TWI455083B - 一種用於接合至一二維發光像素陣列之數位半導體結構、一種投影機、一種製造發射式多色數位影像形成裝置之方法、量子光子成像器及其製造方法 - Google Patents

一種用於接合至一二維發光像素陣列之數位半導體結構、一種投影機、一種製造發射式多色數位影像形成裝置之方法、量子光子成像器及其製造方法 Download PDF

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Description

一種用於接合至一二維發光像素陣列之數位半導體結構、一種投影機、一種製造發射式多色數位影像形成裝置之方法、量子光子成像器及其製造方法
本發明係關於發射式成像器裝置，其包含可在一數位投影系統中用作一影像來源的一多色雷射發射器單石半導體陣列。
此申請案主張2007年9月27申請之美國臨時專利申請案第60/975,772號之權益。
數位顯示技術之出現正引起對數位顯示器之一異常需求。數種顯示技術正作好準備解決此需求，包括電漿顯示面板(PDP)、液晶顯示器(LCD)及使用微鏡面、一矽上液晶(LCOS)裝置或一高溫多晶矽(HTPS)裝置的以成像器為主的投影顯示器(參考文獻[33])。此發明之領域特別關注的係以投影為主的顯示器，其使用諸如所提及者之成像器裝置作為一影像形成裝置。該些類型的顯示器正面對來自PDP及LCD顯示器之強勁競爭且正如此緊急需要有效構件來改良其效能，同時仍明顯地減低其成本。在該些類型顯示器中的主要效能及成本驅動器係所使用的成像器，諸如微鏡面、LCOS及HTPS裝置。作為被動成像器，此類裝置要求複雜的照明光學元件並最終浪費所產生光之一明顯部分，從而劣化顯示系統之效能並增加成本。此發明之目的係藉由引入一發射式成像器裝置來克服此類成像器裝置之缺點，該發射式成像器裝置包含可在數位投影系統中用作一影像來源的一多色雷射發射器陣列。
圖1A及1B分別係用於一投影顯示系統內的典型投影機架構100之方塊圖解說，該等投影顯示系統使用一被動成像器，諸如該等使用包括微鏡面或LCOS成像器裝置的反射式成像器者(圖1A)以及該等使用一透射式成像器(諸如HTPS成像器裝置)者(圖1B)。一般而言，圖1A之一典型投影顯示系統之投影機100係由一成像器110構成，該成像器係由照明光學元件120照明，該照明光學元件將光源130所產生之光耦合至成像器120之表面上。光源130可以係一產生白光之燈或一可產生紅(R)、綠(G)或藍(B)光之半導體光源，諸如一發光二極體(LED)或雷射二極體。
在使用圖1A所解說之一反射式成像器之投影機100之情況下，當使用一燈作為一光源時，在該照明光學元件與該成像器之間添加一併入R、G及B濾光器的色輪以調變所需色彩。當結合一反射式成像器來使用一半導體光源時，色彩係藉由開啟具有所需色彩(為R、G或B)之半導體光源裝置來調變色彩。
在使用圖1B中所解說之透射式成像器之一投影機100之情況下，當使用一燈作為一光源時，照明光學元件120包括光學構件用於將該燈所產生之白光分割成照明三個HTPS成像器裝置之後側的R、G及B光片並添加一分色稜鏡裝配件以組合經調變的R、G及B光並將其耦合在投影光學元件140上。
投影光學元件140係光學耦合至成像器110之表面而驅動電子元件150係電氣耦合至成像器110。該光學引擎藉由調 變光源130所產生之光之強度，使用成像器110，將像素灰階輸入作為影像資料提供至驅動電子元件150來產生欲投影的影像。當使用諸如微鏡面或LCOS成像器裝置之一反射式成像器(圖1A)時，該驅動電子元件提供像素灰階資料至成像器110並同步其操作與該色輪之該等R、G及B片段之循序次序(在使用一白光燈作為一光源時)或開啟R、G或B半導體光源所採用之循序次序。當使用諸如HTPS成像器裝置之一透射式成像器時，該驅動電子元件提供像素灰階資料至成像器110並同步該等R、G及B HTPS成像器裝置之每一者之操作以便調變用於每一像素的所需色彩強度。
一般而言，相關聯於耦合光至成像器110之表面之該等損失係較明顯，因為其包括相關聯於成像器110自身之該等固有損失，諸如裝置反射率或透射率值，加上相關聯於收集來自光源130之光、準直、濾光並中繼其至成像器110之表面的該等損失。該些損失總計可累加至接近90%，意味著幾乎90%的光源130所產生之光將會損失掉。
此外，在諸如微鏡面或LCOS成像器裝置之一反射式成像器110之情況下，由一反射性像素空間陣列所構成的成像器110藉由在照明一特定色彩之時間週期期間改變每一個別像素之反射開啟/關閉狀態來循序調變耦合至其像素化反射性表面之光之個別色彩。事實上，一典型先前技術反射式成像器只能調變耦合至其像素化反射性表面之光之強度，即一限制，其引起利用光源130所產生之光通量之大量無效率，在所產生影像上引入假影，增加整體顯示系 統之複雜度及成本並引入利用光源130所產生之光之另一無效率來源。而且，反射型成像器以及透射型成像器兩者均遭受一種名為"光子洩漏"之效應影響，其引起光洩漏至該等關閉狀態像素上，從而明顯地限制該些類型成像器所能實現之對比度及黑階。
如更早些所聲明，此發明之目的係藉由引入一發射式成像器裝置來克服先前技術成像器之缺點，該發射式成像器裝置包含可在數位投影系統中用作一影像來源的一多色雷射發射器陣列。儘管半導體雷射二極體最近已變成一替代性光源130(參考文獻[1]至[4])用於在圖1A之投影機100中照明反射式成像器110(諸如微鏡面成像器裝置)，但使用半導體雷射二極體作為一光源並不有助於克服以上所論述之先前技術成像器之該等缺點之任一者。此外，存在許多先前技術，其說明使用一掃描雷射光束來產生一投影像素之投影顯示器(參考文獻[5]至[6])。
先前技術參考文獻[7]說明一種雷射影像投影機，其包含一二維可個別定址雷射像素陣列，每一可個別定址雷射像素係由一有機發光二極體(OLED)來抽運的一有機垂直腔雷射。在先前技術參考文獻[7]所說明之雷射影像投影機之像素亮度將會係該抽運光源所提供之亮度之一小部分，作為一以OLED為主的光源，該抽運光源不太可能提供一充足數量的光，致使先前參考文獻[7]之雷射投影機所產生之亮度幾乎不足以在大多數投影顯示應用中實用。
儘管存在說明雷射陣列的許多先前技術參考文獻(參考 文獻[8]至[30])，但從未發現過教導在一成像器裝置中使用多色雷射發射器作為像素之先前技術。如在下列詳細說明中將會清楚，此發明關於藉由光學且電氣分離一單石分層雷射發射半導體結構堆疊所形成的一可單獨定址多色雷射像素陣列。關於建立一光學且電氣分離(隔離)半導體雷射發射器陣列，參考文獻[10]教導用於形成一單一波長雷射半導體結構之方法，在該等發光區域之間的隔離區域(即實體阻障)係藉由移除該等發光區域之間的材料或藉由鈍化該半導體結構之該等光發射器之間的該等區域來加以形成。然而，參考文獻[10]所說明的該等方法只能建立在從700至800nm波長範圍內的一一維線性可單獨定址單一波長雷射發射器陣列。
關於建立一可單獨定址多色雷射發射器陣列，參考文獻[21]說明一種紅色及藍色雷射結構邊緣發射陣列。儘管參考文獻[21]論及多色雷射結構，但其僅關於一種雙色一維線性邊緣發射雷射結構陣列。
儘管參考文獻[22]說明一種使用一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)二極體陣列之顯示系統，但因為參考文獻[22]中所說明之VCSEL二極體之固有大小，所說明之方案將會因為在相同平面內並排配置以形成一像素陣列之其所使用之多個色彩VCSEL二極體之固有大小而傾向於產生實質上較大像素大小，致使其不可用作一成像器裝置。
給定目前可用成像器裝置之前述缺點，一克服此類弱點之成像器必然要具有一明顯商用價值。因此，此發明之目 標係提供一種發射式成像器裝置，其包含可在數位投影系統中用作一影像來源的一單石半導體二維多色雷射發射器陣列。根據參考附圖所作的此發明之一較佳具體實施例之下列詳細說明將會清楚此發明之額外目標及優點。
參考文獻 美國專利文件
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在本發明之下列詳細說明中"一個具體實施例"或"一具體實施例"之引用意指結合該具體實施例所說明之一特定特徵、結構或特性係包括於本發明之至少一具體實施例中。在此詳細說明中在各位置短語"在一個具體實施例中"之出現不一定均參考相同的具體實施例。
本文說明一種發射式成像器。在下列說明中，為了解釋目的，提出許多特定細節，以便提供本發明之一徹底理解。不過，習知此項技術者會清楚，可使用不同特定細節來實作本發明。在其他實例中，以方塊圖形式顯示結構及裝置以免混淆本發明。
QPI架構-
本文所說明之發射式多色數位影像形成裝置(稱為"量子光子成像器(QPI)")係包含一單石多色雷射發射器陣列的一半導體裝置。此發明之量子光子成像器係由複數個發射多色像素構成，其中在一個具體實施例中，每一像素包含一紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)發光雷射二極體堆疊。每一該像素之多色雷射光係經由複數個垂直波導而垂直於該量子光子成像器裝置之表面發射，該等垂直波導係光學耦合至構成每一像素之每一R、G及B雷射二極體之光學束縛區 域。包含該等量子光子成像器裝置之該複數個像素係藉由絕緣半導體材料側壁來加以光學且電氣分離，在該等側壁內嵌入電氣互連(通道)，其用以選路電流至每一像素之組成雷射二極體。包含該等量子光子成像器裝置的該複數個像素之每一者係電氣耦合至一控制邏輯電路，其選路(啟用)電流信號至其組成紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)雷射二極體之每一者。相關聯於該複數個像素的該等驅動邏輯電路形成一驅動邏輯陣列，其係與該等紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)雷射二極體接合在一起以形成一單石多色雷射像素及驅動電路陣列。
圖2A、2B及2C解說此發明之量子光子成像器裝置200之一較佳具體實施例。圖2A解說量子光子成像器裝置200之一等角視圖，而圖2B解說其組成像素230之一者之一等角視圖以及圖2C係顯示構成量子光子成像器裝置200之像素230之陣列及在該像素陣列周邊處定位之數位控制邏輯229的一俯視圖解說。
如圖2A中所解說，量子光子成像器裝置200將由兩個半導體結構所構成；即光子半導體結構210與數位半導體結構220。該等半導體結構210及220係透過晶粒級接合或晶圓級接合來接合在一起以形成圖2A中所解說之量子光子成像器裝置200。構成量子光子成像器裝置200的該兩個半導體結構之每一者係進一步由多個半導體層構成。如圖2A中所解說，量子光子成像器裝置200之數位半導體結構220一般會在表面積上比光子半導體結構210更大以允許放置數 位控制邏輯229與該等接合墊221以可在該裝置之頂側近接，透過該等接合墊來提供該等功率及影像資料信號至該裝置。光子半導體結構210係由複數個發射式多色像素構成而數位半導體結構220係由提供功率及控制信號至光子半導體結構210的該等數位驅動邏輯電路構成。
圖2B係構成此發明之一具體實施例之量子光子成像器裝置200的該等像素230之一者之半導體結構之一剖視等角解說。如圖2B中所解說，該等像素230之每一者將會具有一側壁235，其提供相鄰像素之間的光學及電氣分離。如在後續段落中將更詳細地解釋，供應功率信號至該等像素230之光子半導體結構210部分所需的該等電氣互連將會嵌入於該等像素側壁235內。
如圖2B之像素等角剖視圖中所解說，在該等像素230內部的光子半導體結構210之部分將會由垂直堆疊的半導體基板240、一紅色(R)雷射二極體多層231、一綠色(G)雷射二極體多層232及一藍色(B)雷射二極體多層233所構成。構成量子光子成像器裝置200的該等像素230之每一者之雷射光將會透過該複數個垂直波導290在一垂直於該裝置頂部表面之平面之方向(以下稱為垂直方向)上發射，該等垂直波導每一者係光學耦合至該等雷射二極體231、232及233之每一者之光學共振器(或光學束縛區域)。該複數個垂直波導290將會形成一雷射發射器陣列，其將會定義構成此發明之量子光子成像器裝置200的該等像素230之每一者之雷射光發射斷面(或光學特性)。垂直堆疊該等雷射二極 體231、232及233並光學耦合該等垂直波導290至該等堆疊雷射二極體231、232及233之每一者之光學共振器(或光學束縛區域)的此發明之新穎方案將會致能透過垂直波導290陣列來發射該些雷射二極體所產生之多色雷射光，從而使構成此發明之量子光子成像器裝置200的該等像素230成為發射式多色雷射像素。
圖2C係量子光子成像器裝置200之一俯視圖解說，其顯示光子半導體結構210之頂部，該光子半導體結構包含形成該裝置之發射表面的二維多色像素230陣列；以及數位半導體結構220之頂部，該數位半導體結構延伸至光子半導體結構210外以允許用於裝置接合墊221所需之區域與用於裝置控制邏輯229之佈局區域。此發明之量子光子成像器200之較佳具體實施例之該等像素230之典型大小將會在10×10微米之範圍內，從而使提供一VGA解析度(640×480像素)之一量子光子成像器裝置200之發射表面為6.4×4.8mm。光子半導體結構210之實際大小將會在每一側上延伸至發射表面區域外數個額外像素，使得光子半導體結構210之典型大小在6.6×5mm之範圍內而數位半導體結構220將會延伸至該區域外以允許控制邏輯229及該等裝置接合墊221之佈局區域，從而使提供一VGA解析度的一量子光子成像器裝置200之典型尺寸在範圍7.6×6mm內。
已說明此發明之量子光子成像器裝置200之基本架構之後，下列段落提供其組成零件及其製造方法之詳細說明。
QPI半導體結構-
圖3係形成此發明之量子光子成像器裝置200之該等半導體多重結構之一斷面圖解說。相同參考數字用於相同項目，不過形成該等像素230之前的該等紅色、綠色及藍色雷射二極體半導體結構將會分別稱為多層雷射二極體結構250、260及270。
依據此發明之量子光子成像器裝置200之製造方法之較佳具體實施例，該等多層雷射二極體結構250、260及270將會使用適當半導體程序來單獨製造成半導體晶圓，接著後處理以建立併入圖3所解說之該等金屬及絕緣層之晶圓大小多層堆疊光子半導體結構210。將會接著進一步後處理該晶圓大小多層堆疊光子半導體結構210以建立該等像素的側壁235，從而形成該等雷射二極體231、232及233以及如圖2B中所解說的該等像素之垂直波導290。而且，數位半導體結構220也將會使用適當半導體程序來單獨製造成一半導體晶圓，接著與多層堆疊光子半導體結構210晶圓級或晶粒級接合以建立圖2A中所解說之量子光子成像器裝置200。下列段落說明該等多層雷射二極體結構250、260及270與數位半導體結構220之詳細設計規格以及建立此發明之量子光子成像器裝置200所需之晶圓後處理及製造流程之詳細設計規格。
圖3之解說顯示由該等半導體結構210及220所構成之量子光子成像器裝置200，該兩個半導體結構之每一者係進一步由多個半導體層所構成。如圖3中所解說，光子半導體結構210係由由介電絕緣物(諸如二氧化矽(SiO2 ))層 241、251、261及271分離的一矽(Si)基板240與一三個多層雷射二極體結構250、260及270堆疊所構成，每一介電絕緣物層較佳的係150至200nm厚，該等介電絕緣物層提供在該三個多層雷射二極體結構250、260及270之間的每一者之頂部及底部電氣絕緣。
還併入光子半導體結構210內的係該等金屬層252及253，其分別組成紅色多層雷射二極體250之p接觸及n接觸金屬層；該等金屬層262及263，其分別組成綠色多層雷射二極體260之p接觸及n接觸金屬層；以及該等金屬層272及273，其分別組成藍色多層雷射二極體270之p接觸及n接觸金屬層。該等金屬層252、253、262、263、272及273之每一者較佳的係150至200nm厚的半導體互連金屬化層，其具有較低電遷移及應力遷移特性，諸如金-錫(Au-Sn)或金-鈦(Au-Ti)多層金屬化。該等金屬化層252、253、262、263、272及273還將會包括一擴散阻障，其將防止該等金屬化層過度擴散至該等絕緣層241、252、261及271內。
如圖3中所解說，在該等半導體結構210及220之間的該等介面在光子半導體結構210側係金屬層282，而在數位控制結構220側係金屬層222。將會蝕刻該等金屬層282及222兩者以在該兩個半導體結構210及220之間併入該等電氣互連接合墊。金屬層222還將會併入該等裝置接合墊221。
該等絕緣層241、251、261及271與金屬化層252、253、262、263、272及273將會使用典型半導體汽相沈積程序(諸如化學汽相沈積(CVD))來加以沈積。該兩個層241及 252將會直接沈積於Si基板層240上，接著使用直接晶圓接合、擴散接合或陽極接合技術等將所得多層堆疊240-241-252晶圓級接合至紅色雷射二極體結構250之p層。
所得半導體多層結構接著用作一基板，在其上將會使用諸如CVD等汽相沈積技術來沈積該等層253、251及262並接著使用直接晶圓接合、擴散接合或陽極接合技術等將所得多層堆疊240-241-252-250-253-251-262晶圓級接合至該等綠色雷射二極體結構260之p層，然後移除其上形成該綠色雷射二極體之基板。
所得半導體多層結構接著用作一基板，在其上將會使用諸如CVD等汽相沈積技術來沈積該等層263、261及272並接著使用直接晶圓接合、擴散接合、陽極接合技術等將所得多層堆疊240-241-252-250-253-251-261-262-260-263-261-272晶圓級接合至該等藍色雷射二極體結構270之p層，然後移除其上形成該藍色雷射二極體之基板。
所得半導體多層結構接著用作一基板，其上將會使用諸如CVD等汽相沈積技術來沈積該等層273、271及282。接著蝕刻金屬層282以使用半導體微影程序來建立接合墊圖案並使用絕緣物材料(較佳的係SiO2 )來重新填充該等蝕刻區域，並接著拋光並清洗表面。接著使用覆晶接合技術將所得光子半導體結構210晶圓級接合至數位半導體結構220之對應接合墊表面。
雷射二極體多層結構-
該等多層半導體結構250、260及270之每一者將會為一 多重量子井(MQW)雙異質結構半導體雷射二極體，其使用熟知磊晶沈積程序(常稱為金屬有機化學汽相沈積(MOCVD))作為單獨晶圓每一者在其自己基板上來生長。還可使用其他沈積程序，諸如液相磊晶(LPE)、分子束磊晶(MBE)、金屬有機汽相磊晶(MOVPE)、氫化物汽相磊晶(HVPE)、氫化物金屬有機汽相磊晶(H-MOVPE)或其他習知晶體生長程序。
-紅色雷射二極體
圖4A解說此發明之量子光子成像器裝置200之紅色雷射二極體結構250之多層斷面之一範例性具體實施例。圖4A之多層半導體結構係以磷化物為主的，其參數係選擇使得紅色雷射二極體結構250所產生之雷射光將會具有一615-nm的主要波長。如圖4A中所示，一厚度100-nm的n摻雜GaAs基板移除蝕刻停止層412係生長於一較厚(約計2000nm)GaAs基板410上，該基板將會在將紅色雷射二極體結構250晶圓級接合至多層堆疊240-241-252之後蝕刻掉，如更早些所解釋。n摻雜GaAs蝕刻停止層412將會具有約計8×1018 cm-3 的矽(Si)或硒(Se)摻雜。一較厚GaAs基板係用以確保在其上生長一高品質磊晶層。
在基板移除蝕刻停止層412上沈積Al0.5 In0.5 P或(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 超晶格(SL)之n型包覆層414，其將會一般為120-nm厚並具有1×1018 cm-3 的Si或Se摻雜。在沈積包覆層414上沈積一100-nm厚n型(Al0.55 Ga0.45 )0.5 In0.5 P波導層416，其一般將會為矽(Si)或硒(Se)摻雜至至少1×1018 cm-3 。 在波導層416上沈積紅色雷射二極體250之作用區域421，其係由封閉於Al0.5 In0.5 P阻障層418內的多個Ga0.6 In0.4 P量子井層420所構成，該等量子井層與阻障層一般分別在至少0.01×1018 cm-3 與0.1×1018 cm-3 之位準下矽(Si)或硒(Se)摻雜。如圖4A中所示，該等量子井層420及阻障層418之厚度係分別選擇為4.8-nm與4-nm，不過可增加或減少該些層之厚度以便微調紅色雷射二極體250之發射特性。
儘管圖4A顯示紅色雷射二極體250之作用區域421係由三個量子井構成，但可增加或減少所使用的量子井數目以便微調紅色雷射二極體250之發射特性。而且，紅色雷射二極體250之作用區域421還可由多樣量子導線或量子點而不是量子井所構成。
在作用區域421上方沈積一140-nm厚p型(Al0.55 Ga0.45 )0.5 In0.5 P波導層422，其將一般係在至少1×1018 cm-3 之一位準下鎂(Mg)摻雜。在波導層422上沈積一23-nm厚Al0.5 In0.5 P反穿隧層424，其具有至少1×1018 cm-3 的一鎂摻雜位準。在反穿隧層424上沈積一厚度25-nm的電子阻擋物層426，其係由交替Ga0.5 In0.5 P量子井及Al0.5 In0.5 P阻障層所構成，每一者係在至少1×1018 cm-3 之一位準下鎂摻雜。電子阻擋物層426係併入以便減少電子洩漏電流，從而將會減少紅色雷射二極體結構250之臨限電流及操作溫度。
在電子阻擋物層426上面沈積一120-nm厚p型Al0.5 In0.5 P或(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 SL包覆層428，其一般將會在一0.5×1018 cm-3 位準下鎂摻雜。在包覆層428上沈積一100-nm 厚p型GaAs接觸層429，其將在一至少1×1018 cm-3 位準下重度鎂摻雜。如更早些所解釋，接觸層429將會作為用於晶圓級接合紅色雷射二極體結構250與多層堆疊240-241-252之介面層。
習知此項技術者瞭解多層416-421-422為紅色雷射二極體250之光學共振器或光學束縛區域，在其內將會束縛MQW作用區域421所產生之紅色雷射光。如在後續段落中將會解釋，紅色雷射二極體250所產生之光將會透過垂直波導290從量子光子成像器裝置200之表面發射，該等垂直波導係光學耦合至紅色雷射二極體250之光學束縛多層416-421-422。
-綠色雷射二極體
圖4B解說此發明之量子光子成像器裝置200之綠色雷射二極體結構260之多層斷面之一範例性具體實施例。圖4B之多層半導體結構係以氮化物為主的，其參數係選擇使得綠色雷射二極體結構260所產生之雷射光將會具有一520-nm的主要波長。如圖4B中所示，厚度100-nm並在一位準6×1018 cm-3 下Si摻雜的一n摻雜In0.05 Ga0.95 N基板移除蝕刻停止層432係生長於一較厚GaN基板430上，該基板將會在將綠色雷射二極體結構260晶圓級接合至多層堆疊240-241-252-250-253-251-262之後蝕刻掉，如更早些所解釋。n摻雜In0.05 Ga0.95 N蝕刻停止層432將會具有6×1018 cm-3 的矽(Si)摻雜。儘管圖4B顯示基板430為GaN，但可使用InGaN材料合金用於基板430。
在基板移除蝕刻停止層432上沈積n型Al0.18 Ga0.82 N/GaN SL包覆層434，其一般將會為451-nm厚並具有2×1018 cm-3 的Si摻雜。在包覆層434上沈積一98.5-nm厚n型GaN波導層436，其一般將會在一6.5×1018 cm-3 位準下Si摻雜。在波導層436上沈積綠色雷射二極體260之作用區域，其係由多個In0.535 Ga0.465 N量子井層450所構成，每一量子井層係在一0.05×1018 cm-3 位準下Si摻雜並封閉於該等In0.04 Ga0.96 N阻障層438內，每一阻障層係在一6.5×1018 cm-3 位準下Si摻雜。如圖4B中所示，該等量子井層450及阻障層438之厚度係分別選擇為5.5-nm與8.5-nm；不過可增加或減少該些層之厚度以便微調綠色雷射二極體260之發射特性。
儘管圖4B顯示綠色雷射二極體260之作用區域431係由三個量子井所構成，但可增加或減少所使用的量子井數目以便微調綠色雷射二極體260之發射特性。而且，綠色雷射二極體260之作用區域431還可由多樣量子導線或量子點而不是量子井所構成。
在作用層431上沈積一8.5-nm厚p型GaN波導層452，其一般將會在一50×1018 cm-3 位準下鎂(Mg)摻雜。在波導層452上沈積一20-nm厚Al0.2 Ga0.8 N電子阻擋物層454，其具有約計100×1018 cm-3 的一鎂(Mg)摻雜位準。電子阻擋物層454係併入以便減少電子洩漏電流，從而將會減少綠色雷射二極體結構260之臨限電流及操作溫度。
在電子阻擋物層454上面沈積一90-nm厚p型GaN波導層456，其一般將會在一75×1018 cm-3 位準下鎂(Mg)摻雜。在 波導層456上沈積一451-nm厚p型Al0.18 Ga0.82 N/GaN SL包覆層458，其一般將會在一75×1018 cm-3 位準下鎂摻雜。在包覆層458上沈積一100-nm厚p型GaN接觸層459，其係在一75×1018 cm-3 位準下鎂(Mg)摻雜。如更早些所解釋，接觸層459將會作為用於晶圓級接合綠色雷射二極體結構260與多層堆疊240-241-252-253-251-262之介面層。
習知此項技術者瞭解多層436-431-452為綠色雷射二極體260之光學共振器或光學束縛區域，在其內將會束縛MQW作用區域431所產生之綠色雷射光。如在後續段落中將會解釋，綠色雷射二極體260所產生之光將會透過垂直波導290從量子光子成像器裝置200之表面而垂直發射，該等垂直波導係光學耦合至綠色雷射二極體260之光學束縛多層436-431-452。
-藍色雷射二極體
圖4C解說此發明之量子光子成像器裝置200之藍色雷射二極體結構260之多層斷面之一範例性具體實施例。圖4C之多層半導體結構係以氮化物為主的，其參數係選擇使得藍色雷射二極體結構260所產生之雷射光將會具有一460-nm的主要波長。如圖4C中所示，在一6×1018 cm-3 位準下Si摻雜的一厚度100-nm n摻雜In0.05 Ga0.95 N基板移除蝕刻停止層462係生長於一較厚GaN基板460上，該基板將會在將藍色雷射二極體結構270晶圓級接合至多層堆疊240-241-252-250-253-251-262-260-263-261-272之後蝕刻掉，如更早些所解釋。n摻雜In0.05 Ga0.95 N蝕刻停止層462將會具有6×1018 cm-3 的矽(Si)摻雜。儘管圖4C顯示基板460為GaN，但還可使用InGaN材料合金用於基板460。
在基板移除蝕刻停止層462上沈積n型Al0.18 Ga0.82 N/GaN SL包覆層464，其一般將會為451-nm厚並具有2×1018 cm-3 的Si摻雜。在包覆層464上沈積一98.5-nm厚n型GaN波導層466，其一般將會在一6.5×1018 cm-3 位準下Si摻雜。在波導層466上沈積藍色雷射二極體270之作用區域，其係由多個In0.41 Ga0.59 N量子井層470所構成，每一者係在一0.05×1018 cm-3 位準下Si摻雜並封閉於該等In0.04 Ga0.96 N阻障層468內，每一阻障層係在一6.5×1018 cm-3 位準下Si摻雜。如圖4C中所示，該等量子井層470及阻障層468之厚度係分別選擇為5.5-nm與8.5-nm；不過可增加或減少該些層之厚度以便微調藍色雷射二極體270之發射特性。
儘管圖4C顯示綠色雷射二極體260之作用區域431係由三個量子井所構成，但可增加或減少所使用的量子井數目以便微調綠色雷射二極體260之發射特性。而且，綠色雷射二極體260之作用區域431還可由多樣量子導線或量子點而不是量子井所構成。
在作用層431上面沈積一8.5-nm厚p型GaN波導層472，其一般將會在一50×1018 cm-3 位準下鎂(Mg)摻雜。在波導層472上沈積一20-nm厚Al0.2 Ga0.8 N電子阻擋物層474，其具有約計100×1018 cm-3 的一鎂(Mg)摻雜位準。電子阻擋物層474係併入以便減少電子洩漏電流，從而將會減少藍色雷射二極體結構270之臨限電流及操作溫度。
在電子阻擋物層474上沈積一90-nm厚p型GaN波導層476，其一般將會在一75×1018 cm-3 位準下鎂(Mg)摻雜。在波導層476上沈積一451-nm厚p型Al0.18 Ga0.82 N/GaN SL包覆層478，其一般將會在一75×1018 cm-3 位準下鎂(Mg)摻雜。
在包覆層478上沈積一100-nm厚p型GaN接觸層479，其係在一75×1018 cm-3 位準下鎂摻雜。如更早些所解釋，接觸層479將會作為用於晶圓級接合藍色雷射二極體結構270與多層堆疊240-241-252-253-251-262-260-263-261-272之層。
習知此項技術者瞭解多層466-461-472為藍色雷射二極體270之光學共振器或光學束縛區域，在其內將會束縛MQW作用區域461所產生之藍色雷射光。如在後續段落中所將解釋，藍色雷射二極體270所產生之光將會透過垂直波導290從量子光子成像器裝置200之表面而垂直發射，該等垂直波導係光學耦合至藍色雷射二極體270之光學束縛多層466-461-472。
以氮化物為主的量子光子成像器裝置200之多層紅色雷射二極體結構250之一替代性範例性具體實施例係解說於圖4D中。由於以氮化物為主，圖4D之多層紅色雷射二極體結構250之替代性範例性具體實施例將會具有與圖4B之以氮化物為主綠色雷射二極體260與圖4C之藍色雷射二極體結構270可比較的設計規定，除了其層參數將會選擇使得所產生雷射光將會具有一615-nm之主要波長外。圖4D之替代性以氮化物為主的多層紅色雷射二極體結構250將 會藉由增加多重量子井419之銦含量至0.68來實現。儘管圖4D顯示其作用區域係由三個量子井所構成，但可增加或減少所使用的量子井數目以便微調紅色雷射二極體250之發射特性。而且，圖4D中所解說之紅色雷射二極體250之替代性範例性具體實施例之作用區域還可由多樣量子導線或量子點而不是量子井所構成。儘管圖4D顯示基板480為GaN，但還可使用InGaN材料合金用於基板480。
QPI色域-
如隨後將會解釋，在量子光子成像器裝置200之前述範例性具體實施例中指定用於該等雷射二極體250、260及270之該三個色彩所定義之色域將會相對於諸如HDTV與NTSC之彩色影像顯示器之定義標準獲得一延伸色域(寬色域)。明確而言，在量子光子成像器裝置200之前述範例性具體實施例中指定用於該等雷射二極體250、260及270之該三個色彩將會獲得NTSC標準所定義之色域之接近200%的一色域。
此發明之量子光子成像器裝置200所獲得之色域可進一步延伸以包括90%以上的可見光色域以藉由增加併入光子半導體結構210內的雷射二極體數目超過在前述範例性具體實施例內指定用於該等雷射二極體250、260及270之三個色彩來獲得一超寬色域能力。明確而言，量子光子成像器裝置200所發射之光之色域可進一步延伸以在增加構成量子光子成像器裝置200之堆疊雷射二極體之數目以包括定位於該紅色及該綠色雷射二極體結構250及260之間的黃 色(572-nm)雷射二極體半導體結構以及定位於該綠色雷射二極體結構260與該藍色雷射二極體結構270之間的一青色(488-nm)雷射二極體半導體結構時實現一超寬色域，從而量子光子成像器裝置200由覆蓋紅色(615-nm)、黃色(572-nm)、綠色(520-nm)、青色(488-nm)及藍色(460-nm)之波長的一五個雷射二極體結構堆疊所構成。使用此五個雷射二極體半導體結構210堆疊，此發明之量子光子成像器裝置200將能夠產生覆蓋90%以上可見光色域的一超寬色域。
儘管在量子光子成像器裝置200之光子半導體結構210之前述範例性具體實施例中，該等雷射二極體結構250、260及270之波長係分別選擇為615-nm、520-nm及460-nm，但習知此項技術者應瞭解如何使用除該等選擇用於前述範例性具體實施例之雷射二極體結構250、260及270之波長外的其他波長值來遵循此發明之教導。而且，儘管在量子光子成像器裝置200之該等前述範例性具體實施例中，光子半導體結構210係由該三個雷射二極體結構250、260及270所構成，但習知此項技術者應瞭解如何使用三個以上的雷射二極體結構來遵循此發明之教導。而且，儘管在量子光子成像器裝置200之該等前述範例性具體實施例中，光子半導體結構210係由按圖3中所解說之次序堆疊的該三個雷射二極體結構250、260及270所構成，但習知此項技術者應瞭解如何以使用以一不同次序堆疊的雷射二極體結構來遵循此發明之教導。
-雷射二極體能帶
圖5A、圖5B及圖5C分別說明以磷化物為主的紅色雷射二極體結構250及以氮化物為主的綠色雷射二極體260及藍色雷射二極體270之該等前述範例性具體實施例之能帶。圖5A、圖5B及圖5C中所示之該等能帶解說從左向右的每一層之厚度以及自底而上的能量。該等厚度及能階意在顯示定性值而不是確切厚度及能階之一定量測量。然而，圖5A、圖5B及圖5C中的該等參考數字分別與圖4A、圖4B及圖4C中該等層之參考數字相對應。如該些圖式所解說，該等p型及n型包覆層之能階能量上束縛該等p型及n型波導層以及該等多重量子井位準。因為該等多重量子井之能階代表一局部較低能階，如圖式之圖5A、圖5B及圖5C中所解說，電子將會在該等量子井內被束縛以與對應電洞有效率地再結合來產生光。
參考圖5A，反穿隧層424之厚度係選擇使得其大得足以防止電子穿隧，但仍小得足以在電子阻擋物層426之超晶格結構內保持電子相干性。為了降低雷射發光臨限值，分別在雷射二極體結構250、260及270之範例性具體實施例內使用該等電子阻擋物層426、454及474。如圖5A中所解說，用於紅色雷射結構250內的電子阻擋物426係由多個量子阻障(MQB)所構成，該等量子阻障係實施於該p摻雜區域內並具有在波導層422與包覆層428之能階之間交替的能階。包括MQB電子阻擋物426實質上改良由於在該MQB內該等電子之量子干擾所引起之電子束縛，在該波導-包覆層介面處建立一較大阻障高度增加，從而實質上抑制電子 洩漏電流。如圖5B及圖5C中所解說，用於綠色雷射結構260及藍色雷射結構270內的電子阻擋物係放置於該等p型波導層之兩個片段之間並具有實質上高於該等波導層以及該等包覆層兩者之能階以便實質上改良電子束縛並實質上抑制電子洩漏電流。
像素側壁-
包含量子光子成像器裝置200之該複數個像素230係藉由該等像素側壁235來加以光學且電氣分離，該等像素側壁係由絕緣半導體材料所構成且嵌入其內的係該等垂直電氣互連(接觸通道)，其係用以選路電流至每一像素之組成雷射二極體。圖6A係構成量子光子成像器裝置200之複數個多色像素230之一者之一水平斷面圖，其解說像素側壁235之內部結構。如圖6A中所解說，像素側壁235定義多色像素230之該等邊界並由嵌入於一介電材料(諸如SiO2 )側壁內部237內的金屬接觸通道236構成。
圖6B係該等像素側壁235之一者之一垂直斷面圖，其解說在多層光子結構210與側壁235之間的介面。圖6A及圖6B中所解說之像素側壁235將會藉由蝕刻1微米寬的一正交方形格柵至多層光子結構210內來加以形成。將會以等於像素寬度的一間距並以從金屬層282開始並在SiO2 絕緣層241處結束的一深度來蝕刻該等溝渠，在量子光子成像器裝置200之此範例性具體實施例中，像素寬度係選擇為10微米。接著使用較低介電常數(低k)絕緣材料(諸如SiO2 或碳摻雜氧化矽(SiOC))來重新填充該等蝕刻溝渠，接著重 新蝕刻以形成150-nm寬溝渠用於該等接觸通道236。接著利用金屬(諸如金-錫(Au-Sn)或金-鈦(Au-Ti))，使用諸如CVD等汽相沈積技術來重新填充用於該等接觸通道236的該等重新蝕刻溝渠以獲得與該等金屬化層252、253、262、263、272及273之接觸。
蝕刻用於該等像素側壁235的該等溝渠可能具有如圖6B中所解說之平行側或可能受所使用蝕刻程序支配而略微傾斜。儘管任一適當半導體蝕刻技術均可用於蝕刻用於該等側壁235與該等接觸通道236的該等溝渠，但一範例性蝕刻技術係一乾式蝕刻技術，諸如以氯為主、化學輔助離子束蝕刻(以Cl為主的CAIBE)。不過，可使用其他蝕刻技術，諸如反應性離子蝕刻(RIE)等。
如上所述形成該等像素側壁235係在多層光子結構210之形成期間的多個中間階段中執行。圖6C係嵌入於該等像素側壁235內的該等接觸通道236之一垂直斷面圖。如圖6C中所解說，該等接觸通道236之每一者將會分別由用於紅色雷射二極體結構250 p接觸及n接觸之六個片段254及256；分別用於綠色雷射二極體結構260 p接觸及n接觸的264及266；及分別用於藍色雷射二極體雷射270 p接觸及n接觸之274及276所構成。
在如更早些所解釋來形成多層結構240-241-252-250之後，從紅色雷射二極體多層250之側雙蝕刻用於像素側壁235之溝渠至該多層結構內，使該第一及該第二停止蝕刻在金屬層252下面及上面。接著使用諸如SiO2 之絕緣材料 來重新填充所蝕刻的溝渠，接著使用金屬層252作為停止蝕刻來重新蝕刻並使用接觸金屬材料來重新填充以形成圖6C中所解說之接觸通道254之基底片段。
在沈積接觸層253與絕緣層251之後，雙蝕刻用於像素側壁235之溝渠至該等沈積層內，使該第一及第二停止蝕刻在金屬層253下面及上面，使用絕緣材料來重新填充，使用金屬層253作為停止蝕刻來重新蝕刻並使用接觸金屬材料來重新填充以形成接觸通道256之基底並如圖6C中所解說延伸接觸通道254。
在沈積接觸層262並將綠色雷射二極體結構260與該多層結構接合之後，從綠色雷射二極體多層250之側雙蝕刻用於像素側壁235之溝渠至所形成的多層結構內，使該第一及該第二停止蝕刻在金屬層262下面及上面。接著使用諸如SiO2 之絕緣材料來重新填充該蝕刻溝渠，接著使用金屬層262作為停止蝕刻來重新蝕刻並使用接觸金屬材料來重新填充以形成接觸通道264之基底片段並如圖6C中所解說延伸接觸通道254及256。
在沈積接觸層263與絕緣層261之後，雙蝕刻用於像素側壁235之溝渠至該等沈積層內，使該第一及第二停止蝕刻在金屬層263下面及上面，使用絕緣材料來重新填充，使用金屬層263作為停止蝕刻來重新蝕刻並使用接觸金屬材料來重新填充以形成接觸通道266之基底片段並如圖6C中所解說延伸該等接觸通道254、256及264。
在沈積接觸層272並將藍色雷射二極體結構270與該多層 結構接合之後，從綠色雷射二極體多層250之側雙蝕刻用於像素側壁235之溝渠至所形成的多層結構內，使該第一及該第二停止蝕刻在金屬層272下面及上面。接著使用諸如SiO2 之絕緣材料來重新填充該蝕刻溝渠，接著使用金屬層272作為停止蝕刻來重新蝕刻並使用接觸金屬材料來重新填充以形成接觸通道274之基底片段並如圖6C中所解說延伸接觸通道254、256、264及266。
在沈積接觸層273與絕緣層271之後，雙蝕刻用於像素側壁235之溝渠至該等沈積層內，使該第一及第二停止蝕刻在金屬層273下面及上面，使用絕緣材料來重新填充，使用金屬層263作為停止蝕刻來重新蝕刻並使用接觸金屬材料來重新填充以形成接觸通道276之基底片段並如圖6C中所解說延伸該等接觸通道254、256、264、266及274。
在形成該等像素側壁235之後，將會沈積金屬層282，接著加以蝕刻以在使用接觸通道254、256、264、266、274及276所設立之金屬接觸之間建立分離溝渠並接著使用諸如SiO2 之絕緣材料來重新填充該等蝕刻溝渠，接著拋光以建立解說於圖7中的像素接觸墊700。像素接觸墊700將會形成在光子半導體結構210與數位半導體結構220之間的接觸介面。
垂直波導-
在如上所解釋來形成該等像素側壁235之後，光子半導體結構210將會由該等形成側壁235劃分成電氣且光學分離的方形區域，其定義該光子半導體結構之該等個別像素 230。該等像素230之每一者之所形成光子半導體結構將接著由該等雷射二極體半導體結構250、260及270之一部分所構成並將分別指定231、232及233。
除了電氣且光學分離量子光子成像器裝置200之該等多色像素230外，由一介電材料(諸如SiO2 )，具有圖6C中所解說之金屬通道236嵌入於其內部的該等像素側壁235還將會形成光學阻障，其將會光學密封構成每一多色像素230之雷射二極體結構250、260及270的該等光學束縛區域之部分之每一者之該等垂直邊緣。換言之，在該等雷射二極體結構250、260及270之間的該等絕緣及金屬接觸層以及在該等像素側壁235內的該等絕緣及接觸通道將會形成在該等水平以及該等垂直平面內光學且電氣分離的垂直堆疊多色雷射二極體共振器之一陣列。此一電氣且光學分離將會最小化在該等像素230之間的任何可能電氣或光學串擾並允許可單獨定址在該陣列內的每一像素以及在每一像素內的每一雷射二極體。輸出自該等像素230之每一者之雷射光將會透過該等垂直波導290之陣列而垂直發射，該等垂直波導係光學耦合至形成該等像素230之每一者的該等垂直堆疊雷射二極體231、232及233之每一者之光學束縛區域。
圖8A及圖8B分別解說構成此發明之量子光子成像器裝置200之該等像素230之一者的該垂直波導陣列之該等垂直波導290之一者之垂直及水平斷面圖。如圖8A及圖8中所解說，該等垂直波導290之每一者將會沿其垂直高度與構成 像素230之三個垂直堆疊雷射二極體231、232及233之光學束縛區域光學耦合。如圖8A及圖8B中所解說，該等垂直波導290之每一者將會由一波導核心291構成，其將會封閉於一多層包覆292內。像素之波導290之陣列將會一般蝕刻透過光子多層結構210之Si基板240側，其內部將會接著塗布多層包覆292且該等波導將會接著使用該介電材料來重新填充以形成垂直波導核心291。儘管任一適當半導體蝕刻技術均可用於蝕刻該等垂直波導290，但一範例性蝕刻技術係一乾式蝕刻技術，諸如以氯為主、化學輔助離子束蝕刻(以Cl為主的CAIBE)。不過，可使用其他蝕刻技術，諸如反應性離子蝕刻(RIE)等。儘管任一適當半導體塗布技術均可用於形成該等垂直波導290之核心291及多層包覆292，但一範例性層沈積技術係電漿輔助化學汽相沈積(PE-CVD)。蝕刻用於該等垂直波導290的該等溝渠較佳的係將會依據在該雷射二極體堆疊中的該等個別雷射二極體之遞增波長而具有如圖8A中所解說之略微傾斜側。
如圖8A及8B中所解說，該等垂直波導290之每一者將會一般具有一圓形斷面且其垂直高度將會延伸Si基板240之厚度加上構成像素230之三個垂直堆疊雷射二極體231、232及233之組合厚度。較佳的係在與該等雷射二極體231、232及233之每一者之耦合區域之中心處的像素之垂直波導290之直徑(折射率引導直徑)將會等於個別雷射二極體之波長。
該等垂直波導之第一具體實施例-
在此發明之量子光子成像器裝置200之一具體實施例中，該像素之垂直波導290之該等核心將會"漸逝場耦合"至形成一單一像素230之堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域。在此具體實施例中，垂直波導包覆292將會由50-nm至100-nm厚絕緣材料(諸如SiO2 )之一外部層293與高反射性金屬(諸如鋁(Al)、銀(Ag)或金(Au))之一內部層294所構成。該等垂直波導290之核心291可以係空氣填充或使用一介電材料(諸如SiO2 、氮化矽(Si3 N4 )或五氧化二鉭(TaO5 ))來填充。透過此具體實施例之漸逝場耦合，束縛於該等雷射二極體231、232及233之每一者之光學束縛區域內的雷射光之一小部分將會耦合至該等垂直波導290之介電核心291內，在該處將會透過在波導包覆292之高反射性金屬內部包覆層294上的反射來垂直引導其。
在此發明之量子光子成像器裝置200之此具體實施例中，在構成該等像素230之每一者之堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與其組成垂直波導290之間的耦合將會由於橫跨金屬內部包覆層294之光子穿隧而發生。此類光子穿隧將會在選擇波導包覆292之反射性金屬內部包覆層294之厚度以充分小於至波導包覆292之反射性金屬內部包覆層294內之漸逝場之滲透深度時發生。換言之，相關聯於束縛於堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內之光的能量將會透射至金屬內部包覆層294內一較短距離，之後其返回至堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內且當反射性金屬內部包覆 層294之厚度係充分小時，此能量之一部分將會耦合至垂直波導核心291內並將會透過在波導包覆292之高反射性金屬內部包覆層294上的反射來垂直引導並垂直於量子光子成像器裝置200之表面而發射。
從堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域透射至反射性金屬內部包覆層294內的漸逝場將會呈指數衰減並將會具有以下所給出之平均滲透深度"d "： 其中λ 係該耦合光之波長，n 0 與n 1 分別係外部包覆層293與內部包覆層294之折射率，而θ i 係從該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域至內部包覆層294上之入射之光角度。
如等式(1)所指示，對於一給定n 0 、n 1 及θ i ，該漸逝場滲透深度隨著光波長λ 減少而減少。為了使用將會有效耦合該等雷射二極體231、232及233所產生之三個不同波長的用於內部包覆層294之一厚度，將會使用等式(1)來選擇內部包覆層294之厚度，λ 值係相關聯堆疊雷射二極體231、232及233所產生之最短波長之波長，在前述具體實施例之情況中係相關聯於藍色雷射二極體233之波長。當基於此準則來選擇內部包覆層294之厚度時，將會耦合至垂直波導290內的由該等堆疊雷射二極體231、232及233所產生之光將會分別係在堆疊雷射二極體231、232及233之光學束縛區域與垂直波導290之間介面所反射之光之強度之0.492、0.416及0.368。當增加內部包覆層294之厚度時， 耦合至垂直波導290內的光數量將會成比例減少。內部包覆層294朝該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域以及朝垂直波導核心291之反射率將會分別由以下給出：
其中n 2 係垂直波導核心291之折射率而k 1 係內部包覆層294之吸收係數。
在此發明之漸逝場耦合垂直波導290之以上範例性具體實施例中，其中SiO2 係用作一外部包覆層293而Si3 N4 係用作波導核心291材料，一50-nm厚銀(Ag)內部包覆294將會耦合約計36%的入射在該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與垂直波導290之間介面上的雷射光，同時仍在該等垂直波導290內部獲得約計62%的反射率。應注意，不耦合至該等垂直波導290內的部分光將會被內部包覆294所吸收(約計0.025)或將會再循環回至該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內，在該處其將會由雷射二極體231、232及233之該等作用區域來加以放大並接著重新耦合至該等垂直波導290內。
該等垂直波導之第二具體實施例-
在此發明之量子光子成像器裝置200之另一具體實施例中，該等像素之垂直波導290之該等核心291將會透過使用各向異性多層薄包覆來耦合至形成一單一像素230的堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域。在此背 景下"各向異性"意指反射比/透射比特性將會在垂直波導290與該等堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域之間的介面之任一側處不對稱。此具體實施例之最簡單實現將會係使用一單一薄包覆層293，其具有在波導核心291與雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域之折射率值之間的一折射率值並具有較佳的係使用一介電材料填充的波導核心291，該介電材料較佳的係具有至少等於該等堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域之折射率的一折射率。
薄介電多層塗布之反射比及透射比特性係詳細說明於參考文獻[39]中。在一法線入射角下，在雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與包覆層293之間的介面處的反射率將會由以下給出： 其中n 0 、n 1 及n 2 分別係堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域、包覆層293及波導核心291之折射率。隨著在雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與包覆層293之間的介面處的入射角增加，該反射率增加向下至所有光在到達臨界角時全反射。由於該臨界角取決於橫跨該介面之折射率之比率，當選擇此比率使得在雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與包覆層293之間的介面之臨界角係大於波導核心291與包覆層293之間的臨界角時，該光之一部分將會耦合至波導核心291內且將會透過該等像素之垂直波導290之全內反射(TIR)來加以折射率 引導以垂直於量子光子成像器裝置200之表面而發射。
在透過使用多層薄包覆來耦合該等垂直波導290之以上範例性具體實施例中，其中一約計100-nm厚SiO2 係用作一包覆層293而二氧化鈦(TiO2 )係用作波導核心291材料，約計8.26%的入射在該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與垂直波導290之間的介面上的雷射光將會耦合至波導核心291內並透過該等像素之垂直波導290來加以折射率引導以垂直於量子光子成像器裝置200之表面而發射。
比較前面具體實施例之漸逝場耦合，透過使用多層薄包覆來耦合垂直波導290將會從堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域耦合一更少數量的光至波導核心291內，但所耦合的光將不會在其橫過垂直波導290之長度時經歷任何損失，因為該光係TIR引導的，因此約計相同數量的光將會透過垂直於量子光子成像器裝置200之表面的垂直波導290來輸出。應注意，不由內部包覆293耦合至該等垂直波導290內的部分光(在此範例之情況下其將會為91.74%)將會再循環回至該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內，在該處其將會由雷射二極體231、232及233之該等作用區域來加以放大並接著重新耦合至該等垂直波導290內。
儘管在透過使用多層薄包覆來耦合該等垂直波導290之以上範例性具體實施例中，僅例示一單一層，但可使用多個薄包覆層來變更耦合至垂直波導290內的光強度與在該 等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內再循環回者之比率。例如，當結合一TiO2 波導核心291來使用兩個薄包覆層，該外部包覆為150-nm厚Si3 N4 而該內部包覆為100-nm厚SiO2 時，約計7.9%的入射在該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與垂直波導290之間的介面上的雷射光將會耦合至波導核心291內並藉由該等像素之垂直波導290來加以TIR引導以垂直於量子光子成像器裝置200之表面而發射。所使用薄包覆層之數目之選擇、其折射率及厚度係可利用以微調該等像素之垂直波導290之耦合特性並隨後量子光子成像器裝置200之整體效能特性的設計參數。
該等垂直波導290之第三具體實施例-
在此發明之量子光子成像器裝置200之另一具體實施例中，該等像素之垂直波導290之核心291將會透過使用非線性光學(NLO)包覆來耦合至形成一單一像素230之堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域。此具體實施例之主要優點在於，其將會致能此發明之量子光子成像器裝置200作為一鎖模雷射發射裝置(鎖模致能雷射裝置發射超短光脈衝)而操作。由於藉由此具體實施例所實現之量子光子成像器裝置200之鎖模操作之一結果，量子光子成像器裝置200將會實現改良的功率消耗效率與一更高的峰值對平均值發射光強度。此具體實施例之鎖模操作將會結合前面具體實施例之垂直波導耦合方法來併入於該等像素之垂直波導290之包覆292內。
此具體實施例將藉由在堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域與外部包覆層293之間添加一薄外部包覆層295(以下將稱為閘包覆層)來實現。閘包覆層295將會係一NLO材料之一薄層，諸如單晶聚PTS聚二乙炔(PTS-PDA)或聚二噻吩並噻吩(PDTT)等。此類NLO材料之折射率n 並非獨立於入射光的一常數，確切而言其折射率隨著入射光之強度I 增加而變化。對於此類NLO材料，折射率n 遵守與入射光強度的下列關係：n =n 0 +χ (3) I (4)
在等式(4)中，χ (3) 係該NLO材料之第三階非線性磁化率而n 0 係該NLO材料對於入射光強度I 之低值所展現之線性折射率值。在此具體實施例中，包含閘包覆層295之NLO材料之線性折射率n 0 與厚度係選擇使得在較低入射光強度I 下，實質上所有從堆疊雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域入射在多層包覆292上的實質上所有光將會反射回來並再循環至該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內，在該處其將會由雷射二極體231、232及233來加以放大。
隨著該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內的光強度由於整合光通量而增加，閘包覆層295之折射率n 將會依據等式(4)而變化，引起再循環回至該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內的光強度與耦合至垂直波導290內者之比率減少，從而引起將整合於該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內的 光通量之一部分耦合至垂直波導290內並垂直於量子光子成像器裝置200之表面而發射。
隨著將該光耦合至波導290內，在該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內的整合光通量將會減少，引起入射在閘包覆層295上的光之強度I 減少，其進而將會引起折射率n 依據等式(4)而變化，引起再循環回至該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內的光強度與耦合至垂直波導290內者之比率增加，從而引起重複在該等雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域內光通量整合之循環。
事實上，使用併入此具體實施例之一NLO之多層包覆將會引起該等像素之雷射二極體231、232及233之該等光學束縛區域作為光子電容器而操作，該等光子電容器將會週期性整合在將該整合光通量耦合至垂直波導290內並在量子光子成像器裝置200之像素230之表面處發射期間的週期之間由該像素之雷射二極體231、232及233所產生之光通量。
當結合前面具體實施例之垂直波導290耦合範例之多層薄包覆來使用NLO閘包覆層295時，耦合效能將會可比較，除了耦合至垂直波導290內並在像素230之表面處所發射之光將會作為一系列脈衝而發生。當結合一約計100-nm厚SiO2 內部包覆293來使用一具有一約計100-nm厚度之PTS-PDA之一NLO閘包覆層295並使用二氧化鈦(TiO2 )作為波導核心291材料時，從像素230之表面所發射之該等光脈 衝將會一般具有在約計20-ps至30-ps之範圍內的一持續時間，一脈衝間週期係在約計50-ps至100-ps之範圍內。結合NLO閘包覆層295使用的薄包覆層之數目之選擇、其折射率及厚度係可利用以微調該像素之垂直波導290之耦合特性以及從像素230發射之多色雷射光之脈動特性並隨後量子光子成像器裝置200之整體效能特性的設計參數。
該等垂直波導290之第四具體實施例-
垂直波導290之一第四具體實施例可見諸於圖2D。在此具體實施例中，波導於每一雷射二極體之光學束縛區域之末端處終止，使得定位於該堆疊之頂部之雷射二極體處終止的該等波導將會耦合僅來自該雷射二極體之光而在該堆疊內從該頂部雷射二極體在第二雷射二極體處終止的該等波導將會耦合來自第一及第二雷射二極體之光而從該堆疊之頂部在第三雷射二極體處終止的該等波導將會耦合來自該堆疊內的該第一、第二及第三雷射二極體之光。較佳的係該些波導將會筆直而不是逐漸變細。該些波導還可能係空氣填充或使用一適當介電質(諸如SiO2 )來填充。使用該些不同高度波導，從該堆疊內的該第一雷射二極體耦合的光數量將會高於從該堆疊內的該第二雷射二極體所耦合的光數量而從該堆疊內的該第二雷射二極體的光數量將會高於從該堆疊內的該第三雷射二極體所耦合之光數量。由於一滿意色域將會包括綠色多於紅色，且紅色多於藍色，吾人可能將該綠色二極體放置於頂部，該紅色者在中間而該藍色者在該堆疊之底部。
像素波導陣列-
如前面論述中所解釋，構成量子光子成像器裝置200之該等像素230之每一者將會包含複數個垂直波導290，透過其將在一垂直於量子光子成像器裝置200之表面的方向上發射該像素之雷射二極體231、232及233所產生之雷射光。複數個像素之垂直波導290將會形成一發射器陣列，透過其將會發射該像素之雷射二極體231、232及233所產生之光。給定該等前面首三個具體實施例的該等垂直波導290光耦合方法，從該像素之垂直波導290之每一者所發射之光將會具有一高斯(Gaussian)斷面，其在其最大強度的一半下具有一約計±20度的角幅。在量子光子成像器裝置200之較佳具體實施例中，該複數個像素之垂直波導290將會在一數目及一選擇以減少從像素230之表面所發射之光之最大發散角(準直角)的圖案上配置，以橫跨該像素之區域提供一均勻亮度，並最大化像素亮度。
在使用相位發射器陣列之熟知理論參考文獻[41]中，在包含像素之垂直波導290之N個的子午面內由該等像素230所發射之光之角強度將由以下給出：I (θ )=E (θ ){J 1 [aX (θ )]/aX (θ )}2 {Sin [NdX (θ )]/Sin [dX (θ )]}2 (5.a)其中：X (θ )=(π Sinθ )/λ (5.b)
J 1 (.)係貝塞爾(Bessel)函數，λ 係該像素之垂直波導290所發射之光之波長，a 係該等垂直波導290之直徑，d 係在該像素之垂直波導290之間的中心至中心距離而E (θ )係從每一 像素之垂直波導290所發射之光之強度輪廓，如更早些所聲明，該強度輪廓一般將會為在其最大強度的一半下具有一約計±20度之角幅的一高斯輪廓。較佳的係參數a ，即在與該等雷射二極體231、232及233之每一者之耦合區域之中心處的像素之垂直波導290之直徑(折射率引導直徑)，將會等於個別雷射二極體之波長。參數d (即像素之垂直波導290之間的中心至中心距離)之典型值將會為至少1.2a 且其特定值將會選擇以微調像素230之發射特性。
圖9A解說在該等像素230所發射之波長之多個值下在包含像素對角線之子午面內，包含一9×9均勻間隔垂直波導290陣列的10×10微米像素230所發射之光之角強度，該等均勻間隔垂直波導具有如上所指定之一直徑a 與中心至中心d =2a 。明確而言，在圖9A中，該等輪廓910、920及930解說在紅色波長(615-nm)、綠色波長(520-nm)及藍色波長(460-nm)下該等像素230所發射之光之角強度。如圖9A中所解說，像素230及隨後量子光子成像器裝置200所發射之多色雷射光將會具有一準直角完全在±5°內的緊密準直發射圖案，從而使量子光子成像器裝置200具有一約計4.8的光學f/#。
可調整在像素230表面內該等垂直波導290之圖案以為量子光子成像器裝置200獲得在光學f/#方面的所需發射特性。建立該等垂直波導290之圖案的重要設計準直係在所需光學f/#下產生一均勻發射，同時保持在蝕刻垂直波導290之陣列之後用於像素之光產生雷射二極體231、232及 233之足夠區域。圖9B解說在像素230表面內該等垂直波導290之數個可能圖案，其可結合此發明之量子光子成像器裝置200來使用。基於此發明之該等教導，習知此項技術者應瞭解到如何選擇將會產生最適用於此發明之量子光子成像器裝置200之目的應用之光發射光學f/#的在像素230表面內的該等垂直波導290之圖案。
數位結構-
圖10A解說量子光子成像器裝置200之數位半導體結構220之一垂直斷面。數位半導體結構220將會使用傳統CMOS數位半導體技術來製造，且如圖10A中所解說，將會由多個金屬層222、223、224及225構成，其係由諸如SiO2 之絕緣半導體材料之薄層來分離；以及數位控制邏輯半導體結構226，其係使用傳統CMOS數位半導體技術來沈積在Si基板227上。
如圖10B中所解說，金屬層222將會併入複數個像素的接觸墊圖案，其中每一接觸墊圖案將會實質上等同於圖7中所解說之光子半導體結構210之像素接觸墊圖案。金屬層222之複數個像素接觸墊圖案將會組成光子半導體結構210與數位半導體結構220之間的接合介面，如更早所解釋。金屬層222還將在其周邊併入整個量子光子成像器裝置200之該等裝置接觸接合墊221，如圖2C中所解說。
圖10C解說金屬層223之佈局，其併入分別指定用於分配功率及接地至該像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233的單獨功率及接地金屬軌310、315及320以 及指定用於選路功率及接地至數位半導體結構220之數位邏輯部分的該等金屬軌325。圖10D解說金屬層224之佈局，其併入分別指定用於分配資料410、更新415及清除420信號至指定用於控制該等像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之開關狀態之數位控制邏輯半導體結構226區段的單獨金屬跡線。圖10E解說金屬層225之佈局，其併入分別指定用於分配負載510及啟用520信號至指定用於控制該等像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之開關狀態之數位控制邏輯半導體結構226區段的單獨金屬跡線。
數位控制邏輯半導體結構226將由以下所構成：該等像素之數位邏輯區段228，其係直接定位於光子半導體結構210下面(圖2B)；及控制邏輯區域229，其係定位於數位邏輯區域228之周邊處，如圖2C中所解說。圖11A解說數位控制邏輯半導體結構226之控制邏輯區段229之一範例性具體實施例，該控制邏輯區段係設計用以分別接受在量子光子成像器裝置200外部所產生之紅色、綠色及藍色PWM串列位元流輸入資料及時脈信號425、426及427，加上該等控制時脈信號428及429，並將所接受資料及時脈信號轉換成該等控制及資料信號410、415、420、510及520，其係經由該等互連金屬層224及225來選路至數位邏輯區段228。
數位控制邏輯半導體結構226之數位邏輯區段228將會由二維像素邏輯單元300陣列所構成，其中每一此類邏輯單 元將直接定位於構成量子光子成像器裝置200之該等像素230之一者下面。圖11B解說構成數位控制邏輯半導體結構226之數位邏輯區段228之數位邏輯單元300之一範例性具體實施例。如圖11B中所解說，相關聯於構成量子光子成像器裝置200之該等像素之每一者的像素邏輯單元300將會由分別與該紅色、綠色及藍色像素之雷射二極體231、232及233相對應的該等數位邏輯電路810、815及820。如圖11B中所解說，該等數位邏輯電路810、815及820將會接受該等控制及資料信號410、415、420、510及520並基於該等接受資料及控制信號將會分別啟用該等功率及接地信號310、315及320至該紅色、綠色及藍色像素之雷射二極體231、232及233之連接性。
數位半導體結構220將會製造成一單石CMOS晶圓，其將會併入多樣數位半導體結構220(圖2A)。如更早些所解釋，數位半導體結構220將會使用晶圓級直接接合技術等與光子半導體結構210接合以形成一整合多晶圓結構，接著將會在每一單一量子光子成像器裝置200晶粒區域之周邊處蝕刻其以便曝露該等裝置接觸接合墊221，接著將會切割成圖2A及圖2C中所解說之個別量子光子成像器裝置200晶粒。或者，將數位半導體220晶圓切割成晶粒並單獨地將光子半導體結構210晶圓切割成晶粒，每一者具有包含所需數目的像素之雷射二極體231、232及233的一區域，接著將使用覆晶技術等晶粒級接合每一光子半導體結構210晶粒至數位半導體220晶粒以形成圖2A及圖2C中所 解說之一單一量子光子成像器裝置200。
QPI製造流程-
圖12係解說將會用以依據前面段落中所說明之範例性具體實施例來製造量子光子成像器裝置200之半導體程序流程之一流程圖。如圖12中所解說，該程序開始於步驟S02並繼續至步驟S30，在此期間，接合各種晶圓，並沈積絕緣及金屬層，形成互連通道、側壁及垂直波導。應注意，將會單獨並在圖12中所解說之製造程序流程外執行該等雷射二極體多層半導體結構250、260及270以及數位半導體結構220之半導體製造流程，圖12意在解說接合該些晶圓並形成該等像素230及互連之半導體程序流程之一範例性具體實施例。
在步驟S02中，將SiO2 絕緣層241沈積於基底Si基板240晶圓上。在步驟S04中，將會沈積該p接觸金屬層並在步驟S06中將所形成堆疊與雷射二極體多層半導體晶圓接合並蝕刻該雷射二極體晶圓向下至該停止蝕刻層。在步驟S08中，先雙蝕刻該等像素側壁溝渠向下至步驟S04中所沈積之該等金屬層前面的絕緣層，接著向下至在步驟S04中所沈積之金屬層並接著使用SiO2 來重新填充該等蝕刻溝渠。在步驟S10中，蝕刻用於該等像素垂直接觸通道之溝渠向下至步驟S04中所沈積之金屬層，接著沈積一薄絕緣層並蝕刻以曝露所沈積通道。在步驟S12中，將會沈積該n接觸金屬層，接著蝕刻以延伸該等像素之側壁溝渠之高度。在步驟S14中，沈積一SiO2 絕緣層，接著針對將會併入於量 子光子成像器裝置200內的該等雷射二極體多層半導體晶圓之每一者來重複S04至步驟S14之程序流程。
在步驟S16中，沈積用於形成接合接觸墊700所需之金屬層，接著蝕刻以形成圖7中所解說之接觸墊圖案。在步驟S20中，蝕刻該等垂直波導290透過所形成多層結構之Si基板側以形成諸如圖9B中所解說之該等者的該等像素230之波導圖案。在步驟S22中，沈積該等波導包覆層292並接著使用步驟S24中的波導核心291材料來重新填充該等波導腔。在步驟S26中，所形成多層雷射二極體結構之Si基板側係拋光至光學品質並在必要時塗布以形成量子光子成像器裝置200之發射表面。步驟S02至S28將會導致一晶圓大小光子半導體結構210，其將會晶圓級墊側接合步驟S28中的數位半導體結構220晶圓。
在步驟S30中，蝕刻所得多晶圓堆疊以曝露量子光子成像器裝置200之該等個別晶粒之接觸墊221並將該多晶圓堆疊切割成量子光子成像器裝置200之個別晶粒。
步驟S30之程序之一替代性方案將程序步驟S02至S26所形成之光子半導體結構210切割成用於量子光子成像器裝置200所需之晶粒大小並將數位半導體結構220晶圓單獨切割成晶粒，接著使用覆晶技術墊側接合該兩個晶粒以形成量子光子成像器裝置200之該等個別晶粒。
QPI投影機-
量子光子成像器裝置200將會一般在用於前或後投影顯示系統中的數位影像投影機中用作一數位影像來源。圖13 解說併入此發明之量子光子成像器裝置200作為一數位影像來源之一典型數位影像投影機800之一範例性具體實施例。量子光子成像器裝置200將會與一伴隨數位裝置850(其將會稱為影像資料處理器並將在後續段落中作功能性說明)一起整合於一印刷電路板上，該伴隨數位裝置將會用以將數位影像輸入轉換成至量子光子成像器裝置200之PWM格式化輸入。如圖13中所解說，量子光子成像器裝置200之發射光學孔徑將會與一投影光學元件透鏡群組810耦合，該投影光學元件透鏡群組將會放大量子光子成像器裝置200所產生之影像至所需投影影像大小。
如更早些所解釋，從量子光子成像器裝置200所發射之光一般將會包含於一約計4.8之光學f/#內，從而使得可能使用更少適度複雜度之透鏡(一般2或3個透鏡)來獲得在20至50之間範圍內的來源影像放大。使用現有數位成像器(諸如具有一約計2.4之光學f/#之微鏡面、LCOS或HTPS成像器裝置)的典型數位投影機一般將會要求多達8個透鏡來實現一可比較的位準的來源影像放大。而且，使用被動(意指反射或透射型)數位成像器(諸如微鏡面、LCOS或HTPS成像器裝置)之典型數位投影機將會要求一複雜光學裝配件來照明該成像器。對比之下，由於量子光子成像器裝置200係一發射式成像器，使用量子光子成像器裝置200之數位影像投影機800將不會要求任一複雜光學照明裝配件。用於放大所要求之減少數目透鏡加上排除照明光學元件將會使使用量子光子成像器裝置200之數位影像投影機 800比使用現有數位成像器(諸如微鏡面、LCOS或HTPS成像器裝置)之數位投影機實質上更簡單且隨後更緊密且更低廉。
QPI裝置效率-
此發明之量子光子成像器裝置200之一重要態樣係其照度(亮度)效能與其對應功率消耗。具有分別如圖4A、圖4B及圖4C中所指定之前面範例性具體實施例之雷射二極體結構231、232及233的一單一10×10微米像素230將會消耗約計4.5μW、7.4μW及11.2μW來分別產生紅色(615-nm)、綠色(520-nm)及藍色(460-nm)之約計0.68μW、1.1μW及1.68μW的一輻射通量，其等於在8,000K°之色溫下1毫流明之光通量。換言之，量子光子成像器裝置200之單一10×10微米像素230將會消耗約計23μW來在8,000K°之色溫下產生約計1毫流明的光通量，其將會足以在將像素放大至0.5×0.5毫米時提供1,200以上燭光/平方公尺的一亮度。在大多數現有商用顯示器所提供之亮度下，其一般在350燭光/平方公尺至500燭光/平方公尺範圍內變化，當大小放大至0.5×0.5毫米時量子光子成像器裝置200之單一10×10微米像素230將會消耗不到10μW，其小於現有商用顯示器(諸如使用一微鏡面、LCOS或HTPS裝置之PDP、LCD或投影顯示器)所要求之功率消耗之近一又二分之一數量級。
作為排除相關聯於照明光學元件及使用現有數位成像器(諸如微鏡面、LCOS或HTPS)之所有投影機中所要求之成 像器光學耦合的一直接結果，比較現有數位成像器時，此發明之量子光子成像器裝置200將會獲得實質上更高的效率。明確而言，相關聯於圖13中所解說之使用此發明之量子光子成像器裝置200之數位投影機800之損失將會限於由於投影光學元件透鏡群組810所引起之該等損失，其將會約計為大約4%。意味著在投影光通量與產生光通量之比率方面使用量子光子成像器裝置200之圖13中所解說之數位投影機800之效率將會為約計96%，其實質上高於使用現有數位成像器(諸如微鏡面、LCOS或HTPS成像器裝置)之投影機所獲得之不到10%效率。
例如，具有一百萬像素的使用此發明之量子光子成像器200之圖13中所解說之數位投影機800將會消耗約計25.4瓦特來在8,000K°之色溫下產生約計1,081流明的光通量，其將會足以在一前投影螢幕上在一約計1,000燭光/平方公尺之亮度下投影具有60英吋對角線的一影像。當將一典型投影螢幕之效率考量在內時，數位投影機800之引述範例將會在一後投影螢幕上投影一具有約計560燭光/平方公尺之亮度的影像。出於比較目的，獲得在350燭光/平方公尺之範圍內之亮度的一典型現有後投影顯示器之功率消耗將會超過250瓦特，其指示使用量子光子成像器裝置200作為一影像來源之數位投影機800將會比現有前及後投影顯示器或一高得多的投影影像亮度，卻在一實質上更低的功率消耗下。
QPI優點及應用-
組合量子光子成像器裝置200之低功率消耗時使用量子光子成像器裝置200之數位影像投影機800之緊密度及低成本特性將會使得可能設計並製造可有效嵌入於諸如蜂巢式電話、膝上型PC或可比較的行動裝置之行動平台內的數位影像投影機。特定言之，使用此發明之量子光子成像器200之數位投影機800(諸如具有640×480個像素並設計以獲得±25度投影視場之如圖13中所解說者)將會獲得約計15×15mm體積並將會消耗小於1.75瓦特來投影具有約計200燭光/平方公尺之亮度的18英吋投影影像對角線(出於參考目的，一膝上型PC之典型亮度為約計200燭光/平方公尺)。
因為其緊密性及低功率消耗，本發明之量子光子成像器200還將適用於近眼式應用，諸如頭盔顯示器與遮陽板顯示器。而且，因為其超寬色域能力，本發明之量子光子成像器200還將適用於要求實際影像色彩再現之應用，諸如模擬器顯示器與遊戲顯示器。
QPI操作-
使用前面段落中所說明之其以像素為主的雷射光產生能力，量子光子成像器裝置200將會能夠將接收自一外部輸入的數位來源影像資料轉換成一光學影像，其將會耦合至如圖13中所解說之投影機800之投影光學元件內。在使用此發明之量子光子成像器裝置200來合成來源影像時，該等影像像素之每一者之照度(亮度)與色度(色彩)分量將會透過對應像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及 233之開啟/關閉工作循環之適當設定來加以同時合成。明確而言，對於該等來源影像像素之每一者，該像素之色度分量將會藉由設定反映用於該像素之所需色彩座標的對應像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233開啟/關閉工作循環相對比率來加以合成。類似地，對於該等來源影像像素之每一者，該像素之照度分量將會藉由設定反映用於該像素之所需亮度的對應像素之光產生紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233共同開啟/關閉工作循環之開啟/關閉工作循環來加以合成。換言之，該等來源影像像素之每一者之像素之照度及色度分量將會藉由控制量子光子成像器裝置200之對應像素之光產生紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之開啟/關閉工作循環及同時性來加以合成。
藉由控制具有前面段落中所說明之量子光子成像器裝置200之範例性具體實施例之選定波長為像素之紅色雷射二極體231的615-nm、用於像素之綠色雷射二極體232的520-nm及用於像素之藍色雷射二極體233的460-nm的像素之雷射二極體231、232及233之開啟/關閉工作循環及同時性，此發明之量子光子成像器裝置200將會能夠合成在參考CIE XYZ色彩空間在圖14A中所解說之其原有色域905內的任一像素之色彩座標。明確而言，量子光子成像器裝置200像素之雷射二極體231、232及233之範例性具體實施例之前述操作波長將會分別定義參考CIE XYZ色彩空間在圖14A中所解說之其原有色域905之頂點902、903及904。
該來源影像之特定色域一般將會基於影像色彩標準(諸如NTSC與HDTV標準)。出於比較目的，NTSC 308與HDTV 309之顯示器色域標準也顯示於圖14A中作為一參考以說明由在615-nm下紅色、在520-nm下綠色及在460-nm下藍色之原色波長所定義之量子光子成像器裝置200之範例性具體實施例之原有色域305將會包括該等NTSC 308及HDTV 309色域標準並將會延伸至該些色域標準外一明顯數量。
給定圖14A中所解說之量子光子成像器裝置200之延伸原有色域305，需將來源影像資料從其參考色域(諸如針對NTSC 308及HDTV 309色域圖14A中所解說者)映射(轉換)成量子光子成像器裝置200之原有色域305。此一色域轉換將會藉由施加下列矩陣變換在該等來源影像像素之每一者之[R、G及B]分量上來完成。
其中該3×3變換矩陣M 將會從來源影像色域之白點及原色之座標以及在一給定參考色彩空間(諸如CIE XYZ色彩空間)內量子光子成像器裝置200之白點及原色902、903及904(圖14B)之座標的該等色度值來加以計算。由等式(6)所定義之矩陣變換之結果將會相對於量子光子成像器裝置200之原有色域305來定義來源影像像素分量[RQPI ,GQPI ,BQPI ]。
圖14B解說等式(6)所定義之矩陣變換之結果以相對於該等頂點902、903及904所定義之量子光子成像器裝置200原有色域305定義兩個範例性像素906及907之來源影像像素分量[RQPI ,GQPI ,BQPI ]。如圖14B中所解說，該等值[RQPI ,GQPI ,BQPI ]可跨越整個色域305，致能量子光子成像器裝置200合成一來源影像之像素[R,G,B]值，其具有比NTSC 308及HDTV 309色域所提供者寬得多的一色域(圖14A)。由於一更寬色域標準及寬色域數位影像及視訊輸入內容變得可用，故使用此發明之量子光子成像器裝置200之數位投影機800將準備以此類寬色域格式來投影來源影像及視訊內容。在此期間，量子光子成像器裝置200之寬色域能力將會允許其在甚至比一更早段落中所引述之範例性值更低的一功率消耗下合成具有現有色域(諸如NTSC 308及HDTV 309色域)的數位影像與視訊輸入。
在來源影像內每一像素之[R,G,B]值將會使用等式(6)所定義之變換來映射(轉換)至量子光子成像器裝置200之原有色域305(色彩空間)。不失一般性，假定來源影像之白點具有一[R,G,B]=[1,1,1]，即可始終藉由將來源影像中每一像素之[R,G,B]值除以該白點之[R,G,B]值來滿足的一條件，針對該等來源影像像素之每一者由等式(6)所定義之變換結果將會為一向量[RQPI ,GQPI ,BQPI ]，其具有在用於黑色之[0,0,0]與用於白色之[1,1,1]之間範圍變化的值。以上表示具有好處，即在像素之原色與該等值[RQPI ,GQPI ,BQPI ]所定義之量子光子成像器裝置200之原有色域305之原 色902、903及904之間在該參考色彩空間(諸如CIE XYZ色彩空間)內的該等距離還將定義用於其個別紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之該等開啟/關閉工作循環值：λ R =R QPI λ G =G QPI λ B =B QPI (7)其中λ R 、λ G 及λ B 分別表示合成包含來源影像之該等像素之每一者之[R,G,B]值所需的該等量子光子成像器裝置200紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之開啟/關閉工作循環。
典型來源影像資料輸入(不論靜物影像或動態視訊影像)均將會由以一圖框速率(例如60Hz或120Hz)下輸入的影像圖框構成。對於一個定來源影像圖框速率，合成來源影像像素之[R,G,B]值所需之該等量子光子成像器裝置200紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之個別像素230之開啟時間將會分別係該等值λ R 、λ G 及λ B 所定義之圖框持續時間之小部分。
為了解決可由構成光子半導體結構210之半導體材料特性之可能變動所致之可能像素間亮度變動，在一般在更早些所說明之裝置製造步驟完成時發生的量子光子成像器裝置200之測試期間，將會測量裝置照度輪廓並將會為每一像素計算一亮度均勻度加權因數。該等亮度均勻度加權因數將會儲存作為一查找表(LUT)並由量子光子成像器裝置 200伴隨影像資料處理器850所應用。當將該些亮度均勻度加權因數考量在內時，量子光子成像器裝置200之像素230之每一者之開啟時間將會由以下給出：Λ R =K R λ R Λ G =K G λ G Λ B =K B λ B (8)其中K R 、K G 及K B 分別係用於該等量子光子成像器裝置200像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之每一者之亮度均勻度加權因數。
由等式(8)所表達之構成量子光子成像器裝置200之該等像素230之每一者之該等紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之該等開啟時間值將會使用傳統脈寬調變(PWM)技術來轉換成串列位元流並與像素位址(在包含量子光子成像器裝置200之像素陣列內的個別像素之列及行位址)與適當同步時脈信號以來源影像之圖框速率來輸入至量子光子成像器裝置200。
將來源影像資料轉換成量子光子成像器裝置200所需之輸入信號將會依據等式(6)至(8)由伴隨影像資料處理器850來加以執行。圖15A及15B分別說明量子光子影像資料處理器850之一方塊圖以及相關聯於其與量子光子成像器裝置200之介面之時序圖。參考圖15A及15B，SYNC及控制區塊851將會接受相關聯於來源影像或視訊輸入之圖框同步輸入信號856並產生圖框處理時脈信號857與PWM時脈858。PWM時脈858速率將會由圖框速率與來源影像或視訊 輸入之字長支配。圖15B中所解說之PWM時脈858反映在一120Hz圖框速率及16位元字長下操作的量子光子成像器裝置200及伴隨影像資料處理器850之一範例性具體實施例。習知此項技術者將會瞭解如何使用此發明之教導來製造量子光子成像器裝置200及其伴隨影像資料處理器850，其支援具有不同於圖15B中所反映之該等者之圖框速率及字長的來源影像或視訊輸入。
與圖框時脈信號857同步，色彩空間轉換區塊852將會接收來源影像或視訊資料之每一圖框，並使用該等來源輸入色域座標，將執行等式(6)所定義之數位處理以將該等來源輸入像素[R,G,B]值之每一者映射至該等像素座標值[RQPI ,GQPI ,BQPI ]。使用該來源影像或視訊資料輸入之該等白點座標，色彩空間轉換區塊852將會接著使用等式(7)將該等像素值[RQPI ,GQPI ,BQPI ]之每一者分別轉換成量子光子成像器裝置200之對應像素230之該等紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之該等開啟/關閉工作循環值λ R 、λ G 及λ B 。
該等值λ R 、λ G 及λ B 將會接著結合儲存於均勻度輪廓LUT854內的該等像素亮度加權因數K R 、K G 及K B 由均勻度校正區塊853所使用以使用等式(8)為量子光子成像器裝置200之該等像素230之每一者產生該等均勻度校正開啟時間值[ΛR ,ΛG ,ΛB ]。
接著藉由PWM轉換區塊855將由均勻度校正區塊853所產生之該等值[ΛR ,ΛG ,ΛB 1(其一般為每一像素以三個16位元 字來表達)轉換成一三串列位元流，其將會與該PWM時脈同步地提供至量子光子成像器裝置200。由PWM轉換區塊855產生用於該等像素230之每一者的該三個PWM串列位元流將會向量子光子成像器裝置200提供3位元字，其每一者在PWM時脈信號858之持續時間內定義像素之光產生紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之開啟關閉狀態。由PWM轉換區塊855所產生之3位元字將會載入至量子光子成像器裝置200之數位半導體結構220之適當像素位址內並如更早些所解釋，將會用以在PWM時脈信號858所定義之持續時間內開啟或關閉個別像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233。
在此發明之量子光子成像器裝置200之操作之前面範例性具體實施例中，將會使用量子光子成像器裝置200之原有色域305之原色902、903及904為來源影像內的每一個別像素直接合成由該等像素[R,G,B]值所指定之來源影像像素色彩及亮度。因為直接合成個別像素亮度及色彩，故將量子光子成像器裝置200之此操作模式稱為直接色彩合成模式。在量子光子成像器裝置200之操作之一替代性範例性具體實施例中，先使用量子光子成像器裝置200之原有色域305之該等原色902、903及904來合成來源影像色域之該等原色並接著使用來源影像色域之該等合成原色來合成像素色彩與亮度。在量子光子成像器裝置200之此操作模式下，像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233共同將會循序合成來源影像之RGB原色。此將會藉由 將圖框持續時間劃分成三個片段來完成，藉此每一片段將會專用於產生來源影像之原色之一者並使像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之每一者之該等預設值(白點)循序反映在該等圖框片段之每一者內的該等來源影像原色之一者之該等座標。將會基於所需白點色彩溫度來選擇專用於每一原色片段之圖框之持續時間以及在該片段期間像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之相對開啟時間值。因為循序合成個別像素亮度及色彩，量子光子成像器裝置200之此操作模式係稱為循序色彩合成模式。
在量子光子成像器裝置200之循序色彩合成模式下，在圖框內的PWM時脈循環之總數將會分配至三個原色子圖框內，一子圖框專用於R原色，第二個專用於G原色而第三個專用於來源影像色域之B原色。在R原色子圖框、G原色子圖框及B原色子圖框期間量子光子成像器裝置200像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之每一者之開啟時間將會基於在該等來源影像原色與量子光子成像器裝置200原有色域之該等原色之間在該參考色彩空間內的距離來加以決定。接著將會使用該來源影像之個別像素之[R,G，及B]值來循序調變該些開啟時間值。
在量子光子成像器裝置200之直接色彩合成模式與循序色彩合成模式之間的差異係解說於圖15B中，其顯示在每一情況下將會提供啟用信號至像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233。啟用信號860之序列解說在該直 接色彩合成模式下像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之操作，其中該等來源影像像素之像素之照度及色度分量將會藉由控制對應像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之開啟/關閉工作循環及同時性來加以直接合成。啟用信號870之序列解說在該循序色彩合成模式下像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之操作，其中來源影像色域之該等原色將會使用原有色域305之該等原色902、903及904來加以合成而該等來源影像像素之照度及色度分量將會使用該來源影像色域之該等合成原色來加以循序合成。
量子光子成像器裝置200之直接色彩合成模式與循序色彩合成模式將會在該裝置之所實現操作效率方面不同，由於其將會傾向於要求不同的峰值對平均值功率驅動條件來獲得可比較的位準的影像亮度。然而在兩個操作模式下，此發明之量子光子成像器裝置200將能夠支援可比較的來源影像圖框速率及[R,G,B]字長。
QPI動態範圍、回應時間、對比度及黑階-
量子光子成像器裝置200之動態範圍能力(定義為可在用於該等來源影像像素之每一者之合成內所產生之灰階位準之總數)將會由可支援之PWM時脈持續時間之最小值來加以決定，該PWM時脈持續時間進而將會由像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233之開啟關閉切換時間來加以決定。在前面段落中所說明之光子半導體結構210(圖2A)之範例性具體實施例將會獲得一奈秒持續時間 之一小部分的開啟關閉切換時間，使量子光子成像器裝置200能夠容易地獲得一16位元的動態範圍。作為比較，大多數目前可用顯示系統在8位元動態下操作。而且，可藉由光子半導體結構210獲得之一奈秒持續時間之一小部分的開啟關閉切換時間還將致能量子光子成像器裝置200獲得一奈秒持續時間之一小部分的一回應時間。作為比較，可由LCoS及HTPS型成像器所獲得之回應時間一般在4至6毫秒之級數上且微鏡面型成像器之回應時間一般係在一微秒之級數上。成像器回應時間在顯示系統可產生之影像品質上扮演一關鍵角色，特別用於產生視訊影像。該等LCoS及HTPS型成像器之相對較慢回應時間將會傾向於在所產生視訊影像內建立非所需的假影。
一數位顯示器之品質還由其可產生之對比度及黑階來加以測量，對比度係在影像內白色及黑色區域之相對位準之一測量而黑階係可回應一黑色檔案輸入所獲得之最大黑色。一顯示器之對比度及黑階兩者因為相關聯於此類成像器之光子洩漏之明顯位準而在使用諸如微鏡面、LCoS或HTPS成像器之成像器的現有投影顯示器中明顯劣化。該些類型成像器典型的較高光子洩漏係由於從成像器像素之開啟狀態洩漏至其關閉狀態之光所引起，從而引起對比度與黑階劣化。此效應在一色彩循序模式下操作此類成像器時更加突出。作為對比，量子光子成像器裝置200將會不具有任何光子洩漏，由於其像素之紅色、綠色及藍色雷射二極體231、232及233開啟狀態與關閉狀態係實質上相互 排他，使得可由量子光子成像器裝置200所獲得之對比度及黑階呈數量級優於可由微鏡面、LCoS或HTPS成像器所獲得者。
總而言之，本發明之量子光子成像器裝置200克服其他成像器之弱點加上展現下列數個優點：1.其因為其較高效率而要求較低功率消耗；2.其減少整體大小並實質上減少投影系統之成本，因為其要求更簡單的投影光學元件且不要求複雜的照明光學元件；3.其提供延伸色域，使其能夠支援下一代顯示系統之寬色域要求；以及4.其提供迅速回應時間、延伸動態範圍，加上高對比度及黑階，從而共同地將會實質上改良顯示影像之品質。
在前述詳細說明中，本發明已參考其特定具體實施例作說明。不過顯然可對其進行各種修改及變化而不脫離本發明之更廣闊精神及範疇。據此，該等設計細節及圖式應視為一解說性而非一限制性意義。習知此項技術者應認識到，可不同於以上針對較佳具體實施例所說明之實施方案來實施此發明之部分。例如，習知此項技術者應瞭解，此發明之量子光子成像器裝置200可對以下作許多變化來加以實施：構成光子半導體結構210之多層雷射二極體之數目、該等多層雷射二極體250、260及270之特定設計細節、該等垂直波導290之特定設計細節、相關聯於像素之垂直波導290之特定圖案之選擇的特定設計細節、半導體 製造程序之特定細節、投影機800之特定設計細節、伴隨影像資料處理器裝置850之特定設計細節、用於耦合影像資料輸入至量子光子裝置200所要求之數位控制及處理之特定設計細節、及相關聯於包含量子光子成像器裝置200及其伴隨影像資料處理器850之晶片組之選定操作模式的特定設計細節。習知此項技術者應進一步認識到，可對此發明之前述具體實施例進行許多改變而不脫離其基本原理及教導。因此，本發明之範疇應藉由隨附申請專利範圍來決定。
100‧‧‧典型投影機架構
110‧‧‧成像器
120‧‧‧照明光學元件
130‧‧‧光源
140‧‧‧投影光學元件
150‧‧‧驅動電子元件
200‧‧‧量子光子成像器裝置
210‧‧‧光子半導體結構
220‧‧‧數位半導體結構
221‧‧‧接合墊
222‧‧‧金屬層
223‧‧‧金屬層
224‧‧‧金屬層
225‧‧‧金屬層
226‧‧‧數位控制邏輯半導體結構
227‧‧‧Si基板
228‧‧‧數位邏輯區段/數位邏輯區域
229‧‧‧數位控制邏輯/控制邏輯區域/控制邏輯區段
230‧‧‧像素
231‧‧‧紅色(R)雷射二極體多層
232‧‧‧綠色(G)雷射二極體多層
233‧‧‧藍色(B)雷射二極體多層
235‧‧‧側壁
236‧‧‧接觸通道
237‧‧‧側壁內部
240‧‧‧半導體基板/矽(Si)基板
241‧‧‧介電絕緣物層/SiO2 絕緣層
250‧‧‧多層雷射二極體結構/紅色多層雷射二極體/紅色雷射二極體結構/多層半導體結構
251‧‧‧介電絕緣物層
252‧‧‧金屬層/金屬化層
253‧‧‧金屬層/金屬化層/接觸層
254‧‧‧片段/接觸通道
256‧‧‧片段/接觸通道
260‧‧‧多層雷射二極體結構/綠色多層雷射二極體/綠色雷射二極體結構/藍色雷射二極體結構/多層半導體結構
261‧‧‧介電絕緣物層
262‧‧‧金屬層/金屬化層/接觸層
263‧‧‧金屬層/金屬化層/接觸層
264‧‧‧片段/接觸通道
266‧‧‧片段/接觸通道
270‧‧‧多層雷射二極體結構/藍色多層雷射二極體/藍色雷射二極體結構/多層半導體結構
271‧‧‧介電絕緣物層
272‧‧‧金屬層/金屬化層/接觸層
273‧‧‧金屬層/金屬化層/接觸層
274‧‧‧片段/接觸通道
276‧‧‧片段/接觸通道
282‧‧‧金屬層
290‧‧‧垂直波導
291‧‧‧波導核心
292‧‧‧包覆層
293‧‧‧包覆層
294‧‧‧包覆層
295‧‧‧薄外部包覆層/閘包覆層
300‧‧‧像素邏輯單元
305‧‧‧量子光子成像器裝置200之原有色域
308‧‧‧NTSC
309‧‧‧HDTV
310‧‧‧功率及接地金屬軌/功率及接地信號
315‧‧‧功率及接地金屬軌/功率及接地信號
320‧‧‧功率及接地金屬軌/功率及接地信號
325‧‧‧金屬軌
410‧‧‧較厚GaAs基板/控制及資料信號
412‧‧‧蝕刻停止層
414‧‧‧包覆層
415‧‧‧控制及資料信號
416‧‧‧波導層
418‧‧‧阻障層
419‧‧‧量子井
420‧‧‧量子井層/控制及資料信號
421‧‧‧作用區域
422‧‧‧波導層
424‧‧‧反穿隧層
425‧‧‧紅色PWM串列位元流輸入資料及時脈信號
426‧‧‧電子阻擋物層/綠色PWM串列位元流輸入資料及時脈信號
427‧‧‧藍色PWM串列位元流輸入資料及時脈信號
428‧‧‧包覆層/控制時脈信號
429‧‧‧接觸層/控制時脈信號
430‧‧‧基板
431‧‧‧作用區域
432‧‧‧蝕刻停止層
434‧‧‧包覆層
436‧‧‧波導層
438‧‧‧阻障層
450‧‧‧量子井層
452‧‧‧波導層
454‧‧‧電子阻擋物層
456‧‧‧波導層
458‧‧‧包覆層
459‧‧‧接觸層
460‧‧‧基板
461‧‧‧MQW作用區域
462‧‧‧蝕刻停止層
464‧‧‧包覆層
466‧‧‧波導層
468‧‧‧阻障層
470‧‧‧量子井層
472‧‧‧波導層
474‧‧‧電子阻擋物層
476‧‧‧波導層
478‧‧‧包覆層
479‧‧‧接觸層
480‧‧‧基板
510‧‧‧負載信號/控制及資料信號
520‧‧‧啟用信號/控制及資料信號
700‧‧‧像素接觸墊
800‧‧‧典型數位影像投影機
810‧‧‧數位邏輯電路/投影光學元件透鏡群組
815‧‧‧數位邏輯電路
820‧‧‧數位邏輯電路
850‧‧‧伴隨數位裝置/伴隨影像資料處理器
851‧‧‧SYNC及控制區塊
852‧‧‧色彩空間轉換區塊
853‧‧‧均勻度校正區塊
854‧‧‧均勻度輪廓LUT
855‧‧‧PWM轉換區塊
856‧‧‧圖框同步輸入信號
857‧‧‧圖框處理時脈信號
858‧‧‧PWM時脈
860‧‧‧啟用信號
870‧‧‧啟用信號
902‧‧‧頂點/原色
903‧‧‧頂點/原色
904‧‧‧頂點/原色
906‧‧‧像素
907‧‧‧像素
本發明係在附圖之圖式中藉由範例而非限制來加以解說，其中相同參考數字引用相似元件。
圖1A及1B解說先前技術成像器影像之投影顯示架構背景。
圖2A解說此發明之量子光子成像器裝置之一等角視圖。
圖2B解說構成此發明之量子光子成像器裝置之發射表面之多色像素之一等角視圖。
圖2C解說此發明之量子光子成像器裝置之一俯視圖。
圖2D解說此發明之一替代性量子光子成像器裝置之一等角視圖。
圖3解說多色像素雷射堆疊之一斷面圖。
圖4A解說此發明之量子光子成像器裝置之紅色雷射二極體結構之一詳細斷面圖。
圖4B解說此發明之量子光子成像器裝置之綠色雷射二極 體結構之一詳細斷面圖。
圖4C解說此發明之量子光子成像器裝置之藍色雷射二極體結構之一詳細斷面圖。
圖4D解說此發明之量子光子成像器裝置之一替代性紅色雷射二極體結構之一詳細斷面圖。
圖5A解說此發明之量子光子成像器裝置之紅色雷射二極體結構之能帶圖。
圖5B解說此發明之量子光子成像器裝置之綠色雷射二極體結構之能帶圖。
圖5C解說此發明之量子光子成像器裝置之藍色雷射二極體結構之能帶圖。
圖6A解說多色像素側壁之一水平斷面圖。
圖6B解說多色像素側壁之一垂直斷面圖。
圖6C解說多色像素側壁接觸通道佈局。
圖7解說多色像素接觸墊佈局。
圖8A解說多色像素輸出波導之一垂直斷面圖。
圖8B解說多色像素輸出波導之一水平斷面圖。
圖9A解說此發明之多色雷射成像器所發射之光之強度輪廓。
圖9B解說配置此發明之多色雷射成像器之該等垂直波導所採取之多樣圖案。
圖10A解說此發明之量子光子成像器裝置之數位半導體結構之一垂直斷面。
圖10B解說介接此發明之量子光子成像器裝置之該等光 子及數位半導體結構之接觸金屬層之佈局。
圖10C解說在此發明之量子光子成像器裝置內用於功率信號的該等金屬層之佈局。
圖10D解說在此發明之量子光子成像器裝置內用於選路負載及啟用信號的該等金屬層之佈局。
圖10E解說在此發明之量子光子成像器裝置內用於選路資料及控制信號的該等金屬層之佈局。
圖11A解說此發明之量子光子成像器裝置之數位控制邏輯。
圖11B解說相關聯於構成此發明之量子光子成像器裝置之該等像素之每一者的數位邏輯單元。
圖12解說用以製造此發明之量子光子成像器裝置之一半導體程序流程。
圖13解說使用此發明之量子光子成像器裝置作為數位影像來源之一範例性投影機之一斷面圖。
圖14A解說此發明之量子光子成像器裝置之色域。
圖14B解說使用此發明之量子光子成像器裝置之範例性像素之合成。
圖15A解說此發明之量子光子成像器裝置之影像資料處理器伴隨裝置之一方塊圖。
圖15B解說該量子光子成像器裝置時序圖。
228‧‧‧數位邏輯區段/數位邏輯區域
231‧‧‧紅色(R)雷射二極體多層
232‧‧‧綠色(G)雷射二極體多層
233‧‧‧藍色(B)雷射二極體多層
235‧‧‧側壁
240‧‧‧半導體基板/矽(Si)基板
290‧‧‧垂直波導

Claims (40)

  1. 一種發射式數位影像形成(成像器)裝置，其包含：在一第一半導體基板上之發光像素之一二維陣列，該等發光像素藉由一垂直側壁格柵分離該等發光像素，該垂直側壁格柵電氣且光學分離該等發光像素；該第一半導體基板係藉由與該第一半導體基板之一第一表面相對的一第二表面來堆疊於一數位半導體結構上；以及在該數位半導體結構內的複數個數位半導體電路，每一數位半導體電路係電氣耦合以接收控制信號，並藉由嵌入於該等垂直側壁內的垂直互連來電氣耦合至該第一半導體基板上之該等發光像素，以單獨控制該數位半導體結構之每一者之開啟/關閉狀態。
  2. 如請求項1之裝置，其中每一發光像素包含一發射光之二極體。
  3. 如請求項1之裝置，其中該發光像素之二維陣列係一多色發光像素之一二維陣列，藉此每一多色發光像素包含：複數個發光二極體半導體結構，每一發光二極體半導體結構用於發射一不同色彩，以一垂直側壁格柵垂直堆疊，該垂直側壁格柵在多色像素之該陣列內電氣且光學分離每一多色像素與相鄰多色像素；複數個垂直波導，其光學耦合至該等發光二極體半導體結構以從發光二極體半導體結構之該堆疊之一第一表 面垂直發射該等發光二極體半導體結構所產生之光；發光二極體半導體結構之該堆疊係藉由相對於發光二極體半導體結構之該堆疊之該第一表面之一第二表面而堆疊至該數位半導體結構上；以及在該數位半導體結構內之該複數個數位半導體電路，每一數位半導體電路係電氣耦合以接收來自該數位半導體結構之週邊之該等控制信號，且藉由嵌入於該等垂直側壁內之垂直互連而電氣耦合至該多色發光二極體半導體結構，以單獨控制該多色發光二極體半導體結構之每一者之開啟/關閉狀態。
  4. 如請求項3之裝置，其中每一發光二極體半導體結構在其頂部及底部均具有一金屬層，在相鄰發光二極體半導體結構上的該等金屬層係藉由在該等個別金屬層之間的一絕緣層來加以分離。
  5. 如請求項4之裝置，其中該等金屬層提供與該等堆疊發光二極體半導體結構之每一者之正及負接觸。
  6. 如請求項5之裝置，其進一步包含一圖案化金屬互連層，其係使用一圖案化絕緣層與該等金屬層隔離並連接至該等垂直互連以提供接觸墊，其用於互連該數位半導體結構與在該多色發光像素之二維陣列內的該等發光二極體半導體結構之每一者。
  7. 如請求項6之裝置，其中每一發光二極體半導體結構可透過該等接觸墊來單獨定址。
  8. 如請求項3之裝置，其中其內具有垂直互連的該等垂直 側壁包含環繞每一像素的交替絕緣及金屬層，藉此不打斷在每一像素周圍的該等金屬層所提供之光學分離。
  9. 如請求項3之裝置，其中每一發光二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，每一發光二極體半導體結構之該作用區域係由Alx In1-x P、Gax In1-x P或Inx Ga1-x N之多個半導體層所構成，並形成多個量子井、多個量子導線及多個量子點。
  10. 如請求項3之裝置，其中每一發光二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，且其中對於每一發光二極體半導體結構，至少一垂直波導從該發光二極體半導體結構堆疊之該第一表面延伸並在該發光二極體半導體結構之該光學束縛區域之末端處終止。
  11. 如請求項3之裝置，其中該等垂直波導係在像素表面區域內間隔以橫跨每一像素區域提供均勻亮度。
  12. 如請求項3之裝置，其中該數位半導體結構係回應串列位元流，該串列位元流係多位元字之串列表示，每一多位元字定義個別像素之一色彩分量及亮度以將一來源數位影像資料輸入轉換成一光學影像，其中該等多色像素之每一者發射具有色彩與亮度的光，該色彩及亮度反映由個別像素之來源數位影像輸入資料所代表之該色彩及亮度。
  13. 如請求項3之裝置，其進一步包含一伴隨裝置，以接收影像來源資料並將該影像來源資料轉換成構成該發射式多色影像形成裝置之該等像素之每一者的發光二極體之 該等開啟關閉工作循環值，該伴隨裝置包括：一色彩空間轉換區塊；一均勻度校正區域，其包括一加權因數查找表；一脈寬調變轉換區塊；以及一同步及控制區塊；該加權因數查找表儲存由一裝置位準測試所決定之用於每一像素之每一色彩的亮度均勻度加權因數，其中測量構成發射孔徑之該像素陣列之亮度並為每一像素之每一光色彩計算一亮度均勻度加權因數。
  14. 如請求項13之裝置，其中該伴隨裝置係經組態用以接收用於每一色彩發光二極體的串列資料流與用於在該堆疊發光二極體半導體結構陣列中每一發光二極體之開啟關閉循環控制的控制信號，該伴隨裝置係經組態用以提供用於每一色彩發光二極體的串列資料流與用於在該堆疊發光二極體半導體結構陣列中每一發光二極體之開啟關閉工作循環控制的控制信號。
  15. 一種發射式多色數位影像形成(成像器)裝置，其包含：多色雷射發射像素之一二維陣列，藉此每一多色雷射發射像素包含：複數個雷射二極體半導體結構，每一雷射二極體半導體結構用於發射不同色彩，以一垂直側壁格柵垂直堆疊，該垂直側壁格柵在多色像素之該陣列內電氣且光學分離每一多色像素與相鄰多色像素；以及複數個垂直波導，其光學耦合至該雷射二極體半導 體結構以從雷射二極體半導體結構之該堆疊之一第一表面垂直發射該等雷射二極體半導體結構所產生之雷射光；雷射二極體半導體結構之該堆疊係藉由相對於雷射二極體半導體結構之該堆疊之該第一表面之一第二表面而堆疊至一數位半導體結構上；以及在該數位半導體結構內之該複數個數位半導體電路，每一數位半導體電路係電氣耦合以接收來自該數位半導體結構之週邊之控制信號，且藉由嵌入於該等垂直側壁內之垂直互連而電氣耦合至該多色雷射二極體半導體結構，以單獨控制該多色雷射二極體半導體結構之每一者之開啟/關閉狀態。
  16. 如請求項15之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構在其頂部及底部均具有一金屬層，在相鄰雷射二極體半導體結構上的該等金屬層係藉由在該等個別金屬層之間的一絕緣層來加以分離。
  17. 如請求項16之裝置，其中該等金屬層提供與該等堆疊雷射二極體半導體結構之每一者之正及負接觸。
  18. 如請求項17之裝置，其進一步包含一圖案化金屬互連層，其係使用一圖案化絕緣層與該等金屬層隔離並連接至該等垂直互連以提供接觸墊，其用於互連該數位半導體結構與在該多色雷射發射像素之二維陣列內的該等雷射二極體半導體結構之每一者。
  19. 如請求項18之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構可 透過該等接觸墊來單獨定址。
  20. 如請求項15之裝置，其中其內具有垂直互連的該等垂直側壁包含環繞每一像素的交替絕緣及金屬層，藉此不打斷在每一像素周圍的該等金屬層所提供之光學分離。
  21. 如請求項15之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，每一雷射二極體半導體結構之該作用區域係由Alx In1-x P、Gax In1-x P或Inx Ga1-x N之多個半導體層所構成，並形成多個量子井、多個量子導線及多個量子點。
  22. 如請求項21之裝置，其中該等半導體層之組成物致能該等雷射二極體半導體結構之每一者產生雷射光，其具有在可見光範圍內的一波長，包括430-nm至650-nm。
  23. 如請求項21之裝置，其中該等半導體層之該組成物致能每一多色雷射發射像素發射一原有色域之多個色彩，包括紅色、黃色、綠色、青色及藍色波長。
  24. 如請求項21之裝置，其中該等垂直波導係光學耦合至該等雷射二極體半導體結構之該等光學束縛區域之每一者。
  25. 如請求項15之裝置，其中該等垂直波導係由一核心與一多層包覆構成，該核心係使用介電材料填充或係空氣填充。
  26. 如請求項25之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，該多層包覆係由一外部介電材料包覆層與一內部反射性金屬材料薄包覆層構 成，該內部薄包覆材料之厚度係選擇以允許該等雷射二極體半導體結構之該等作用區域所產生並束縛於該光學束縛區域內的光之一部分漸逝場(evanescence field)耦合至該等垂直波導之該等核心內並從該二維陣列之表面垂直發射。
  27. 如請求項25之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，該多層包覆係由多個介電材料薄層構成，該核心與該等多個薄包覆層之折射率與該等多個包覆層之厚度係選擇以允許該等作用區域所產生並束縛於該光學束縛區域內的該光之一部分耦合至該等垂直波導之該等核心內並折射率引導(index guided)並從該二維陣列之表面垂直發射。
  28. 如請求項25之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，該多層包覆包含一非線性光學材料薄層，其使其厚度與線性及非線性折射率選擇以隨著該非線性光學材料薄層之該折射率回應束縛於該等束縛區域內的該光之強度變化而變化，引起禁止或致能該等作用區域所產生並束縛於該等束縛區域內的該光之耦合，從而引起將該光耦合至該等垂直波導內並由其加以折射率引導並從該二維陣列之該表面垂直發射以在由較短間隔分離之較短脈衝內發生。
  29. 如請求項15之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，每一垂直波導具有一圓形斷面，在該等雷射二極體半導體結構之該等光學束 縛區域之每一者內在耦合區域之中心處的一折射率引導直徑等於個別作用區域所產生之該雷射光之波長。
  30. 如請求項15之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構包含一作用區域與一光學束縛區域，且其中對於每一雷射二極體半導體結構，至少一垂直波導從該雷射二極體半導體結構堆疊之該第一表面延伸並在該雷射二極體半導體結構之該光學束縛區域之末端處終止。
  31. 如請求項15之裝置，其中該等垂直波導係以一圖案配置，該圖案係選擇以減少從該二維陣列之表面所發射之該雷射光之最大發散角。
  32. 如請求項15之裝置，其中該等垂直波導係在像素表面區域內間隔以橫跨每一像素區域提供均勻亮度並在數目上提供以最大化像素亮度。
  33. 如請求項15之裝置，其中每一雷射二極體半導體結構包含：下列半導體合金材料之一或多者之多個半導體層：Alx In1-x P、(Alx Ga1-x )y In1-y P、Gax In1-x P、Alx Ga1-x N、Alx Ga1-x N/GaN、Inx Ga1-x N、GaN；每一者係形成於在一較厚GaAs、GaN或InGaN基板層之上的一單獨晶圓上；每一者包括相同個別半導體基板層材料類型的一n型蝕刻停止層與一p型接觸層；每一者包含n型及p型波導層及包覆層，其定義其個別光學束縛區域； 每一者具有由兩個阻障層所環繞的至少一量子井，該等阻障層定義其個別作用區域；以及每一者包含一電子阻擋物層，其係嵌入於其個別p型波導層內或在其個別p型波導與包覆層之間。
  34. 如請求項15之裝置，其中該數位半導體結構係回應串列位元流，該串列位元流係多位元字之串列表示，每一多位元字定義個別像素之一色彩分量及亮度以將一來源數位影像資料輸入轉換成一光學影像，其中該等多色像素之每一者發射具有色彩與亮度的光，該色彩及亮度反映由個別像素之來源數位影像輸入資料所代表之該色彩及亮度。
  35. 如請求項15之裝置，其進一步包含一伴隨裝置，以接收影像來源資料並將該影像來源資料轉換成構成該發射式多色影像形成裝置之該等像素之每一者的雷射二極體之該等開啟關閉工作循環值，該伴隨裝置包括：一色彩空間轉換區塊；一均勻度校正區域，其包括一加權因數查找表；一脈寬調變轉換區塊；以及一同步及控制區塊；該加權因數查找表儲存由一裝置位準測試所決定之用於每一像素之每一色彩的亮度均勻度加權因數，其中測量構成發射孔徑之該像素陣列之亮度並為每一像素之每一雷射色彩計算一亮度均勻度加權因數。
  36. 如請求項35之裝置，其中該伴隨裝置係經組態用以接收 用於每一色彩雷射二極體的串列資料流與用於在該堆疊雷射二極體半導體結構陣列中每一雷射二極體之開啟關閉循環控制的控制信號，該伴隨裝置係經組態用以提供用於每一色彩雷射二極體的串列資料流與用於在該堆疊雷射二極體半導體結構陣列中每一雷射二極體之開啟關閉工作循環控制的控制信號。
  37. 如請求項15之裝置，其中多色雷射發射像素之每一二維陣列係切割自多個二維多色雷射發射像素陣列之一晶圓，且每一數位半導體結構係切割自多個數位半導體結構之一晶圓，每一個二維多色雷射發射像素陣列係晶粒級接合至一個別數位半導體結構。
  38. 一種用於接合至一二維發光像素陣列之數位半導體結構，其包含：至少一像素邏輯單元之二維陣列；一數位控制邏輯區域，其係定位於像素邏輯單元之該二維陣列之周邊處；複數個裝置接觸墊，其係定位於該數位控制邏輯區域之周邊處；以及複數個金屬層，其係經組態用以：互連像素邏輯單元之該二維陣列與該數位控制邏輯區域；連接該數位控制邏輯區域與該複數個裝置接觸墊；以及互連像素邏輯單元之該二維陣列與一二維發光像素 陣列。
  39. 一種投影機，其包含：一發射式數位影像形成裝置，其採取一個二維發光像素陣列之形式；以及一投影透鏡群組，其係耦合至該發射式數位成像器裝置之該發射孔徑以放大該發射式數位影像形成裝置所形成之影像大小。
  40. 一種製造發射式多色數位影像形成裝置之方法，其包含：a)形成多色發光像素之二維陣列之一晶圓，藉此每一多色發光像素包含垂直堆疊的複數個二極體半導體結構，每一二極體半導體結構用於發射一不同色彩，一垂直側壁格柵在多色像素之該陣列內電氣並光學分離每一多色像素與相鄰多色像素；複數個垂直波導，其係光學耦合至該等二極體半導體結構以從該二極體半導體結構堆疊之一第一表面垂直發射該等二極體半導體結構所產生之光；以及複數個接觸墊，其提供至每一二極體半導體結構的電氣接觸；b)形成數位半導體結構之一晶圓，每一數位半導體結構在該個別數位半導體結構內具有複數個數位半導體電路，每一數位半導體電路係電氣耦合以從該數位半導體結構之該周邊接收控制信號並電氣耦合至接觸墊以單獨控制可連接至其的該等多色二極體半導體結構之每一者之開啟/關閉狀態； c)接觸墊側至接觸墊側晶圓級接合多色發光像素之二維陣列之該晶圓與數位半導體結構之該晶圓；d)蝕刻透過像素區域之間的光子半導體結構以曝露該等接觸墊；以及e)將該多重晶圓切割成晶粒以形成多個發射式多色數位影像形成裝置。
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