并入有颜色可调固态发光微像素的量子光子成像器制造技术

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

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】并入有颜色可调固态发光微像素的量子光子成像器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2018年4月30日提交的美国临时申请第62/664,714号的权益，所述临时申请的公开内容以引用的方式并入本文中。


[0003]本公开涉及包括可用作数字显示器系统中的图像源的单片半导体多色固态光微像素发射器阵列的发射光调制器装置。

技术介绍

[0004]移动数字媒体的出现已形成对提供移动装置与其用户之间的主要接口的数字显示器的明显需求。对在如移动智能电话的移动装置中使用的直观式显示的普遍相依性已产生对增大的显示亮度、减少的功率消耗以及较高显示器分辨率的需求。新兴的可穿戴移动装置(如智能手表以及近眼扩增现实和虚拟现实(augmented and virtual reality；AR/VR)装置)已进一步形成对改进的显示器分辨率以及减少的功率消耗的增大需求。
[0005]若干显示技术已尝试解决以上需求，包含低温多晶硅液晶显示器(low temperature poly-silicon liquid crystal display；LTPS-LCD)、有机发光二极管(organic light emitting diode；OLED)、激光束扫描(laser beam scanning；LBS)、量子点(quantum dot；QDD)以及微型LED(micro LED；MLED)。然而，这些技术中的每一个具有某些限制，所述限制妨碍其成为满足新兴移动数字媒体装置的迫切且通常冲突的需求的理想显示器。<br/>[0006]举例来说：(1)虽然LTPS-LCD提供比当前LCD显示器更高的分辨率，但这种技术仍受到LCD的低亮度和高功率消耗特性的困扰；(2)OLED有可能提供较高显示器分辨率，但其亮度较微弱，尤其对于白天应用来说；(3)LBS在其峰值/平均亮度超出激光安全性限制时存在眼睛安全性问题；(4)QDD具有与LCD相同的限制，这是由于其仅是替代滤色器技术；以及(5)MLED受到限制其分辨率的空间颜色多工问题困扰。
[0007]在本公开的领域中备受关注的是称作“量子光子成像器”显示器的显示器(“成像器”，QPI是奥斯坦多技术有限公司(Ostendo Technologies,Inc.)的注册商标，见美国专利第7,623,560号、第7,767,479号以及第7,829,902号)。利用QPI成像器的微米级像素和功率效率，能够解决与新兴的数字移动媒体装置相关联的高分辨率和低功耗问题。为了确保QPI成像器的市场潜力，减小QPI成像器制造的成本将是有益的。虽然在制造当前QPI成像器中使用的固态发光(光子)材料的成本已在过去五年期间大大降低，但此类光子材料成本仍构成当前QPI成像器的总制造材料清单(bill of material；“BOM”)的大部分，使得如果此类成本可进一步减小，那么较好地保证QPI成像器的将来市场潜力。
[0008]美国专利申请公开案第2016/0359300号，“具有中间载流子阻挡层的单片全彩GaN类LED的生长(Growth of Monolithic Full-Color GaN-based LED with Intermediate Carrier Blocking Layers)”，H.S.El-Ghoroury等人，AIP进展(AIP Advances)6，075316
(2016)以及“世界第一个单片全彩LED(The World First Monolithic Full-Color LED)”，J-C Chin等人，化合物半导体(Compound Semiconductors)，第22卷，第8期，2016年11月-12月描述发光颜色可由电荷载流子注入电流电平控制的现有技术多色固态发光单片III-V材料和结构。这种类型的多色固态发光单片III-V材料作为用于QPI成像器的光子材料的使用提供减小QPI成像器光子材料和制造成本的机会。此类成本减小源于仅需要多色固态发光单片III-V材料的单一个光子层而非各自发射在当前QPI成像器中使用的不同颜色的三个独立接合光子层。
[0009]此外，通过减小QPI成像器中的每一像素的控制所需的电触点的数目，这种类型的多色固态发光单片III-V材料作为光子材料的使用提供进一步减小QPI成像器像素大小的机会，由此增大其分辨率。
[0010]因此，本公开的方面公开用于利用可调多色固态发光单片III-V材料来利用所述材料实现的许多益处的QPI成像器的操作、制造以及应用的装置和方法。本公开的额外方面和优点将从参考附图进行的各种实施例的以下详细描述变得显而易见。
附图说明
[0011]本公开在附图的各图中借助于实例而非限制进行说明，且在附图中，相似元件符号指代类似元件。
[0012]图1说明在每一像素中使用三个独立发光层来产生微像素原色的现有技术量子光子成像器装置。
[0013]图2A说明使用单一个颜色可调发光层来产生微像素可寻址颜色的本公开的单片量子光子成像器装置的平面图。
[0014]图2B说明其微像素阵列到达装置的横向边缘的本公开的单片量子光子成像器装置的等角视图。
[0015]图2C说明包括本公开的单片量子光子成像器装置的颜色可调多色像素和颜色可调像素的横截面层的剖面等角视图。
[0016]图2D说明并入有用于使微像素发光准直的多个波导的本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的单微像素的发射表面的平面图。
[0017]图2E说明具有来自微像素的大体上朗伯发光的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的单微像素的平面图。
[0018]图2F说明具有来自微像素的准朗伯发光的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的单微像素的横截面图。
[0019]图2G说明包括并入有用于使微像素发光准直和对微像素发光进行方向调制的像素级微光学元件的本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的微像素的横截面图。
[0020]图3A说明例示包括本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的光子结构的异质结多层量子约束类发光二极管结构的能带概况。
[0021]图3B说明例示包括并入有用于使电流注入控制的光学发射功率与蓝光发射区中的相关联色域光谱轨迹平衡的构件的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的光子结构的异质结多层量子约束类发光二极管结构的能带概况。
[0022]图3C说明例示包括并入有用于使电流注入控制的光学发射功率与红光发射区中
的相关联色域光谱轨迹平衡的构件的本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的光子结构的异质结多层量子约束类发光二极管结构的能带概况。
[0023]图3D说明形成本公开的颜色可调多色单片量子光子成像器装置的像素的半导体光子结构的横截面图。
[0024]图3E说明形成本公开的颜色可调单片量子光子成像器装置的像素的半导体光子结构的有源层的相对光学发射功率。
[0025]图3F说明形成本公开的颜色可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种固态成像器，包括：数字可寻址多色微像素的阵列，其中每一像素结构包括发射单片颜色可调半导体发光二极管或结构，所述发射单片颜色可调半导体发光二极管或结构包括单一个光子层，其中所述微像素的相应颜色和亮度值通过控制电荷载流子注入驱动电流电平和/或相应的所述颜色可调半导体发光二极管或结构的开/关占空比进行调制，其中每一微像素可个别寻址以使得所述像素能够在用户定义的用于所发射颜色的亮度或预定开/关占空比下发射与其相应单片颜色可调半导体发光二极管或结构相关联的一组用户定义的颜色，其中所述微像素二极管或结构中的每一个包括独特可寻址电触点和共同金属触点，其中所述共同金属触点在所有或多个所述像素阵列当中共享。2.根据权利要求1所述的固态成像器，其中每一微像素结构包括微光学腔，所述微光学腔包括所述像素的单片颜色可调半导体发光二极管或结构，其中由所述微像素产生的光垂直地发射到所述固态成像器的平面，其中由所述微像素产生的光经由多个竖直波导垂直地发射到所述成像器的平面，所述竖直波导配置成提取从所述像素产生的所述光且使所述光准直，其中所述微像素结构进一步包括像素级微光学元件，所述像素级微光学元件配置成进一步使从所述微像素发射的所述光准直且定向地调制所述光。3.根据权利要求2所述的固态成像器，其中所述像素的单片颜色可调发光二极管或结构由包括绝缘半导体材料和反射性金属包层的侧壁以光学和电气方式分离，其中所述像素的金属触点是反射性的且与所述像素的反射侧壁一起界定所述像素的光学微空腔，其中所述像素的侧壁反射性金属包层用作将驱动电流路由到所述像素的单片颜色可调发光二极管或结构的电互连件。4.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述成像器电耦合到路由和产生电信号的控制驱动逻辑电路，所述电信号独立地控制所述像素的单片颜色可调半导体发光二极管或结构的发光，其中所述控制驱动逻辑电路包括多个控制驱动逻辑，所述控制驱动逻辑界定接合到根据权利要求1所述的像素阵列的控制驱动逻辑阵列，其中所述像素阵列和其相关联的控制驱动逻辑阵列均在所述成像器的光学光圈边缘内，其中所述成像器的控制驱动逻辑电路外部电气接口在所述控制驱动逻辑电路的背侧处形成为硅穿孔。5.根据权利要求2所述的固态成像器，其中发射单片颜色可调像素的阵列配置成从所述像素的顶部表面直接发射大体上朗伯(Lambertian)光，或从所述多个波导发射准朗伯光，由此所述像素的准朗伯发光参数通过选择所述像素的发射光圈上的所述像素的多个波导深度、直径和图案而阐述，由此选择所述像素的发射光圈上的所述像素的多个波导深度、直径和图案以使来自所述像素的所述发光准直。
6.根据权利要求1所述的固态成像器，进一步包括配置成进一步使来自所述像素的发光准直或定向地调制来自所述像素的发光的光圈微光学元件或透镜，其中选择所述微像素光圈微光学元件或透镜方向调制以进一步将所述像素的阵列发光配置成远心或非远心发光图案。7.根据权利要求1所述的固态成像器，进一步包括光子发光半导体结构和数字半导体结构，所述光子发光半导体结构包括多个发射颜色可调半导体发光微像素，所述数字半导体结构包括数字驱动逻辑电路，所述数字驱动逻辑电路配置成将功率和控制信号提供到所述光子半导体结构的所述多个微像素，其中所述数字半导体结构包括将电驱动信号耦合到所述像素阵列的个别像素的顶侧接触层和将外部电驱动信号耦合到所述固态成像器中的背侧接触层。8.根据权利要求7所述的固态成像器，其中所述光子发光半导体层和所述数字半导体结构由接合层接合在一起，且所述成像器的发射顶部侧由接合到所述成像器的透明覆盖层囊封。9.根据权利要求7所述的固态成像器，其中数字半导体结构表面面积在表面面积中比发射像素阵列面积更大。10.根据权利要求7所述的固态成像器，其中所述光子发光半导体层具有大体上等于所述数字半导体结构的表面面积的表面面积，且包括安置于所述成像器的背表面上的微球栅阵列以将外部电信号耦合到所述成像器中。11.根据权利要求10所述的固态成像器，其中所述光子发光半导体层具有大体上等于所述数字半导体结构的表面面积的表面面积包括硅穿孔的阵列以将来自所述微球栅阵列的成像器外部电驱动信号耦合到数字半导体结构硅穿孔阵列。12.根据权利要求1所述的固态成像器，其中像素间距等于或大于5微米。13.用于制造固态成像器的方法，包括以下步骤：制造包括数字可寻址多色微像素的阵列的第一晶片，其中每一像素包括发射微光学腔，所述发射微光学腔包括单片颜色可调半导体发光二极管或结构，所述单片颜色可调半导体发光二极管或结构包括单一个光子层；由此所述像素的相应颜色和亮度值通过控制相应的所述颜色可调半导体发光二极管或结构的电荷载流子注入驱动电流电平和/或开/关占空比进行调制；在独立第二晶片上制造包括至少一个数字驱动逻辑电路的数字半导体结构；将所述第一晶片接合到所述第二晶片以将所述颜色可调半导体发光二极管或结构电耦合到所述数字驱动逻辑电路。14.根据权利要求1所述的固态成像器，其中所述单片颜色可调半导体发光二极管包括III-V材料结构，所述III-V材料结构包括外延生长到单结二极管从单结二极管外延生长的多个层，所述单结二极管包括插入于两个相对地掺杂的外围区之间的光学有源区，由此单片颜色可调半导体发光二极管光学有源区进一步包括多个光学有源子区，由此所述多个光学有源子区各自包括至少一个量子约束结构，所述量子约束结构包括插入于两个阻挡层之间的量子约束层，由此所述单片颜色可调半导体发光二极管光学有源区进一步包括多个电荷载流子中间阻挡层，
由此所述大量电荷载流子中间阻挡层插入于所述光学有源子区之间。15.根据权利要求14所述的固态成像器，其中所述中间阻挡层各自具有至少大于所述有源区的内部带隙以及二极管结掺杂外围区的带隙的带隙能量。16.根据权利要求14所述的固态成像器，其中所述中间阻挡层各自具有如受其材料组合物影响的带隙，所述材料组合物取决于其在所述光学有源区内的位置而在值上不同。17.根据权利要求14所述的固态成像器，其中所述中间阻挡层各自具有如受其掺杂水平和掺杂极性影响的相对于所述光学有源区的所述内部带隙的带隙偏移，由此中间阻挡层进行正掺杂(P掺杂)、不掺杂或负掺杂(N掺杂)，由此中间阻挡层带隙中的每一个相对于所述光学有源区的所述内部带隙朝向导电带或朝向价带按其选定掺杂水平和掺杂极性的比例而偏移，其中在所述多个中间阻挡层当中不同地选择所述中间阻挡层带隙和带隙偏移水平以影响所述多个有源子区当中的指定电荷载流子注入分布概况。18.根据权利要求14所述的固态成像器，其中所述中间阻挡层具有用户选定的带隙能...

【专利技术属性】
技术研发人员：海森，
申请(专利权)人：欧斯顿都技术公司，
类型：发明
国别省市：