흑 레벨을 제공하며, 이들은 집합적으로 디스플레이된 이미지의 품질을 실질적으로 향상시킨다.
전술한 상세한 설명에서, 본 발명은 그의 특정 실시예를 참조하여 기재되었다. 그러나, 본 발명의 더 넓은 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고, 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 설계 사양 및 도면은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 의미이다. 당업자는 본 발명의 부분이 바람직한 실시예에 대하여 전술한 실시 외에 다르게 실시될 수 있음을 인지할 것이다. 예를 들어, 당업자는 본 발명의 양자 포토닉 이미저 장치(200)가, 포토닉 반도체 구조(210)에 포함되는 다층 레이저 다이오드의 수, 다층 레이저 다이오드(250, 260, 270)의 특정 설계 사양, 수직 도파관(290)의 특정 설계 사양, 픽셀의 수직 도파관(290)의 특정 패턴의 선택과 관련된 특정 설계 사양, 반도체 제조 공정의 특정 사양, 프로젝터(800)의 특정 설계 사양, 컴패니언 이미지 데이터 프로세서 장치(850)의 특정 설계 사양, 이미지 데이터 입력을 양자 포토닉 장치(200)에 결합하는데 요구되는 디지털 컨트롤 및 프로세싱의 특정 설계 사양, 양자 포토닉 이미저(200) 및 그의 컴패니언 이미지 데이터 프로세서(850)에 포함되는 칩세트(chipset)의 선택된 동작 모드와 관련된 특정 설계 사양에 대한 다양한 변화와 함께 실시될 수 있음을 인지할 것이다. 당업자는 근본적인 원칙과 교시로부터 벗어나지 않고 본 발명의 전술한 실시예의 상세내용에 대하여 많은 변화가 이루어질 수 있음을 인지할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 하기 특허청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (23)

  1. 방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성(이미저) 장치로서,
    멀티컬러 발광 픽셀들(multicolor light emitting pixels)의 2차원 어레이(two dimensional array); 및
    디지털 컨트롤 로직 반도체 구조에서의 복수의 디지털 컨트롤 로직 반도체 회로를 포함하며,
    상기 각 멀티컬러 발광 픽셀은,
    멀티컬러 픽셀의 어레이 내의 인접한 멀티컬러 픽셀로부터 각각의 멀티컬러 픽셀을 전기적 및 광학적으로 분리하는 수직 측벽의 그리드로 수직적으로 적층되어(stacked), 각각이 서로 다른 컬러를 방출하는 복수의 발광 다이오드 반도체 구조(laser diode semiconductor structures)와,
    상기 발광 다이오드 반도체 구조의 스택(stack)의 제1 표면으로부터 상기 발광 다이오드 반도체 구조에 의하여 생성된 광을 수직으로 방출하기 위하여, 상기 발광 다이오드 반도체 구조에 광학적으로 결합된(optically coupled) 복수의 수직 도파관(vertical waveguides)을 포함하며,
    상기 멀티컬러 발광 픽셀들의 2차원 어레이는 제 1 표면과 반대되는 제 2 표면에 의하여 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조 상에 적층되며,
    상기 디지털 컨트롤 로직 반도체 회로들의 각각은 멀티컬러 발광 다이오드 반도체 구조의 각각의 온/오프 상태(on/off states)를 개별적으로 제어하기 위하여 수직 상호 접속(vertical interconnects)에 의하여 멀티컬러 발광 다이오드 반도체 구조에 전기적으로 결합되고, 컨트롤 신호(control signal)를 수신하도록 전기적으로 결합되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 발광 다이오드 반도체 구조는 그의 상부 및 하부상에 금속층을 가지며, 인접한 발광 다이오드 반도체 구조상의 금속층은 각각의 금속층 사이의 절연층에 의하여 분리되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속층은 각각의 적층된 발광 다이오드 반도체 구조와의 포지티브(positive) 및 네가티브(negative) 콘택(contact)을 제공하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조를 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이에서의 발광 다이오드 반도체 구조의 각각과 상호 접속(interconnect)시키기 위한 콘택 패드(contact pad)를 제공하기 위하여, 상기 수직 상호 접속(vertical interconnect)에 연결되고 패터닝된 절연층(patterned insulation layer)으로 금속층으로부터 고립된 금속의 패터닝된 상호 접속층을 더 포함하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조는 콘택 패드를 통하여 개별적으로 어드레서블(addressble)한
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    수직 상호 접속을 갖는 상기 수직 측벽은 각각의 픽셀을 둘러싸는 절연 및 금속의 교호층들(alternate layers)을 포함하며, 이에 의하여 각각의 픽셀 주위의 금속층에 의하여 제공되는 광학적 분리(optical separation)가 연속되는(uninterrupted)
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각각의 발광 다이오드 반도체 구조는 활성영역 및 광학적 감금 영역(optical confinement region)을 포함하며, 각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조의 활성영역은 AlxIn1 - xP, GaxIn1 - xP 또는 InxGa1 - xN의 다수의 반도체(multiple semiconductor) 층들로 구성되며, 다중 양자우물(multiple quantum wells), 다중 양자 와이어(multiple quantum wires) 또는 다중 양자점(multiple quantum dots)을 형성하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반도체 층들의 조성은, 발광 다이오드 반도체 구조의 각각이 430 ㎚ 내지 650 ㎚를 포함하는 가시광 영역 내의 파장을 갖는 레이저 광을 생성할 수 있게 하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 반도체 층들의 조성은, 각각의 멀티컬러 발광 픽셀이 적색, 황색, 녹색, 청록색(cyan) 및 청색 파장을 포함하는 고유 색역(native color gamut)의 다중 컬러 프라이머리(multiple color primaries)를 방출할 수 있게 하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 수직 도파관은 상기 발광 다이오드 반도체 구조의 광학적 감금 영역의 각각에 광학적으로 결합되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 도파관은 코어(core) 및 다층 클래딩(multilayer cladding)을 포함하며, 상기 코어는 유전체 물질로 채워지거나, 또는 공기-충진되는(air-filled)
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조는 활성영역 및 광학적 감금 영역을 포함하며,
    상기 다층 클래딩은 유전체 물질의 외부 클래딩층(outer cladding layer) 및 반사 금속성 물질의 내부 박막 클래딩층(inner thin cladding layer)을 포함하며, 내부 박막 클래딩 물질의 두께는, 발광 다이오드 반도체 구조의 활성영역에 의하여 생성되고 광학적 감금 영역 내에 감금된 광의 일부가 상기 수직 도파관의 코어에 소실장 결합되고(vanescence field coupled), 상기 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 표면으로부터 수직으로 방출되도록 선택되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조는 활성영역 및 광학적 감금 영역을 포함하며,
    상기 다층 클래딩은 유전체 물질의 다중 박층을 포함하며,
    상기 코어 및 다중 박막 클래딩층의 굴절률(refractive indices)과 다중 클래딩층의 두께는, 상기 활성영역에 의하여 생성되고 상기 광학적 감금 영역 내에 감금된 광의 일부가 상기 수직 도파관의 코어로 결합되어, 인덱스 가이드되고(index guided), 상기 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 표면으로부터 수직으로 방출되도록 선택되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조는 활성영역 및 광학적 감금 영역을 포함하며,
    상기 다층 클래딩은 두께와, 선형 및 비선형 굴절률(linear and nonlinear refractive indices)을 갖는 비선형 광학 물질의 박층을 포함하며,
    상기 두께와 선형 및 비선형 굴절률은, 박막 비선형 클래딩층의 굴절률이 광학적 감금 영역 내에 감금된 광의 세기 변화에 응답하여 변화할 때 상기 활성영역에 의하여 생성되고 상기 광학적 감금 영역 내에 감금된 광의 결합(coupling)이 억제되거나 또는 가능하게 되도록 함으로써, 광이 수직 도파관에 결합되고, 수직 도파관에 의해 인덱스 가이드되어, 짧은 간격으로 분리된 짧은 펄스(pulse)로, 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 표면으로부터 수직으로 방출되도록 선택되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조는 활성영역 및 광학적 감금 영역을 포함하며,
    각각의 수직 도파관은, 상기 발광 다이오드 반도체 구조의 각각의 광학적 감금 영역 내의 결합 영역(coupling region)의 중심에서 인덱스 가이딩 직경(index guiding diameter)이 각각의 활성영역에 의하여 생성된 광의 파장과 동일한, 원형 단면을 갖는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조는 활성영역 및 광학적 감금 영역을 포함하며,
    각각의 상기 발광 다이오드 반도체 구조마다, 적어도 하나의 수직 도파관은 상기 발광 다이오드 반도체 구조의 스택의 제 1 표면으로부터 연장되어, 그 발광 다이오드 반도체 구조의 광학적 감금 영역의 말단에서 종결되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 도파관은 상기 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 표면으로부터 방출된 광의 최대 발산각(divergence angle)을 감소시키도록 선택된 패턴으로 정렬되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 도파관은 각각의 픽셀 표면 영역을 가로질러 균일한 휘도를 제공하도록 픽셀 표면 영역내에 간격을 두고 배치되며, 픽셀 휘도를 최대화하기 위한 개수로 제공되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 반도체 구조는 AlxIn1 - xP, (AlxGa1 -x)yIn1 - yP, GaxIn1 - xP, AlxGa1-xN, AlxGa1 - xN/GaN, InxGa1 - xN, GaN의 반도체 합금 물질들 중 하나 이상의 다중 반도체 층을 포함하며,
    상기 발광 다이오드 반도체 구조의 각각은 GaAs, GaN 또는 InGaN 중 어느 하나로 된 두꺼운 기판 층 위의 개별적인 웨이퍼 상에 형성되고,
    상기 발광 다이오드 반도체 구조의 각각은 동일한 각 반도체 기판 층 물질 유형의 n-형 식각 저지층 및 p-형 콘택층을 포함하고,
    상기 발광 다이오드 반도체 구조의 각각은 그들 각각의 광학적 감금 영역을 정의하는 n-형 및 p-형 도파관층 및 클래딩층을 포함하며,
    상기 발광 다이오드 반도체 구조의 각각은 그들 각각의 활성 영역을 정의하는 2개의 장벽층으로 둘러싸인 적어도 하나의 양자 우물을 가지며,
    상기 발광 다이오드 반도체 구조의 각각은 그들 각각의 p-형 도파관층 내에, 또는 그들 각각의 p-형 도파관층과 클래딩층 사이에 매립된 전자차단제층(electron blocker layer)를 포함하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조는, 각각의 멀티컬러 발광 픽셀의 컬러 성분(color component) 및 휘도를 각각 정의하는 다중 비트 워드(multiple bit words)의 시리얼 표현(serial representations)인 시리얼 비트 스트림(serial bit streams)에 응답하여, 소스 디지털 이미지 데이터 입력을 광학적 이미지로 변환시키고, 그에 의해 각각의 멀티컬러 발광 픽셀은 각각의 멀티컬러 발광 픽셀의 소스 디지털 이미지 입력 데이터에 의하여 표현되는 컬러 및 휘도 값을 반영하는 컬러 및 휘도를 갖는 광을 방출하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    이미지 소스 데이터를 수신하고, 상기 이미지 소스 데이터를 상기 방출 멀티컬러 이미지(이미저) 형성 장치의 각각의 멀티컬러 발광 픽셀을 구비하는 발광 다이오드 반도체 구조의 각각의 온-오프 듀티 사이클 값(on-off duty cycle values)으로 변환시키기 위한 컴패니언 장치(companion device)를 더 포함하며,
    상기 컴패니언 장치는,
    색 공간 변환 블록(color-space conversion block);
    가중 요소 룩업 테이블(weighting factor look-up table)을 포함하는 균일성 보정 블록(uniformity correction block);
    펄스 폭 변조 변환 블록(pulse-width modulation conversion block); 및
    동기화 및 컨트롤 블록(synchronization and control block)을 포함하며,
    상기 가중 요소 룩업 테이블은, 각 멀티컬러 발광 픽셀의 방출 개구(emissive aperture)를 구비하는 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 휘도를 측정하고 휘도 균일성 가중 요소(brightness uniformity weighting factor)를 각각의 멀티컬러 발광 픽셀에 대한 각 광의 컬러마다 산출하는 장치-레벨 시험(device-level test)에 의하여 결정되는 각각의 멀티컬러 발광 픽셀의 각각의 컬러에 대한 휘도 균일성 가중 요소를 저장하는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치는 각각의 발광 다이오드 반도체 구조에 대한 시리얼 데이터 스트림(serial data streams), 및 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 각 발광 다이오드 반도체 구조의 온-오프 듀티 사이클(on-off duty cycle) 제어를 위한 컨트롤 신호(control signal)를 수신하도록 구성되며,
    상기 컴패니언 장치는 각각의 발광 다이오드 반도체 구조에 대한 시리얼 데이터 스트림, 및 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 각각의 발광 다이오드 반도체 구조의 온-오프 듀티 사이클 제어를 위한 컨트롤 신호를 제공하도록 구성되는
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이 각각은 멀티컬러 발광 픽셀의 다중 2차원 어레이(multiple two dimensional array)의 웨이퍼로부터 커팅되고, 각각의 상기 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조는 다중 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조(multiple digital semiconductor structure)의 웨이퍼로부터 커팅되며, 멀티컬러 발광 픽셀의 2차원 어레이의 각각은 각각의 디지털 컨트롤 로직 반도체 구조에 다이-레벨 결합되는(die-level bonded)
    방출 멀티컬러 디지털 이미지 형성 장치.
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