JP5330395B2 - 量子フォトニック映像装置およびその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル投影システムにおいて映像ソースとして使用することができる多色レーザ・エミッタのモノリシック半導体アレイを含む、放射型映像装置デバイスに関する。

＜関連出願の相互引用＞
本願は、２００７年９月２７日出願の米国仮特許出願第６０／９７５，７７２号に基づき、優先権を主張するものである。

デジタル表示技術の出現によって、デジタル・ディスプレイに対する驚くべき需要が喚起されている。いくつかの表示技術は、プラズマ・ディスプレイ・パネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、ならびにマイクロミラー、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスまたは高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ：ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙ−ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイス（参考文献［３３］）を使用する映像装置ベースの投影ディスプレイを含め、この需要に対処しようと準備されている。本発明の分野に特に重要なのは、映像形成デバイスとして、言及されたものなどの映像装置デバイスを使用する投影ベースのディスプレイである。これらのタイプのディスプレイは、ＰＤＰおよびＬＣＤのディスプレイとの激しい競争にさらされており、それら投影ベースのディスプレイは、それらの性能を向上させ、さらに、それらのコストを著しく低下させるための効果的な手段を決定的に必要としている。これらのタイプのディスプレイにおいて主な性能およびコストの駆動要因は、マイクロミラー、ＬＣＯＳおよびＨＴＰＳデバイスなど、使用される映像装置である。そのようなデバイスは、受動的な映像装置であるので、複雑な照明オプティックスが必要であり、発生させた光のかなりの部分を最後には浪費することになり、それによってディスプレイ・システムの性能を低下させ、コストを増加させる。本発明の目的は、デジタル投影システムにおいて映像ソースとして使用することができる多色レーザ・エミッタのアレイを含む放射型映像装置デバイスを導入することによって、これらの映像装置デバイスの欠点を克服することである。

図１Ａおよび１Ｂは、マイクロミラーまたはＬＣＯＳ映像装置デバイスを含む反射型映像装置を使用するもの（図１Ａ）、ならびにＨＴＰＳ映像装置デバイスなどの透過型映像装置を使用するもの（図１Ｂ）などの受動的な映像装置をそれぞれ使用する投影ディスプレイ・システムにおいて使用される、通常のプロジェクタ・アーキテクチャ１００をそれぞれ示すブロック図である。一般に、図１Ａの通常の投影ディスプレイ・システムのプロジェクタ１００は、映像装置１１０を含み、それは、光源１３０によって発生された光を映像装置１２０の表面上に結合する照明オプティックス１２０によって照明される。光源１３０は、白色光を発生するランプ、あるいは赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光または青色（Ｂ）光を発生することができる発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ・ダイオードなどの半導体光源とすることができる。

図１Ａに示された反射型映像装置を使用するプロジェクタ１００の場合、光源としてランプを使用したとき、Ｒ、ＧおよびＢのフィルタを組み込んだ色相環が、照明オプティックスと映像装置の間に追加されて必要なように色を調節する。反射型映像装置と連結して半導体光源を使用したとき、色は、Ｒ、ＢやＧのいずれかである必要な色を有する半導体光源デバイスをオンすることによって、調節される。

図１Ｂに示された透過型映像装置を使用するプロジェクタ１００の場合、光源としてランプを使用したとき、照明オプティックス１２０は、ランプによって発生された白色光を、３つのＨＴＰＳ映像装置デバイスの背面を照明するＲ、ＧおよびＢの光の斑点に分割するための光学的手段を含み、そしてダイクロイック・プリズム・アセンブリが追加されて、調節されたＲ、ＧおよびＢの光を結合して投影オプティックス１４０上にそれを結合する。

投影オプティックス１４０は、映像装置１１０の表面に光学的に結合され、駆動エレクトロニックス１５０が映像装置１１０に電気的に結合される。光学エンジンが、映像装置１１０を使用して、光源１３０によって発生された光の強度を調節することによって、投影される映像を生成し、そして画素のグレースケール入力が映像データとして駆動エレクトロニックス１５０に提供される。マイクロミラーまたはＬＣＯＳ映像装置デバイスなどの反射型映像装置（図１Ａ）を使用したとき、駆動エレクトロニックスは、画素のグレースケール・データを映像装置１１０に提供し、白色光ランプが光源として使用されたとき、色相環のＲ、ＧおよびＢのセグメントの順次的な順番とその動作を同期させ、あるいは、Ｒ、ＧまたはＢの半導体光源がオンされる順次的な順番とその動作を同期させる。ＨＴＰＳ映像装置デバイスなどの透過型映像装置が使用されたとき、駆動エレクトロニックスは、画素のグレースケール・データを映像装置１１０に提供し、それぞれの画素に必要なように色強度を調節するために、Ｒ、ＧおよびＢのＨＴＰＳ映像装置デバイスのそれぞれの動作を同期させる。

通常、映像装置１１０の表面上への光の結合に関連付けられる損失は、かなりのものである。というのは、その損失は、デバイスの反射率値または透過率値など、映像装置１１０自体に付随する固有損失に、光源１３０から光を集光し、平行化し、フィルタリングして映像装置１１０の表面に中継することに関連付けられる損失をさらに加えて含んでいるからである。これらの損失は、全体的でほとんど９０％までになることがある。つまり、光源１３０によって発生された光のほぼ９０％が失われることになり得ることを意味する。

さらに、マイクロミラーまたはＬＣＯＳ映像装置デバイスなどの反射型映像装置１１０の場合、映像装置１１０は、反射型画素の空間アレイを含み、特定の色が照射されたとき、その期間中それぞれ個々の画素の反射のオン／オフ状態を変化させることによって、そのピクセル化された反射表面上に結合される光の個々の色を順次に調節する。実際、通常の従来技術の反射型映像装置は、そのピクセル化された反射表面上に結合される光の強度を調節することだけができ、光源１３０によって発生された光束の使用における大変な効率の悪さを引き起こしている制約によって、生成された映像上に乱れを生じさせ、全体のディスプレイ・システムに複雑さおよびコスト増加が追加され、その上さらに光源１３０によって発生された光を使用する上で他の効率の悪さの原因が導入されている。さらに、反射型ならびに透過型のタイプの映像装置の両方は、オフ状態の画素上に光を漏れさせ、そのためにこれらのタイプの映像装置が達成することができるコントラストと黒のレベルがかなり限定される、「光子漏れ（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｌｅａｋａｇｅ）」として知られた作用から悪影響を被っている。

（参考文献[1]）米国特許6,975,366 B2, Flint , Dec. 13, 2005 （参考文献[2]）米国特許出願公開2004/0008392 A1, Kappel et al, Jan. 15, 2004 （参考文献[3]）米国特許出願公開2006/0268241 A1, Watson et al, Nov. 30, 2006 （参考文献[4]）米国特許出願公開2006/0023173 A1, Mooradian et al, Feb. 2, 2006 （参考文献[5]）米国特許6,869,185 B2, Kaminsky et al, Mar. 22, 2005 （参考文献[6]）米国特許6,853,490 B2, Wang et al, Mar. 8, 2005 （参考文献[7]）米国特許6,939,012 B2, Cok et al, Sep. 6 2005 （参考文献[8]）米国特許7,177,335 B2, Kamp et al, Feb. 13, 2007 （参考文献[9]）米国特許7,122,843 B2, Kahen et al, Oct. 17, 2006 （参考文献[10]）米国特許7,120,182 B2, Chua et al, Oct. 10, 2006 （参考文献[11]）米国特許7,092,424 B2, Trezza et al, Aug. 15, 2006 （参考文献[12]）米国特許6,934,309 B2, Nishikawa et al, Aug. 23, 2005 （参考文献[13]）米国特許6,853,490 B2, Wang et al, Feb. 8, 2005 （参考文献[14]）米国特許6,744,800 B2, Kneissl et al, Jun. 1 , 2004 （参考文献[15]）米国特許6,741,625 B2, Hirata et al, May 25, 2004 （参考文献[16]）米国特許6,668,003 B2, Ungar et al, Dec. 23, 2003 （参考文献[17]）米国特許6,633,421 B2, Trezza et al, Oct. 14, 2003 （参考文献[18]）米国特許6,233,265 B1 , Bour et al, May 15, 2001 （参考文献[19]）米国特許6,205,160 B2, Grewell et al, Mar. 20, 2001 （参考文献[20]）米国特許6,144,685, Iwasa et al, Nov. 7, 2000 （参考文献[21]）米国特許5,920,766, Floyd, JuI. 6, 1999 （参考文献[22]）米国特許5,583,351 , Brown et al, Dec. 10, 1996 （参考文献[23]）米国特許5,809,052, Seko et al, Sep. 15, 1998 （参考文献[24]）米国特許5,715,264, Patel et al, Feb 3, 1998 （参考文献[25]）米国特許5,708,674, Beernink et al, Jan. 13, 1998 （参考文献[26]）米国特許5,386,428, Thornton et al, Jan. 31 , 1995 （参考文献[27]）米国特許5,323,411, Shirasoka et al, Jun. 21 , 1994 （参考文献[28]）米国特許4,976,539, Carlson et al, Dec. 1 1 , 1990 （参考文献[29]）米国特許4,947,401 ,Hinata et al, Aug. 7, 1990 （参考文献[30]）米国特許4,817,104, Yaneya et al, Mar. 28, 1989 （参考文献[31]）米国特許4,799,229, Miyazawa et al, Jun. 17, 1989 （参考文献[32]）米国特許4,794,609, Hara et al, Dec. 27, 1988 （参考文献[33]）米国特許4,744,088, Heinen et al, May 10, 1988

（参考文献[34] J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, 1996, Chapter 7, pp. 172-214 （参考文献[35] Jansen et al, "Visible Laser and Laser Array Sources for ProjectionDisplays", Proc. of SPIE Vol. 6135, 2006 （参考文献[36] Poynton, Charles, "Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces", San Francisco: Morgan Kaufmann, 2003. pp. 252-253 （参考文献[37] Chow et al, "Semiconductor-Laser Physics", Springer 1997 （参考文献[38] Robert W. Boyd, "Nonlinear Optics - Second Edition", Academic Press 2003 （参考文献[39] M. Elexe et al, "Wafer Bonding: Application and Technology", Springer 2004 （参考文献[40] A. Thelen, "Design of Optical Interface Coatings", McGraw-Hill, Chapter 2, pp. 5-24 （参考文献[41] M. Born et al, "Principles of Optics", Cambridge University Press , Chapter 8, pp. 439-443

上に言及したように、本発明の目的は、デジタル投影システムにおいて映像ソースとして使用することができる多色レーザ・エミッタのアレイを含む放射型映像装置デバイスを導入することによって、従来技術の映像装置の欠点を克服することである。半導体レーザ・ダイオードが、マイクロミラー映像装置デバイスなどの反射型映像装置１１０を照明するために、図１Ａのプロジェクタ１００で使用される代替の光源１３０に最近なっているとはいえ（参考文献［１］〜［４］）、光源としての半導体レーザ・ダイオードの使用は、上記に述べた従来技術の映像装置の欠点のいずれをも克服する助けにならない。さらに、投影画素を生成するために、走査型レーザ光ビームを使用する投影ディスプレイを記述する、多数の従来技術が存在する（参考文献［５］〜［６］）。

従来技術の参考文献［７］に、それぞれが有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ：ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）によって励起される有機垂直共振器レーザ（ｏｒｇａｎｉｃ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｌａｓｅｒ）である、個々にアドレス可能なレーザ画素の２次元アレイを含むレーザ映像プロジェクタが記載されている。従来技術の参考文献［７］に記載されたレーザ映像プロジェクタの画素明るさは、励起光源によってもたらされる明るさのわずかな割合になり得、その光源は、ＯＬＥＤベースの光源であるから、十分な光量を恐らく供給できないことになり得、それによって、従来技術の参考文献［７］のレーザ・プロジェクタによって発生される明るさは、ほとんどの投影ディスプレイ用途において、実際の使用にはとても十分なものにならないはずである。

レーザ・アレイを記載する多数の従来技術の参考文献（参照［８］〜［３０］）が存在するが、映像装置デバイス中の画素としての多色レーザ・エミッタの使用を教える従来技術は見当たらなかった。以下の詳細な説明で明らかになるように、本発明は、レーザ発光半導体構造のモノリシック層状スタックを光学的に電気的に分離することによって形成される、別々にアドレス可能な多色レーザ画素のアレイに関する。光学的に電気的に分離された（隔離された）半導体レーザ・エミッタ・アレイの生成に関し、参考文献［１０］は、発光領域間の材料を除去することによって、または半導体構造の光エミッタ間の領域を不動態化することによって形成される、発光領域間の隔離領域（すなわち物理的な障壁）を有する単一波長レーザ半導体構造を形成するための方法を教えている。しかし、参考文献［１０］に記載された方法は、波長が７００〜８００ｎｍの範囲内である、別々にアドレス可能な単一波長レーザ・エミッタの１次元線形アレイを生成するためにだけ使用することができるはずである。

別々にアドレス可能な多色レーザ・エミッタのアレイの生成に関し、参考文献［２１］に、端面発光の赤色および青色のレーザ構造のアレイが記載されている。参考文献［２１］は、多色レーザ構造を扱っているが、それは、端面発光レーザ構造の２色１次元線形アレイだけに関する。

参考文献［２２］に、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）ダイオードのアレイを使用するディスプレイ・システムが記載されているが、参考文献［２２］に記載されているＶＣＳＥＬダイオードの固有サイズのため、記載されているアプローチは、どちらかといえば実質的に大きな画素サイズを生じ得る。というのは、そのディスプレイ・システムによって使用される、画素アレイを形成するために同じ面上に隣り合って配列される多色のＶＣＳＥＬダイオードの固有サイズのため、映像装置デバイスとして、そのディスプレイ・システムを使用不可能にするからである。

現在利用できる映像装置デバイスの上記の欠点を考えると、そのような弱点を克服する映像装置は、著しい商業的価値を有するのは確実である。したがって、本発明の目的は、デジタル投影システムにおいて映像ソースとして使用することができる、多色レーザ・エミッタのモノリシック半導体２次元アレイを含む放射型映像装置デバイスを提供することである。本発明のさらなる目的および利点は、添付図面を参照して進められる、その好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになる。

本発明は、例として示され、限定するものとして示されず、添付図面の図では、同様の参照番号が同様の構成要素を示す。

従来技術映像装置による映像装置の投影ディスプレイのアーキテクチャの状況を示す図である。 従来技術映像装置による映像装置の投影ディスプレイのアーキテクチャの状況を示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの等角図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの放射表面を含む多色画素の等角図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの上面図である。 本発明の代替の量子フォトニック映像装置デバイスの等角図である。 多色画素レーザ・スタックの横断面図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの赤色レーザ・ダイオード構造の詳細横断面図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの緑色レーザ・ダイオード構造の詳細横断面図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの青色レーザ・ダイオード構造の詳細横断面図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの代替の赤色レーザ・ダイオード構造の詳細横断面図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの赤色レーザ・ダイオード構造のエネルギー・バンド図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの緑色レーザ・ダイオード構造のエネルギー・バンド図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの青色レーザ・ダイオード構造のエネルギー・バンド図である。 多色画素側壁の水平方向の横断面図である。 多色画素側壁の垂直方向の横断面図である。 多色画素側壁のコンタクト・ビアのレイアウトを示す図である。 多色画素のコンタクト・パッドのレイアウトを示す図である。 多色画素の出力導波路の垂直方向の横断面図である。 多色画素の出力導波路の水平方向の横断面図である。 本発明の多色レーザ映像装置によって放射される光の強度プロファイルを示す図である。 本発明の多色レーザ映像装置の垂直導波路を配列することができる多数のパターンを示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスのデジタル半導体構造の垂直方向の横断面図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスのフォトニックおよびデジタルの半導体構造をインターフェースさせるコンタクト金属層のレイアウトを示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイス内でパワー信号のために使用される金属層のレイアウトを示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイス内でロードおよびイネーブルの信号のルートを定めるために使用される金属層のレイアウトを示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイス内でデータおよび制御の信号のルートを定めるために使用される金属層のレイアウトを示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスのデジタル制御ロジックを示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスを構成する画素のそれぞれに付随するデジタル・ロジック・セルを示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスを製作するために使用される半導体プロセス・フロー図である。 デジタル映像ソースとして、本発明の量子フォトニック映像装置デバイスを使用した例示のプロジェクタの横断面図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの色域を示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスを使用した例示の画素の合成を示す図である。 本発明の量子フォトニック映像装置デバイスの映像データ・プロセッサ随伴デバイスのブロック図である。 量子フォトニック映像装置デバイスのタイミング図である。

本発明の以下の詳細な説明で「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、その実施形態に関して述べられた具体的な特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含められていることを意味する。この詳細な説明中の様々な場所において、語句「一実施形態では」が現れても、すべて必ずしも同じ実施形態を参照しているのではない。

放射型映像装置がここで述べられる。以下の記述では、説明の目的で、本発明の完全な理解を得るために、多数の具体的な細部が述べられる。しかし、異なる具体的な細部を用いて、本発明を実施することができることは、当業者に明らかである。他の例では、構造およびデバイスは、本発明を分かりにくくすることを避けるために、ブロック図の形態で示される。

ＱＰＩアーキテクチャ
ここに述べられる、「量子フォトニック映像装置（ＱＰＩ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｍａｇｅｒ）」と呼ばれる放射型多色デジタル映像形成デバイスは、多色レーザ・エミッタのモノリシック・アレイを含む半導体デバイスである。本発明の量子フォトニック映像装置は、複数の放射型多色画素を含み、それによって一実施形態では、それぞれの画素が赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の発光レーザ・ダイオードのスタックを含む。それぞれの上記の画素の多色レーザ光は、それぞれの画素を構成するＲ、ＧおよびＢのレーザ・ダイオードのそれぞれの光閉じ込め領域に光学的に結合された複数の垂直導波路を介して、量子フォトニック映像装置デバイスの表面に対して垂直方向に放射される。量子フォトニック映像装置デバイスを構成する複数の画素は、絶縁用半導体材料の側壁によって、光学的に電気的に分離され、その側壁の中には、それぞれの画素の構成要素であるレーザ・ダイオードに電流を送るために使用される電気的な相互接続部（ビア）が埋め込まれている。量子フォトニック映像装置デバイスを構成する複数の画素のそれぞれは、制御ロジック回路に電気的に結合され、その制御ロジック回路は、画素の構成要素である赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）のレーザ・ダイオードのそれぞれに電流信号を送る（イネーブルにする）。複数の画素に付随する駆動ロジック回路が、駆動ロジック・アレイを形成し、それは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）のレーザ・ダイオードのスタックと一緒に接合され、それによって多色レーザ画素および駆動回路のモノリシック・アレイが形成される。

図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに、本発明の量子フォトニック映像装置２００の好ましい実施形態を示す。図２Ａは、量子フォトニック映像装置２００の等角図であり、さらに、図２Ｂは、その構成要素である画素２３０の１つの等角図であり、図２Ｃは、量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０、およびその画素アレイの周辺部に配置されたデジタル制御ロジック２２９のアレイを示す上面図である。

図２Ａに示すように、量子フォトニック映像装置２００は、２つの半導体構造、すなわちフォトニック半導体構造２１０およびデジタル半導体構造２２０を含み得る。半導体構造２１０および２２０は、ダイ・レベルでの接合によって、またはウェハのレベルでの接合によって互いに接合され、それによって図２Ａに示された量子フォトニック映像装置２００が形成される。量子フォトニック映像装置２００を構成する２つの半導体構造のそれぞれは、複数の半導体層をさらに含む。図２Ａに示すように、量子フォトニック映像装置２００のデジタル半導体構造２２０は、通常、表面領域がフォトニック半導体構造２１０より大きくなり、それによってデジタル制御ロジック２２９および接合用パッド２２１を配置することが可能になり、その接合用パッド２２１を通して、パワーおよび映像データの信号がデバイスに供給され、デバイスの上部側でアクセスが可能になり得る。フォトニック半導体構造２１０は、複数の放射型多色画素を含み、デジタル半導体構造２２０は、フォトニック半導体構造２１０にパワーおよび制御の信号を送るデジタル駆動ロジック回路を含む。

図２Ｂは、本発明の一実施形態による量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０の１つについて、その半導体構造の一部を切り取って示す等角図である。図２Ｂに示すように、画素２３０のそれぞれは、隣接した画素間を光学的に電気的に分離する側壁２３５を有し得る。後の段落でより詳細に説明するように、画素２３０のフォトニック半導体構造２１０の部分にパワー信号を供給するために必要な電気的な相互接続部が、画素の側壁２３５内に埋め込まれることになり得る。

図２Ｂの画素の一部切り取り等角図に示すように、画素２３０の内部内のフォトニック半導体構造２１０の部分は、半導体基板２４０と、赤色（Ｒ）レーザ・ダイオード・マルチレイヤ２３１と、緑色（Ｇ）レーザ・ダイオード・マルチレイヤ２３２と、青色（Ｂ）レーザ・ダイオード・マルチレイヤ２３３とを垂直に積み重ねて含み得る。量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０のそれぞれのレーザ光は、以降垂直方向として呼ばれる、デバイスの上部表面に対して垂直な方向に、複数の垂直導波路２９０を通して放射され、その導波路２９０のそれぞれは、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれの光共振器（または光閉じ込め領域）に光学的に結合され得る。複数の垂直導波路２９０は、本発明の量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０のそれぞれのレーザ光放射横断面（または光学的特性）を画定し得るレーザ・エミッタ・アレイを形成することになり得る。レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３を垂直に積み重ね、かつ積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれの光共振器（または光閉じ込め領域）に垂直導波路２９０を光学的に結合させるという、本発明の今までにないアプローチによって、これらのレーザ・ダイオードによって発生された多色レーザ光を、垂直導波路２９０のアレイを通して放射させることが可能になり、それによって本発明の量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０が、放射型多色レーザ画素になり得る。

図２Ｃは、量子フォトニック映像装置２００の上面図であり、そのデバイスの放射表面を形成する、多色画素２３０の２次元アレイを構成するフォトニック半導体構造２１０の上部と、デバイス接合用パッド２２１のために必要な領域およびデバイス制御ロジック２２９のためのレイアウト領域をもたらすために、フォトニック半導体構造２１０の上部を超えて広がるデジタル半導体構造２２０の上部とを示す。本発明の量子フォトニック映像装置２００の好ましい実施形態による画素２３０の通常サイズは、１０×１０ミクロンの範囲内であり、したがってＶＧＡ分解能（６４０×４８０画素）を実現する量子フォトニック映像装置２００の放射表面は、６．４×４．８ｍｍになり得る。フォトニック半導体構造２１０の実際のサイズは、各辺上で少しの数の追加画素だけ放射表面領域を超えて広がるので、フォトニック半導体構造２１０の通常のサイズは、６．６×５ｍｍの範囲内に入り得る、そしてデジタル半導体構造２２０は、制御ロジック２２９およびデバイス接合用パッド２２１のレイアウト領域をもたらすために、その領域を超えて広がるので、ＶＧＡ分解能を実現する量子フォトニック映像装置２００の通常の寸法は、７．６×６ｍｍの範囲内に入り得る。

本発明の量子フォトニック映像装置２００の基本アーキテクチャを説明してきたが、以下の段落では、その構成要素部分およびその製造方法に関する詳細な説明を提示する。

ＱＰＩ半導体構造
図３は、本発明の量子フォトニック映像装置２００を形成する半導体マルチ構造の横断面図である。同じ参照番号が同じアイテムのために使用されるが、画素２３０の形成前の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード半導体構造は、マルチレイヤ・レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０として、それぞれ呼ばれることになり得る。

本発明の量子フォトニック映像装置２００の製作方法の好ましい実施形態によれば、マルチレイヤ・レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０は、適切な半導体プロセスを使用し、次いで後処理がなされて、半導体ウェハとして別々に製作され、それによって、図３に示すように、金属層および絶縁層を組み込んだウェハ・サイズのマルチレイヤ・スタックのフォトニック半導体構造２１０が生成されることになり得る。次いで、ウェハ・サイズのマルチレイヤ・スタックのフォトニック半導体構造２１０は、さらに後処理がなされて、画素の側壁２３５が生成され、それは、図２Ｂに示すように、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３、ならびに画素の垂直導波路２９０を形成し得る。なお、また、デジタル半導体構造２２０は、適切な半導体プロセスを使用して、半導体ウェハとして別に製作され、次いでマルチレイヤ・スタックのフォトニック半導体構造２１０とウェハ・レベルまたはダイ・レベルで接合され、それによって図２Ａに示す量子フォトニック映像装置２００が生成されることになり得る。以下の段落に、マルチレイヤ・レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０、およびデジタル半導体構造２２０の詳細な設計仕様、ならびに本発明の量子フォトニック映像装置２００を生成するために必要なウェハの後処理および製作フローの詳細な設計仕様を述べる。

図３に、量子フォトニック映像装置２００が半導体構造２１０および２２０を含み、これら２つの半導体構造のそれぞれが、複数の半導体層をさらに含むことを示す。図３に示すように、フォトニック半導体構造２１０は、シリコン（Ｓｉ）基板２４０と、３つのマルチレイヤ・レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０のスタックとを含み、この３つのマルチレイヤ・レーザ・ダイオード構造は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などの誘電性絶縁体の層２４１、２５１、２６１および２７１によって分離され、そのそれぞれの層は、厚さが１５０〜２００ｎｍであることが好ましく、３つのマルチレイヤ・レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０の間でそれぞれの上部および底部を電気的に絶縁する。

また、フォトニック半導体構造２１０内に組み込まれるのは、赤色マルチレイヤ・レーザ・ダイオード２５０のｐコンタクト金属層およびｎコンタクト金属層をそれぞれ構成する金属層２５２および２５３と、緑色マルチレイヤ・レーザ・ダイオード２６０のｐコンタクト金属層およびｎコンタクト金属層をそれぞれ構成する金属層２６２および２６３と、青色マルチレイヤ・レーザ・ダイオード２７０のｐコンタクト金属層およびｎコンタクト金属層をそれぞれ構成する金属層２７２および２７３とである。金属層２５２、２５３、２６２、２６３、２７２および２７３のそれぞれは、厚さが１５０〜２００ｎｍで、電子移動およびストレス移動が低い特性を有する、金スズ（Ａｕ−Ｓｎ）または金チタン（Ａｕ−Ｔｉ）のマルチレイヤ金属化などの半導体相互接続金属化層であることが好ましい。金属化層２５２、２５３、２６２、２６３、２７２および２７３は、また、金属化層の絶縁層２４１、２５２、２６１および２７１中への必要以上の拡散を防止することになり得る拡散障壁を含み得る。

図３に示すように、半導体構造２１０と２２０の間のインターフェースは、フォトニック半導体構造２１０側では金属層２８２であり、デジタル制御構造２２０側では金属層２２２である。金属層２８２および２２２の両方は、エッチングされて、２つの半導体構造２１０と２２０の間に電気的相互接続接合用パッドを組み込み得る。金属層２２２は、また、デバイス接合用パッド２２１を組み込むことになり得る。

絶縁層２４１、２５１、２６１および２７１、および金属化層２５２、２５３、２６２、２６３、２７２および２７３は、化学蒸着（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの通常の半導体蒸着プロセスを使用して、蒸着させることになり得る。２つの層２４１および２５２は、Ｓｉ基板層２４０上に直接蒸着させることになり得、次いで、得られたマルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２は、直接ウェハ接合、拡散接合または陽極接合の技術などを使用して、赤色レーザ・ダイオード構造２５０のｐ層にウェハ・レベルで接合される。

次いで、得られた半導体マルチレイヤ構造は、層２５３、２５１および２６２が、ＣＶＤなどの蒸着技術などを使用して、その上に蒸着されることになり得る基板として使用され、次いで、得られたマルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２−２５０−２５３−２５１−２６２は、直接ウェハ接合、拡散接合または陽極接合の技術などを使用して、緑色レーザ・ダイオード構造２６０のｐ層にウェハ・レベルで接合され、緑色レーザ・ダイオードがその上に形成された基板は、除去される。

次いで、得られた半導体マルチレイヤ構造は、層２６３、２６１および２７２が、ＣＶＤなどの蒸着技術などを使用して、その上に蒸着されることになり得る基板として使用され、次いで、得られたマルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２−２５０−２５３−２５１−２６２−２６０−２６３−２６１−２７２は、直接ウェハ接合、拡散接合または陽極接合の技術などを使用して、青色レーザ・ダイオード構造２７０のｐ層にウェハ・レベルで接合され、青色レーザ・ダイオードがその上に形成された基板は、除去される。

次いで、得られた半導体構造は、層２７３、２７１および２８２が、ＣＶＤなどの蒸着技術などを使用して、その上に蒸着されることになり得る基板として使用される。次いで、金属層２８２は、接合用パッドのパターンを生成するために、半導体リソグラフィ・プロセスを使用してエッチングされ、エッチングされた領域は、絶縁体材料、好ましくはＳｉＯ₂で再び補充され、次いで、その表面が研磨されクリーンにされる。次いで、得られたフォトニック半導体構造２１０は、フリップチップ接合技術を使用して、デジタル半導体構造２２０の対応する接合用パッドの表面にウェハ・レベルで接合される。

レーザ・ダイオードのマルチレイヤ構造
マルチレイヤ半導体構造２５０、２６０および２７０のそれぞれは、別々のウェハとして成長させたマルチプル量子井戸（ＭＱＷ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）二重ヘテロ構造半導体レーザ・ダイオードであり得、それぞれは、それ自体の基板上に、有機金属化合物化学蒸着（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と通常呼ばれるよく知られたエピタキシャル蒸着プロセスを使用して、成長させる。液相エピタキシ（ＬＰＥ：ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ：ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化有機金属気相エピタキシ（Ｈ−ＭＯＶＰＥ：ｈｙｄｒｉｄｅ ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）、または他の知られた結晶成長プロセスなどの他の蒸着プロセスも使用することができる。

赤色レーザ・ダイオード
図４Ａに、本発明による量子フォトニック映像装置２００の赤色レーザ・ダイオード構造２５０のマルチレイヤ横断面の例示の実施形態を示す。図４Ａのマルチレイヤ半導体構造は、リン化物ベースであり、そのパラメータは、赤色レーザ・ダイオード構造２５０によって発生されるレーザ光が６１５ｎｍの主波長を有し得るように選択される。図４Ａに示すように、厚さが１００ｎｍである、ｎドープされたＧａＡｓの基板の除去可能なエッチング停止層４１２を、厚い（約２０００ｎｍ）のＧａＡｓ基板４１０上に成長させ、それは、赤色レーザ・ダイオード構造２５０が、上記に述べたように、マルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２にウェハ・レベルで接合された後、エッチングで除去されることになる。ｎドープされたＧａＡｓエッチング停止層４１２は、約８×１０¹⁸ｃｍ^-3のシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）のドーピングを受け得る。厚いＧａＡｓ基板は、高品質のエピタキシャル層がその上に成長することを保証するために、使用される。

基板の除去可能なエッチング停止層４１２上に蒸着されるのは、ｎ型のＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐまたは（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5の超格子（ＳＬ：ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）のクラッド層４１４であり、それは、通常、厚さが１２０ｎｍで、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉまたはＳｅのドーピングを受け得る。クラッド層４１４上に蒸着されるのは、厚さが１００ｎｍである、ｎ型の（Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの導波路層４１６であり、それは、通常、少なくとも１×１０¹⁸ｃｍ^-3までシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）でドープされ得る。導波路層４１６上に蒸着されるのは、複数のＧａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｐの量子井戸層４２０を含む、赤色レーザ・ダイオード２５０のアクティブ領域４２１であり、それは、少なくとも０．０１×１０¹⁸ｃｍ^-3および０．１×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルそれぞれでシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）が通常ドープされた、Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの障壁層４１８内に取り囲まれる。図４Ａに示すように、量子井戸層４２０および障壁層４１８の厚さは、それぞれ４．８ｎｍおよび４ｎｍになるように選択されるが、これらの層の厚さは、赤色レーザ・ダイオード２５０の放射特性を微調整するために、厚くする、または薄くすることができる。

図４Ａに、赤色レーザ・ダイオード２５０のアクティブ領域４２１が３つの量子井戸を含んでいることが示されているが、使用される量子井戸の数は、赤色レーザ・ダイオード２５０の放射特性を微調整するために、大きくする、または小さくすることができる。さらに、赤色レーザ・ダイオード２５０のアクティブ領域４２１は、量子井戸の代わりに、非常に多数の量子細線または量子ドットを含むこともできる。

アクティブ領域４２１の上に蒸着されるのは、厚さが１４０ｎｍである、ｐ型の（Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの導波路層４２２であり、それは、通常、少なくとも１×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウム（Ｍｇ）でドープされ得る。導波路層４２２上に蒸着されるのは、厚さが２３ｎｍであり、少なくとも１×１０¹⁸ｃｍ^-3のドーピング・レベルのマグネシウム（Ｍｇ）を有するＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐのアンチトンネリング層４２４である。アンチトンネリング層４２４上に蒸着されるのは、厚さが２５ｎｍの電子遮断物層４２６であり、それは、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの量子井戸およびＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの障壁層の代替層を含み、それぞれは、少なくとも１×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウムがドープされる。電子遮断物層４２６は、電子漏れ電流を減少させるために組み込まれ、その電子漏れ電流は、赤色レーザ・ダイオード構造２５０の閾電流および動作温度を低下させることになり得る。

電子遮断物層４２６の上に蒸着されるのは、厚さが１２０ｎｍのｐ型のＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐまたは（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5のＳＬのクラッド層４２８であり、それは、通常、０．５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウムがドープされ得る。クラッド層４２８上に蒸着されるのは、厚さが１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層４２９であり、それは、通常、少なくとも１×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウムが濃密にドープされ得る。上記に説明したように、コンタクト層４２９は、赤色レーザ・ダイオード構造２５０とマルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２のウェハ・レベルでの接合のための界面層になり得る。

マルチレイヤ４１６−４２１−４２２は、赤色レーザ・ダイオード２５０の光共振器または光閉じ込め領域として、当業者に知られており、その中に、ＭＱＷのアクティブ領域４２１によって発生された赤色レーザ光が、閉じ込められ得る。後の段落で説明するように、赤色レーザ・ダイオード２５０によって発生された光は、量子フォトニック映像装置２００の表面から垂直方向に、赤色レーザ・ダイオード２５０の光学的な閉じ込めマルチレイヤ４１６−４２１−４２２に光学的に結合された垂直導波路２９０を通して、放射されることになる。

緑色レーザ・ダイオード
図４Ｂに、本発明による量子フォトニック映像装置２００の緑色レーザ・ダイオード構造２６０のマルチレイヤ横断面の例示の実施形態を示す。図４Ｂのマルチレイヤ半導体構造は、窒化物ベースであり、そのパラメータは、緑色レーザ・ダイオード構造２６０によって発生されるレーザ光が５２０ｎｍの主波長を有し得るように選択される。図４Ｂに示すように、厚さが１００ｎｍであり、ｎドープされたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなり、６×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルでＳｉドープされた、基板の除去可能なエッチング停止層４３２を厚いＧａＮ基板４３０上に成長させ、その停止層は、緑色レーザ・ダイオード構造２６０が、上記に述べたように、マルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２−２５０−５３−２５１−２６２にウェハ・レベルで接合された後、エッチングで除去されることになる。ｎドープされたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎのエッチング停止層４３２は、６×１０¹⁸ｃｍ^-3のシリコン（Ｓｉ）のドーピングをされ得る。図４Ｂに、基板４３０がＧａＮであることが示されているが、ＩｎＧａＮ材料の合金も基板４３０のために使用することができる。

基板の除去可能なエッチング停止層４３２上に蒸着されるのは、ｎ型のＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ／ＧａＮのＳＬのクラッド層４３４であり、それは、通常、厚さが４５１ｎｍで、２×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉのドーピングを受け得る。クラッド層４３４上に蒸着されるのは、厚さが９８．５ｎｍである、ｎ型のＧａＮの導波路層４３６であり、それは、通常、６．５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、Ｓｉドープされ得る。導波路層４３６上に蒸着されるのは、緑色レーザ・ダイオード２６０のアクティブ領域であり、それは、複数のＩｎ_0.535Ｇａ_0.465Ｎの量子井戸層４５０を含み、それぞれは、０．０５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルでＳｉドープされ、かつＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎの障壁層４３８内に取り囲まれ、それぞれは、６．５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルでＳｉドープされる。図４Ｂに示すように、量子井戸層４５０および障壁層４３８の厚さは、それぞれ５．５ｎｍおよび８．５ｎｍになるように選択されるが、これらの層の厚さは、緑色レーザ・ダイオード２６０の放射特性を微調整するために、厚くする、または薄くすることができる。

図４Ｂに、緑色レーザ・ダイオード２６０のアクティブ領域４３１が３つの量子井戸を含んでいることが示されているが、使用される量子井戸の数は、緑色レーザ・ダイオード２６０の放射特性を微調整するために、大きくする、または小さくすることができる。さらに、緑色レーザ・ダイオード２６０のアクティブ領域４３１は、量子井戸の代わりに、非常に多数の量子細線または量子ドットを含むこともできる。

アクティブ領域４３１の上に蒸着されるのは、厚さが８．５ｎｍである、ｐ型ＧａＮの導波路層４５２であり、それは、通常、５０×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされ得る。導波路層４５２上に蒸着されるのは、厚さが２０ｎｍであり、約１００×１０¹⁸ｃｍ^-3のマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング・レベルを有する、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの電子遮断物層４５４である。電子遮断物層４５４は、電子漏れ電流を減少させるために組み込まれ、その電子漏れ電流は、緑色レーザ・ダイオード構造２６０の閾電流および動作温度を低下させることになり得る。

電子遮断物層４５４の上に蒸着されるのは、厚さが９０ｎｍのｐ型ＧａＮの導波路層４５６であり、それは、通常、７５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされ得る。導波路層４５６上に蒸着されるのは、厚さが４５１ｎｍである、ｐ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ／ＧａＮのＳＬのクラッド層４５８であり、それは、通常、７５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウムがドープされ得る。クラッド層４５８の上に蒸着されるのは、厚さが１００ｎｍである、ｐ型ＧａＮのコンタクト層４５９であり、それは、７５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされる。上記に説明したように、コンタクト層４５９は、緑色レーザ・ダイオード構造２６０とマルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２−２５３−２５１−２６２のウェハ・レベルでの接合のための界面層になり得る。

マルチレイヤ４３６−４３１−４５２は、緑色レーザ・ダイオード２６０の光共振器または光閉じ込め領域として、当業者に知られており、その中に、ＭＱＷのアクティブ領域４３１によって発生された緑色レーザ光が、閉じ込められることになり得る。後の段落で説明するように、緑色レーザ・ダイオード２６０によって発生された光は、量子フォトニック映像装置２００の表面から垂直方向に、緑色レーザ・ダイオード２６０の光学的な閉じ込めマルチレイヤ４３６−４３１−４５２に光学的に結合された垂直導波路２９０を通して、放射されることになる。

青色レーザ・ダイオード
図４Ｃに、本発明による量子フォトニック映像装置２００の青色レーザ・ダイオード構造２６０のマルチレイヤ横断面の例示の実施形態を示す。図４Ｃのマルチレイヤ半導体構造は、窒化物ベースであり、そのパラメータは、青色レーザ・ダイオード構造２６０によって発生されるレーザ光が４６０ｎｍの主波長を有し得るように選択される。図４Ｃに示すように、厚さが１００ｎｍであり、６×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルでＳｉドープされた、ｎドープされたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの基板の除去可能なエッチング停止層４６２を厚いＧａＮ基板４６０上に成長させ、その停止層は、青色レーザ・ダイオード構造２７０が、上記に述べたように、マルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２−２５０−５３−２５１−２６２−２６０−２６３−２６１−２７２にウェハ・レベルで接合された後、エッチングで除去されることになる。ｎドープされたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎのエッチング停止層４６２は、６×１０¹⁸ｃｍ^-3のシリコン（Ｓｉ）のドーピングがされ得る。図４Ｃに、基板４６０がＧａＮであること示されているが、ＩｎＧａＮ材料の合金も基板４６０のために使用することができる。

基板の除去可能なエッチング停止層４６２上に蒸着されるのは、ｎ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ／ＧａＮのＳＬのクラッド層４６４であり、それは、通常、厚さが４５１ｎｍで、２×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドーピングがされ得る。クラッド層４６４上に蒸着されるのは、厚さが９８．５ｎｍである、ｎ型ＧａＮの導波路層４６６であり、それは、通常、６．５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルでＳｉドープされ得る。導波路層４６６上に蒸着されるのは、青色レーザ・ダイオード２７０のアクティブ領域であり、それは、複数のＩｎ_0.41Ｇａ_0.59Ｎの量子井戸層４７０を含み、それぞれは、０．０５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルでＳｉドープされ、かつＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎの障壁層４６８内に取り囲まれ、それぞれは、６．５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルでＳｉドープされる。図４Ｃに示すように、量子井戸層４７０および障壁層４６８の厚さは、それぞれ５．５ｎｍおよび８．５ｎｍになるように選択されるが、これらの層の厚さは、青色レーザ・ダイオード２７０の放射特性を微調整するために、厚くする、または薄くすることができる。

図４Ｃに、緑色レーザ・ダイオード２６０のアクティブ領域４３１が３つの量子井戸を含んでいることが示されているが、使用される量子井戸の数は、緑色レーザ・ダイオード２６０の放射特性を微調整するために、大きくする、または小さくすることができる。さらに、青色レーザ・ダイオード２６０のアクティブ領域４３１は、量子井戸の代わりに、非常に多数の量子細線または量子ドットを含むこともできる。

アクティブ領域４３１の上に蒸着されるのは、厚さが８．５ｎｍである、ｐ型ＧａＮの導波路層４７２であり、それは、通常、５０×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされ得る。導波路層４７２上に蒸着されるのは、厚さが２０ｎｍであり、約１００×１０¹⁸ｃｍ^-3のマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング・レベルを有する、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの電子遮断物層４７４である。電子遮断物層４７４は、電子漏れ電流を減少させるために組み込まれ、その電子漏れ電流は、青色レーザ・ダイオード構造２７０の閾電流および動作温度を低下させることになり得る。

電子遮断物層４７４の上に蒸着されるのは、厚さが９０ｎｍである、ｐ型ＧａＮの導波路層４７６であり、それは、通常、７５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされ得る。導波路層４７６上に蒸着されるのは、厚さが４５１ｎｍである、ｐ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ／ＧａＮのＳＬのクラッド層４７８であり、それは、通常、７５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされ得る。

クラッド層４７８上に蒸着されるのは、厚さが１００ｎｍである、ｐ型ＧａＮのコンタクト層４７９であり、それは、７５×１０¹⁸ｃｍ^-3のレベルで、マグネシウムがドープされる。上記に説明したように、コンタクト層４７９は、青色レーザ・ダイオード構造２７０とマルチレイヤ・スタック２４０−２４１−２５２−２５３−２５１−２６２−２６０−２６３−２６１−２７２のウェハ・レベルでの接合のための層になり得る。

マルチレイヤ４６６−４６１−４７２は、青色レーザ・ダイオード２７０の光共振器または光閉じ込め領域として、当業者に知られており、その中に、ＭＱＷのアクティブ領域４６１によって発生された青色レーザ光が、閉じ込められることになり得る。後の段落で説明するように、青色レーザ・ダイオード２７０によって発生された光は、量子フォトニック映像装置２００の表面から垂直方向に、青色レーザ・ダイオード２７０の光学的な閉じ込めマルチレイヤ４６６−４６１−４７２に光学的に結合された垂直導波路２９０を通して、放射されることになる。

図４Ｄに、窒化物ベースである、量子フォトニック映像装置２００のマルチレイヤ赤色レーザ・ダイオード構造２５０の代替の例示の実施形態を示す。図４Ｄのマルチレイヤ赤色レーザ・ダイオード構造２５０の代替の例示の実施形態は、窒化物ベースであるので、図４Ｂの窒化物ベースの緑色レーザ・ダイオード構造２６０および図４Ｃの窒化物ベースの青色レーザ・ダイオード構造２７０の設計規定と類似の規定を有し得るが、例外は、発生されたレーザ光が６１５ｎｍの主波長を有し得るように、その層のパラメータが選択され得ることである。図４Ｄに示された代替の窒化物ベースのマルチレイヤ赤色レーザ・ダイオード構造２５０は、マルチプル量子井戸４１９のインジウム含有量を０．６８まで増加させることによって可能になり得る。図４Ｄに、そのアクティブ領域が３つの量子井戸を含んでいることが示されているが、使用される量子井戸の数は、赤色レーザ・ダイオード２５０の放射特性を微調整するために、大きくする、または小さくすることができる。さらに、図４Ｄに示す赤色レーザ・ダイオード構造２５０の代替の例示の実施形態によるアクティブ領域は、量子井戸の代わりに、非常に多数の量子細線または量子ドットを含むこともできる。図４Ｄに、基板４８０がＧａＮであることが示されているが、基板４８０のために、ＩｎＧａＮ材料の合金も使用することができる。

ＱＰＩ色域
後で説明するように、量子フォトニック映像装置２００の上述の例示の実施形態では、レーザ・ダイオード２５０、２６０および２７０について指定された３色によって定義される色域は、ＨＤＴＶおよびＮＴＳＣなどのカラー映像ディスプレイの規定された規格と比べて、拡大された色域（広い色域）を達成し得る。具体的には、レーザ・ダイオード２５０、２６０および２７０について指定された３色は、量子フォトニック映像装置２００の上述の例示の実施形態では、ＮＴＳＣ規格に規定された色域のほとんど２００％である色域を達成し得る。

本発明の量子フォトニック映像装置２００によって達成される色域は、上述の例示の実施形態において、フォトニック半導体構造２１０内に組み込まれるレーザ・ダイオードの数を増やすことによって、可視色域の９０％より大きい色域を含み、レーザ・ダイオード２５０、２６０および２７０について指定された３色を超える超広域色域能力を達成するように、さらに拡大することができる。具体的には、量子フォトニック映像装置２００を構成する積み重ねられたレーザ・ダイオードの数を増加して、赤色レーザ・ダイオード構造２５０と緑色レーザ・ダイオード構造２６０の間に挿入される黄色（５７２ｎｍ）レーザ・ダイオード半導体構造、ならびに緑色レーザ・ダイオード構造２６０と青色レーザ・ダイオード構造２７０の間に挿入されるシアン色（４８８ｎｍ）レーザ・ダイオード半導体構造を含むようにし、それによって、量子フォトニック映像装置２００が、赤色（６１５ｎｍ）、黄色（５７２ｎｍ）、緑色（５２０ｎｍ）、シアン色（４８８ｎｍ）および青色（４６０ｎｍ）の波長をカバーする５つのレーザ・ダイオード構造のスタックを含むようになされたとき、量子フォトニック映像装置２００によって放射される光の色域は、さらに拡大されて、超広域色域を達成することができる。本発明による量子フォトニック映像装置２００の５つのレーザ・ダイオード半導体構造２１０のこのスタックによって、可視色域の９０％より広い色域をカバーする超広域色域を生成することが可能になり得る。

量子フォトニック映像装置２００のフォトニック半導体構造２１０の上述の例示の実施形態では、レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０の波長は、それぞれ６１５ｎｍ、５２０ｎｍおよび４６０ｎｍになるように選択されたが、上述の例示の実施形態のレーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０に選択された波長以外の波長値を使用して、どのように本発明の教えに追随するのかは、当業者には知られているはずである。さらに、量子フォトニック映像装置２００の上述の例示の実施形態では、フォトニック半導体構造２１０は、３つのレーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０を含んでいるが、３つより多いレーザ・ダイオード構造を使用して、どのように本発明の教えに追随するのかは、当業者には知られているはずである。さらに、量子フォトニック映像装置２００の上述の例示の実施形態では、フォトニック半導体構造２１０は、図３に示された順序で積み重ねられた３つのレーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０を含んでいるが、異なる順序で積み重ねられたレーザ・ダイオード構造を用いて、どのように本発明の教えに追随するのかは、当業者には知られているはずである。

レーザ・ダイオードのエネルギー・バンド
図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃに、リン化物ベースの赤色レーザ・ダイオード構造２５０、窒化物ベースの緑色レーザ・ダイオード２６０および青色レーザ・ダイオード２７０の上述の例示の実施形態によるエネルギー・バンドをそれぞれ示す。図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃに示されたエネルギー・バンドは、左側から右側へそれぞれの層の厚さ、および底部から上部へエネルギーを表す。厚さおよびエネルギー・レベルは、正確な厚さおよびエネルギー・レベルの定量的な大きさよりも、むしろ定性的な値を表すように意図されている。なお、図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃ中の参照番号は、図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃ中の層の参照番号とそれぞれ一致する。これらの図が示すように、ｐ型およびｎ型のクラッド層のエネルギー・レベルによって、ｐ型およびｎ型の導波路層、ならびにマルチプル量子井戸のレベルが、エネルギー的に限定される。マルチプル量子井戸のエネルギー・レベルは、図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃに示されるように、局地的な低エネルギー・レベルを表し、電子が量子井戸内に閉じ込められて、対応する正孔と効率的に再結合し、それによって光が発生することになる。

図５Ａを参照すると、アンチトンネリング層４２４の厚さは、それが電子のトンネリングを防止するのに十分広く、さらに電子遮断物層４２６の超格子構造内に電子のコヒーレンスを保持するのに十分狭くなるように、選択される。レージング閾値を低下させるために、電子遮断物層４２６、４５４および４７４が、レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０の例示の実施形態でそれぞれ使用される。図５Ａに示すように、赤色レーザ構造２５０で使用される電子遮断物４２６は、ｐドープされた領域中で実現される、導波路層４２２およびクラッド層４２８のエネルギー・レベルの間で交番するエネルギー・レベルを有するマルチプル量子障壁（ＭＱＢ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｒｒｉｅｒ）を含む。ＭＱＢ電子遮断物４２６を含んでいることによって、ＭＱＢ中での電子の量子干渉のために、電子の閉じ込めが実質的に向上され、導波路層−クラッド層の界面において障壁高さが大きく増加され、それによって電子漏れ電流が実質的に抑制される。図５Ｂおよび５Ｃに示すように、緑色レーザ構造２６０および青色レーザ構造２７０中で使用される電子遮断物は、ｐ型導波路層の２つのセグメント間に挿入され、導波路層ならびにクラッド層の両方より実質的に高いエネルギー・レベルを有し、それによって電子閉じ込めを実質的に向上させ、電子漏れ電流が実質的に抑制される。

画素側壁
量子フォトニック映像装置２００を構成する複数の画素２３０は、画素側壁２３５によって光学的に電気的に分離され、その画素側壁は、絶縁用半導体材料を含み、その中に埋め込まれているのは、それぞれの画素の構成要素であるレーザ・ダイオードに電流を送るために使用される垂直の電気的な相互接続部（コンタクト・ビア）である。図６Ａは、量子フォトニック映像装置２００を構成する複数の多色画素２３０の１つの水平方向の横断面図であり、画素側壁２３５の内部構造を示す。図６Ａに示すように、画素側壁２３５は、多色画素２３０の境界を画定し、ＳｉＯ₂などの誘電性材料の側壁内部２３７内に埋め込まれた金属コンタクト・ビア２３６を含む。

図６Ｂは、画素側壁２３５の１つの垂直方向の横断面図であり、マルチレイヤ・フォトニック構造２１０と側壁２３５の間の界面を示す。図６Ａおよび６Ｂに示された画素側壁２３５は、１ミクロン幅の溝の直交する四角形格子をマルチレイヤ・フォトニック構造２１０中にエッチングすることによって、形成され得る。溝は、量子フォトニック映像装置２００のこの例示の実施形態では１０ミクロンになるように選択された画素幅と同じピッチで、接合用パッド層２８２から始まりＳｉＯ₂絶縁層２４１で終わる深さで、エッチングされ得る。次いで、エッチングされた溝は、ＳｉＯ₂またはシリコンと炭素がドープされた酸化ケイ素（ＳｉＯＣ）など、低誘電率（低ｋ）の絶縁用材料が補充され、次いで、コンタクト・ビア２３６のための１５０ｎｍ幅の溝を形成するために、再エッチングされる。次いで、コンタクト・ビア２３６のために再エッチングされた溝は、ＣＶＤなどの蒸着技術を使用して、金スズ（Ａｕ−Ｓｎ）または金チタン（Ａｕ−Ｔｉ）などの金属が補充され、金属化層２５２、２５３、２６２、２６３、２７２、および２７３を用いて接触を実現させる。

画素側壁２３５のためにエッチングされた溝は、図６Ｂに示すように、平行辺を有することができ、または、それらは、使用されるエッチング・プロセスによって決定されるように、わずかに勾配が付いてもよい。側壁２３５およびコンタクト・ビア２３６のための溝をエッチングするために、いずれもの適切な半導体エッチング技術を使用することができるが、１つの例示のエッチング技術は、塩素ベースの、化学的に促進されるイオン・ビーム・エッチング（Ｃｌ−ｂａｓｅｄ ＣＡＩＢＥ：ｃｈｌｏｒｉｎｅ−ｂａｓｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｅｔｃｈｉｎｇ）などのドライ・エッチング技術である。しかし、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）など、他のエッチング技術を使用することができる。

上記のように、画素側壁２３５の形成は、マルチレイヤ・フォトニック構造２１０の形成中に、複数の中間的なステージで実施される。図６Ｃは、画素側壁２３５内に埋め込まれたコンタクト・ビア２３６の垂直方向の横断面図である。図６Ｃに示すように、コンタクト・ビア２３６のそれぞれは、赤色レーザ・ダイオード構造２５０のｐコンタクトおよびｎコンタクトのために、それぞれセグメント２５４および２５６と、緑色レーザ・ダイオード構造２６０のｐコンタクトおよびｎコンタクトのために、それぞれセグメント２６４および２６６と、青色レーザ・ダイオード構造２７０のｐコンタクトおよびｎコンタクトのために、それぞれセグメント２７４および２７６との６つのセグメントを含み得る。

マルチレイヤ構造２４０−２４１−２５２−２５０が、上述のように形成された後、画素側壁２３５のための溝は、赤色レーザ・ダイオード・マルチレイヤ２５０の側からマルチレイヤ構造中に二重エッチングされ、その第１および第２のエッチング停止が金属層２５２の下と上である。次いで、エッチングされた溝は、ＳｉＯ₂などの絶縁用材料が補充され、次いで、再エッチングされ、そのエッチング停止が金属層２５２であり、コンタクト金属材料が補充されて、図６Ｃに示すように、コンタクト・ビア２５４のベース・セグメントが形成される。

コンタクト層２５３および絶縁層２５１が蒸着された後、画素側壁２３５のための溝は、蒸着された層中に二重エッチングされ、その第１および第２のエッチング停止が金属層２５３の上および下であり、絶縁用材料が補充され、再エッチングされ、そのエッチング停止が金属層２５３であり、コンタクト金属材料が補充されて、図６Ｃに示すように、コンタクト・ビア２５６のベースが形成され、コンタクト・ビア２５４が伸ばされる。

コンタクト層２６２が蒸着され、緑色レーザ・ダイオード構造２６０がマルチレイヤ構造と接合された後、画素側壁２３５のための溝は、緑色レーザ・ダイオード・マルチレイヤ２５０の側から形成されたマルチレイヤ構造中に二重エッチングされ、その第１および第２のエッチング停止が金属層２６２の上および下である。次いで、エッチングされた溝は、ＳｉＯ₂などの絶縁用材料が補充され、次いで、再エッチングされ、そのエッチング停止が金属層２６２であり、コンタクト金属材料が補充されて、図６Ｃに示すように、コンタクト・ビア２６４のベース・セグメントが形成され、コンタクト・ビア２５４および２５６が伸ばされる。

コンタクト層２６３および絶縁層２６１が蒸着された後、画素側壁２３５のための溝は、蒸着された層中に二重エッチングされ、その第１および第２のエッチング停止が金属層２６３の上および下であり、絶縁用材料が補充され、再エッチングされ、そのエッチング停止が金属層２６３であり、コンタクト金属材料が補充されて、図６Ｃに示すように、コンタクト・ビア２６６のベース・セグメントが形成され、コンタクト・ビア２５４、２５６および２６４が伸ばされる。

コンタクト層２７２が蒸着され、青色レーザ・ダイオード構造２７０がマルチレイヤ構造と接合された後、画素側壁２３５のための溝は、緑色レーザ・ダイオード・マルチレイヤ２５０の側から形成されたマルチレイヤ構造中に二重エッチングされ、その第１および第２のエッチング停止が金属層２７２の上および下である。次いで、エッチングされた溝は、ＳｉＯ₂などの絶縁用材料が補充され、次いで、再エッチングされ、そのエッチング停止が金属層２７２であり、コンタクト金属材料が補充されて、図６Ｃに示すように、コンタクト・ビア２７４のベース・セグメントが形成され、コンタクト・ビア２５４、２５６、２６４および２６６が伸ばされる。

コンタクト層２７３および絶縁層２７１が蒸着された後、画素側壁２３５のための溝は、蒸着された層中に二重エッチングされ、その第１および第２のエッチング停止が金属層２７３の上および下であり、絶縁用材料が補充され、再エッチングされ、そのエッチング停止が金属層２６３であり、コンタクト金属材料が補充されて、図６Ｃに示すように、コンタクト・ビア２７６のベース・セグメントが形成され、コンタクト・ビア２５４、２５６、２６４、２６６および２７４が伸ばされる。

画素側壁２３５が形成された後、金属層２８２が蒸着され、次いで、エッチングされて、コンタクト・ビア２５４、２５６、２６４、２６６、２７４および２７６によって確立された金属コンタクト間に分離溝を形成し得、次いで、エッチングされた溝は、ＳｉＯ₂などの絶縁用材料が補充され、次いで、研磨されて、図７に示された画素コンタクト・パッド７００が生成される。画素コンタクト・パッド７００は、フォトニック半導体構造２１０とデジタル半導体構造２２０の間の接触界面を形成し得る。

上述のように、画素側壁２３５が形成された後、フォトニック半導体構造２１０は、形成された側壁２３５によって、電気的に光学的に分離された四角形領域に区分化され、それによってフォトニック半導体構造の個々の画素２３０が画定され得る。次いで、画素２３０のそれぞれの形成されたフォトニック半導体構造は、レーザ・ダイオード半導体構造２５０、２６０および２７０の部分を含むことになり得、２３１、２３２および２３３としてそれぞれ表されることになる。

画素側壁２３５は、量子フォトニック映像装置２００の多色画素２３０を電気的に光学的に分離することに加えて、ＳｉＯ₂などの誘電性材料を含むので、その内部に埋め込まれ図６Ｃに示された金属ビア２３６とともに、光学的な障壁も形成し得、その障壁は、それぞれの多色画素２３０を構成するレーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０の光閉じ込め領域の部分のそれぞれの垂直縁部を光学的に密閉し得る。言い換えると、レーザ・ダイオード構造２５０、２６０および２７０の間にある絶縁層および金属コンタクト層は、画素側壁２３５内の絶縁およびコンタクト・ビアとともに、垂直に積み重ねられた多色レーザ・ダイオード共振器のアレイを形成し得、それは、水平方向で、ならびに垂直方向で光学的に電気的に互いに分離される。そのような電気的な光学的な分離によって、画素２３０間のどのような起こり得る電気的または光学的なクロストークも最小にされ、アレイ内のそれぞれの画素、ならびにそれぞれの画素内のそれぞれのダイオードが、別々にアドレス可能にされ得る。画素２３０のそれぞれから出力されるレーザ光は、垂直導波路２９０のアレイを通して垂直方向に放射され得、その垂直導波路２９０は、画素２３０のそれぞれを形成する、垂直に積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれの光閉じ込め領域に光学的に結合される。

図８Ａおよび８Ｂに、本発明による量子フォトニック映像装置２００の画素２３０中の１つの垂直導波路アレイを構成する、垂直導波路２９０の１つの垂直方向および水平方向の横断面をそれぞれ示す。図８Ａおよび８Ｂに示すように、垂直導波路２９０のそれぞれは、画素２３０を構成する３つの垂直に積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域と、その垂直高さに沿って光学的に結合され得る。図８Ａおよび８Ｂに示すように、垂直導波路２９０のそれぞれは、導波路コア２９１を含むことになり得、それは、マルチレイヤ・クラッド２９２内に囲まれることになり得る。画素の導波路２９０のアレイは、通常、フォトニック・マルチレイヤ構造２１０のＳｉ基板側を貫通してエッチングされ得、次いで、それらの内部は、マルチレイヤ・クラッド２９２で被覆され得、次いで、導波路は、誘電性材料が補充されて垂直導波路コア２９１が形成され得る。垂直導波路２９０をエッチングするために、いずれもの適切な半導体エッチング技術を使用することができるが、１つの例示のエッチング技術は、塩素ベースの、化学的に促進されるイオン・ビーム・エッチング（Ｃｌ−ｂａｓｅｄ ＣＡＩＢＥ）などのドライ・エッチング技術である。しかし、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）など、他のエッチング技術を使用することができる。垂直導波路２９０のコア２９１およびマルチレイヤ・クラッド２９２を形成するために、いずれもの適切な半導体被覆技術を使用することができるが、１つの例示の層蒸着技術は、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥ−ＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。垂直導波路２９０のためにエッチングされた溝は、レーザ・ダイオード・スタック中の個々のレーザ・ダイオードの波長の増加に従って、図８Ａに示すように、わずかに傾斜した辺を有することになることが好ましい。

図８Ａおよび８Ｂに示すように、垂直導波路２９０のそれぞれは、通常、円形横断面を有し得、その垂直高さは、Ｓｉ基板２４０の厚さに、画素２３０を構成する３つの垂直に積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のすべてを含めた厚さを加えたものまで伸び得る。画素の垂直導波路２９０の直径（屈折導波直径（ｉｎｄｅｘ ｇｕｉｄｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ））は、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれとの結合領域の中心部で、個々のレーザ・ダイオードの波長に等しくなり得ることが好ましい。

垂直導波路の第１の実施形態
本発明による量子フォトニック映像装置２００の一実施形態では、画素の垂直導波路２９０のコア２９１は、単一画素２３０を形成する積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域に「エバネセンス場結合（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｃｅ ｆｉｅｌｄ ｃｏｕｐｌｅｄ）」され得る。この実施形態では、垂直導波路クラッド２９２は、厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍである、ＳｉＯ₂などの絶縁用材料からなる外側層２９３と、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）または金（Ａｕ）など、高度に反射性の金属からなる内側層２９４とを含み得る。垂直導波路２９０のコア２９１は、空気で満たす、またはＳｉＯ₂、シリコン窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄）または五酸化タンタル（ＴａＯ₅）などの誘電性材料で満たすことができる。この実施形態のエバネセンス場結合によって、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれの光閉じ込め領域内に閉じ込められたレーザ光の一部分は、垂直導波路２９０の誘電性コア２９１中に結合され得、そこでは、その光は、導波路クラッド２９２の高度に反射性の金属製の内側クラッド層２９４上での反射によって、垂直方向に導波され得る。

本発明による量子フォトニック映像装置２００のこの実施形態では、画素２３０のそれぞれを構成する積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域と、その構成要素である垂直導波路２９０との間の結合は、金属製の内側クラッド層２９４を横切る電子トンネリングによって、生じ得る。導波路クラッド２９２の反射性の金属製の内側クラッド層２９４の厚さが、導波路クラッド２９２の反射性の金属製の内側クラッド層２９４中へのエバネセンス場の侵入深さより十分小さくなるように選択されたとき、そのような電子トンネリングが生じ得る。言い換えると、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域内に閉じ込められた光に付随するエネルギーは、そのエネルギーが積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域中に戻る前の短い距離だけ、金属製の内側クラッド層２９４中に伝達され得、そして、反射性の金属製層２９４の厚さが十分小さいとき、このエネルギーの一部分が、垂直導波路コア２９１中に結合され得て、導波路クラッド２９２の高度に反射性の金属製の内側クラッド層２９４上での反射によって、垂直方向に導波され、量子フォトニック映像装置２００の表面に対して垂直方向に放射され得る。

積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域から反射性の金属製層２９４中に伝わるエバネセンス場は、指数関数的に減衰し得、次で与えられる平均侵入深さ「ｄ」を有することになり得る。

ただし、λは、結合される光の波長、ｎ₀およびｎ₁は、外側クラッド層２９３および内側クラッド層２９４のそれぞれの屈折率、そしてθ_iは、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域から内側クラッド層２９４上への光の入射角である。

式（１）によって示されるように、所与のｎ₀、ｎ₁およびθ_iに対して、エバネセンス場の侵入深さは、光波長λが増加するにつれて減少する。レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３によって発生される３つの異なる波長を効率的に結合させ得る内側クラッド層２９４に関し１つの厚さ値を使用するために、内側クラッド層２９４の厚さは、式（１）を使用して選択されることになり得、そしてλの値は、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３によって発生される、もっとも短い波長に関連付けられる波長であり、上述の実施形態の場合では、青色レーザ・ダイオード２３３に関連付けられる波長である。内側クラッド層２９４の厚さがこの基準に基づき選択されたとき、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３によって発生される光は、垂直導波路２９０中に結合され得、その結合される光は、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域と、垂直導波路２９０との間の界面によって反射される光の強度の０．４９２、０．４１６および０．３６８のそれぞれになり得る。内側クラッド層２９４の厚さが増加されたとき、垂直導波路２９０中へ結合される光量は、比例的に減少することになる。レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域へ向かう内側クラッド層２９４の反射率および垂直導波路コア２９１に向かうそれは、それぞれ次に与えられ得る。

ただし、ｎ₂は、垂直導波路コア２９１の屈折率であり、ｋ₁は、内側クラッド層２９４の吸収係数である。

ＳｉＯ₂が外側クラッド層２９３として使用され、Ｓｉ₃Ｎ₄が垂直導波路コア２９１の材料として使用される、本発明のエバネセンス場結合される垂直導波路２９０の上記の例示の実施形態では、５０ｎｍ厚さである、銀（Ａｇ）の内側クラッド２９４が、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域と、垂直導波路２９０との間の界面上に入射するレーザ光の約３６％を結合し、さらに垂直導波路２９０の内部内で約６２％の反射率を実現し得る。垂直導波路２９０中に結合されない光の部分が、内側クラッド２９４によって吸収され得る（約０．０２５）、あるいはレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域中に戻されて、そこでレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のアクティブ領域によって増幅され、次いで垂直導波路２９０中に再び結合され得て、再利用され得ることに留意すべきである。

垂直導波路の第２の実施形態
本発明の量子フォトニック映像装置２００の他の実施形態では、画素の垂直導波路２９０のコア２９１は、異方性マルチレイヤ薄膜クラッドを使用することによって、単一画素２３０を形成する積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域に結合され得る。この文脈で「異方性」が意味するものは、反射率／透過率特性が、垂直導波路２９０と積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域の間の界面の両側で非対称であり得るということである。もっとも簡単にこの実施形態を実現するには、導波路コア２９１およびレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域の屈折率値の間にある屈折率値を有し、かつ積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域の屈折率に少なくとも等しい屈折率を好ましくは有する誘電性材料で好ましくは充填された導波路コア２９１を有する、単一薄膜クラッド層２９３を使用することであり得る。

薄膜誘電性マルチレイヤ被覆の反射率および透過率の特性は、参考文献［３９］に詳細に記載されている。入射角が直角のとき、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域とクラッド層２９３の間の界面における反射率は、次のように与えられ得る。

ただし、ｎ₀、ｎ₁およびｎ₂は、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域、クラッド層２９３および導波路コア２９１のそれぞれの屈折率である。

レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域とクラッド層２９３の間の界面における入射角が増加するにつれて、反射率は、臨界角に達して、すべての光が全反射されるまで、増加する。臨界角は、界面全体にわたる屈折率の比によって決まるので、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域とクラッド層２９３の間の界面の臨界角が、導波路コア２９１とクラッド層２９３の間の臨界角より大きくなるように、この比が選択されたとき、光の一部分は、導波路コア２９１中に結合され得、画素の垂直導波路２９０による全内部反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって、屈折導波（ｉｎｄｅｘ ｇｕｉｄｅｄ）され、量子フォトニック映像装置２００の表面に対して垂直方向に放射され得る。

マルチレイヤ薄膜クラッドを使用することによって垂直導波路２９０を結合し、約１００ｎｍ厚さのＳｉＯ₂がクラッド層２９３として使用され、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）が導波路コア２９１材料として使用される、上記の例示の実施形態では、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域と垂直導波路２９０の間の界面上に入射するレーザ光の約８．２６％が、導波路コア２９１中に結合され、画素の垂直導波路２９０による全内部反射を介して屈折導波され、それによって量子フォトニック映像装置２００の表面に対して垂直方向に放射され得る。

前の実施形態によるエバネセンス場結合に比較して、マルチレイヤ薄膜クラッドを使用する垂直導波路２９０の結合によって、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域から導波路コア２９１中に、光がより少ない量で結合され得るが、結合された光は、垂直導波路２９０の長さを進むとき、なんら損失を被らないことになり得る。というのは、光は、全内部反射で導波され、したがって光が、ほぼ同じ量で、垂直導波路２９０を通して、量子フォトニック映像装置２００の表面に対して垂直方向に出力され得るからである。内側クラッド２９３によって垂直導波路２９０中に結合されない光の部分（この例の場合、９１．７４％になり得る）が、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域中に戻されて、そこでレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のアクティブ領域によって増幅され、次いで垂直導波路２９０中に再び結合され得て、再利用され得ることに留意すべきである。

マルチレイヤ薄膜クラッドを使用する垂直導波路２９０の結合の上記の例示の実施形態では、単一層だけが例示されたが、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域中に戻されて再利用される光の強度に対する垂直導波路２９０中に結合される光の強度の比を変更するために、マルチプル薄膜クラッド層を使用することができる。たとえば、ＴｉＯ₂の導波路コア２９１とともに、外側クラッドが１５０ｎｍ厚さのＳｉ₃Ｎ₄であり、内側クラッドが１００ｎｍ厚さのＳｉＯ₂である、２つの薄膜クラッド層が使用されるとき、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域と垂直導波路２９０の間の界面上に入射するレーザ光の約７．９％が、導波路コア２９１中に結合され、画素の垂直導波路２９０による全内部反射で導波されて、量子フォトニック映像装置２００の表面に対して垂直方向に放射され得る。使用される薄膜クラッド層の数、それらの屈折率および厚さの選択は、画素の垂直導波路２９０の結合特性を微調整し、その後、量子フォトニック映像装置２００の全体性能特性を微調整するために利用することができる設計パラメータである。

垂直導波路２９０の第３の実施形態
本発明の量子フォトニック映像装置２００の他の実施形態では、画素の垂直導波路２９０のコア２９１が、単一画素２３０を形成する積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域に、非線形オプティカル（ＮＬＯ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ）クラッドを使用して結合され得る。この実施形態の主な利点は、本発明の量子フォトニック映像装置２００が、モード・ロック・レーザ・放射型デバイスとして動作することが可能になり得るということである（モード・ロックによって、レーザ・デバイスが、光の超短パルスを放射することが可能になる）。この実施形態によって可能になった、量子フォトニック映像装置２００のモード・ロック動作の結果、量子フォトニック映像装置２００は、電力消費効率が向上され、より高いピーク対平均放射光強度が達成され得る。この実施形態のモード・ロック動作は、前の実施形態の垂直導波路結合方法と併せて、画素の垂直導波路２９０のクラッド２９２内に組み込まれ得る。

この実施形態は、図８Ｂに示すように、ここでは以降ゲート・クラッド層と呼ぶことになる薄膜外側クラッド層２９５を、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域と外側クラッド層２９３の間に加えることによって実現され得る。ゲート・クラッド層２９５は、単結晶ポリＰＳＴポリジアセチレン（ＰＳＴ−ＰＤＡ）またはポリジチエノチオフェン（ＰＤＴＴ）などのＮＬＯ材料の薄膜層とし得る。そのようなＮＬＯ材料の屈折率ｎは、一定でなく、入射光と無関係であるが、正しくは、その屈折率は、入射光の強度Ｉの増加とともに変化する。そのようなＮＬＯ材料に関し、屈折率ｎは、入射光強度に対する以下の関係に従う。
ｎ＝ｎ₀＋χ⁽³⁾Ｉ （４）

式（４）では、χ⁽³⁾は、ＮＬＯ材料の３次非線形感受性であり、ｎ₀は、ＮＬＯ材料が入射光強度Ｉの値が低い場合に対して示す線形屈折率値である。この実施形態では、ゲート・クラッド層２９５を構成するＮＬＯ材料の線形屈折率ｎ₀および厚さは、低い入射光強度Ｉにおいて、積み重ねられたレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域からマルチレイヤ・クラッド２９２上に入射した光の実質的にすべてが、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域中に反射して戻され、そこでレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のアクティブ領域によって増幅され得て、再利用され得るように、選択される。

レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域内の光強度が、集積された光束によって高められるにつれて、ゲート・クラッド層２９５の屈折率ｎは、式（４）に従って変化し、垂直導波路２９０中に結合される光の強度に対する、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域に戻されて再利用される光の強度の比を減少させ、それによってレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域内に集積された光束の一部分を垂直導波路２９０中に結合させて、量子フォトニック映像装置２００の表面に対して垂直方向に放射させ得る。

光が導波路２９０中に結合されたとき、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域内に集積された光束は減少し、ゲート・クラッド層２９５上に入射する光の強度Ｉを低下させ、そのため、次いで、屈折率ｎが式（４）に従って変化し、垂直導波路２９０中に結合される光の強度に対する、レーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域に戻されて再利用される光の強度の比が増加し、それによってレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域内の光束の集積化サイクルを繰り返させる。

実際、この実施形態のＮＬＯを組み込んだマルチレイヤ・クラッドの使用によって、画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の光閉じ込め領域が、フォトニック・コンデンサとして動作し得、それによって、集積された光束が垂直導波路２９０中に結合され、量子フォトニック映像装置２００の画素２３０の表面で放射される期間の間、画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３によって発生された光束を周期的に集積させ得る。

ＮＬＯゲート・クラッド層２９５が、垂直導波路２９０のマルチレイヤ薄膜クラッドおよび前の実施形態の結合例とともに、使用されたとき、結合性能は、垂直導波路２９０中に結合され、画素２３０の表面で放射される光が、パルス・トレインとして生じ得ることを除き、同程度になり得る。厚さが約１００ｎｍである、ＰＴＳ−ＰＤＡのＮＬＯゲート・クラッド層２９５が、約１００ｎｍ厚さのＳｉＯ₂内側クラッド２９３とともに使用され、かつ二酸化チタン（ＴｉＯ₂）が導波路コア２９１材料として使用されたとき、画素２３０の表面から放射される光パルスは、通常、持続期間が約２０ピコ秒〜３０ピコ秒の範囲内であり得、パルス間の期間が約５０ピコ秒〜１００ピコ秒の範囲内である。ＮＬＯゲート・クラッド層２９５とともに使用される薄膜クラッド層の数、それらの屈折率および厚さの選択は、画素の垂直導波路２９０の結合特性、ならびに画素２３０から放射される多色レーザ光のパルス特性を微調整し、その後、量子フォトニック映像装置２００の全体性能特性を微調整するために利用することができる設計パラメータである。

垂直導波路２９０の第４の実施形態
垂直導波路２９０の第４の実施形態は、図２Ｄに見ることができる。この実施形態では、導波路は、それぞれのレーザ・ダイオードの光閉じ込め領域の端部で終わる、したがってスタックの上部に配置されたレーザ・ダイオードで終わる導波路は、そのレーザ・ダイオードだけからの光を結合し得、スタック中の上部レーザ・ダイオードから２番目のレーザ・ダイオードで終わる導波路は、１番目および２番目のレーザ・ダイオードからの光を結合し得、スタックの上部から３番目のレーザ・ダイオードで終わる導波路は、スタック中の１番目、２番目および３番目のレーザ・ダイオードからの光を結合し得る。これらの導波路が、先細りでなく、真っすぐであり得ることが好ましい。これらの導波路は、また、空気で満たす、またはＳｉＯ₂など適切な誘電体を充填することができる。これらの異なる高さの導波路を使用すると、スタック中の１番目のレーザ・ダイオードから結合される光量は、スタック中の２番目のレーザ・ダイオードから結合される光量より大きくなり得、スタック中の２番目のレーザ・ダイオードから結合される光量は、スタック中の３番目のレーザ・ダイオードから結合される光量より大きくなり得る。満足できる色域は、赤色より緑色を多く、青色より赤色を多く含み得るので、緑色ダイオードをスタックの上部に、赤色ダイオードをその中間部に、そして青色ダイオードをその底部に置くことができる。

画素導波路アレイ
前の説明で述べたように、量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０のそれぞれは、複数の垂直導波路２９０を含み得、それを通して、画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３によって発生されたレーザ光が、量子フォトニック映像装置２００の表面に対して垂直な方向に放射され得る。画素の複数の垂直導波路２９０は、エミッタのアレイを形成し得、それを通して、画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３によって発生された光が放射され得る。前の最初の３つの実施形態による垂直導波路２９０の光結合方法を考慮すると、画素の垂直導波路２９０のそれぞれから放射される光は、その半値強度における角度幅が約±２０°のガウス断面を有し得る。量子フォトニック映像装置２００の好ましい実施形態では、画素の複数の垂直導波路２９０は、画素２３０の表面から放射される光の最大発散角（視準角）を減少させ、画素の領域全体にわたって明るさを一様にし、かつ画素の明るさを最大にするように選択された数量およびパターンで、配列され得る。

位相エミッタ・アレイのよく知られた理論（参照、参考文献［４１］）を使用した場合、画素のＮ個の垂直導波路２９０を含む子午面内で画素２３０によって放射される光の角度強度は、次で与えられ得る。
Ｉ（θ）＝Ｅ（θ）｛Ｊ₁［ａＸ（θ）］ＩａＸ（θ）｝²｛Ｓｉｎ［ＮｄＸ（θ）］ＩＳｉｎ［ｄＸ（θ）］² （５．ａ）
ただし、
Ｘ（θ）＝（πＳｉｎθ）Ｉλ （５．ｂ）

Ｊ₁（．）は、ベッセル関数であり、λは、画素の垂直導波路２９０によって放射される光の波長であり、ａは、垂直導波路２９０の直径であり、ｄは、画素の垂直導波路２９０の中心間の距離であり、Ｅ（θ）は、それぞれの画素の垂直導波路２９０から放射される光の強度プロファイルであり、それは、上述されたように、通常、その半値強度における角度幅が約±２０°のガウス・プロファイルであり得る。パラメータａ、すなわちレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれとの結合領域の中心部における画素の垂直導波路２９０の直径（屈折導波直径）は、個々のレーザ・ダイオードの波長に等しくなり得る。パラメータｄ、すなわち画素の垂直導波路２９０の中心間の距離の通常の値は、少なくとも１．２ａであり得、その具体的な値は、画素２３０の放射特性を微調整するために、選択され得る。

図９Ａに、１０×１０ミクロンの画素２３０によって放射される光の角度強度を示す、ただし、画素は、直径ａが上記のように指定されており、中心間の距離がｄ＝２ａであり、画素２３０によって放射される波長値の倍数値である画素の対角を含む子午面内にある９×９個の一様に隔置された垂直導波路２９０のアレイを含むものとする。具体的には、図９Ａでは、プロファイル９１０、９２０および９３０が、赤色波長（６１５ｎｍ）、緑色波長（５２０ｎｍ）および青色波長（４６０ｎｍ）において、画素２３０によって放射される光の角度強度を示す。図９Ａに示すように、画素２３０に、その後で量子フォトニック映像装置２００によって放射される多色レーザ光は、視準角が十分±５°内にある、厳格に平行化された放射パターンを有し、それによって、量子フォトニック映像装置２００は、約４．８の光学的ｆ／＃を有するようになり得る。

画素２３０の表面内の垂直導波路２９０のパターンは、量子フォトニック映像装置２００に関する光学的ｆ／＃の観点から必要な放射特性を達成するように、合わせることができる。垂直導波路２９０のパターンを生成する上での重要な設計基準は、垂直導波路２９０のアレイがエッチングされた後、画素の光を発生するレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のために十分な領域を保持しながら、必要な光学的ｆ／＃において一様な放射線を発生させることである。図９Ｂに、本発明の量子フォトニック映像装置２００に関して使用することができる、画素２３０の表面内の垂直導波路２９０のいくつかの可能なパターンを示す。本発明の教えに基づき、本発明の量子フォトニック映像装置２００の意図された用途に最適な光放射の光学的ｆ／＃を生成し得る、画素２３０の表面内の垂直導波路２９０のパターンをどのように選択するのかは、当業者には知られているはずである。

デジタル構造
図１０Ａに、量子フォトニック映像装置２００のデジタル半導体構造２２０の垂直方向の横断面を示す。デジタル半導体構造２２０は、従来のＣＭＯＳデジタル半導体技術を用いて製造され得、図１０Ａに示すように、ＳｉＯ₂などの絶縁用半導体材料の薄膜層によって分離された複数の金属層２２２、２２３、２２４および２２５と、従来のＣＭＯＳデジタル半導体技術を使用して、Ｓｉ基板２２７上に蒸着されたデジタル制御ロジック２２６とを含み得る。

図１０Ｂに示すように、金属層２２２は、画素のコンタクト・パッドの複数のパターンを組み込み得、それゆえ、コンタクト・パッドのそれぞれのパターンは、図７に示されたフォトニック半導体構造２１０の画素コンタクト・パッドのパターンのそれに実質的に同一であり得る。金属層２２２の画素コンタクト・パッドの複数のパターンは、上述のように、フォトニック半導体構造２１０とデジタル半導体構造２２０の間に接合用界面を構成し得る。図２Ｃに示すように、金属層２２２は、また、その周辺部において、量子フォトニック映像装置２００全体のデバイス・コンタクト接合用パッド２２１を組み込み得る。

図１０Ｃに、金属層２２３のレイアウトを示し、その金属層２２３は、画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３それぞれにパワーおよびグラウンドを配電するように指定された別々のパワーおよびグラウンドの金属レール３１０、３１５および３２０と、デジタル半導体構造２２０のデジタル・ロジック部分にパワーおよびグラウンドの経路を定めるように指定された金属レール３２５とを組み込んでいる。図１０Ｄに、金属層２２４のレイアウトを示し、その金属層２２４は、画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３それぞれのオン・オフ状態を制御するように指定されたデジタル制御ロジック半導体構造２２６のセクションに、データ４１０、アップデート４１５、およびクリア４２０の信号を配給するように指定された別々の金属配線を組み込んでいる。図１０Ｅに、金属層２２５のレイアウトを示し、その金属層２２５は、画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３それぞれのオン・オフ状態を制御するように指定されたデジタル制御ロジック半導体構造２２６のセクションに、ロード５１０およびイネーブル５２０の信号を配給するように指定された別々の金属配線を組み込んでいる。

デジタル制御ロジック半導体構造２２６は、図２Ｃに示すように、フォトニック半導体構造２１０（図２Ｂ）の下に直接配置された、画素のデジタル・ロジック・セクション２２８と、デジタル・ロジック領域２２８の周辺部に配置された制御ロジック領域２２９とを含み得る。図１１Ａに、デジタル制御ロジック半導体構造２２６の制御ロジック領域２２９の例示の実施形態を示し、それは、量子フォトニック映像装置２００の外部で生成された、赤色、緑色および青色のＰＷＭシリアル・ビット・ストリーム入力のデータおよびクロックの信号４２５、４２６および４２７をそれぞれ受信し、それに加えて制御クロック信号４２８および４２９をそれぞれ受信し、かつ受信したデータおよびクロックの信号を制御およびデータの信号４１０、４１５、４２０、５１０および５２０に変換するように設計されており、制御およびデータの信号４１０、４１５、４２０、５１０および５２０は、相互接続金属層２２４および２２５を介してデジタル・ロジック・セクション２２８に送られる。

デジタル制御ロジック半導体構造２２６のデジタル・ロジック・セクション２２８は、画素ロジック・セル３００の２次元アレイを含み得、それによって、それぞれそのロジック・セルは、量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０の１つの下に直接配置され得る。図１１Ｂに、デジタル制御ロジック半導体構造２２６のデジタル・ロジック・セクション２２８を構成する画素ロジック・セル３００の例示の実施形態を示す。図１１Ｂに示すように、量子フォトニック映像装置２００を構成する画素のそれぞれに付随する画素ロジック・セル３００は、赤色、緑色および青色の画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれに対応するデジタル・ロジック回路８１０、８１５および８２０を含み得る。図１１Ｂに示すように、デジタル・ロジック回路８１０、８１５および８２０は、制御およびデータの信号４１０、４１５、４２０、５１０および５２０を受信し得、受信したデータおよび制御の信号に基づき、パワーおよびグラウンドの信号３１０、３１５および３２０の、赤色、緑色および青色の画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３への接続性をそれぞれイネーブルにし得る。

デジタル半導体構造２２０は、モノリシックＣＭＯＳウェハとして製造され得、それは、非常に多数のデジタル半導体構造２２０（図２Ａ）を組み込み得る。上述したように、デジタル半導体構造２２０は、ウェハ・レベルの直接接合技術などを使用してフォトニック半導体構造２２０に接合し得て、集積マルチ・ウェハ構造を形成し、それは、次いで、デバイス・コンタクト接合用パッド２２１を露出させるために、それぞれの単一量子フォトニック映像装置２００のダイ領域の周辺部をエッチングされ得、次いで、図２Ａおよび２Ｃに示す個々の量子フォトニック映像装置２００に切断され得る。あるいは、デジタル半導体２１０のウェハは、ダイに切断され得、それとは別に、フォトニック半導体構造２１０のウェハは、また、ダイに切断され得、それぞれが、必要な数の画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３を収容する領域を有しており、次いで、フォトニック半導体構造２１０のダイのそれぞれが、フリップチップ技術などを使用して、デジタル半導体２１０のダイにダイ・レベルで接合されて、図２Ａおよび２Ｃに示す単一量子フォトニック映像装置２００を形成し得る。

ＱＰＩ製作フロー
図１２は、前の段落で述べた例示の実施形態によって量子フォトニック映像装置２００を製作するために使用し得る半導体プロセス・フローを示すフロー・チャートである。図１２に示すように、このプロセスは、ステップＳ０２から始まり、ステップＳ３０まで続き、その間に、様々なウェハが接合され、絶縁層および金属層が蒸着され、相互接続ビア、側壁および垂直導波路が形成される。レーザ・ダイオード・マルチレイヤ半導体構造２５０、２６０および２７０、ならびにデジタル半導体構造２２０の半導体製作フローは、図１２に示す製作フローとは別に無関係に実施され得る、つまり、このフローは、これらのウェハを接合し、画素構造２３０および相互接続部を形成する半導体プロセス・フローの例示の実施形態を示すように意図されていることに留意すべきである。

ステップＳ０２では、ＳｉＯ₂絶縁層２４１が、ベースＳｉ基板２４０のウェハ上に蒸着され得る。ステップＳ０４では、ｐコンタクト金属層が蒸着され得、ステップＳ０６では、形成されたスタックが、レーザ・ダイオード・マルチレイヤ半導体ウェハに接合され得、レーザ・ダイオード・ウェハが、エッチング停止層までエッチングされる。ステップＳ０８では、画素側壁の溝が、まずはステップＳ０４で蒸着された金属層のすぐ前の絶縁層まで、次いでステップＳ０４で蒸着された金属層まで二重エッチングされ、次いで、エッチングされた溝は、ＳｉＯ₂が補充される。ステップＳ１０では、画素の垂直コンタクト・ビアのための溝が、ステップＳ０４で蒸着された金属層までエッチングされ、次いで、薄膜絶縁層が、蒸着され、エッチングされて蒸着されたビアを露出させる。ステップＳ１２では、ｎコンタクト金属層が蒸着され、次いで、画素の側壁の溝の高さまで伸びるようにエッチングされ得る。ステップＳ１４では、ＳｉＯ₂絶縁層が蒸着され、次いで、ステップＳ０４からステップＳ１４までのプロセス・フローが、量子フォトニック映像装置２００中に組み込まれ得るレーザ・ダイオード・マルチレイヤ半導体ウェハのそれぞれについて、繰り返される。

ステップＳ１６では、接合用コンタクト・パッド７００を形成するために必要な金属層が蒸着され、次いで、図７に示すコンタクト・パッド・パターンを形成するためにエッチングされる。ステップＳ２０では、垂直導波路２９０が、形成されたマルチレイヤ構造のＳｉ基板側を貫通してエッチングされて、図９Ｂに示す画素２３０の導波路パターンのようなパターンが形成される。ステップＳ２２では、導波路クラッド層２９２が蒸着され、次いで、ステップＳ２４では、導波路空洞が導波路コア２９１材料で補充される。ステップＳ２６では、形成されたマルチレイヤ・レーザ・ダイオード構造のＳｉ基板側が、光学的品質まで研磨され、必要なら被覆されて、量子フォトニック映像装置２００の放射表面が形成される。ステップＳ０２からステップＳ２８までによって、ウェハ・サイズのフォトニック半導体構造２１０が得られることになり得、それは、ステップＳ２８で、デジタル半導体構造２２０のウェハにウェハ・レベルでパッド側において接合され得る。

ステップＳ３０では、得られたマルチ・ウェハ・スタックがエッチングされて、量子フォトニック映像装置２００の個々のダイのコンタクト・パッド２２１を露出させ、マルチ・ウェハ・スタックは、量子フォトニック映像装置２００の個々のダイに切断される。

ステップＳ３０のプロセスの代替のアプローチは、プロセス・ステップＳ０２からＳ２６までによって形成されたフォトニック半導体構造２１０を、量子フォトニック映像装置２００に必要なダイ・サイズに切断し、それとは別に、デジタル半導体構造２２０のウェハをダイに切断し、次いで、フリップチップ技術を使用して、この２つのダイをパッド側で接合して、量子フォトニック映像装置２００の個々のダイを形成することであり得る。

ＱＰＩプロジェクタ
量子フォトニック映像装置２００は、通常、正面投影または背面投影のディスプレイ・システムに使用されるデジタル映像プロジェクタ中でデジタル映像ソースとして使用され得る。図１３に、本発明の量子フォトニック映像装置２００をデジタル映像ソースとして組み込んだ、通常のデジタル映像プロジェクタ８００の例示の実施形態を示す。量子フォトニック映像装置２００は、随伴デジタル・デバイス８５０（それは、映像データ・プロセッサとして呼び、後の段落で機能的に述べる）とともに、プリント回路基板上に集積化され得、その随伴デジタル・デバイスは、デジタル映像入力を、量子フォトニック映像装置２００へのＰＷＭフォーマット入力に変換するために、使用され得る。図１３に示すように、量子フォトニック映像装置２００の放射型光学的開口は、量子フォトニック映像装置２００によって生成された映像を必要な投影映像サイズに拡大し得る投影光学レンズ群８１０に結合され得る。

上述したように、量子フォトニック映像装置２００から放射された光は、通常、約４．８の光学的ｆ／＃内に含まれ得、それによって、適度な複雑さのわずかの数のレンズ（通常２〜３枚のレンズ）を使用して、２０〜５０倍の範囲内でソース映像を拡大することが達成できる。光学的ｆ／＃が約２．４である、マイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳ映像装置デバイスなどの既存のデジタル映像装置を使用する、通常のデジタル・プロジェクタは、通常、ソース映像を同程度のレベルで拡大するために、８枚もの多くのレンズが必要であり得る。さらに、マイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳ映像装置デバイスなど、受動的な（反射型または透過型を意味する）デジタル映像装置を使用する通常のデジタル・プロジェクタは、映像装置を照明するために、複雑な光学アセンブリが必要になり得る。これと比べると、量子フォトニック映像装置２００が放射型映像装置であるので、その量子フォトニック映像装置２００を使用するデジタル映像プロジェクタ８００は、いずれもの複雑な光学照明アセンブリが必要となり得ない。拡大のために必要なレンズの数を減少させることに加えて、照明用オプティックスを無くすことができるので、量子フォトニック映像装置２００を使用するデジタル映像プロジェクタ８００は、マイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳ映像装置デバイスなど、既存のデジタル映像装置を使用するデジタル・プロジェクタより、実質的に簡単化され、実質的にコンパクトにされ、かつコストを低くし得る。

ＱＰＩデバイス効率
本発明の量子フォトニック映像装置２００の重要な態様は、その輝度（明るさ）性能およびその対応する電力消費である。図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃに規定された、前の例示の実施形態よるレーザ・ダイオード構造２３１、２３２および２３３を有する単一の１０×１０ミクロンの画素２３０は、色温度８，０００°Ｋで１ミリ・ルーメンの光束に等しい、約０．６８マイクロＷ、１．１マイクロＷおよび１．６８マイクロＷの赤色（６１５ｎｍ）、緑色（５２０ｎｍ）および青色（６１５ｎｍ）の放射束をそれぞれ発生するために、約４．５マイクロＷ、７．４マイクロＷおよび１１．２マイクロＷをそれぞれ消費し得る。言い換えると、量子フォトニック映像装置２００の単一の１０×１０ミクロンの画素２３０は、色温度８，０００°Ｋで約１ミリ・ルーメンの光束を発生するために、約２３マイクロＷを消費し得、それは、画素が０．５×０．５ミリメートルまで拡大されたとき、１，２００カンデラ／ｍ²より明るい明るさをもたらすのに十分であり得る。通常３５０カンデラ／ｍ²〜５００カンデラ／ｍ²の範囲である、ほとんどの既存の大量生産されるディスプレイによってもたらされる明るさでは、量子フォトニック映像装置２００の単一１０×１０ミクロン画素２３０は、そのサイズが０．５×０．５ミリメートルまで拡大されたとき、消費電力が１０マイクロＷより小さくなり得、それは、ＰＤＰ、ＬＣＤ、またはマイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳデバイスを使用する投影ディスプレイなど、既存の大量生産されるディスプレイが必要とする電力消費より、ほぼ１．５倍の大きさのオーダーで、小さい。

マイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳ映像装置デバイスなどの既存のデジタル映像装置を使用するプロジェクタすべてにおいて必要な照明オプティックスおよび映像装置の光学的結合に伴う効率の悪さを解消した直接の結果として、本発明の量子フォトニック映像装置２００は、既存のデジタル映像装置に比較したとき、実質的により高い効率を達成し得る。具体的には、本発明の量子フォトニック映像装置２００を使用する図１３に示すデジタル・プロジェクタ８００に付随する損失は、投影光学レンズ群８１０による損失に限定され得、それは、概算で約４％であり得る。つまり、量子フォトニック映像装置２００を使用する図１３に示すデジタル・プロジェクタ８００の効率は、発生される光束に対する投影される光束の比の観点で、約９６％であり得、それは、マイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳ映像装置デバイスなどの既存のデジタル映像装置を使用するプロジェクタによって達成される、１０％より小さい効率より実質的に高い。

たとえば、１００万画素を有する本発明の量子フォトニック映像装置２００を使用する図１３に示すデジタル・プロジェクタ８００は、色温度８，０００°Ｋにおいて、約１．０８１ルーメンの光束を発生するために、約２５．４ワットを消費し得、それは、対角が６０インチの映像を、約１，０００カンデラ／ｍ²の明るさで正面投影スクリーン上に投影するのに十分であり得る。通常の投影スクリーンの効率を考慮したとき、デジタル・プロジェクタ８００の前述の例は、約５６０カンデラ／ｍ²の明るさで映像を背面投影スクリーン上に投影し得る。比較する目的で、３５０カンデラ／ｍ²の範囲内の明るさを達成する、通常の既存の背面投影ディスプレイの電力消費は、２５０ワットを超え得、それは、量子フォトニック映像装置２００を映像ソースとして使用するデジタル・プロジェクタ８００が、既存の正面投影および背面投影のディスプレイより大変高い投影映像の明るさを、しかも実質的により低い電力消費で達成でき得ることを示す。

ＱＰＩの利点および用途
量子フォトニック映像装置２００を使用するデジタル映像プロジェクタ８００のコンパクトであり、かつ低コストである特性のため、量子フォトニック映像装置２００の低電力消費と相まって、携帯電話、ラップトップＰＣまたは同等のモバイル機器などの移動プラットフォーム中に効率的に埋め込むことができるデジタル映像プロジェクタの設計および製作が可能になり得る。特に、６４０×４８０個の画素を有し、±２５°の投影視野を達成するように設計された、図１３に示すようなものなどの本発明の量子フォトニック映像装置２００を使用するデジタル・プロジェクタ８００は、約１５×１５ｍｍのボリュームを実現し得、明るさが約２００カンデラ／ｍ²で１８インチの投影映像対角を投影するのに、消費電力が１．７５ワットより低くなり得る（参考の目的で、ラップトップＰＣの通常の明るさは、約２００カンデラ／ｍ²である）。

本発明の量子フォトニック映像装置２００は、コンパクトで低電力消費であるために、ヘルメット・マウント・ディスプレイおよびバイザー・ディスプレイなど、目に近い用途にも適切であり得る。さらに、本発明の量子フォトニック映像装置２００は、超広域能力を有するので、シミュレータ用ディスプレイおよびゲーム用ディスプレイなど、リアルな映像演色が必要である用途にも適切である。

ＱＰＩ動作
量子フォトニック映像装置２００は、前の段落で述べた画素ベースのレーザ光発生能力によって、図１３に示すように、外部入力から受け取ったデジタル・ソース映像データを、プロジェクタ８００の投影オプティックスに結合し得る光学映像に変換することができる。本発明の量子フォトニック映像装置２００を使用してソース映像を合成する際、映像画素のそれぞれの輝度（明るさ）および彩度（色）の成分は、対応する画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン／オフ・デューティ・サイクルの配分をセットすることによって、同時に合成され得る。具体的には、ソース映像画素のそれぞれについて、画素の彩度成分は、対応する画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の、画素に対して必要な色座標を反映したオン／オフ・デューティ・サイクルの相対比率をセットすることによって、合成され得る。同様に、ソース映像画素のそれぞれについて、画素の輝度成分は、対応する画素の発光用の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の、画素に対して必要な明るさを反映した全体的なオン／オフ・デューティ・サイクル値のオン／オフ・デューティ・サイクルをセットすることによって、合成され得る。言い換えると、ソース映像画素のそれぞれの画素の輝度および彩度の成分は、量子フォトニック映像装置２００の対応する画素の発光用の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン／オフ・デューティ・サイクルおよび同時性を制御することによって、合成され得る。

前の段落で述べた量子フォトニック映像装置２００の例示の実施形態によって選択された波長、すなわち、画素の赤色レーザ・ダイオード２３１について６１５ｎｍ、画素の緑色レーザ・ダイオード２３２について５２０ｎｍ、および画素の青色レーザ・ダイオード２３３について４６０ｎｍである、画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン／オフ・デューティ・サイクルおよび同時性を制御することによって、本発明の量子フォトニック映像装置２００は、ＣＩＥ ＸＹＺ色空間に準拠した、図１４Ａに示すその本来の色域９０５内のいずれもの画素の色座標を合成することができ得る。具体的には、量子フォトニック映像装置２００の画素のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の例示の実施形態による上述の動作波長は、ＣＩＥ ＸＹＺ色空間に準拠した図１４Ａに示すその本来の色域９０５の頂点９０２、９０３および９０４をそれぞれ画定し得る。

ソース映像の具体的な色域は、通常、ＮＴＳＣおよびＨＤＴＶの規格などの映像色規格に基づき得る。比較の目的で、ＮＴＳＣ３０８およびＨＤＴＶ３０９のディスプレイの色域規格は、赤色について６１５ｎｍ、緑色について５２０ｎｍおよび青色について４６０ｎｍである原色波長によって定義された、量子フォトニック映像装置２００の例示の実施形態による本来の色域３０５が、ＮＴＳＣ３０８およびＨＤＴＶ３０９の色域規格を含み得、また、これらの色域規格の範囲をかなりの量で超え得ることを示すために、参考として図１４Ａに示す。

図１４Ａに示された量子フォトニック映像装置２００の拡大された本来の色域３０５を考慮すると、ソース映像データは、その基準色域（ＮＴＳＣ３０８およびＨＤＴＶ３０９の色域について図１４Ａに示されたようなものなど）から、量子フォトニック映像装置２００の本来の色域３０５にマッピング（変換）する必要があり得る。そのような色域変換は、ソース映像画素のそれぞれの［Ｒ、ＧおよびＢ］成分に、次の行列変換を適用することによって達成され得る。

ただし、３×３変換行列Ｍは、ソース映像色域の白色点および原色の座標、ならびに、たとえばＣＩＥ ＸＹＺ色空間などの所与の基準色空間内にある、量子フォトニック映像装置２００の白色点および原色９０２、９０３および９０４（図１４Ｂ）の座標の色度値から計算され得る。式（６）によって定義される行列変換の結果は、量子フォトニック映像装置２００の本来の色域３０５に対してソース画像画素の［Ｒ_QPI、Ｇ_QPI、Ｂ_QPI］成分を決定し得る。

図１４Ｂに、頂点９０２、９０３および９０４によって定義された、量子フォトニック映像装置２００の本来の色域３０５に対して、２つの例示の画素９０６および９０７のソース画像画素の［Ｒ_QPI、Ｇ_QPI、Ｂ_QPI］成分を定義する式（６）によって定義された行列変換の結果を示す。図１４Ｂに示すように、値［Ｒ_QPI、Ｇ_QPI、Ｂ_QPI］は、色域３０５全体に及ぶことができ、それによって、量子フォトニック映像装置２００が、ＮＴＳＣ３０８およびＨＤＴＶ３０９の色域（図１４Ａ）によってもたらされる色域より大変広い色域を有する、ソース映像の画素の［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値を合成することが可能になる。より広い色域規格、広色域デジタル映像およびビデオ入力コンテンツが利用できることになるので、本発明の量子フォトニック映像装置２００を使用するデジタル・プロジェクタ８００は、そのような広色域フォーマットでソース映像およびビデオ・コンテンツを投影する準備が整い得る。当座の間、量子フォトニック映像装置２００の広色域能力によって、デジタル・プロジェクタ８００は、上記の段落で述べた例示の値よりさらに小さい消費電力で、（ＮＴＳＣ３０８およびＨＤＴＶ３０９の色域など）既存の色域を有するデジタル映像およびビデオ入力を合成することが可能になり得る。

ソース映像中のすべての画素の［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値は、式（６）によって定義された変換を使用して、量子フォトニック映像装置２００の本来の色域３０５（色空間）にマッピング（変換）され得る。普遍性を失うことなく、ソース映像の白色点が［Ｒ、Ｇ、Ｂ］＝［１、１、１］であり、ソース映像中のすべての画素の［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値を白色点の［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値によって除算することを常に満たすことができるという条件を仮定すると、ソース映像画素のそれぞれについて式（６）によって定義された変換の結果は、値が、黒色に対する［０、０、０］から白色に対する［１、１、１］である、その範囲内のベクトル［Ｒ_QPI、Ｇ_QPI、Ｂ_QPI］になる。上記の表現による利点は、たとえばＣＩＥ ＸＹＺ色空間などの基準色空間内で、画素と、値［Ｒ_QPI、Ｇ_QPI、Ｂ_QPI］によって定められた量子フォトニック映像装置２００の本来の色域３０５の原色９０２、９０３および９０４との間の距離が、また、画素のそれぞれの赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３について、オン／オフ・デューティ・サイクル値を決定し得るということである。
λ_R＝Ｒ_QPI （７）
λ_G＝Ｇ_QPI
λ_B＝Ｂ_QPI
ただし、λ_R、λ_Gおよびλ_Bは、量子フォトニック映像装置２００の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の個々の画素２３０のオン／オフ・デューティ・サイクルをそれぞれ表示し、ソース映像を構成する画素のそれぞれの［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値を合成するために必要になる。

通常のソース映像データ入力は、静止画像または動画ビデオ映像にかかわらず、映像フレームを含み得、それは、たとえば６０Ｈｚまたは１２０Ｈｚのフレーム・レートで入力される。所与のソース映像フレーム・レートに対して、量子フォトニック映像装置２００の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の個々の画素２３０のオン・タイムが、ソース映像画素の［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値を合成するためにそれぞれ必要であり、値λ_R、λ_Gおよびλ_Bによって決定されたフレーム期間の分数になり得る。

フォトニック半導体構造２１０を構成する半導体材料の特性の見込まれる変動から生じることがあり得る、起こり得る画素間の明るさ変動を補償するために、上述したデバイス製作ステップの終了時に通常行われ得る、量子フォトニック映像装置２００の試験中に、デバイス輝度プロファイルが測定され得、明るさ一様性の重み付け係数がそれぞれの画素について計算され得る。明るさ一様性の重み付け係数は、ルックアップ・テーブル（ＬＵＴ：ｌｏｏｋ−ｕｐ−ｔａｂｌｅ）として格納され、量子フォトニック映像装置２００の随伴映像データ・プロセッサ８５０によって適用され得る。これらの明るさ一様性の重み付け係数を考慮したとき、量子フォトニック映像装置２００の画素２３０のそれぞれについて、オン・タイムは、次によって与えられ得る。
Λ_R＝Ｋ_Rλ_R （８）
Λ_G＝Ｋ_Gλ_G
Λ_B＝Ｋ_Bλ_B
ただし、Ｋ_R、Ｋ_GおよびＫ_Bは、量子フォトニック映像装置２００の画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれについての明るさ一様性の重み付け係数である。

量子フォトニック映像装置２００を構成する画素２３０のそれぞれの赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の、式（８）によって表されるオン・タイム値は、従来のパルス幅変調（ＰＷＭ）技術を使用してシリアル・ビット・ストリームに変換され、ソース映像のフレーム・レートで、画素のアドレス（量子フォトニック映像装置２００を構成する画素アレイ内の個々の画素の行および列アドレス）および適切な同期クロック信号とともに、量子フォトニック映像装置２００に入力され得る。

量子フォトニック映像装置２００に対して必要な映像ソース・データの入力信号への変換は、式（６）から（８）に従って随伴映像データ・プロセッサ８５０によって実施され得る。図１５Ａおよび１５Ｂに、量子フォトニック映像データ・プロセッサ８５０のブロック図および量子フォトニック映像装置２００とのそのインターフェースに関連するタイミング図をそれぞれ示す。図１５Ａおよび１５Ｂを参照すると、同期・制御ブロック８５１が、ソース映像またはビデオ入力に付随するフレーム同期入力信号８５６を受信し、フレーム処理クロック信号８５７およびＰＷＭクロック８５８を生成し得る。ＰＷＭクロック８５８のレートは、ソース映像またはビデオ入力のフレーム・レートおよびワード長によって決定され得る。図１５Ｂに示されたＰＷＭクロック８５８のレートは、１２０Ｈｚのフレーム・レートおよび１６ビットのワード長で動作する量子フォトニック映像装置２００および随伴映像データ・プロセッサ８５０の例示の実施形態を反映している。量子フォトニック映像装置２００およびその随伴映像データ・プロセッサ８５０によって、図１５Ｂに示されたフレーム・レートおよびワード長と異なるそれらを有するソース映像またはビデオ入力をサポートするために、本発明の教えをどのように使用するのかは、当業者に知られているはずである。

色空間変換ブロック８５２が、フレーム・クロック信号８５７と同期して、ソース映像またはビデオ・データのそれぞれのフレームを受け取り得、ソース入力色域座標を使用して、ソース入力画素の［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値のそれぞれを画素座標の［Ｒ_QPI、Ｇ_QPI、Ｂ_QPI］値にマッピングするために、式（６）で定められたデジタル処理を実施し得る。次いで、色空間変換ブロック８５２は、ソース映像またはビデオ・データ入力の白色点座標を使用し式（７）に従って、画素の［Ｒ_QPI、Ｇ_QPI、Ｂ_QPI］値のそれぞれを、量子フォトニック映像装置２００の対応する画素２３０の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン／オフ・デューティ・サイクル値λ_R、λ_Gおよびλ_Bそれぞれに変換し得る。

次いで、一様性補正ブロック８５３が、値λ_R、λ_Gおよびλ_Bを、一様性プロファイルＬＵＴ８５４中に格納された画素明るさの重み付け係数Ｋ_R、Ｋ_GおよびＫ_Bとともに使用して、式（８）に従って、量子フォトニック映像装置２００の画素２３０のそれぞれについて、一様性補正オン・タイム値［Λ_R、Λ_G、Λ_B］を生成し得る。

一様性補正ブロック８５３によって生成された値［Λ_R、Λ_G、Λ_B］は、それぞれの画素について３つの１６ビットのワードによって通常表現され得、次いで、ＰＷＭ変換ブロック８５５によって３つのシリアル・ビット・ストリームに変換され、それは、ＰＷＭクロックに同期して量子フォトニック映像装置２００に供給され得る。画素２３０のそれぞれについてＰＷＭ変換ブロック８５５によって生成された３つのＰＷＭシリアル・ビット・ストリームによって、量子フォトニック映像装置２００に３ビット・ワードがもたらされ得、そのそれぞれは、ＰＷＭクロック信号８５８の期間内で、画素の発光用の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン・オフ状態を定める。ＰＷＭ変換ブロック８５５によって生成された３ビット・ワードは、量子フォトニック映像装置２００のデジタル半導体構造２２０の適切な画素アドレスにロードされ得、上述したように、個々の画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３を、ＰＷＭクロック信号８５８によって決定された期間内でオンする、またはオフするために使用され得る。

本発明の量子フォトニック映像装置２００の動作の前の例示の実施形態では、画素［Ｒ、Ｇ、Ｂ］値によって指定されたソース映像画素の色および明るさは、量子フォトニック映像装置２００の本来の色域３０５の原色９０２、９０３および９０４を使用して、ソース映像中のそれぞれ個々の画素について、直接合成され得る。個々の画素の明るさおよび色が直接合成されるので、量子フォトニック映像装置２００のこの動作モードは、「直接色合成モード」と呼ばれる。量子フォトニック映像装置２００の動作の代替の例示の実施形態では、ソース映像色域の原色は、まず、量子フォトニック映像装置２００の本来の色域３０５の原色９０２、９０３および９０４を使用して、合成され、次いで、画素の色および明るさが、ソース映像色域の合成された原色を使用して、合成される。量子フォトニック映像装置２００のこの動作モードでは、画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３は、全体的に、ソース映像のＲＧＢ原色が順次合成され得る。これは、フレーム期間を３つのセグメントに分割して実施し得、それによって、それぞれのセグメントは、ソース映像の原色の１つを生成し、かつ画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれのデフォルト値（白色点）によって、そのフレーム・セグメントのそれぞれ中で順次、ソース映像の原色の１つの座標を反映させるために、専用に設けられ得る。それぞれの原色セグメントに設けられるフレームの期間、および画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の、そのセグメント中の相対的オン・タイム値は、必要な白色点色温度に基づき、選択され得る。個々の画素の明るさおよび色は、順次合成されるので、量子フォトニック映像装置２００のこの動作モードは、「順次色合成モード」と呼ばれる。

量子フォトニック映像装置２００の順次色合成モードでは、フレーム内の総ＰＷＭクロック・サイクル数は、３つの原色サブフレームに分配され得、１つのサブフレームは、ソース映像色域のＲ原色に、２番目は、そのＧ原色に、そして３番目は、そのＢ原色に、それぞれ専用に設けられる。量子フォトニック映像装置２００の画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のそれぞれの、Ｒ原色サブフレーム、Ｇ原色サブフレームおよびＢ原色サブフレーム中のオン・タイムは、ソース映像原色と、量子フォトニック映像装置２００の本来の色域の原色との間の、基準色空間内にある距離に基づき、決定され得る。次いで、これらのオン・タイム値は、ソース映像の個々の画素の［Ｒ、ＧおよびＢ］値によって、順次調節され得る。

図１５Ｂに、量子フォトニック映像装置２００の直接色合成モードと順次色合成モードの間の差を示し、それぞれの場合について、画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３に送られ得るイネーブル信号を示す。イネーブル信号８６０のシーケンスは、直接色合成モードでの画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の動作を示し、そこでは、ソース映像画素の輝度および彩度の成分が、対応する画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン／オフ・デューティ・サイクルおよび同時性を制御することによって、直接合成され得る。イネーブル信号８７０のシーケンスは、順次色合成モードでの画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３の動作を示し、そこでは、ソース映像色域の原色が、本来の色域３０５の原色９０２、９０３および９０４を使用して合成され得、ソース映像画素の輝度および彩度の成分が、ソース映像色域の合成された原色を使用して、順次合成され得る。

量子フォトニック映像装置２００の直接色合成モードと順次色合成モードは、それらが同等レベルの映像明るさを達成するために、異なるピーク対平均パワー駆動条件を必要とする傾向があり得るので、デバイスの達成される効率の観点で、異なり得る。しかし、本発明の量子フォトニック映像装置２００の両方の動作モードでは、同等のソース映像フレーム・レートおよび［Ｒ、Ｇ、Ｂ］ワード長をサポートすることができ得る。

ＱＰＩダイナミック・レンジ、応答時間、コントラストおよび黒レベル
量子フォトニック映像装置２００のダイナミック・レンジ能力（ソース映像画素のそれぞれについて、合成によって生成することができるグレースケール・レベルの総数として定義される）は、サポートすることができるＰＷＭクロック期間のもっとも小さい値によって決定され得、それは、次いで、画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン・オフ・スイッチング・タイムによって決定され得る。前の段落で述べたフォトニック半導体構造２１０（図２Ａ）の例示の実施形態は、期間がナノ秒の分数であるオン・オフ・スイッチング・タイムを達成し得、それによって量子フォトニック映像装置２００は、容易に１６ビットのダイナミック・レンジを達成することが可能になる。比較のため、もっとも最近の使用できるディスプレイ・システムは、８ビットのダイナミックで動作している。さらに、フォトニック半導体構造２１０によって達成することができる、期間がナノ秒の分数であるオン・オフ・スイッチング・タイムによって、量子フォトニック映像装置２００は、また、期間がナノ秒の分数である応答時間を達成することが可能になり得る。比較のため、ＬＣＯＳおよびＨＴＰＳタイプの映像装置によって達成することができる応答時間は、通常、４〜６ミリ秒のオーダーであり、マイクロミラー・タイプの映像装置のそれは、通常１マイクロ秒のオーダーである。映像装置の応答時間は、ディスプレイ・システムによって生成することができる映像品質に、ビデオ映像を生成する場合は特に、決定的に重要な影響を及ぼす。ＬＣＯＳおよびＨＴＰＳタイプの映像装置の比較的遅い応答時間は、生成されたビデオ映像に不要な乱れを生成する傾向になり得る。

デジタル・ディスプレイの品質は、また、それが発生することができるコントラストおよび黒レベルによって評価され、コントラストは、映像内の白色領域と黒色領域の相対的レベルの基準であり、黒レベルは、黒塗りつぶし入力に応答して達成することができる最大黒色である。ディスプレイのコントラストおよび黒レベルの両方は、マイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳ映像装置などの映像装置を使用する既存の投影ディスプレイでは、著しく低下する。というのは、そのような映像装置に付随する光子漏れのレベルが著しいからである。これらのタイプの映像装置に通常存在する大きい光子漏れは、オン状態の映像装置の画素からそのオフ状態の画素への光漏れによって引き起こされ、したがってコントラストおよび黒レベルが低下することになる。この影響は、そのような映像装置が色順次モードで動作するとき、より大きく現れる。相対的に、量子フォトニック映像装置２００は、光子漏れが生じ得ない。というのは、その画素の赤色、緑色および青色のレーザ・ダイオード２３１、２３２および２３３のオン状態およびオフ状態は、実質的に相互に排他的であるからである。そのため、量子フォトニック映像装置２００によって達成することができるコントラストおよび黒レベルは、マイクロミラー、ＬＣＯＳまたはＨＴＰＳの映像装置によって達成することができるものより何桁も優れたものになされている。

要約すれば、本発明の量子フォトニック映像装置２００は、他の映像装置の弱点を克服し、さらに加えて以下のいくつかの利点を示す。
１．高効率であるので、必要な電力消費が少ない。
２．必要な投影オプティックスがより簡単であり、複雑な照明オプティックスを必要としないので、全体のサイズが減少し、投影システムのコストが実質的に低下する。
３．拡大された色域を実現できるので、次世代ディスプレイ・システムの広色域要求をサポートすることが可能である。
４．速い応答時間、拡大されたダイナミック・レンジ、それに加えて高いコントラストおよび黒レベルを実現し、それによって表示される映像の品質を全体的に実質的に向上させ得る。

上記で詳細に述べた説明では、本発明は、その具体的な実施形態を参照して述べてきた。しかし、本発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更をそれに実施することができることは、明らかである。したがって、設計の細部および図面は、限定する意味ではなく、例示するものと見なすべきである。本発明の一部分は、好ましい実施形態について上記に述べた実施と異なって実施することができることを、当業者は認識するはずである。たとえば、本発明の量子フォトニック映像装置２００は、フォトニック半導体構造２１０を構成するマルチレイヤ・レーザ・ダイオードの数に、マルチレイヤ・レーザ・ダイオード２５０、２６０および２７０の具体的な設計の細部に、垂直導波路２９０の具体的な設計の細部に、画素の垂直導波路２９０の具体的なパターン選択に関連した具体的な設計の細部に、半導体製作手順の具体的な細部に、プロジェクタ８００の具体的な設計の細部に、随伴映像データ・プロセッサ・デバイス８５０の具体的な設計の細部に、映像データ入力の量子フォトニック・デバイス２００への結合に必要なデジタル制御および処理の具体的な設計の細部に、および量子フォトニック映像装置２００およびその随伴映像データ・プロセッサ８５０を含むチップ・セットの選択された動作モードに関連する具体的な設計の細部に、多数の変更を行って実施することができることを、当業者は理解するはずである。本発明の上述の実施形態の細部に多くの変更を、その根本的な原理および教えから逸脱することなく、実施することができることを、当業者はさらに理解するはずである。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定すべきである。

２００ 量子フォトニック映像装置； ２１０ フォトニック半導体構造；
２２０ デジタル半導体構造； ２２１ 接合用パッド；
２２９ ジタル制御ロジック； ２３０ 画素
２３１ 赤色（Ｒ）レーザ・ダイオード・マルチレイヤ；
２３２ 緑色（Ｇ）レーザ・ダイオード・マルチレイヤ；
２３３ 青色（Ｂ）レーザ・ダイオード・マルチレイヤ；
２３５ 側壁； ２４０ 半導体基板； ２９０ 垂直導波路。

Claims (17)

1. 放射型デジタル映像形成（映像装置）デバイスであって、前記デバイスは、
   垂直の側壁の格子により電気的かつ光学的に分離された、第１半導体基板上の発光画素の２次元アレイであって、前記第１半導体基板はその基板の第１の表面に対向する第２の表面でデジタル半導体構造上に積み重ねられる、前記２次元アレイと、
   前記デジタル半導体構造内の複数のデジタル半導体回路であって、各デジタル半導体回路が制御信号を受信するために電気的に結合されるとともに、前記第１半導体基板のそれぞれの発光画素のオン／オフ状態を別々に制御するため、前記垂直の側壁内に埋め込まれた垂直相互接続部によって、前記第１半導体基板上の前記発光画素に電気的に結合される、前記複数のデジタル半導体回路と、
   から構成され、さらに、
   前記２次元アレイ内の各発光画素は、それぞれが異なる色を発光する、複数の発光構造の積層体を含むとともに、該積層体の複数の発光構造により発生された光を該積層体の第１の表面から垂直方向に放射するための垂直導波路を含むことを特徴とする放射型デジタル映像形成（映像装置）デバイス。
2. それぞれの発光画素は異なる色の光をそれぞれ放射する複数のダイオードを有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
3. 多色光発光画素の２次元アレイと、
   前記デジタル半導体構造内の複数のデジタル半導体回路と、
   から構成される請求項１に記載の放射型デジタル映像形成（映像装置）デバイスであって、
   それぞれのデジタル半導体回路はデジタル半導体構造の周辺部から制御信号を受信するために電気的に結合され、かつ、多色光発光画素のそれぞれのオン／オフ状態を別々に制御するために、垂直側壁内に埋め込まれた垂直相互接続部により、前記第１半導体基板上の前記発光画素に電気的に結合され、
   前記多色光発光画素の２次元アレイのそれぞれの多色光発光画素は、
   それぞれが異なる色を発光する、発光ダイオードの複数の半導体構造であって、前記多色光発光画素の２次元アレイ内にある隣接する複数の多色画素からそれぞれの多色画素を分離するための垂直側壁の格子によって垂直に積み重ねられた、前記発光ダイオードの半導体構造と、
   複数の垂直導波路であって、前記発光ダイオード半導体構造により発生された光を前記発光ダイオード半導体構造のスタックの第１の表面から垂直方向に放射するために、前記発光ダイオード半導体構造に光学的に結合される、前記複数の垂直導波路と、
   を含み、
   前記発光ダイオード半導体構造のスタックは、その半導体構造の第１の面に対向する第２の面でデジタル半導体構造上に積み重ねられることを特徴とする、請求項１記載のデバイス。
4. それぞれの発光ダイオード半導体構造は、その上部および底部上に金属層を有し、隣接する発光ダイオード半導体構造上の前記金属層は、絶縁層によって個々の金属層間で分離されることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記金属層は、前記積み重ねられた発光ダイオード半導体構造のそれぞれとの正および負のコンタクトを形成することを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
6. 前記多色光発光画素の２次元アレイ内で前記デジタル半導体構造と前記発光ダイオード半導体構造を相互接続するためのコンタクト・パッドを形成するために、パターニングされた絶縁層によって前記金属層から隔離され、前記垂直相互接続部に接続された、金属層のパターニングされた相互接続層をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
7. それぞれの発光ダイオード半導体構造は、前記コンタクト・パッドを通して別々にアドレス可能であることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
8. 中に垂直相互接続部を有する前記垂直側壁は、ぞれぞれの画素を囲繞する絶縁および金属の代替の層を含み、それにより、それぞれの画素を囲む前記金属層によりもたらされる前記光学的分離は途絶えることないことを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
9. それぞれの発光ダイオード半導体構造は、アクティブ領域および光閉じ込め領域を有し、それぞれの発光ダイオード半導体構造の前記アクティブ領域は、ＡｌxＩｎ1-xＰ、ＧａxＩｎ1-xＰ、またはＩｎxＧａ1-xＮからなる、複数の量子井戸、複数の量子細線または複数の量子ドットを形成する複数の半導体層を有することを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
10. それぞれの発光ダイオード半導体構造は、アクティブ領域および光閉じ込め領域を有し、それぞれの発光ダイオード半導体構造には、少なくとも１つの垂直導波路が前記発光ダイオード半導体構造の前記スタックの前記第１の表面から伸びて、前記発光ダイオード半導体構造の前記光閉じ込め領域の端部で終わることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
11. 前記垂直導波路は、それぞれの画素領域全体にわたって一様な明るさをもたらすために、画素表面領域内に隔置されることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
12. 前記デジタル半導体構造は、シリアル・ビット・ストリームに応答し、
    前記シリアル・ビット・ストリームは、複数ビットのワードのシリアル表現であり、ソース・デジタル映像データ入力を光学映像に変換するために、それぞれのシリアル・ビット・ストリームは個々の画素の色成分および明るさを定義し、光学映像変換されることにより、それぞれの前記多色画素は、前記個々の画素のソース・デジタル映像入力データによって表された前記色および明るさの値を反映した色および明るさの光を放射することを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
13. 映像ソース・データを受け取り、前記映像ソース・データを、前記放射型多色映像形成デバイスの前記画素のそれぞれを構成する発光ダイオードのオン／オフ・デューティ・サイクル値に変換するための随伴デバイスをさらに有し、
    前記随伴デバイスは、
    色空間変換ブロックと、
    重み付け係数ルックアップ・テーブルを含む、一様性補正ブロックと、
    パルス幅変調変換ブロックと、
    同期・制御ブロックと、
    を含み、前記重み付け係数ルックアップ・テーブルは、デバイス・レベルの試験で決定された、それぞれの画素のそれぞれの色についての明るさの一様性重み付け係数を格納し、そのデバイス・レベルの試験において、放射型開口を含む前記画素アレイの前記明るさが測定され、明るさの一様性重み付け係数がそれぞれの画素のそれぞれのレーザ色について計算されることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
14. 前記デバイスは、それぞれの色発光ダイオードに関するシリアル・データ・ストリーム、および前記積み重ねられた発光ダイオード半導体構造のアレイ内のそれぞれの発光ダイオードのオン／オフ・デューティ・サイクル制御のための制御信号を受け取るように構成され、
    前記随伴デバイスは、それぞれの色発光ダイオードに関するシリアル・データ・ストリーム、および前記積み重ねられた発光ダイオード半導体構造のアレイ内のそれぞれの発光ダイオードのオン／オフ・デューティ・サイクル制御のための制御信号を供給するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記多色光発光画素の２次元アレイは複数のレーザ・ダイオード半導体構造を有することを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
16. 放射型多色デジタル映像形成（映像装置）デバイスであって、前記デバイスは
    それぞれが垂直側壁によって囲まれた多色レーザ発光画素の２次元アレイと、
    デジタル半導体構造内の複数のデジタル半導体回路であって、それぞれが、前記デジタル半導体構造の周辺部から制御信号を受信するために電気的に結合され、かつ、前記２次元アレイの多色レーザ発光画素のそれぞれのオン／オフ状態を別々に制御するために、前記垂直側壁内に埋め込まれた垂直相互接続部によって、前記多色レーザ発光画素に電気的に結合される、複数のデジタル半導体回路と、
    から構成され、
    前記多色レーザ発光画素の２次元アレイのそれぞれの多色レーザ発光画素は、
    それぞれが異なる色を発光する複数のレーザ・ダイオード半導体構造であって、前記多色レーザ発光画素の２次元アレイ内の隣接する複数の多色レーザ発光画素からそれぞれの多色レーザ発光画素を分離するための垂直側壁の格子により垂直に積み重ねられた、前記複数のレーザ・ダイオード半導体構造と、
    複数の垂直導波路であって、前記レーザ・ダイオード半導体構造により発生されたレーザ光を前記レーザ・ダイオード半導体構造のスタックの第１の表面から垂直方向に放射するために、前記レーザ・ダイオード半導体構造に光学的に結合される、前記複数の垂直導波路と、
    を有し、前記レーザ・ダイオード半導体構造のスタックは、その半導体構造の第１の面に対向する第２の面でデジタル半導体構造上に積み重ねられることを特徴とする、放射型多色デジタル映像形成（映像装置）デバイス。
17. 放射型多色デジタル映像形成デバイスを製作する方法であって、
    ａ）多色発光画素の２次元アレイのウェハを形成するステップであって、このステップにおいて、それぞれの多色発光画素は、異なる色を発光する複数のダイオード半導体構造を有するとともに、前記多色発光画素のアレイ内のそれぞれの多色画素を隣接した多色画素から電気的に光学的に分離する垂直側壁の格子よって垂直に積み重ねられ、前記ダイオード半導体構造に光学的に結合された複数の垂直導波路は、前記ダイオード半導体構造によって発生された光を前記ダイオード半導体構造のスタックの第１の表面から垂直方向に放射し、複数のコンタクト・パッドがそれぞれのダイオード半導体構造へ電気的接触をもたらす、ステップと、
    ｂ）複数のデジタル半導体構造のウェハを形成するステップであって、それぞれのデジタル半導体構造は複数のデジタル半導体回路を有するとともに、前記デジタル半導体構造の周辺部から制御信号を受信するために電気的に結合され、かつ、接続可能な前記ダイオード半導体構造のそれぞれのオン／オフ状態を別々に制御するためにコンタクト・パッドにも電気的にも結合されている、ステップと、
    ｃ）前記多色発光画素の２次元アレイの前記ウェハと、前記デジタル半導体構造のコンタクト・パッド側のウェハとをウェハ・レベルで接合するステップと、
    ｄ）画素領域間のフォトニック半導体構造を貫通してエッチングして、前記デバイス・コンタクト・パッドを露出させるステップと、
    ｅ）マルチ・ウェハをダイに切り出して、複数の放射型多色デジタル映像形成デバイスを形成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。